Nghiên cứu xây dựng thư viện phần mềm đối tượng phục vụ điều khiển tự động nhà máy nhiệt điện than

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
X W Y  Z X W
BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2011
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THƯ VIỆN PHẦN MỀM
ĐỐI TƯỢNG PHỤC VỤ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NHÀ
MÁY NHIỆT ĐIỆN THAN







Cơ quan chủ trì:
Chủ nhiệm đề tài:







VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
TRỊNH HẢI THÁI

9170


HÀ NỘI – 2011


BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
X W Y  Z X W
BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2011
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THƯ VIỆN PHẦN MỀM
ĐỐI TƯỢNG PHỤC VỤ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NHÀ
MÁY NHIỆT ĐIỆN THAN







CƠ QUAN CHỦ TRÌ
VIỆN TRƯỞNG

Nguyễn Thế Truyện

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI





Trịnh Hải Thái



1


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 5
1.1 CƠ SỞ PHÁP LÝ/XUẤT XỨ ĐỀ TÀI 5
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 5
1.3 TÍNH CẤP THIẾT 5
1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC 6
1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 11
1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12
1.7 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 13
CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ 14
2.1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN THAN 14

2.1.1 Lò hơi tầng sôi tuần hoàn 15
2.1.2 Lò hơi đốt than phun 16
2.1.3 Các hệ khác 17
2.2 H
Ệ THỐNG SẢN XUẤT HYDRO (Electrolytic Hydrogen Plant) 19
2.3 HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THÔ (Raw Water Treatment System) 27
2.4 HỆ THỐNG KHỬ KHOÁNG (Demineralization System) 29
2.5 HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI (Waste Water Treatment Plant) 37
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THƯ VIỆN PHẦN MỀM 42
3.1 ĐỐI TƯỢNG BÌNH ĐIỆN PHÂN: G_ELECTROLYZER 42
3.1.1 Mô tả đối tượng thực 42
3.1.2 Hàm đối tượng 46
3.2 ĐỐI TƯỢNG MÁY NÉN: G_COMPRESSOR 52
3.2.1 Mô tả đối tượng thực 52
2

3.2.2 Hàm đối tượng 53
3.3 ĐỐI TƯỢNG BỘ CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA: G_RECTIFIER 56
3.3.1 Mô tả đối tượng thực 56
3.3.2 Hàm đối tượng 58
3.4 ĐỐI TƯỢNG BÌNH GASHOLDER: G_GASHOLDER 58
3.4.1 Mô tả đối tượng thực 58
3.4.2 Hàm đối tượng 62
3.5 ĐỐI TƯỢNG VALVE CÓ ĐIỀU KHIỂN: G_SGL_COIL_VALVE 64
3.5.1 Mô tả đối tượng thực 64
3.5.2 Hàm đối tượng 65
3.6 ĐỐI TƯỢNG BÌNH LƯU : G_GAS_STOR_TANK 67
3.6.1 Mô tả đối tượng thực 67
3.6.2 Hàm đối tượng 70
3.7 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN RECTIFIER:G_CTRL_RECTIFIER 72

3.7.1 Mô tả bộ điều khiển 72
3.7.2 Hàm đối tượng 73
3.8 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MÁY NÉN KHÍ:G_CTRL_COMPRESSOR 79
3.8.1 Mô tả bộ điều khiển 79
3.8.2 Hàm đối tượng 80
3.9 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MÁY SẤY KHÔ: G_CTRL_DRYER 85
3.9.1 Mô tả bộ điều khiển: 85
3.9.2 Hàm đối tượng 86
3.10 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN CH
ỈNH LƯU:
G_CTRL_DC_CURRENT_REC 90
3.10.1 Mô tả bộ điều khiển 90
3.10.2 Hàm đối tượng 90
3.11 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HAI MÁY :G_CTRL_2_MACHINE 92
3.11.1 Mô tả bộ điều khiển 92
3.11.2 Hàm đối tượng 92
3.12 ĐỐI TƯỢNG BÌNH LỌC GRAVITYFILTER : G_GRAVITYFIL_TANK 94
3.12.1 Mô tả đối tượng thực 94
3.12.2 Hàm đối tượng 95
3

3.13 ĐỐI TƯỢNG BÌNH LỌC TRỌNG LỰC: G_CLARIFIER_TANK 95
3.13.1 Mô tả đối tượng thực 95
3.13.2 Hàm đối tượng 96
3.14 ĐỐI TƯỢNG BƠM ĐƠN: G_PUMP 97
3.14.1 Mô tả đối tượng thực 97
3.14.2 Hàm đối tượng 99
3.15 ĐỐI TƯỢNG pH 103
3.15.1 Bài toán và phương pháp giải 103
3.15.2 Hàm đối tượng 103

3.16 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN BƠM ĐƠN:G_CTRL_SGL_PUMP 103
3.16.1 Mô tả bộ điều khiển 103
3.16.2 Hàm đối tượng 104
3.17 ĐỐI T
ƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HAI BƠM LUÂN PHIÊN:
G_CTRL_TIME_ON_PUMP 105
3.17.1 Mô tả bộ điều khiển 105
3.17.2 Hàm đối tượng 105
3.18 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VAN: G_CTRL_VALVE 107
3.18.1 Mô phỏng đối tượng 107
3.18.2 Hàm điều khiển 107
3.19 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MÁY KHUẤY :G_CTRL_MIXER 110
3.19.1 Mô tả bộ điều khiển 110
3.19.2 Hàm đối tượng 110
3.20 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN KHỬ KHOÁNG: G_STEP_CTRL_CARBON 111
3.20.1 Mô tả b
ộ điều khiển 111
3.20.2 Hàm đối tượng 111
3.21 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN TRAO ĐỔI ANION: G_STEP_CTRL_ANION 113
3.21.1 Mô tả bộ điều khiển 113
3.21.2 Hàm đối tượng 114
3.22 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN TRAO ĐỔI CATION: G_STEP_CTRL_CATION
115
3.22.1 Mô tả hàm đối tượng 115
3.22.2 Hàm đối tượng 117
4

3.23 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN BÌNH LỌC HỖN HỢP :G_STEP_CTRL_MIXED
118
3.23.1 Mô tả đối tượng thực 118

3.23.2 Hàm đối tượng 119
3.24 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN pH: G_CTRL_pH 120
3.24.1 Mô tả đối tượng thực 120
3.24.2 Hàm đối tượng 121
CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 122
4.1 PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM 122
4.2 KẾT LUẬN 122

5



CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 CƠSỞ PHÁP LÝ/XUẤT XỨ ĐỀ TÀI
Đề tài “Nghiên cứu xây dựng thư viện phần mềm đối tượng phục vụ điều khiển tự động nhà
máy nhiệt điện than” được thực hiện theo Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển
công nghệ số 130.11.RD/HĐ-KHCN giữa Bộ Công Thương (Bên A) và Viện Nghiên cứu
Điện tử, Tin Học, Tự động hóa (Bên B) ký ngày 08 tháng 04 năm 2011.

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
-Xây dựng được thư viện phần mềm các đối tượng cơ sở phục vụ điều khiển một số hệ
thống trong nhà máy nhiệt điện than để góp phần tiến tới làm chủ thiết kế, xây dựng nhà
máy nhiệt điện than tại Việt Nam.
-Góp phần giảm giá thành các hệ thống điều khiển tự động trong nhà máy nhiệt
điện, tiết
kiệm cho đất nước.
-Đào tạo các cán bộ chuyên môn trong lĩnh vực nhiệt điện
.

