Cải thiện chất lượng điều khiển nhiệt độ mô hình nhà máy nhiệt điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

GIÁP THỊ THU DUNG

CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Chuyên ngành:Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số:60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. TRẦN XUÂN MINH

THÁI NGUYÊN, 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Giáp Thị Thu Dung
Sinh ngày: 24 tháng 02 năm 1990
Học viên lớp cao học khoá 16- Kỹ thuật điều khiển tự động hóa –Trường
Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Nhà máy Z115-Thành phố Thái Nguyên
Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng

của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Giáp Thị Thu Dung

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, cô giáo Khoa
sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy
giáo, cô 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 hoàn thành bản
luận văn của mình.
Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của
các thầy, cô giáo trong khoa Điện, bộ môn Điều khiển tự động hóa của trường
ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp.
Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy PGS.TS. Trần Xuân Minh,
người đã luôn ân cần hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt thời gian làm luận văn
giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin gửi những lời
cảm ơn chân thành nhất đến thầy Trần Xuân Minh, các thầy, cô giáo trong
khoa Điện, bộ môn Điều khiển tự động - Trường Đại học đã giúp đỡ, tạo điều
kiện trong suốt quá 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 không tránh khỏi những thiếu sót. Rất
mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng
nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác
sau này.
Học viên

Giáp Thị Thu Dung

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 ........................................................ vi
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ...................................................................... vii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
NỘI DUNG
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN TẠI
TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ........................................ 3
1.1. Tổng quan về nhà máy nhiệt điện ............................................................. 3

1.1.1. Giới thiệu chung ............................................................................... 3
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện .................................. 5
1.2. Mô hình nhà máy nhiệt điện ..................................................................... 6
1.2.1. Giới thiệu chung ............................................................................... 6
1.2.2. Mục đích của các bài thí nghiệm trên mô hình nhà máy nhiệt điện 8
1.2.3. Lò hơi và hệ điều khiển lò hơi

....... 9

1.2.3.1. Cấu tạo của lò hơi ................................................................ 9
1.2.3.2. Phân loại lò hơi .................................................................. 10
1.2.3.3. Nguyên lý hoạt động của lò hơi ........................................ 12
1.2.3.4. Quá trình biên đồi năng lượng trong lò hơi ...................... 13
1.2.3.5. Hệ thống điều khiển lò hơi ................................................. 14
1.2.4.

Bao hơi và hệ điều khiển bao hơi................................................ 20

1.2.4.1. Bao hơi ............................................................................... 20
1.2.4.2. Hệ thống điều khiển bao hơi .............................................. 21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv

1.2.5. Thiết bị gia nhiệt ........................................................................... 22
Chƣơng 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU
KHIỂN NHIỆT ĐỘ MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 25
2.2. Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển mô hình

nhà máy nhiệt điện ...................................................................................

27

2.2.1. Phân tích bài toán điều khiển ổn định nhiệt độ nước cấp trong mô
hình ............................................................................................................... 27
2.2.2. Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nước cấp........................................... 27
2.2.3. Xây dựng hàm truyền của các bộ điều khiển trong sơ đồ cấu trúc28
2.2.3.1. Cảm biến đo nhiệt độ ........................................................ 28
2.2.3.2 . Van điều khiển .................................................................. 29
2.2.3.3. Thiết bị gia nhiệt nước cấp................................................. 30

2.4.

2.5.

2.2.3.4. Hàm truyền của hệ thống ............................................

30

Thiết kế bộ điều khiển PID ........................................................

31

2.4.1.

Phương pháp thiết kế .....................................................

31

2.4.2.

Kết quả mô phỏng ..........................................................

34

Kết luận ........................................................................................

36

Chƣơng 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ MÔ HÌNH NHÀ
MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI
Cấu trúc một bộ điều khiển mờ ..................................................................... 37
3.1.1. Mờ hóa ........................................................................................... 37
3.1.2. Giải mờ(deuzzyfier) ....................................................................... 38
3.1.3. Khối luật mờ và khối hợp thành ................................................... 40
3.1.3.1. Các bước xây dựng luật hợp thành khi có nhiều điều kiện.... 41
3.1.3.2. Thuật toán xây dựng luật hợp thành của nhiều mệnh đề hợp
thành ................................................................................................................ 41
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




v

3.1.4. Bộ điều khiển mờ .......................................................................... 43

3.1.4.1. Bộ điều khiển mờ động ....................................................... 43
3.1.4.2. Điều khiển mờ thích nghi..................................................... 44
3.1.4.3. Điều khiển mờ lai ................................................................ 45
3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai .................................................................. 49
3.2.1. Đặt vấn đề ...................................................................................... 49
3.2.2. Mô phỏng các điều khiển đã thiết kế ............................................. 50
3.3. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 51
3.4. Kết luận chương 3…………………………………………………… 54
Chƣơng 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
4.1.

Cấu trúc hệ thống thí nghiệm ..

55

4.1.1. Cấu hình thí nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm 57
4.1.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm ............................................... 55
4.2. Các thao tác thực hiện ........................................................................... 61
4.3.

