Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động van cánh hướng ứng dụng trong công nghiệp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CAO THỊ THU

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
HỆ ĐIÊU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VAN CÁNH HƯỚNG
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN, 2014


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CAO THỊ THU

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
HỆ ĐIÊU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VAN CÁNH HƯỚNG
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VÕ QUANG LẠP

THÁI NGUYÊN, 2014


i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Cao Thị Thu
Sinh ngày: 27 tháng 09 năm 1981
Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật
Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Cao Đẳng Nghề Cơ Khí Nông nghiệp
Tam Hợp – Bình Xuyên – Vĩnh phúc
Tôi xin cam đoan những gì tôi viết trong luận văn này là do sự tổng hợp
và nghiên cứu theo định hướng của giáo viên hướng dẫn không sao chép của
người khác.
Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo đã được chỉ ra
trong luận văn.

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 05 năm 2014
Tác giả luận văn

Cao Thị Thu


ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian tìm hiểu và làm việc khẩn trương cùng với sự giúp đỡ
tận tình của PGS.TS. Võ Quang Lạp tác giả đã hoàn thành luận văn với đề tài là
“nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động van cánh hướng ứng dụng

trong công nghiệp’’
Với tình cảm và lòng biết ơn sâu sắc, tác giả xin chân thành cảm ơn tới
PGS.TS. Võ Quang Lạp người đã trực tiếp giảng dạy và dành nhiều thời gian
tâm huyết hướng dẫn, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu, các thầy cô giáo
trong Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp, các thầy cô giáo trong
Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ tác giả rất
nhiều về kiến thức chuyên môn, tài liệu nghiên cứu để tác giả có thể hoàn thành
luận văn của mình
Tuy đã cố gắng rất nhiều nhưng do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và
tài liệu tham khảo còn hạn chế nên luận văn vẫn còn nhiều thiếu sót. Tác giả rất
mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của Hội đồng chấm luận văn, các thầy cô
giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.

Thái nguyên, ngày 25 tháng 05 năm 2014
Tác giả luận văn

Cao Thị Thu


iii

MỤC LỤC
Lời cam đoan....................................................................................................i
Lời cảm ơn

....................................................................................................ii

Mục lục

…………………………………………………………………...iii

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt ……………………………………………..vi
Danh mục các hình vẽ và đồ thị………………………..……………………..vii
Mở đầu .............................................................................................................1

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VAN TRONG CÔNG NGHIỆP
1.1 Van điều khiển............................................................................................3
1.1.1 Cấu trúc cơ bản của van điều khiển............................................................3
1.1.2. Kiểu tác động của van...............................................................................7
1.2. Ứng dụng van để điểu khiển khói cho lò hơi................................................8
1.3. Các hệ truyền động điều khiển van ............................................................11
CHƯƠNG 2
KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN VÀ KIỂM NGHIỆM HỆ T-Đ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
VAN CHO LÒ HƠI
2.1. Tính toán và khảo sát hệ truyền động T-Đ: ................................................21
2.1.1. Tổng hợp hệ điều khiển Ri và R : ..........................................................23
2.1.1.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng RI ..........................................................24
2.1.1.2. Tổng hợp bộ điều khiển dòng R .........................................................24
2.2. Thí nghiệm: ...............................................................................................27
2.2.1. Giới thiệu bài thí nghiệm ........................................................................29
2.2.1.1. Mạch động lực của hệ T-Đ...................................................................29
a, Thiết bị mạch động lực .................................................................................29
b, Nguyên lý làm việc của sơ đồ mạch điện ......................................................29
2.2.1.2. Mạch tạo xung điều khiển ...................................................................31


iv

a, Sơ đồ và thiết bị mạch ..................................................................................31
b, Nguyên lý làm việc của mạch tạo xung điều khiển .......................................33
2.2.1.2. Mạch phụ tải .......................................................................................34
a, Thiết bị mạch phụ tải ...................................................................................34
b, Sơ đồ nguyên lý mạch phụ tải.......................................................................34
2.2.2. Sơ đồ lắp ráp ..........................................................................................35
2.2.3. Qúa trình thí nghiệm ..............................................................................39
2.2.3.1 Điện áp đồng bộ hóa và điện áp răng cưa .............................................39
2.2.3.2. Thí nghiệm..........................................................................................41
2.3. Đánh giá kết qua thí nghiệm hệ truyền động T-Đ ..................................... 47
CHƯƠNG 3
KHÁO SÁT MẠCH VÒNG VỊ TRÍ ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG
CÁNH HƯỚNG VAN HƠI
3.1 Đặt vấn đề...................................................................................................48
3.2. Quá trình tổng hợp hệ điều khiển chuyển động vị trí ..................................49
3.3. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí ổn định cánh hướng van..............................51
3.3.1.Tính toán các thông số của hệ ..................................................................51
3.3.1.1.Các thống số cho trước của hệ truyền động ...........................................51
3.3.1.2.Tính toán các thông số và hàm số truyền của hệ....................................49
3.3.2. Kết quả mô phỏng chất lượng bộ điều khiển PID ....................................53
3.3.2.1.Tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu
vào đặt=10V ....................................................................................................52
3.3.2.1.Tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu
vào đặt=6V ......................................................................................................52
CHƯƠNG 4
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIÊN MỜ THÍCH NGHI ĐÊ NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG VAN CHO LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP
4.1. Đặt vấn đề .................................................................................................53