1.3 TÍNH CẤP THIẾT
Tốc độ tiêu thụ điện năng của Việt Nam có xu hướng tăng gấp đôi tốc độ GDP trong
điều kiện nguồn cung sản xuất thủy điện và nhiệt điện không đáp ứng đủ đang tạo áp lực

cho ngành Điện Việt Nam cần có chiến lược phát triển dài hạn: Theo quyết định số
110/2007/QĐ-TTg của thủ
tướng chính phủ kí ngày 18 tháng 07 năm 2007 “Đáp ứng nhu
cầu phát triển kinh tế- xã hội của cả nước với mức tăng GDP khoảng 8,5%-9% năm giai
đoạn 2006-2010 và cao hơn ,dự báo nhu cầu điện nước ta tăng ở mức 17% năm (phương án
cơ sở), 20% (phương án cao) trong giai đoạn 2006-2015”.
Một nền kinh tế phát triển phải gắn với sự phát triển của ngành năng lượng quốc gia,
nhằm đảm bảo cung cấp đủ nguồn điện cho các hoạt động sản xuất, kinh doanh và phát
triển kinh tế. Việt Nam cũng không nằm ngoài quy luật đó, khi ngành điện luôn được coi là
một ngành then chốt, trọng điểm và nhận được rất nhiều sự quan tâm của nhà Nước.
Số liệu theo báo cáo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam( EVN) , tổng điện thương phẩm
c
ả nước năm 2010 đạt 85,59 tỷ kWh, tăng 14,4% so với năm 2009.Trong khi đó tổng công
suất khả dụng của nguồn điện trong năm 2010 dao động trong khoảng 15.000-17.600MW.
Tình hình cung ứng điện năm 2010 đã gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt, ở các tháng mùa
khô, do tình hình hạn hán nghiêm trọng kéo dài làm suy giảm công suất và sản lượng các
nhà máy thuỷ điện, nhu cầu điện tăng cao do nắng nóng, một số nhà máy nhiệ
t điện than
mới (Hải Phòng, Quảng Ninh, Uông Bí 2, Phả Lại 2, Cẩm Phả và Sơn Động) vận hành
không ổn định thường xảy ra sự cố, dẫn đến hệ thống điện quốc gia bị mất cân đối cung -
cầu về điện. Để đảm bảo an ninh vận hành hệ thống điện, việc cắt giảm phụ tải điện đã phả
i
thực hiện với tổng sản lượng điện cắt giảm vào mùa khô 2010 ước tính khoảng 1,4 tỷ kWh.
Tổng nhu cầu điện sản xuất toàn quốc năm 2011 là 117,63 tỷ kWh, tăng 17,63% so với
tổng sản lượng điện thực hiện năm 2010 (100,1 tỷ kWh), trong đó tổng nhu cầu điện sản
xuất 6 tháng mùa khô 2011 là 56,14 tỷ kWh tăng 18,3% so với thực hiện 6 tháng mùa khô
2010, tổng nhu cầu đ
iện sản xuất 6 tháng cuối năm 2011 là 61,49 tỷ kWh tăng 16,8% so với
thực hiện 6 tháng cuối năm 2010.
6


Theo quyết định số 0152/QĐ-BCT phê duyệt Kế hoạch cung cấp điện và vận hành hệ
thống điện năm 2011 làm cơ sở pháp lý cho điều hành cung ứng điện, tính toán với khả
năng phát điện tối đa các nhà máy điện trong hệ thống, tổng điện năng sản xuất và nhập
khẩu của hệ thống điện quốc gia nă
m 2011 sẽ ở mức 115,56 tỷ kWh, trong đó mùa khô là
54,06 tỷ kWh.
Theo ông Phạm Lê Thanh, Tổng Giám đốc Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) từ nay
đến 2020, EVN sẽ phải gấp rút xây dựng thêm 44 nhà máy nữa. Dự kiến, tổng lượng vốn
đầu tư cho 44 nhà máy này là 690.000 tỷ đồng (tương đương 40 tỷ USD).
Nếu ta có thể nội địa hóa được 30% tức khoảng 12 tỷ USD thì sẽ tạo ra rất nhiều công
ăn việc làm cho lao độ
ng trong nước đồng thời đào tạo được đội ngũ cán bộ kỹ thuật giỏi
trong lĩnh vực này. Do vậy việc nội địa hóa mang tính cấp thiết, cần phải làm và làm bắt
đầu từ phần dễ là các subsystem.
Hiện nay các dự án xây dựng nhà máy nhiệt điện phần lớn do nước ngoài tổng thầu ( ví
dụ như: Nhà máy nhiệt điện Mạo Khê do Trung Quốc tổng thầu, nhà máy nhiệt đ
iện than
Mông Dương 2 có công suất 1.200MW do tập đoàn AES(tập đoàn chuyên đầu tư phát triển
các nguồn điện và phân phối điện của Mỹ) ,nhà máy Điện 1 –Hải Phòng với công suất
600MW do tổ hợp nhà thầu Trung Quốc và Nhật Bản làm tổng thầu) trong chuỗi công việc:
Thiết kế - Cung cấp lắp đặt cơ khí – Cung cấp lắp đặt thiết bị công nghệ - Cung cấp lắp đặt
hệ thống điều khiển (bao gồm phần cứng và phần mềm), ta chủ yếu làm các công việc cơ
khí, còn phần mềm và điều khiển chủ yếu của nước ngoài. Thực tế ta có thể chủ động phần
thiết kế, lắp đặt cơ khí; thiết bị công nghệ và phần cứng điều khiển mua sẵn còn phần mềm
có thể tự viết.

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC
Xu hướng lập trình phần mềm điều khiển các hệ thống tự động hóa hiện nay đã chuyển
sang sử dụng phương pháp hướng đối tượng, phương pháp này được cụ thể hóa rõ nhất

trong phần mềm (engineering software/tools) của các hệ điều khiển phân tán (DCS). Có hai
phương pháp lập trình: phương pháp hướng chức năng và phương pháp hướng đối tượng
(object-oriented programming viết tắt là OPP).
Ph
ương pháp hướng chức năng là lối tiếp cận truyền thống trong lĩnh vực công nghệ
thông tin. Theo lối tiếp cận này, ta quan tâm chủ yếu tới những thông tin mà hệ thống sẽ
lưu giữ. Ta hỏi xem người dùng cần những thông tin nào, rồi thiết kế cơ sở dữ liệu để chứa
những thông tin đó, cung cấp biểu mẫu (forms) để nhập thông tin và in báo cáo để trình bày
các thông tin. Nói một cách khác, chúng ta tập trung vào thông tin và không mấy để
ý đến
những gì có thể xảy ra với những hệ thống đó và cách hoạt động (ứng xử) của hệ thống.
Đây là lối tiếp cận xoay quanh dữ liệu và đã được áp dụng để tạo nên hàng ngàn hệ thống
trong suốt nhiều năm qua. Lối tiếp cận xoay quanh dữ liệu là phương pháp tốt cho việc thiết
kế cơ sở dữ liệu và nắm bắt thông tin, như
ng nếu áp dụng cho việc thiết kế ứng dụng lại có
thể khiến phát sinh nhiều khó khăn. Một trong những thách thức lớn là yêu cầu đối với các
hệ thống thường xuyên thay đổi. Một hệ thống xoay quanh dữ liệu có thể dể dàng xử lý
việc thay đổi cơ sở dữ liệu, nhưng lại khó thực thi những thay đổi trong nguyên tắc nghiệp
vụ hay cách hoạt động của h
ệ thống.
Trong lĩnh vực tự động hóa, ngoài các hệ DCS (đã có sẵn thư viện các hàm đối tượng
điều khiển) phương pháp hướng chức năng vẫn được áp dụng phổ biến. Nguyên do có thể
là ứng dụng quá đơn giản hoặc người lập trình điều khiển thường tập trung chủ yếu vào
7

logic thực thi các chức năng mà công nghệ đòi hỏi nên ít quan tâm đến phương pháp lập
trình. Mặt khác ngôn ngữ viết chương trình điều khiển không phải là ngôn ngữ hướng đối
tượng nên ý tưởng lập trình hướng đối tượng ít được chú ý.
Theo phương pháp hướng chức năng, mỗi một chức năng thường được đóng gói thành
các hàm (function/subroutine), trong đó cấu trúc phần cứng hệ thống công nghệ, đặc điểm

