Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển mức nước bao hơi cho nhà máy nhiệt điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SỸ



TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC BAO HƠI CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN



Ngƣời hƣớng dẫn : TS. TRẦN XUÂN MINH
Học viên : TRẦN MẠNH HÙNG
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên, năm 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Họ và tên học viên: Trần Mạnh Hùng
Ngày tháng năm sinh: Ngày 26 tháng 04 năm 1979
Nơi sinh: Thái Nguyên
Đơn vị công tác: Trường Cao đẳng nghề Cơ điện – Luyện kim Thái Nguyên
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Chuyên ngành đào tạo - Khóa học: Tự động hoá
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. TRẦN XUÂN MINH

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC BAO HƠI CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN







TS. TRẦN XUÂN MINH
HỌC VIÊN







TRẦN MẠNH HÙNG

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
Lêi nãi ®Çu

Với nhu cầu nâng cao chất lượng điều khiển quá trình công nghệ, các hệ
điều khiển nhiều vòng được áp dụng rộng rãi. Chất lượng điều chỉnh của hệ
nhiều vòng đã đem đến kết quả rất khả quan trong điều chỉnh công nghiệp đặc
biệt là trong các quá trình nhiệt, khi đối tượng điều khiển có quán tính lớn và

chịu ảnh hưởng mạnh của tác động nhiễu. Từ khi kỹ thuật vi xử lý và điều khiển
số ra đời người ta càng quan tâm nhiều hơn đến việc tổng hợp hệ thống điều
khiển số nhiều vòng, song vì tính phức tạp của đối tượng (nhất là đối tượng
nhiệt) cho nên lời giải nhận được của hệ thống không đem lại kết quả mong
muốn hoặc kết quả không tối ưu do đó khi đặt tham số hệ thống người ta phần
lớn dựa trên kinh nghiệm là chính. Trong bối cảnh đó quan điểm tổng hợp cấu
trúc bền vững cao ra đời là cơ sở lý luận để tổng hợp hệ thống điều chỉnh liên
tục. Theo phương pháp này cho phép thiết kế bộ điều chỉnh có độ ổn định rất
cao, sai số điều chỉnh nhỏ, quá trình quá độ đảm bảo hệ số tắt cao trong trường
hợp đối tượng có sự thay đổi.
Xuất phát từ thực tế quá trình điều khiển mức nước bao hơi của nhà máy
nhiệt điện Phả Lại 2 không tốt. Biên độ dao động lớn, thời gian điều chỉnh kéo
dài nhất là khi có sự thay đổi về phụ tải. Độ quá điều chỉnh lớn dẫn đến mức
nước bao hơi vượt ngoài khoảng cho phép, do đó hệ thống bảo vệ tác động có
khi phải dừng cả tổ máy đem lại thiệt hại lớn về kinh tế. Mặt khác thời gian điều
chỉnh kéo dài làm hư hỏng thiết bị. Một trong những nguyên nhân chính đó là
quá trình hiệu chỉnh tham số điều chỉnh không tốt. Hệ thống hiệu chỉnh mức
nước bao hơi ở nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 sử dụng phương pháp truyền thống
mà chủ yếu sử dụng phương pháp Ziegle – Nichols có đôi chỗ sử dụng thuật
toán thích nghi nhưng kết quả mức nước vẫn dao động lớn.
Trong luận văn này: “Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ
thống điều khiển mức nƣớc bao hơi cho nhà máy nhiệt điện” do thầy giáo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
TS. TRẦN XUÂN MINH hướng dẫn là công trình tổng hợp và nghiên cứu của
riêng tôi.
Qua kết quả chạy mô phỏng trên phần mềm Matlab và phần mềm Cascad
cho thấy ứng dụng phương pháp này hệ thống hiệu chỉnh mức nước bao hơi ở
nhà máy nhiệt điện được tốt hơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5

MỤC LỤC

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi nhà

máy nhiệt điện và thuật toán vượt khe………………………………… 8
1.1. Giới thiệu về hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi nhà máy
nhiệt điện ….………………………… 8
1.1.1. Đặt vấn đề …………………………… 8
1.1.2. Các cấu trúc cơ bản của điều khiển mức nước bao hơi 9
1.1.2.1. Các ký hiệu trên sơ đồ logic ……… 9
1.1.2.2. Sơ đồ điều chỉnh một tín hiệu … 10
1.1.2.3. Sơ đồ điều chỉnh hai tín hiệu 11
1.1.2.4. Sơ đồ điều chỉnh ba tín hiệu … 11
1.1.3. Điều chỉnh mức nước bao hơi và các phương pháp điều chỉnh 14
1.1.3.1. Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh cấp nước lò hơi.14
1.1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi mức nước bao hơi … 15
1.1.4. Các sơ đồ tự động điều chỉnh mức nước bao hơi 19
1.1.4.1. Hệ thống điều chỉnh một xung ………… 20
1.1.4.2. Hệ thống điều chỉnh hai xung: H, D .… 22
1.1.4.3. Hệ thống điều chỉnh ba xung .… 25
1.1.5. Các phương pháp hiệu chỉnh hệ thống với đối tượng không có tự
cân bằng ……………………………………………………………………….27
1.1.5.1. Tổng hợp và thiết kế theo phương pháp thứ nhất của Ziegler–Nichols.27
1.1.5.2. Tổng hợp, thiết kế theo phương pháp Chien–Hrones–Reswick– Kuhn.27
1.1.5.3. Tổng hợp và thiết kế theo phương pháp Reinisch …………………….28
1.2. Thuật toán vượt khe ……………………………………………………….31
1.2.1. Đặt vấn đề …… ……………………………………………………… 31
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
1.2.2. Bước vượt khe ……………………………………………………… 32
1.2.3. Hướng tìm kiếm .……………………………………………………… 40
1.2.4. Phương pháp vượt khe theo hướng chiếu affine ……………………… 41
Chương 2: Tổng hợp và thiết kế bộ điều khiển dựa trên phần mềm CASCAD .42

2.1. Nhận dạng mô hình đối tượng ………………………………………… 42
2.1.1. Phương pháp nhận dạng mô hình đối tượng đang làm việc ………… 43
2.1.1.1. Bài toán nhận dạng hệ nhiều tầng ……………………….………… 44
2.1.1.2. Xác định ảnh của tín hiệu hàm thời gian ……………… ………… 45
2.1.1.3. Xác định hàm truyền của đối tượng … ……………… ………… 47
2.1.1.4. Sai số mô hình hóa và mô hình bất định
2.1.2. Giới thiệu về phần mềm CASCAD để nhận dạng đối tượng ……… 49
2.1.2.1. Mục đích ý nghĩa của tổ hợp CASCAD ………………………………49
2.1.2.2. Cấu trúc của chương trình …………………………………………….52
2.1.2.3. Những chức năng cơ bản của CASCAD ……………… ……….……54
2.1.2.4. Thiết lập hệ thống điều khiển ………………………… ………….…57
2.1.2.5. Chế độ đồ họa – Dựng các đặc tính của hệ thống .…… ………….…60
2.1.2.6. Nhận dạng đối tượng ……………………………………………….…75
2.1.3. Nhận dạng đối tượng theo số liệu vận hành bình thường tại nhà máy Nhiệt
điện phả lại 2 ……………………………………………………………… …80
2.1.3.1. Khái quát chung về sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi của nhà máy .… 80
2.1.3.2. Nhận dạng đối tượng …………………………………… …… 81
2.1.3.3. Nhận dạng đối tượng vòng trong và vòng ngoài … …… 81
2.1.3.4. Nhận dạng đối tượng theo kênh nhiễu … ……………… 86
2.1.3.5. Xây dựng hàm truyền đạt cho các thiết bị đo lường …… 87
2.1.3.6. Hàm truyền đạt cho cảm biến đo lưu lượng nước cấp … 87
2.2. Tổng hợp bộ điều khiển …………………………………… …… 88
2.2.1. Thiết kế bộ điều khiển tương tự cho hệ thống điều khiển công suất
lò hơi ………………………………………………………………………… 88
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
2.2.1.1. Ph©n tÝch bé ®iÒu khiÓn PID ………………………………………… 88
2.2.1.2. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển tương tự …………………………….… 89
2.2.1.3. Tổng hợp mạch vòng điều khiển lưu lượng nước cấp …………….….91

2.2.1.4. Tæng hîp m¹ch vßng ®iÒu khiÓn bï nhiÔu l-u l-îng h¬i ……….…….92
2.2.1.5. Tổng hợp mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi ……… ….…….94
2.2.1.6. Tổng hợp cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước bao hơi …….…… 96
2.2.1.7. Kết quả mô phỏng các mạch vòng …….………………………….… 98
2.3. Nhận xét: …….………………………………………………… ….… 103
Chương 3: Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển mức nước bao hơi bằng
phương pháp điều khiển mờ ……………………………………… ….……104
3.1. Khái niệm cơ bản ……………………………………… ….……… …104
3.1.1. Định nghĩa tập mờ ……………………………………… ….…….….104
3.1.2. Các thuật ngữ trong logic mờ .…………………………… ….………105
3.1.3. Biến ngôn ngữ ……………………………………… ….……………106
3.1.4. Các phép toán trên tập mờ … ……………………………… ….……107
3.1.5. Luật hợp thành ……………………………………… ….……………108
3.1.6. Giải mờ ……………………………………… ….………………… 110
3.2. Bộ điều khiển mờ ……………………………………… ….………… 113
3.2.1. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ …………………………… ….…… 113
3.2.2. Nguyên lý điều khiển mờ ………………………………… ….…… 113
3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ ………………………………… ….…… 114
3.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ điều chỉnh mức nuớc bao hơi … ….……….115
3.4. Nhận xét ……………………………………………… ….……………121








Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8



Chƣơng 1: Giới thiệu về hệ thống điều khiển mức nƣớc bao hơi trong lò hơi
nhà máy nhiệt điện và thuật toán vƣợt khe.
1.1. Giới thiệu về hệ thống điều khiển mức nƣớc bao hơi trong lò hơi nhà
máy nhiệt điện.
1.1.1. Đặt vấn đề
Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi là một trong những khâu quan
trọng của hệ thống điều chỉnh lò hơi. Nhiệm vụ của hệ thống này là đảm bảo
tương quan lượng nước đưa vào lò hơi và lượng hơi sinh ra. Khi tương quan này
bị phá vỡ thì mức nước trong bao hơi sẽ không cố định. Mức nước thay đổi sẽ
dẫn tới sự cố ở tuabin hay lò hơi. Nếu mức nước bao hơi lớn quá giá trị cho phép
sẽ làm giảm năng suất bốc hơi của bao hơi, giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt ảnh
hưởng tới sự vận hành của tuabin. Nếu mức nước bao hơi quá thấp so với giá trị
cho phép làm tăng nhiệt độ hơi quá nhiệt, có thể gây nổ hệ thống ống sinh hơi.
Tương quan giữ lưu lượng hơi và nước cấp bị phá vỡ do nhiều nguyên
nhân gây ra như lưu lượng hơi, lưu lượng nước cấp, nhiệt độ nước cấp, nhiệt
lượng than toả ra trong buồng đốt
- Lưu lượng hơi: khi lượng hơi sang tuabin tăng thì mức nước trong bao hơi
giảm và ngược lại.
- Lưu lượng nước cấp: khi lưu lượng nước cấp vào lò tăng thì mức nước
trong bao hơi cũng tăng.
- Quá trình cháy: khi lượng nhiệt cấp cho lò thay đổi thì mức nước trong
bao hơi cũng thay đổi theo.
Khi lò đang vận hành bình thường, nếu lượng nhiệt cấp cho lò tăng lên (tăng
lượng nhiên liệu cho quá trình cháy) thì trong một khoảng thời gian khoảng 30s,
mức nước sẽ tăng lên đột ngột do hàm lượng hơi trong hệ thống tăng đột ngột,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
hiện tượng này gọi là hiện tượng sôi bồng. Sau thời gian này nếu lượng nhiệt cấp
cho lò vẫn tăng thì mức nước trong bao hơi lại bắt đầu giảm dần do lượng nước
hoá hơi tăng lên. Khi giảm lượng than cấp cho lò thì mức nước bao hơi sẽ thay
đổi theo chiều ngược lại, lúc này lượng nước hoá hơi ít đi dẫn đến mức nước bao
hơi tăng lên.
- Áp suất trong bao hơi: khi áp suất trong bao hơi thay đổi thì mức nước
bao hơi thay đổi theo quan hệ nghịch. Nếu áp suất tăng thì mức nước bao hơi
giảm và nếu áp suất giảm thì mức nước bao hơi sẽ tăng.
Khi áp suất tăng, một bộ phận hơi trong hỗn hợp nước sẽ ngưng tụ dẫn đến
mức nước giảm xuống. Đồng thời, khi tăng áp lực hơi thì thể tích hơi của lò
cũng giảm, làm mức nước giảm. Ngược lại khi áp suất giảm thì dẫn đến mức
nước trong bao hơi tăng.
Các phương pháp điều chỉnh mức nước bao hơi: việc điều khiển mức nước
bao hơi có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau tuỳ theo loại lò. Thông
thường sử dụng ba sơ đồ là sơ đồ một tín hiệu, hai tín hiệu và ba tín hiệu.
1.1.2. Các cấu trúc cơ bản của điều khiển mức nƣớc bao hơi
1.1.2.1. Các ký hiệu trên sơ đồ logic






0
1


Khối cộng

Hàm chuyển đổi
)(xF



+
-
Bộ trừ
T

Bộ truyền tín hiệu
A

Khối đặt giá trị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10

1.1.2.2. Sơ đồ điều chỉnh một tín hiệu
Tín hiệu điều chỉnh ở đây là tín hiệu về mức nước tương đối trong bao
hơi, tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh mức nước được đưa vào cơ cấu chấp hành
để điều khiển đóng mở van nhằm thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò theo yêu
cầu. Cách điều khiển này chỉ dùng cho các lò hơi có dung tích nước lớn và sản
lượng hơi nhỏ (dưới 30 T/h).
ZT

Bộ chuyển đổi vị trí



K


Khối điều khiển PID (tỷ lệ - vi phân – tích phân): Thực hiện
chức năng điều khiển: Tỷ lệ, vi phân, tích phân dựa trên sự
sai lệch biến quá trình đầu vào (PV) so với giá trị điểm đặt
(SV) cho ra tín hiệu điều khiển
Bộ chuyển đổi tín hiệu
L
R

Bộ chuyển đổi lưu lượng
nước sang dòng điện
I
W
P

I
Bộ chuyển đổi dòng
điện sang áp suất
Khâu phản hồi
chuyển đổi tín hiệu
Đo
lường
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11

Hình 1.1: Sơ đồ điều chỉnh mức nƣớc bao hơi dùng một tín hiệu
1.1.2.3. Sơ đồ điều chỉnh hai tín hiệu
Trong sơ đồ này ngoài tín hiệu về mức nước đo được trong bao hơi còn sử
dụng thêm một tín hiệu thứ hai là tín hiệu lưu lượng hơi. Tín hiệu lưu lượng hơi
là tín hiệu đoán trước được đưa vào bộ điều chỉnh feedforward. Kiểu điều khiển
kết hợp feedback và feedforward này cho phép bộ điều chỉnh dự đoán trước
được sự thay đổi lưu lượng nước cấp trước khi mức nước trong bao hơi bị giảm
đi. Nhờ đó mà khử bỏ được ảnh hưởng chậm trễ của nó tới mức nước khi phụ tải
thay đổi.
Sơ đồ này thường dùng cho lò hơi loại trung bình và nhỏ có phụ tải ít thay đổi.

Hình 1.2: Sơ đồ điều chỉnh mức nƣớc bao hơi dùng hai tín hiệu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
1.1.2.4. Sơ đồ điều chỉnh ba tín hiệu
Trong sơ đồ này người ta sử dụng thêm một tín hiệu nữa là tín hiệu lưu
lượng nước cấp, hai bộ điều chỉnh PI được liên kết với nhau theo kiểu cascade.
Khi đó tín hiệu ra của bộ điều chỉnh mức nước sẽ trở thành tín hiệu đặt cho bộ

điều chỉnh cấp nước. Còn tín hiệu lưu lượng hơi cũng giống như ở sơ đồ điều
chỉnh hai phần tử nó là tín hiệu đoán trước sự thay đổi của phụ tải.
Mức nước luôn được giữ trong vùng giới hạn cho phép, khi các quá trình
động học thay đổi bộ điều chỉnh làm việc với ba phần tử với sự bù hiện tượng
sôi bồng (Swell) được sử dụng khi tải lớn hơn 25%.
Các thành phần điều khiển lưu lượng nước cấp sẽ ảnh hưởng tương tác lẫn nhau
nếu không chỉnh định tốt. Một sự thay đổi vị trí van nước cấp sẽ dẫn đến thay
đổi chênh áp, mà nó sẽ dẫn đến việc điều chỉnh tốc độ bơm cấp. Nếu việc chỉnh
định không tốt sẽ dẫn đến quá điều chỉnh hoặc dao động dạng sóng.


Hình 1.3: Sơ đồ điều chỉnh mức nƣớc bao hơi dùng ba tín hiệu
Sơ đồ ba tín hiệu đảm bảo được chất lượng điều chỉnh cao, bởi vì nhiễu từ
lưu lượng hơi (nhiễu ngoài) được khử bỏ từ tín hiệu nước cấp, còn các nhiễu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
khác (nhiễu trong) xảy ra trong lò như áp suất hơi, nhiệt độ nước cấp, nhiệt
lượng toả ra của nhiên liệu được khử bỏ từ tín hiệu mức nước trong bao hơi.
Trong sơ đồ này, tín hiệu mức nước là tín hiệu phản hồi, tín hiệu về lưu
lượng hơi là tín hiệu tiền định nó phản ánh trạng thái của phụ tải hơi. Nhờ tín
hiệu này mà có thể khử bỏ được ảnh hưởng chậm trễ tới mực nước khi phụ tải
thay đổi. Có nghĩa là khi lưu lượng hơi thay đổi tín hiệu này được truyền ngay
vào bộ điều chỉnh nước cấp trước khi mức nước thay đổi và bộ điều chỉnh nước
cấp thay đổi lượng nước cấp vào lò để cân bằng với sản lượng hơi. Tín hiệu về
lưu lượng nước cấp sẽ tăng thêm độ chính xác của tín hiệu tiền định bằng cách
loại trừ các ảnh hưởng của lưu lượng cũng như áp suất.
Như vậy ta có hai mạch vòng để điều chỉnh một thiết bị cấp nước (là một
van hay một bơm cấp nước) đó là mạch vòng điều chỉnh lượng nước cấp cho bao
hơi và mạch vòng điều chỉnh mức nước bao hơi. Trong hai mạch vòng này thì

tín hiệu về mức nước sẽ được ưu tiên hơn so với tín hiệu lưu lượng hơi. Tuy
nhiên khi mà mức nước trong bao hơi gần tới điểm đặt (Sensor = 0) thì tín hiệu
về sự thay đổi của lưu lượng sẽ tác động ngay lên mức nước, có nghĩa là tín hiệu
điều khiển là tín hiệu về lưu lượng.
Trong trường hợp mức nước trong bao hơi cao, phụ tải nhiệt khá lớn, lúc
này bộ điều khiển mức nước có xu hướng đóng van cấp nước trong khi bộ điều
chỉnh lưu lượng lại có xu hướng điều chỉnh để van này vẫn được mở ra. Do ta
muốn mức nước phải giảm cho nên bộ điều khiển mức nước sẽ được ưu tiên hơn
là bộ điều khiển lưu lượng hơi, có nghĩa là van cấp nước sẽ được đóng lại. Điều
này xảy ra khi mà ta Reset lại bộ điều khiển mức.
Cả hai mạch vòng trên đều tác động đến van điều chỉnh một cách độc lập
nhau:
- Khi mức nước gần bằng điểm đặt thì bộ điều chỉnh lưu lượng tác động.
- Khi mức nước quá thấp hoặc quá cao thì bộ điều chỉnh mức nước tác động.
Từ sơ đồ cấu trúc ta có thể thấy hoạt động của sơ đồ như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
- Bình thường khi lưu lượng hơi cần sản xuất ra không thay đổi tức là phụ
tải của nhà máy không thay đổi so với giá trị trước đó, do đó đầu vào của
bộ điều chỉnh lưu lượng cũng không thay đổi và lượng nước cấp vào lò
hơi cũng không thay đổi.
- Khi lưu lượng hơi sản xuất ra giảm đi (phụ tải của nhà máy giảm xuống)
thì mức nước trong bao hơi sẽ tăng lên, đầu vào của bộ điều chỉnh mức
nước là
L
giảm, đầu vào của bộ điều chỉnh lưu lượng hơi giảm theo, tín
hiệu điều chỉnh độ mở của van cấp giảm, lưu lượng nước cấp vào bao hơi
sẽ giảm đi và do đó mức nước trong bao hơi sẽ giảm xuống trở về trạng
thái ổn định ban đầu.

- Ngược lại, khi lưu lượng hơi sản xuất ra tăng, nghĩa là phụ tải của nhà
máy tăng thì mức nước trong bao hơi sẽ bị giảm xuống, tín hiệu vào bộ
điều chỉnh mức nước là
L
tăng lên, tín hiệu vào của bộ điều chỉnh lưu
lượng theo đó cũng tăng lên, độ mở của van sẽ được tăng làm cho lượng
nước cấp vào lò nhiều hơn, do đó mà mức nước lại tăng lên trở về mức
nước ổn định ban đầu.
1.1.3. Điều chỉnh mức nƣớc bao hơi và các phƣơng pháp điều
chỉnh.
1.1.3.1. Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh cấp nƣớc lò
hơi.
Hệ thống điều chỉnh cấp nước vào lò hơi đóng vai trò rất
quan trọng trong các hệ thống điều chỉnh của lò hơi. Nhiệm vụ của
hệ thống tự động điều chỉnh cấp nước vào lò hơi là đảm bảo sự cân
bằng vật chất giữa lưu lượng hơi ra khỏi lò hơi và lưu lượng nước
cấp vào lò.
Trong quá trình hoạt động của lò hơi, sự cân bằng vật chất
giữa lưu lượng hơi ra khỏi lò và lưu lượng nước cấp vào lò bị phá
vỡ do nhiều nguyên nhân. Một trong những nguyên nhân chính như
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
sau: sự thay đổi lưu lượng hơi cấp vào TuaBin; sự thay đổi nước cấp
vào lò; sự thay đổi áp suất bao hơi; sự thay đổi lượng nhiệt sinh ra
trong buồng lửa, v.v…Những lý do trên dẫn đến làm thay đổi mức
nước trong bao hơi. Mức nước tăng hoặc giảm quá mức quy định sẽ
ảnh hưởng đến chất lượng hơi hoặc sự cố lò hơi.
Khi mức nước bao hơi tăng quá mức quy định sẽ ảnh hưởng
đến chất lượng hơi. Vì khi đó ảnh hưởng tới quá trình phân ly hơi

trong bao hơi, các giọt ẩm sẽ theo hơi tràn sang bộ quá nhiệt, làm
giảm quá trình truyền nhiệt giữa hơi và khói, dẫn đến những tầng
cuối của TuaBin sẽ có độ ẩm cao sẽ làm hỏng tầng cánh TuaBin.
Còn khi mức nước bao hơi thấp hơn mức yêu cầu làm mất sự tuần
hoàn tự nhiên của nước trong hệ thống. Trong khi đó lượng nhiệt
sinh ra trong buồng lửa vẫn không đổi dẫn đến có thể làm biến dạn g
hoặc phình nổ các ống sinh hơi.
Chính vì vậy, hệ thống điều chỉnh tự động cấp nước bao hơi có
vai trò rất quan trọng trong hệ thống điều chỉnh của lò hơi. Có
nhiệm vụ đảm bảo mức nước bao hơi thay đổi trong một giới hạn
cho phép hay nói cách khác là đảm bảo sự cân bằng vật chất giữa
lưu lượng hơi ra khỏi lò và lưu lượng nước cấp vào lò.
1.1.3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự thay đổi mức nƣớc bao hơi.
Quá trình thay đổi mức nước trong lò có bao hơi là một quá
trình rất phức tạp. Không những bị thay đổi do cân bằng vật chất bị
phá vỡ (ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng hơi ra khỏi lò, của sự
thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò…) mà còn bị thay đổi do ảnh
hưởng của sự thay đổi áp suất trong bao hơi, ảnh hưởng của hiện
tượng sôi bồng…Những ảnh hưởng này lại có tác động tương hỗ lẫn
nhau và làm cho quá trình thay đổi mức nước càng trở nên phức tạp.
Sự ảnh hưởng đó có thể được biểu diễn bằng phương trình sau:






































 d
dV

d
dV
F
1
p
'
V
p
"
)VV(
F)"'(
1
F)"'(
DW
d
dH
hbh0h
nn
bhbh
(1.1)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
Trong đó:
W, D: Lưu lượng nước cấp và sản lượng của lò, kg/s.
V
n
, V
h
: Thể tích phần chứa nước và hơi của lò, m

3
.
’, ”: Mật độ của nước và hơi trong lò,
V
h0
: Thể tích hơi trong hệ thống ống lò, m
3
.
V
hbh
: Thể tích hơi trong bao hơi, m
3
.
V = V
h
+ V
n
: Tổng thể tích chứa môi chất trong lò, m
3
.
F
bh
: Diện tích mặt bốc hơi trong bao hơi, m
2
.
Thành phần thứ nhất vế phải phương trình (1.1) thể hiện ảnh
hưởng của việc phá huỷ cân bằng vật chất; thành phần thứ hai là ảnh
hưởng của sự thay đổi áp suất còn thành phần thứ ba kể đến ảnh
hưởng của sôi bồng mức nước. Phương trình (1.1) còn có thể viết
dưới dạng sau:



 d
dV
.
F
1
DaWaQa
d
dH
0h
bh
321

(1.2)
Trong đó:














p
"
)VV(
p
'
V
QT)"'(F
1
a
nn
bh
1








































p
t
CG
p
'
)i"i(
p
"i
'VV

p
'
i
p
'i
'V
QT)"'(F
1
a
kl
klklncnn
bh
2

p
t
CG
p
"i
")VV(
p
'
r
p
'i
'V
QT)"'(F
1
a
kl

klklnn
bh
3






























Q: Lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa, J.
Hoặc công thức (1.2) cũng có thể biểu diễn dưới dạng sau:














 d
dp
.
p
V
d
dD
.
D
V
F
1

DaWaQa
d
dH
0h0h
bh
321
(1.3)
Những ảnh hưởng cụ thể của các yếu tố tới mức nước bao hơi
sẽ được trình bày dưới đây:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
a. Ảnh hƣởng của sự thay đổi lƣu lƣợng nƣớc cấp vào lò
Từ phương trình (1.2) ta thấy, khi thay đổi lưu lượng nước cấp
vào lò nhưng vẫn không thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong lò thì lưu
lượng hơi ra khỏi lò không thay đổi và các thông số của nó cũng
không thay đổi mà chỉ thay đổi mức nước trong bao hơi. Khi lưu
lượng nước cấp vào lò tăng thì mức nước trong bao hơi tăng và
ngược lại, khi lưu lượng nước cấp vào lò giảm thì mức nước trong
bao hơi giảm. Về lý thuyết thì quan hệ này là tuyến tính nhưng thực
tế do ảnh hưởng của chiều dài đường ống từ van điều chỉnh tới bao
hơi nên bị chậm trễ một khoảng thời gian  nào đó và đặc điểm của
đối tượng nhiệt là quán tính lớn nên đặc tính động của lò hơi khi đại
lượng điều chỉnh là mức nước thường là một khâu tích phân quán
tính có trễ.
b. Ảnh hƣởng của lƣợng nhiệt sinh ra trong buồng lửa
Sự thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa trong điều kiện
lưu lượng nước cấp vào lò không thay đổi cũng làm thay đổi mức
nước trong bao hơi. Thực vậy theo phương trình (1.2):



 d
dV
.
F
1
DaWaQa
d
dH
0h
bh
321

Ta thấy, khi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa tăng lên thì
mức nước trong bao hơi tăng lên do khi lượng nhiệt sinh ra trong
buồng lửa tăng trong khi đó áp suất lò vẫn không thay đổi tương ứng
nhiệt độ bão hoà của nước không thay đổi đẫn đến lượng hơi sinh ra
trong hệ thống tăng lên, dẫn đến việc tách tương ứng một lượng
nước đưa vào bao hơi dẫn tới mức nước bao hơi tăng. Mặt khác theo
phương trình tốc độ thay đổi áp suất:

kl5h4n3
2nchh1
GVV
DQD).i(
d
dp





(1.4)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18
Ta lại thấy khi Q tăng thì áp suất bao hơi sẽ tăng, để áp suất
bao hơi không đổi thì sản lượng hơi ra khỏi lò phải tăng (tức D
tăng). Ta lại thấy khi D tăng trong điều kiện lưu lượng nước cấp vào
lò không đổi dẫn đến cân bằng vật chất bị phá vỡ làm giảm mức
nước bao hơi.
Như vậy, khi lượng sinh ra trong lò thay đổi đột ngột trong
điều kiện giữ lưu lượng nước cấp không thay đổi thì nó ảnh hưởng
tới thành phần sôi bồng làm tăng mức nước đồng thời chúng lại ảnh
hưởng tới sự phá vỡ cân bằng vật chất làm giảm mức nước. Người ta
chứng minh được rằng, ảnh hưởng tổng hợp của hai hiện tượng như
sau: lúc đầu mức nước tăng (khoảng 30 giây) sau đó giảm dần.
c. Ảnh hƣởng của sự thay đổi áp suất
Khi áp suất thay đổi thì mức nước bao hơi cũng thay đổi theo.
Từ phương trình (1.2) ta thấy rằng: khi áp suất bao hơi tăng lên thì
mức nước bao hơi giảm, vì khi áp suất bao hơi tăng thì đồng thời
nhiệt độ nước bão hoà trong lò tăng trong khi đó nhiệt lượng sinh ra
trong buồng lửa vẫn không thay đổi dẫn đến lượng hơi sinh ra trong
hệ thống giảm, điều này dẫn đến mức nước trong bao hơi sẽ giảm.
Còn khi áp suất bao hơi giảm thì hiện tượng xảy ra nguợc lại làm
cho mức nước bao hơi tăng lên. Khi áp suất thay đổi thì không
những ngoài chính bản thân nó làm thay đổi mức nước nó còn gây ra
hiện tượng sôi bồng làm thay đổi mức nước.
d. Ảnh hƣởng của sự thay đổi lƣu lƣợng hơi ra khỏi lò

Khi thay đổi sản lượng hơi ra khỏi lò tốc độ quy dẫn của hơi

và tốc độ tuần hoàn trong vòng tuần hoàn ( 
0
”,
0
) sẽ thay đổi dẫn
đến ảnh hưởng tới chế độ tuần hoàn của môi chất trong hệ thống lò.
Theo phương trình (1.4) ta thấy: khi tăng đột ngột sản lượng
hơi ra khỏi lò áp suất bao hơi sẽ giảm, điều này dẫn đến xảy ra hiện
tượng sôi bồng làm tăng mức nước bao hơi. Mặt khác theo phương
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19
trình (1.2) thì khi tăng sản lượng hơi ra khỏi lò lại làm cân bằng vật
chất bị phá huỷ về phía sản lượng hơi. Do đó làm giảm mức nước.
Đặc tính động của lò hơi khi sản lượng hơi thay đổi đột ngột được
biểu diễn như hình 1.5 sau:

Trong đó: H
1
- đường nước giảm; H
2
- đường sôi bồng; H
3
- đường
thực tế, H
3
=H
1
+H
2
Ta thấy lúc đầu mức nước tăng do hiện tượng sôi bồng (khoảng
30 giây) sau giảm tuyến tính do ảnh hưởng của hiện tượng sôi bồng
tạo mức nước giả.
1.1.4. Các sơ đồ tự động điều chỉnh mức nƣớc bao hơi
H
t
D
T
t
H
2
H

1
H
3
= H
1
+H
2
Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn mức trong hiện tượng sôi bồng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20
Quá trình thay đổi mức nước trong bao hơi là một quá trình rất
phức tạp. Trong thực có thể sử dụng các loại sơ đồ điều chỉnh khác
nhau, tuỳ theo năng suất lò hơi cũng như yêu cầu công nghệ mà
người sử dụng đặt ra. Người ta có thể chia các sơ đồ điều khiển mức
nước bao hơi thành ba dạng cơ bản sau:





1.1.4.1. Hệ thống điều chỉnh một xung
Sơ đồ nguyên lý được thể hiện ở hình 1.6 sau:

Trong đó: BH – bao hơi; BQN - bộ quá nhiệt; BĐC - bộ điều chỉnh; BHN - bộ
hâm nước;
Hệ thống điều chỉnh này có một tín hiệu vào bộ điều chỉnh, đó là mức
nước bao hơi (H), nó phụ thuộc vào giá trị đặt và dấu của độ sai lệch mức nước
bao hơi, bộ điều chỉnh sẽ thay đổi độ mở của van cấp nước để thay đổi lưu
lượng nước cấp vào lò.
D
H
Hình 1.7. Đặc tính tĩnh hệ 1 xung
H
BQN
Hình 1.6. Hệ thống điều chỉnh 1 xung
Nước cấp
Định trị
BĐC
BHN
BH
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21
Từ đường đặc tính tĩnh biểu diễn trên hình 1.7 cho ta thấy quan hệ giữa
mức nước bao hơi với độ không đồng đều dương của phụ tải hơi D. Phụ tải hơi
D tăng thì mức nước bao hơi ở trạng thái ổn định giảm.
Ở hình dưới đây biểu diễn các đồ thị của quá trình quá độ quá trình điều
chỉnh được xây dựng không kể đến chậm trễ trong hệ thống và sự dao động của

quá trình.
Quá trình điều chỉnh như sau:
Trước thời điểm t
1
là đang vận hành bình thường ở phụ tải giữ không đổi,
D
1
tương ứng lưu lượng nước cấp W
1
và mức nước ổn định trong bao hơi H
1
.

















Tại thời điểm t

1
vì một lý do nào đó phụ tải hơi giảm đột ngột tới giá trị
D
2
, điều này dẫn đến giảm mức nước bao hơi từ H
1
xuống H
a
do giảm thể tích
hỗn hợp hơi và nước chứa trong bao hơi và hệ thống dàn ống sinh hơi trong
buồng lửa của lò. Nhận được tín hiệu về sự giảm mức nước bao hơi, bộ điều

W
3
W
b
D
2
W
2
D
1
W
1
W
a
t(s)
W, D
t(s)
H

3
H
b
H
2
H
a
H
1
H
Hình 1.8. Đặc tính động quá trình điều chỉnh hệ 1 xung
D
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22
chỉnh bắt đầu tác động tăng độ mở của van nước cấp và từ đó tăng lưu lượng
nước cấp từ W
1
đến W
a
.
Sự tăng lưu lượng nước cấp vượt hơn sự tăng của lưu lượng hơi dẫn đến
cân bằng vật chất bị phá vỡ và từ đó làm tăng mức nước. Theo độ tăng dần của
mức nước mà bộ điều chỉnh giảm dần độ mở của van nước cấp tương ứng giảm
lưu lượng nước cấp vào lò từ giá trị W
a
xuống W
2

, tương với phụ tải hơi mới ra
D
2
. Khi này phương trình cân bằng vật chất lại được xác lập và từ đó mức nước
bao hơi lại ổn định tại vị trí mới là H
2
. Giá trị H
2
này thường lớn hơn giá trị mức
nước ổn định ở chế độ xác lập trước H
1
.
Và ngược lại, giả sử khi lò đang làm việc ổn định ở chế độ xác lập mới
ứng với phụ tải hơi không đổi D
2
, tương ứng với lưu lượng nước cấp vào lò W
2

và mức nước ổn định H
2
. Thì ở tại thời điểm t
2
vì một lý do nào đó phụ tải hơi
lại tăng đột ngột từ giá trị D
2
lên giá trị D
3
. Do đó dẫn đến sự giảm áp suất bao
hơi, làm tăng thể tích hỗn hợp hơi và nước trong bao hơi và hệ thống dàn ống
sinh hơi, làm tăng mức nước trong bao hơi từ H

2
lên H
3
. Tín hiệu thay đổi mức
nước này được đưa về bộ điều chỉnh, từ đó bộ điều chỉnh cho tín hiệu đóng bớt
độ mở van nước cấp giảm lưu lượng nước cấp vào lò từ giá trị W
3
xuống W
b
. Sự
không tương úng giữa lưu lượng nước cấp vào lò và lưu lượng hơi ra khỏi lò sẽ
dẫn đến làm giảm mức nước trong bao hơi. Tín hiệu hiệu giảm mức nước bao
hơi này lại được truyền đến bộ điều chỉnh và từ đó bộ điều chỉnh cho tín hiệu ra
tăng dần độ mở của van nước cấp và tương ứng tăng lưu lượng nước cấp vào lò
cân bằng với lưu lượng hơi lấy ra. Kết quả của quá trình điều chỉnh là: lò lại làm
việc ổn định ở chế độ làm việc mới ứng với phụ tải hơi được giữ không đổi D
3

ứng với lưu lượng nước cấp W
3
và mức nước ổn định H
3
. Giá trị H
3
này thường
khác với H
1
và H
2
.

Như vậy, quá trình phân tích ở trên ta có thể kết luận rằng: Quá trình điều
chỉnh của hệ thống một xung luôn kèm theo dao động rất lớn của mức nước bao
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23
hơi khi phụ tải hơi ra khỏi lò thay đổi đột ngột, do đó hệ thống điều chỉnh một
xung chỉ được sử dụng với các lò hơi có sản lượng hơi nhỏ. Thường dùng cho
các lò trung áp và hạ áp.
1.1.4.2. Hệ thống điều chỉnh hai xung: H, D
Sơ đồ nguyên lý được thể hiện ở hình 1.9. Đặc tính tĩnh hệ điều chỉnh hai
xung thể hiện ở hình 1.10.
Bộ điều chỉnh nước cấp có hai xung lượng có hai tín hiệu vào đó là tín
hiệu mức nước H và tín hiệu hơi ra khỏi lò D.
Đặc tính tĩnh của hệ thống điều chỉnh hai xung lượng được biễu diễn trên
hình 1.6 nhận được bằng cách cộng tổng các đặc tính điều chỉnh tĩnh của bộ điều
chỉnh có độ không đồng đều với đặc tính của tín hiệu theo lưu lượng hơi. Tín
hiệu theo mức nước bao hơi có quan hệ bậc hai với phụ tải hơi của lò do đó đặc
tính tĩnh của quá trình điều chỉnh có dạng như trên.

Trong đó: BH – bao hơi; BQN - bộ quá nhiệt; BĐC - bộ điều chỉnh; BHN - bộ
hâm nước;

H
D
D
BQN
Hình 1.9. Hệ thống điều chỉnh hai xung
Nước
cấp
Định trị
BĐC
BHN
BH
P
min
D
P
max
H
Hình 1.10. Đặc tính tĩnh hệ hai xung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24
Bộ điều chỉnh hai xung lượng nhận được sự thay đổi về lưu lượng nước
chỉ qua sự thay đổi về mức nước trong bao hơi, vị trí mức nước trong bao hơi
chủ yếu phụ thuộc vào phụ tải, nhưng nó còn chịu ảnh hưởng của lưu lượng
nước cấp vào lò được xác định bằng độ chênh lệch áp suất trên van điều chỉnh
nước cấp.

Do đó, trong những điều kiện như sau vị trí của mức nước phụ thuộc vào
giáng áp trên van điều chỉnh trên hình 1.10 biểu thị hai đường đặc tính ứng với
giáng áp P
max
và P
min
. Vùng mà vị trí mức nước có thể rơi vào nằm giữa hai
đường đặc tính này.
Như vậy, khi lưu lượng hơi từ lò thay đổi bộ điều chỉnh trên sẽ tác động
trước khi mức nước trong bao hơi thay đổi, vì vậy nâng cao được chất lượng của
quá trình điều chỉnh.
Đặc tính động của hệ thống điều chỉnh hai xung được biểu diễn như hình
1.11 sau:













Quá trình điều chỉnh như sau: Khi phụ tải của lò hơi thay đổi tăng đột
ngột, tín hiệu thay đổi lưu lượng hơi được truyền đến bộ điều chỉnh và từ đó tín
t


t

Hình 1.11. Đặc tính động của hệ thống
điều chỉnh hai xung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

25
hiệu ra tăng độ mở của van nước cấp, tăng lưu lượng nước cấp vào lò. Điều này
dẫn đến làm tăng mức nước bao hơi vì ảnh hưởng của hiện tượng sôi bồng mức
nước (khi lưu lượng hơi tăng thì áp suất bao hơi giảm) và do lưu lượng nước cấp
tăng. Mặt khác khi tín hiệu mức nước tăng lên sẽ truyền đến bộ điều chỉnh, từ đó
cho tín hiệu ra giảm lưu lưọng nước cấp vào lò. Sự giảm lưu lượng nước cấp so
với lưu lượng hơi ra khỏi lò sẽ làm phá vỡ cân bằng vật chất càng làm giảm mức
nước, tín hiệu giảm mức nước này lại được truyền đến bộ điều chỉnh tăng lưu
lượng nước cấp vào lò tương ứng với sản lượng hơi ra khỏi lò và mức nước
trong bao hơi lại ổn định ở vị trí ban đầu. Quá trình điều chỉnh kết thúc.
Hệ thống điều chỉnh hai xung lượng có nhược điểm là: nó chỉ có thể nhân
biết được sự thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò thông qua sự thay đổi mức
nước trong bao hơi nên quá trình điều chỉnh có sự dao động mức nước. Nhưng
hệ thống này lại khắc phục được sự dao động mức nước về phía thay đổi phụ tải
hơi.
Bộ điều chỉnh hai xung này được sử dụng với các lò hơi mà trong đó sự
thay đổi mức nước xảy ra rõ rệt, còn dao động áp suất trong đường ống cấp
nước là không lớn (ít sử dụng trong các lò có bộ giảm ôn bề mặt).
1.1.4.3. Hệ thống điều chỉnh ba xung
Sơ đồ nguyên lý được thể hiện ở hình 1.12 sau:

Hình 1.12. Hệ thống điều chỉnh ba xung
D
H
W
D
BQN
§Þnh trÞ
BĐC
BHN
BH
N-íc cÊp