Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định mức nước cấp bằng bộ điều khiển mờ thích nghi

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP




CHU THỊ HẰNG


NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN
ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
THÍCH NGHI

Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 605202.16




TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





THÁI NGUN – 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
Cơng trình được hồn thành tại:
ĐẠI HỌC THÁI NGUN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP




Người hướng dẫn khoa học: TS : Đặng Danh Hoằng

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

Phản biện 2: TS Đỗ Trung Hải





Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
Hội trường 201A8 Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun
Vào hồi 10 giờ 30 phút ngày 19 tháng 04 năm 2014


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

i
LỜI CAM ĐOAN

Tên tơi là: Chu Thị Hằng
Sinh ngày: 24 tháng 6 năm 1970
Học viên lớp cao học khố 14 - Tự động hố - Trường Đại học Kỹ Thuật Cơng
Nghiệp Thái Ngun – Đại học Thái Ngun.
Hiện đang cơng tác tại: Trường Trung học Cơ sở Võ Thị Sáu Thành Phố n

Bái - Tỉnh n Bái.
Tơi cam đoan tồn bộ nội dung trong luận văn do tơi làm theo định hướng của
giáo viên hướng dẫn, khơng sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khả
o đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn


Chu Thị Hằng










Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

ii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cơ giáo Khoa sau
đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp cùng các thầy giáo, cơ giáo,
các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã động viên, giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến
quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hồn thành bản luận văn của mình.
Trong q trình thực hiện đề tài tơi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệ

t tình của các
thầy, cơ giáo trong khoa Điện, bộ mơn Điều khiển tự động hóa của trường ĐH Kỹ
thuật Cơng nghiệp thuộc ĐH Thái Ngun và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự
hướng dẫn và góp ý của thầy TS. Đặng Danh Hoằng, người đã ln ân cần hướng dẫn,
chỉ bảo tơi trong suốt thời gian làm luận văn giúp cho đề tài hồn thành mang tính
khoa học cao. Tơi xin gửi những lời cả
m ơn chân thành nhất đến thầy Đặng Doanh
Hồng, các thầy, cơ giáo trong khoa Điện, bộ mơn Điều khiển tự động – Trường Đại
học đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong suốt q trình học tập tại trường.
Do thời gian, cũng như kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn
chế nên luận văn này chắc chắn khơng tránh khỏi tài những thiếu sót. Rất mong nhận
được s
ự đóng góp ý kiến của các thầy, cơ giáo và các bạn đồng nghiệp để tơi tiếp tục
nghiên cứu, hồn thiện hơn nữa trong q trình cơng tác sau này.
Học viên


Chu Thị Hằng






Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

iii
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan

i
Lời cảm ơn
ii
Mục lục
iii
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt
vii
Danh mục các bảng biểu
ix
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
x
MỞ ĐẦU
1
NỘI DUNG
3
Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH
BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
3
1.1 Tổng quan chung về nhà máy nhiệt điện 3
1.1.1. Ngun lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện 3

1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
5
1. 2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện
6
1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi 6
1.2.2. Các loại lò hơi chính 6
1.2.3. Các hệ thống điều chỉnh trong lò hơi nhà máy nhiệt điện 9
1.2.3.1. Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi q nhiệt 10

1.2.3.2. Hệ thống điều chỉnh q trình cháy 11
1.2.3.3. Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi 12
1.2.3.4. Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi 13
1.3. Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong nhà máy
nhiệt điện
14
1.3.1. Đặt vấn đề 14
1.3.2. Mục tiêu nghiên cứu 15
1.3.3. Dự kiến các kết quả đạt được 15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

iv
1.4. Kết luận chương 1 16
Chương 2. MƠ TẢ TỐN HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
17
2.1. Đặt vấn đề 17
2.2. Mơ tả tốn học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển mức nước
cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện
19
2.2.1. Cấu trúc mơ hình nhà máy nhiệt điện 19
2.2.2. Cấ
u trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao hơi 19
2.2.3. Xây dựng hàm truyền các thành phần của hệ thống 20
2.2.3.1. Thiết bị đo