Ứng dụng bộ điều khiển PI trên mô hình thực tế tại trung tâm thí

nghiệm điện – điện tử ................................................................................... 63
4.4.

Kết luận chương 4 ...........................................................................

Kết luận và kiến nghị ................................................................................
Tài liệu tham khảo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



65
66


vi

Các ký hiệu:
STT
1
2
3
4
5
6
7
8

Ký hiệu
CO
MV
cv
PM
Wh
K
khx
SP

Diễn giải nội dung đầy đủ
Tín hiệu điều khiển
Biến điều khiển
Biến được điều khiển
Tín hiệu đo
Hàm truyền đạt
Hệ số khuếch đại đầu ra
Các hệ số khuếch đại đầu vào
Giá trị đặt

Các chữ viết tắt
STT
Ký hiệu
9
QTCN
10
FC
11
AO
12
FO
13
AC
14
PID
15 Measurementdevice
16
Sensor
17

Sensor element
18 Signal conditioning
19
Transmitter
20
Transducer

Diễn giải nội dung đầy đủ
Mức nước cấp bình lò hơi
fail-closed - van đóng an toàn
air-to-open - van đóng an toàn
fail-open - van mở an toàn
air-to-close - van mở an toàn
Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân
Thiết bị đo
Cảm biến
Phần tử cảm biến, đầu đo
Điều hoà tín hiệu
Bộ chuyển đổi đo chuẩn
Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu

Nội dung

Trang

Hình 1.1

Quá trình chuyển đổi năng lượng

6

Hình 1.2

Mô hình nhà máy nhiệt điện tại trung tâm thí nghiệm

7

Hình 1.3

Nguyên lý cấu tạo của lò

9

Hình 1.4

Cầu trúc điều khiển lò hơi

17

Hình 1.5

Bao hơi

21

Hình 1.6

Cấu tạo điển hình của thiết bị ra nhiệt

23

Hình 2.1

Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nước cấp

28

Hình 2.2

Cảm biến đo nhiệt độ

29

Hình 2.3

Van điều khiển

29

Hình 2.4

Cấu trúc điều khiển

31

Hình 2.5

Sơ đồ điều khiển

32

Hình 2.6

Sơ đồ biến

32

Hình 2.7

Sơ đồ mô phỏng với bộ PID tìm được

34

Hình 2.8

Kết quả mô phỏng với bộ PID tìm được

35

Hình 2.9

Kết quả mô phỏng với bộ PID tìm được với giá trị đặt
ban đầu là 280C

36

Hình 3.1

Cấu trúc điều khiển mờ cơ bản

37

Hình 3.2

Phương pháp giải mờ cực đại

39

Hình 3.4

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ

43

Hình 3.5

Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1)

44

Hình 3.6

Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(2)

45

Hình 3.7

Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp

45

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




viii

Hình 3.8

Phương pháp điều khiển thích nghi dán tiếp

45

Hình 3.9a

Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ

46

Hình 3.9b

Hệ mờ với bộ lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x

46

Hình 3.10

Cấu trúc hệ mờ lai CASCADE

47

Hình 3.11

Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ

48

Hình 3.12

Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào

49

Hình 3.13

Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra

50

Hình 3.14

Các luật điều khiển mờ

51

Hình 3.15

Sơ đồ mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển mờ lai

51

Hình 3.16

Đáp ứng nhiệt độ của hệ thống với bộ điều khiển mờ
lai

52

Hình 3.17

Sơ đồ mô phỏng của hệ thống với bộ điều khiển PID
và bộ điều khiển mờ lai

53

Hình 3.18

Đáp ứng nhiệt độ của hệ thống với bộ điều khiển PID

và bộ điều khiển mờ lai

54

Hình 4.1

Cấu trúc thí nghiệm điều khiển nhiệt độ

55

Hình 4.2

Bình bao hơi

55

Hình 4.3

Giao diện trong thí nghiệm điều khiển mức nước cấp
bao hơi

56

Hình 4.4

Tham số bộ điều khiển

63

Hình 4.5

Kết quả thực nghiệm

64

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 chủ yếu ở Việt Nam hiện nay là nhiệt điện.
Điện năng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống kinh tế - chính
trị - trên toàn thế giới. Nhu cầu sử dụng điện năng của mỗi quốc gia ngày
càng tăng. Cùng với sự tồn tại của các nhà máy Thủy điện, Điện hạt nhân, Pin
mặt trời, Sức gió, Địa nhiệt... thì nhà máy nhiệt điện đóng vài trò đáng kể.
Ở nước ta thì các nhà máy nhiệt điện cung cấp trong nhiều năm gần đây
dao động trong phạm vi 20%. Các tổng sơ đồ phát triển điện và dự đoán còn
phát triển trong tương lai. 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 quá trình của nhà máy
nhiệt điện là rất quan trọng.

Việc ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại sẽ nâng cao được chất
lượng và số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho công nghiệp
nước ta.
Vấn đề quan trọng của các hệ thống điều khiển quá trình là bộ điều
khiển. Với các bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển quá trình có chất lượng
thấp như thích nghi, không bền vững,tín hiệu điều khiển không bị chặn.Việc
đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho hệ thống điều khiển quá
trình,cụ thể là điều khiển mức nước cấp đảm bảo khả năng hoạt động tốt trong
mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhà khoa học không ngừng phát triển nghiên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2

cứu. Vì vậy em chọn đề tài: “Cải thiện chất lƣợng điều khiển nhiệt độ mô
hình nhà máy nhiệt điện”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng mô tả toán học cho hệ thống điều khiển nhiệt độ nước cấp
của bình chứa.
-Thiết kế điều khiển mờ lai để điều khiển hệ thống.
- Mô phỏng và thí nghiệm về điều khiển hệ thống trên thiết bị thực của
phòng thí nghiệm.
3. Nội dungcủa luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về mô hình nhà máy nhiệt điện tại trung tâm thí
nghiệm.
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng điều khiển nhiệt độ
mô hình nhà máy nhiệt điện.

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ mô hình nhà máy nhiệt điện
bằng bộ điều khiển mờ lai.
Chương 4: Kết quả thực nghiệm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN TẠI
TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM
1.1. Tổng quan về nhà máy nhiệt điện
1.1.1. Giới thiệu chung
Điện năng được sản xuất ra bởi việc sử dụng nguồn năng lượng thiên
nhiên. Tùy theo việc sử dụng nguồn năng lượng mà người ta chia ra làm các
loại nhà máy điện khác nhau. Nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu chủ yếu
là than, nhà máy thủy điện sử dụng năng lượng từ thế năng của nước, nhà máy
điện nguyên tử sử dụng năng lượng nguyên tử. Các nhà máy điện được xây
dựng tùy theo sự thuận lợi về địa lý, về lợi ích kinh tế. Đối với nhà máy thủy
điện được xây dựng trên các con sông lớn để tận dụng thế năng của nước để
làm quay tuabin. Còn các nhà máy nhiệt điện được xây dựng gần mỏ cung cấp
nhiên liệu. Về vấn đề điều khiển thì các nhà máy nhiệt điện phức tạp hơn các
nhà máy thủy điện. Tuy nhiên việc tận dụng nước tự nhiên cũng là một lợi ích
kinh tế của nhà máy thủy điện, ngoài ra các nhà máy thủy điện còn đem lại lợi
ích cho nghành nông nghiệp. Khi kỹ thuật phát triển thì xu hướng xây dựng
các nhà máy điện nguyên tử ngày càng tăng lên, điều này giải quyết vấn đề
năng lượng tự nhiên ngày càng khan hiếm. Nhưng vấn đề quan trọng nhất đối

với nhà máy điện nguyên tử là trình độ kỹ thuật và an toàn nhà máy.
Ở nước ta thì các nhà máy nhiệt điện vẫn cung cấp một lượng điện không
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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

a) Phân loại nhà máy nhiệt điện:
- Phân loại theo nhiên liệu sử dụng:
+ Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu lỏng.
+ Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu khí.
+ Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu hỗn hợp.
- Phân loại theo tuabin quay máy phát:
+ Nhà máy điện tuabin hơi.
+ Nhà máy điện tuabin khí.
+ Nhà máy điện tuabin khí – hơi.
- Phân loại theo dạng năng lượng cấp đi:
+ Nhà máy điện ngưng hơi: chỉ cung cấp điện năng.
+ Trung tâm nhiệt điện: cung cấp đồng thời cả nhiệt năng và điện năng.
b) Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi:
Nước từ bao hơi đi xuống các đường ống được bố trí xung quanh thành
lò, nước nhận nhiệt năng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu trong lò và trở thành
hơi bão hòa. Hơi bão hòa được dẫn qua bộ lọc khô và bộ điều chỉnh hơi quá
nhiệt đảm bảo nhiệt độ, áp suất vào tuabin cao áp để sinh công lần thứ nhất.

Sau đó hơi lại được đưa vào bộ gia nhiệt rồi tiếp tục được đưa vào tuabin
trung áp để sinh công lần thứ hai. Từ tuabin trung áp hơi được dẫn thẳng đến
tuabin hạ áp để sinh công lần cuối.
Hơi sau khi đã sinh công từ tuabin hạ áp sẽ được đưa xuống bình
ngưng để ngưng trở lại thành nước. Bình ngưng có hệ thống làm mát tuần
hoàn, và hệ thống hút chân không làm cho hơi nước được ngưng tụ nhanh
chóng. Sau đó nước từ bình ngưng sẽ được hệ thống bơm ngưng, bơm tới tất
cả các bình gia nhiệt hạ áp. Tại đây nước sẽ được làm nóng lên bởi hơi trích
ra từ tuabin hạ áp. Sau khi ra khỏi các bình gia nhiệt hạ áp nước được đưa tới
các bình khử khí để khử hết các bọt khí có lẫn trong nước. Nước tiếp tục được
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

đưa tới các bình gia nhiệt cao áp để nâng nhiệt độ trước khi trở lại bao hơi thành
chu trình nhiệt khép kín nước được đưa qua bộ gia nhiệt để được làm nóng thêm
bởi khói thoát ra từ lò.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hóa nhiệt
năng từ đốt cháy các nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng quay tuabin,
chuyển cơ năng của tuabin thành năng lượng điện trong máy phát điện. Nhiệt
năng được dẫn đến tuabin qua môi trường dẫn nhiệt là hơi nước. Hơi nước chỉ
là môi trường truyền tải nhiệt năng đi nhưng hơi nước vẫn phải đảm bảo chất
lượng (như: phải đủ áp suất, đủ độ khô) trước khi vào tuabin để sinh công.
Nhiệt năng cung cấp càng nhiều thì năng lượng phát ra càng lớn và ngược lại.
Điện áp phát ra ở đầu cực máy phát điện sẽ được đưa qua hệ thống trạm biến
áp để nâng lên cấp điện áp thích hợp trước khi hòa vào mạng điện quốc gia.

Quá trình chuyển hóa năng lượng từ năng lượng hóa năng chứa trong
nhiên liệu thành nhiệt năng bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu. Nhiệt năng của
quá trình đốt cháy nhiên liệu được cấp cho quá trình tạo hơi bão hòa mang
nhiệt năng. Hơi bão hòa là môi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin. Tại
tuabin nhiệt năng được biến đổi thành cơ năng, sau đó từ cơ năng chuyển
thành điện năng. Quá trình chuyển hóa năng lượng đó có thể được mô tả qua
mô hình sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




6

Hóa năng

Nhiệt năng
Lò

Nhiên liệu

Cơ năng
Bao hơi

Hơi

Tuabin

Máy phát

Nước
ngưng

Hình 1.1: Quá trình chuyển đổi năng lượng
1.2.1 Giới thiệu chung
Mô hình hệ thống điều khiển quá trình nhà máy nhiệt điện tại trung
tâm thí nghiệm điện - điện tử (hình 1.2) được xây dựng để mô phỏng lại các
quá trình cơ bản trong nhà máy nhiệt điện. Mô hình này giúp sinh viên có
được cái nhìn khái quát về một nhà máy nhiệt điện, các quá trình công nghiệp
và các thiết bị đo lường, điều khiển trong nhà máy nhiệt điện. Các đối tượng
sử dụng trong mô hình như: Bộ cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp lực, cảm biến
mức, cảm biến lưu lượng, động cơ,…Đây là các đối tượng rất cơ bản và sử
dụng rộng rãi trong công nghiệp giúp cho sinh viên có cái nhìn thực tế về thiết
bị. Trên cơ sở các bài toán thực tế của nhà máy nhiệt điện sinh viên sẽ được
phân tích và đưa ra các bài toán điều khiển các đối tượng khác nhau trong quá
trình hoạt động của nhà máy. Các đối tượng này tuy khác nhau nhưng chúng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7

đều có mối quan hệ mật thiết với nhau. Sinh viên có thể áp dụng các bài toán
điều khiển đã được học vào các bài toán thực tế.

Van điều
khiển CV02

Bình chứa
nước

Bao hơi

Bình gia
nhiệt
Bơm
B02

Điện trở
nhiệt

Hình 1.2: Mô hình nhà máy nhiệt điện tại trung tâm thí nghiệm
Sinh viên có thể đưa ra các thuật toán điều khiển khác nhau cho các đối
tượng trong mô hình và lập chương trình điều khiển với các thuật toán đưa ra.
Sinh viên có thể phân tích cấu trúc điều khiển đưa ra một cách trực quan thông
qua hệ giám sát quá trình, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hoạt động.
Ngoài ra sinh viên còn được tiếp cận với bộ phần mềm lập trình và thiết kế
hệ giám sát quá trình hoạt động trong nhà máy bằng phần mềm của hãng ABB.
Đây cũng là một phần mềm có nhiều tính năng được sử dụng rộng rãi trong thiết
kế và điều khiển trong công nghiệp. Sinh viên có thể tiếp cận các kỹ năng cơ bản
của bộ phần mềm và ứng dụng thực tế trong công nghiệp khi ra trường.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

1.2.2. Mục đích của các bài thí nghiệm trên mô hình nhà máy nhiệt điện
Mục đích của các bài thí nghiệm trên mô hình nhà máy nhiệt điện nhằm
giúp sinh viên:
- Phân tích quá trình hoạt động của một nhà máy nhiệt điện và đưa ra bài
toán điều khiển trong từng quá trình.
- Làm quen và sử dụng bộ phần mềm giám sát và điều khiển của hãng ABB
để điều khiển và giám sát quá trình hoạt động của nhà máy.
- Tiếp cận những thiết bị thực tế thường sử dụng trong công nghiệp: Thiết bị
cảm biến (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mức) và thiết bị điều khiển như (biến tần,
van điều khiển góc mở, bơm…).
- Kiểm định các kiến thức lý thuyết về điều khiển logic và điều khiển quá
trình sử dụng các bộ diều khiển PID và các bộ điều khiển cao cấp khác.
- Phân tích sự ảnh hưởng của các tham số bộ điều khiển PID và giám sát
đáp ứng của hệ thống trên đồ thị, sau đó kiểm chứng sự đúng đắn đáp ứng đó trên
cơ sở lý thuyết đã học.
Trên cơ sở phân tích hoạt động của nhà máy và thực tế mô hình thí nghiệm
hệ điều khiển quá trình nhà máy nhiệt điện chúng ta có thể xây dựng các bài
toán nhỏ sau:
- Bài thí nghiệm điều khiển nhiệt độ nước cấp.
- Bài thí nghiệm điều khiển ổn định mức.
- Bài thí nghiệm ổn định lưu lượng.
- Bài thí nghiệm ổn định áp suất.
Việc chia ra thành các bài thí nghiệm nhỏ giúp sinh viên nắm được
nguyên lý điều khiển và có thể kiểm chứng các lý thuyết đã học. Nhưng đây là
một hệ mô hình hoàn chỉnh nên mọi quá trình điều khiển trong các bài thí
nghiệm nhỏ đều có mối liên hệ qua lại lẫn nhau. Muốn tìm hiểu rõ về các bài
toán thực tế này yêu cầu sinh viên phải có tính sáng tạo và chịu khó tìm tòi học
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

9

hỏi. Sau khi đã nghiên cứu kỹ mô hình thí nghiệm tìm hiểu các thiết bị sinh
viên sẽ đưa ra phương thức điều khiển hợp lí. Qua đó giúp sinh viên tiếp cận
các bài toán trong công nghiệp và hiểu được nguyên lý của nhà máy nhiệt điện.
1.2.3. Lò hơi và hệ điều khiển lò hơi
1.2.3.1. Cấu tạo của lò hơi
Nguyên lý và cấu tạo của lò hơi được biểu diễn trên hình 1.3. Cấu tạo
chung của lò hơi là nhằm thực hiện 2 nhiệm vụ chính: Một là chuyển hóa
năng của nhiên liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy, nghĩa là đốt nhiên
liệu thành sản phẩm cháy có nhiệt độ cao, nước sôi, hơi bão hòa hoặc hơi quá
nhiệt có áp suất và nhiệt độ thỏa mãn yêu cầu sử dụng.

Hình 1.3: Nguyên lí cấu tạo của lò
1- Buồng đốt; 2- dàn
hơiống sinh hơi; 3- vòi phun nhiên liệu + không khí
4- ống nước xuông; 5- bao hơi; 6- ống dẫn hơi trên trần; 7- bộ quá nhiệt hơi
8- Bộ quá nhiệt trung gian hơi; 9- bộ hâm nước; 10- khoảng trống để vệ sinh
và sửa chữa; 11- bộ sấy không khí.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

Như vậy cấu tạo của lò hơi gồm các hệ thống chính như sau:


Hệ thống cung cấp và đốt cháy nhiên liệu.



Hệ thống cung cấp không khí và thải sản phẩm cháy.



Hệ thống xử lý nước và cấp nước làm mát.



Hệ thống sản xuất và cấp nước nóng cho quá trình sinh hơi.



Hệ thống đo lường điều khiển.



Hệ thống an toàn.



Hệ thống lò: Khung lò, tường lò, cách nhiệt…
Với lò đốt phun là loại lò hơi được sử dụng với công suất trung bình và

lớn, dùng phổ biến hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện ở nước ta, có thể
đốt nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng phun thành hạt hoặc nhiên liệu rắn nghiền

thành bột mịn.
Lò hơi đốt phun gồm các bộ phận chính sau: Bao hơi, van hơi chính,
đường nước cấp, vòi phun nhiên liệu, buồng lửa là không gian để đốt cháy tất
cả nhiên liệu phun vào lò, phễu tro lạnh để làm nguội các hạt tro xỉ trước khi
thải ra ngoài trong trường hợp thải xỉ khô, giếng xỉ để hứng tất cả xỉ ra ngoài,
bơm nước cấp, ống khói, bộ sấy không khí, quạt gió, bộ hâm nước, dàn ống
nước xuống, dàn ống nước lên, dãy festoon dàn ống sinh hơi và bộ quá nhiệt,
bộ lọc bụi để chống mài mòn cánh quạt khói.
1.2.3.2. Phân loại lò hơi
Dựa vào thông số hơi:
 Lò hơi thông số thấp: Thường được quy ước theo áp suất p < 15 bar,
nhiệt độ t < 350 o C , thường dùng hơi bão hòa.
 Lò hơi thông so trung bình: Thường được quy ước áp suất từ 15 bar đến
60 bar, nhiệt độ từ 350 đến 450 o C .
 Lò hơi thông số cao: Áp suất trên 60 bar. Trong loại này có thể chia
thành lò hơi dưới hoặc trên thông số tới hạn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

Dựa vào chế độ chuyển động của nước trong lò hơi:
 Lò hơi đối lưu tự nhiên: Môi chất chỉ chuyển động đối lưu tự nhiên do
sự chênh lệch về mật độ trong nội bộ môi chất mà không tạo được vòng tuần
hoàn tự nhiên, thường gặp ở các lò hơi công suất nhỏ.
 Lò hơi tuần hoàn tự nhiên: Đây là loại lò hơi thường gặp nhất trong
phạm vi công suất trung bình và lớn. Khi vận hành, môi chất tạo được vòng
tuần hoàn tự nhiên nhờ sự chênh lệch về mật độ trong nội bộ môi chất. Cũng

chỉ có lò hơi dưới tới hạn mới có thể có vòng tuần hoàn tự nhiên.
 Lò hơi tuần hoàn cưỡng bức: Dưới tác dụng của bơm, môi chất chuyển
động theo quỹ đạo khép kín, thường gặp trong các lò hơi thông số cao. Với lò
hơi siêu tới hạn chỉ có thể có vòng tuần hoàn cưỡng bức.
 Lò hơi đối lưu cưỡng bức: Đây là loại lò hơi trực lưu hoặc đơn lưu.
Trong loại lò hơi này, dưới tác dụng của bơm, môi chất chỉ đi theo một chiều,
nhận nhiệt, biến dần thành hơi đưa ra sử dụng mà không có tuần hoàn đi lại.
Cũng có thể xếp lò hơi này thành loại lò hơi tuần hoàn cưỡng bức.
Dựa theo cách đốt nhiên liệu:
 Lò hơi đốt theo lớp: Nhiên liệu rắn (than, củi, bã mía…) được xếp
thành lớp trên ghi để đốt. Có loại ghi cố định, có loại ghi chuyển động
thường được gọi là ghi xích, có loại ghi xích thuận chiều, có loại ghi xích
ngược chiều.
 Lò hơi đốt phun: Nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng, nhiên liệu rắn được
nghiền thành bột phun vào buồng lửa, hỗn hợp với không khí và tiến hành các
giai đoạn của quá trình cháy trong không gian buồng lửa.
 Lò hơi đốt đặc biệt: Buồng lửa cháy và buồng lửa tầng sôi.
Buồng lửa xoáy có thể đốt than cám nguyên khai thác hoặc nghiền sơ
bộ. Nhiên liệu và không khí được đưa vào buồng lửa hình trụ theo chiều tiếp
tuyến với tốc độ cao. Dưới tác dụng của lực ly tâm, xỉ lỏng và các hạt nhiên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

liệu có kích thước lớn bám sát thành lớp vào tường lò, rồi đến các hạt có kích
thước nhỏ hơn, những lớp này cháy hoàn toàn theo lớp, còn các hạt than nhỏ
cùng với chất bốc chuyển động ở vùng trung tâm và cháy trong không gian.

Buồng lửa tầng sôi, nhiên liệu rắn nguyên khai hoặc nghiền sơ bộ
sau khi được đưa vào dưới tác dụng của gió có tốc độ đủ lớn, dao động lên
xuống trong một khoảng không gian nhất định của buồng lửa và tiến hành các
giai đoạn của quá trình cháy.
Các cách phân loại khác:
 Dựa theo trạng thái xỉ ra, chia thành hai loại thải xỉ khô và thải xỉ lỏng.
 Dựa theo áp suất của không khí và sản phẩm cháy trong buồng lửa, có
loại buồng lửa áp suất âm, có loại áp suất dương. Trong lò hơi áp suất dương
có loại đốt cao áp, có loại đốt dưới áp suất bình thường.
 Dựa theo cách lắp đặt, có loại lò hơi cấp nhiệt, có loại động lực.
 Dựa theo đặc điểm bề mặt truyền nhiệt, có loại hơi ống lò, có loại hơi
ống lửa, có loại nằm, có loại đứng.
Tất cả các cách phân loại lò hơi như trên chỉ thể hiện một vài đặc tính
nào đó của lò hơi, vì vậy trong thực tế, khi gọi tên lò hơi người ta thường kết
hợp nhiều kiểu phân loại, ví dụ: Lò hơi của nhà máy nhiệt điện là loại lò hơi
cân bằng, tuần hoàn tự nhiên, dưới tới hạn, quá nhiệt trung gian một cấp và
buồng lửa thải xỉ khô.
Do phần lớn các nhà máy nhiệt điện ở nước ta đều sử dụng loại lò hơi
đốt phun nên chúng ta thường đi nghiên cứu loại này.
1.2.3.3. Nguyên lý hoạt động của lò hơi
Bột nhiên liệu được gió cấp một thổi qua vòi phun đưa vào buồng lửa,
nhận nhiệt từ buồng lửa và sản phẩm cháy được sấy nóng , sấy khô, tách chất
bốc, tạo cốc và bắt đầu cháy. Mặt khác, dưới tác dụng của quạt gió, quạt khói,
không khí được đưa vào đầy đủ, cháy hết các chất bốc và cốc, tạo thành sản
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




13

phẩm cháy và tro xỉ ở nhiệt độ cao. Tro xỉ bị cháy lỏng, một bộ phận kết lại
với nhau thành hạt lớn rơi xuống đáy buồng lửa, có thể thải ra ngoài dưới
dạng xỉ lỏng nếu như không làm nguội, tro xỉ có thể được làm nguội trong
phễu tro lạnh, đông đặc rồi lại được thải ra ngoài dưới dạng xỉ khô. Những hạt
tro xỉ bị dòng sản phẩm cháy cuốn theo, nguội dần do truyền nhiệt cho môi
chất qua các dàn ống, đông đặc lại trước khi ra khỏi buồng lửa rồi ra khỏi sản
phẩm cháy khi đi qua bộ khử bụi bị tách ra hoặc thải ra ngoài qua ống khói.
Tuy nhiên vẫn còn một bộ phận bám lại trên các bề mặt truyền nhiệt hoặc trên
các đường ống dẫn khói. Sản phẩm cháy khi ở trong buồng lửa có nhiệt độ
khá cao, khoảng 1200 o C đến 1600 o C , qua các bề mặt truyền nhiệt cho môi
chất, nhiệt độ giảm xuống 120 o C đến 180 o C trước khi thải ra ngoài.
Nước cấp được đưa qua bộ phận gia nhiệt nước cấp, được đốt nóng đến
xấp xỉ nhiệt độ bão hòa rồi đưa qua balong. Sau đó nước sẽ đi xuống theo dàn
ống xuống, tức là những dàn ống nhận nhiệt ít hoặc không nhận nhiệt, qua
ống góp dưới rồi đi lên theo dàn ống sinh hơi tức là dàn ống nhận nhiều nhiệt,
trong các dàn ống này nước nhận nhiệt biến thành hơi tạo thành hỗn hợp nước
và hơi có khối lượng riêng nhỏ, rồi lại trở về balong. Ở đây, hơi được tách ra,
được đưa qua bộ quá nhiệt để tiếp tục đốt nóng để trở thành hơi quá nhiệt đi
đến tuabin. Phần nước còn lại chưa hóa hơi tiếp tục trở về dàn ống xuống
cùng với nước tạo thành vòng tuần hoàn tự nhiên. Lò hơi đốt than phun
thường cung cấp hơi nước chạy các tuabin có thống số trung bình hoặc cao,
o

có thể lên tới áp suất hàng trăm bar, nhiệt độ xấp xỉ 600 c , công suất trung
bình hoặc lớn, có thể lên đến trên dưới 3000T/h.
1.2.3.4. Quá trình biến đổi năng lượng trong lò hơi
Quá trình biến đổi năng lượng của lò hơi bao gồm các quá trình: Biến
đổi hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng; Biến đổi nhiệt năng thành cơ
năng và biến đổi cơ năng thành điện năng. Trong đó quá trình biến đổi năng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




14

lượng từ hóa năng của nhiên liệu ( như than đá, dầu mỏ, khí đốt v.v…) thành
nhiệt năng của sản phẩm cháy thực hiện trong buồng đốt của lò nhờ quá trình
đốt cháy nhiên liệu. Nhiệt lượng này khi khởi động lò sẽ có nhiệm vụ truyền
nhiệt tích trữ năng lượng cho các thành phần cấu tạo của lò như thành lò,
đường ống dẫn, các dàn sinh nhiệt, gia nhiệt nước cấp… đảm bảo chế độ hoạt
động của lò. Sau khi khởi động lò (quá trình này diễn ra trong khoảng 2-3
ngày) nhiệt năng thực hiện nhiệm vụ chính là truyền nhiệt cho môi chất
(nước) qua bộ gia nhiệt nước cấp, dàn sinh hơi biến một phần nhiệt năng
thành hóa năng (nước hóa hơi). Hơi tiếp tục được truyền nhiệt năng qua bộ
hơi quá nhiệt, mang nhiệt năng tới tuabin. Tại đây quá trình biến đổi nhiệt
năng thành cơ năng xảy ra, hơi mang nhiệt năng bắn vào tuabin biến nhiệt
năng và cơ năng của hơi thành cơ năng làm quay tuabin. Quá trình tiếp theo
thực hiện biến đổi từ cơ năng thành điện năng nhờ tuabin quay rotor máy
phát. Chính vì qua nhiều giai đoạn biến đổi năng lượng như vậy mà năng
lượng tổn thất là khá lớn, tổng nhiệt năng đầu vào xác định bằng tổng năng
lượng chứa trong nhiên liệu, năng lượng hữu ích được xác định bằng năng
lượng điện phát ra. Có nhiều dạng tổn thất do nhiệt năng tro xỉ, nhiệt năng tổn
thất trên các đường ống dẫn, năng lượng do bức xạ, tổn thất do khói thải ra
ngoài, tổn thất do ma sát cơ của tuabin…Vì vậy hiệu suất của lò hơi trong nhà
máy nhiệt điện ngưng hơi chỉ đạt từ 30-40%.
1.2.3.5. Hệ thống điều khiển lò hơi
Lò hơi là một đối tượng điều khiển. Công suất phát ra của nhà máy điện
là không cố định mà có thể thay đổi tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng điện. Giá

trị công suất này được yêu cầu từ trung tâm điều độ quốc gia. Công suất điện
phát ra phụ thuộc vào lưu lượng hơi đưa đến tuabin của máy phát, lưu lượng
dẫn vào tuabin nhiều thì công suất của máy phát tăng lên và ngược lại. Khi
lưu lượng hơi vào nhiều, nhiệt được truyền theo và sinh công càng nhiều do
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




15

vậy điện năng sản xuất ra càng lớn. Như vậy khi yêu cầu về công suất điện
phát ra tăng thì lưu lượng hơi đưa vào tăng lên, để đáp ứng được nhu cầu của
hơi thì nhiên liệu đưa vào lò phải tăng theo. Đồng thời nước cấp vào bao hơi
cũng phải tăng lên để được lượng hơi yêu cầu.
Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. Đầu vào của lò
hơi bao gồm nhiên liệu (than dầu), gió đảm bảo cung cấp oxy cho quá trình
cháy và lượng nước cấp xuống từ bao hơi. Đầu ra của lò hơi bao gồm hơi
nước bão hòa thoát ra từ bao hơi, lượng nước thừa đi xuống, lượng khói và xỉ
từ quá trình cháy. Như vậy năng lượng đưa vào lò chính là hóa năng có chứa
trong nhiên liệu. Năng lượng hữu ích từ đầu ra của lò được mang đi bởi hơi
nước bão hòa. Đầu vào và ra này có quan hệ mật thiết với nhau, với mỗi yêu
cầu thay đổi đầu ra là công suất máy phát điện thì cần phải điều khiển nhiên
liệu vào như than, gió, nước cấp để được sản lượng hơi mong muốn. Đầu vào
và đầu ra của lò hơi có mối quan hệ chặt chẽ với nhau dựa trên hai định luật
bảo toàn cơ bản là: Định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn khối
lượng. Hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện là một hệ thống điều
khiển phức tạp, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số. Hệ thống có cấu
trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác nhau. Trong lò hơi
các quá trình điều khiển gió, không khí vào lò, nhiên liệu, quá trình cháy, hơi,

nước cấp…đều có tác động và ảnh hưởng lẫn nhau để đạt được hiệu suất tối
đa đáp ứng yêu cầu tải thì cũng phải kết hợp điều khiển nhiều đối tượng với
nhiều tham số. Điều này yêu cầu phải có một hệ thống điều khiển tổng thể,
điều khiển giám sát và làm giảm được sự xen kênh giữa các hệ điều khiển của
các đại lượng trong hệ thống có thể chia hệ thống thành các hệ điều khiển
chính sau:
 Hệ điều khiển phụ tải nhiệt: Điều khiển quá trình cấp nhiên liệu, nghiền
và phun than vào trong buồng đốt cháy sinh nhiệt năng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




16

 Hệ điều khiển chân không buồng đốt: Điều khiển luồng gió cấp không
khí và khói thoát, đảm bảo điều kiện cháy tối ưu trong buồng đốt.
 Hệ điều khiển mức nước bao hơi: Điều khiển quá trình cấp nước cho
bao hơi, đảm bảo cân bằng giữa lượng hơi sinh ra, lưu lượng nước cấp và
nước cấp đi xuống giàn sinh hơi.
 Hệ điều khiển hơi: Đảm bảo các chất lượng hơi khi phun vào tuabin với
các thông số như: Độ khô, nhiệt độ, áp suất, lưu lượng hơi…
Các mạch vòng điều khiển đảm bảo quá trình chuyển hóa năng lượng:
Quá trình chuyển đổi năng lượng trong nhà máy nhiệt điện như ta đã đề
cập ở phần trên bao gồm nhiều quá trình chuyển hóa năng lượng: Từ hóa năng
thành nhiệt năng, nhiệt năng lại chuyển hóa thành hóa năng, cơ năng và từ cơ
năng chuyển hóa thành điện năng. Tuy nhiên trong điều khiển thì quá trình
thường đi theo chiều ngược lại, từ yêu cầu của tải quyết định công suất máy
phát. Từ công suất máy phát tính toán ra tổng nhiệt năng yêu cầu. Tổng nhiệt
năng yêu cầu sẽ là lượng đặt điều khiển than cấp vào và điều khiển lượng gió

cần thiết để đảm bảo quá trình cháy cung cấp nhiệt. Ngoài ra, công suất máy
phát là lượng đặt điều khiển lượng hơi cấp vào tuabin, đồng thời cũng phải
điều khiển nước cấp đảm bảo mức nước cân bằng trong bao hơi. Tất cả các
quá trình điều khiển đó đều nhằm mục đích là đảm bảo quá trình chuyển hóa
năng lượng trong lò hơi.
Các mạch vòng điều khiển đảm bảo chất lượng:
Để hiệu suất lò hơi cao nhất, đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất cũng như
tuổi thọ của nhà máy và chất lượng điện phát ra thì phải đảm bảo được chất
lượng quá trình cháy và chất lượng hơi.
Chất lượng của quá trình cháy: Nhiên liệu cấp vào lò đủ mịn, lượng
không khí cấp vào đảm bảo nhiên liệu cháy hết tạo thành nhiệt năng lớn nhất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN