Nghiên cứu phương pháp chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt ddieennj tronng điều kiện phụ tải biến đổi

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................... i 
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. vi 
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... vii 
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................... viii 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................x 
1. Sự cần thiết của đề tài .......................................................................................1 
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .....................................................2 
3. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................3 
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...........................................................3 
5. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu .................................................................4 
6. Cấu trúc của luận án ..........................................................................................4 
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ 
TRÌNH NHIỆT ĐIỆN ..............................................................................................5 
1.1. Tổng quan về công nghệ nhiệt điện ................................................................5 
1.1.1. Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than ......................................5 
1.1.2. Lò hơi NMNĐ theo thông số hơi chính....................................................7 
1.1.3. Công nghệ đốt than của lò hơi NMNĐ ....................................................7 
1.1.3.1. Công nghệ đốt than phun (Pulverized Coal - PC) ..............................7 
1.1.3.2. Công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB) ...........................................8 
1.2. Đặc trưng của quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện ............................... 10 
1.2.1. Tính phức tạp và tương hỗ của thông số quá trình.................................. 10 
1.2.2. Đặc trưng bất định và phi tuyến của đối tượng nhiệt trong NMNĐ ........ 11 
1.2.2.1. Phụ tải biến đổi do yêu cầu vận hành ............................................... 11 
1.2.2.2. Phụ tải biến đổi do sự cố ................................................................. 12 
1.3. Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ ................................................. 13 
1.3.1. Các hệ thống điều khiển cơ bản ............................................................. 15 
1.3.1.1. Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin ................................................... 15 
1.3.1.2. Điều khiển công suất lò hơi ............................................................. 17 
1.3.1.3. Điều khiển cấp không khí cho buồng đốt ......................................... 17 
1.3.1.4. Điều khiển mức nước bao hơi .......................................................... 18 

1.3.1.5. Điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt/tái nhiệt ...................................... 18 
i 
 


1.3.2. Cấu hình đặc trưng hệ điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ ...................... 20 
1.3.2.1. Cấu trúc tầng hai vòng ..................................................................... 20 
1.3.2.2. Bộ điều khiển PID ........................................................................... 21 
1.4. Chỉnh định hệ thống điều khiển trong NMNĐ .............................................. 21 
1.4.1. Cơ bản về chỉnh định hệ tầng................................................................. 21 
1.4.2. Phương pháp ứng dụng thực tế .............................................................. 22 
1.4.2.1. Chỉnh định theo phương pháp cơ bản .............................................. 22 
1.4.2.2. Chỉnh định thực tế ........................................................................... 24 
1.4.3. Hạn chế của phương pháp chỉnh định truyền thống................................ 25 
1.4.4. Chỉnh định và vận hành ở các NMNĐ Việt Nam ................................... 25 
1.4.4.1. Công tác chỉnh định và thử nghiệm ................................................. 25 
1.4.4.2. Thực tế vận hành ............................................................................. 26 
1.5. Các phương pháp chỉnh định nâng cao ......................................................... 27 
1.5.1. PID tự động điều chỉnh (Auto-tuning PID) ............................................ 28 
1.5.2. Gain-scheduling PID ............................................................................. 29 
1.6. Đánh giá tổng quan ...................................................................................... 30 
1.7. Đặc tính quá độ của quá trình nhiệt NMNĐ ................................................. 31 
1.7.1. Đặc tính quá độ của đối tượng ............................................................... 31 
1.7.2. Quá trình nhiệt có tự cân bằng ............................................................... 31 
1.7.2.1. Đặc tính động học đặc trưng ............................................................ 31 
1.7.2.2. Trường hợp đặc biệt ........................................................................ 33 
1.7.2.3. Đặc tính quá độ của van điều chỉnh ................................................. 34 
1.7.3. Quá trình nhiệt không có tự cân bằng .................................................... 35 
1.8. Nhận dạng đối tượng đang làm việc và mô hình bất định ............................. 37 
1.8.1. Yêu cầu nhận dạng đối tượng đang làm việc .......................................... 37 

1.8.2. Mô hình bất định tổng quát .................................................................... 38 
1.9. Lý thuyết bộ điều khiển bền vững và chỉ số dao động mềm ......................... 39 
1.9.1. Giới thiệu .............................................................................................. 39 
1.9.2. Khái niệm chỉ số dao động và bộ điều khiển bền vững [87, 88] ............. 39 
1.9.3. Chỉ số dao động mềm và hằng số quán tính của bộ điều khiển bền vững 
…………………………………………………………………………………41 
1.9.3.1. Chỉ số dao động mềm ...................................................................... 41 
1.9.3.2. Đường biên mềm và đặc tính mềm [87, 88] ..................................... 41 
ii 
 


1.9.3.3. Đặc tính mềm và độ dự trữ ổn định của hệ thống ............................. 42 
1.9.3.4. Xác định hằng số quán tính của bộ điều khiển bền vững [20, 88]..... 42 
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ...................................................................................... 44 
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN ........ 45 
2.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 45 
2.2. Mô hình hóa quá trình nhiệt NMNĐ vòng hở ............................................... 45 
2.2.1. Lựa chọn mô hình .................................................................................. 45 
2.2.1.1. Quá trình có tự cân bằng .................................................................. 46 
2.2.1.2. Quá trình không có tự cân bằng ....................................................... 47 
2.2.2. Xây dựng hàm mục tiêu ......................................................................... 48 
2.2.2.1. Đối tượng nhiệt có tự cân bằng ........................................................ 48 
2.2.2.2. Đối tượng nhiệt không có tự cân bằng ............................................. 50 
2.2.3. Lựa chọn mô hình cho quá trình có tự cân bằng ..................................... 50 
2.3. Nhận dạng đối tượng nhiệt NMNĐ trong vòng kín ...................................... 51 
2.3.1. Lựa chọn xung kích thích ...................................................................... 51 
2.3.1.1. Xung chữ nhật ................................................................................. 52 
2.3.1.2. Xung hàm mũ .................................................................................. 52 
2.3.1.3. Xung tam giác ................................................................................. 53 

2.3.2. Xác định đặc tính tần số của đối tượng .................................................. 53 
2.3.2.1. Công thức xác định ......................................................................... 53 
2.3.2.2. Xác định đặc tính tần số từ đặc tính thời gian .................................. 55 
2.3.3. Nhận dạng đối tượng vòng ngoài ........................................................... 57 
2.3.3.1. Xác định thành phần cơ sở .............................................................. 57 
2.3.3.2. Xác định thành phần bất định .......................................................... 59 
2.3.4. Nhận dạng đối tượng vòng trong ........................................................... 61 
2.3.5. Xác định dải tần số bản chất nhận dạng đối tượng ................................. 61 
2.4. Phương pháp giải bài toán tối ưu .................................................................. 63 
2.4.1 Giới thiệu ............................................................................................... 63 
2.4.2. Thuật toán tối ưu hóa vượt khe nhận dạng quá trình nhiệt NMNĐ ......... 63 
2.4.3. Xác định véctơ gradient của hàm không trơn ......................................... 66 
2.4.4. Xác định véc tơ xuất phát cho bài toán tối ưu ........................................ 66 
2.4.4.1. Bài toán nhận dạng đối tượng vòng hở ............................................ 66 
2.4.4.2. Bài toán nhận dạng vòng kín ........................................................... 68 
iii 
 


2.5. Ứng dụng phương pháp nhận dạng đối tượng ............................................... 71 
2.5.1. Nhận dạng đối tượng vòng hở................................................................ 71 
2.5.1.1. Đối tượng nhiệt có tự cân bằng ........................................................ 71 
2.5.1.2. Quá trình nhiệt có tính chất tích phân .............................................. 80 
2.5.2. Nhận dạng đối tượng trong vòng kín ..................................................... 83 
2.6. Kết quả và thảo luận .................................................................................... 90 
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ...................................................................................... 91 
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 
NHIỆT ĐIỆN ........................................................................................................ 93 
3.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 93 
3.2. Chỉ số bền vững của hệ thống điều khiển ..................................................... 93 

3.3. Xác định chỉ số bền vững tối ưu theo kênh đặt ............................................. 95 
3.4. Chỉnh định bộ điều khiển trong chế độ khởi động [CT1, 2] .......................... 97 
3.4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 97 
3.4.2. Nhận dạng đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển vòng trong .................. 99 
3.4.3. Nhận dạng đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển vòng ngoài.................. 99 
3.5. Phương pháp chỉnh định đối tượng nhiệt điện đang làm việc...................... 100 
3.5.1. Giới thiệu ............................................................................................ 100 
3.5.2. Đặc tính mềm của hệ tầng hai vòng ..................................................... 100 
3.5.2.1. Đặc tính mềm của hệ tương đương R1 ........................................... 100 
3.5.2.2. Đặc tính mềm của hệ tương đương R2 ........................................... 102 
3.5.3. Tính bất định của đặc tính mềm và độ bền vững của hệ thống ............. 103 
3.5.4. Phương pháp xác định đặc tính mềm “xấu nhất” .................................. 104 
3.5.5. Phương pháp chỉnh định theo đặc tính mềm xấu nhất [CT6] ................ 105 
3.5.5.1. Phương pháp đề xuất ..................................................................... 105 
3.5.5.2. Tổng hợp các bộ điều chỉnh cho thành phần cơ sở ......................... 106 
3.5.5.3. Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất ................... 111 
3.6. Minh họa phương pháp chỉnh định ............................................................. 113 
3.6.1. Tổng hợp các bộ điều khiển cho thành phần cơ sở ............................... 114 
3.6.2. Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất ......................... 115 
3.6.3. Chất lượng hệ thống điều khiển ........................................................... 117 
3.7. Kết quả và bàn luận.................................................................................... 118 
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................... 119 
iv 
 


CHƯƠNG 4. THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ...................................................... 120 
4.1. Giới thiệu ................................................................................................... 120 
4.2. Thực nghiệm từ số liệu thực nhà máy nhiệt điện ........................................ 120 
4.3. Thực nghiệm phương pháp trên mô hình thí nghiệm .................................. 123 

4.3.1. Mô hình thí nghiệm ............................................................................. 123 
4.3.2. Cấu trúc điều khiển .............................................................................. 125 
4.3.3. Các thiết bị trong hệ thống thí nghiệm ................................................. 126 
4.3.4. Bộ điều khiển PID số hệ điều khiển tầng ............................................. 127 
4.3.5. Phần mềm điều khiển hệ thống ............................................................ 128 
4.3.6. Thực nghiệm trên hệ thống .................................................................. 131 
4.3.6.1. Xây dựng đặc tính thiết bị ............................................................. 131 
4.3.6.2. Tổng hợp bộ điều khiển và kiểm tra hệ thống ................................ 133 
4.4. Kết quả và thảo luận .................................................................................. 141 
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .................................................................................... 142 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 143 
Các kết quả đạt được của luận án ...................................................................... 143 
Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo .................................................................. 143 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐàCÔNG BỐ ............................................. 151 

v 
 


LỜI CAM ĐOAN
Tôi  xin  cam đoan  đây  là  công trình nghiên cứu của  riêng cá  nhân tôi.  Công 
trình được thực dưới sự hướng dẫn của  PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh . Kết quả 
nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được công bố bởi tác giả nào khác.  
  
                                                                            Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2018         
Người hướng dẫn khoa học 

         Tác giả 

 

 

 

 

 

 

PGS. TSKH Nguyễn Văn Mạnh

Đỗ Cao Trung

vi 
 


LỜI CẢM ƠN
Tôi  xin bày  tỏ  lòng biết ơn  chân  thành  và  sâu  sắc nhất đến  Thầy  hướng dẫn 
PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong suốt thời 
gian học tập và nghiên cứu.  
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường ĐH Bách Khoa HN, Phòng 
đào tạo Trường ĐH Bách Khoa HN, Viện KH&CN Nhiệt-Lạnh, Bộ môn TĐH&ĐK 
quá trình Nhiệt-Lạnh, Xưởng chế tạo thiết bị áp lực (Viện KH&CN Nhiệt-Lạnh) đã 
hỗ trợ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận án.  
Tôi  xin  chân  thành  cảm  ơn  gia  đình,  bạn  bè  đồng  nghiệp  đã  chia  sẽ,  cổ  vũ 
động viên để tôi có thể hoàn thành luận án.  
  

                                                                            Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2018
                                                                                                       Tác giả 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

vii 
 

 

         Đỗ Cao Trung  


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

A(s)

 

Mẫu thức của thành phần phân thức 

a 0, a1, … an

Giây; phút 

Hằng số quán tính của mẫu thức 

a 11, a12, a13

 

Tham số số hóa bộ điều khiển R1(s) 

a 21, a22, a23

 

Tham số số hóa bộ điều khiển R2(s) 

B(s)

 

Tử thức của thành phần phân thức 

b 0, b1, … bn

Giây; phút 

CCS

 

DCS

 

DPT

kPas 

FOPDT

 

H(s)

 

IFOPDT

 

IFOPDTZ

 

j
J ( x)

 

Hằng số quán tính của tử thức 
Hệ thống điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin 
(Coordinated control system) 
Hệ  thống  điều  khiển  phân  tán  (Distributed 
control system) 
Bộ  chuyền  tín  hiệu  chênh  áp  (Diffirental 
pressure transmitter) 
Quán  tính  bậc  nhất  có  trễ  (First  order  plus 
dead time) 
Hàm truyền hệ hở 
Tích  phân  quán  tính  bậc  nhất  và  có  trễ 
(Integrating first order plus dead time) 
Tích phân quán  tính bậc  hai  có  trễ  với một 
điểm  không  dương  (Integrating  first  order 
plus dead time with a zero) 
Đơn vị ảo j2 = -1 

 

Kp, Ti, Td

 

m0

 

Gradien của  J (x)
Hằng số tỷ lệ, tích phân, vi phân của bộ điều 
khiển PID 
Chỉ số dao động cứng 

m(ω), m

 

Chỉ số dao động mềm 

ms

 

Chỉ số dao động hệ thống 

mc

 

Δm

 

NMNĐ

 

Chỉ số dao động cắt 
Độ  suy  giảm  chỉ  số  dao  động  (chỉ  số  bền 
vững) 
Nhà máy nhiệt điện 

OPT(s)

 

Thành phần phân thức của đối tượng 

  s  , O  s 
O
1
2

 

Mô hình bất định 

O1(s), O2(s)

 

Mô hình cơ sở 

PID

 

Tỷ  lệ-tích  phân-vi  phân  (Proportionalviii 

 


Integral-Derivative)  
R1(s), R2(s)

 

Bộ điều khiển vòng ngoài và vòng trong 

r, 

 

Bán kính, pha bất định 

SISO

 
Vòng/phút 
(rpm) 

Một vào-một ra (Single input-single output) 

ST

Bộ truyền tín hiệu tốc độ (Speed transitter) 

SOPDT

 

s

 

Quán tính bậc hai có trễ (Second order plus 
dead time) 
Toán tử Laplace 

T, T1, T2, θ 

Giây; phút 

Các hằng số quán tính 

Ta

Giây; phút 

TOPDTZ

 

TV

 

t

Giây; phút 

Hằng số quán tính biểu trưng 
Quán tính bậc ba có trễ với một điểm không 
thực âm (Third order plus dead time with a 
zero) 
Throttle  valve  (van  điều  khiển  cấp  hơi 
tuabin) 
Biến thời gian 

τ

Giây; phút 

Trễ của đối tượng 

U(tu, yu)

 

Điểm uốn của đặc tính quá độ 

u 1, u2

 

Tín hiệu điều khiển 

V(s)

 

“nhân” bất định 

V1

 

Van điều khiển không trục 

V2, V3, V4

 

Van tay 

v1, v2

 

Nhiễu 

ω, ωc

Rad/s 

Tần số và Tần số cắt 

W(s)

 

W1td(s)

 

W2td(s)

 

 1td ( s)
W

 

 2td ( s )
W

 

X, x
x, y

 

Hàm truyền hệ kín 
Hàm  truyền  hệ  hở  tương  đương  cơ  sở  của 
bộ điều khiển R1(s) 
Hàm  truyền  hệ  hở  tương  đương  cơ  sở  của 
bộ điều khiển R2(s) 
Hàm truyền hệ hở tương đương bất định của 
bộ điều khiển R1(s) 
Hàm truyền hệ hở tương đương bất định của 
bộ điều khiển R2(s) 
Véc tơ tham số 

 

Tích vô hướng của hai véc tơ

y1, y2

 

Thông số quá trình nhiệt 

z1

 

Tín hiệu điều khiển 
ix 

 


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ [92] ............................................5 
Hình 1.2. Sơ đồ nhiệt nguyên lý một tổ máy NMNĐ ...............................................6 
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý lò hơi đốt than phun.......................................................8 
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý lò hơi tầng sôi tuần hoàn................................................9 
Hình 1.5. Ảnh hưởng tương hỗ thông số quá trình lò hơi ....................................... 10 
Hình 1.6. Đáp ứng của áp suất hơi và công suất với lưu lượng nhiên liệu .............. 12 
Hình 1.7. Cấu trúc điều khiển cơ bản trong NMNĐ [76] ....................................... 14 
Hình 1.8. Cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển NMNĐ ......................................... 15 
Hình 1.9. Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin lò theo máy [82] ............................... 16 
Hình 1.10. Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin máy theo lò [82] ............................. 16 
Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tải lò hơi ............................................. 17 
Hình 1.12. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cấp không khí cho buồng đốt .............. 17 
Hình 1.13. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi [4] ......................... 18 
Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [82] ......... 19 
Hình 1.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt ......................... 20 
Hình 1.16. Cấu trúc điển hình điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ .......................... 20 
Hình 1.17. Phương pháp chỉnh định trong mạch vòng hở [84] ............................... 23 
Hình 1.18. Phương pháp Zigler-Nichols 2 [84]...................................................... 23 
Hình 1.19. Phương pháp suy giảm giao động [84] ................................................. 24 
Hình 1.20. Nguyên lý phương pháp PID tự chỉnh [82] .......................................... 28 
Hình 1.21. Nguyên lý gain-scheduling PID [82] .................................................... 29 
Hình 1.22. Đặc tính động học quá trình nhiệt NMNĐ ........................................... 32 
Hình 1.23. Đặc tính động học đặc trưng quá trình nhiệt có tự cân bằng ................. 32 
Hình 1.24. Đáp ứng xung bậc thang của áp suất hơi khi tănglưu lượng nhiên liệu . 33 
Hình 1.25. Đáp ứng xung bậc thang của công suất khi tăng/giảm góc ở van TV .... 33 

Hình 1.26. Đặc tính quá độ của đối tượng nhiệt có quá điều chỉnh ........................ 34 
Hình 1.27. Đặc tính lưu lượng (a) và đặc tính thời gian (b) của van....................... 34 
Hình 1.28. Đặc tính thời gian của van điều khiển .................................................. 35 
Hình 1.29. Đặc tính động học của mức nước bao hơi ............................................ 36 
Hình 1.30. Đặc tính đối tượng nhiệt không có tự cân bằng .................................... 36 
Hình 1.31. Đặc tính cơ sở và điểm biến thiên bất định........................................... 38 
x 
 


Hình 1.32. Đồ thị các bán kính bất định và đường phủ trên [88] ............................ 39 
Hình 1.33. Hệ điều khiển kín một vòng ................................................................. 40 
Hình 1.34. Biến thiên của chỉ số dao động mềm theo tần số. ................................. 41 
Hình 1.35. Đường biên mềm AOB ........................................................................ 42 
Hình 1.36. Đường cong đặc tính mềm của hệ hở m = mc = 0,461 ........................... 44 
Hình 2.1. Đặc tính quá độ đặc trưng của các quá trình nhiệt NMNĐ. .................... 46 
Hình 2.2. Đặc tính quá độ chữ “S” của quá trình có tự cân bằng............................ 46 
Hình 2.3. Phân tích đặc tính của đối tượng không có tự cân bằng .......................... 48 
Hình 2.4. Phân tích đặc tính chữ “S” của quá trình có tự cân bằng ........................ 50 
Hình 2.5. Cấu hình điều khiển tầng quá trình nhiệt NMNĐ ................................... 51 
Hình 2.6. Xung chữ nhật với τ = 0.3, T = 1, u0 = 1 ................................................ 52 
Hình 2.7. Xung parabol với τ = 0,2, a = 1, u0 = 1................................................... 53 
Hình 2.8. Xung tam giác với τ = 0.5, T = 1, u0 = 1 ................................................ 53 
Hình 2.9. Đặc tính thời gian và đường gấp khúc xấp xỉ ......................................... 55 
Hình 2.10. Xung tam giác với τ = 0.5, T = 1, u0 = 1 .............................................. 56 
Hình 2.11. Đặc tính tần số đặc trưng của đối tượng có tự cân bằng ....................... 62 
Hình 2.12. Giải tần số bản chất đối tượng có tự cân bằng ...................................... 62 
Hình 2.13. Giải tần số bản chất đối tượng không có tự cân bằng ........................... 63 
Hình 2.14. Sự hình thành hướng cải tiến được ....................................................... 64 
Hình 2.15. Lưu đồ thuật toán tối ưu hóa vượt khe theo hướng trực giao tựa nón ... 65 

Hình 2.16. Lưu đồ xác định bước vượt khe ........................................................... 65 
Hình 2.17.  Đáp ứng động học của đối tượng không có tự cân bằng ...................... 67 
 1  có tự cân bằng .................................... 69 
Hình 2.18. Dạng đặc tính thời gian của  O

Hình 2.19. Đặc tính thời gian đối tượng không có tự cân bằng .............................. 70 
 2  s   ......................................................... 70 
Hình 2.20. Một đặc tính thời gian của  O

Hình 2.21. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O1(s) ............................................ 71 
Hình 2.22. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị và đặc tính tần số của O1(s) và O1’(s) . 72 
Hình 2.23. Đáp ứng xung bậc thang của đối tượng O2(s) ....................................... 73 
Hình 2.24. Đặc tính quá độ và tần số của O2(s) và đối tượng xấp xỉ O2’(s) ............ 73 
Hình 2.25. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O3(s) ............................................ 74 
Hình 2.26. Đặc tính động học và tần số của  O3  s   và  O'3  s  ,  O'3'  s  ,  O''3'  s   .......... 75 
Hình 2.27. Đặc tính động học và tần số của  O3  s   và  O3(1)  s  ,  O3(2)  s   .................. 76 
xi 
 


Hình 2.28. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O4(s) ............................................ 76 
Hình 2.29. Đặc tính động học và tần số của O4(s) và O’4 (s) .................................. 77 
Hình 2.30. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O5(s) ............................................ 78 
Hình 2.31. Đặc tính động học và tần số của  O5  s   và  O'5  s  ,  O'5'  s   ...................... 78 
Hình 2.32. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O6(s) ............................................ 79 
Hình 2.33. Đặc tính động học và tần số của  O6  s   và  O'6  s  ,  O'6'  s   ...................... 80 
Hình 2.34. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O7(s) ............................................ 80 
Hình 2.35 Đáp ứng động học xung bậc thang của các đối tượng............................ 81 
Hình 2.36. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O8(s) ............................................ 82 
Hình 2.37 Đáp ứng xung bậc thang của các đối tượng ........................................... 82 

