Điều khiển mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MỨC NƯỚC BAO HƠI
TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
BUILDING MODEL AND CONTROLER OF THE BOILER’S WATTER LEVEL
IN THE THERMAL POWER PLANT
Nguyễn Thế Huân – Vũ Đức Thuận – Vũ Đăng Thủy
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Tóm tắt:
Bao hơi được coi là bộ phận quan trọng nhất của nhà máy nhiệt điện, nó quyết định tới sự tin cậy, an toàn
và năng suất của nhà máy. Hơn nữa, mức nước trong bao hơi có sự biến động theo công suất của phụ tải,
điều này gây ra nhiều rủi ro trong hệ thống. Nếu mức nước giảm xuống quá mức cho phép sẽ làm cho các
ống dẫn hơi quá nhiệt dẫn tới hỏng các thiết bị trong nhà máy. Mặt khác, nếu mức nước trong bao hơi quá
cao thì việc điều khiển nhiệt độ và độ ẩm hơi nước rất khó khăn, có khả năng dẫn tới làm hỏng tuabin. Vì
vậy, việc điều khiển mức nước trong bao hơi là một yêu cầu quan trọng. Trong bài báo này, mức nước
trong bình được xác định là tập trung phụ thuộc vào lưu lượng nước cấp và lưu lượng hơi thoát ra mà bỏ
qua ảnh hưởng bởi nhiệt, áp suất… Bộ điều khiển PI được sử dụng bởi sự đơn giản và phổ biến của nó.
Các kết quả thu được đã chỉ rõ sự khác biệt giữa việc điều khiển mức nước bằng một tín hiệu, hai tín hiệu,
ba tín hiệu. Các kết quả này là tích cực và sẽ hỗ trợ nhiều cho các nghiên cứu tiếp theo.
Từ khóa:bao hơi, lưu lượng nước, công suất phụ tải.
Abstract:
Steam boiler is considered the most important part of thermal power plants. It is critical to the reliability,
safety and productivity of the plant. However, the water level in the boiler absorbs the power fluctuations
of the load, which causes a lot of risk in the system. If the water level drops excessively, it will make the
superheated steam pipes lead to broken equipment in the plant. On the other hand, if the water level in the
steam drum is too high, the control of temperature and moisture vapor will be very difficult, potentially
leading to damage of the turbine. Therefore, the water level control in the steam boiler drum is an
important requirement. In this paper, the water level in the bottle depends on the flow of water and the
escape of steam that bypasses the system and is affected by temperature and pressure. PI controllers are
used because of their simplicity and popularity. The results obtained clearly show the difference between
the water level control by a variety of signals. These results are positive and will support more research
for the next test.
Keywords: steam boiler, the flow of water, the power fluctuations of the load.

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Bao hơi là một thiết bị mà trong đó xảy ra quá trình
đốt cháy nhiên liệu làm biến hơi nước từ thể lỏng
thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành
nhiệt năng của dòng hơi. Khi nước được chuyển
thành hơi thể tích sẽ tăng lên khoảng 1600 lần, tạo
ra một lực rất mạnh làm quay turbine để tạo ra điện

năng.[1] cho chúng ta thấy hiện nay trong các nhà
máy, mức nước bao hơi chưa được kiểm soát hoàn
toàn với thời gian quá độ và độ quá điều chỉnh lớn,
việc điều khiển mức nước bao hơi là rất cần thiết.


Trong nhà máy nhiệt điện, bao hơi giữ một vai trò
hết sức quan trọng, nó được ví như là trái tim-bộ
phận quan trọng nhất của nhà máy phát điện.Bao
hơi quyết định trực tiếp tới công suất phát điện, độ
bền và an toàn của nhà máy.Mực nước trong bao
hơi khi quá cao hay quá thấp,vượt ngoài tầm kiểm
soát đều gây ra những hậu quả nghiêm trọng trong
sự vận hành của nhà máy điện. Để kiểm soát được
công suất phụ tải điện, chống cháy nổ (khi mực
nước bao hơi xuống quá thấp) hay bảo vệ cánh
tuabin (khi mực nước bao hơi quá cao) thì người ta
phải xây dựng bộ điều khiển nhằm tối ưu hóa hiệu
suất làm việc bao hơi cũng như nhà máy điện.Một
trong số các cách đó là xây dựng bộ điều khiển PID
với các vòng phản hồi tín hiệu khác nhau. Hiện

nay, trên thế giới đã có nhiều bộ điều khiển mức
nước bao hơi cho ra những kết quả khá tốt với thời
gian ổn định nhanh và độ quá điều chỉnh thấp…
Hiện nay có nhiều tác giả đưa ra các chiến thuật
thiết kế bộ điều khiển khác nhau, như phương pháp
(IMC) của [2] đã nâng cao hiệu suất của bộ điều
khiển mức nước thông thường, và phương pháp tối
ưu LQR [1] có khả năng nâng cao hiệu suất của
việc kiếm soát áp suất và mức nước trong boiler.
Ngoài ta, chúng ta có thể đề cập đến điều khiển bền
H∞
H∞
vững sử dụng
mix - sensitivity [3] và
loop shaping [4] để tiếp cận, phương pháp điềub.
khiển dự báo [5] mờ logic [7] và phi tuyến trượt
điều khiển chế độ [8].
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một kĩ thuật
xây dựng bộ điều khiển mức nước bao hơi với
thông tin phản hồi đa biến nhằm xây dựng một hệ
thống cung cấp kiểm soát mức nước chặt chẽ nhất,
có tính ổn định cao, hạn chế thời gian chết để có
thể tối ưu hóa hiệu suất cũng như năng suất của nhà
máy.
2. BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN:
a. Phương trình cân bằng vật chất trong bao hơi:


 ∂ρ '   ∂ρ
dH

W−D
1
∂ρ ''
=
−
( V − Vn ) + Vn  ÷ +
dτ ( ρ '− ρ '').F  ( ρ '− ρ '') F
∂ρ '
 ∂ρ   ∂τ
+

1  dVh 0 dVhbh 
+
F  dτ
dτ ÷

(1)
Trong đó:

ρ'

: khối lượng riêng của nước cấp,

kg / m3

ρ ''

: khối lượng riêng của nước ở chế độ sôi,
kg / m3
Vn

Vh
,

cho lò,

: Thể tích phần chứa nước và phần chứa hơi
m3

F: diện tích của bình bao hơi,
W: lưu lượng nước cấp,

m2

kg / s

D: lưu lượng của hơi nước ra khỏi bao hơi,

kg / s

Các yếu tố ảnh hưởng đến mức nước trong bao hơi.
Qua phương trình cân bằng vật chất ta nhận thấy
các yếu tố lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi thoát
ra, nhiệt độ bao hơi, và áp suất của bao hơi ảnh
hưởng trực tiếp đến sự hình thành hơi và công suất
phát điện của nhà máy nhiệt điện.
Lưu lượng nước cấp luôn ảnh hưởng đến mức nước
trong bao hơi một cách trực tiếp, nếu lưu lượng
nước tăng thì mức nước trong bao hơi tăng, còn
nếu lưu lượng nước cấp giảm thì mức nước trong

bao hơi giảm. Theo lý thuyết thì quan hệ này là
tuyến tính, tuy nhiên trong thực tế do ảnh hưởng
của nhiều yếu tố như tốc độ bay hơi của hơi nước,
chiều dài ống nước từ van điều chỉnh đến bao


hơi… nên có một khoảng thời gian trễ nào đó. Nên
việc tính toán gặp nhiều khó khăn.
Lưu lượng hơi thoát ra khỏi bao hơi cũng là yếu tố
quan trọng trong việc điều khiển mức nước của bao
hơi. Khi lượng hơi thoát ra nhiều sẽ làm cho mức
nước giảm xuống, áp suất bao hơi tăng lên, nên
việc điều khiển lượng hơi thoát ra vô cùng cần
•
thiết.
Giả sử lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa của lò
hơi tăng lên, áp suất không đổi sẽ làm cho 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 trong bao hơi tăng. Sau đó, nhiệt
sinh ra tăng nên lượng hơi ra khỏi lò tăng. Tuy
nhiên lượng nước cấp vào lò không đổi, điều này
dẫn đến cân bằng vật chất bị phá vỡ làm giảm mức
nước trong bao hơi.
Khi áp suất bao hơi tăng lên đồng thời nhiệt độ
nước bão hòa trong lò tăng dẫn đến lượng hơi sinh
ra trong hệ thống giảm, làm mức nước trong bao
•
hơi sẽ giảm và ngược lại.
Từ việc nhận định ảnh hưởng của các yếu tố đến

mức nước của bao hơi, và sự phức tạp của việc
thiết kế bộ điều khiển PID cho bao hơi ta nhận thấy
cần loại bỏ một số biến mà khi loại bỏ không ảnh
hưởng lớn đến chất lượng hệ thống. Mặt khác, theo
đánh giá những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến
mức nước trong bao hơi ta thấy có hai yếu tố ảnh
hưởng trức tiếp đến độ cao cột nước trong bao hơi
là lưu lượng nước cung cấp và lưu lượng hơi thoát
ra. Nên trong bài báo cáo này chúng em sẽ loại bỏ
hai yếu tố ảnh hưởng ít hơn đến mức nước trong
bao hơi đó là nhiệt lượng sinh ra trong buồng lửa
và áp suất trong bao hơi.
Phương trình cân bằng vật chất của hệ thống điều
khiển mức nước trong bao hơi sau khi đã rút gọn
là:

•

dH
W−D
=
dτ ( ρ '− ρ '') F

(2)

3. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN
a. Hàm truyền các đối tượng thực tế
Trong hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi có
các đối tượng cần nhận dạng qua thực tế đó là van
điều chỉnh nước cấp, đối tượng mức nước bao hơi

và các cảm biến.
Chọn hàm truyền của van
Trong bài báo này, chúng ta coi như van được định
cỡ tốt và quan hệ giữa lưu lượng ra và độ mở van là
tuyến tính thì hàm truyền của van được coi là một
khâu quán tính bậc nhất có trễ, ta coi gần đúng hàm
truyền của van là khâu quán tính bậc nhất dạng:
(3a)

Kv
Chọn hệ số khuếch đại
= 1.69 và thời gian trễ
Kv
=3.15 ta được hàm truyền của van cấp nước là:
(3b)
Chọn hàm truyền của cảm biến
Khi các cảm biến hoạt động thì các giá trị đại lượng
đo thay đổi nhanh theo thời gian. Quan hệ phụ
thuộc giữa tín hiệu đầu ra với đại lượng đo và biến
thời gian được gọi là đặc tính động học. Đặc tính
động học của hầu hết các cảm biến được mô tả
bằng một phương trình vi phân cấp một hoặc cấp
hai. Coi đặc tính của cảm biến là tuyến tính, thì
động học của cảm biến có thể được biểu diễn với
một khâu quán tính bậc nhất.Trong bài này chúng
ta chọn các cảm biến lưu lượng nước cấp và lưu
lượng hơi ra có dạng:
(4a)
Và cảm biến mức nước trong bao hơi có dạng:
(4b)

Hàm truyền đạt của mức nước bao hơi
Từ các đường đặc tính cả đối tượng mức nước bao
hơi, ta thấy đối tượng là khâu tích phân quán tính


có trễ và không tự cân bằng, có dạng
(5a)

Với thời gian trễ khi có xung tác động là rất ngắn
so với hằng số thời nên ta coi gần đúng đối tượng
mức nước bao hơi là khâu tích phân quán tính bậc
nhất.Trong bài báo này, hàm truyền bao hơi có
dạng:

Trong đó: là hệ số khuếch đại của hệ
: thời gian trễ khi có xung tác động
: hằng số thời gian

(5b)
b. Xây dựng bộ điều khiển

Vì thành phần vi phân trong bộ điều khiển PID rất•
nhạy với cá c nhiễu đo lường nên trong trường hợp
này chúng ta sẽ xây dựng bộ điều khiển PI điều
khiển mức nước trong nhà máy lần lượt với sự
phản hồi của các xung tín hiệu khác nhau.

Sơ đồ điều khiển

1. Bộ điều khiển 1 xung tín hiệu

Hệ thống điều chỉnh này có một tín hiệu vào bộ
điều chỉnh đó là mức nước bao hơi, bộ điều chỉnh
sẽ thay đổi độ mở của van nước cấp để thay đổi lưu
lượng nước cấp vào lò.

Hình 1.Sơ đồ điều khiển 1 xung tín hiệu

•

•

Thiết kế thông số bộ PI
•

•
•

Hàm truyền hệ hở:

Hình 2.Bộ điều khiển 1 xung tín hiệu


•

•

Gh =

1.69*0.08*0.025
s(15s + 1)(3.15s + 1)(0.5s + 1)

•

(7)

•

•

Xấp xỉ hàm truyền về dạng tích
phân quán tính bậc nhất:

Gh =

Chọn hàm truyền bộ PI theo
phương pháp tối ưu đối xứng:


1 
R = k p 1 +
÷
 Ti s 

1.69*0.08*0.025
k
=
s (15s + 1)
s.(Ts + 1)

được chất lượng của quá trình

điều khiển.
•

Sơ đồ điều khiển
•

(8)
•

Trong đó:

1
= 9,87;
2kT
Ti = 4T = 60
kp =

•

3. Bộ điều khiển 2 xung tín hiệu
•

Bộ điều chỉnh nước cấp có hai
tín hiệu vào đó là tín hiệu mức
nước và tín hiệu hơi ra khỏi lò.
Khi lưu lượng hơi từ lò thay
đổi bộ điều chỉnh sẽ tác động
trước khi mức nước trong bao
hơi thay đổi, do đó nâng cao

•

Hình 3. Sơ đồ điều khiển 2 xung
tín hiệu

•
• Thiết kế bộ điều khiển PI


•

•
•

Thiết kế vòng điều khiển trong:
• Hàm truyền hệ hở:
1.69* 0.23
k
Gh =
=
(0.5s + 1)(3.15s + 1) (T1s + 1)(T2 s + 1)
•

Hình 4. Bộ điều khiển 2 xung tín hiệu
•

Gh =

.

(9a)
• Chọn bộ PI:

1 
R = k p 1 +
÷
 Ti s 
kp =
•
•

•

0.08*0.025
k
=
s(15s + 1)
s(Ts + 1)
•

0.5s + 1

khá

(9d)

Chọn bộ PI theo phương pháp
tối ưu đối xứng:
Ti = 4T = 60

1
= 2.57
2k .T1

kp =

Ti = T2 = 3.15

•

(9b)
Thiết kế vòng điều khiển ngoài:

•

Bỏ qua thành phần
nhỏ ta được:

1
≈ 9.87
2k .Ti

4. Bộ điều khiển 3 xung tín hiệu
•

0.08*0.025
Gh =
s (15s + 1)(0.5s + 1)
(9c)
•

Sơ đồ điều khiển

Bộ điều chỉnh ba xung tín hiệu
vào đó là tín hiệu mức nước
bao hơi, tín hiệu lưu lượng hơi
và tín hiệu lưu lượng nước cấp
vào lò


•
•
•

Hình 5. Sơ đồ điều khiển 3 xung tín hiệu

Thiết kế bộ điều khiển PI:
•

•
•

Hình 6. Bộ điều khiển 3 xung tín hiệu

Bộ điều khiển 3 vòng giống hệt 2 vòng, tuy nhiên có nhận phản hồi từ tín hiệu lưu
lượng hơi thay đổi.

•
•
•

4. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC


•

4.1. Điều khiển mức nước bao hơi khi chiều cao mực nước trong bao hơi thay đổi:


•


•

Hình 7. Kết quả điều khiển khi chiều cao mức nước bao hơi thay đổi

•
•

•

•

•

•
•

•

•

•

•

•

•

•

Bảng 1. So sánh sai lệch khi chiều cao
mức nước thay đổi

•

Ta thấy bộ điều chỉnh 1 tín hiệu
tương đối tốt.

•

Bộ điều chỉnh 2,3 tín hiệu trong
trường hợp này rõ ràng kém hiệu
quả hơn so với bộ điều chỉnh 1 tín
hiệu.

•

Vì vậy, trong các quá trình mà mức

nước trong bao hơi thay đổi lớn (ví
dụ khi bắt đầu khởi động hệ thống,
mức nước trong bao hơi chưa có),
bộ điều chỉnh 1 tín hiệu nên được
sử dụng.

•

4.2. Điều chỉnh mức nước bao hơi
khi lưu lượng hơi ra thay đổi:

•

•

•


•

•

•

•

•

•

•

•

•
•

•

•

•

•

•

•

•

•

Hình 8. Kết quả điều khiển khi công
suất phụ tải thay đổi
•

Ta có bảng:

•

độ quá điều chỉnh rất nhỏ (nhỏ
hơn gần 20 lần so với bộ điều
khiển 1 tín hiệu).

Bảng 2. So sánh sai lệch khi công
suất phụ tải thay đổi

•
•

Bộ điều khiển 3 tín hiệu ở đây
có ưu điểm rõ rệt bởi thời gian
quá độ ngắn (nhỏ hơn 3 lần so
với bộ điều khiển 1 tín hiệu) và

•

•

•
•

•

Do vậy, với những hệ thống có
phụ tải thay đổi nhiều, lưu
lượng hơi ra thay đổi nhiều thì
bộ điều khiển 3 tín hiệu nên

được sử dụng.

Các kết quả mô phỏng đã được
xây dựng trên Matlab/Simulink
ở phần trên đã chỉ ra ảnh hưởng
của việc thay đổi công suất phụ
tải tới mực nước bao hơi trong
nhà máy điện. Kết quả nghiên
cứu đã chỉ ra khi công suất phụ
tải thay đổi thì quá trình đáp
ứng của các mô hình khác nhau
thì khác nhau.Trong đó với mô
hình điều khiển 3 trạng thái,quá trình quá độ diễn ra nhanh
hơn và độ quá điều chỉnh-

5. KẾT LUẬN
không lớn, tốt cho sự điều
khiển.

•

Sau khi so sánh với một số bộ
điều khiển khác trên thế
giới,kết quả thu được từ bộ
điều khiển 3 tín hiệu là tốt.
Mặc dù vậy, nghiên cứu này
vẫn cần tiếp tục được triển khai
với các nội dung sau:

Cung cấp các số liệu thực tế để có thể so sánh rõ

hơn với các kết quả mô phỏng
Nghiên cứu tìm hiểu về các bộ điều khiển khác (bộ
điều khiển dự báo, điều khiển mờ, điều khiển thích
nghi,…) để có thể cho ra kết quả tốt hơn.


•
•
•

Tài liệu tham khảo

•

[1] Ahmed El-Guindy, Simon Runzi and Kai Michels, “Optimizing drum-boiler water
level control performance: A practical approach”, University of Bremen, Institute of
Automation (IAT), 28359 Bremen, Germany.

•

[2] K. Ghousiya Begum1 , D.Mercy2 , H. Kiren Vedi3 , M. Ramathilagam4, “An
Intelligent Model Based Level Control of Boiler Drum”, International Journal of
Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 3, Issue 1, January 2013.

•

[3] G. Pellegrinetti and J. Bentsman, ”H∞ controller design for boilers”, International
Journal of Robust and Nonlinear Control, 4:645-671, 1994.

•

[4] Tan, W., Marquez, H. J., Chen, T. and Gooden, R. K., ”H∞ control design for an
industrial boiler”, Procceeding of ACC Conference, 2537-2542, 2001.

•

[5] M. Xu , S. Li and W. Cai, ”Cascade generalized predictive control strategy for
boiler drum level”, ISA Trans., 44(3):399-411, 2005.

•

[6] Chin Chen , “Modeling a thermal power plant drum-type boiler for control: a
parameter identification approach”,Iowa State University.

•

[7] Vue Wei-jie, Liu Yong-xin, ”Boiler Drum Level controlled by Fuzzy Self-adapting
PID”, Second Asia-Pacific Conference on Computational Intelligence and Industrial
Applications, 2:381-384, 2009.

•

[8] H. Moradi, M. Saffar-Avval, F. Bakhtiari-Nejad, ”Sliding mode control of drum
water level in an industrial boiler unit with time varying parameters: a comparison with
H-infinity robust control approach”, Journal of Process Control, 22:1844-1855, 2012.