v

4.2. Định nghĩa hệ mờ thích nghi......................................................................53
4.2.1. Địều khiển mờ .......................................................................................53
4.2.2. Địều khiển thích nghi..............................................................................53
4.2.2.1. Tổng hợp bộ điều khiẻn thích nghi trên cơ sở lý thuyết gradient ..........61
4.2.2.2. Tổng hợp bộ điều khiẻn thích nghi trên cơ sở lý thuyết lyapunov ........62
4.2.2. 3. Phân loại .............................................................................................63
4.2.2.4 Các phương pháp điều khiển mờ thích nghi .........................................63
4.3. Thiêt kế bộ điều khiên mờ thích nghi.........................................................66
4.3.1.Thiêt kế bộ điều khiên mờ ......................................................................66
4.3.1.1.Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ ...............................................67
4.3.2 . Xây dựng hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu song song ...........71
4.3.2.1.Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu dùng lý thuyết kinh điển........71
4.3.3. Qúa trình thiết kế cụ thể:.........................................................................75
4.3.3.1 Sơ đồ khối mờ ......................................................................................75
4.3.3.2. Định nghĩa tập mờ................................................................................75
4.3.3.3. Xây dựng các luật điều khiển “ nếu .... thì ..........................................77
4.3.3.4. Chọn luật hợp thành ............................................................................79
4.3.3.5. Giải mờ ...............................................................................................79
4.3.3.6. Sơ đồ mô phỏng .................................................................................81
4.3.3.7. Kết quả mô phỏng chất lượng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ
thích nghi........................................................................................................ 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................85
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................87


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT

Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

ĐC

Động cơ điện một chiều

2

ADC

Analog Digital Convert

3

DAC

Digital Analog Convert

4

XA-Đ

Điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều

8

T-Đ

9

CL-Đ

10

F-Đ

Hệ máy phát động cơ

11

BBĐ

Bộ biến đổi

12

PID

Proportional Intergal Derivative

13

PI

14

FXCĐ

15

SRC

16

TXPCX

17

SS

So sánh

18

ĐK

Động cơ không đồng bộ

Thyristor - động cơ
Chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều

Proportional Intergal
Phát xung chủ đạo
Sóng răng cưa

Tạo xung phân chia xung


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu

Nội dung

Trang

Hình 1-1

Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành

3

Hình 1-2

CÊu tróc tiªu biÓu cña mét van cÇu khÝ nÐn

4

Hình 1-3

5

Hình 1-4

Van bi
Van bướm

Hình 1-5

Van đóng an toàn

7

Hình 1-6

Van mở an toàn

7

Hình 1-7

Sơ đồ cân bằng gió

11

Hình 1-8

Phân bố áp suất của hệ thống khói gió
Các vị trí cánh hướng

12

Hình 1-9

Hình 1-10 Hệ điều khiển cánh hướng van dùng cơ cấu liên kết góc quay
Hình 1-11

Hệ điều khiển cánh hướng van dùng cơ cấu liên kết góc
quay

6

13
15
17

Hình 1-12 Sơ đồ khối điều khiển cánh hướng van

19

Hình 2-1

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí van chovlò hơi

21

Hình2-2

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

24

Hình 2-3

Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện

24

Hình 2-4

Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ

26

Hình 2-5

Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động T-Đ

26

Hình 2-6

Sơ đồ nguyên lý module chỉnh lưu cầu 3 pha

29

Hình 2-7

Giản đồ điện áp của chỉnh lưu cầu 3pha

32

Hình 2-8

Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điều khiển

33

Hình 2-9

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển theo pha đứng

34

Hình 2-10 Giản đồ điện

35

Hình 2-11 Hệ tải DC1 - DC2 và máy phát tốc

36


viii

Hình 2-12 Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ tải

37

Hình 2-13 Sơ đồ bố trí thiết bị trên module chỉnh lưu cầu 3 pha

38

Hình 2-14 Điện áp khâu đồng bộ hóa

42

Hình 2-15 Điện áp đầu ra khâu phát sóng răng cưa

42

Hình 2-16 Điện áp khâu sửa xung và gửi xung

43

Hình 2-17 Khi động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển P

44

Hình 2-18 Động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển PI

45

Hình 2-19 Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển P

46

Hình 2-20 Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển PI

46

Hình 3-1

Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí

48

Hình 3-2

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng vị trí

49

Hình 3-3

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiên vị trí

50

Hình 4-1

Diễn biến thời gian của điều chỉnh vị trí tuyến tính

59

Hình 4-2

Quan hệ giữa  và 

59

Hình 4-3

Sơ đồ chức năng của bộ đièu khiên mờ

60

Hình 4-4

Sơ đồ bộ điều khiên mờ động

61

Hình 4-5

Điều chỉnh hệ số khuêch đại

62

Hình 4-6

Bộ điều khiển theo mô hình mẫu

62

Hình 4-7

Bộ điều khiển tự chỉnh

63

Hình 4-8

MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra

63

Hình 4-9

MRAFC điều chỉnh hệ số khuyếch đại đầu ra và hệ số tích
phân sai lệch đầu vào

Hình 4-10 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình
Hình 4-11 Sơ đồ khối MRAS dựa trên lý thuyến Lyapunov cho đối
tượng bậc nhất

63
64
66


ix

Hình 4-12 Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp

67

Hình 4-13 Cấu trúc của phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp

67

Hình 4-14 Điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi

68

Hình 4-15 Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ hai đầu vào

69

Hình 4-16 Định nghĩa hàm liên thuộc cho các biến vào/ ra

70

Hình 4-17 Luật hợp thành tuyến tính

71

Hình 4-18 Quan hệ vào ra của luật hợp thành tuyến tính

71

Hình 4-19 Sự hình thành ô suy luận từ luật hợp

72

Hình 4-20 Kết quả của phép lấy Max - Min trong ô suy luận

73

Hình 4-21 Các vùng trong ô suy luận

73

Hình 4-22 Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K

73

Hình 4-23 Sơ đồ khối mờ cơ bản

78

Hình 4-24 Các luật hợp thành

83

Hình 4-25 Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ

84

Hình 4-26 Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lượng bộ điều khiển PID và
bộ điều khiển mờ thích nghi
Hình 4-27 Sai lệch tốc độ giữa bộ điều khiển mờ thích nghi và bộ điều
khiển PID

84

87


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Van điều khiển được ứng dụng nhiều trong công nghiệp: van khí nén,

van điện, van thủy lực... là thiết bị chấp hành trong hệ điều khiển tự động.
Trong luận văn này tác giả chọn van điện để điều khiển khói cho lò hơi trong
nhà máy nhiệt điện. Việc chọn hệ thống truyền động cho van này một cách hợp
lý nghĩa là vừa thỏa mãn được yêu cầu truyền động cho van đồng thời thích
hợp với các thiết bị thí nghiệm của nhà trường, có như vậy luận án này vừa giải
quyết được lý thuyết đồng thời kiểm nghiệm được thực tế. Trên cơ sở nghiên
cứu, kháo sát hệ truyền động đề xuất phương pháp đê nâng cao chất lượng cho
hệ điều khiên chuyển động làm cho hệ đam bao chất lượng cao. Với cách đặt
vấn đề như trên khi giải quyết thành công bản luận án này sẽ mang tính thực
tiễn,tính lý thuyết chứa đựng tính khoa học cao.
2. Mục tiêu của luận văn:
- Tìm hiêu tổng quan những yêu cầu của hệ điều khiển chuyển động van được
ứng dụng cho lò hơi công nghiệp từ đó đề xuất được hệ truyền động thích hợp
nghĩa là đáp ứng dược yêu cầu truyền động nhưng đồng thời thí nghiệm được
trong phòng thí nghiệm.
- Về mặt lý thuyết đã giải quyết đầy đủ những vấn đề liên quan đến chuyển
động van bao gồm tính toán, khảo sát và mô phỏng hệ điều khiển chuyển động
cho hệ điều khiển van giúp cho việc đánh giá sơ bộ khả năng ứng dụng của hệ
cho van cánh hướng.
- Thí nghiệm thành công hệ truyền động của trường cụ thế là hệ T-Đ với
những chế độ làm việc khác nhau từ kết quả này so sánh với kết quả lý thuyết
để từ đó khẳng định hệ truyền động được chọn và đã thí nghiệm là hệ T-Đ thỏa
mãn để điều khiển chuyển động van.
- Xây dựng được hệ điều khiển ổn định vị trí của van cánh hướng dựa trên cơ sở
hệ T-Đ đã chọn để khảo sát, đánh giá sơ bộ chất lượng hệ điều khiển vị trí này.


2

- Trên cơ sỏ phân tích những hạn chế của mạch vòng vị trí đề xuất bộ điều

khiển phi tuyến thích hợp(mờ lai, mờ thích nghi) nhằm nâng cao chất lượng hệ
thống.
3. Dự kiến kết quả:
- Hoàn thành phẩn tổng quan về truyền động van.
- Chọn hệ truyền động thích hợp bao gồm cả tính toán lý thuyết và thí nghiệm
thành công.
- Xây dựng được hệ điều khiển mạch vòng vị trí đồng thời mô phỏng, đánh giá
sơ bộ hệ thống này.
- Chọn phương án mờ thích nghi để nâng cao chất lượng.
4. Nội dung của luận văn:
Với những vấn đề được đề xuất ở những phần trên bản luận văn này sẽ
thực hiện và chia làm các phần sau:
Chương 1: Tổng quan về điều khiển van trong công nghiệp
Chương 2: Khảo sát,tính toán và kiểm nghiệm hệ T-Đ để điều khiển van
cho lò hơi
Chương 3: Khảo sát mạch vòng vị trí ổn định chuyển động cánh hướng
van hơi
Chương 4 : Ứng dụng điều khiên mờ thích nghi để nâng cao chất lượng
hệ truyền động van cho lò hơi công nghiệp
Kết luận và kiến nghị


3

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VAN TRONG CÔNG NGHIỆP
1. Van điều khiển:
Một hệ thống/thiết bị chấp hành có chức năng can thiệp tới biến điều
khiển theo tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển như hình 1.1 minh họa cấu trúc cơ
bản của một bộ chấp hành. Thành phần can thiệp tới biến điều khiển được gọi

là phần tử điều khiển, ví dụ van tỉ lệ. van on/off tiếp điểm, sợi đốt, băng tải.
Phần tử điều khiển được truyền năng lượng, truyển động từ cơ cấu chấp hành,
ví dụ như các hệ thống động cơ, cuộn hút và cơ cấu khí nén, thủy lực. Trong hệ
thống điều khiển quá trình thì hầu hết các biến điều khiển là lưu lượng. van
điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu nhất và quan trọng nhất. Van điều
khiển cho phép điều khiển lưu lượng của một lưu chất qua ống dẫn tỉ lệ với tín
hiệu điều khiển.

Trong nội dung sau đây ta tập trung nghiên cứu các yếu tố

cơ bản của một van điều khiển.

Thiết bị chấp hành
Đầu ra của bộ
điều khiến (CO)

Cơ cấu
chấp hành

Phần tử
điều khiến

Biến điều
khiến (MV)

Hình 1-1. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành
1.1. Cấu trúc cơ bản của van điều khiển:
Một van điều khiển bao gồm thân van được ghép nối với một cơ chế
chuyển động cùng với phụ kiện liên quan. Trên hình vẽ 1-2 là hình ảnh mặt cắt
van cầu khí nén với cơ chế chuyển động màng rung lò xo. Phần thân van gồm

các phụ kiện được gắn với đường ống dẫn, đóng vai trò là phần tử điều khiển.


4

Hình 1-2. Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén
Độ mở và lưu lượng qua van được xác định bởi hình dạng và vị trí chốt
van. Ta có thể phân loại van dựa theo thiết kế và kiều chuyển động của chốt
van như sau:
 Van cầu: chốt trượt có hình cầu hoặc hình nón, chuyển động lên xuống
 Van nút: chốt xoay hình trụ (có đục các lỗ theo chiều ngang) hoặc một
phần hình trụ.
 Van bi: chốt xoay hình cầu (có đục các lỗ theo chiều ngang) hoặc một
phần hình cầu.
 Van bướm: chốt xoay hình đĩa.
Cơ cấu chấp hành van có nhiệm vụ cung cấp năng lượng và tạo ra chuyển
động cho chốt van thông qua cần van (đối với chuyển động trượt) hoặc trục van
(chuyển động xoay). Phần lớn van điều khiển công nghiệp được cấp nguồn khí


5

nén, song một số năng lượng khác như điện, điện từ hoặc thủy lực cũng có thể
đựơc sử dụng. Ta có thể phân loại van dựa theo cơ chế truyền động như sau:
 Van khí nén: loại dùng phổ biến nhất, truyển động khí nén sử dụng màng
lò xo hoặc piston. Tín hiệu đầu vào có thể là khí nén, dòng điện hoặc tín hiệu.
Nếu tín hiệu điều khiển là dòng điện, ta cần bộ chuyển động điện – khí nén
(I/P) tích hợp bên trong hoặc tách riêng bên ngoài.
 Van điện: Cơ chế chấp hành sử dụng động cơ servo hoặc động cơ bước
điều khiển trực tiếp từ tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển, thông thường dòng

điện tương tự 4÷ 20mA hoặc tín hiệu số. Van điện được sử dụng cho những
ứng dụng công suất nhỏ đòi hỏi độ chính xác cao.
 Van thủy lực: cơ chế chấp hành sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp kiều
chắn hoặc piston, bơm dầu được điều khiển bới tín hiệu ra từ bộ điều khiển.
Van thủy lực được sử dụng cho các ứng dụng có công suất lớn.
 Van từ: cơ chế chấp hành cuộn hút kết hợp lò xo, lực nén yếu và độ
chính xác kém chỉ phù hợp với các bài toán đơn giản.
Dưới đây là hình ảnh một số loại van điều khiển công nghiệp. Đa số các
nhà cung cấp van điều khiển cho phép chọn phần cơ chế chấp hành và phần
thân van một cách riêng biệt

Hình 1-3. Van bi


6

Hình 1-4. Van bướm
1.2. Kiểu tác động của van:
Phần lớn van điều khiển công nghiệp được thiết kế để có tính an toàn cơ
học, có nghĩa là khi không có tín hiệu điều khiển (ví dụ do mất nguồn) thì van
hoặc phải đóng hoàn toàn hoặc phải mở hoàn toàn để ngăn chặn nguy cơ xảy ra
tai nạn. Ví dụ, một van khí nén có thể sử dụng lò xo thì chốt van sẽ được kéo về
vị trí ban đầu nếu mất nguồn năng lượng cung cấp. nhưng không phải van nào
cũng có thể giữ an toàn cơ học, ví dụ van điện hoặc van khí nén không sử dụng
lò xo đối lực sẽ giữ nguyên vị trí mở van sau khi mất tín hiệu điều khiển hoặc
mất nguồn năng lượng cấp
Hình 1-3. minh họa các hình thức biểu diễn kiểu tác động cho van điều
khiển. Chiều mũi tên chỉ xuống tới thân van thể hiện kiểu van là đóng an toàn,

7

còn mũi tên chỉ ngược lại chỉ thị kiểu mở an toàn. Sự lựa chọn kiểu tác động
của van thuần túy dựa trên nguyên tắc đảm bảo an toàn trong trường hợp mất
tín hiệu điều khiển hoặc mất nguồn năng lượng cung cấp. Hình 1-4 minh họa ví
dụ hệ thống tháp chưng cất hai sản phẩm. Ta cần chọn van đóng an toàn (FC)
cho dòng sản phẩm đáy để tránh làm cạn tháp, trong khi chọn van mở an
toàn(FO) cho dòng sản phẩm đỉnh để tránh ngập bình ngưng dẫn tới tăng áp
suất trong tháp. Kiểu tác động của van cấp hơi nước hầu như bao giờ cũng
được chọn là đóng an toàn để tránh tình trạng quá nhiệt. Ngược lại, van cấp
nước làm lạnh lại cần mở an toàn để giảm nhiệt và giảm áp suất trong tháp.

FC

AO

Hình 1-5. Van đóng an toàn

FC

AO

Hình 1-6.Van mở an toàn

Sự lựa chọn kiểu tác động van điều khiển ảnh hưởng tới lựa chọn hệ số
khuếch đại của bộ điều khiến sau này. Van đóng an toàn có độ mở van lớn hơn
khi tín hiệu điều khiển tăng, trong khi van mở an toàn có độ mở van nhỏ khi tín
hiệu điều khiển tăng. Lưu ý khái niệm ‘’chiều tác động’’ của bản thân van điều
khiển được định nghĩa trong tài liệu chuẩn dựa theo chiều chuyển động của
chốt van. Chiều tác động thuận được định nghĩa là độ mở van giảm khi tín hiệu

điều khiển tăng (có nghĩa là cần van chuyển động theo chiều thuận từ trên
xuống dưới đối với van trượt). Chiều tác động nghịch được định nghĩa là độ mở
van tăng lên khi tín hiệu điều khiển tăng (cần van chuyển động theo chiều
nghịch từ dưới lên trên đối với van trượt)
2. Ứng dụng van để điều khiển khói cho lò hơi.
Các thiết bị của hệ thông khói gió bao gồm:
- Quạt gió vào.


8

- Quạt hút khói ra.
- Quạt gió sơ cấp (dùng cho loại máy nghiền kiểu áp suất).
- Quạt hút (dùng cho máy nghiền kiểu hút áp lực)
- Bộ gia nhiệt không khí.
- Hệ thống các đường ống dẫn khói và gió.
- Các van và các cánh hướng điều chỉnh khói gió.
- Hệ thống lọc bụi tĩnh điện.
Gió ngoài trời có nhiệt độ theo mùa khoảng từ 100C – 390C được hút vào
quạt gió (FD). Lưu lượng gió qua quạt FD có thể được điều chỉnh bởi độ mở
cánh hướng hoặc tốc độ của quạt. gió sau quạt FD được chia làm hai thành
phần, một lượng gió qua bộ gia nhiệt không khí, phần còn lại được dẫn đến
quạt sơ cấp PA coi như thành phần cung cấp gió lạnh cho máy nghiền, để điều
chỉnh nhiệt độ ra của máy nghiền.
Thành phần gió sau khi qua bộ phận gia nhiệt không khí sẽ tăng nhiệt độ
lên khoảng 1000C. gió sau khi gia nhiệt lại được chia thành hai thành phần, một
phần với hàm lượng lớn gió sẽ đi thẳng vào lò gọi là gió cấp 2 (hay gió thứ cấp,
gió cháy). Gió cấp 2 được phân bố đều đến tất cả các góc của buồng đốt.
Thành phần còn lại của gió đã gia nhiệt sẽ theo các đường ống dẫn đến quạt gió
sơ (PA) được gọi là gió nóng cấp 1.

Quạt gió sơ cấp (PA) cung cấp đồng thời gió nóng và gió lạnh cho máy
nghiền. Mỗi đường ống gió nóng và gió lạnh đều có các cánh hướng điều chỉnh
lưu lượng gió và cánh hướng điều chỉnh liên thông giữa gió nóng và gió lạnh.
Trong một số loại máy nghiền thì từ đường ống gió lạnh được trích một phần
ra để chèn vào các lỗ hổng của máy nghiền gọi là gió chèn.
Có một số máy nghiền thì sử dụng quạt hút thay cho quạt gió sơ cấp
(PA), nó được đặt sau máy nghiền (giữa máy nghiền và vòi đốt). Quạt hút tạo
chân không để hút đồng thời cả than và gió vào buồng đốt.


9

Khói sau khi ra khỏi lò có nhiệt độ rất cao khoảng hơn 2150C, sẽ được
dẫn qua bộ tiết kiệm để hâm nóng nược tuần hoàn. Sau khi ra khỏi bộ tiết kiệm,
khói được đưa vào bộ gia nhiệt không khí để làm tăng nhiệt độ cho gió vào.
Nguyên lý của bộ gia nhiệt không khí là gia nhiệt bởi khói nóng thoát ra từ lò.
Trong bộ gia nhiệt không khí thì gió và khói đi qua 2 mặt của một tấm
kim loại quay, 2 dòng gió và khói ngược chiều nhau và truyền nhiệt cho nhau.
Khói ra khỏi bộ gia nhiệt không khí sẽ qua bộ lọc bụi tĩnh điện để loại bỏ các
chất bẩn trước khi được quạt khói (ID) hút lên ống khói khí quyển
Trên đường lưu thông của gió có sự thay đổi áp suất trên mỗi đoạn do có
sự thay đổi tiết diện giữa các đường ống dẫn, các ống bẻ cong chuyển hướng
dòng lưu thông làm tổn hao lưu lượng và áp suất gió. Bộ gia nhiệt bù phần
năng lượng mất đi do sự tổn hao này, đảm bảo tốc độ gió phun vào buồng đốt,
ống khói nhà máy nhiệt điện phải có độ cao và đường kính đủ lớn sao cho đảm
bảo sự chênh lệch áp suất với khí quyển,khói thoát tốt sẽ giảm thiểu tổn hao với
thành lò.
Nếu sử dụng gió tự nhiên, tuần hoàn tự nhiên thì tổn hao nhỏ hơn nhiều
so với khi dùng gió cưỡng bức bởi quạt. Vòng tuần hoàn này được tạo ra hoàn
toàn do hiệu ứng của ống, độ cao của ống khói, các ống dẫn khói và nhiệt độ

khói gió. Khi có sự trao đổi nhiệt giữa khói gió và bề mặt truyền nhiệt nhiều
hơn, hiệu suất lò đạt cao hơn. Đứng trên quan điểm về kinh tế thì nên sử dụng
tuàn hoàn tự nhiên nhưng nếu phải phụ thuộc vào tự nhiên thì nhà máy không
thể hoạt động ổn định, không đạt được các yêu cầu kỹ thuật nên bắt buộc phải
sử dụng hệ thống quạt gió và quạt khói để tạo đường lưu thông khói gió.
Vai trò của gió thể hiện như sau:
Gió cấp 1 là gió đưa trực tiếp vào máy nghiền bao gồm hỗn hợp gió nóng
và gió lạnh. Gió cấp 1 có nhiệm vụ chính:
- Vận chuyển than bột đến các vòi đốt
- Sấy khô than trước khi đưa vào buồng đốt.


10

Gió được thổi vào máy nghiền, những hạt than bụi có kích thước nhỏ sẽ
được gió vận chuyển đến bộ phận phân ly của máy nghiền, tại đầu ra của máy
nghiền là hỗn hợp than và gió. Hỗn hợp nhiên liệu này được vận chuyển theo
các đường ống đến các vòi đốt của lò hơi.
Ngoài vận chuyển than bột thì gió cấp 1 có tác dụng sấy khô than trong
máy nghiền. Thông thường than khô từ máy cấp có độ ẩm cao, khi than có độ
ẩm cao sẽ gây khó khăn trong việc vận chuyển đến các vòi đốt vì than rất dễ
vón cục trong đường ống. Ngoài ra khi than ẩm ướt sẽ làm giảm hiệu suất của
lò do bị mất một lượng ẩn nhiệt làm bốc hơi nước trong than. Tuy nhiên than
cũng không được quá khô, khi đó dễ xảy ra sự tự cháy trong máy nghiền gây
hỏng thiết bị. Để nhận biết khả năng cháy trong máy nghiền người ta đo nồng
độ CO , nồng độ khí CO phải nhỏ hơn giá trị cho phép. Thông thường nhiệt độ
trong máy nghiền được giữ khoảng từ 1400C đến 1600
Gió cấp 2 là gió được đưa trực tiếp vào lò ngay sau khi được gia nhiệt
bởi khói. Gió cấp 2 có nhiệm vụ chính là cung cấp O2 cho quá trình cháy của
nhiên liệu trong lò. Để đảm bảo quá trình cháy được ổn định thì lượng O2 phải

đảm bảo luôn được duy trì theo yêu cầu. Lượng O2 thừa hay thiếu đều giảm
hiệu suất của lò hơi. Nếu gió cấp 2 đưa vào ít tức là lượng O2 đưa vào thiếu sẽ
không đủ cho quá trình cháy thì nhiên liệu sẽ không cháy hết và xỉ sẽ đượ tạo
ra nhiều. Nếu gió cấp 2 đưa vào lò quá nhiều thì quá trình cháy sẽ xảy ra quá
nhanh,lượng hơi sinh ra nhanh gây ảnh hưởng đến tải.
Ứng với lượng nhiên liệu đưa vào nhất định thì theo lý thuyết tính được
lượng O2 thích hợp để đảm bảo hiệu suất lò tối ưu nhất cho quá trình cháy. Khi
yêu cầu tải thay đổi thì lượng nhiên liệu cung cấp vào lò cũng thay đổi vì lượng
gió cấp 2 đưa vào lò cũng phải được điều chỉnh để thay đổi tương ứng với thay
đổi của nhiên liệu. Tuy nhiên với cùng một lưu lượng than đưa vào lò thì lưu
lượng gió cấp 2 còn phụ thuộc vào chất lượng than. Khi chất lượng than tốt sẽ
có thể cần ít O2 hơn do vậy gió cấp 2 đưa vao lò cũng cần ít hơn và ngược lại.


11

Vì vậy trong điều khiển khói cho lò hơi luôn có hệ thống đo lường và
phân tích O2 dư trong khói thoát ra từ lò hơi. Nếu phần trăm O2 nhở hơn giá trị
cho phép tức là gió đưa vào lò thừa ra vì vậy hệ thống điều khiển cần đưa ít gió
cấp 2 vào lò hơn và ngược lại.
3. Các hệ truyền động điều khiển van:
Đầu vào lò là quạt hút gió(FD) được đưa vào để tạo O2 cho quá trình
cháy trong lò. Đầu ra của lò là khói được hút ra bởi quạt hút (ID) áp suất trong
lò luôn được giữ ở giá trị âm không đổi. Việc giữ áp suất âm trong lò là cần
thiết để đảm bảo cho quá trình cháy của nhiên liệu và an toàn cho người và
thiết bị. Hơn nữa để tạo ra ngọn lửa có hình W với đỉnh ngọn lửa tỏa nhiệt lớn
nhất nên hiệu suất lò sẽ cao hơn

ống khói

Nhiên
liệu
Lò

khói

Gió
Quạt gió vào FD

Bộ gia nhiệt
không khí
Quạt hút khói ID

Hình 1-7. Sơ đồ cân bằng gió
Gió vào lò được hút vào nhờ áp suất do quạt FD tạo ra. Gió qua bộ gia
nhiệt để tăng nhiệt độ sau đó qua hộp trộn với nhiên liệu phun vào buồng đốt.
Khói cháy từ buồng đốt được đưa ra khỏi buồng đốt qua bộ gia nhiệt.
Khói sau cùng được hút bởi quạt hút rồi thoát ra ngoài khí quyển theo ống khói.
Khi tải tăng hay giảm sẽ yêu cầu nhiên liệu tăng hay giảm lượng nhiên
liệu tương ứng. Lượng nhiên liệu thay đổi đòi hỏi lưu lượng gió thay đổi theo


12

để cung cấp đủ oxy đốt cháy nhiên liệu. Lưu lượng gió cấp vào phải đảm bảo
yêu cầu sau:
- Cung cấp đủ Oxy để đốt cháy nhiên liệu.
- Đảm bảo hiệu suất cháy của lò và ổn định quá trình cháy: cung cấp
lượng oxy vừa đủ theo hệ số không khí thừa nhất định và phân bố áp suất theo
một luật phân bố nhất định

Điều khiển quạt gió vào FD phụ thuộc chính vào yêu cầu của nhiên liệu,
đảm bào đủ Oxy cho nhiên liệu cháy với hiệu suất cao nhất. Sự thay đổi lưu
lượng gió vào buộc lưu lượng khói hút ra cũng phải đảm bảo theo, điều khiển
quạt hút ID để giữ cho áp suất chân không buồng đốt không đổi, đảm bảo cho
lò hoạt động ổn định. Như vậy, điều khiển quạt ID phụ thuộc vào giá trị áp suất
chân không buồng đốt và lưu lượng gió vào.
Hình 1-8 biểu diễn phân bố áp suất của hệ thống khói gió từ đầu ra của
quạt gió đến ống khói. Tại đầu ra của quạt gió FD, áp suất có giá trị dương lớn,
do áp suất dương cao nên gió được vận chuyển tới hộp trộn với áp suất dương
thấp hơn

Đầu ra
quạt gió

Hộpgió

Buồng lửa

Đầu ra của lò

Đầu ra quạt
gió

ống khói

Hình 1.8. Phân bố áp suất của hệ thống khói gió
Ở buồng đốt ta có áp suất âm do lượng khói hút ra nhiều, tại đầu ra của
quạt gió ID áp suất rất âm do vậy sau quạt ID khói sẽ được hút dần đến ống
khói để ra khí quyển, áp suất ở ống khói bớt âm hơn so với đầu ra quạt hút

13

khói.Từ phân tích trên ta thấy, điều khiển gió đóng vai trò quan trọng trong
việc đảm bảo quá trình cháy của nhiên liệu tức là đảm bảo sự biến đổi từ nhiên
liệu thành nhiệt năng yêu cầu. Đại lượng điều khiển là dòng lưu thông gió vào
và khói cháy, đối tượng điều khiển là tốc độ quạt và van cánh hướng điều chỉnh
lưu lượng gió và khói. Thông tin được dùng để điều khiển là; lượng nhiên liệu,
áp suất chân không buồng đốt và nồng độ oxy trong khói. Quá trình điều khiển
các đối tượng điều khiển có sự liên kết với nhau, phối hợp với nhau để lò hoạt
động ổn định, hiệu suất cao, đảm bảo an toàn lao động.
Hệ thống điều khiển gió là một hệ thống rất quan trọng ảnh hưởng trực
tiếp tới chất lượng hoạt động và hiệu suất của lò hơi. Trong hệ thống điều khiển
khói gió nói chung thì gió vào được điều khiến khá độc lập, tín hiệu điều khiển
chỉ phụ thuộc chính vào yêu cầu nhiên liệu. Việc điều khiển lưu lượng gió vào
được thực hiện bằng cách điều khiển tốc độ quạt hút FD và độ mở cánh hướng
van bằng cách sau:
- Giữ nguyên tốc độ quạt hút và điều khiển độ mở cánh hướng van.
- Giữ độ mở cánh hướng van có độ mở cực đại rồi điều khiển tốc độ quạt hút.
- Điều khiển cả tốc độ quạt và độ mở cánh hướng van.
Hai cách điều khiển trên đơn giản hơn nhưng có chất lượng điều khiển
không cao, thường áp dụng cho lò hơi công nghiệp trung bình và nhỏ. Cách
điều khiến thứ 3 có cấu trúc phức tạp hơn với chất lượng điều khiển cao hơn,
thường được áp dụng cho các lò hơi hiện đại, công suất lớn, yêu cầu độ chính
xác cao.
Thiết bị hiện nay được sử dụng phổ biến nhất trong hệ điều khiển khói
gió là van chắn kiểu cánh hướng. Với mỗi một độ mở cánh hướng của van điều
chỉnh được lưu lượng khói gió đi qua. Phương pháp này khá đơn giản tuy nhiên
lại không phải có hiệu quả cao nhất. Cánh hướng gồm hai nửa liên kết với nhau
bởi một bản lề ở chính giữa, nên có thể quay đến gần 900khi góc mở của cánh

hướng giảm thì lưu lượng gió qua nó sẽ giảm và ngược lại, ứng với mỗi góc mở


14

như vậy thì sẽ gây ra một trở lực chắn chống lại sự lưu thông của gió. Trở lực
chắn này sẽ làm giảm áp suất của dòng khói gió.
Đường ống

Trụ của cánh hướng

Cánh hướng

Gió

Vị trí mở hoàn toàn

Vị trí đóng hoàn toàn

Hình 1-9. Các vị trí cánh hướng
Đặc tính lưu lượng – độ mở của cánh hướng là phi tuyến được biểu diễn ở
hình trên ở vị trí cánh hướng gần đóng hoàn toàn thì thì một thay đổi nhỏ của
góc mở cũng là nguyên nhân gây ra sự thay đổi lớn ở đầu ra của quạt. Tương tự
ở vị trí cánh hướng gần như mở hoàn toàn thì một sự thay đổi lớn góc mở của
cánh hướng sẽ chỉ gây ra ảnh hưởng nhỏ đến đầu ra của quạt. Trong trường hợp
lý tưởng đặc tính của cánh hướng là tuyến tính, độ mở phần trăm của cánh
hướng tỉ lệ với lưu lượng của gió qua van.
Khi hệ gồm nhiều van cánh hướng , các cánh hướng được điều chỉnh có
cùng hướng quay và cùng độ mở. Đặc tính quan hệ giữa lưu lượng và độ mở
của van cánh hướng tuyến tính hơn so với trường hợp sử dụng van cánh hướng

đơn.
Để điều khiển lưu lượng gió đặc tính mong muốn của của quan hệ giữa
lưu lượng khói gió và tín hiệu điều khiển là tuyến tính. Một phương pháp đơn
giản là sử dụng cơ cấu điều khiển cánh hướng của van dựa vào khớp nối và góc
quay gọi là hệ thống liên kế góc quay. Góc quay của cánh hướng van khi đó