điều khiển của các thiết bị (van, bơm, quạt, bình chứa, ) và sự liên kết/tương tác giữa các
đối tượng vật lý không thể hiện một cách rõ ràng và tách biệt trong logic điều khiển nên
phương pháp này sẽ gặp nhiều khó khăn trong xử lý lỗi hay khi cần sửa đổi/nâng cấp công
nghệ, thay đổi chủng loại thiết bị, và không tận dụng được đặc điểm điều khiển giố
ng nhau
của nhiều đối tượng trong hệ thống để nhân bản/kế thừa. Phương pháp hướng đối tượng sẽ
giải quyết được vấn đề đó.
Tiếp cận hướng đối tượng là một lối tư duy về vấn đề theo cách ánh xạ các thành phần
trong bài toán vào các đối tượng ngoài đời thực. Với lối tiếp cận này, chúng ta chia ứng
dụng thành các thành phần nhỏ, gọi là các đố
i tượng, chúng tương đối độc lập với nhau.
Sau đó ta có thể xây dựng ứng dụng bằng cách chắp các đối tượng đó lại với nhau. Xét ví
dụ: một hệ thống khử khoáng trong nhà máy nhiệt điện gồm các loại đối tượng sau: valve,
bơm, bình lọc thô, bình lọc cacbon, công tắc báo mức, thiết bị đo pH, độ dẫn, mức, Đối
với mỗi loại hoặc một nhóm loại
đối tượng có đặc điểm giống nhau (xét từ góc nhìn của
điều khiển) ta sẽ xây dựng một hàm đối tượng điều khiển tương ứng và sau đó ghép chúng
lại thành hệ thống điều khiển tổng thể hoàn chỉnh. Nếu theo phương pháp hướng chức năng
thì thông thường người lập trình sẽ phân tách theo công đoạn điều khiển như: lắng trọng
lực, c
ấp hóa chất, lọc carbon, lọc cation, lọc anion, và tập trung vào nghiên cứu, phân tích
logic điều khiển trong mỗi công đoạn để lập trình.
Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, khái niệm về các đối tượng và thực thể trong khoa
học máy tính được nhiều người biết đến từ hệ thống PDP-1 của đại học MIT. Một bằng
chứng sớm khác của OOP được tìm thấy qua Sketchpad viết bởi Ivan Sutherland trong năm
1963, tuy nhiên, đây chỉ là m
ột ứng dụng chứ không là một mẫu hình lập trình.
Ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng đầu tiên là Simula, ngôn ngữ này được thiết kế để
dùng trong các việc mô phỏng, được sáng tạo bởi Ole-Johan Dahl và Kristen Nygaard
thuộc Trung tâm Máy tính Na Uy ở Oslo. Các kiến thức trong ngôn ngữ này sau đó đã được

dùng trong nhiều ngôn ngữ khác, bắt đầu từ Lisp và Pascal cho đến họ ngôn ngữ Smalltalk.
Lập trình hướng đối tượng đã được phát triển như là phươ
ng pháp lập trình chủ đạo từ giữa
thập niên 1980 nguyên do đáng kể là việc ảnh hưởng của C++, một ngôn ngữ mở rộng của
C. Địa vị thống trị của OOP đã được củng cố vững chắc bởi sự phổ biến của các GUI dành
cho ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng ngày càng tiện lợi. Một thí dụ về quan hệ gần gũi
của thư vi
ện GUI động và ngôn ngữ OOP là phần mềm Cocoa, nó là khung cơ sở của Mac
OS X dược viết bằng Objective C (Objective C là một loại ngôn ngữ hướng đối tượng mở
rộng của C với việc thông báo động). Công cụ cho OOP cũng được nâng cao phần "lập
trình điều khiển theo sự kiện" (mặc dù khái niệm này không chỉ dành cho OOP). Trong lĩnh
vực tự động hóa không có ngôn ngữ lập trình điều khiển hướng đối tượng, tuy nhiên ta
hoàn toàn có th
ể áp dụng ý tưởng hướng đối tượng trong lập trình điều khiển hệ thống tự
động hóa.
Trên thế giới việc tính toán, thiết kế, chế tạo nhà máy nhiệt điện đã đạt đến đỉnh cao về
kỹ thuật và công nghệ. Một số hãng nổi tiếng trong lĩnh vực này có thể kể đến như:
8

Marubeni, Sumimoto, Deawoo, Alstom, Invelt, Metso, Power Machine, Harbin Chương
trình điều khiển cho nhà máy nhiệt điện phức tạp, số lượng biến đến hàng chục ngàn, công
việc kiểm tra, sửa lỗi, thay đổi chương trình và bảo trì sẽ khó hơn rất nhiều so với trường
hợp số lượng biến ít. Câu hỏi đặt ra là dùng phương pháp gì để thiết kế và xây dựng chương
trình điều khiển lớn như vậy? Các hãng tự động hoá nổ
i tiếng như ABB, SIEMENS,
YOKOGAWA, EMERSON đã sử dụng phương pháp hướng đối tượng. Mỗi một hãng
đưa ra các hàm điều khiển đối tượng trong đó “nhúng” sẵn các hiểu biết/kinh nghiệm
(know-how) của mình về điều khiển đối tượng đó. Các thư viện đối tượng (object libraries)
giá cao, không mở và chủ yếu bán kèm theo các hệ DCS giá vài trăm ngàn đến hàng triệu
USD.

Những phần mềm điều khiển hiện
đại đang được ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện có
thể kể tới như: COMPOSER (ABB), CENTUM (YOKOGAWA), OVATION
(EMERSON), PCS7 (SIEMENS), Các hàm đối tượng điều khiển có sẵn được phân loại
như sau:
• Các khối điều khiển điều chỉnh (Regulatory Control Blocks): Các khối này chủ yếu
sử dụng cho điều khiển quá trình liên tục.
• Các khối trình tự (Sequence Blocks): Các khối này chủ yếu dùng cho khóa liên động
và điều khiển theo m
ẻ.
• Các khối tính toán (Calculation Blocks): Sử dụng cho các phép tính toán.
• Các khối bản mặt (Faceplate Blocks): Sử dụng cho giao diện người máy.
• Các khối điều khiển thiết bị chuyển mạch và động cơ ( MC/Switch Instrument
Blocks): Các khối này bao gồm điều khiển và liên động điều khiển ON/OFF, điều khiển
động cơ, thiết bị chuyển mạch,
• Các khối điều khiển đối tượng chuyên dụng cho một lĩnh v
ực cụ thể như nhiệt điện,
xi măng, dầu khí, hóa chất, cán thép, chế biến,
• Các khối điều khiển truyền thông (Communication Blocks): Thực hiện truyền thông
trên các giao thức khác nhau.
• Các khối khác: Tùy theo từng hãng cụ thể.
Các đối tượng đóng gói kín nên ta không thể sửa đổi mã, nâng cấp, cải tiến cho phù hợp
với ứng dụng cụ thể của mình được. Thông thường mỗi hàm đối tượng chiếm hàng
kylobytes bộ nhớ, do đó đòi hỏi cấu hình phần cứng phải mạnh (hầu hết phải sử dụng các
dòng sản phẩm có cấu hình mạnh nhất của hãng) thì mới đủ tài nguyên để chạy chương
trình. Điều này làm giảm khả năng tùy chọn cấu hình phù hợp với yêu cầu từng ứng dụng
cụ thể tại Việt Nam. Tại Việt Nam phần lớn hệ thố
ng tự động hóa sử dụng cấu hình phần
cứng ở mức thấp và trung bình. Ngoài ra, các đối tượng mà hãng cung cấp có rất nhiều I/O
để người sử dụng có thể tùy chọn, thiết kế tương đối tổng quát này cho phép ứng dụng

được trong nhiều trường hợp khác nhau nhưng đôi khi lại thừa quá nhiều I/O cho một ứng
dụng cụ thể nào đó, điều này dẫn đến chương trình sẽ “n
ặng hơn” và người sử dụng khó
dùng hơn do phải hiểu ý nghĩa của quá nhiều I/O. Có thể lấy ví dụ như sau một hàm đối
tượng điều khiển valve (VALVE_CONTROL) của PCS7 có 62 I/O và cần 3kbytes bộ nhớ,
trong khi trong ứng dụng xử lý nước khử khoáng của nhà máy nhiệt điện hàm đối tượng
điều khiển valve chỉ cần 16 I/O với đòi hỏi bộ nhớ vài trăm bytes là đủ.
Mộ
t số ví dụ các hàm đối tượng trong thư viện phần mềm của PC S7
Đối tượng Motor
9


