Điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn ứng dụng trí tuệ nhân tạo

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

LÊ MINH THÀNH

LÊ MINH THÀNH

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN
HOÀN ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO

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

K33PFIEV
Đà Nẵng – Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

LÊ MINH THÀNH

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN HOÀN
ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO

Chuyên ngành :

Mã số:

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGUYỄN QUỐC ĐỊNH

Đà Nẵng – Năm 2018


1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Đà Nẵng, ngày 14 tháng 05 năm 2018
Tác giả luận án

LÊ MINH THÀNH


2
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN HOÀN ỨNG DỤNG TRÍ
TUỆ NHÂN TẠO
Học viên: Lê Minh Thành. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.
Mã số: 60.52.02.16 Khóa: 33. Trường Đại Học Bách Khoa- ĐHĐN

Tóm tắt: Hiện nay việc sử dụng nhiều phương pháp điều khiển khác nhau trong điều
khiển tự động đang được quan tâm và nghiên cứu sử dụng để đạt được lợi ích tốt nhất.
Điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn thường khá phức tạp do đối tượng có tính
trễ và phi tuyến. Nếu có thể sử dụng các bộ điều khiển thông minh kết hợp tốt các
phương pháp với nhau có thể mang đến một hiệu quả cao trong điều khiển. Luận văn
khái quát chung về lò hơi tầng sôi tuần hoàn và điều khiển nhiệt độ lò thông qua các bộ
điều khiển PID, mờ và PID nơron. Tác giả đã đưa ra kết quả đạt được trong quá trình
nghiên cứu và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.
Từ khóa- Lò hơi tầng sôi tuần hoàn, nhiệt độ, mạng nơ ron, điều khiển mờ.
CONTROL TEMPERATURE OF CIRCULATING FLUIDIZED BED BOILER
USING ARTIFICIAL INTELLIGENCE

Abstract: Currently, the use of a variety of controlling methods in automatic control is
being considered and researched to achieve the best benefit. Controlling temperature of
the circulating fluidized bed boiler is usually quite complex because of its delays and
nonlinearities. If it is possible to use smart controllers combining many methods
together, it can bring a pretty high efficiency in the temp of controlling. Essay provides
a general overview of circulating fluidized bed boiler and its temperature controlling by
using PID, fuzzy, PID neuron. The author has given the results obtained in the process
of searching and provided the research direction for the next topic.
Key words- Circulating fluidized, temperature, neuron network, fuzzy control.


3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ 1
MỤC LỤC ............................................................................................................ 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................... 5

DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. 6
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................... 7
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 9
1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................... 9
2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................9
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................9
4. Nội dung nghiên cứu.........................................................................................10
5. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................10
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................... 10
7. Cấu trúc luận văn .............................................................................................. 10

CHƯƠNG 1........................................................................................................ 12
TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN HOÀN ................................ 12
1.1. Giới thiệu chung về lò hơi ...................................................................................... 12
1.1.1. Định nghĩa...................................................................................................12
1.1.2. Phân loại lò hơi ........................................................................................... 12
1.2. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật tầng sôi ............................................................................ 13
1.2.1 Sơ đồ nguyên lý tạo tầng sôi:.......................................................................14
1.2.2 Vật liệu sử dụng trong lò tầng sôi: ............................................................... 15
1.3. Phân loại lò hơi tầng sôi ......................................................................................... 15
1.3.1 Lò hơi tầng sôi bong bóng: ..........................................................................15
1.3.2 Lò hơi tầng sôi tuần hoàn: ..........................................................................16
1.4 Giới thiệu lò hơi tầng sôi tuần hoàn ........................................................................ 17
1.4.1 Cấu tạo .........................................................................................................17
1.4.2 Nhiên liệu .....................................................................................................17
1.4.3 Quá trình cháy của nhiên liệu ......................................................................18
1.5 Phương pháp điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn ................................... 22
1.5.1 Các phương pháp điều khiển phổ biến ........................................................22
1.5.2 Mô hình hóa hệ thống và đề xuất phương án điều khiển............................. 26
1.5.3 Nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống lò hơi tầng sôi tuần hoàn ...........28

CHƯƠNG 2........................................................................................................ 30
TỔNG QUAN VỀ MẠNG NƠRON VÀ LOGIC MỜ ................................... 30
2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 30


4
2.2. Tổng quan về điều khiển mờ .................................................................................. 30
2.2.1. Giới thiệu ....................................................................................................30
2.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển mờ ...................................................................32
2.3. Tổng quan về mạng nơron ...................................................................................... 41
2.3.1. Giới thiệu ....................................................................................................41
2.3.2. Lịch sử phát triển của mạng nơron nhân tạo ...............................................42
2.3.3 Cấu trúc mạng nơron nhân tạo .....................................................................43
2.3.4 Mô hình nơron ............................................................................................. 45
2.3.5. Cấu trúc mạng ............................................................................................. 46
2.3.6. Huấn luyện mạng ........................................................................................48
2.3.7 Tổng quan về mạng nơron hàm cơ sở bán kính xuyên tâm RBFNN ..........49

CHƯƠNG 3........................................................................................................ 53
MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN
HOÀN VÀ ĐÁNH GIÁ ..................................................................................... 53
3.1 Điều khiển nhiệt độ trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn sử dụng bộ điều khiển PID. .. 53
3.1.1. Khái niệm về bộ điều khiển PID................................................................. 53
3.1.2. Điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng bộ điều khiển PID. ......................54
3.2. Điều khiển nhiệt độ trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn sử dụng bộ điều khiển mờ. .. 57
3.3. Điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn sử dụng bộ điều khiển NN-PID..... 62
3.3.1. Bộ điều khiển NN-PID ...............................................................................64
3.3.2. Xây dựng bộ nhận dạng đối tượng sử dụng mạng RBFNN .......................65
Tổng hợp đánh giá các bộ điều khiển ............................................................................ 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 70
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 71
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 72


5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
FIS
Fuzzy inference system.
NN-PID
Neural Network-Porportional integral derivative.
RBFNN
Radial Basic Function Neural Network
SISO
Single Input Single Output
MIMO
Multi Input Multi Output


6
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

3.1

Thông số đạt được của bộ điều khiển PID

3.2

Bảng luật điều khiển

3.3

Thông số đạt được của bộ điều khiển mờ

62

3.4

Thông số đạt được của bộ điều khiển NN-PID

68

3.5

Tổng hợp các số liệu từ các bộ điều khiển

69

56
57-58


7
DANH MỤC CÁC HÌNH

Số
hiệu
hình
vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Buồng đốt lò hơi tầng sôi

13

1.2

Sơ đồ nguyên lý tạo tầng sôi

14

1.3

Sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi bong bóng

16

1.4

Sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi tuần hoàn

16

1.5

Sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi tuần hoàn

17

1.6

Sơ đồ điều khiển áp suất dòng hơi

23

1.7

Sơ đồ điều khiển lượng khí vào buồng đốt

24

1.8

Sơ đồ điều khiển lượng gió từ quạt chính

24

1.9

Sơ đồ điều khiển nhiệt độ dòng hơi

25

1.10

Sơ đồ điều khiển áp suất buồng đốt

25

1.11

Sơ đồ mô hình bộ điều khiển Smith

26

2.1

Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

32

2.2

Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ

33

2.3

Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành max-min

35

2.4

Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành max-prod

36

2.5

Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-min

37

2.6

Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-prod

38

2.7

Giải mờ theo nguyên tắc trung bình

39

2.8

Giải mờ theo nguyên tắc cận trái

39

2.9

Giải mờ theo nguyên tắc cận phải

40

2.10

Giải mờ bằng phương pháp điều khiển trọng tâm

41

2.11

So sánh các phương pháp giải mờ

41

2.12

Mô hình 2 nơ ron sinh học

43

2.13

Mô hình nơ ron đơn giản

44

2.14

Mạng nơ ron 3 lớp

44

2.15a, Mô hình nơ ron đơn giản

45


8
b
2.16

Nơ ron với R đầu vào

45

2.17

Ký hiệu nơ ron với R đầu vào

46

2.18

Cấu trúc mạng nơ ron 1 lớp

46

2.19

Ký hiệu mạng R đầu vào và S

47

2.20

Ký hiệu một lớp mạng

47

2.21

Cấu trúc mạng nơ ron 3 lớp

48

2.22

Ký hiệu tắt của mạng nơ ron 3 lớp

48

2.23

Câu trúc huấn luyện mạng

48

3.1

Sơ đồ luật điều khiển PID

53

3.2

Sơ đồ nguyên lý điều khiển với bộ điều khiển PID

54

3.3

Mô phỏng bộ điều khiển PID cho lò hơi tầng sôi tuần hoàn

55

3.4

Khối điều khiển PID

56

3.5

Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID cho lò hơi

56

3.6

Điều khiển mờ cho lò hơi

57

3.7

Giao diện FIS

59

3.8

Mờ hóa sai lệch

59

3.9

Mờ hóa tích phân sai lệch

60

3.10

Mờ hóa điện áp điều khiển

60

3.11

Quan hệ vào ra của bộ điều khiển

61

3.12

Quan sát hoạt động của các luật

61

3.13

Mô phỏng bộ điều khiển cho lò hơi

62

3.14

Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ cho lò hơi

62

3.15

Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ lò hơi

63

3.16

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID- một nơ ron

64

3.17

Cấu trúc mạng RBFNN

65

3.18

Kết quả so sánh tín hiệu ngõ vào và ngõ ra bộ nhận dạng
RBFNN

67

3.19

Kết quả so sánh tín hiệu điều khiển và đáp ứng

67

3.20

Kết quả chỉnh định hệ số Kp, Ki, Kd

68

3.21

Tổng hợp mô phỏng các bộ điều khiển PID, mờ, PID-NN

69


9
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, đặc biệt đối với nước ta đang
trong thời kỳ công nghiệp hóa – hiện đại hóa, cũng chính vì mục tiêu đó mà việc ứng
dụng các phương pháp điều khiển mới linh hoạt hơn vào điều khiển tự động là rất cần
thiết.
Những phương pháp điều khiển cổ điển hầu như dựa trên nền toán học chính xác.
Tuy nhiên kỹ thuật điều khiển ứng dụng trí tuệ nhân tạo bắt nguồn từ những sách lược
và kinh nghiệm của chuyên gia đã có thể thoát được những ràng buộc từ những phương
pháp toán học chính xác. Cũng chính vì vậy mà điều khiển ứng dụng trí tuệ nhân tạo
được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển quá công nghiệp. Phương pháp điều khiển sử
dụng mạng nơron tái tạo lại chức năng giống con người đã mở ra một hướng mới trong
việc giải quyết các bài toán kỹ thuật và kinh tế.
Điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn thường khá phức tạp do đối tượng có
tính trễ và phi tuyến. Ngày nay với sự ra đời của nhiều phương pháp điều khiển khác
nhau, mỗi phương pháp chắc chắn sẽ có những điểm mạnh riêng. Nếu có thể kết hợp tốt
các phương pháp với nhau có thể mang đến một hiệu quả cao trong điều khiển.

Cũng chính vì những yếu tố trên mà việc kết hợp phương pháp PID truyền thống
và mạng nơron được nghiên cứu là mục đích của đề tài “Điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng
sôi tuần hoàn ứng dụng trí tuệ nhân tạo”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu các đặc trưng của mạng nơron nhân tạo, khả năng và các nguyên tắc để
ứng dụng thành công mạng nơ ron nhân tạo trong thực tế. Xây dựng lý thuyết sử dụng
mạng nơ ron giám sát và điều khiển nhiệt độ lò hơi. Làm cơ sở cho các nghiên cứu sâu
hơn về lò hơi và nền tảng để chế tạo mô hình điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần
hoàn.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Quá trình thay đổi nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn.
- Lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơron .
- Phần mềm Matlab & Simulink mô phỏng quá trình điều khiển nhiệt độ lò hơi
tầng sôi tuần hoàn.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn sử dụng phương pháp điều khiển
PID, phương pháp sử dụng mạng nơrơn bán kính xuyên tâm RBF giám sát nhiệt độ lò
và điều khiển bằng mạng nơron PID.


10

- Mô phỏng quá trình điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu mô hình lò hơi tâng sôi tuần hoàn.
- Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơron và mạng nơron kết hợp với
phương pháp điều khiển truyền thống.
- Nghiên cứu xây dựng mô phỏng quá trình điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần
hoàn bằng phần mềm Matlab & Simulink.

5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với việc làm mô phỏng thực nghiệm:
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng điều khiển
mờ, mạng nơron nhân tạo và mạng nơron bán kính xuyên tâm RBF.
- Nghiên cứu bộ điều khiển PID, điều khiển mờ và điều khiển mờ nơron để điều
khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn.
- Đề tài thực hiện trong phạm vi mô phỏng mô hình trên công cụ Matlab – Simulink
sẽ là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu trong thực tế.
- Trên cơ sở các kết quả mô phỏng rút ra kết luận.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
6.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Nghiên cứu này cũng như các nghiên cứu khác có cùng mục tiêu nâng cao độ chính
xác sẽ cung cấp thêm cho những nhà nghiên cứu, đề tài sẽ mang lại một hướng mới
trong việc thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn, ngoài việc
dùng bộ điều khiển PID hoặc bộ điều khiển mờ. Các bộ điều khiển thông minh có thể
cho khả năng điều khiển tốt hơn đối với đối tượng điều khiển là nhiệt độ.
6.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Đề tài thực hiện làm cơ sở để thực hiện các bộ điều khiển sử dụng kết hợp phương
pháp điều khiển PID truyền thống và mạng nơron với chất lượng đạt yêu cầu áp dụng
với các đối tượng có độ trễ, phi tuyến và trong môi trường có nhiễu tác động trong quá
trình làm việc.
7. Cấu trúc luận văn
MỞ ĐẦU
Luận văn gồm có 3 chương:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN HOÀN.
Giới thiệu về lò hơi, mô hình, nguyên lý hoạt động.
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG NƠRON VÀ LOGIC MỜ
Chương này tổng hợp trình bày lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơron và mạng
nơron với phương pháp PID truyền thống.
Chương 3: MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI TẦNG SÔI

11
TUẦN HOÀN VÀ ĐÁNH GIÁ.
Điều khiển bằng các phương pháp PID, mờ, nơron PID kết hợp mạng nơron giám
sát. Tổng hợp và đánh giá các bộ điều khiển.


12
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN HOÀN
1.1. Giới thiệu chung về lò hơi
1.1.1. Định nghĩa
Lò hơi là thiết bị trong đó xẩy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra
từ quá trình cháy sẽ truyền cho nước trong lò để biến nước thành hơi. Nghĩa là lò hơi là
thiết bị thực hiện quá trình biến đổi, chuyển hoá năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt
năng của dòng hơi.
Lò hơi có mặt khá phổ biến trong các nhà máy, xí nghiệp. Trong các nhà máy công
nghiệp như: nhà máy hóa chất, đường, rượu, bia, nước giải khát, thuốc lá, dệt, chế biến
thực phẩm, hơi nước phục vụ cho các quá trình công nghệ: đun nấu, chưng cất các dung
dịch, cô đặc và sấy sản phẩm. Hơi ở đây thường là hơi bão hòa, có áp suất hơi tương
ứng với nhiệt độ bão hòa cần thiết cho quá trình công nghệ. Loại lò hơi này được gọi là
lò hơi công nghiệp, có áp suất hơi thấp, sản lượng nhỏ.
Trong nhà máy điện, lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuốc bin, phục vụ cho việc
sản xuất điện năng, đòi hỏi phải có công suất lớn, hơi sử dụng là hơi quá nhiệt có áp suất
và nhiệt độ cao. Loại này được gọi là lò hơi để sản xuất điện năng…
1.1.2. Phân loại lò hơi
Lò hơi theo được phân loại theo nhiều cách:
- Theo nhiệm vụ của lò hơi trong sản xuất: lò hơi công nghiệp và lò hơi sản xuất
điện năng.

+ Lò hơi công nghiệp: phục vụ cho các quá trình công nghệ ở các nhà máy sản
xuất công nghiệp (thường sản xuất hơi bão hoà, áp suất hơi không vượt quá 2Mpa, nhiệt
độ t = 2500C).
+ Lò hơi phục vụ cho sản xuất điện: sản xuất hơi quá nhiệt, có công suất lớn, áp
suất và nhiệt độ hơi cao, thường lớn hơn 2Mpa và trên 3500C.
- Theo chế độ đốt nhiên liệu trong buồng lửa: lò ghi thủ công, lò ghi nửa cơ khí, lò
ghi cơ khí (ghi xích), lò phun nhiên liệu lỏng, lò phun nhiên liệu khí, lò phun bột than,
lò buồng đốt xoáy, lò buồng lửa tầng sôi.
- Theo chế độ tuần hoàn của nước trong lò: lò tuần hoàn tự nhiên, lò tuần hoàn
cưỡng bức, lò trực lưu.
Tuy nhiên, cách phân loại này chỉ thể hiện một vài đặc tính nào đó của lò hơi, thực
tế khi gọi tên lò hơi người ta thường kết hợp nhiều kiểu phân loại.


13
1.2. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật tầng sôi
Tầng sôi là một vùng không gian được tạo bởi các hạt rắn gồm: than, tro, cát, đá
vôi… những hạt này được nâng lên và lơ lửng trong buồng đốt nhờ áp lực của dòng
không khí.
Khi dòng không khí xuyên qua lớp hạt rắn, dòng khí tạo xu hướng tách các hạt ra
khỏi nhau, làm cho lớp liệu trong buồng đốt giãn nở, sự tiếp xúc giữa không khí và nhiên
liệu tăng lên nhiều. Ở trạng thái này các hạt chuyển động tự do và sôi giống như chất
lỏng nên gọi là tầng sôi.

Hình 1.1. Buồng đốt lò hơi tầng sôi
Lò hơi tầng sôi được phát minh lần đầu tiên vào thập niên đầu của thế kỷ 20 ở nước
Anh, áp dụng cho các công nghệ xúc tác, chọn quặng, sấy. Năm 1921, ở Đức đã áp dụng
tầng sôi để khí hoá than. Việc ứng dụng hàng loạt quá trình tiếp xúc khí - chất rắn mới
này được bắt đầu vào những năm 1950, trong công nghiệp dầu mỏ để cracking dầu nặng.
Vào giữa những năm 1960, kỹ thuật tầng sôi bắt đầu được sử dụng trong việc sản xuất

hơi nước. Giáo sư Douglas Elliott ở Anh được coi là cha đẻ của lò hơi tầng sôi.
Cho đến nay, trên thế giới có hàng ngàn lò hơi tầng sôi (lò hơi dùng buồng lửa tầng sôi)
có công suất đơn vị đến hàng trăm tấn hơi trong một giờ. Ở Việt nam hiện nay, lò hơi
tầng sôi được sử dụng khá phổ biến, như ở các nhà máy nhiệt điện Bãi Bằng, Na Dương,
Cao Ngạn, dệt Nam định…
Phương pháp đốt nhiên liệu rắn trong tầng sôi có thể được coi là một giải pháp công
nghệ mới về nguyên lý so với phương pháp đốt lớp chặt nằm trên ghi và phương pháp
đốt nhiên liệu rắn dạng bột phun vào không gian buồng lửa.


14
1.2.1 Sơ đồ nguyên lý tạo tầng sôi:

ωc

ωs

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý tạo tầng sôi
Với : ∆P là giáng áp trước và sau lớp nhiên liệu.
ω là tốc độ gió.
Ban đầu, lớp hạt nhiên liệu rắn nằm yên trên ghi có độ cao h.
Khi cho dòng không khí qua lưới phân phối vào lớp hạt nhiên liệu với tốc độ nhỏ, lớp
hạt không dịch chuyển. Tăng dần tốc độ ω gần bằng tốc độ ωs, chiều cao lớp liệu vẫn
không đổi ( trạng thái A), trở lực của lớp sôi tăng lên.
Khi tiếp tục tăng tốc độ đến ω = ωs, lúc này áp lực của dòng khí cân bằng trọng lực của
lớp liệu, lớp liệu bắt đầu chuyển động ( trạng thái B), các hạt chuyển động lơ lửng trong
pha khí, xoáy trộn với nhau và chuyển động hỗn loạn, độ rỗng và chiều cao của lớp liệu
tăng lên, trạng thái này gọi là trạng thái sôi.
Khi tốc độ dòng khí ω > ωs, bắt đầu xuất hiện những bọt khí, túi khí, các bọt khí này
chuyển động lên trên bề mặt lớp sôi và vỡ ra làm cho chiều cao lớp sôi dao động. Khi

vận tốc dòng khí đạt đến ωc, lớp liệu có độ rỗng lớn nhất, các hạt liệu treo lơ lửng trong
buồng đốt, không lắng xuống cũng như không bị bay ra khỏi buồng lửa ( trạng thái C).


15
Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí cho đến khi vượt vận tốc cuốn theo ωc thì kết thúc trạng
thái sôi, lớp liệu sẽ có các hạt liệu bị cuốn theo dòng khí bay ra khỏi buồng đốt ( trạng
thái D).
Do đó để tạo lớp sôi, ta phải duy trì tốc độ dòng khí từ ωs đến ωc.
1.2.2 Vật liệu sử dụng trong lò tầng sôi:
Trong quá trình đốt nguyên liệu của lò hơi tầng sôi, người ta thường cho vào buồng lửa
các vật liệu để nâng cao nhiệt độ các thành phần cháy lên đến nhiệt độ phản ứng. Vì vậy,
vật liệu này cần đảm bảo các tính chất sau:
- Nhiệt dung riêng lớn (vật liệu phải chịu được nhiệt độ cao ).
- Khối lượng riêng nhỏ (giảm trở lực khi quạt thổi vào buồng lửa).
- Độ nhẵn bề mặt cao (dễ tạo tầng sôi ).
- Giá thành thấp, dễ kiếm.
Trong thực tế, người ta thường sử dụng cát thạch anh làm vật liệu sôi vì nó đáp ứng
được hầu hết các yêu cầu.
1.3. Phân loại lò hơi tầng sôi
Có hai kiểu lò hơi tầng sôi:
- Lò hơi tầng có bọt khí (bong bóng).
- Lò hơi tầng sôi tuần hoàn.
1.3.1 Lò hơi tầng sôi bong bóng:
Lò hơi tầng sôi bong bóng có vận tốc của dòng khí thấp, khoảng 1.2-3 m/s.
Chiều cao của lớp sôi bong bóng thường trong khoảng từ 1m đến 1.65m. Kích thước
hạt nhiên liệu cấp vào thô, quá trình cháy xảy ra hầu hết ở trong lớp. Thời gian lưu lại
của những hạt nhiên liệu mịn thường ngắn tương đương với thời gian lưu lại của khí
cháy.

16

Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi bong bóng
1.3.2 Lò hơi tầng sôi tuần hoàn:
Lò hơi tầng sôi tuần hoàn có vận tốc tạo sôi khoảng 4.5-6.7 m/s.
Chiều cao của lớp sôi cũng lớn hơn nhiều so với lò hơi tầng sôi kiểu bong bóng, nên có
nhiều hạt nhiên liệu bị thổi bay ra ngoài tầng sôi hơn. Những hạt này sẽ được gom lại
bởi thiết bị lọc và cho tuần hoàn trở lại buồng lửa. Thời gian lưu lại của hạt trong buồng
lửa được xác định theo hiệu quả của thiết bị thu hồi và tốc độ tuần hoàn của hạt nhiên
liệu. Do có sự tuần hoàn nhiên liệu mà thời gian lưu lại của hạt nhiên liệu lớn hơn nhiều
lần so với thời gian lưu lại của dòng khí.

Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi tuần hoàn.


17
1.4 Giới thiệu lò hơi tầng sôi tuần hoàn
1.4.1 Cấu tạo

Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi tuần hoàn.
Các hệ thống chính của lò hơi tầng sôi tuần hoàn được mô tả như hình 1.5:
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu.
- Hệ thống cung cấp gió:
+ Quạt sơ cấp có nhiệm vụ tạo tầng sôi, làm khí đốt chính.
+ Quạt thứ cấp có nhiệm vụ kiểm soát lượng gió dư.
- Hệ thống cấp nước
- Hệ thống hơi
- Hệ thống lọc bụi và thu hồi tro.
- Bộ quá nhiệt.

- Bộ hâm nước và sấy không khí.
1.4.2 Nhiên liệu
Lò tầng sôi tuần hoàn có thể đốt bằng nhiều dạng nhiên liệu như: rắn, lỏng, khí với
chất lượng từ cao đến thấp.
Các loại nhiên liệu cụ thể như: than nâu, chất thải quá trình rửa than, than có hàm lượng
lưu huỳnh cao, than cốc, các chất thải không thể đốt được trong các lò hơi thông thường,
các loại phụ phẩm nông nghiệp như: trấu, bã mía, vỏ cây, gỗ vụn, gỗ phế phẩm, rác
thải,….
 Thành phần hóa học của than:


18
Thành phần nguyên tố hóa học trong than gồm: Cacbon(C), hydro(H), lưu huỳnh(S),
oxi(O), nitơ(N), tro hay còn gọi là khoáng chất (A) và nước hay gọi là độ ẩm (W).
-Cacbon: là thành phần cháy chủ yếu trong than, nhiệt lượng phát ra khi cháy 1kg cacbon
gọi là nhiệt trị của cacbon, vào khoảng 34150kJ/kg. Vì vậy, lượng cacbon trong than
càng cao thì nhiệt trị của than càng cao. Tuổi hình thành của mỏ than càng già, thì thành
phần cacbon trong than càng cao. Song lúc ấy độ liên kết của than càng chắc nên than
càng khó cháy.
-Hydro: là thành phần cháy quan trọng của than, nhiệt trị của hydro khoảng 144.500
kJ/kg. Nhưng lượng hydro trong than thường không cao.
-Lưu huỳnh: là thành phần cháy trong than. Lưu huỳnh tồn tại trong than dưới ba dạng:
liên kết hữu cơ Shc, khoáng chất Sk và liên kết sunfat SS. Lưu huỳnh hữu cơ và khoáng
chất sẽ tham gia quá trình cháy gọi là lưu huỳnh cháy, còn lưu huỳnh sunfat thường nằm
dưới dạng CaSO4 , MgSO4, FeSO4…,những liên kết này sẽ không tham gia quá trình
cháy mà chuyển thành tro xỉ của than.
Nhiệt trị lưu huỳnh bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của cacbon, khi cháy lưu huỳnh sẽ tạo ra
SO2 hoặc SO3, lúc gặp hơi nước SO3 sẽ hòa tan tạo thành H2SO4 có tác dụng ăn mòn
kim loại, khi bay ra ngoài trời khí SO2 là khí độc hại gây ra mưa axit hoặc là chất phát
thải gây ra hiệu ứng nhà kính.

-Oxy và Nitơ: là những thành phần vô ích trong than. Sự có mặt của chúng trong than
làm giảm tỷ lệ thành phần cháy của than và làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Khi cháy,
Nitơ có trong nhiên liệu sẽ không tham gia quá trình cháy và chuyển thành dạng tự do
ở trong khói.
Thông thường người ta dùng ký hiệu nguyên tố hóa học trong than để biểu thị số phần
trăm của nguyên tố đó có trong 1 kg than, có nghĩa là:
C + H + S + N + O + W + A = 100%
Trong đó : W, A là độ tro và độ ẩm của than.
1.4.3 Quá trình cháy của nhiên liệu
Trong buồng đốt lò hơi tầng sôi nhiệt độ được duy trì trong khoảng 8500C ÷ 9500C. Khi
nhiên liệu được đưa vào trong lớp, nó được gia nhiệt một cách nhanh chóng và bốc cháy.
Thường nhiên liệu được đốt với lượng không khí thừa khoảng 20%. Thời gian lưu lại
của nhiên liệu trong buồng đốt tầng sôi dài hơn, và nhiên liệu được cháy một cách hiệu
quả trong buồng đốt tầng sôi ở nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp đốt nhiên liệu
trên ghi và phun bột than.


19
Khi hạt nhiên liệu cháy, kích thước của nó sẽ giảm dần xuống, đến giá trị mà ở đó lực
do dòng khí tại ra lớn hơn trọng lượng hạt thì hạt sẽ bị cuốn ra ngoài.
Vì vậy thời gian lưu lại của hạt được xác định bởi kích thước ban đầu ban đầu của hạt
nhiên liệu, và mức độ giảm kích thước hạt do cháy và do ma sát.
a, Ưu điểm:
Trong những năm gần đây kỹ thuật tầng sôi được phát triển một cách mạnh mẽ, đặc biệt
trong lĩnh vực năng lượng và xử lý rác thải. Có được sự phát triển này là nhờ những ưu
điểm nổi bật so với các loại lò khác:
 Có thể đốt nhiều loại nhiên liệu:
Đây là một trong những ưu điểm chính của lò tầng sôi, đặc biệt là trong tình hình thị
trường nhiên liệu hiện nay. Lò tầng sôi có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu, tổn thất
nhiệt ít hơn các loại lò đốt khác. Theo các nguyên cứu gần đây tại Việt Nam, sử dụng lò

công nghiệp tầng sôi có thể tiết kiệm nhiên liệu đến 80%. Nên nó cho phép các nhà máy
điện đa dạng hóa việc thu mua nhiều nguồn nhiên liệu khác nhau, xóa bỏ việc phụ thuộc
vào một nguồn nhiên liệu nào đó. Sự linh hoạt này là một lợi ích lớn đối với những quốc
gia có nguồn than ngày càng giảm giá trị do đã sử dụng hết những nguồn than chất lượng
tốt.
Đặc điểm này còn giúp ngăn ngừa những thiệt hại có thể có cho nhà máy do nguồn cung
cấp nhiên liệu không ổn định trong tương lai.
Khối lượng các hạt cháy được chỉ chiếm tỷ lệ 1%-3% so với tổng khối lượng lớp vật
chất trong buồng đốt của một lò tầng sôi thông thường. Lượng vật chất còn lại là những
hạt không cháy được như tro, cát, chất hấp thụ. Điều kiện khí động đặc biệt trong lò tầng
sôi tạo nên một hỗn hợp hoà trộn rất tốt giữa chất khí-chất rắn, chất rắn-chất rắn với
nhau. Những phân tử nhiên liệu được cấp vào buồng đốt sẽ phân tán nhanh chóng vào
trong một khối lượng lớn những hạt vật chất của lớp sôi và được lớp này đốt nóng lên
trên đến nhiệt độ bắt lửa. Do nhiệt dung của các hạt không cháy lớn hơn so với các hạt
nhiên liệu, do đó dù gia nhiệt cho nhiên liệu kém phẩm chất thì nhiệt độ của lớp hạt này
không thay đổi nhiều.
Chính đặc điểm này của lò tầng sôi mà nó có thể đốt bất kỳ loại nhiên liệu nào mà không
cần có một nguồn nhiệt bổ sung và cung cấp nhiệt trị cao để làm nóng không khí và gia
nhiệt cho nhiên liệu đến nhiệt độ bốc cháy. Tuy nhiên, trong thực tế, do các yếu tố khác
nhau như nhiệt dung của các thiết bị phụ, sự hấp thụ nhiệt, nhiệt độ làm việc của kim
loại…làm hạn chế mặt linh hoạt khi sử dụng các hạt nhiên liệu.
 Hiệu suất xử lý khí thải SO2:


20
Không giống như các loại lò đốt nhiên liệu khác, quá trình cháy và thải nhiên liệu trong
lò tầng sôi diễn ra liên tục. Đặc điểm này cùng với khả năng hòa trộn tốt các hạt vật chất
trong lớp sôi giúp buồng đốt duy trì một nhiệt độ ổn định đồng nhất trong toàn bộ. Kết
quả là nhiệt độ ổn định (800÷900)0C. Khoảng nhiệt độ này thích hợp cho phản ứng hóa
học hấp thụ khí SO2 bởi đá vôi (CaCO3).

CaCO3

=

SO2 + CaO + ½ O2

CaO + CO2
=

CaSO4

Sản phẩm sinh ra là CaSO4. Nó được thải ra môi trường đất hoặc được sử dụng dưới
dạng thạch cao. Đá vôi dùng trong đốt tầng sôi có thể giữ lại hơn 90% SO2 và thải ra
ngoài dưới dạng chất thải rắn. Những chất này dễ xử lý hơn và ít ô nhiễm hơn so với xỉ
từ các lò hơi khác.
Khả năng giảm và xử lý khí SO2 trong lò tầng sôi là kết quả của trường nhiệt độ thấp và
ổn định khi đốt nhiên liệu trong lò tầng sôi. Do đó, lò tầng sôi không cần trang bị thêm
bộ xử lý khí thải để kiểm soát lượng khí SO2 thải ra ngoài.
 Lượng NOx thải thấp:
Lượng NOx bình quân sinh ra trong lò hơi đốt tầng sôi thấp, khoảng (100 ÷ 300) ppm
(so với thể tích khô). Đó là do nhiệt độ cháy thấp, điều kiện áp suất thấp ngăn cản sự
bay hơi, và lượng gió cung cấp theo từng giai đoạn của quá trình cháy. Hầu hết các loại
lò tầng sôi đều sinh ra lượng NOx thấp mà không gây ra tổn thất nhiệt do cháy không
hoàn toàn hoặc do phải bổ sung thêm ở những vùng có quy định chặt chẽ giới hạn lượng
NOx cho phép thải ra ngoài không khí, người ta có thể đặt thêm bộ thu khí NOx bằng
dung dịch amoniac ở phần đuôi lò trong Xyclon (theo Chenlian &Hyvrinen, 1995).
Lượng khí thải sinh ra ít là một lợi thế rất có giá trị của lò tầng sôi. Trong lò đốt nhiên
liệu kiểu phần lớn lượng khí NOx sinh ra trong quá trình oxi hóa Nitơ có trong không
khí cấp vào lò. Phản ứng này diễn ra trong quá trình cháy nhiệt độ đạt trên 14800C. Với
nhiệt độ buồng đốt chỉ khoảng 850÷9500C, trong lò tầng sôi khí NOx sinh ra là không

đáng kể. Tuy nhiên, lượng khí Nitơ trong nhiên liệu có thể bị oxi hóa tạo nên khí NOx,
sau đó bị khử lại thành Nitơ do lượng không khí cấp theo nhiều giai đoạn như trong lò
tầng sôi tuần hoàn.
 Vận hành dễ dàng :
Lò hơi tầng sôi có những điều kiện vận hành rất thuận lợi và dễ dàng.
- Không có ngọn lửa.
Đối với lò hơi có bộ đốt như lò hơi đốt than, đốt dầu, đốt khí, nhất thiết phải có một hệ
thống thiết bị tinh vi giám sát ngọn lửa. Nếu vì một lý do nào đó mà ngọn lửa bị tắt trong


21
giây lát, buồng đốt khi làm việc trở lại phải qua một chu trình khởi động lại lò rất phức
tạp. Khi ngừng cung cấp nhiên liệu trong một thời gian ngắn có thể khiến cả hệ thống
ngừng làm việc và tác động nhiều đến hệ Tuốcbin- máy phát điện phía sau. Trong lò
tầng sôi thì không có ngọn lửa, mà thay vào đó là một lượng lớn các hạt trơ nóng. Nên
cả khi nhiên liệu ngừng cung cấp vào, nhiệt độ của buồng đốt không giảm và nhiệt độ
hơi cũng không thay đổi. Nếu nhiên liệu được cấp lại trong vài phút sau đó thì không
cần ngừng lò.
- Thời gian khởi động lò ngắn:
Một số lò công nghiệp làm việc hai ca cần phải đốt lò trong khoảng 8 tiếng. Lò tầng sôi
có thời gian khởi động lò ngắn hơn và đơn giản hơn. Buồng đốt tầng sôi trong tình trạng
nghỉ làm việc thì tổn thất nhiệt ít. Ngay cả khi sau vài giờ đồng hồ tạm nghỉ, lớp hạt rắn
vẫn còn đủ nhiệt lượng cho lần đốt lò sau. Cho nên khi cho nhiên liệu vào lò, nó bốc
cháy ngay và lò đi vào hoạt động lại sau một thời gian ngắn.
- Giảm hiện tượng ăn mòn:
Tro sinh ra trong quá trình đốt nhiên liệu ở lò tầng sôi ở dạng xốp, không bị chảy loãng
do nhiệt độ của lò thấp (800÷9000C). Điều này làm hạn chế hiện tượng ăn mòn kim loại
ống ở bề mặt đối lưu (đuôi lò), hay ăn mòn cánh của quạt gió ở đuôi lò.
- Sự chuẩn bị nhiên liệu đơn giản:
Than cho lò tầng sôi thường chiếm 70% hạt than và có kích thước dưới 6000m ( 6 mm

), trong khi đó đối với lò hơi đốt than phải có 70% hạt than kích cỡ dưới 75m. Do đó
lò đốt than phun cần phải có hệ thống máy nghiền than và phun bụi than. Thiết bị phun
bụi than không những đắt tiền mà còn phức tạp và cần bảo trì kiểm tra thường xuyên.
Đa số các nguyên nhân khiến lò ngừng làm việc là do hoạt động của hệ thống nghiền
than không tốt. Ngược lại với lò tầng sôi thì không cần một hệ thống nghiền than như
vậy, do đó giai đoạn chuẩn bị nhiên liệu đơn giản và không phức tạp như đối với lò hơi
vòi phun đốt than.
b, Nhược điểm:
Ngoài những ưu điểm trên thì lò tầng sôi còn có những nhược điểm sau:
 Cần quạt có công suất lớn:
Do không khí cấp vào lò phải thắng được trở lực của bộ phân phối gió và trở lực của
khối lượng của lớp vật liệu rắn trong buồng đốt. Đầu tư cho điện năng tiêu thụ tăng,
song bù lại không cần trang bị thiết bị phun nhiên liệu.
 Tổn thất nhiệt ra môi trường nhiều hơn:


22
Xyclon, hệ thống hồi, bộ trao đổi nhiệt ngoài làm tăng thêm nhiều thiết bị cho lò CFB.
Một vài bề mặt các thiết bị không được làm mát. Do đó tổn thất nhiệt do đối lưu và bức
xạ từ các bề mặt của lò tầng sôi tuần hoàn nhiều hơn so với lò tầng sôi bong bóng và lò
ghi.
 Hiệu suất cháy thấp:
Hiệu suất cháy của một lò ghi thường cao hơn so với lò hơi tầng sôi tuần hoàn, do nhiệt
độ cháy cao hơn, kích cỡ hạt mịn hơn và tồn tại lâu hơn trong buồng lửa. Tuy nhiên, lò
ghi sử dụng không khí liên tục và hệ số không khí thừa thấp để khống chế lượng NOX
khiến nhiên liệu cháy không hoàn toàn trong buồng lửa. Hiệu suất cháy trong buồng lửa
lò tầng sôi tuần hoàn lớn hơn lò tầng sôi bong bóng, do vùng cháy trong buồng lửa lò
tầng sôi tuần hoàn kéo dài hơn 15÷25m chiều cao của buồng đốt và một khối lượng phân
tử Cacbon chưa cháy hết được quay trở lại cháy tiếp tục trong lò. Trong lò tầng sôi bong
bóng, lớp vật chất trong vùng cháy chỉ cao 1÷1,5m và lượng Cacbon chưa cháy hết bay

ra khỏi lò gây tổn thất nhiệt.
 Ngoài ra nó còn có một số nhược điểm nữa là :
- Thời gian lưu lại của các hạt trong lớp sôi không đều.
- Mật độ các hạt trong lớp sôi không đều.
- Các hạt rắn dễ bị va đập, bào mòn vỡ vụn tạo nhiều bụi do đó phải có thiết bị thu hồi
bụi.
1.5 Phương pháp điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn
1.5.1 Các phương pháp điều khiển phổ biến
Trong vận hành lò hơi tầng sôi tuần hoàn, các phương pháp điều khiển chính bao gồm
như sau (tham khảo tài liệu [13]):
-

Điều khiển áp suất dòng hơi
Thay đổi tải yêu cầu từ tua bin hơi hoặc từ quá trình hơi được xử lý bởi lượng
nhiêu liệu cấp vào buồng đốt. Thông thường, có 2 phương pháp chính để điều
chỉnh áp suất dòng hơi là chế độ điều chỉnh theo lò và theo tua bin. Ở phương
pháp điều chỉnh theo lò, hệ thống điều chỉnh lò và tua bin được thiết kế riêng
biệt. Từ trạng thái tải ổn định, bất kỳ yêu cầu nào của hệ thống yêu cầu nhiều hơn
năng lượng điện chỉ áp dụng lên hệ thống tua bin. Ở chế độ điều chỉnh theo tua
bin, yêu cầu gia tăng công suất thường bằng cách tăng hiệu năng đốt. Với năng
lượng cộng hưởng của dòng hơi từ việc tăng hiệu năng đốt, áp lực dòng hơi sẽ
tăng lên. Từ đó điều chinh giảm áp lực tua bin để mở van tua bin. Ở hình 1.6, ví
dụ về bộ điều khiển PID điều chỉnh dòng hơi. Tỷ lệ giữa các loại nhiên liệu có


23
thể điều chỉnh. Mỗi bộ điều khiển cấp nhiên liệu nhận tín hiệu từ bộ điều khiển
áp suất dòng hơi dựa trên tỷ lệ cài đặt và các quy tắc hệ thống tại thời điểm đó.

Hình 1.6: Sơ đồ điều khiển áp suất dòng hơi

-

Khi lượng nhiên liệu được thay đổi, các thay đổi tương ứng được áp dụng để điều
khiển lượng khí. Trong quá trình các tải thay đổi, trạng thái buồng đốt và sự lan
tỏa của các dòng khí phải được giám sát, nếu có nhiễu tác động, các biện pháp
điều khiển cần được tác động.
Điều khiển lượng khí oxi cấp vào buồng đốt

-

Điều khiển lượng không khí thổi vào buồng đốt
Điều khiển lượng không khí vào buồng đốt rất quan trọng với quá trình đốt cháy.
Trạng thái ổn định cho phép giảm tỷ lệ khí thừa, từ đó giảm lượng khí ni tơ phát
sinh và tăng hiệu năng quá trình nhiệt của lò. Tuy nhiên, điều khiển lượng không
khí cần quan tâm đến các rủi ro về lượng cacbon oxide và hydro carbon. Khí vào
buồng đốt bao gồm cả không khí và nhiên liệu cho từng trạng thái, bao gồm
không khí từ quạt gió chính, quạt gió phụ, tỷ lệ không khí và nhiên liệu cũng như
lượng oxi.