Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nước trong hệ thống mức nước bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-------------------------

LƯU VĂN SỞ

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN
ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO
HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU
KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa

THÁI NGUYÊN – 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LƯU VĂN SỞ

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN
ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO
HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU
KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 605201216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. TRẦN XUÂN MINH

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

/>

i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Lưu Văn Sở
Sinh ngày: 10 tháng 01 năm 1978
Học viên lớp cao học Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - khoá 15 - Trường
Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Hà Giang - Thành Phố Hà
Giang - Tỉnh Hà Giang.
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

Lưu Văn Sở

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 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 tài 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

Lưu Văn Sở


3

MỤC LỤC
Trang
i

Lời cam đoan
ii

ơn
iii

Lời cảm

Mục lục
vi

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt
viii

Danh mục các bảng biểu
mục các hình vẽ và đồ thị

ix

Danh

MỞ ĐẦU

1
3

NỘI DUNG
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH
BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

3

1.1 Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu

3

1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện

3

1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

4

1. 2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện

6

1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi

6

1.2.2. Cấu tạo của lò hơi

6

1.2.3. Các loại lò hơi chính

8

1.2.4. Hệ thống điều khiển lò hơi

11

1.2.4.1. Lò hơi là một đối tượng điều khiển

11

1.2.4.2. Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi

12

1.3. Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện
1.3.1. Đặt vấn đề

14
14

1.3.2. Hệ điều khiển bao hơi

15

1.3.3. Mục tiêu nghiên cứu

17

1.4. Kết luận chương 1

18

4

Chương 2. MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

19

2.1. Đặt bài toán

19
21

2.2. Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển mức
nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện
2.2.1. Cấu trúc mô hình nhà máy nhiệt điện

21

2.2.2. Cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao hơi

22

2.2.3. Hàm truyền các thành phần của hệ thống

22

2.2.3.1. Thiết bị đo

22

2.2.3.2. Thiết bị chấp hành

26
31

2.2.3.3. Bình bao hơi
2.3. Hàm truyền của hệ thống

37

2.4. Kết luận:
Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ
ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI

37
39

3.1. Tổng quan bộ điều khiển PID

39

3.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)

40

3.1.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols

40

3.1.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick

41

3.1.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn.
3.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số

42
42

3.1.2.1. Nguyên tắc thiết kế

43

3.1.2.2. Phương pháp tối ưu modul

43

3.1.2.3. Phương pháp tối ưu đối xứng

44

3.2. Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao hơi
3.3. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink
3.3.1. Sơ đồ mô phỏng bằng matlab – Simulink
3.3.2. Các kết quả mô phỏng
3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm

45

47
47
47
48


5

3.4.1. Mô hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm

48

3.4.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm

50

3.4.3. Các kết quả thực nghiệm

55

3.4.4. So sánh với kết quả mô phỏng

56

3.5. Kết luận chương 3
Chương 4. ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
MỨC NƯỚC BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH
THAM SỐ PID
4.1. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ

56
57
57

4.1.1. Mờ hóa

57

4.1.2. Giải mờ

58

4.1.3. Khối luật mờ và khối hợp thành

59

4.1.3.1. Các bước xây dựng luật hợp thành khi có nhiều điều kiện

60

4.1.3.2. Thuật toán xây dựng luật hợp thành của nhiều mệnh đề hợp thành
61
4.1.4. Bộ điều khiển mờ

62

4.1.4.1. Bộ điều khiển mờ động

62

4.1.4.2. Bộ điều khiển thích nghi

63

4.1.4.3. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

64

4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

64

4.2.1. Phương pháp thiết kế
4.2.2. Nhận xét

64
69

4.3. Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink
4.3.1. Sơ đồ mô phỏng

69
69

4.3.2. Kết quả mô phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số
bộ điều khiển PID
4.3.3. Nhận xét

71

4.4. Kết luận chương 4

71

Kết luận và kiến nghị

73

Tài liệu tham khảo

74

70


6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

CO

Tín hiệu điều khiển

2

MV

Biến điều khiển

3

CV

Biến được điều khiển

4

PM

Tín hiệu đo

5

WH

Hàm truyền đạt

6

K

Hệ số khuếch đại đầu ra

7

kI, 

8

SISO

Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra

9

MIMO

Tín hiệu có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra.