Hình 2.38. Đáp ứng xung bậc thang và đặc tính tần số của các đối tượng .............. 83 
Hình 2.39. Cấu hình điều khiển tầng quá trình nhiệt NMNĐ ................................. 83 
Hình 2.40. Mức biến đổi áp suất hơi theo nhiên liệu cấp lò [79] ............................ 84 
Hình 2.41. Đặc tính thời gian y1(t) ........................................................................ 85 
Hình 2.42. Đặc tính tần số Y1(s) ............................................................................ 86 
Hình 2.43. Đặc tính thời gian y2(t) ........................................................................ 86 
Hình 2.44. Đặc tính tần số Y2(s) ............................................................................ 86 
Hình 2.45. Ảnh tần số O1(s) .................................................................................. 87 
Hình 2.46. Đặc tính tần số O1(s) và kết quả nhận dạng .......................................... 87 
Hình 2.47. Bán kính bất định của  O1 ( s)  (ω = 0,5÷3) .............................................. 87 
Hình 2.48. Đặc tính tần số O2(s) và kết quả nhận dạng .......................................... 88 
Hình 2.49. Biến thiên thời gian của mô hình ......................................................... 88 
Hình 2.50. Biến thiên tần số của mô hình gốc  O1  s   ............................................ 89 
Hình 2.51. Biến thiên thời gian của mô hình gốc  O 2  s   ....................................... 89 
Hình 2.52. Biến thiên tần số của mô hình gốc  O 2  s  ............................................ 90 
Hình 3.1. Hệ điều khiển kín một vòng ................................................................... 94 
Hình 3.2. Đường biên mềm A’OB’ khi giảm chỉ số dao động ............................... 94 
Hình 3.3. Đặc tính mềm với ω = 0 → +∞ .............................................................. 95 
Hình 3.4. Biến thiên của f(x) theo x ...................................................................... 97 
Hình 3.5. Cấu trúc hệ thống khi có bộ điều khiển .................................................. 97 
Hình 3.6. Cấu trúc hệ thống khi không có bộ điều khiển ....................................... 98 
Hình 3.7. Xung bậc thang đầu vào và đáp ứng quá trình ........................................ 98 
xii 
 


Hình 3.8. Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R1 ......................................... 101 
Hình 3.9. Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1 .................................. 101 
Hình 3.10. Hệ tương đương của bộ điều khiển R1 cho thành phần cơ sở [23] ...... 101 
Hình 3.11. Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1 ................................ 102 

Hình 3.12. Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R2 ....................................... 102 
Hình 3.13. Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R2 ................................ 102 
Hình 3.14. Biến thiên của đặc tính mềm hệ bất định ............................................ 103 
Hình 3.15. Đặc tính của khâu tương đương ......................................................... 107 
Hình 3.16. Đặc tính mềm  H1 ( m ω  jω)  ............................................................ 109 
Hình 3.17. Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1 ................................ 109 
Hình 3.18. Hệ số k bổ sung trong mạch vòng ...................................................... 109 
Hình 3.19. Đặc tính mềm với ω = 0 → +∞ .......................................................... 110 
Hình 3.20. Chỉnh định theo đặc tính mềm ........................................................... 111 
Hình 3.21. Đặc tính mềm hệ hở bất định ............................................................. 113 
Hình 3.22. Hệ thống điều khiển áp suất hơi ......................................................... 114 
Hình 3.23. Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R1 ....................................... 114 
Hình 3.24. Đặc tính quá độ của đối tượng tương đương W1tđ .............................. 115 
Hình 3.25. Đặc tính mềm  H1 ( m ω  jω)  của hệ hở tương đương........................ 115 
 2 (  m ω  jω)  .............................................. 116 
Hình 3.26. Đặc tính mềm xấu nhất  H
 1 (  m ω  jω)  .............................................. 116 
Hình 3.27. Đặc tính mềm xấu nhất  H

Hình 3.28. Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R2(s) ......................................... 117 
Hình 3.29. Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R1(s) ......................................... 117 
Hình 3.30. Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R1(s) ......................................... 118 
Hình 4.1. Cấu trúc điều khiển áp suất hơi quá nhiệt ............................................. 121 
Hình 4.2. Đặc tính thời gian của u2(t) và y2(t) từ lần đo thứ nhất ......................... 121 
 2 ( s)  từ lần đo thứ nhất ........................................ 121 
Hình 4.3. Đặc tính tần số của  O
 2 ( s)  và kết quả nhận dạng ............. 122 
Hình 4.4. Tổng hợp các đặc tính tần số của  O

Hình 4.5. Đặc tính thời gian của y2(t) và y1(t) từ lần đo thứ nhất ......................... 122 

 1 (s )  từ lần đo thứ nhất ........................................ 123 
Hình 4.6. Đặc tính tần số của  O
 1 ( s )  và kết quả nhận dạng .................... 123 
Hình 4.7. Tổng hợp đặc tính tần số của  O

Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm ................................................... 124 
Hình 4.9. Mô hình thí nghiệm lắp đặt .................................................................. 124 
xiii 
 


Hình 4.10. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ tuabin..................................... 125 
Hình 4.11. Cấu trúc hệ thống khi có bộ điều khiển .............................................. 125 
Hình 4.12. Đồ thị rời rạc hóa tín hiệu của bộ điều chỉnh PID số [15, 17] ............. 127 
Hình 4.13. Lưu đồ thuật toán lấy số liệu (Data collection) ................................... 128 
Hình 4.14. Lưu đồ thuật toán điều khiển tốc độ tuabin ........................................ 129 
Hình 4.15. Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu................................................. 130 
Hình 4.16. Giao diện phần mềm điều khiển tốc độ tuabin ................................... 131 
Hình 4.17. Đặc tính van điều khiển và tốc độ tuabin ........................................... 131 
Hình 4.18. Đặc tính thời gian thông số lưu lượng nước ....................................... 132 
Hình 4.19. Đặc tính thời gian thông số tốc độ tuabin ........................................... 132 
 1 ( s)  và kết quả nhận dạng ................. 133 
Hình 4.20. Đặc tính tần số của đối tượng  O

Hình 4.21. Cấu trúc điều khiển với vòng trong tự động ....................................... 134 
Hình 4.22. Xác định các tham số BĐK số trên giao diện ..................................... 134 
Hình 4.23. Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi giảm 20% công suất ................ 135 
Hình 4.24. Đặc tính tăng tốc độ tuabin ................................................................ 135 
 2  ...................................................... 136 
Hình 4.25. Nhận dạng đối tượng bất định  O

 1  ...................................................... 136 
Hình 4.26. Nhận dạng đối tượng bất định  O

Hình 4.27. Đặc tính mềm của hệ hở ứng với R1(s)............................................... 137 
Hình 4.28. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với R2(s) ................................ 138 
Hình 4.29. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với R1(s) ................................ 138 
Hình 4.30. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với BĐK R2(s) mới ................ 139 
Hình 4.31. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với BĐK R1(s) mới ................ 139 
Hình 4.32. Đặc tính điều chỉnh của hệ thống ....................................................... 139 
Hình 4.33. Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi giảm 25% công suất tải ........... 140 
Hình 4.34. Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi tăng 25% công suất tải............. 141

xiv 
 


MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của đề tài
Cơ  cấu  nguồn  năng  lượng hiện  tại  của  Việt  Nam,  riêng  NMNĐ  đốt  than  đã 
chiếm khoảng 30% tổng công suất. Theo quy hoạch, đến 2030 thì NMNĐ sẽ chiếm 
trên 50% tổng sản lượng điện [22]. Trên thế giới, NMNĐ đốt than hiện cũng chiếm 
khoảng 40%, NMNĐ khí khoảng 20% tổng sản lượng.  
Đặc trưng chung của các quá trình nhiệt trong NMNĐ là phi tuyến [13, 48, 72, 
73, 76, 79]. Tính chất này cùng với đặc điểm tác động tương hỗ phức tạp của các 
thông số dẫn đến đặc trưng phức tạp hơn của quá trình nhiệt trong NMNĐ là tính 
bất định.  
Với  đặc  thù  công nghệ  là  hệ  nhiều  thông  số  vào/ra, phức  tạp,  tác  động  trực 
tiếp,  gián  tiếp  lẫn  nhau,  trải  qua thời  gian dài  phát  triển, hệ  thống điều  khiển quá 
trình nhiệt trong NMNĐ được phân rã thành những hệ con một đầu vào, một đầu ra 
SISO (Single input/Single output) sử dụng các bộ điều khiển PID (bao gồm cả P, PI, 

PD) được nghiên cứu [36, 40, 41, 42, 69, 73, 76, 80, 82], kiểm nghiệm thực tế, thừa 
nhận và sử dụng rộng rãi [30, 43, 44, 54, 62, 67, 68, 74, 84].   
Các hệ SISO có thể là một vòng hoặc tầng hai vòng (cascade), trong đó hệ hai 
vòng  chiếm  phần  lớn  và  được  sử  dụng để  điều  khiển những  thông  số  quan  trọng 
nhất của tổ máy. Hệ thống gồm nhiều mạch vòng điều chỉnh cho từng tham số quá 
trình,  đối  với  mỗi  vòng  điều  chỉnh  tín  hiệu  tác  động  trực  tiếp  sẽ  là  tín  hiệu  điều 
khiển còn tín hiệu tác động khác sẽ được xác định là nhiễu. 
Phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID phổ biến là dựa vào kinh nghiệm 
chuyên gia [76]. Công việc được thực hiện tại một mức tải vận hành cụ thể nào đó 
của  NMNĐ  và  thường ở mức  tải định mức. Các  tham  số bộ điều  khiển được tính 
toán và cài đặt cố định cho hệ thống. Khi tổ máy phải làm việc trong điều kiện phụ 
tải biến đổi, đặc biệt trong dải rộng, tăng/giảm công suất lớn sẽ làm cho các tham số 
quá trình tác động tương hỗ mạnh, tính chất phi tuyến của quá trình/đối tượng thể 
hiện rõ, đặc tính của hệ thống khác xa so với điều kiện chỉnh định ban đầu thì tính 
đáp ứng của hệ thống bị suy giảm rõ rệt, không vận hành tự động được, ảnh hưởng 
rất nhiều đến khả năng vận hành ổn định và hiệu suất của nhà máy. Ngoài ra, tham 
số bộ điều  khiển  thường không được  cập  nhật,  chỉnh định  lại  trong vòng đời  làm 
việc  của  NMNĐ  cũng ảnh hưởng  rất nhiều đến  chất lượng  làm  việc  của hệ  thống 
khi mà đặc tính của quá trình/thiết bị nhiệt đã thay đổi rất khác theo thời gian so với 
thời điểm chỉnh định lúc xây dựng nhà máy. Các NMNĐ ở Việt Nam là những ví 
dụ rõ ràng cho các đặc điểm kể trên.  
Để khắc phục các hạn chế trong chỉnh định bộ điều khiển, giúp hệ thống vận 
hành tốt trong chế độ phụ tải biến đổi, khoảng hai thập kỷ qua rất nhiều nghiên cứu 
1 
 


đã được công bố. Các nghiên cứu này tập trung vào hai hướng phát triển là: nâng 
cao chất lượng chỉnh định bộ điều khiển PID trong cấu hình SISO truyền thống và 
thiết kế, chỉnh định bộ điều khiển NMNĐ trong cấu hình nhiều đầu vào/ra MIMO 

(Multi-input/Multi-output).  Trong  đó  điều  khiển  PI/PID  nâng  cao  trong  cấu  hình 
SISO  có  lợi  thế  là  không  làm  thay  đổi  cấu  trúc  điều  khiển  đã  được  thiết  kế  cho 
những  NMNĐ  đã  được  xây  dựng  cũng  như  không  làm  thay  đổi  gì  quy  trình  vận 
hành đã có của NMNĐ.    
Gần đây, hai phương pháp được nghiên cứu là: 


Bộ PID tự động điều chỉnh (Auto-tuning PID) [12, 41, 48, 56, 76] 



Gain-scheduling PID [40, 59, 69, 73] 

Hai  phương  pháp  này  tập  trung  vào  việc  cập  nhật  thông  số  quá  trình  công 
nghệ, tăng cường khả năng thích nghi của bộ điều khiển làm tăng tính ổn định, bền 
vững của hệ thống 
Cùng với hướng nghiên cứu này, tác giả lựa chọn đề tài: Nghiên cứu phương
pháp chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện trong điều kiện phụ
tải biến đổi. 
Nghiên cứu sẽ tập trung vào phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID nhằm 
nâng cao độ bền vững  của hệ  thống điều khiển quá  trình nhiệt  điện.  Trong đó, lý 
thuyết bộ điều khiển bền vững [20, 88] sẽ được nghiên cứu áp dụng. Lý thuyết này 
cho phép định  lượng được độ dao động của hệ thống nên  có nhiều hứa hẹn  trong 
việc chỉnh định bộ điều khiển đảm bảo hệ ổn định trong dải biến thiên rộng, xử lý 
hiệu quả vấn đề bất định đặc trưng của quá trình nhiệt NMNĐ. Đây cũng là ưu điểm 
nổi trội của phương pháp này so với hai phương pháp chỉnh định thường được dùng 
trong công nghiệp. Đối với nhóm phương pháp của Zigler-Nichol 1&2 [14, 85] cho 
phép chỉnh định bộ điều khiển đảm bảo chỉ số dao động không thay đổi ở mức 0,22. 
Trong khi nhóm mô hình nội IMC (Internal Model Control) của Morari, Zafiriou và 
SIMC (Simple Internal Model Control) [5, 28, 77] cho phép tổng hợp bộ điều khiển 

có độ bền vững tương đối cao (hơn so với nhóm thứ nhất). Tuy nhiên, những thay 
đổi yêu cầu độ bền vững của hệ thống cũng luôn là vấn đề của nhóm phương pháp 
này đồng thời chỉ số dao động của hệ thống cũng không thể xác định trước được. 
Nếu áp dụng cho bài toán tổng hợp bộ điều khiển trong điều kiện phụ tải biến đổi, 
đặc  biệt  là  biến  đổi  mạnh  thì  về  bản  chất  phương  pháp  Zigler-Nichol  cho  phép 
chỉnh định hệ thống đảm bảo độ dự trữ ổn định kém. Nhóm phương pháp IMC cho 
hệ thống với độ bền vững rất phụ thuộc vào mô hình và không định trước được độ 
bền vững của hệ thống như mong muốn.  

2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu:
2 
 


Xây dựng hệ thống phương pháp chỉnh định bộ điều khiển quá trình nhiệt với 
tính chất bất định và phi tuyến cao, đặc biệt trong điều kiện phụ tải biến đổi, nhằm 
duy trì tính ổn định, bền vững của hệ thống.
Đối tượng nghiên cứu:
Hệ  điều  khiển  quá  trình  nhiệt  một  đầu  vào,  một  đầu  ra  (SISO-single 
input/single  output)  cấu  trúc  tầng  trong  NMNĐ,  trong  đó  các  quá  trình  nhiệt  sẽ 
được xét theo bản chất bất định và phi tuyến, tính chất này thể hiện rõ khi hệ thống 
làm việc trong điều kiện phụ tải biến đổi và biến đổi mạnh.  
Phạm vi nghiên cứu:
Nâng  cao  độ  bền  vững  cho  hệ  thống  điều  khiển  quá  trình  nhiệt  NMNĐ  hệ 
SISO cấu trúc tầng sử dụng bộ điều khiển PID. 

3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm: 
 Nghiên cứu khảo sát thực tế điều khiển đối tượng nhiệt NMNĐ. 

 Sử dụng mô hình bất định và cơ sở lý thuyết bộ điều khiển bền vững [88] 
để giải quyết bài toán chỉnh định bộ điều khiển cho đối tượng nhiệt bất định 
trong điều kiện phụ tải biến đổi. 
 Tính toán, kiểm nghiệm phương pháp trên phần mềm và số liệu thực tế thu 
thập tại NMNĐ.  

 Xây dựng mô hình thí nghiệm để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Phương  pháp  chỉnh  định  được  đề  xuất  cho  phép  lựa  chọn  trước  chỉ  số  bền 
vững của hệ thống điều khiển, điều này là  yếu tố quyết định, đảm bảo độ ổn định 
cho hệ thống khi có sự biến đổi của phụ tải làm cho tính chất bất định và phi tuyến 
của quá trình nhiệt NMNĐ thể hiện rõ rệt. 
Kết quả của đề tài là nền tảng lý thuyết để xây dựng hệ điều khiển thích nghi.  
Ý nghĩa thực tiễn:


Phương pháp mô hình hóa và chỉnh định hệ thống được đề xuất có tiềm 
năng sử dụng tốt cho NMNĐ. Thực tế trong luận án đã được sử dụng hiệu 
quả cho số liệu từ NMNĐ và mô hình thí nghiệm. 



Đơn  giản  hóa  và  giảm  chi  phí  cho  công  tác  chỉnh  định  hệ  thống  điều 
khiển trong Nhà máy nhiệt điện. 
3 

 

5. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu
Luận án giải quyết bài toán chỉnh bộ điều khiển PID cho quá trình nhiệt điện 
khi phụ tải biến đổi làm tính chất bất định, phi tuyến của đối tượng thể hiện rõ rệt, 
bằng cách sử dụng mô hình bất định và lý thuyết bộ điều khiển bền vững [88]. Luận 
án  lần  đầu  tiên  xây  dựng  hoàn  chỉnh  hệ  thống  phương  pháp  nhận  dạng  và  chỉnh 
định  bộ điều  khiển  cho  hệ  thống điều  khiển  quá  trình  nhiệt hệ  SISO  cấu  trúc  hai 
tầng từ nền tảng lý thuyết này. Kết quả đạt được của luận án bao gồm:   
1) Xây dựng phương pháp số sử dụng thuật toán tối ưu hóa vượt khe để nhận 
dạng đối tượng điều khiển quá trình nhiệt điện trong vòng hở và vòng kín. 
2) Xây dựng phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID cho quá trình nhiệt 
điện cấu trúc SISO hai tầng trong chế độ khởi động và chế độ đang làm việc, 
cho phép lựa chọn trước “chỉ số bền vững” của hệ thống với khoảng lựa chọn 
tối ưu là [0,132÷2,318].  
Phương pháp xây dựng phù hợp với cấu hình hệ thống điều khiển đang được 
sử dụng thực tế trong NMNĐ, có khả năng ứng dụng cao. Bộ điều khiển sẽ có khả 
năng thích nghi trong điều kiện biến thiên rộng của phụ tải và đặc tính đối tượng, 
làm việc ổn định lâu dài theo vòng đời vận hành của NMNĐ.

6. Cấu trúc của luận án
Luận án được cấu trúc thành năm chương, bao gồm: 
Chương 1: Tổng quan về chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện 
Chương 2: Phương pháp nhận dạng quá trình nhiệt điện 
Chương 3: Phương pháp chỉnh định bộ điều khiển quá trình nhiệt điện 
Chương 4: Thực nghiệm kiểm chứng 
Sau đó là phần kết luận nêu các đóng ghóp mới của luận án và đề xuất hướng 
nghiên cứu tiếp theo. Tiếp đến là phần tài liệu tham khảo, các công trình khoa học 
đã công bố liên quan đến luận án và phụ lục. 
 
 
 

 
 
 
 

4 
 


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN
1.1. Tổng quan về công nghệ nhiệt điện
Nhà  máy  nhiệt  điện  (NMNĐ)  là  một  dây  chuyền  công  nghệ  biến  đổi  nhiệt 
năng khi đốt  các  nhiên  liệu  hữu  cơ  (than, dầu,  khí…)  thành  điện năng  [11].  Hiện 
trên thế giới NMNĐ đốt than chiếm khoảng 40%, NMNĐ khí khoảng 20% tổng sản 
lượng.  Tại  Việt  nam,  riêng  NMNĐ  đốt  than  là  khoảng  30%,  đến  2030  sẽ  là  trên 
50% tổng sản lượng điện [22]. 
Nguyên  lý  làm  việc  cơ  bản  của  NMNĐ  như  sau:  Năng  lượng được  tàng  trữ 
dưới dạng liên  kết hóa học  của nhiên  liệu  hóa thạch  được đưa  vào  lò hơi  để biến 
thành cơ năng của hơi, năng lượng hơi được sinh công quay tuabin. Rôto máy phát 
được nối trục với tuabin, stato được cấp kích từ và máy phát sẽ phát ra năng lượng 
điện. 
1.1.1. Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than
Từ nguyên lý cơ bản nêu trên thì NMNĐ đốt than phải có các thiết bị chính là 
Lò  hơi/Tuabin/Máy  phát  (Boiler/Turbine/Generator)  thường  được  gọi  là  khối  tổ 
máy (unit). Ngoài ra còn có hệ thống phụ trợ khác. 

Hình 1.1. Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ [92]
5 
 

Sơ đồ nhiệt nguyên lý (mặt cắt đứng) một tổ máy nhiệt điện được thể hiện tại 
hình 1.1  [92],  và hình 1.2  thể hiện  sơ đồ nhiệt  nguyên  lý  của  tổ máy  gồm một lò 
hơi,  một  tuabin/máy  phát,  loại  lò  hơi  đốt  than  có  bao hơi  (drum).  Nguyên  lý  làm 
việc cơ bản của hệ thống như sau: 

 
Hình 1.2. Sơ đồ nhiệt nguyên  lý một tổ máy NMNĐ
Nhiên liệu than (coal fuel) từ phễu than (coal bunker) được cấp tới các vòi đốt 
(burner) trên vách lò hơi (waterwall). Khi các vòi đốt làm việc, nước trong các ống 
ở  vách  lò hơi  sẽ hóa hơi  thành hơi  bão hòa  (statured  steam), hơi này  sẽ được dẫn 
vào bao hơi của lò hơi. Vòng tuần hoàn nước hơi này có thể là tuần hoàn tự nhiên 
hoặc cưỡng bức  (dùng bơm). Từ bao  hơi, hơi  bão hòa sẽ  đi qua  các  dàn  ống quá 
nhiệt  (superheater).  Hơi  đi  trong  ống  sẽ  được  gia  nhiệt  bằng  khói  thải  (flue  gas) 
được  hút  từ  buồng  đốt  (furnance).  Hơi quá  nhiệt  sẽ được  đưa  sang  tuabin  cao  áp 
(high pressure  cylinder-HPC), hơi quá nhiệt  khi  tới  tuabin cao  áp  còn được  gọi  là 
hơi mới (live steam). Trước tuabin cao áp sẽ có các van điều khiển cấp hơi (throttle 
valve-TV) để điều chỉnh dòng hơi cấp vào tuabin cao áp, ngoài ra còn có van chặn 
(stop valve). Hơi thoát từ tuabin cao áp lại được đưa về hệ thống tái nhiệt (reheater) 
của  lò  hơi  để  gia  nhiệt,  sau  đó  dẫn  về  tuabin  trung  áp  (intermediate  pressure 
cylinder-IPC).  Hơi  sau khi  ra khỏi  tuabin  trung áp được  dẫn  về  tuabin hạ  áp  (low 
pressure cylinder-LPC) qua ống nối trực tiếp (crossover) giữa hai thân tuabin này. 
Hơi thoát từ tuabin hạ áp sẽ được ngưng tại bình ngưng (condenser) bằng nước làm 
mát (cooling water) hoặc tháp làm mát (cooling tower).   
Không khí (combustion air) được cấp vào lò hơi từ quạt gió (force draft fanFDF) được thổi các bộ sấy không khí (air heater) để gia nhiệt rồi đưa vào buồng đốt 
để đốt cháy nhiên liệu. Khói từ buồng đốt được quạt khói (induced draft fan-IDF) 
hút  đi  qua  các  bộ  quá  nhiệt,  tái  nhiệt,  bộ  hâm,  bộ  sấy  không  khí,  bộ  khử  bụi 
6 
 

(electrostatic precipitator-ESP), hệ thống khử lưu huỳnh (flue gas desulphuazation), 
qua ống khói (stack) thoát ra ngoài.     
Nước  ngưng  (condensated  water)  từ  bình  ngưng  được  bơm  ngưng  
(condensate pump) bơm tới các bộ gia nhiệt hạ áp (low pressure heater-LPH). Nước 
qua các bộ gia nhiệt này được gia nhiệt bằng hơi trích từ các cửa trích (extractor) từ 
tuabin (hạ áp và trung áp), sau đó tới bình khử khí (deaerator) để tách khí hòa tan ra 
khỏi nước (tránh ăn mòn thiết bị và đường ống dẫn). Nước qua bình khử khí cũng 
sẽ được gia nhiệt bằng hơi trích từ tuabin trung áp, khi ra khỏi bình khử khí sẽ được 
bơm cấp (boiler feed pump-BFP) bơm tới các bình gia nhiệt cao áp (high pressure 
heater-HPH) để tiếp tục gia nhiệt. Tại đây nước cấp tiếp tục được gia nhiệt bằng hơi 
trích  từ  tuabin  cao  áp  hoặc  đường  hơi  tái  nhiệt  (reheat  steam).  Sau  đó  nước  cấp 
được đưa tới bộ hâm nước (economizer) để gia nhiệt bằng khói thải trước khi vào 
bao hơi. Van điều khiển nước cấp (control valve-CV) sẽ được bố trí giữa bơm cấp 
và bình gia nhiệt cao áp để điều khiển nước cấp vào lò hơi. 
1.1.2. Lò hơi NMNĐ theo thông số hơi chính
Dựa theo thông số quan trọng là áp suất hơi, lò hơi được phân chia thành các 
loại:  Thông  số  hơi  dưới  tới  hạn  (Subcritical),  siêu  tới  hạn  (Supercritical)  và  trên 
siêu tới hạn (Ultra-supercritical). Có nhiều phân chia khác nhau về ranh giới giữa 
siêu tới hạn và trên siêu tới hạn, dưới đây là các thông số điển hình cho các loại nhà 
máy dưới tới hạn, siêu tới hạn và trên siêu tới hạn trên thế giới:   
-    Dưới tới hạn (Subcritical): áp suất hơi mới 16,7MPa, nhiệt độ quá nhiệt/tái 
nhiệt 538°C/538°C. 
-    Siêu tới hạn (Supercritical): áp suất hơi mới 24,2MPa, nhiệt độ quá nhiệt/ 
tái nhiệt 566°C/566°C. 
-    Trên  siêu  tới  hạn  (Ultra-supercritical):  áp  suất  hơi  mới  31MPa,  nhiệt  độ 
quá nhiệt/ tái nhiệt 600°C/600°C. 
Hiện nay trên thế giới, các nhà máy nhiệt điện thông số hơi dưới tới hạn vẫn là 
chủ đạo kể cả ở những nước phát triển, nhưng xu hướng sử dụng thông số siêu tới 

hạn ngày càng phổ biến, nhất là ở những nơi giá nhiên liệu đắt và phải chịu nhiều 
sức  ép  cắt  giảm  khí  nhà  kính.  Thông  số  hơi trên  siêu  tới  hạn  cũng  rất  được quan 
tâm, nhưng còn gặp nhiều trở ngại về việc phát triển các vật liệu cao cấp cho chế 
tạo lò hơi và tuabin. 
1.1.3. Công nghệ đốt than của lò hơi NMNĐ
1.1.3.1. Công nghệ đốt than phun (Pulverized Coal - PC)
Công  nghệ  đốt  than  phun  là  công nghệ  truyền  thống được  áp  dụng  rộng  rãi 
nhất trong các NMNĐ đốt than và chiếm chủ yếu trong các NMNĐ ở Việt Nam. 
7 
 


Trong lò hơi công nghệ này, than bột mịn được cấp vào buồng đốt bằng không 
khí nóng qua  các vòi đốt  gắn  trên  vách.  Trong  buồng đốt  than bột được  gia nhiệt 
nhanh chóng làm chất bốc thoát ra biến các hạt than thành các hạt xốp gồm tro xỉ và 
cốc (các-bon). Chất bốc dễ cháy nên cháy trước làm tăng tốc độ gia nhiệt hạt cốc 
đến nhiệt độ bắt cháy. Để cháy hiệu quả đòi hỏi phải đảm bảo tỷ lệ hợp lý các loại 
gió,  than bột  và không khí được hòa trộn  kỹ,  nhiệt độ buồng đốt cao,  và  than bột 
được lưu lại trong buồng đốt với thời gian đủ lớn để hoàn tất phản ứng. Nhiệt độ đốt 
điển hình của lò đốt than phun là 1300°C đến 1700°C.  
Lò hơi than phun được sản xuất với rất nhiều gam công suất, từ vài chục đến 
cỡ 1300MW. Các lò hơi đang vận hành hiện nay phổ biến là trong dải công suất từ 
300600MW  thông  số  cận  tới  hạn  (16,7MPa,  538oC/538oC),  tuy  nhiên  xu  hướng 
hiện nay của thế giới là sử dụng các tổ máy lớn với thông số siêu tới hạn (24,2MPa, 
566oC/566oC) và trên siêu tới hạn (31MPa, 600oC/600oC). 
Về mặt cấu tạo, lò hơi than phun được sản xuất với nhiều kiểu khác nhau: kiểu 
bao  hơi  có  các  loại  tuần  hoàn  tự  nhiên,  tuần  hoàn  tự  nhiên  có  hỗ  trợ,  tuần  hoàn 
cưỡng bức, kiểu trực lưu (các lò thông số hơi siêu tới hạn và trên siêu tới hạn). 
1. Buồng đốt
2. Giàn quá nhiệt bức xạ

3
2

3. Giàn quá nhiệt đối lưu
4

4. Bộ quá nhiệt trung gian
6

6. Bộ khử NOx

5
1

7. Bộ sấy không khí
7

9

 

5.Đường khói

8. Quạt gió
9. Máy nghiền than

8

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý lò hơi đốt than phun

1.1.3.2. Công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB)
Công nghệ tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed – CFB) hiện nay là 
dạng công nghệ tầng sôi phổ biến nhất cả trong công nghiệp cũng như NMNĐ. 
Với lò CFB, than và đá vôi đập nhỏ được đưa đồng thời vào phần dưới buồng 
đốt có nhiệt độ từ 8500C đến 9500C. Do dòng khí áp suất cao thổi từ dưới lên qua 
các vòi phun gió tạo tầng sôi bố trí trên ghi lò cũng chính là sàn buồng đốt, vật liệu 
lớp sôi (than, tro xỉ, đá vôi) bị khuấy đảo dữ dội. Phần lớn vật liệu lớp sôi được khói 
lò cuốn lên trên và ra khỏi buồng đốt, chỉ một phần nhỏ ở lại trong lớp sôi. Phần bị 
8 
 


cuốn theo khói lò được gom lại bởi các xyclon hiệu suất cao rồi đưa trở lại buồng 
đốt qua các đường hồi lưu. Sự tuần hoàn của các hạt than trong mạch sơ cấp (gồm 
buồng đốt, xyclon và  đường  hồi  lưu)  tiếp diễn  cho đến  khi  kích  thước hạt nhỏ đi 
(chủ  yếu  do  cháy và  một  phần do  cọ  sát) đến mức  thoát  khỏi  xyclon đi  vào  phần 
đường khói đuôi lò.  Tro  xỉ lẫn thạch  cao  tạo ra  do quá  trình  cháy  một phần được 
thải ra ngoài qua hệ thống thải tro xỉ đáy lò, còn lại phần lớn thoát khỏi xyclon bay 
theo khói lò và được thu gom tại thiết bị khử bụi tĩnh điện. Quá trình “tuần hoàn” 
như vậy kéo dài thời gian lưu lại của các hạt than trong vùng có nhiệt độ cao, giúp 
tăng mức độ cháy kiệt. 
Các lò CFB chấp nhận chất lượng nhiên liệu biến thiên trong dải rất rộng có 
thể đốt các loại nhiên liệu có độ ẩm cao, như các loại bùn và sinh khối khác nhau, 
và các loại than chất lượng xấu có hàm lượng tro cao như antraxit, than bitum, than 
á bitum, than non, than bùn. 

12

10

11

 
1. Si lô than
2. Si lô đá vôi
3. Buồng đốt
4. Xyclon

5. Bộ trao đổi nhiệt đặt ngoài
6. Bộ làm nguội xỉ đáy lò
7. Bộ chèn xiphông
8. Các bề mặt trao đổi nhiệt

9. Bộ sấy không khí
10. Lọc bụi
11. Quạt khói
12. Ống khói

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý lò hơi tầng sôi tuần hoàn
Các lò CFB lớn nhất đang hoạt động có công suất trên dưới 300MW và thông 
số hơi dưới tới hạn. Phần lớn các lò này đều đốt than xấu hoặc nhiên liệu pha trộn 
từ hai hay nhiều loại khác nhau. Gần đây cũng đã xuất hiện lò CFB siêu tới hạn với 
công  suất  lớn  được  đưa  vào  vận  hành  (ví  dụ  tại  Lagisza,  Ba  Lan,  thông  số  28,3 
MPa, 563°C/582°C, công suất 460MW bởi Foster Wheeler). Hình 1.4 thể mô tả cơ 
bản công nghệ lò CFB.
9 
 


1.2. Đặc trưng của quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

1.2.1. Tính phức tạp và tương hỗ của thông số quá trình
Xét mô hình lò hơi với các thông số vào/ra như trên hình 1.5. 
Vkhói tái TH: lưu lượng khói tái tuần hoàn 
Vkhói: Lưu lượng khói thải 
Vkhông khí: Lưu lượng không khí cấp lò 
B: lưu lượng nhiên liệu cấp lò 
Dbh: Lưu lượng hơi từ bao hơi 
Pbl: áp suất buồng đốt  
Dgo: Lưu lượng nước phun giảm ôn 
Wnc: Lưu lượng nước cấp lò 
Dxả: lưu lượng nước xả từ bao hơi 
%NOx: Phần trăm NOx trong khói thải 
%O2: Phần trăm Oxy trong khói thải 
Pqn: Áp suất hơi quá nhiệt 
Dqn: Lưu lượng hơi quá nhiệt từ lò hơi 
 
t qn: Nhiệt độ hơi quá nhiệt 
H
  bh: Mức nước bao hơi 
NaCl
x: Hàm lượng muối NaCl trong nước 
 

 

 
                      
                     Tác động trực tiếp 
                     Tác động gián tiếp   

Hình 1.5. Ảnh hưởng tương hỗ thông số quá trình lò hơi

Các thông số quá trình của lò hơi có sự tác động tương hỗ, đan xem rất phức 
tạp. Mỗi thông số quá trình có ảnh hưởng trực tiếp đến một thông số đầu ra nào đó 
của lò hơi, đồng thời nó lại ảnh hưởng gián tiếp đến một hay một số thông số khác. 
Chẳng hạn trong một thời điểm vận hành nào đó của tổ máy, khi có  yêu cầu 
tăng tải,  lưu lượng nhiên  liệu  B  cấp  vào  lò  sẽ  tăng, việc  tăng này  ảnh hưởng trực 
tiếp đến áp suất hơi quá nhiệt Pqn của lò hơi. Tác động này được gọi là tác động trực 
tiếp từ yếu tố thông số đầu vào tới thông số đầu ra của lò hơi. Tuy nhiên, việc tăng 
B  cũng  ảnh  hưởng  tới  các  thông  số đầu  ra  khác  của  lò  hơi như  nhiệt  độ  hơi  quá 
nhiệt  (tqn)  do  nhiệt  lượng  trong  buồng  đốt  tăng,  hàm  lượng  Oxy  trong  khói  thải 
(%O2) do cần nhiều hơn để đốt cháy nhiên liệu. Ngoài ra việc tăng lưu lượng nhiên 
liệu cũng sẽ làm tăng lưu lượng hơi quá nhiệt sinh ra trong lò hơi. 
Việc tăng lưu lượng nhiên liệu cũng sẽ làm tăng lưu lượng không khí cấp vào 
buồng đốt, việc này  sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến %O2 trong khói thải, ngoài ra còn 
ảnh hưởng đến áp suất buồng đốt Pbl cũng như hàm lượng %NOx được sinh ra. 
10 
 


Để điều chỉnh giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt, sẽ thực hiện tăng lưu lượng nước 
phun giảm ôn (đối với phương pháp điều chỉnh nhiệt độ bằng phun nước giảm ôn). 
Việc này đồng thời lại làm giảm lưu lượng hơi quá nhiệt được sinh ra. 
Với lưu lượng nước cấp Wnc, khi thay đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mức bao 
hơi Hbh, ngoài ra còn ảnh hưởng gián tiếp đến lưu lượng hơi quá nhiệt Dqn sinh ra, 
hay hàm lượng muối NaClx. 
Như  vậy,  xét  về  tổng  thể  tất  cả  các  thông  số  quá  trình  nhiệt  trong  lò  hơi 
NMNĐ đều có tác động tương hỗ, ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến nhau.      
1.2.2. Đặc trưng bất định và phi tuyến của đối tượng nhiệt trong NMNĐ
Phần  lớn  các  hệ  thống  có  trong  tự  nhiên  đều  mang  tính  phi  tuyến  [13],  đây 

cũng là đặc trưng chung của các quá trình nhiệt trong NMNĐ [48, 72, 73, 76, 79]. 
Tính chất này cùng với đặc điểm tác động tương hỗ phức tạp của các thông số dẫn 
đến đặc trưng thứ hai của quá trình nhiệt trong NMNĐ là tính bất định.  
Đặc trưng bất định và phi tuyến của quá trình sẽ được thể hiện rõ nhất trong 
điều kiện làm việc khi phụ tải biến đổi, càng mạnh thì càng rõ rệt mạnh hay còn gọi 
là làm việc ở dải công suất rộng (plant wide-range operation) như các chế độ dưới 
đây. 
1.2.2.1. Phụ tải biến đổi do yêu cầu vận hành
Công suất tổ máy sẽ biến đổi trong các trường hợp:   



Chế độ khởi động, tăng công suất đến giá trị định mức.  
Tăng/giảm tải theo yêu cầu vận hành của lưới (đơn vị điều độ) 

Ở các mức công suất khác nhau, với cùng một tín hiệu điều khiển sẽ cho ra các 
đáp ứng khác nhau của thông số quá trình. Ví dụ, trong chế độ điều khiển phối hợp 
(CCS), các thông số cần điều khiển là áp suất hơi (quá nhiệt, hơi mới) và công suất 
sẽ được điều khiển bằng nhiên liệu cấp lò và góc mở van điều khiển hơi. Với cùng 
một lượng nhiên liệu được cung cấp thì mức biến động áp suất và tải tổ máy sẽ khác 
nhau.  
Xét  các  đáp  ứng  của  tổ  máy  nhiệt  điện  300MW  tại  Sơn  Đông,  Trung  Quốc 
như  trên hình 1.6  [79],  với mức  tăng nhiên liệu 1% thì  mức tăng  áp suất  hơi quá 
nhiệt  và  công suất  tổ máy  ở  bốn mức  tải 60%,  73%, 87% và 100% là  khác nhau. 
Trong đó mức biến  động của  thông số  áp  suất  là  nhiều hơn  so  với thông số  công 
suất.  
Tương tự  khi  tăng góc mở  của  van điều  khiển hơi  tuabin  1%  thì  áp suất hơi 
mới giảm, độ giảm càng lớn khi công suất ở mức càng thấp, còn công suất tổ máy 
đáp ứng tức thì tăng lên nhưng sau đó giảm về mức ban đầu, độ dao động này ở các 
mức tải cũng là khác nhau nhưng mức độ không lớn. 

11