Hình 1: Các giao diện INPUT của đối tượng Motor

Hình 2: Các giao diện OUTPUT của đối tượng Motor

10


Hình 3: : Các giao diện IN_OUT của đối tượng Motor
Đối tượng Valve

Hình 4: Các giao diện IN của đối tượng valve
11


Hình 5: Các giao diện OUTPUT của đối tượng valve

Hình 6: Các giao diện IN_OUT của đối tượng valve

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC
Trong 5-10 năm lại đây ngành năng lượng được đầu tư phát triển với tăng trưởng 12%-
15%/năm. Nhiệt điện than luôn chiếm 40% tổng công suất nguồn điện quốc gia. Các nhà
máy nhiệt điện than đang liên tục được xây dựng như: Nhiệt điện Hải Phòng; Quảng Ninh;
Mông Dương 1,2; Vũng Áng 1; Thăng Long; Ninh Bình m
ở rộng 1; Uông Bí mở rộng 2;
…. Trong các công trình này hệ thống điều khiển tự động hầu hết do nước ngoài cung cấp
12

hoặc công ty trong nước tích hợp dựa trên phần cứng và phần mềm của nước ngoài. Nếu
chỉ tính riêng phần cứng điều khiển (PLCs, HMI devices) và phần mềm điều khiển
(engineering software/tools, HMI software/tools, control programs, HMI programs) trong
hệ thống tự động hóa thì phần mềm chiếm giá trị khoảng 60-70%, thậm chí lớn hơn. Phần
mềm điều khiển có giá trị gia tăng cao, tuy nhiên các đơn vị trong nước chưa tập trung
nghiên cứu xây d
ựng các module phần mềm cho hệ thống điều khiển tự động. Mảng thị
trường này có thể coi còn bỏ ngỏ và có tiềm năng lớn. Các công ty trong nước còn đang
trong giai đoạn nghiên cứu thiết kế chế tạo, thử nghiệm ứng dụng từng phần của nhà máy
nhiệt điện than. Có một số hệ điều khiển do đơn vị trong nước thiết kế ch
ế tạo đã đưa vào
sử dụng nhưng bộc lộ nhiều nhược điểm: hoạt động kém ổn định, khó bảo trì, nâng cấp
.Chương trình điều khiển tự động xây dựng theo phương pháp hướng chức năng nên khó
bảo trì, nâng cấp, sửa lỗi; ít khả năng thương mại hoá.
Các thư viện phần mềm đối tượng điều khiển đã làm đơ
n giản hoá quá trình xây dựng
chương trình điều khiển các hệ thống phức tạp trong nhà máy nhiệt điện. Thiết kế hướng
đối tượng là xu hướng mới trong lĩnh vực tự động hoá trên thế giới nhưng ít được áp dụng
tại Việt Nam .
Chưa có đơn vị nào nghiên cứu xây dựng thư viện thư viện phần mềm đối tượng phục

vụ điều khi
ển tự động nhà máy nhiệt điện than. Để tiến đến mục tiêu lâu dài là làm chủ
công nghệ thiết kế chế tạo các nhà máy nhiệt điện thì không thể không tự xây dựng chương
trình điều khiển trên cơ sở thư viện đối tượng do các chuyên gia trong nước thiết kế, lập
trình. Thư viện của nước ngoài giá cao, không thể cải tiến chỉnh sửa cho phù hợp với ứng
dụ
ng cụ thể. Chủ động trong việc xây dựng phần mềm điều khiển là bước đầu tiến tới làm
chủ công nghệ điều khiển các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam. Điều này có ý nghĩa rất lớn
về mặt kinh tế- xã hội, an ninh –quốc phòng của đất nước.

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trước hết nhóm thực hiện sẽ khảo sát thự
c tế các hệ thống điều khiển sau:
- Hệ thống điều khiển tự động sản xuất hydro (Electrolytic Hydrogen Plant)
- Hệ thống điều khiển tự động khử khoáng (Demineralization System)
- Hệ thống điều khiển tự động xử lý nước thô (Raw Water Treatment System)
- Hệ thống điều khiển tự động xử lý nước thải (Waste Water Treatment Plant)
Các hệ thống trên sẽ được khảo sát tạ
i một trong những công trình hiện đại, mới xây dựng
tại Việt Nam. Nhóm sẽ nghiên cứu tìm hiểu công nghệ điều khiển từng hệ thống, tìm hiểu
các chương trình điều khiển từng hệ thống.
Trên cơ sở khảo sát, nhóm sẽ thống kê các đối tượng điều khiển, phân tích các đặc trưng
của đối tượng trong sự tương tác với môi trường bên ngoài, từ đó thiết k
ế các giao diện của
đối tượng. Sau đó nhóm sẽ lập trình, tối ưu thuật toán điều khiển từng đối tượng và test
chúng. Các đối tượng sẽ được xây dựng trên cơ sở ngôn ngữ bậc thấp để tăng hiệu năng
thực hiện và có tính khả chuyển cao giữa các hệ thống phần cứng khác nhau. Mã code có
thể dễ dàng chuyển sang platform vi điều khiển, PLC (Omron, ABB, Rockwell,
Siemens, ), PAC, PC. Cuối cùng nhóm sẽ ghép nố
i các đối tượng theo yêu cầu công nghệ

điều khiển và kiểm tra các chức năng làm việc của từng đối tượng trong liên động điều
khiển chung.

13

1.7 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung 1: Nghiên cứu, khảo sát công nghệ điều khiển một số hệ thống trong nhà máy
nhiệt điện than sau đây:
- Hệ thống điều khiển tự động sản xuất hydro (Electrolytic Hydrogen Plant)
- Hệ thống điều khiển tự động khử khoáng (Demineralization System)
- Hệ thống điều khiển tự động xử lý nước thô (Raw Water Treatment System)
- Hệ thống đ
iều khiển tự động xử lý nước thải (Waste Water Treatment Plant)
Nội dung 2: Thiết kế xây dựng thư viện phần mềm các đối tượng cơ sở phục vụ điều khiển
các hệ thống trong nhà máy nhiệt điện than sau :
- Hệ thống điều khiển tự động sản xuất hydro (Electrolytic Hydrogen Plant)
- Hệ thống điều khiển tự động khử khoáng (Demineralization System)
- Hệ th
ống điều khiển tự động xử lý nước thô (Raw Water Treatment System)
- Hệ thống điều khiển tự động xử lý nước thải (Waste Water Treatment Plant)
Nội dung 3: Thử nghiệm và đánh giá
Nội dung 4: Viết báo cáo tổng kết KHKT và báo cáo nghiệm thu đề tài.

14

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ
2.1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN THAN
Sản xuất điện năng là một ngành quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Nó phản ánh
tình trạng chung của sức sản xuất của một quốc gia.Trên thế giới phần lớn điện năng được
sản xuất ra ở các nhà máy nhiệt điện .
Ở nước ta trong gian đoạn đổi mới hiện nay đang cần phát tri
ển mạnh các nhà máy nhiệt
điện đốt nhiên liệu hữu cơ (than đá, dầu khí….). Việt Nam có nguồn nhiên liệu truyền
thống là than. Nguồn nhiên liệu than ở nước ta là rất dồi dào.Nguồn nhiên liệu này nằm rải
rác ở các nơi .Trữ lượng than ở Quảng Ninh ước chừng chiếm khoảng trên 10 tỷ tấn, phẩm

chất tốt, đa số là các loại than như than antraxit có nhiệt trị cao vào khoảng 7000Kcal/kg,
độ tro bình quân t
ừ 14/15%, chất bốc 4.5%/9%.


Hình 7: Các công đoạn chính nhà máy nhiệt điện than
Nhiên liệu chính để sản xuất điện là than. Một số nguyên liệu khác được sử dụng là nước đã
khử khoáng và một số phụ gia cần thiết như hygen và chất tẩy gỉ. Nước khử khoáng được
đốt nóng ở nhiệt độ cao trở thành hơi nước áp suất cao, sau đó hơi nóng chuyển động sẽ đẩy
tua bin máy phát đi
ện quay đạt vận tốc xác định. Điện năng sẽ được cấp vào lưới điện
220KV nối với các trạm biến thế sau đó tải vào đường dây 22KV để cung cấp điện cho các
nhà máy.
15


Hình 8: Sơ đồ nhà máy nhiệt điện than

Hiện nay trên thế giới chủ yếu sử dụng những công nghệ sau:
2.1.1 Lò hơi tầng sôi tuần hoàn
Lò hơi tầng sôi tuần hoàn CFB (Circulating Fluidizing Bed ) :
- Lò CFB cho phép đốt được các loại nhiên liệu khó cháy, thành phần nhiên liệu có thể thay
đổi trong dải rất rộng, hàm lượng lưu huỳnh trong than cao mà vẫn đảm bảo được các Tiêu
chuẩn về môi trường( than nâu, than antraxit, than non, cốc dầu, vỏ tr
ấu, gỗ vụn, phế thải
nhà máy giấy, nhà máy đường, rác thải, lốp ô tô…)
- Than không cần có độ mịn cao như lò than phun.
- Công nghệ đốt phù hợp với cả loại than xấu có nhiệt trị thấp, hàm lượng chất bốc thấp,
phù hợp với đặc tính của than antraxit.
- Nhiệt độ trong buồng đốt thấp và được kiểm tra chặt chẽ nên ngăn cản được quá trình tạo

xỉ và liên kết tro.
- Lò có dải
điều chỉnh phụ tải rộng từ 50 đến 100% mà không cần phải sử dụng dầu đốt
kèm.
- Lò tầng sôi tuần hoàn than cháy kiệt hơn nên hàm lượng các bon trong tro thấp hơn lò
than phun
Vì lò hơi đốt các nhiên liệu ở nhiệt độ dưới 925
0
C, do vậy lượng phát thải NOx do nhiệt rất
thấp, cùng với công nghệ sử lý SOx bằng đá vôi được đốt cùng do vậy các nhà máy nhiệt
điện đốt than nếu dung lò hơi CFB không cần hệ thống khử lưu huỳnh (FGD) trong khói
thải. Lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFB) được chia ra làm 2 loại chính
1. Lò hơi có bộ phân ly bên trong (Compact)
2. Lò hơi có bộ phân ly ngoài (Separator Cyclone)
16

Với lò hơi phân ly ngoài có 2 loại cấu trúc:
a. Lò hơi có bộ phân ly nóng (Hot cyclone Separator)
b. Lò hơi làm mát bộ phân ly bằng nước (water cool cyclone separator)
Nguyên lý làm việc
- Quạt gió cấp 1 của lò sẽ đưa gió vào lò để làm tầng liệu ban đầu sôi lên (Fluidizing) hệ
thống đốt dầu được đốt trước, đến một nhiệt độ và áp suất nhất định trong buồng đốt, chúng
ta phun than vào, kích thước các hạt than từ 0-12mm (tùy vào các loại than và các loại
nhiên liệu đốt kèm)
- Khi các hạt than cháy và tỏa nhiệt làm cho n
ước ở các vách lò hóa hơi, các hạt than cháy
sẽ mất dần khối lượng để bay lên cùng với khói thải, đến bộ phân ly, những hạt nặng hơn sẽ
được bộ phân ly tách xuống, những hạt nhẹ không được tách thì theo khói thoát khỏi buồng
đốt.
- Các hạt nặng được tách bởi bộ phân lý rơi xuống dưới và được cấp thêm gió để bay trở

lại buồng đốt để đốt lại
Phản ứ
ng khử SOx
Bước 1: S cháy trong buồng đốt tạo ra SO2
S + O2 > SO2 (Với nhiệt độ cao cần đủ)
Bước 2: Các Phản ứng khử SO2
CaCO3 (Đá vôi) > CaO (Vôi sống) + CO2
SO2 + 1/2 O2 + CaO > CaSO4

2.1.2 Lò hơi đốt than phun
Lò hơi đốt than phun là công nghệ đã rất phát triển và đang là nguồn sản xuất điện năng
chủ yếu trên thế giới. Than được nghiền mịn và được đốt cháy trong buồng lửa lò hơi.
Nhiệt từ
quá trình đốt cháy sẽ gia nhiệt cho nước và hơi trong các dàn ống và thiết bị bố trí
trong lò hơi. Công nghệ này trong tương lai vẫn sẽ là một lựa chọn ưu thế cho các nhà máy
điện. Hiệu suất phát điện dự kiến khoảng 50-53% vào năm 2020 và 55% vào năm 2050.
Các nhà máy nhiệt điện đốt than phun phổ biến với thông số cận tới hạn và thông số trên tới
hạn. Thông số hơi sẽ quyết đị
nh hiệu suất sản xuất điện năng của nhà máy. Nhiệt độ và áp
suất hơi càng cao thì hiệu suất nhà máy càng cao. Do đó, hiệu suất của nhà máy đốt than
dưới tới hạn sẽ không thể nâng cao hơn nữa ngoại trừ các cải tiến nhằm hoàn thiện quá
trình chuyển hóa năng lượng. Xu hướng áp dụng thông số hơi trên tới hạn đang chiếm ưu
thế vì có thể nâng cao nhiệt độ và áp su
ất hơi nhờ những tiến bộ trong công nghệ vật liệu.
Vấn đề cơ bản là khi tăng nhiệt độ và áp suất, lò hơi phải sử dụng kim loại chịu nhiệt đặc
biệt có chi phí cao. Trong tương lai, sự phát triển của ngành luyện kim sẽ cho phép thông
số hơi tăng hơn nữa đồng thời giá thành cũng sẽ giảm, tạo điều kiện thuận lợi để
nâng cao
hiệu suất các nhà máy điện.
Như vậy, để nâng cao hiệu suất nhà máy, tăng hiệu quả kinh tế đồng thời đảm bảo các tiêu

chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt, lò hơi đốt than phun vẫn sẽ là lựa chọn hiệu quả
khi xây dựng nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam.
Công nghệ lò hơi tầng sôi gần như công nghệ đốt than phun. Sự khác biệt là than đốt
trong lò tầng sôi có kích thước l
ớn hơn và được đốt cùng chất hấp thụ lưu huỳnh (đá vôi)
trong buồng lửa, hạt than được tuần hoàn trong buồng lửa cho tới khi đủ nhỏ. Công nghệ
này cho phép đốt các nhiên liệu xấu có chất lượng thay đổi trong khoảng rộng, nhiên liệu
17

có hàm lượng lưu huỳnh cao. Các lò hơi tầng sôi tuần hoàn hiện nay có công suất dưới 300
MW. Than antraxit sau sàng tuyển có phụ phẩm chất lượng xấu, tính thương mại thấp,
nhưng hoàn toàn có thể sử dụng trong lò hơi tuần hoàn tầng sôi. Do vậy, với lò hơi loại này,
sẽ tận dụng được các phụ phẩm cấp thấp cho cung cấp điện, mà vẫn đảm bảo các yếu tố
môi trường.

2.1.3
Các hệ khác
¾ Hệ thống sản xuất Hydro: Có ba phương pháp cơ bản để sản xuất hydro)
- Sản xuất Hydro bằng phương pháp chuyển hóa hydrocacrbon ( nhiên liệu hóa thạch,
sinh khối) bằng nhiệt
- Sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước (Electrolysis)
- Sản xuất hydro bằng phương pháp sinh học (Biological method)
Trong nhà máy nhiệt điện hiện nay thường dùng phương pháp sản xuất Hydro bằng đi
ện
phân nước,và dùng hydro để làm mát máy phát.
a) Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon:
• Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)
Quá trình này gồm hai bước chính:
Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách carbon và chuyển
hóa thành hydrogennhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt

độ khoảng 900°C.
CH4 + H2O => CO + 3 H2
Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa
thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen.
CO + H2O => CO2 + H2
Đây là phươ
ng pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen. Tuy nhiên
phương pháp này không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp
nguyên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ v.v.
• Khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon)
Thuật ngữ hydrocarbon nặng là để nói đến dầu mỏ và than đá. Than đá trước khi khí hóa
phải được nghiền thành dạng bột rồi hòa trộn với nước. Thông thường, nhiên liệu
được hóa
nhiệt ở khoảng 1400
0
C với oxygen hay không khí (oxygen hóa không hoàn toàn), tạo ra hỗn
hợp gồm hydrogen, carbon mono oxide (CO) và vài sản phẩm phụ. CO sinh ra lại tiếp tục
được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí
hydrogen, tương tự như bước thứ hai của quá trình hóa nhiệt khí thiên nhiên.
Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu. Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng nhiên liệu
hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt l
ượng cho quá
trình. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên hữu hạn, thêm vào đó, việc đốt chúng tạo ra
khí carbonic gây hiệu ứng nhà kính. Do đó phương pháp này xét về lâu dài không bền vững.
Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch đã và sẽ còn chiếm
ưu thế trong tương lai gần. Lý do chính yếu là do trữ lượng nhiên liệu hóa thạch còn tương
đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa, những công nghệ này (phương pháp
sản xuấ
t hydrogen công nghiệp từ khí thiên nhiên nói riêng và nhiên liệu hóa thạch nói
chung) đã khá quen thuộc trong công nghiệp hóa chất, trong khi cơ sở hạ tầng cho việc phát

triển sản xuất hydrogen từ các nguồn khác còn thiếu thốn. Vì vậy, một khi nhiên liệu hóa
18

thạch vẫn còn rẻ thì phương pháp này vẫn có chi phí thấp nhất. Thêm vào đó, để hạn chế mặt
tiêu cực này của nhiên liệu hóa thạch, ta có thể dùng công nghệ tách khí carbonic rồi thu hồi
và chôn lấp chúng .
• Quy trình hiện đại tạo ra hydrogen từ khí thiên nhiên mà không thải ra CO2
Từ những năm 1980, Kværner - một tập đoàn dầu khí của Na Uy đã phát triển công nghệ
mang tên "Kværner Carbon Black and Hydrogen Process" (KCB&H). Nhà máy đầu tiên dựa
trên quy trình Kværner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản xu
ất vào tháng 6 năm 1999.
Quy trình cung plasma - Kværner ở nhiệt độ cao (1600
0
C) tách hydrogen và than hoạt tính
từ hợp chất hydrocarbon như dầu mỏ hay khí thiên nhiên mà không thải ra CO2.
Than đen tinh khiết này được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử trong
công nghiệp luyện kim. Nhờ một số tính chất đặc biệt mà chúng còn có thể dùng để lưu trữ
hydrogen (ống carbonnano).
• Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis)
Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất hydrogen. Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành
dạ
ng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa hydrogen
được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra hydrogen.
Quá trình này thường tạo ra sản lượng hydrogen khoảng từ 12%-17% trọng lượng hydrogen
của sinh khối. Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh
khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị v.v. Do các chất thải sinh học được sử
dụng làm
nguyên liệu như vậy, phương pháp sản xuất hydrogen này hoàn toàn tái tạo được
(renewable) và bền vững.
b) Phương pháp sinh học

Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydrogen như là sản phẩm phụ trong
quá trình trao đổi chất của chúng. Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước
thành khí hydrogenvà oxygen. Hiện tại, phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên
cứu.
Ví dụ của phương pháp này là việc ứng d
ụng một loại tảo đơn bào có tên Chlamydomonas
reinhardtii. Các nghiên cứu cho thấy loại tảo này chứa enzyme hydrogenase có khả năng
tách nước thành hai thành phần hydrogen và oxygen. Các nhà khoa học đã xác định được cơ
chế quá trình, điều này có thể giúp mang lại một phương pháp gần như vô hạn để sản xuất
hydrogen sạch và tái sinh. Cơ chế này đã phát triển qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn
tại trong môi trường không có oxygen. Một khi ở trong chu trình này, tảo "thở" b
ằng oxygen
lấy từ nước và giải phóng ra khí hydrogen.

19

Gần đây, các nhà khoa học tại trung tâm năng lượng hydrogen của trường ĐH tiểu bang
Pennsylvania cũng đã nghiên cứu thành công phương pháp tạo ra hydrogen từ quá trình vi
khuẩn phân hủy các chất thải hữu cơ sinh học, như nước thải sinh hoạt, nước thải nông
nghiệp v.v. Ứng dụng nghiên cứu này sẽ mở ra triển vọng to lớn đầy hữu ích, vừa kết hợp xử
lý nước thải và vừa sản xu
ất hydrogen cung cấp cho pin nhiên liệu vi khuẩn (micro-fuel
cell), tạo ra điện năng.
- Hệ thống khử khoáng
Nước cấp cho lò hơi phải được khử khoáng thành nước khử khoáng (Demiwater), vì vậy,
trong nhà máy nhiệt điện phải có nhà máy xử lý nước, trong vấn đề xử lý nước, phải khử
các Cation và Anion trong nước. Dựa vào độ dẫn đo được để đưa ra chất lượng nước khử
khoáng cho lò hơi (độ dẫ
n
2

10 /siemens cm
µ
< ).
Có các phương pháp khử sau:
- Phương pháp hạt trao đổi ion: công suất lớn, hoàn nguyên dùng axit và bazo, thải ra
môi trường gây ô nhiễm nặng. Phương pháp này có ưu điểm: rẻ tiền, vật liệu thay thế dễ
dàng, nhưng điện dẫn chỉ duy trì tốt trong thời gian tương đối ngắn là lại phải hoàn nguyên.
- Phương pháp R/O (thẩm thấu ngược): Nguyên lý hoạt động theo một cơ chế ngược
lại với các c
ơ chế lọc thẩm thấu thông thường, nhờ lực hấp dẫn của trái đất để tạo ra sự
thẩm thấu của các phân tử nước qua các mao mạch của lõi lọc (chẳng hạn như lõi lọc dạng
gốm Ceramic). Màng lọc RO hoạt động trên cơ chế chuyển động của các phần tử nước nhờ
áp lực nén của máy bơm cao áp tạo ra một dòng chảy mạnh (đây có th
ể gọi là quá trình
phân ly trong chính dòng nước ở môi trường bình thường nhờ áp lực) đẩy các thành phần
hóa học, các kim loại, tạp chất có trong nước chuyển động mạnh, văng ra vùng có áp lực
thấp hay trôi theo dòng nước ra ngoài theo đường thải.Trong khí ấy các phân tử nước thì lọt
qua các mắt lọc cỡ kích cỡ 0,001 micromet nhờ áp lực dư, với kích cỡ mắt lọc này thì hầu
hết các thành phần hóa chất kim loại, các loại vi khuẩn đều không thể l
ọt qua.
Các công đoạn thẩm thấu ngược:
÷ PP (Polipropylen): kích thước của cặn lọc được, từ 1 µm đến 5 µm; Lọc giữ lại tạp
chất dạng như: cát, rong rêu, gỉ sắt
÷ Carbon (UDF): Hấp thụ ion kim loại nặng, khử hóa chất, độc tố.
÷ Carbon (CTO): Khử màu, khử mùi, làm trong nước, cân bằng độ pH.
÷ Màng lọc R.O (R.O. membrane): Kích thước của cặn lọc được là 0,001 µm; Lọc thải
vi khu
ẩn, làm giảm độ TDS, tạo ra nguồn nước tinh khiết.
÷ Carbon T/33: Làm từ than hoạt tính dừa, có tác dụng làm cho nước uống có vị ngọt
mát tự nhiên

- Phương pháp EDI (Electric de-iONIZE) còn gọi là "Continuous Electric De-ionize" -
khử ion hoàn nguyên liên tục bằng điện cực, phương pháp này ra nước có điện dẫn siêu
thấp, tuy nhiên, hệ thống yêu cầu nước đầu vào phải là đã qua RO, hoặc điện dẫn
20 s
µ
≤

(nếu không, tấm trao đổi ion bên trong sẽ bị bám bẩn nhanh, dẫn đến phải thay tấm trao đổi
ion), đầu tư thì đắt gấp đôi phương pháp R/O. Ưu điểm là điện dẫn cực kỳ ổn định, không
phải hoàn nguyên bằng hóa chất, không làm ô nhiễm môi trường
2.2 HỆ THỐNG SẢN XUẤT HYDRO (Electrolytic Hydrogen Plant)
- Hệ thống sản xuất khí hydro bằng phương pháp điện phân khảo sát tạ
i nhà máy nhiệt
điện Uông Bí:
Hệ thống sản xuất khí hydro bao gồm hai hệ thống, năng suất sản xuất của mỗi bộ là:
20

4m
3
H
2
/1giờ và 2m
3
O
2
/1giờ đo ở trạng thái khô nhiệt độ tại thời điểm 0
0
C (32
0
F) và áp lực

760 mm thuỷ ngân .
Mỗi hệ thống sản xuất khí bao gồm: 1 bộ chỉnh lưu điện Silic làm mát bằng không khí
và một máy biến áp, 6 ngăn điện phân được liên kết về điện thành một chuỗi, 1 bộ chặn
nước 1 thiết bị khử điểm sương, tất cả nối chung vào đường ống, các thiết bị bảo vệ
khác nhau và thiết bị đi
ều
khiển.
Nguồn điện xoay chiều cung cấp cho mỗi bộ chỉnh lưu và các máy biến áp cung cấp
cho bộ chỉnh lưu, điện áp được giảm áp qua biến áp vào bộ chỉnh lưu biến thành
nguồn điện một chiều. Đầu ra bộ chỉnh lưu được điều chỉnh bằng một biến trở và đo bằng
đồng hồ Vôn - Ampe một chiều, tấ
t cả được lắp đặt trong bảng điều khiển của bộ chỉnh
lưu điện.
Nguồn điện một chiều từ bộ chỉnh lưu cung cấp tới các ngăn điện phân qua thanh dẫn
bằng đồng, khi dòng một chiều chạy qua các ngăn điện phân, nước ở các ngăn được biến
đổi thành H
2
và O
2
. Tỷ lệ điện ly khí tỷ lệ thuận với dòng điện một chiều, khi dòng
điện ở
1600A (dòng dự định theo thiết kế) 6 ngăn sẽ sản xuất 4m
3
H
2
và 2m
3
O
2
mỗi giờ

khi đo ở
trạng thái khô T
0
là 0
0
C (32
0
F) và 760mm thuỷ ngân.
Mỗi một ngăn điện ly được trang bị: Một khóa điều chỉnh mức dung dịch điện phân
cao hoặc thấp, một đồng hồ nhiệt độ và một khoá (CM) nhiệt độ cao, khoá
(CM).
Mức
dung dịch điện phân thấp và nhiệt độ cao là khoá liên động để ngừng bộ chỉnh lưu ở
mức báo động, khí H
2
và O
2
thoát ra ở mỗi ngăn được làm mát bằng nước qua từng tháp
lọc khí tương ứng.
Chất lỏng trong các ngăn là 34% trọng lượng dung dịch Hyđroxit Kali trong nước,
KOH không sử dụng hết như khí được tạo ra ngoại trừ mất mát cơ học do chảy tràn ra
ngoài, chỉ nguyên liệu thô đã cung cấp cho các ngăn riêng, nguồn điện một chiều đi qua
biến đổi nước tinh khiết này thành H
2
và O
2
. Nước khử khoáng tinh khiết được bổ sung tự
động theo yêu cầu hoạt động bằng một van phao tại mỗi ngăn.
Khi đủ dòng định mức 6 ngăn, mỗi ngăn sẽ cần xấp xỉ 4 lít nước 1 giờ.
Từ các ngăn điện ly, khí H

2
và O
2
bay vào các đầu ống góp khí tới van chặn nước van
chặn nước làm nhiệm vụ cân bằng áp lực giữa H
2
và O
2
trong các đầu ống góp khí và
chống khí H
2
thổi ngược trở lại từ bình chứa khi các ngăn này không vận hành.
Áp kế được lắp trên bảng điều khiển tại van chặn nước để chỉ áp lực khi vận hành.
Từ van chặn nước Oxy bay vào khí quyển từ đó nó không được thu hồi còn H
2
bay vào
bộ khử hơi ẩm thoát ra ngoài tạo điều kiện thuận lợi cho người vận hành có thể điều tiết
cho H
2
bay vào khí quyển hoặc cho nó vào bình chứa theo yêu cầu.
Một thiết bị kiểm tra độ tinh khiết khí lưu động. Để liên tục đo H
2
tinh khiết tại các ngăn
điện ly.
Một tín hiệu từ bộ phân tích này gửi tới một van điện từ van này sẽ điều khiển van
khí để chuyển hướng H
2
tới bình chứa nếu độ tinh khiết đạt >99% H
2
hoặc xả ra ngoài

nếu độ tinh khiết <99%. Bộ chỉnh lưu được đặt cắt máy nếu độ tinh khiết của H
2
duy trì
99% thời gian 5 phút
- Hệ thống điều chế khí Hydro
Từ 2 hệ thống sản xuất khí, khí H
2
thổi về phía bình chứa H
2
bình chứa H
2
là loại bình
chứa có độ kín chống ẩm với dung tích danh định 6m
3
và áp lực làm việc xấp xỉ 125mm
thủy ngân.
21

Điều chỉnh tại bình chứa khí sẽ là 5 khoá chuyển mức độ bình chứa khí H
2
để điều khiển
2 máy nén H
2
cao áp (HP). Những khoá này nhận được hướng chuyển động của bóng
khí với bình chứa.
Để ngừng hoặc khởi động máy nén cao áp HP theo yêu cầu, máy nén HP bao gồm một
bộ được chọn để ở vị trí vận hành và một để vị trí dự phòng.
Lưu lượng khí H
2
vào bình chứa từ các ngăn điện ly bóng khí chuyển động nâng lên,

khi nó nâng lên đủ cao sẽ cài khớp vào khóa chuyển mức, máy nén HP để ở vị trí vận
hành sẽ khởi động và H
2
sẽ được nén vào bình chứa.
Nếu tổng thể tích của máy nén HP vượt quá trị số định mức cao nhất khi đó H
2
có thể
thổi nén vào bình chứa, bóng khí sẽ giảm xuống đến mức khoá bị tác động dừng máy
nén. Bóng khí sẽ bắt đầu nạp lại và chu kỳ sẽ lặp lại.
Nếu máy nén HP hỏng dừng, khi khoá mức cân bằng bị tác động, điều này sẽ làm
ngừng tất cả các máy nén và phát ra lệnh báo động.
Nếu máy nén HP ở vị trí vận hành hỏng không khởi động khi bóng khí của bình chứa
khớp hoặc dung lượ
ng của máy nén ở vị trí vận hành thấp hơn định mức khi đó H
2
đang
nạp vào bình chứa bóng khí sẽ tiếp tục nâng lên đến khi được gắn vào. Tại thời điểm đó
máy nén dự phòng sẽ khởi động.
Máy nén đang ở vị trí vận hành sẽ ngừng và sẽ xuất hiện 1 tín hiệu báo động.
Nếu máy nén dự phòng khởi động hỏng hoặc dung lượng của máy nén dự phòng thấp
hơn định mức khi H
2
đang nạp, bóng khí sẽ tiếp tục nâng lên cho đến khi được gắn vào.
Tại thời gian đó tín hiệu báo động “Điểm xả bình chứa” sẽ phát ra âm thanh. Người
vận hành trạm phải kiểm tra và điều chỉnh đúng trạng thái. Điều này để tránh máy nén
khởi động. Trong khi người vận hành kiểm tra, bóng khí bình chứa tiếp tục dâng lên cho
đến khi nó chạm tới mức ở chỗ đó H
2
có thể xả vào khí quyển an toàn.
Trong những điều kiện vận hành bình thường, mức bình chứa khí duy trì ổn định ở mức

xấp xỉ 50% độ cao. Tại bình chứa khí được lắp 1 Bộ truyền tín hiệu nó dùng để theo dõi
mức khí trong bình chứa và để điều khiển tự động thông số đầu ra của bộ chỉnh lưu điện.
Bộ chỉnh lưu sẽ làm việc ở 100% khi m
ức khí tại điểm 50% hoặc thấp hơn khí ở bình
chứa, khí dâng lên trên mức này, đầu ra bộ chỉnh lưu sẽ từ từ giảm tới giá trị cực tiểu
20% nếu lượng khí sử dụng không yêu cầu, bộ chỉnh lưu sẽ làm việc đầu ra 20% và khí
sản xuất ra sẽ xả ra ngoài trời qua ống thông xả tại bình chứa. H
2
từ bình chứa thổi qua bộ
làm lạnh, hai bộ sấy được lắp đặt, một bộ phận làm việc, một bộ dự phòng. Nếu nhiệt độ
khí xả ra ngoài của bộ sấy đang ở vị trí vận hành dần tăng lên cao, bộ sấy dự phòng sẽ tự
động khởi động. Bộ sấy ở vị trí vận hành sẽ ngừng và phát tín hiệu báo động.
Một b
ộ phân tích liên tục số phần trăm O
2
được lắp đặt để giám sát độ tinh khiết của H
2
thường xuyên tại lối vào các máy nén cao áp. Máy nén HP sẽ cắt khi Ôxy trong H
2
bằng
1% hoặc lớn hơn
- Hệ thống nén cao áp
H
2

từ bộ làm lạnh nạp vào máy nén H
2

từ 0,0125 kg/cm
2

tới áp lực xả 150kg/cm
2
. Máy
nén được điều chỉnh bằng các thiết bị phụ như sau:
Các van cách ly đầu hút và đầu xả, van 1 chiều. Các đồng hồ áp suất và nhiệt độ, hệ
thống giảm tải các bộ chuyển đổi áp lực, nhiệt độ xả, chúng được phép tách rời mỗi máy
nén mà không ảnh hưởng tới vận hành của các máy khác.
- Bộ truyền tín hiệu áp lực để giám sát áp lực và để đóng máy nén tại điể
m áp lực thấp.
22

- Van an toàn để bảo vệ qua máy nén áp lực van an toàn được xả ra ngoài trời.
- Hệ thống dò tìm điểm bục màng ngăn cấp 1 và 2 của máy nén được sử dụng. Nó sẽ
ngừng máy nén khi phát hiện màng ngăn hỏng.
- Khoá đặt vị trí mức dầu thấp ngừng máy nén khí khi mức dầu thấp.
- Khoá đặt vị trí nhiệt độ và cao áp tại áp lực lối ra của máy nén để bảo vệ máy nén khi áp
lực và nhiệt độ cao.
- Khoá đặt v
ị trí lưu lượng nước bộ làm mát thấp.
- Khoá đặt mức tại bình chứa để có chương trình xử lý sớm hơn về hoạt động điều khiển
máy nén.
- Từ máy nén khí HP Hyđrô đi qua Bộ truyền tín hiệu vào hệ thống tinh chế, máy nén
HP chạy liên tục, áp lực dư quay trở lại bình chứa qua van giảm tại đầu ra của máy nén
khí và van điều chỉnh mức của bình chứa hoặc bằ
ng áp lực chặn và các van giảm áp
được điều chỉnh bằng áp lực trong hệ thống
- Hệ thống tinh chế H
2

H

2
rời máy nén HP thổi qua bộ lọc Coalescing ở đó những hạt sương ẩm được lọc ra.
Phần sương ngưng tụ này được thu gom và được xả tự động qua khoang xả qua bình giảm
áp.
Từ bộ lọc H
2
thổi qua bộ tinh lọc chất xúc tác tại đó ôxy không tinh khiết ở trong H
2
được loại bỏ. H
2
rời khỏi bộ tinh lọc cần phải chứa < 10/1.000.000 ôxy. Công tắc nhiệt độ
lắp tại bộ tinh lọc sẽ ngừng máy nén và đưa ra tín hiệu báo nếu nhiệt độ bộ tinh lọc quá
cao. Nhiệt độ của bộ tinh lọc cao là một chỉ thị nồng độ ôxy vượt quá ở trong H
2
đi vào bộ
tinh lọc.
Từ bộ tinh lọc H
2
qua bộ trao đổi nhiệt làm mát bằng nước và một bộ lọc nơi nước
hình thành trong bộ tinh lọc được loại bỏ từ bộ lọc H
2
đi vào bộ sấy H
2 .
Bộ sấy H
2
là bộ
sấy tháp kép tự động hoàn toàn loại dùng chất khử ẩm “không nhiệt” dao động áp lực,
khả năng sấy H
2
tới điểm sương (At) – 70

0
C. Hai bộ sấy được lắp đặt và bố trí 1 bộ làm
việc, 1 dự phòng và vận hành chuyển đổi bằng tay. Bộ lọc khí qua bình giảm áp giãn nở
trên lối vào của bộ làm lạnh.
Từ bộ sấy H
2
đi qua bộ lọc kiểu hạt và 1 van duy trì áp lực ngược. Trên bể chứa HP
và tới quy trình. Một van tái tuần hoàn khí tự động được lắp trước bộ điều chỉnh áp lực
ngược. Một bộ truyền tín hiệu áp lực theo dõi áp lực trong các bể chứa và van điện từ
dùng để mở van tái tuần hoàn khi bể chứa đầy. Khí tái sinh được quay lại bình chứa ra
ngoài qua bình giảm áp giãn nở.
Bảng phân tích khí: Bao gồm 1 Bộ
truyền tín hiệu O
2
và 1 Bộ truyền tín hiệu điểm
sương được lắp đặt sau bộ sấy và trước ống góp. Các cảnh báo sẽ được đưa ra 1 trong
các trường hợp sau: hàm lượng nước bay hơi hoặc ôxy quá cao. Máy nén HP sẽ cắt máy,
một van điện từ tại bảng này cho phép khí dẫn vào hệ thống phân tích khí, khi máy nén
HP đang vận hành và khi có lưu lượng khí tới máy phát được chỉ thị ra bằng Bộ truyền
tín hiệu lưu lượ
ng, khi nhập khí qua bảng dẫn động. Nghĩa là khi vị trí tại bảng này đi
vào hoạt động. Điều này chắc chắn rằng khí từ bình chứa HP không xả hết ra qua hệ thống
phân tích khí khi hệ thống này dự phòng. Van giảm áp lực giảm áp lực xuống thấp hơn
1kg/cm
2
tại các bộ phân tích khí.
Khí từ máy nén HP, H
2

được nén vào 6 bình chứa HP , bình chứa HP được thiết kế chịu

áp lực165kg/cm
2
, áp lực vận hành 150kg/cm
2
. Khí dẫn từ các bình chứa HP qua 3 đường
23

van dẫn động những đường này dẫn trực tiếp tới qui trình hoặc qua ống thông thổi, hay
nạp đầy tuyến ống dựa vào yêu cầu thực tế. Trong trình tự thông thổi khí được đi trực
tiếp tới qui trình qua van giảm áp lực. Tại đó áp lực được giảm xuống 8,5kg/cm
2
. Một
van an toàn được lắp đặt để bảo vệ ống thông thổi.
Trong lúc thứ tự nạp đầy, khí được đi trực tiếp tới qui trình qua van giảm áp. Định
mức lưu lượng nạp đầy được theo dõi tại bộ truyền tín hiệu lưu lượng .Được lắp đặt để
bảo vệ tuyến ống khí nạp đầy.
Một kho chứa di động và bảng chuyển tiế
p được cung cấp đầy đủ các ống linh hoạt,
các van 1 chiều, chân không cũng như các đồng hồ cao áp cho mục đích nhập và xuất khí
H
2
.
Một hệ thống bơm chân không lắp đặt để tạo chân không rút không khí hoặc Nitơ từ
các bình chứa HP, kho di động và bảng chuyển tiếp.
- Pha chế dung dịch/ dự trữ và hệ thống truyền dẫn
Qua thời gian vận hành các ngăn sẽ mất dần dung dịch điện ly vì nó bị cuốn theo khí và
bị rò rỉ. Một hệ thống pha chế dung dịch/ chứa và dẫn dung dịch được lắ
p đặt để pha chế
và bổ sung dung dịch hyđroxit kali cho các ngăn: Hệ thống này cũng dùng để chứa
dung dịch kiềm tiêu thụ từ các ngăn duy trì nó trong khi vận hành. Hệ thống bao gồm

những thành phần sau:
- 1 bể pha chế bằng thép không rỉ .
- 1 bơm kiểu màng ngăn dẫn động bằng khí.
- Hệ thống van, để bơm có thể dùng bơm đầy hoặc hút cạn ở ngăn điện phân.
- 2 tỷ
trọng kế để đo tỷ trọng dung dịch điện phân.
- Hệ thống phát hiện khí dễ cháy
Hệ thống phát hiện khí dễ cháy đầy đủ có 1 bảng van và 3 đầu phát hiện khí được lắp đặt.
Nồng độ khí H
2
sẽ được theo dõi tại nhiều vị trí khác nhau trong phòng điều chế và máy
nén. Hệ thống phát hiện khí được khoá liên động bằng bộ chỉnh lưu nó sẽ cắt khi có
cảnh báo khí dễ cháy cao.
- Vận hành
¾ Khởi động bộ điện phân
¾ Mở H
2
vào bình chứa
¾ Xả H
2
trước khi ngừng máy
¾ Ngừng điện phân
¾ Ngừng khẩn cấp
¾ Kiểm tra và bảo dưỡng
¾ Theo dõi vận hành và phán đoán trước sự cố
- An toàn
¾ Theo các điều kiện bình thường, H
2
là loại khí không mầu, không mùi,H
2

là chất khí
nhẹ nhất, có trọng lượng riêng ( so với không khí) 0,069. Khí H
2
thì không độc hại tuy
nhiên nó không phải là dưỡng khí.Khi pha trộn H
2
theo tỷ lệ thích hợp với không khí hoặc
ôxy, H
2
sẽ tạo thành hỗn hợp dễ cháy trong không khí, giới hạn nổ là 4,1% đến 74,2%
mỗi đơn vị thể tích, trong ôxy giới hạn cháy là 4% tới 96% đơn vị thể tích. Hỗn hợp dễ
cháy có thể xảy ra khi có một năng lượng lối vào cực kỳ thấp. Tia lửa không nhìn thấy
có thể là nguyên nhân gây ra nổ. Bộ phận an toàn cơ bản để chống cháy nổ H
2
giống
như các biện pháp áp dụng cho tất cả các loại khí dễ cháy đó là tránh nồng độ gây nổ và