10

SIMO

Tín hiệu có một đầu vào và nhiều đầu ra.

11

MISO

Tín hiệu có nhiều đầu vào và một đầu ra.

Các hệ số khuếch đại đầu vào

vii

Các chữ viết tắt


STT Ký hiệu
đầy đủ

vii
Diễn giải nội dung

12
QTCN
bình bao hơi

Mức nước cấp

13
FC
đóng an toàn

fail-closed - van

14
AO
đóng an toàn

air-to-open - van

15

FO
mở an toàn

fail-open - van

Bộ điều khiển
thích
nghi
air-to-close
- vanmờ
hình
mẫu
19
16
AC
FMRAFC
theo mô
truyền thẳng
mở an toàn
20
Measurementdevice Thiết bị đo
Bộ điều khiển tỷ lệ
17
PID
Cảm biến
21
vi tích Sensor
phân
22
18

mờ
23

Phần tử cảm biến, đầu đo
Sensor element
Điều khiển logic
FLC
Signal conditioning Điều hoà tín hiệu

24

Transmitter

Bộ chuyển đổi đo chuẩn

25

Transducer

Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng


8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu

Nội dung bảng biểu

Trang

Bảng 1.1

Quá trình sinh hơi

7

Bảng 1.2

Cấu tạo các bộ phận chính của lò hơi có bao hơi đốt phun

Bảng 3.1

Danh mục các thiết bị mô hình thực nghiệm

Bảng 4.1

Luật chỉnh định Kp

67

Bảng 4.2

Luật chỉnh định KD

68

Bảng 4.3

Luật chỉnh định 

68

9
51


9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Số hiệu

Nội dung

Hình 1.1

Quá trình chuyển hóa năng lượng

Hình 1.2

Sơ đồ đồ chu trình nhiệt của một tở máy

Hình 1.3

Nguyên lý cấu tạo lò hơi

Hình 1.4

Các bộ phận chính của lò hơi đốta than phun

Hình 1.5

Sơ đồ cấu tạo của lò hơi có bao hơi

Hình 1.6

Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi

Trang
4
5
7
8
10
13


10

Hình 2.1

MH NMTĐ tại trung tâm TN của trường ĐH kỹ thuật công
nghiệp

Hình 2.2

Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình

Hình 2.3

Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình

23

Hình 2.4

Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp

24

Hình 2.5

Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành

26

Hình 2.6

Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén

27

Hình 2.7

Biểu tượng và ký hiệu cho kiểu tác động của van điều khiển

Hình 2.8

Bao hơi nhà máy nhiệt điện

Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 3.1
Hình 3.2

Hệ thống lọc khí, hầm nước và bơm cấp nước
Cơ cấu đo và hiển thị mức nước dùng ống kính

22
22

28
31
32
33

Đặc tính động của mức nước bình bao hơi khi thay đổi lưu
lượng nước cấp

35
36

Đặc tính động của mức nước bao hơi theo lưu lượng nước cấp

37

Sơ đồ điều chỉnh mức nước bao hơi một tín hiệu
Cấu trúc mô tả toán học của toàn hệ thống
Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID)
Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID

37
38
39


Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8

Đồ thị quá độ

40

Sơ đồ hệ thống điều khiển

42

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi
nhà máy nhiệt điện
Cấu trúc mô phỏng điều khiển mức nước cấp bao hơi

Đáp ứng của hệ thống với mức nước 70%
Đáp ứng của hệ thống với mức nước nhảy cấp từ 70% lên 90%

45
46
47
47

Hình 3.9

Cấu trúc thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bình bao hơi

48

Hình 3.10

Bình cấp nước trong thí nghiệm điều khiển mức nước bao hơi

48

Hình 3.11

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

49

Hình 3.12

Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi

49

Hình 3.13

Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi 80%
Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi nhảy cấp

54


Hình 3.14

54

từ 80% xuống 60%

Hình 4.1

Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản

57

Hình 4.2

Phương pháp giải mờ cực đại

58

Hình 4.3

Phương pháp trọng tâm

59

Hình 4.4

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD

62

Hình 4.5

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

63

Hình 4.6

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

63

Hình 4.7

Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp

63

Hình 4.8

Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp

64

Hình 4.9

Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển

Hình 4.10

Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID

Hình 4.11

Bên trong bộ điều chỉnh mờ

64
65
66

Hình 4.12

Tập mờ e và e’

67

Hình 4.13

Tập mờ 

67


Hình 4.14
Hình 4.15

Tập mờ Kp và KD

67

Cấu trúc chỉnh đỉnh mờ tham số PID
Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với bộ điều khiern PID và

68


Hình 4.16

bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID

69

Hình 4.17

Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với cấu trúc bộ điều khiển
mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

70

Hình 4.18

Đáp ứng mức nước bao hơi khi đặt 70%

70

Hình 4.19

Đáp ứng áp suât bao hơi khi mức nước đặt thay đổi từ 70% lên
71
90%


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Trong nhà máy nhiệt điện một thiết bị quan trọng nhất là lò hơi. Để đảm
bảo quá trình hoạt động của nhà máy nhiệt điện cũng như các dây chuyền có sử
dụng lò hơi thì việc điều khiển mức nước bao hơi của lò đóng vai trò cực kỳ quan
trọng. Nó quyết định đến năng suất và chất lượng của dây chuyền. Việc thiết kế
các bộ điều khiển các quá trình trong hệ thống mức nước bao hơi là đòi hỏi cấp
thiết đối với cán bộ kỹ thuật, cán bộ, công nhân vận hành...
Một số dây chuyền có sử dụng lò hơi đang sử dụng ở nước ta hiện nay có thời
gian phục vụ lâu, các hệ thống điều khiển thường là thế hệ cũ hoặc do thời gian nên
bị hỏng, cần thiết phải thiết kế mới cũng như áp dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại
để cải thiện chất lượng.
Tuy nhiên do thời gian có hạn và hạn chế về kiến thức cũng như về thiết bị thí
nghiệm nên em chỉ có thể quan tâm đến một phần của hệ thống điều khiển mức
nước bao hơi.
Xuất phát từ thực tiễn đó nên em đã chọn đề tài: Thiết kế bộ điều chỉnh PID

để điều khiển và ổn định mức nước trong hệ thống mức nước bao hơi, đề xuất
cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển
PID.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tổng quan về điều khiển mức nước cấp bình
bao hơi nhà máy nhiệt điện.
- Mô tả toán học cho đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi mô
hình nhà máy nhiệt điện.
- Thiết kế được bộ điều chỉnh PID ứng dụng vào điều khiển và ổn định mức
nước của hệ thống mức nước bao hơi của mô hình lò hơi tại trung tâm thí nghiệm
trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên. Thực hiện việc mô phỏng và thực nghiệm
để kiểm chứng bộ điều khiển được thiết kế.
- Đề xuất phương án cải thiện chất lượng điều khiển mức nước bình bao hơi
của hệ thống mức nước bao hơi bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID.


2

3. Nội dung của luận văn
Với các mục tiêu đã đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:


3

Chương 1. Tổng quan về điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt
điện.
Chương 2. Mô tả toán học cho đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao
hơi mô hình nhà máy nhiệt điện.
Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định mức nước cấp
bình bao hơi.

Chương 4. Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển mức nước bình bao hơi
bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID.
Kết luận và kiến nghị


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN

1.1. Tổng quan chung về nhà máy nhiệt điện
Nhà máy hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển hóa nhiệt năng thành
cơ năng rồi sau đó thành điện năng. Nhiệt năng được tạo thành từ việc đốt
cháy các nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ... tại buồng đốt làm
nước trong lò hơi chuyển hóa thành hơi nước. Hơi nước (với các điều kiện về
áp suất, nhiệt độ, lưu lượng) được đưa tới sinh công ở tuabin. Điện năng thu
được ở đầu ra của máy phát sẽ được đưa qua hệ thống các trạm biến áp để
cung cấp cho phụ tải.
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
Năng lượng nói chung đóng vai trò vô cùng quan trong trong đời sống
kinh tế – xã hội của loài người. Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng năng
lượng ngày càng cao. Nhưng nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt
dần, nó tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển của kinh tế thế giới. Trong những năm
qua, ngành năng lượng của nước ta đã có những bước phát triển mạnh mẽ, về
cơ bản đã đáp ứng được yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội và đời sống sinh
hoạt của nhân dân. Tuy nhiên, trước sự phát triển của các khu công nghiệp,
các thành phố, đô thị..... thì yêu cầu bảo đảm nhu cầu về năng lượng để duy
trì mức tăng trưởng kinh tế, góp phần bảo đảm an ninh chính trị, trật tự an
toàn xã hội và đời sống của nhân dân là rất quan trong. Do đó, “Khai thác và
sử dụng năng lượng có hiệu quả và bền vững; Vấn đề sử dụng tiết kiệm các
nguồn năng lượng; Khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng mới…qua đó,

nó góp phần vào sự phát triển ngành năng lượng, quá trình triển khai công
nghiệp hóa và hiện đại hóa nước ta”.


Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hoá nhiệt
năng từ đốt cháy các loại 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 điện 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 hoà vào mạng
lưới điện quốc gia.
Quá trình chuyển hoá năng lượng từ năng lượng hoá 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 hoà mang
nhiệt năng. Hơi bão hoà là môi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin. Tại
tuabin nhiệt năng biến đổi thành cơ năng, sau đó từ cơ năng chuyển hoá
thành điện năng. Quá trình chuyển hoá năng lượng đó có thể được thể hiện
qua mô hình sau:

Hình 1.1. Quá trình chuyển hóa năng lượng
1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện


Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển hóa nhiệt
năng thành cơ năng rồi sau đó thành điện năng. Nhiệt năng được tạo thành từ
việc đốt

cháy các nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ... tại buồng đốt làm nước
trong lò hơi chuyển hóa thành hơi nước. Nước ngưng từ các bình ngưng tụ
o

được bơm ngưng bơm vào các bình gia nhiệt hạ áp đến 140 C. Tại đây, nước
ngưng được gia nhiệt bởi hơi nước trích ra từ các cửa trích hơi qua tuabin. Sau
khi đi qua các bộ gia nhiệt hạ áp, nước ngưng được đưa lên bình khử khí 6at
để khử hết các bọt khí có trong nước, chống ăn mòn kim loại. Nước sau khi
được khử khí, được các bơm cấp nước đưa qua các bình gia nhiệt cao áp để
tiếp tục được gia nhiệt bởi hơi nước trích ra từ các cửa trích hơi ở xilanh cao áp
o

của tuabin đến nhiệt độ 230 C. Sau khi được gia nhiệt ở gia nhiệt cao áp, nước
được đưa qua bộ hâm nước ở đuôi lò rồi vào bình bao hơi.
Nước ở bao hơi theo vòng tuần hoàn tự nhiên chảy xuống các giàn ống
sinh hơi, nhận nhiệt năng từ buồng đốt của lò biến thành hơi nước và trở về
bao hơi. Trong bao hơi phần trên là hơi bão hòa ẩm, phía dưới là nước ngưng.
Hơi bão hòa ẩm trong bao hơi không được đưa ngay vào tuabin mà được đưa
qua các bộ sấy hơi, tại đây hơi được sấy khô thành hơi quá nhiệt, rồi được đưa
vào tuabin. Tại tuabin, động năng của dòng hơi được biến thành cơ năng
quay trục hệ thống Tuabin-Máy phát. Hơi sau khi sinh công ở các tầng cánh
của tuabin được ngưng tụ thành nước ở bình ngưng tụ. Công do tuabin sinh ra
làm quay máy phát điện. Như vậy, nhiệt năng của nhiên liệu đã biến đổi thành
cơ năng và điện năng, còn hơi nước là môi chất trung gian được biến đổi
theo một vòng tuần hoàn kín.

Hình 1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy

1.2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện
1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi
Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi là thiết bị lớn nhất sinh hơi và vận hành
phức tạp nhất . Nó được cơ khí hóa và tự động hóa khá cao, làm việc đảm
bảo và hiệu suất cao. Trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt
lượng tỏa ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành
nhiệt năng của dòng hơi. Lò hơi có nhiệm vụ chính như sau:
- Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, khí đốt…
trong buồng đốt nhiên liệu thành điện năng.
- Truyền nhiệt năng sinh ra cho môi chất tải nhiệt hoặc môi chất và
thông qua hệ thống dẫn đưa môi chất đi làm quay tua bin.
Thường trong lò hơi chất tải nhiệt là nước có nhiệt độ thông thường
được đưa lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ sôi, biến thành hơi bão hòa hoặc
hơi quá nhiệt.
1.2.2. 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.