20
2.2.3.2. Thiết bị chấp hành 23

2.2.3.3. Bình bao hơi

28
2.3. Hàm truyền của hệ thống 32
2.4. Kết luận: 33
Chương 3. KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC
CẤP BÌNH BAO HƠI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MƠ
PHỎNG VÀTHỰC NGHIỆM
34
3.1. Đặt vấn đề
34
3.2. Tổng quan bộ điều khiển PID 34
3.2.1. Thiế
t kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm q độ h(t) 35
3.2.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols 35
3.2.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 36
3.2.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn. 37
3.2.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số 38
3.2.2.1. Ngun tắc thiết kế 38
3.2.2.2. Phương pháp tối ưu modul dùng cho đói tượng hữu sai tĩnh 39
3.2.2.3. Phương pháp tối ưu đối xứng 40
3.3. Thiết kế
điều khiển mức nước cấp bình bao hơi 41
3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mơ phỏng trên Matlab – Simulink 43
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

v
3.4.1. Sơ đồ mơ phỏng bằng matlab – Simulink 43
3.4.2. Các kết quả mơ phỏng 43
3.5. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm 44
3.5.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm 44
3.5.2. Giới thiệu về mơ hình thực nghiệm 46

3.5.3. Các kết quả thực nghiệm 50
3.5.4. So sánh với kết quả mơ phỏng 51
3.6. Kết luận chương 3 51
Chương 4. NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐ
NG ĐIỀU KHIỂN
MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
THÍCH NGHI
52
4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ 52
4.1.1. Hệ Logic mờ 52
4.1.1.1 Khái niệm về tập mờ 52
4.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 53
4.1.2. Bộ điều khiển mờ 60
4.1.2.1. Bộ điều khiể
n mờ động 60
4.1.2.2 Điều khiển mờ thích nghi 61
4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu 62
4.2.1. Đặt vấn đề 62
4.2.2. Mơ hình tốn học của bộ điều khiển mờ 63

4.2.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền
thẳng
68

4.2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu dùng lý thuyết
thích nghi kinh điển
68
4.2.3.2. Bộ điề
u khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng 69
4.3. Kết quả mơ phỏng hệ thống 70

4.3.1. Sơ đồ mơ phỏng 70
4.3.2. Kết quả mơ phỏng 71
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

vi
4.3.3. Đánh giá kết quả 72
4.4. Kết luận chương 4 72
Kết luận và kiến nghị 73
Tài liệu tham khảo 74

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ
1 CO Tín hiệu điều khiển
2 MV Biến điều khiển
3 CV Biến được điều khiển
4 PM Tín hiệu đo
5 W
H
Hàm truyền đạt
6 K Hệ số khuếch đại đầu ra
7 k
I
,  Các hệ số khuếch đại đầu vào
8 SISO Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra
9 MIMO
Tín hiệu có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra.
10 SIMO Tín hiệu có một đầu vào và nhiều đầu ra.
11 MISO Tín hiệu có nhiều đầu vào và một đầu ra.

Các chữ viết tắt
STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ
12 QTCN
Mức nước cấp bình bao hơi
13 FC

fail-closed - van đóng an tồn
14 AO
air-to-open - van đóng an tồn
15 FO
fail-open - van mở an tồn
16 AC
air-to-close - van mở an tồn
17 PID
Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân
18 FLC
Điều khiển logic mờ
19
FMRAFC
Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền
thẳng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

viii
20 Measurementdevice
Thiết bị đo
21 Sensor
Cảm biến
22 Sensor element
Phần tử cảm biến, đầu đo
23 Signal conditioning
Điều hồ tín hiệu
24 Transmitter
Bộ chuyển đổi đo chuẩn
25 Transducer

Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng




















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu Nội dung bảng biểu Trang
Bảng 1.1 Q trình sinh hơi 7
Bảng 1.2 Cấu tạo các bộ phận chính của lò hơi có bao hơi đốt phun 9
Bảng 3.1 Danh mục các thiết bị mơ hình thực nghiệm 46

Bảng 4.1
Luật điều khiển mờ
64
Bảng 4.2
Kết quả của phép lấy Max - Min trong ơ suy luận
66


















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Số hiệu Nội dung Trang

Hình 1.1 Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy 5
Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo của lò hơi có bao hơi 7
Hình 2.1 Đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi

19
Hình 2.2 Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển q trình 20
Hình 2.3 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo q trình 20
Hình 2.4 Một số hình ảnh thiết bị đo cơng nghiệp 21
Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành 24
Hình 2.6 Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén 24
Hình 2.7 Biểu tượng và ký hiệu cho kiểu tác động của van điều khiển 26
Hình 2.8 Bao hơi nhà máy nhiệt điện 28
Hình 2.9 Đặc tính động của mức nước bao hơi khi thay đổi lưu lượng
nước cấp
30
Hình 2.10 Đặc tính động của mức nước bao hơi theo lưu lượng nước
cấp
32
Hình 2.11 Sơ đồ điều chỉnh mức nước bao hơi một tín hiệu 33
Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) 34
Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID 35
Hình 3.3 Đồ thị q độ
37
Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển 38
Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao
hơi nhà máy nhiệt điện
41
Hình 3.6 Cấu trúc mơ phỏng điều khiển mức nước cấp bao hơi 43
Hình 3.7 Đáp ứng của hệ thống với mức nước 90% 43
Hình 3.8 Đáp ứng của hệ thống với mức nước nhảy cấp từ 80% lên

100%
44
Hình 3.9 Cấu trúc thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bình bao hơi 44
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

xi
Hình 3.10 Bình cấp nước trong thí nghiệm điều khiển mức nước bao hơi 45
Hình 3.11 Giao diện trong thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi 45
Hình 3.12 Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao
hơi
46
Hình 3.13 Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi 80% 50
Hình 3.14 Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi nhảy
cấp từ 80% xuống 60%
51
Hình 4.1 Hàm thuộc biến ngơn ngữ 53
Hình 4.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 53
Hình 4.3 Luật hợp thành 54
Hình 4.4 Mờ hố 56
Hình 4.5 Thực hiện phép suy diễn mờ 57
Hình 4.6 Những ngun lý giải mờ 59
Hình 4.7 Cấu trúc một hệ logic mờ 59
Hình 4.8 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 61
Hình 4.9 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) 61
Hình 4.10 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) 61
Hình 4.11 Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 62
Hình 4.12 Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 62
Hình 4.13 Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ hai đầu vào 62
Hình 4.14 Định nghĩa hàm liên thuộc cho các biến vào/ ra 64
Hình 4.15 Luật hợp thành tuyến tính 64

Hình 4.16 Quan hệ vào ra của luật hợp thành tuyến tính 65
Hình 4.17 Sự hình thành ơ suy luận từ luật hợp thành 65
Hình 4.18 Các vùng trong ơ suy luận 66
Hình 4.19 Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K 69
Hình 4.20 FMRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra 70
Hình 4.21 Sơ đồ mơ phỏng theo phương pháp mờ thích nghi kiểu truyền
thẳng
70
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

xii
Hình 4.22 Sơ đồ mơ phỏng theo phương pháp mờ thích nghi kiểu truyền
thẳng và phương pháp PID
71
Hình 4.23 Đáp ứng mức nước với bộ điều khiển mờ thích nghi kiểu
truyền thẳng có nhảy cấp từ 80% lên 100%
71
Hình 4.24 Đáp ứng mức nước với bộ điều khiển mờ thích nghi kiểu
truyền thẳng và PID có nhảy cấp từ 80% lên 100%
71
Hình 4.25 Đáp ứng mức nước với bộ điều khiển mờ thích nghi kiểu
truyền thẳng và PID khi tham số của đối tượng thay đổi
72




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Trong những năm gần đây trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, nhu
cầu về điện năng tăng cao trong sản xuất và đời sống xã hội. Đồng thời trên thế giới
hiện nay, việc khai thác các nguồn năng lượng một cách hiệu quả đang là nhu cầu đòi
hỏi các nhà khoa học quan tâm. Một trong những nguồn điện năng chủ yếu ở Việt
Nam hiện nay là nhiệt điện.
Ở nước ta thì các nhà máy nhiệt điện vẫn cung cấp một lượng điện khơng nhỏ
cho mạng lưới điện quốc gia. Đối với các nhà máy nhiệt điện hiện nay thì nhiên liệu
chính sử dụng vẫn là than và khí thiên nhiên, các loại nhiên liệu lỏng ít được sử dụng
do nhiên liệu này hạn chế. Vì vậy việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiện
đại nhằm nâng cao chất lượng các q trình của nhà máy nhiệt điện là rất quan trọng.
Ngồi ra bản thân em có nguyện vọng sau khi học xong chương trình cao học muốn
được thay đổi mơi trường cơng tác như trường Cao đẳng kỹ thuật n Bái, ở đó có các
hệ thống điều khiển q trình, giúp em làm chủ được thiết bị tốt hơn. Vì vậy em chọn
đề tài: “Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định mức nước cấp bình bao
hơi nhà máy nhiệt điện”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Ngun cứu cơ sở lý thuyết và tổng quan nhà máy nhiệt điện từ đó xây dựng
mơ hình tốn cho hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi.
- Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển ổn định mức nước cấp bình bao hơi.
Kiểm chứng kết quả bằng mơ phỏng và thực nghiệm trên mơ hình nhà máy nhiệt điện
tại Trung tâm thí nghiệm Trường Đại học kỹ thuật cơng nghiệp Thái ngun.
- Đề xuất thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu kiểu truyền
thẳng nhằm nâng cao chất lượng điều khiển so với bộ điều khiển PID.



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
2

3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện
Chương 2: Mơ tả tốn học của đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao
hơi nhà máy nhiệt điện
Chương 3: Khảo sát chất lượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi sử dụng
bộ điều khiển PID bằng mơ phỏng và thực nghiệm
Chương 4: Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao
hơi bằng bộ điều khiển mờ thích nghi.
Kết luận và kiến nghị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

3
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC CẤP BÌNH BAO HƠI
NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

1.1. Tổng quan chung về nhà máy nhiệt điện
1.1.1. Ngun lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
Năng lượng đóng vai trò vơ cùng quan trong trong đời sống kinh tế – xã hội của
lồi người nói chung. Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng
cao. Nhưng nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt dần tỷ lệ thuận với tốc độ phát
triển của kinh tế thế giới. Trong những năm qua, ngành năng lượng Việt Nam đã có bước
phát triển mạnh mẽ, cơ bản đáp ứng u cầu phát triển kinh tế - xã hội và đời sống dân
sinh. Tuy nhiên, trước u cầu bảo đảm nhu cầu về năng lượng để duy trì mức tăng
trưởng kinh tế cao trong một thời gian dài, nghĩa là phát triển bền vững, góp phần bảo
đảm an ninh chính trị, trật tự an tồn xã hội và khơng ngừng cải thiện đời sống nhân
dân… ngành năng lượng Việt Nam đang đứng trước những thách thức rất lớn. Do đó,
“Khai thác và sử dụng năng lượng có hiệu quả và bền vững; Vấn đề sử dụng tiết kiệm các

nguồn năng lượng của quốc gia; Khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng mới…qua
đó, góp phần vào sự phát triển ngành năng lượng Việt Nam nói riêng và q trình triển
khai cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa nước ta nói chung”.
Ở nước ta thì các nhà máy nhiệt điện vẫn cung cấp một lượng điện khơng nhỏ cho
mạng lưới điện quốc gia. Đối với các nhà máy nhiệt điện hiện nay thì nhiên liệu chính sử
dụng vẫn là than và khí thiên nhiên, các loại nhiên liệu lỏng ít được sử dụng do nhiên liệu
này hạn chế. Vì vậy việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiện đại nhằm nâng cao
chất lượng các q trình của nhà máy nhiệt điện là rất quan trọng.
Tùy theo loại năng lượng sử dụng mà người ta chia ra các loại nhà máy điện chính
như: nhà máy nhiệt điện, nhà máy thủy điện, nhà máy điện ngun tử, ngồi ra còn khai
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

4
thác các nguồn năng lượng khác để sản xuất điện năng như nguồn năng lượng mặt trời,
sức gió nhưng với quy mơ nhỏ hơn.
Hiện nay trên thế giới và ở cả nước ta các nhà máy nhiệt điện vẫn tiếp tục được
xây dựng và khơng ngừng được hiện đại hóa về kỹ thuật và cơng nghệ nhằm khai thác tối
đa về cơng suất và giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường.
Các nguồn nhiên liệu khai thác từ thiên nhiên như than đá, dầu mỏ và khí dầu mỏ
được sử dụng để tạo nhiệt năng cho các nhà máy nhiệt điện. Hiện nay có hai loại hình nhà
máy nhiệt điện cơ bản là:
- Nhà máy nhiệt điện tuabin hơi;
- Nhà máy nhiệt điện tuabin khí.
+ Với nhà máy nhiệt điện tuabin hơi:
Các nhiên liệu hữu cơ chủ yếu là than bột được đốt trong lò hơi tạo nhiệt làm hóa
hơi nước trong các giàn ống sinh hơi, hơi sinh ra được vận chuyển qua các hệ thống phân
ly, q nhiệt… để đảm bảo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng cần thiết cho việc sinh cơng tốt
nhất phù hợp với u cầu kĩ thuật và cơng suất thiết kế. Sau đó hơi (bão hòa) được đưa
vào các tầng cánh tuabin để sinh cơng tạo mơmen quay hệ thống máy phát được nối đồng
trục với tuabin. Sau khi qua tuabin hơi nước được thu hồi tuần hồn lại.

+ Với nhà máy nhiệt điện tuabin khí:
Khơng khí ngồi trời sau khi được làm sạch, loại bỏ hơi nước được hệ thống ống
dẫn đưa vào một máy nén khí để nâng áp suất của khí lên. Khí có áp suất cao được đưa
vào buồng đốt và được đốt với nhiên liệu (thường là khí gas). Chất khí sau khi đốt có
nhiệt độ và áp suất cao được đưa vào các tầng tuabin khí để sinh cơng. Tuabin quay làm
quay máy phát điện và ở đầu cực của máy phát ta cũng thu được năng lượng dưới dạng
điện năng.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

5
1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên ngun tắc chuyển hóa nhiệt năng thành cơ
năng rồi sau đó thành điện năng; nhiệt năng được tạo thành từ việc đốt cháy các nhiên
liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ tại buồng đốt làm nước trong lò hơi chuyển hóa
thành hơi nước. Nước ngưng từ các bình ngưng tụ được bơm ngưng bơm vào các bình gia
nhiệt hạ áp đến 140
o
C. Tại đây, nước ngưng được gia nhiệt bởi hơi nước trích ra từ các
cửa trích hơi qua tuabin. Sau khi đi qua các bộ gia nhiệt hạ áp, nước ngưng được đưa lên
bình khử khí 6at để khử hết các bọt khí có trong nước, chống ăn mòn kim loại. Nước sau
khi được khử khí, được các bơm cấp nước đưa qua các bình gia nhiệt cao áp để tiếp tục
được gia nhiệt bởi hơi nước trích ra từ các cửa trích hơi ở xilanh cao áp của tuabin đến
nhiệt độ 230
o
C. Sau khi được gia nhiệt ở gia nhiệt cao áp, nước được đưa qua bộ hâm
nước ở đi lò rồi vào bình bao hơi.
Nước ở bao hơi theo vòng tuần hồn tự nhiên chảy xuống các giàn ống sinh hơi,
nhận nhiệt năng từ buồng đốt của lò biến thành hơi nước và trở về bao hơi. Trong bao hơi

phần trên là hơi bão hòa ẩm, phía dưới là nước ngưng.
Hơi bão hòa ẩm trong bao hơi khơng được đưa ngay vào tuabin mà được đưa qua
các bộ sấy hơi, tại đây hơi được sấy khơ thành hơi q nhiệt, rồi được đưa vào tuabin. Tại
tuabin, động năng của dòng hơi được biến thành cơ năng quay trục hệ thống Tuabin-Máy
phát. Hơi sau khi sinh cơng ở các tầng cánh của tuabin được ngưng tụ thành nước ở bình
ngưng tụ. Cơng do tuabin sinh ra làm quay máy phát điện. Như vậy, nhiệt năng của nhiên
liệu đã biến đổi thành cơ năng và điện năng, còn hơi nước là mơi chất trung gian được
biến đổi theo một vòng tuần hồn kín.




Hình 1.1: Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

6
1. 2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện
1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi
Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi là thiết bị lớn nhất sinh hơi và vận hành phức tạp
nhất . Nó có trình độ cơ khí hóa và tự động hóa khá cao, làm việc đảm bảo và hiệu suất
cũng tương đối cao. Trong đó xảy ra q trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra sẽ
biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi. Lò
hơi có các nhiệm vụ chính sau:
- Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu hữu cơ như than đá, dầu mỏ, khí đốt…
trong buồng đốt nhiên liệu thành điện năng.
- Truyền nhiệt năng sinh ra cho mơi chất tải nhiệt hoặc mơi chất và thơng qua hệ
thống dẫn đưa mơi chất đi làm quay tua bin. Thường trong lò hơi chất tải nhiệt là nước có
nhiệt độ thơng thường được đưa lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ sơi, biến thành hơi bão
hòa hoặc hơi q nhiệt.
1.2.2. Các loại lò hơi chính

Trong các nhà máy điện thường sử dụng lò hơi có bao hơi (lò hơi tuần hồn tự
nhiên nhiều lần khi áp suất hơi mới được chọn p
0
< P
th
với pth = 221 [at]) và lò trực lưu.
- Lò có bao hơi:
Trong lò có bao hơi thì nước được tuần hồn tự nhiên trong đường ống nước
xuống và dàn ống sinh hơi dựa vào trọng lượng riêng của mơi chất theo ngun lý bề mặt
nhận nhiệt nhiều hơn dãn nở nhiều hơn có khối lượng riêng nhỏ hơn bị đẩy lên phía trên
(trong giàn ống sinh hơi). Để thực hiện tuần hồn tự nhiên nhiều lần (4÷10) lần thì ống
nước xuống và giàn ống sinh hơi phải được nối với bao hơi.
- Lò trực lưu:
Lò trực lưu thì khơng có bình bao hơi nên nước chỉ được tuần hồn có một lần.
Nước chuyển động dưới áp lực của bơm cấp (Bc) qua bộ hâm nước và đi trực tiếp vào bề
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

7
Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của lò hơi có bao hơi

mặt sinh hơi nhận nhiệt bức xạ của buồng lửa rồi tới phần đối lưu. Khi đó nước đã được
hố hơi hồn tồn trở thành hơi bão hồ khơ và đi tới bộ q nhiệt.
Bảng 1.1
P (bar) t
S
(
0
C)

i’ (kJ/kg) i” (kJ/kg) r

(kJ/kg)
0,981 99,1 415,6 2676,5 2260,9
34,33 241,4 1045,4 2805,2 1759,8
98,1 309,5 1400,3 2730,6 1330,3
221,4 374,2 2101,3 2101,3 0













Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

8
Việc thu được hơi nước của hai loại lò trên đều hình thành từ 3 q trình vật lý là:
đun nước nóng tới nhiệt độ sơi (biến đổi hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng), nước
sơi (hố hơi hồn tồn: nước để chuyển từ pha lỏng thành hơi bão hồ khơ) và q nhiệt
đến nhiệt độ đã cho (biến đổi nhiệt năng thành cơ năng và biến đổi cơ năng thành điện
năng). Tuỳ theo q trình sinh hơi xảy ra ở áp suất nào mà nhiệt độ sơi t
S
, nhiệt lượng đun
nóng nước tới nhiệt độ sơi i’, nhiệt lượng sinh hơi r và nhiệt hàm của hơi bão hồ khơ i”
sẽ thay đổi tương ứng, ví dụ như trên bảng 1.1.

Q trình truyền nhiệt từ sản phẩm cháy cho mơi chất được thực hiện nhờ các dạng
trao đổi nhiệt: bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt. Hiệu quả của các dạng này phụ thuộc vào tính
chất vật lý của mơi trường, mơi chất tham gia và phụ thuộc vào hình dạng của lò hơi và
các thiết bị có trong lò hơi.
Bảng 1.2
Ký hiệu
Tên bộ phận

Ký hiệu Tên bộ phận

1
Buồng đốt nhiên liệu 12 Quạt gió
2
Bơm cấp 13 Thùng nghiền than
3
Bộ hâm nóng nước 14 Bộ sấy khơng khí
4
Đường ống dẫn nước vào bao hơi
(balơng)
15 Vòi phun nhiên liệu
5
Bao hơi 16 Thuyền xỉ
6
Dàn ống nước xuống 17 Đường khói thải
7
Dàn ống dẫn nước lên 18 Bộ khử bụi khói
8
Dãy Pheston cùng với bao hơi tạo
thành vòng tuần hồn tự nhiên của
nước và hơi

19 Quạt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

9
9
Đường ống dẫn hơi bão hồ tới bộ
q nhiệt
20 Ống khói
10
Bộ q nhiệt
21
Phễu đựng tro bay
11
Van hơi chính đặt trên đường ống dẫn
hơi tới turbine

Trên hình 1.2 là lò hơi có bao hơi đốt phun, đây là loại lò hơi dùng phổ biến hiện
nay trong các nhà máy nhiệt điện ở nước ta và trên thế giới, cơng suất của lò tương đối
lớn. Lò hơi gồm các bộ phận chính như bảng 1.2.
1.2.3. Các hệ thống điều chỉnh trong lò hơi nhà máy nhiệt điện
Vận hành lò hơi là một cơng việc thao tác điều khiển phức tạp. Q trình vận hành
lò hơi khơng tách khỏi q trình vận hành chung tồn nhà máy. Mỗi một sự thay đổi của
một khâu nào đó trong nhà máy đều dẫn đến sự thay đổi chế độ vận hành của lò hơi và
đòi hỏi các thao tác điều khiển lò tương ứng.
Nhiệm vụ của cơng tác vận hành lò hơi là đảm bảo sao cho lò hơi làm việc ở trạng
thái kinh tế nhất, an tồn nhất trong một thời gian lâu dài. Cụ thể khơng những trong q
trình vận hành lò hơi khơng để xảy ra sự cố mà còn phải bảo đảm lò làm việc có hiệu suất
cao nhất và tương ứng là lượng than tiêu hao để sản xuất 1kg hơi là nhỏ nhất. Các thơng
số của lò hơi như áp suất hơi trong bao hơi hoặc ở ống góp hơi chung, nhiệt độ hơi q
nhiệt, mức nước trong bao hơi, hệ số khơng khí thừa, chân khơng buồng lửa, hàm lượng

muối trong nước cấp lò hơi và trong bao hơi… phải được giữ cố định và chỉ được phép
thay đổi trong một phạm vi giới hạn cho phép tương đối nghiêm khắc.
Ví dụ: giới hạn cho phép về độ thay đổi của nhiệt độ hơi q nhiệt ở các lò
trung áp là 150C. Lò hơi có áp suất và nhiệt độ hơi càng cao thì giới hạn cho phép
này càng giảm.
Giới hạn cho phép về thay đổi mức nước là 75 100mm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

10
Việc tự động hóa lò hơi chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động các q
trình trong lò để đảm bảo cho lò làm việc ổn định và kinh tế nhất bằng cách điều chỉnh
năm quan hệ: phụ tải-nhiên liệu, phụ tải-khơng khí, phụ tải-khói thải, phụ tải-mức nước
bao hơi và phụ tải-xả liên tục.
Do nhiệt độ hơi q nhiệt phụ thuộc rất ít đến phụ tải lò hơi nên việc điều chỉnh nó
được thực hiện độc lập chủ yếu bằng các bộ giảm ơn hỗn hợp.
Từ những chỉ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải được cấu thành từ một số
bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau gồm:
- Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi q nhiệt: Đảm bảo các chất lượng hơi khi
phun vào tuabin với các thơng số như: Độ khơ, nhiệt độ, áp suất, lưu lượng hơi…
- Hệ thống điều chỉnh q trình cháy: Điều khiển luồng gió cấp khơng khí và khói
thốt, đảm bảo điều kiện cháy tối ưu trong buồng đốt.
- Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi: Điều khiển q trình cấp nhiên liệu, nghiền
và phun than vào trong buồng đốt cháy sinh nhiệt năng.
- Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi: Điều khiển q trình cấp nước cho bao
hơi, đảm bao cân bằng giữa lượng hơi sinh ra, lưu lượng nước cấp và nước cấp đi xuống
giàn sinh hơi.
1.2.3.1. Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi q nhiệt
Nhiệt độ hơi q nhiệt là một trong số những chỉ tiêu cơ bản của lò hơi. Trong q
trình làm việc của lò nó khơng được giữ cố định mà ln ln thay đổi. Ngun nhân gây
nên sự thay đổi của nhiệt độ hơi q nhiệt là do chế độ làm việc của lò hơi thay đổi.

Những sự thay đổi của nhiệt độ hơi q nhiệt nếu khơng được điều chỉnh sẽ ảnh
hưởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế cũng như kĩ thuật của lò và nhà máy.
Việc giảm nhiệt độ hơi q nhiệt sẽ làm giảm hiệu suất chu trình nhiệt và ảnh
hưởng xấu đến điều kiện làm việc của tuabin do độ ẩm của hơi ở các tầng cuối tăng lên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

11
Việc tăng nhiệt độ hơi q nhiệt q trị số cho phép sẽ làm giảm điều kiện sức bền của
kim loại ống.
Vì vậy phải tìm các biện pháp duy trì nhiệt độ hơi q nhiệt cố định ngay cả khi
các chế độ làm việc của lò thay đổi. Những biện pháp này gọi là biện pháp điều chỉnh
nhiệt độ hơi q nhiệt. Thơng thường nhiệt độ hơi q nhiệt chỉ cho phép sai lệch +100C
và -150C.
Việc sử dụng bộ q nhiệt cũng có tác dụng điều chỉnh nhiệt độ hơi q nhiệt. Nếu
tỉ lệ hấp thụ nhiệt hợp lí giữa các phần bức xạ và đối lưu thì trong nhiều trường hợp khi
chế độ làm việc của lò thay đổi thì nhiệt độ hơi q nhiệt cũng khơng thay đổi. Với bộ
q nhiệt, khi tăng phụ tải, nhiệt lượng hấp thu trong phần đối lưu tăng lên trong khi phần
bức xạ hầu như khơng tăng do nhiệt độ cháy lí thuyết hầu như tăng rất ít.
Có hai phương pháp chủ yếu dùng để điều chỉnh nhiệt độ hơi q nhiệt là điều
chỉnh bằng hơi và điều chỉnh bằng khói.
1.2.3.2. Hệ thống điều chỉnh q trình cháy
Q trình cháy có ảnh hưởng rất lớn đến chế độ vận hành an tồn của lò hơi cũng
như hiệu suất của nhà máy. Nhiệm vụ của việc điều chỉnh q trình cháy là:
- Đảm bảo thơng số hơi ổn định, đặc biệt là áp suất ổn định chứng tỏ lượng hơi
sinh ra và lượng hơi tiêu thụ cân bằng nhau. Khi áp suất giảm chứng tỏ lượng hơi tiêu thụ
nhiều hơn, cần phải tăng thêm nhiên liệu để sản lượng hơi nhiều hơn. Ngược lại khi áp
suất tăng phải giảm nhiên liệu.
- Đảm bảo q trình cháy tốt nhất, nghĩa là điều chỉnh lượng gió cấp đảm bảo hệ số
khơng khí thừa kinh tế phù hợp với từng loại nhiên liệu.
- Đảm bảo chế độ thơng gió cân bằng, đảm bảo áp suất phù hợp trên đường ống

dẫn gió và dẫn khói.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />