Điều khiển dự báo lò hơi công nghiệp

 

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

====o0o====

NGUYỄN HIỆP CƯỜNG

ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO
LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2016

  


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
====o0o====

NGUYỄN HIỆP CƯỜNG

ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO
LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP
Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. HOÀNG MINH SƠN

Hà Nội - 2016
ii

  


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: Điều khiển dự báo lò hơi công
nghiệp do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Hoàng Minh Sơn. Các số liệu
và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2016
Học viên

Nguyễn Hiệp Cường

 
 
 
 
 
 
 

1


MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................ 2
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... 5
CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ......................................................... 8
Chương 1. TỔNG QUAN LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP.................................................... 10
1.1.

Đặt vấn đề ......................................................................................................... 10

1.2.

Giới thiệu về lò hơi ........................................................................................... 12

1.2.1 Cấu tạo lò hơi ................................................................................................. 13
1.2.2 Phân loại lò hơi ............................................................................................... 14
1.2.3 Mô tả toán học lò hơi...................................................................................... 15
1.3.

Các phương pháp điều khiển lò hơi .................................................................. 23

1.3.1 Điều khiển nước cấp và mực nước bao hơi .................................................... 24
1.3.2 Điều khiển gió thải buồng đốt lò hơi .............................................................. 24
1.3.3 Điều khiển buồng đốt và quá trình cháy đốt lò hơi ........................................ 25
1.3.4 Điều khiển nhiệt độ hơi nước lò hơi............................................................... 26
Chương 2. MÔ HÌNH LÒ HƠI VÀ ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH ............................... 28
2.1 Mô hình lò hơi công nghiệp .................................................................................. 28

2.2 Các mô hình lò hơi trên thế giới ........................................................................... 28
2.2.1 Lịch sử phát triển ............................................................................................ 28
2.2.2 Mô hình lò hơi tự nhiên tuần hoàn ống nước Tae-Shin Kim và Oh-Kyu
Kwon ....................................................................................................................... 29
2.2.3 Mô hình lò hơi Bell – Astrom ........................................................................ 30
2


2.2.4 Mô hình lò hơi trong nhà máy Đạm Phú Mỹ ................................................. 32
2.2.5 Tuyến tính hoá mô hình phi tuyến lò hơi Bell – Astrom ............................... 34
2.3 Phân tích đặc tính động học mô hình lò hơi công nghiệp mô hình tuyến tính lò
hơi Bell – Astrom........................................................................................................ 37
2.3.1 Xác định điểm không và điểm cực của hệ thống ........................................... 37
2.3.2 Xác định tính điều khiển được, quan sát được của hệ thống ......................... 38
2.3.3 Đáp ứng quá độ của quá trình với từng biến vào thay đổi dạng bậc thang .... 40
2.3.5 Cặp đôi các biến vào ra .................................................................................. 41
2.4 Điều khiển tách kênh ............................................................................................ 44
2.4.1 Phương pháp tách kênh .................................................................................. 44
2.4.2 Điều khiển tách kênh đối tượng lò hơi ........................................................... 46
Chương 3. ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP KHÔNG RÀNG BUỘC
........................................................................................................................................ 54
3.1 Giới thiệu bộ điều khiển dự báo theo mô hình MPC ............................................ 54
3.2 Phương pháp luận MPC ........................................................................................ 57
3.3 Các yếu tố - thành phần MPC ............................................................................... 57
3.3.1 Mô hình dự báo .............................................................................................. 58
3.3.2 Phiếm hàm mục tiêu ....................................................................................... 61
3.3.3 Luật điều khiển ............................................................................................... 62
3.4 Điều khiển MPC lò hơi công nghiệp không có điều kiện ràng buộc.................... 62
3.5 Áp dụng phương pháp điều khiển MPC cho mô hình lò hơi công nghiệp ........... 67
3.6 Mô phỏng bộ điều khiển MPC không ràng buộc cho lò hơi công nghiệp trên phần

mềm Matlab ................................................................................................................ 69
3


Chương 4. ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP CÓ RÀNG BUỘC ..... 80
4.1 Phương pháp điều khiển dự báo có ràng buộc...................................................... 80
4.2 Phương pháp điều khiển MPC kết hợp hàm Laguera ........................................... 80
4.3 Phương pháp GPC trong mô hình không gian trạng thái ..................................... 80
4.4 Giải bài toán tối ưu có ràng buộc bằng phương pháp Primal-Dual (đối ngẫu) .... 85
4.5 Mô phỏng bộ điều khiển MPC có ràng buộc cho lò hơi công nghiệp trên phần
mềm Matlab ................................................................................................................ 86
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 99

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.2 Hình ảnh lò hơi công nghiệp ........................................................................... 12 
Hình 1.3 Cấu tạo cơ bản của lò hơi ................................................................................ 13 
Hình 1.4 Mặt cắt của một lò hơi ống lửa ....................................................................... 14 
Hình 1.5 Mặt cắt của một lò hơi ống nước .................................................................... 15 
Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nước cấp và mực nước bao hơi .................... 24 
Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển gió thải buồng đốt lò hơi .............................. 25 
Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển buồng đốt và quá trình cháy lò hơi .............. 26 
Hình 1.9 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hơi nước lò hơi ............................................. 27 
Hình 2.2 Mô hình đơn giản lò hơi Tae-Shin Kim và Oh-Kyu Kwon .......................... 29
Hình 2.3 Mô hình lò hơi Bell – Astrom ......................................................................... 31 
Hình 2.4 Sơ đồ đơn giản hệ thống lò hơi nhà máy Đạm Phú Mỹ .................................. 32 
Hình 2. 5 Đáp ứng quá độ của quá trình với từng biến vào thay đổi dạng bậc thang.... 40 

Hình 2. 6 Sơ đồ ý tưởng tách kênh................................................................................. 45 
Hình 2.7 Mô hình đối tượng lò hơi ................................................................................ 47 
Hình 2.8 Cấu trúc tách kênh cho mô hình lò hơi ........................................................... 49 
Hình 2.9 Đáp ứng đầu ra y1 (kg/cm2) áp suất bao hơi .................................................. 50 
Hình 2.10 Đáp ứng đầu ra y2 (MW) công suất điện ...................................................... 51 
Hình 2.11 Đáp ứng đầu ra y3 (m) mực nước bao hơi .................................................... 51 
Hình 2.12 Dạng tín hiệu đầu vào u1 (%) độ mở van khối lượng nhiên liệu .................. 52 
Hình 2.13 Dạng tín hiệu đầu vào u2 (%) độ mở van hơi nước cấp ............................... 52 
Hình 2.14 Dạng tín hiệu đầu vào u3 (%) độ mở van mực nước bao hơi ....................... 53
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo ....................................................... 55 
Hình 3.2 Chiến lược điều khiển dự báo ...................................................................... 57 
Hình 3.3 Đáp ứng xung .................................................................................................. 58 
Hình 3.4 Đáp ứng bước nhảy ......................................................................................... 60 

5


Hình 3. 5 Sơ đồ hệ thống điều khiển MPC không ràng buộc ........................................ 66 
Hình 3.6 Kết quả mô lò hơi công nghiệp khi thay đổi tầm dự báo Ny=3,5,10,20 khi
tầm điều khiển Nu

1và trọng số λ=1 ......................................................................... 70 

Hình 3.7 Kết quả mô lò hơi công nghiệp khi thay đổi tầm dự báo Ny=3,5,10,20 khi tầm
điều khiển Nu

5và trọng số λ=1 ................................................................................ 71 

Hình 3.8 Kết quả mô lò hơi công nghiệp khi thay đổi tầm dự báo Ny=3,5,10,20 khi tầm
điều khiển Nu

30và trọng số λ=1 ............................................................................. 72 

Hình 3.9 Kết quả mô lò hơi công nghiệp khi tầm dự báo Ny=200 khi tầm điều khiển
Nu

30và thay đổi trọng số......................................................................................... 73 

Hình 3.10 Đáp ứng đầu ra y1 (kg/cm2) áp suất bao hơi ................................................ 74 
Hình 3.11 Đáp ứng đầu ra y2 (MW) công suất điện ...................................................... 75 
Hình 3.12 Đáp ứng đầu ra y3 (m) mực nước bao hơi .................................................... 75 
Hình 3.13 Dạng tín hiệu đầu vào u1 (%) độ mở van khối lượng nhiên liệu .................. 76 
Hình 3 14 Dạng tín hiệu đầu vào u2 (%) độ mở van hơi nước cấp ............................... 76 
Hình 3.15 Dạng tín hiệu đầu vào u3 (%) độ mở van mực nước bao hơi ....................... 77 
Hình 3.16 Dạng tín hiệu đầu vào ∆u1 (%) độ mở van khối lượng nhiên liệu ............... 77 
Hình 3.17 Dạng tín hiệu đầu vào ∆u2 (%) độ mở van hơi nước cấp ............................. 78 
Hình 3.18 Dạng tín hiệu đầu vào ∆u3 (%) độ mở van mực nước bao hơi..................... 78
Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển MPC có ràng buộc................................................ 84
Hình 4.2 Kết quả mô lò hơi công nghiệp khi thay đổi tầm dự báo Ny=25,30,35,40 tầm
điều khiển Nu

10và trọng số λ=0.0625 .................................................................... 87

Hình 4.3 Kết quả mô lò hơi công nghiệp khi thay đổi tầm dự báo Ny=25,30,35,40,tầm
điều khiển Nu

15và trọng số λ=0.0625 .................................................................... 88

Hình 4.4 Kết quả mô lò hơi công nghiệp khi thay đổi tầm dự báo Ny=25,30,35,40, tầm
điều khiển Nu

20,trọng số λ=0.0625 ........................................................................ 89

Hình 4. 5 Kết quả mô lò hơi công nghiệp khi tầm dự báo Ny=40, tầm điều khiển
20,thay đổi trọng số λ=0.01,0.035,0.1,1 ....................................................................... 90
6


Hình 4.6 Đáp ứng đầu ra y1 (kg/cm2) áp suất bao hơi ................................................. 91
Hình 4.7 Đáp ứng đầu ra y2 (MW) công suất điện ........................................................ 92
Hình 4.8 Đáp ứng đầu ra y3 (m) mực nước bao hơi ...................................................... 92
Hình 4.9 Dạng tín hiệu đầu vào u1 (%) độ mở van khối lượng nhiên liệu .................... 93
Hình 4.10 Dạng tín hiệu đầu vào u2 (%) độ mở van hơi nước cấp ............................... 93
Hình 4.11 Dạng tín hiệu đầu vào u3 (%) độ mở van mực nước bao hơi ....................... 94
Hình 4.12 Dạng tín hiệu đầu vào ∆u1 (%) độ mở van khối lượng nhiên liệu ............... 94
Hình 4. 13 Dạng tín hiệu đầu vào ∆u2 (%) độ mở van hơi nước cấp ............................ 95
Hình 4.14 Dạng tín hiệu đầu vào ∆u3 (%) độ mở van mực nước bao hơi..................... 95 

7


CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
R

Tín hiệu chủ đạo/giá trị đặt

Y

Tín hiệu đầu ra

U

Tín hiệu điều khiển

X

Biến trạng thái

D

Nhiễu tải

G(s)

Ma trận truyền đạt của đối tượng điều khiển

A

Ma trận hệ thống

B

Ma trận vào/Ma trận điều khiển

C

Ma trận ra/Ma trận quan sát

D

Ma trận liên thông

,Φ

Ma trận chuyển tiếp

D(s)

Ma trận tách kênh

M(s)

Ma trận đối tượng sau khi tách kênh

N(s)

Ma trận trung gian

Hc, Nu

Tầm điều khiển

Hp, Ny

Tầm dự báo

J

Phiến hàm mục tiêu

8


λ(j), σ(j)

Chuỗi trọng số điều chỉnh, hoặc là hằng số

P

Ma trận mở rộng

H

Ma trận mở rộng

K

Ma trận mở rộng

M, γ

Ma trận ràng buộc

E

Ma trận đối xứng, xác định dương

F

Ma trận của phiến hàm mục tiêu

λik+1, wik+1

Hệ số của công thức tính toán dạng toàn phương Hildreth

RGA

Ma trận hệ số khuếch đại tương đối (relative gain array)

MPC

Điều khiển dự báo theo mô hình (MPC – Model Predictive Control)

GPC

Generalized Predictive Control

9


Chương 1. TỔNG QUAN LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, trên cả nước đang sử dụng hàng nghìn lò hơi các loại. Trong đó, phần
lớn các lò hơi có hiệu suất sử dụng năng lượng thấp, làm gia tăng tình trạng ô nhiễm
môi trường và kém hiệu quả về mặt kinh tế. Tình hình này đặt ra yêu cầu cần thiết
phải có các giải pháp giúp các doanh nghiệp nâng cao hiệu suất, tiết kiệm năng
lượng trong sử dụng và vận hành các lò hơi. Ở Việt Nam, các loại lò hơi chủ yếu
được dùng trong lĩnh vực công nghiệp. Các lò hơi này có công suất từ 1 tấn/giờ 300 tấn/giờ. Vì vậy, việc nâng cao hiệu suất, tiết kiệm năng lượng đối với lò hơi
đang là vấn đề được các doanh nghiệp quan tâm, nhất là trong thời điểm hiện nay,
khi giá nhiên liệu có xu hướng ngày càng tăng, nguồn nguyên liệu dự trữ ngày càng

cạn kiệt.
Việc tính toán điều khiển lò hơi tối ưu năng lượng trong công nghiệp là một vấn
đề quan trọng và đang được quan tâm chú ý nhằm đưa ra hệ thống điều khiển về lò
hơi có hiệu suất cao, tiết kiệm nguyên vật liệu, có chất lượng sản phẩm cao và ít gây
ô nhiễm môi trường. Điều khiển dự báo theo mô hình (MPC – Model Predictive
Control) là một công cụ mạnh cho điều khiển các quá trình công nghiệp đặc biệt là
các quá trình nhiều vào nhiều ra. Bộ điều khiển MPC là một giải pháp tổng quát
nhất để thiết kế bộ điều khiển ở miền thời gian cho các đối tượng tuyến tính hoặc
phi tuyến trong trường hợp tín hiệu đặt biết trước.
Tư tưởng của MPC là:
-

Sử dụng mô hình đối tượng để dự báo đầu ra cho đối tượng.

-

Tính toán chuỗi điều khiển đối tượng trên cơ sở hàm mục tiêu.

-

Mỗi thời điểm chỉ tín hiệu điều khiển đầu tiên trong chuỗi được đưa vào sử
dụng. Giới hạn dự báo ban đầu dịch một bước về tương lai sau mỗi lần tính.

Bộ điều khiển MPC có nhiều ưu điểm so với các bộ điều khiển khác:
-

Áp dụng đa dạng cho nhiều đối tượng công nghiệp có đặc tính động học đơn
giản hoặc phức tạp.

-

Thích hợp cho các đối tượng nhiều vào nhiều ra.
10


-

Có khả năng bù trễ.

Tuy nhiên bộ điều khiển MPC cũng có các hạn chế:
-

Mô hình dự báo phải cần thật chính xác, điều này không phải lúc nào cũng
dễ ràng.

-

Việc tính toán tín hiệu điều khiển thực hiện trực tuyến, yêu cầu giải bài toán
tối ưu trong thời gian chu kỳ trích mẫu của đối tượng. Khối lượng tính toán
lớn yêu cầu năng lực thiết bị phần cứng điều khiển và giải thuật tối ưu phải
thích hợp.

Tuy nhiên, ngày nay với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ thông tin
và thiết bị điện tử, các thiết bị hiện nay đều đáp ứng và khắc phục tốt các nhược
điểm của bộ điều khiển MPC.
Như vậy với những ứng dụng rộng rãi của lò hơi trong công nghiệp và dân dụng,
và những ưu điểm nổi bật của hệ thống điều khiển MPC, được sự định hướng của
PGS.TS Hoàng Minh Sơn, em đã chọn đề tài ” Điều khiển dự báo lò hơi công
nghiệp” để làm luận văn thạc sỹ của mình tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Mục tiêu của đề tài: Thiết kế và thử nghiệm bộ điều khiển dự báo MPC cho lò

hơi công nghiệp dựa trên mô hình tính toán tuyến tính.
Nội dung của đề tài: Nghiên cứu mô hình lý thuyết, thiết kế và thử nghiệm mô
phỏng hệ thống điều khiển dự báo MPC cho lò hơi công nghiệp.

11


1.2. Giới thiệu về lò hơi
Nguyên lý chung của lò hơi công nghiệp là đốt cháy nhiên liệu để đun sôi nước
cung cấp cho các thiết bị máy móc khác hoặc phục vụ đời sống con người, tùy theo
cấu tạo của loại lò hơi mà nhiên liệu sử dụng có thể là: rắn, lỏng, hoặc khí (như
gas).

a. Lò hơi nhà máy nhiệt điện

b. Lò hơi công nghiệp

Hình 1.1 Hình ảnh lò hơi công nghiệp
Trong các nhà máy công nghiệp có sử dụng nhiệt thì người ta sử dụng thiết bị lò
hơi để làm nguồn cung cấp nhiệt, cung cấp hơi và dẫn nguồn nhiệt, nguồn hơi đến
các hệ thống máy móc cần sử dụng. Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người ta tạo ra
nguồn hơi quá nhiệt có nhiệt độ và áp suất rất cao để đáp ứng cho các loại máy
móc đặc chủng. Để vận chuyển nguồn năng lượng có nhiệt độ và áp suất rất cao này
người ta dùng các ống chịu được nhiệt, chịu được áp suất cao. Lò hơi được sử dụng
rất nhiều trong dân dụng và công nghiệp như tạo ra hơi để vận hành đầu máy xe lửa
hơi nước, vận hành tua bin máy phát điện, các nhà máy may mặc, nhà máy thực
phẩm ...Và điều đặc biệt của lò hơi mà không thiết bị nào thay thế được là tạo ra
nguồn năng lượng an toàn không gây cháy để vận hành các thiết bị hoặc động cơ ở
nơi cần cấm lửa và cấm nguồn điện (như các kho xăng, dầu)...

12


1.2.1 Cấu tạo lò hơi

Hình 1.2 Cấu tạo cơ bản của lò hơi
Buồng lửa là nơi đốt nhiên liệu để tạo nhiệt năng làm sôi nước trong các ống để
tạo thành hơi nước bão hòa trong bao hơi.
Bộ trao đổi nhiệt tận dụng nhiệt khí thải để làm nóng lượng nước bổ xung cho
bao hơi. Bộ trao đổi nhiệt bao gồm các ống thép chứa đầy nước và nằm trong buồng
lửa, nhận nhiệt từ quá trình đất cháy nhiên liệu, để làm sôi và bốc hơi nước.
Hơi nước bão hòa đi đến bộ trao đổi nhiệt, tại đây hơi nước nhận thêm nhiệt
lượng và tạo thành hơi quá nhiệt. Hơi nước quá nhiệt này tạo thành nguồn động
năng trong quá trình sản xuất.
Bao hơi là nơi chứa nước và hơi nước bão hòa.
Quạt cấp không khí cấp không khí vào buồng đốt.
Quạt hút khói để hút khí thải đẩy ra ống khói.
Nước cấp là nước sau khi khử khoáng chất được bơm vào bao hơi, là nguyên
liệu tạo ra hơi nước.

13


1.2.2 Phân loại lò hơi
Có nhiều kiểu lò hơi khác nhau được sử dụng trong các ngành công nghiệp
khác nhau, một cách phân loại lò hơi công nhiệp có thể tiến hành theo phương thức
phân loại theo cách gia nhiệt cho nước: lò hơi ống lửa, lò hơi ống nước.
1.2.2.1 Lò hơi ống lửa
Với loại lò hơi này, khí nóng đi qua các ống và nước cấp cho lò hơi ở phía trên
sẽ được chuyển thành hơi. Lò hơi ống lửa thường được sử dụng với công suất hơi

tương đối thấp cho đến công suất hơi trung bình. Do đó, sử dụng lò hơi dạng này là
ưu thế với tỷ lệ hơi lên tới 12.000 kg/giờ và áp suất lên tới 18 kg/cm2.

Hình 1.3 Mặt cắt của một lò hơi ống lửa
1.2.2.2 Lò hơi ống nước
Ở lò hơi ống nước, nước cấp qua các ống đi vào tang lò hơi. Nước được đun
nóng bằng khí cháy và chuyển thành hơi ở khu vực trên bao hơi của lò hơi. Lò hơi
dạng này được lựa chọn khi ứng dụng cần nhu cầu hơi cao như đối với nhà máy
phát điện. Phần lớn các thiết kế lò hơi ống nước hiện đại có công suất nằm trong
khoảng 4.500 – 120.000 kg/giờ và lò hơi ống nước tạo được áp suất hơi rất cao.

14


Hình 1.4 Mặt cắt của một lò hơi ống nước
1.2.3 Mô tả toán học lò hơi
Mô hình lý thuyết của quá trình là một hệ các phương trình mô tả đặc tính của
quá trình. Các phương trình này là các các phương trình vi phân hoặc đại số. Các
phương trình vi phân mô tả đặc tính động học của quá trình, các phương trình đại số
mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng của quá trình. Mô hình lý thuyết được thiết
lập dựa vào các định luật vật lý, hóa học và các thông tin thiết bị. Từ việc phân tích
quá trình ta nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống, sau đó viết các phương
trình cân bằng và các phương trình đại số khác dựa trên định luật bảo toàn, nhiệt
động học,.. dựa trên các thông số của thiết bị, nguyên nhiên liệu, điều khiển vận
hành mà ta tính ra được các tham số cần thiết và triển khai thành các mô hình toán
học cụ thể [4], [5].
Quá trình tạo hơi quá nhiệt trong lò hơi là một qúa trình phức tạp, bao gồm
nhiều công đoạn, đầu tiên là quá trình đốt cháy nhiên liệu, tiếp đó là quá trình trao
đổi nhiệt, rồi kế đó là quá trình thăng hoa của nước thành hơi bão hòa, sau đấy là
quá trình trao đổi nhiệt thành hơi quá nhiệt, rồi đến quá trình kiểm soát nhiệt độ hơi

quá nhiệt bằng nước làm mát. Việc mô tả các quá trình của lò hơi bằng các phương

15


trình cân bằng vật chất, năng lượng mục đích để xây dựng mô hình phi tuyến của hệ
thống và mối quan hệ giữa các đầu vào đầu ra và biến trạng thái của lò hơi.
1.2.3.1 Buồng lửa
Việc đốt cháy nhiên liệu chính là truyền nhiệt tạo ra từ quá trình cháy vào nước
tạo ra hơi nước. Do đó yêu cầu là phải tạo ra quá trình truyền nhiệt với hiệu quả cao
nhất. Quá trình truyền nhiệt trong buồng lửa là quá trình phức tạp, sự truyền nhiệt
thông qua ba cơ chế: trao đổi nhiệt trực tiếp, đối lưu, và bức xạ (chủ yếu là đối lưu
và bức xạ) và sự ổn định của quá trình trao đổi nhiệt chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn
trong các dòng lưu chất, thành phần không khí và nhiên liệu, sự trao đổi nhiệt với
môi trường.
1.2.3.2 Khả năng bức xạ ngọn lửa [4]
Dựa theo cường độ bức xạ trong quang phổ ánh sáng mà người ta phân chia
thành ngọn lửa sáng, nửa sáng và không sáng. Thông thường các ngọn lửa sáng và
nửa sáng là do nhiên liệu rắn, nhiên liệu khí khi đốt có thể quang phổ thu được là
loại nửa sáng hoặc không sáng. Hệ số bức xạ nhiệt trong môi trường khí được biểu
thị qua định luật Bau-ghe (Bouguer) :
a

1

(1-1)

e

Trong đó:

kg hệ số làm yếu tia bức xạ bởi không khí.
kp tổng phân áp suất của các chất khí tạo thành sau quá trình cháy (Mpa).
s chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ (m).
Hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa (ngọn lửa sáng) được xác định theo (1-2).
a

1

(1-2)

e

Trong đó:
k1 hệ số làm yếu tia bức xạ bởi môi trường buồng lửa.
p áp suất của các chất khí trong buồng lửa (Mpa).
s chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ trong buồng lửa (m).
Chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ trong buồng lửa được tính:

16


s

(1-3)

3.6

Trong đó:
Vbl thể tích buồng lửa (m3)
FV diện tích các tường buồng lửa (m2)

Đối với lò hơi sử dụng nhiên liệu khí, ta xem ngọn lửa gồm hai thành phần:
phần sáng và phần không sáng lúc này thành phần bức xạ của ngọn lửa được xác
định như sau:
a

ma

1

m a

(1-4)

Trong đó:
as hệ số bức xạ nhiệt của phần ngọn lửa sáng được tính theo công thức (1-2).
aks hệ số bức xạ nhiệt của phần ngọn lửa không sáng được tính theo công thức
(1-1).
m hệ số xác định phần thể tích buồng lửa bị tâm ngọn lửa choán đầy. Đối với
khí đốt thiên nhiên m=0.1.
Hệ số bức xạ nhiệt của buồng lửa abl được xác định qua hệ số bức xạ nhiệt ngọn
lửa a1 và hệ số hiệu quả nhiệt của giàn ống, cụ thể:
(1-5)

a

Ѱ

Dòng nhiệt bức xạ trung bình được các giàn ống sinh hơi hấp thụ là:
q

c a Ѱ

10

(kW/m2)

(1-6)

Trong đó:
T1 nhiệt độ hiệu quả trung bình của môi trường khí trong buồng lửa (K).
Ѱd hệ số hiệu quả nhiệt của giàn ống, được xác định như sau:
Ѱ

x

ξ

(1-7)

Với x là hệ số góc, ξ là hệ số bám bẩn quy ước.
1.2.3.3 Trao đổi nhiệt bức xạ trong buồng lửa [4]
Sự truyền nhiệt từ ngọn lửa đến các giàn ống sinh hơi trong buồng lửa là vấn đề
rất phức tạp. Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra đồng thời với quá trình cháy nhiên liệu

17


và sự cháy nhiên liệu là nguồn nhiệt cho quá trình bức xạ. Quá trình trao đổi nhiệt
trong buồng lửa được mô tả bằng công thức bán thực nghiệm của A.M.Guvic như
sau:

.

θ"

(1-8)

.

.

Công thức này thể hiện sự liên hệ giữa nhiệt độ không thứ nguyên của khói ở
cửa ra buồng lửa θ”bl và tiêu chuẩn Bonzman (Bo). Tiêu chuẩn Bonzman đặc trưng
cho tỷ lệ giữa nhiệt lượng sinh ra khi cháy nhiên liệu so với cường độ tỏa nhiệt tối
đa đến các bề mặt giàn ống. Đặc tính của trường nhiệt độ trong thể tích buồng lửa
cũng được kể đến thông qua hệ số M.
Hệ số Bo được xác định như sau:
Bo

(1-9)

"

Ѱ

θ”bl đặc trưng cho mức độ giảm nhiệt độ của khói trong thể tích buồng lửa do có
trao đổi nhiệt. Ta nhiệt độ cháy lý thuyết (K).
Đặc tính nhiệt chủ yếu của buồng lửa là nhiệt lượng sinh ra hữu ích trong buồng
lửa Qbl và enthalpy của khói ở cửa ra của buồng lửa I”bl.
Nhiệt lượng sinh ra hữu ích trong buồng lửa Qbl được xác định theo công thức sau:
Q

Q

Q

Q

(1-10)

Q

Trong đó:
Qlvtr nhiệt lượng lưu trữ trong nhiên liệu để đốt.
Qkk nhiệt lượng do không khí nóng và không khí lạnh mang vào buồng lửa.
Qkkng nhiệt lượng không khí thu được do nó được sấy sơ bộ ở phía trước bộ sấy
không khí của lò hơi.
Qtth nhiệt lượng do khói được tuần hoàn từ đuôi lò về buồng lửa.
q

100%; q

100%; q

100%;

Trong đó:
Qdv nhiệt lượng sản sinh ra sau khi cháy.
Q3 lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học.

18

Q4 lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học.
Q6 lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài.
Việc tính toán trao đổi nhiệt trong buồng lửa dựa trên hai phương trình:
Phương trình cân bằng nhiệt:
Q

φ Q

I"

φ V

θ"

θ

(1-11)

Phương trình trao đổi nhiệt bức xạ:
B Q

c a xF T

T 10

(1-12)

Trong đó:

φ là hệ số giữ nhiệt.
(Vc)g nhiệt dung trung bình của các chất khí trong khoảng nhiệt độ:
(θa÷θbl”) (kJ/kG 0K).
Phương trình (1-12) được viết dưới dạng khác:

Thay ξ

T
T

B Q

c a xF T

1

1

và Ѱ

ξ ta được:

B Q

x

10

c a Ѱ F T 10

(1-13)

Nhiệt độ khói ra ở cửa buồng lửa được phát hiện sau:
θ"

.

Ѱ

273 ,0C

.

(1-14)

Trong đó
Ѱdtb hệ số hiệu quả nhiệt trung bình của các giàn ống đặt trên tường.
(Vc)tb tổng nhiệt trung bình của sản phẩm cháy.
1.2.3.4 Các bộ trao đổi nhiệt
Không giống như quá trình trao đổi nhiệt ở buồng lửa, nhiệt lượng mà giàn ống
sinh hơi nhận được chủ yếu từ bức xạ. Đối với các bộ trao đổi nhiệt ở các bộ gia
nhiệt, nhiệt lượng nhận được thông qua cả trao đổi nhiệt bức xạ và đối lưu.
1.2.3.5 Trao đổi nhiệt bức xạ trong đường khói của lò hơi [4]

19


Lượng nhiệt hấp thụ do trao đổi nhiệt bức xạ của một đơn vị bề mặt truyền nhiệt
đối lưu ở phần đuôi lò (ngõ ra ống khói) được xác định bởi phương trình sau:
qbx   0 a

atr  1 4
T  Ttr3
2





(1-15)

Trong đó:
qbx lượng nhiệt hấp thu do trao đổi nhiệt bức xạ (W/m2)
a: độ đen của khói có tính đến các hạt tro chứa trong khói.
atr : độ đen của bề mặt hấp thụ nhiệt bằng bức xạ.
T: nhiệt độ tính toán của dòng khói ( thường tính bằng nhiệt độ trung bình cộng
của nhiệt độ khói vào và ra khỏi bề mặt truyền nhiệt) (K).
Ttr: nhiệt độ vách ngoài của bề mặt hấp thụ nhiệt của bức xạ có tính đến bám
bẩn (K).
Ta có thể biểu diễn (1-15) dưới dạng khác.
qbx   bx   t tr 

(1-16)

Và hệ số tỏa nhiệt bức xạ của sản phẩm cháy αbx được tính theo công thức:
3

 bx

T 

1   tr 
a 1 3
T 
T
 5.67  10 11 a tr
2
T 
1   tr 
T 

(1-17)

αbx: hệ số tỏa nhiệt bức xạ của sản phẩm cháy (W/m2 K).
Với ttr nhiệt độ vách ống ( có tính đến ảnh hưởng của tro bụi) được xác định:

1 
ttr  t     q
2 


(1-18)

Trong đó:
t: nhiệt độ trung bình của môi trường lưu động bên trong ống bằng trung bình
cộng của nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối (0C).
ε: hệ số bám bẩn bề mặt truyền nhiệt đối lưu (m2K/W).
α2: hệ số tỏa nhiệt từ vách ống đến môi chất lưu động trong ống (W /m2K).
q: suất nhiệt lượng hấp thu bề mặt truyền nhiệt được tính toán (KW /m2).
20

1.2.3.6 Trao đổi nhiệt đối lưu trong đường khói của lò hơi [4]
Phương trình truyền nhiệt cho phép xác định nhiệt lượng hấp thu của bề mặt truyền
nhiệt:
Q

kHt
Btt

(1-19)

Trong đó:
Q: nhiệt lượng do bề mặt truyền nhiệt tính toán hấp thu bằng đối lưu và bức xạ,
[kj/kg]
k: hệ số truyền nhiệt (W /m2K).
H: bề mặt truyền nhiệt tính toán (m2).
Δt: chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường nóng (khói) và môi chất được đốt nóng
(hơi nước, nước, khí) (K).
Btt: lượng nhiên liệu tiêu hao tính toán (kg/s).
Phương trình cân bằng nhiệt dùng để tính nhiệt lượng do khói truyền đi bằng
nhiệt lượng do hơi nước, nước hay không khí hấp thụ.



0
Q   I g'  I g"  I kkl



(1-20)

Trong đó: φ là hệ số giữ nhiệt.
Ig’ và Ig” lần lượt là enthalpy của khói vào và ra khỏi bề mặt tính toán (kj/kg).
ΔαI0kkl: lượng nhiệt do không khí lạnh (lọt vào lò hơi) mang vào.
Nhiệt lượng môi chất ( hơi nước, nước, khí) được hấp thụ bởi bộ gia nhiệt được
tính bởi công thức:
Q





D " '
i  i  i g .o  Qbxqx
Qtt

(1-21)

Nhiệt lượng môi chất (nước) được hấp thụ bởi bộ gia nhiệt được tính bởi công
thức dưới đây:
Q



D " '
i i
Qtt



(1-22)

Trong đó:
D: lưu lượng hơi nước đi qua bề mặt truyền nhiệt tính toán (kg/s).

21


i’ và i” lần lượt là enthalpy của môi chất (hơi nước, nước, khí) vào và ra khỏi bề
mặt tính toán [kj/kg].
Δi

g.0:

lượng nhiệt do 1kg hơi truyền cho nước làm lạnh ở bộ giảm ôn kiểu bề

mặt (kj/kg).
1.2.3.7 Đặc tính cơ bản của lò hơi
a. Năng suất lò hơi
Lượng hơi là lượng hơi nước sản xuất trong một đơn vị thời gian đo bằng T/h,
kg/h hoặc kg/s. Thường chú ý ba loại sản lượng:
Lượng hơi định mức D0: là sản lượng lớn nhất mà lò hơi có thể làm việc lâu dài
với thông số hơi quy định, thường nghi trên nhãn hiệu của lò hơi.
Lượng hơi kinh tế Dkt: là sản lượng mà lò hơi làm việc với hiệu suất nhiệt cao
nhất thường bằng 75% ÷ 90% sản lượng định mức.
Lượng hơi cực đại Dmax: là sản lượng hơi lớn nhất cho phép lò hơi làm việc tạm
thời trong một thời gian ngắn, vượt sản lượng định mức khoảng 10% ÷ 20%
b. Thông số hơi
Đối với lò hơi sản xuất hơi quá nhiệt thì biểu thị bằng nhiệt độ và áp suất hơi
sau quá nhiệt. Với lò hơi sản xuất hơi bão hòa, chỉ cần biểu thị hoặc áp suất hoặc

nhiệt độ của hơi trong bao hơi.
c. Hiệu suất lò hơi
Xác định các loại tổn thất cho ta tính toán được hiệu suất của lò, hay hiệu suất
của lò hơi là một thông số đánh giá hiệu quả của lò hơi [4]. Xác định được hiệu suất
của lò cho phép ta tính được chính xác lượng nhiên liệu sử dụng cung cấp cho lò từ
lượng hơi ra yêu cầu. Bài toán điều khiển lò luôn quan tâm tới việc nâng cao hiệu
suất của lò nhằm tiết kiệm năng lượng tiêu hao.
Q

Q

μ

(1-23)

Trong đó:
μ: hiệu suất của lò.
Qra, Qvao : lần lượt là tổng năng lượng đầu ra đầu vào của lò.
Có hai phương pháp cơ bản để tính hiệu suất của lò hơi đó là:
22


+ Phương pháp vào/ra: trong phương pháp này cần tính đến lưu lượng hơi nước.
Lưu lượng nước cấp đến lò, lượng nước đi xuống từ lò, lưu lượng nhiên liệu cấp
vào. Ngoài ra năng lượng của mỗi thành phần đó cũng phải được tính đến. Nếu biết
được áp suất, nhiệt độ, độ ẩm của hơi nước thì năng lượng của hơi sẽ được xác định
từ đặc tính nhiệt động lực học.
Hiệu suất của lò hơi sẽ được tính:
μ

(1-24)

100%

Trong đó:
Qnuoc: năng lượng được cấp thêm vào nước.
Phương pháp này tính toán đơn giản, thường được sử dụng.
+ Phương pháp tổn thất: Phương pháp này xuất phát từ phương trình cân bằng
năng lượng:
Q

Q

Q

(1-25)

Trong đó:
Qu: tổng năng lượng tổn thất.
Khi đó:
μ

100%

100%

(1-26)

Mặc dù phương pháp này cho kết quả chính xác nhưng ít được sử dụng do
phương pháp này đòi hỏi phải tính được tổn thất của lò hơi.

1.3. Các phương pháp điều khiển lò hơi
Có rất nhiều chủng loại lò hơi với nhiều mức công suất hơi khác nhau, nhưng tất
cả đều chung yêu cầu về hệ thống điều khiển đó là sự hoạt động an toàn và ổn định.
Hệ thống điều khiển lò hơi là một hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và
điều khiển nhiều tham số. Hệ thống có có cấu trúc phức tạp với nhiều mạch vòng
điều khiển khác nhau.

23