Thiết kế bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ thống mức nước bao hơi của nhà máy nhiệt điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI VÀ ĐIỀU
KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT CỦA HỆ THỐNG
BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NÓI CHUNG
1.1. Tổng quan về nhà máy nhiệt điện
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
1.2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện
1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi
1.2.2 Cấu tạo của lò hơi
1.2.3 Hệ thống điều khiển lò hơi
1.2.3.1 Lò hơi là một đối tượng điều khiển
1.2.3.2 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi
1.3. Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi trong nhà
máy nhiệt điện
1.3.1. Đặt vấn đề
1.3.2 Hệ điều khiển bao hơi
1.3.3. Mục tiêu của nghiên cứu
1.3.4. Dự kiến các kết quả đạt được
1.4. Kết luận chương 1
CHƯƠNG 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU
KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO
HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. Đặt vấn đề
2.2. Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển
ổn định áp suất trong hệ thống mức nước bao hơi nhà máy nhiệt

điện
2.2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống áp suất bình bao hơi
2.2.2. Xây dựng hàm truyền các thành phần của hệ thống
2.2.2.1. Thiết bị đo
2.2.2.2. Thiết bị chấp hành
HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

i
ii
6
9

9
9
10
11
11
11
13
13
14
15
15
17
18
19
19
20

20

22

22
22
22
25
1


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
2.2.2.3. Bình bao hơi
2.3. Hàm truyền của hệ thống
2.4. Kết luận:
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI BẰNG
MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
3.1. Giới thiệu chung
3.2. Tổng quan bộ điều khiển PID
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)
3.2.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols
3.2.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick
3.2.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn
3.2.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số
3.2.2.1. Nguyên tắc thiết kế
3.2.2.2. Phương pháp tối ưu modul
3.2.2.3. Phương pháp tối ưu đối xứng
3.3. Thiết kế điều khiển áp suất bao hơi
3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab –
Simulink
3.4.1. Sơ đồ môphỏng bằng matlab – Simulink

3.4.2. Các kết quả môphỏng
3.5. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm
3.5.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí
nghiệm
3.5.2. Giới thiệu về môhình thực nghiệm
3.5.3. Các kết quả thực nghiệm
3.5.4. So sánh với kết quả môphỏng
3.6. Kết luận chương 3
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ỔN
ĐỊNH ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI
4.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
4.1.1. Tổng quan về điều khiển thích nghi
4.1.2. Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở lýthuyết tối ưu
cục bộ (phương pháp Gradient)
HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

29
31
32
33

33
33
34
34
35
36
36
36
37

38
39
40
40
41
42
42
44
47
48
48
49
49
49
51

2


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
4.1.3. Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lýthuyết
Lyapunov
4.2. Sơ đồ và kết quả mô phỏng với phương pháp điều khiển thích
nghi
4.2.1. Sơ đồ môphỏng
4.2.2. Kết quả môphỏng
4.3. Kết luận
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

56
59
59
60
61
62
63

3


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Quátrình chuyển hóa năng lượng
Hình1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy
Hình 1.3: Nguyên lícấu tạo của lò hơi
Hình1.4: Một số bộ phận chính của lò hơi đốt than phun
Hình 1.5: Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi
Hình 2.1: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quátrì
nh

10
11
12
13
15
22

Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình

23

Hình 2.3: Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp

24

Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành
Hình 2.5: Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén
Hình 2.6: Biểu tượng và ký hiệu cho kiểu tác động của van điều khiển

26
26
28
30
32
33
34
35
36
39

Hình 2.7: Bao hơi nhà máy nhiệt điện
Hình 2.8:Cấu trúc môtả toán học của toàn hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID)
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID
Hình 3.3: Đồ thị quá độ
Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bao hơi nhà máy

nhiệt điện
Hình 3.6: Cấu trúc môphỏng điều khiển mức nước cấp bao hơi
Hình 3.7: Đáp ứng của hệ thống áp suất với lượng đặt Pdat = 1,5at
Hình 3.8: Đáp ứng của hệ thống áp suất với lượng đặt nhảy bậc từ
Pdat = 1,5at lên 2at
Hình 3.9: Cấu trúc thínghiệm điều khiển mức nước cấp bình bao hơi
Hình 3.10: Bao hơi
Hình 3.11: Giao diện trong thínghiệm điều khiển áp suất bì
nh bao hơi
Hình 3.12: Giao diện kết quả thínghiệm điều khiển áp suất bình bao hơi
Hình 3.13: Kết quả thínghiệm điều khiển áp suất với
KP = 100; KI = 20; KD = 0,5
Hình 3.14: Kết quả thínghiệm điều khiển áp suất với
KP = 10; KI = 20; KD = 0,5
Hình 4.1: Cấu trúc cơ bản của hệ thống thích nghi
HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

40
41
41
42
42
43
43
47
48
49
4

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Hình 4.2: Điều chỉnh hệ số khuếch đại
Hình 4.3: Điều khiển theo môhình mẫu
Hình 4.4: Điều khiển tự chỉnh
Hình 4.5: Cấu trúc môhì
nh mẫu song song
Hình 4.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo môhình mẫu
bậc nhất
Hình 4.7: Kết quả môphỏng thích nghi kinh điển pp Gradient:
hình a, với K=5, T= 0.5s; hì
nh b, với K=7, T=0.8s
Hình 4.8: Minh hoạ phương pháp Lyapunov với việc khảo sát tính ổn
định
Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ MRAS dựa trên lýthuyết Liapunov
Hình 4.10: Đáp ứng hệ thống thích nghi kinh điển kiểu Liapunov:
hình a, với K=5, T= 0.5s; hì
nh b, với K=7, T=0.8s
Hình 4.11: Sơ đồ môphỏng theo phương pháp thích nghi Gradient
Hình 4.12: Sơ đồ môphỏng so sánh phương pháp thích nghi và PID
Hình 4.13: Đáp ứng áp suất bình bao hơi theo phương pháp đk thích
nghi
Hình 4.14: Đáp ứng áp suất bình bao hơi theo phương pháp đk thích
nghi vàPID

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

50
51
51
51

56
56
57
58
59
59
60
60
61

5


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Công nghiệp năng lượng có vai trò hết sức quan trọng trong công cuộc xây
dựng phát triển nền kinh tế quốc dân, góp phần rất lớn vào việc ổn định phát triển
của xã hội, an ninh, quốc phòng... Cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước,
hiện nay nước ta đã và đang xây dựng nhiều nhàmáy nhiệt điện công nghệ hiện
đại để phục vụ cho nhu cầu xây dựng, phát triển của xã hội và quá trình công
nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Có rất nhiều nhàmáy nhiệt điện đã và đang
được xây dựng, cũng như các nhà máy đang được khai thác như nhà máy nhiệt
điện Phả Lại...Cũng như một số các lò hơi công nghiệp khác đang rất cần có sự
thay đổi bộ điều khiển PĐ cũ (do Liên Xô cũ sản xuất) bằng các bộ điều khiển mới
hiện đại hơn.
Trong các nhàmáy nhiệt điện, lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuôc- bin,
phục vụ cho việc sản xuất điện năng và cũng là thiết bị lớn nhất vàvận hành phức
tạp nhất, làmột hệ thống cónhiều đầu vào vànhiều đầu ra. Hệ thống điều khiển lò
hơi là một hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số.

Hệ thống cócấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác nhau.
Nhiệm vụ của công tác vận hành lò hơi là đảm bảo sao cho lò hơi làm việc ở
trạng thái kinh tế nhất, an toàn nhất trong một thời gian lâu dài.
Việc tự động hóa lò hơi chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động các
quá trình trong lò để đảm bảo cho lò làm việc ổn định vàkinh tế nhất bằng cách
điều chỉnh năm quan hệ: phụ tải – nhiên liệu, phụ tải – không khí, phụ tải – khói
thải, phụ tải – mức nước bao hơi và phụ tải – xả liên tục.
Từ những chỉ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải được cấu thành từ
một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau gồm:
- Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi.
- Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt.
- Hệ thống điều chỉnh quátrình cháy.
- Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi.
- Hệ thống điều chỉnh áp suất hơi

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

6


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trong đó hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi là một trong những khâu trọng
yếu của hệ điều khiển lò hơi, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất
lượng hệ thống điều khiển lò hơi.
Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệ thống điều
khiển quátrì
nh, cụ thể là điều khiển áp suất bao hơi của nhàmáy nhiệt điện, đảm
bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhàkhoa học
không ngừng phát triển nghiên cứu. Vìvậy nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển thích
nghi nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định áp suất bao hơi là cấp thiết.

Xuất phát từ thực tiễn đó, việc “Thiết kế bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp
suất trong hệ thống mức nước bao hơi của nhà máy nhiệt điện” sẽ tiết kiệm
được nhiên liệu, nâng cao chất lượng điều khiển, từ đó góp phần nâng cao hiệu
suất sản xuất và năng suất thúc đẩy phát triển kinh tế.
2. Ý nghĩa khoa học vàthực tiễn của đề tài
2.1. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần củng cố bổ sung cho cơ sở lý
thuyết về điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ thống mức nước bao
hơi của nhàmáy Nhiệt điện.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài cóthể ứng dụng vào điều khiển vàổn định áp
suất mức nước trong hệ thống mức nước bao hơi của nhàmáy Nhiệt điện.
3. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về lò hơi và điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ
thống mức nước bao hơi nói chung.
- Giới thiệu, phân tích công nghệ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất, hệ
thống mức nước bao hơi của nhàmáy Nhiệt điện.
- Nhận dạng đối tượng điều khiển, phần điều khiển vàổn định áp suất từ mô
hình lò hơi của nhàmáy nhiệt điện tại Trung tâm Thínghiệm Trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp.
- Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất
trong hệ thống mức nước bao hơi của nhàmáy Nhiệt điện.
- Thiết kế bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ thống mức
nước bao hơi của nhàmáy Nhiệt điện
HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

7


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- So sánh kết quả thu được với các phương pháp đang được ứng dụng để rút
ra kết luận vàýkiến đề xuất.
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống bằng môphỏng.
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm
4. nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về lò hơi và điều khiển thích nghi để ổn
định áp suất của hệ thống bì
nh bao hơi trong nhàmáy nhiệt điện nói chung.
Chương 2: Mô tả toán học cho đối tượng điều khiển ổn định áp suất trong hệ
thống bì
nh bao hơi nhà máy nhiệt điện.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển ổn định áp suất trong
hệ thống bình bao hơi bằng môphỏng vàthực nghiệm.
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ
thống bình bao hơi.
Kết luận vàkiến nghị.

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

8


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Chương 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT CỦA HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI
TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NÓI CHUNG
1.1. Tổng quan về nhà máy nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện chiếm một thị phần quan trọng trong ngành sản xuất

điện năng của đất nước. Nhàmáy nhiệt điện hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển
hóa nhiệt năng thành cơ năng rồi sau đó thành điện năng.
Ở đây nhiệt năng được tạo thành từ việc đốt cháy các nhiên liệu: than đá,
khíthiên nhiên, dầu mỏ... tại buồng đốt làm nước trong lò hơi nóng lên chuyển hóa
thành hơi nước. Hơi nước (với các điều kiện về áp suất, nhiệt độ, lưu lượng) được
đưa tới tuabin sinh công. Điện năng thu được ở đầu ra của máy phát sẽ được đưa
qua hệ thống các trạm biến áp để nâng lên cấp điện áp thí
ch hợp trước khi hòa vào
lưới điện quốc gia.
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
Nguyên lýsản xuất điện của nhàmáy nhiệt điện làchuyển hoánhiệt năng từ
đốt cháy các loại nhiên liệu trong lò hơi “như than và khí thiên nhiên,…” thành cơ
năng làm quay tuabin, rồi 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 đưa 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 và đạt cấp điện áp phùhợp trước khi hoàvào mạng lưới điện
quốc gia.
Quátrì
nh 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 quátrì
nh
đốt cháy nhiên liệu được cấp cho quátrình 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 môhì
nh sau:

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

9


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.1. Quátrình chuyển hóa năng lượng

1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
Nhàmáy 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 được
bơm ngưng, bơm vào các bình gia nhiệt hạ áp đến 140oC. 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 của tuabin đạt đến nhiệt độ
230oC. 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 bình 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 vàtrở về bì
nh
bao hơi. Trong bình bao hơi phần trên là hơi bão hòa ẩm, phía dưới là nước ngưng.
Hơi bão hòa ẩm trong bình 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
HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

10


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
điện. Như vậy, nhiệt năng của nhiên liệu đã biến đổi thành cơ năng và điện năng,
còn hơi nước làmôi chất trung gian được biến đổi theo một vòng tuần hoàn kín.

Hình1.2: 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 nhàmáy nhiệt điện, lò hơi là thiết bị lớn nhất sinh hơi và vận hành
phức tạp nhất. Nó có trình độ cơ khí hóa và tự động hóa khácao, làm việc đảm
bảo vàhiệu suất cũng tương đối 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 các nhiệm vụ chí
nh sau:
- Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu hữu cơ 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 lývàcấu tạo của lò hơi được biểu diễn trên hì
nh 1.3. Cấu tạo chung
của lò hơi là nhằm thực hiện 2 nhiệm vụ chí

nh: Một làchuyển hóa năng của nhiên
liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy, nghĩa là đốt nhiên liệu thành sản phẩm
cháy cónhiệt độ cao, nước sôi, hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt cóáp suất vànhiệt
độ thỏa mãn yêu cầu sử dụng.

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

11


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.3: Nguyên lícấu tạo của lò hơi

1- Buồng đốt; 2- dàn ống sinh hơi; 3- vòi phun nhiên liệu + không khí
4- ống nước xuông; 5- bao hơi; 6- ống dẫn hơi trên trần; 7- bộ quánhiệt hơi; 8Bộ quánhiệt trung gian hơi; 9- bộ hâm nước; 10- khoảng trống để vệ sinh vàsửa
chữa; 11- bộ sấy không khí.
Như vậy cấu tạo của lò hơi gồm các hệ thống chính như sau:
- Hệ thống cung cấp và đốt cháy nhiên liệu
- Hệ thống cung cấp không khívàthải sản phẩm cháy
- Hệ thống sử lí nước vàcấp nước làm mát
- Hệ thống sản xuất vàcấp nước nóng cho quá trình sinh hơi
- Hệ thống đo lường điều khiển
- Hệ thống an toàn
- Hệ thống lò: Khung lò, tường lò, cách nhiệt…
Với lò đốt phun làloại lò hơi được sử dụng với công suất trung bình vàlớn,
dùng phổ biến hiện nay trong các nhàmáy nhiệt điện ở nước ta, có thể đốt nhiên
liệu khí,nhiên liệu lỏng phun thành hạt hoặc nhiên liệu rắn nghiền thành bột mịn.

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

12


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình1.4: Một số bộ phận chí
nh của lò hơi đốt than phun

Lò hơi đốt phun gồm các bộ phận chính sau: Bao hơi, van hơi chính, đường
nước cấp, vòi phun nhiên liệu, buồng lửa là không gian để đốt cháy tất cả nhiên
liệu phun vào lò, phễu tro lạnh để làm nguội các hạt tro xỉ trước khi thải ra ngoài
trong trường hợp thải xỉ khô, giếng xỉ để hứng tất cả xỉ ra ngoài, bơm nước cấp,
ống khói, bộ sấy không khí,quạt gió, bộ hâm nước, dàn ống nước xuống, dàn ống
nước lên, dãy festoon dàn ống sinh hơi và bộ quánhiệt, bộ lọc bụi để chống mài
mòn cánh quạt khói.
1.2.3 Hệ thống điều khiển lò hơi
1.2.3.1 Lò hơi là một đối tượng điều khiển
Đầu ra của hệ thống điều khiển lò hơi là điện năng, được cung cấp lên lưới
điện tiêu thụ quốc gia. Chính vìvậy, giátrị công suất phát của nhà máy điện thay
đổi tùy thuộc nhu cầu sử điện. Giátrị công suất công suất này được yêu cầu từ
trung tâm điều độ quốc gia. Đối với hệ thống điều khiển lò hơi, công suất điện
phát ra phụ thuộc vào lưu lượng hơi đưa đến tuabin của máy phát, lưu lượng hơi
dẫn vào tuabin nhiều thìnhiệt được truyền theo vàsinh công càng nhiều, do vậy
điện năng sản xuất ra càng lớn (chuyển hóa năng lượng từ nhiệt năng thành cơ
năng và thành điện năng) làm cho công suất của máy phát tăng lên và ngược lại.
Nên khi cóyêu cầu về công suất điện phát ra thay đổi thìphải thay đổi lưu lượng
hơi đưa vào tuabin, kéo theo đó là yêu cầu nhiệt năng tăng lên, nhiên liệu đưa vào
lòphải tăng lên và nước cấp vào bao hơi cũng phải tăng lên để có được sản lượng
hơi yêu cầu.

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

13


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Lò hơi là một hệ thống cónhiều đầu vào vàcónhiều đầu ra. Đầu vào của lò
hơi bao gồm nhiên liệu (than, dầu), gió đảm bảo cung cấp O2 cho quátrình cháy và
lượng nước cấp xuống từ bao hơi. Đầu ra của lòbao gồm hơi nước bãhòa thoát ra
từ bao hơi, lượng nước thừa đi xuống, lượng khói thải vàxỉ (tro) từ quátrì
nh cháy.
Như vậy năng lượng đưa vào lò chính là hóa năng có chứa trong nhiên liệu. Năng
lượng hữu ích đầu ra của lò được mang đi bởi hơi nước bã hòa (nước làmôi chất
truyền nhiệt năng). Đầu vào vàra cóquan hệ mật thiết với nhau, với mỗi yêu cầu
thay đổi đầu ra làcông suất máy phát điện thìcần phải điều khiển nhiên liệu vào
như than, gió đáp ứng được sản lượng hơi mong muốn.
1.2.3.2 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi
Hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện làmột hệ thống điều khiển
cócấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác nhau, giám sát và
điều khiển hàng trăm tham số. Trong lò hơi các quá trình điều khiển gió vào lò,
nhiên liệu, quá trình cháy, hơi, nước cấp... đều có tác động vàảnh hưởng lẫn nhau,
để đạt được hiệu suất tối đa, đáp ứng yêu cầu tải thìcùng lúc phải phối hợp điều
khiển nhiều đối tượng với nhiều thông số. Điều này yêu cầu một hệ thống điều
khiển tổng thể, điều khiển giám sát và làm giảm được sự xen kênh giữa các hệ
điều khiển của các đại lượng trong hệ thống.
Các hệ điều khiển đó bao gồm nhiều mạch vòng điều khiển khác nhau
nhưng chúng được xếp vào hai loại điều khiển thực hiện hai nhiệm vụ chí
nh sau
đây:
- Các mạch vòng điều khiển đảm bảo quátrì

nh chuyển hóa năng lượng.
- Các mạch vòng điều khiển đảm bảo chất lượng.
*. Các mạch vòng điều khiển đảm bảo quátrình chuyển hóa năng lượng
Quátrình chuyển đổi năng lượng trong nhàmáy nhiệt điện như ta đã đề cập
ở phần trên bao gồm nhiều quátrì
nh chuyển hóa năng lượng: từ hóa năng thành
nhiệt năng, nhiệt năng lại chuyển hóa thành hóa năng và cơ năng, từ cơ năng
chuyển hóa thành thành điện năng. Tuy nhiên trong điều khiển thìquá trì
nh
thường đi theo hướng ngược lại, từ yêu cầu của tải quyết định công suất máy phát;
từ công suất máy phát tính toán ra tổng nhiệt năng theo yêu cầu. Tổng nhiệt năng
yêu cầu sẽ là lượng đặt điều khiển lượng than cấp vào và điều khiển lượng khói
giócần thiết để đảm bảo quátrì
nh cháy cung cung cấp nhiệt năng. Ngoài ra, công
suất máy phát là lượng đặt điều khiển lượng hơi cấp vào tuabin, đồng thời cũng
HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

14


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
phải điều khiển nước cấp đảm bảo mức nước cân bằng trong bao hơi. Tất cả các
quá trình điều khiển đó đều nhằm mục đích là đảm bảo quátrì
nh chuyển hóa năng
trong lò.
*. Các mạch vòng điều khiển đảm bảo chất lượng
Để hiệu suất lò hơi cao nhất, đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất như tuổi thọ
của nhàmáy vàchất lượng điện phát ra thìphải đảm bảo được hai yêu cầu:
- Chất lượng của quátrình cháy: Nhiên liệu cấp vào lò đủ mịn, lượng không
khícấp vào đảm bảo nhiên liệu cháy hết tạo ra nhiệt năng lớn nhất.

- Chất lượng của hơi: Hơi có nhiệt độ, áp suất ổn định và lưu lượng đáp
ứng theo yêu cầu tải, ngoài ra hơi nước không được phép lẫn bụi hay các
hạt nước li ti tránh gây rỗ vàhỏng cánh tuabin.
Tất cả các mạch vòng điều khiển đều cósự liên quan ràng buộc lẫn nhau. Vì
vậy điều khiển lò hơi là điều khiển phức tạp có nhiều đầu vào nhiều đầu ra
(MIMO) có tác động xen kênh lớn. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi
được trì
nh bày như hình1.5 dưới:
Đầu vào +

Lòhơi

Đầu ra

+
Điều khiển
nước cấp
Nhiên
liệu
Gió

Yêu cầu
Nhiên
Liệu

Điều khiển
nhiệt độ lòhơi

Hình 1.5: Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi

1.3. Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi trong nhà máy nhiệt
điện
1.3.1. Đặt vấn đề
Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra 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.

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

15


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trong các nhà máy điện, lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuôcbin, phục
vụ cho việc sản xuất điện năng và cũng là thiết bị lớn nhất vàvận hành phức tạp
nhất, làmột hệ thống cónhiều đầu vào vànhiều đầu ra. Hệ thống điều khiển lò hơi
làmột hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số. Hệ
thống cócócấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác nhau.
Vận hành lò hơi là một công việc thao tác điều khiển phức tạp. Quátrì
nh
vận hành lò hơi không tách khỏi quátrình vận hành chung toàn nhàmáy. Mỗi một
sự thay đổi của một khâu nào đó trong nhà máy đều dẫn đến sự thay đổi chế độ
vận hành của lò hơi và đòi hỏi các thao tác điều khiển lò tương ứng.
Nhiệm vụ của công tác vận hành lò hơi là đảm bảo sao cho lò hơi làm việc ở
trạng thái kinh tế nhất, an toàn nhất trong một thời gian lâu dài. Cụ thể trong quá
trì
nh vận hành lò hơi không để xẩy ra sự cố vàphải đảm bảo lò làm việc có hiệu
suất cao nhất, tương ứng là lượng than tiêu hao để sản xuất 1 kg hơi là nhỏ nhất.
Các thông số của lò hơi như áp suất hơi trong bao hơi hoặc ở ống góp hơi chung,
nhiệt độ hơi quá nhiệt, mức nước trong bao hơi, hệ số không khíthừa, chân không

buồng lửa, hàm lượng muối trong nước cấp lò hơi và trong bao hơi… phải được
giữ cố định vàchỉ được phép thay đổi trong một phạm vi giới hạn cho phép tương
đối nghiêm khắc.
Việc tự động hóa lò hơi chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động các
quá trình trong lò để đảm bảo cho lò làm việc ổn định vàkinh tế nhất bằng cách
điều chỉnh năm quan hệ: phụ tải – nhiên liệu, phụ tải – không khí, phụ tải – khói
thải, phụ tải – mức nước bao hơi và phụ tải – xả liên tục.
Do nhiệt độ hơi quá nhiệt phụ thuộc rất ít đến phụ tải lò hơi nên việc điều
chỉnh nó được thực hiện độc lập chủ yếu bằng các bộ giảm ôn hỗn hợp.
Từ những chỉ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải được cấu thành từ
một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau gồm:
- Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi.
- Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quánhiệt.
- Hệ thống điều chỉnh quátrình cháy.
- Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi.
- Hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi.

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

16


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
1.3.2 Hệ điều khiển bao hơi
Hơi nước chính là đối tượng mang nhiệt năng, hơi được dẫn đến tuabin để
sinh công (nhờ sự chuyển hoánăng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng). Bao hơi là
thiết bị gom hơi nước sau đó đưa đến tuabin.
Nước từ bao hơi được đưa xuống quanh lòbởi các ống dẫn (bao hơi đặt phí
a
trên lò, ở vị trícao nhất). Buồng đốt được cấu tạo từ các dàn ống sinh hơi, các dàn

ống sinh hơi được đốt nóng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lò, nước trong các dàn ống
sinh hơi sẽ sôi và sinh hơi. Hỗn hợp hơi nước bốc lên từ các dàn ống sinh hơi
thường hai bên lòtập trung vào các ống góp phía trên hai bên sườn trần lò. Từ các
ống góp này, hỗn hợp hơi nước đi vào bao hơi bằng các đường ống lên. Hơi nước
vào bao hơi sẽ qua máy lọc hơi để lọc đi phần nước trong hỗn hợp hơi nước rồi
được đưa vào bộ quánhiệt để khử ẩm cho hơi và đảm bảo chất lượng hơi trước khi
đi vào tuabin.
Hơi nước là môi chất truyền năng nượng, để đảm bảo hiệu suất biến đổi
năng lượng được tốt cần phải quan tâm tới các thông số cơ bản của hơi nước là:
lưu lượng hơi, nhiệt độ hơi và áp suất sinh hơi.
 Lưu lượng hơi:
Lưu lượng hơi là thông số biến đổi theo phụ tải. Lưu lượng hơi dẫn vào
tuabin càng nhiều thìcông sinh ra càng lớn vàcông suất máy phát càng tăng lên và
ngược lại. Ở mỗi giátrị công suất điện phát ra cần cómột lưu lượng hơi tương ứng.
Để điều chỉnh lưu lượng hơi phải điều chỉnh nhiên liệu đầu vào cho quátrình cháy
trong lò hơi và điều chỉnh van tuabin. Khi điều chỉnh nhiên liệu thì đồng thời tác
động lên bộ điều khiển không khícho phù hợp với lợi ích kinh tế nhất. Hệ thống
điều chỉnh phụ tải nhiệt nhằm duy trìổn định sản lượng hơi ứng với giátrị yêu cầu.
Tuy nhiên lưu lượng hơi có thể bị thay đổi so với giátrị yêu cầu do nhiều
nguyên nhân như: sự thay đổi độ ẩm vànhiệt trị của nhiên liệu, nhiệt độ nước cấp,
cũng như sự biến động của nhiên liệu, … Những thay đổi đó là tín hiệu tác động
trở lại bộ điều chỉnh nhiên liệu để thay đổi lượng nhiên liệu từ đó duy trì lượng hơi
ổn định theo yêu cầu.
 Nhiệt độ hơi:
Nhiệt độ hơi quá nhiệt làthông số quan trọng, thông số này cần được điều
chỉnh giữ ổn định tại mọi giátrị tải. Nhiệt độ hơi được duy trìở một giátrị cố định
nhằm tiết kiệm năng lượng, tránh gây hư hại đường ống do dao động về nhiệt, và
HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

17

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
tránh tổn thất nhiệt năng do có sự trao đổi nhiệt giữa hơi và đường ống dẫn hơi.
Hơi bão hoà ra khỏi bao hơi có nhiệt độ không ổn định do nhiều nguyên nhân như
sự thay đổi tải lò, sự biến đổi của bề mặt truyền nhiệt,…
 Áp suất hơi:
Áp suất hơi cũng là một thông số của hệ điều khiển, với mọi giátrị yêu cầu
của tải thìáp suất hơi được điều chỉnh ở một giátrị ổn định.
Giữa áp suất hơi và lưu lượng hơi có mối quan hệ qua lại với nhau. Khi lưu
lượng hơi tăng thì ngay lập tức áp suất hơi sẽ giảm do hơi từ bao hơi chưa cung
cấp kịp cho sự thay đổi của yêu cầu hơi. Vì vậy sự thay đổi của áp suất hơi khi có
yêu cầu thay đổi tải lòcòn dùng làm tín hiệu tí
nh toán yêu cầu nhiên liệu.
Khi áp suất ổn định chứng tỏ lượng hơi tiêu thụ và lượng hơi sinh ra cân
bằng nhau. Áp suất hơi giảm tức là hơi tiêu thụ đang tăng lên, nên cần phải tăng
thêm nhiêu liệu để tăng sản lượng hơi, còn khi áp suất hơi tăng lên thì quá trình
xảy ra ngược lại.
Tóm lại nhiệt độ, lưu lượng vàáp suất hơi quá nhiệt trước khi vào tuabin là
các thông số quan trọng của hệ thống điều khiển hơi. Việc tối ưu hoá các giá trị
này như một giải pháp nâng cao hiệu suất của nhàmáy vàchất lượng điện phát ra,
ngoài ra giảm thiểu tối đa về nguyên – vật liệu, tăng tính cạnh tranh.
Hệ thống điều khiển hơi có hai hệ điều khiển được phân ly: hệ điều khiển
nhiệt độ vàhệ điều khiển áp suất – lưu lượng.
“Hệ điều khiển áp suất và lưu lượng hơi: Đại lượng yêu cầu điều khiển ở
đây là áp suất hơi phải giữ không đổi với mọi giátrị tải yêu cầu, trong khi đó lưu
lượng lại luôn thay đổi phụ thuộc vào công suất tải yêu cầu. Để thực hiện điều
khiển được hai đại lượng đó thì phải điều khiển tới yêu cầu nhiên liệu”.
1.3.3. Mục tiêu của nghiên cứu
Vấn đề quan trọng của các hệ thống điều khiển quátrì

nh làbộ điều khiển.
Với các bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển quátrì
nh có chất lượng thấp như
không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn.
Trên cơ sở các tí
n hiệu vào là lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi vàmức
nước bao hơi, bộ điều chỉnh mức nước sẽ làm thay đổi độ mở van cấp nước một
cách tương ứng để duy trìổn định áp suất trong bao hơi. Áp suất hơi cũng là một
thông số của hệ điều khiển, với mọi giátrị yêu cầu của tải thìáp suất hơi được
điều chỉnh ở một giátrị ổn định. Do đó, yêu cầu đối với bộ điều chỉnh áp suất bao
HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

18


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
hơi là phải có độ tác động nhanh phùhợp. Khi áp suất trong bao hơi thay đổi thì
mức nước bao hơi thay đổi theo quan hệ nghịch. Nếu áp suất tăng thì mức nước
bao hơi giảm vànếu áp suất giảm thìmức nước bao hơi sẽ tăng
Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệ thống điều
khiển quátrì
nh, cụ thể là điều khiển áp suất bao hơi của nhàmáy nhiệt điện, đảm
bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhàkhoa học
không ngừng phát triển nghiên cứu. Vìvậy nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển thích
nghi nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định áp suất bao hơi là cấp thiết.
Mục tiêu của luận văn là:
- Môtả toán học cho hệ thống điều khiển áp suất bao hơi.
- Thiết kế Bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ thống mức
nước bao hơi.
1.3.4. Dự kiến các kết quả đạt được

- Xây dựng môhì
nh toán học của hệ thống.
- Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển thích nghi ổn định áp suất của hệ
thống mức nước bao hơi.
- thiết kế bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất của hệ thống mức nước
bao hơi nói chung.
- Cấu trúc môphỏng hệ thống trên Matlab/Simulink.
- Tiến hành thực nghiệm lấy kết quả so sánh với lýthuyết
1.4. Kết luận chương 1
Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan được những nét cơ bản nhất về nhàmáy nhiệt điện.
- Lựa chọn được đối tượng nghiên cứu làổn định áp suất bao hơi.
- Lựa chọn phương pháp điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ
thống mức nước bao hơi nói chung.
Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về áp suất bao hơi, trong chương 2 tác
giả sẽ đi sâu nghiên cứu về áp suất bao hơi, làm cơ sở để môtả toán học.

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

19


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Chương 2
MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT
TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. Đặt vấn đề
Mô tả toán học của đối tượng là đưa đối tượng về một dạng mô hình toán
nào đó. Mô hình làmột hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khí
a cạnh thiết

yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Một mô hình
phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích sử
dụng. Môhì
nh không những giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực, màcòn cho phép
thực hiện được một số nhiệm vụ phát triển màkhông cần sự cómặt của quátrình
vàhệ thống thiết bị thực. Mô hình giúp cho việc phân tích kiểm chứng tính đúng
đắn của một giải pháp thiết kế được thuận tiện vàít tốn kém, trước khi đưa giải
pháp vào triển khai.
Có thể phân loại thành hai phạm trù là mô hình vật lý và mô hình trừu tượng.
Mô hình vật lý là một sự thu nhỏ và đơn giản hoá của hệ thống thực, được xây
dựng trên cơ sở vật lý - hoá học giống như các quá trình và thiết bị thực.
- Mô hình vật lý là một phương tiện hữu ích phục vụ đào tạo cơ bản và
nghiên cứu ứng dụng, nhưng ít phù hợp cho các công việc thiết kế và phát triển
của người kỹ sư điều khiển quá trình.
- Mô hình trừu tượng được xây dựng trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao,
nhằm mô tả một cách logic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần của
hệ thống. Việc xây dựng mô hình trừu tượng của một hệ thống được gọi là mô
hình hoá. Mô hình hoá là một quá trình trừu tượng hoá trong đó thế giới thực được
mô tả bằng một ngôn ngữ mô hình hoá và bỏ qua các chi tiết không thiết yếu.
Trong kỹ thuật điều khiển, ta quan tâm trước hết tới bốn dạng mô hình trừu tượng
sau:
* Mô hình đồ hoạ: Với các ngôn ngữ mô hình hoá đồ họa như lưu đồ công
nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ logic,... Mô hình đồ hoạ phù
hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa
các thành phần.
* Mô hình toán học: Với ngôn ngữ của toán học như phương trình vi phân
(khả năng biểu diễn mạnh, với mô hình bậc cao thì khó sử dụng cho phân tích thiết
HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

20

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
kế hệ thống), phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái (áp
dụng thống nhất cho phân tích, thiết kế hệ đơn biến và đa biến, khó tiến hành nhận
dạng trực tiếp, nhạy cảm với sai lệch thông số, ít dùng cho điều khiển quá trình).
Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính của
từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác.
* Mô hình suy luận: Là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính về hệ
thống thực dưới dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao.
* Môhì
nh máy tính: Làcác chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính của
hệ thống theo những khía cạnh quan tâm. Mô hình máy tính được xây dựng với
các ngôn ngữ lập trình, trên cơ sở sử dụng các mô hình toán học hoặc mô hình suy
luận.
Mô hình toán học, mô hình suy luận và mô hình máy tính được xếp vào
phạm trù mô hình định lượng, trong khi mô hình đồ hoạ thuộc phạm trù mô hình
định tính. Mô hình định tính thường quan tâm tới cấu trúc và mối liên quan giữa
các thành phần hệ thống về mặt định tính. Trong khi đó một mô hình định lượng
cho phép thực thi các phép tính để xác định rõ hơn quan hệ về mặt định lượng giữa
các đại lượng đặc trưng trong hệ thống cũng như quan hệ tương tác giữa hệ thống
với môi trường bên ngoài.
Mặc dù cả bốn dạng mô hình nói trên đều có vai trò quan trọng nhất định
trong lĩnh vực điều khiển quá trình, các mô hình toán học đóng vai trò then chốt
trong hầu hết nhiệm vụ phát triển hệ thống. Trong các bước thực hiện nhiệm vụ
phát triển, mô hình toán học giúp các cán bộ công nghệ cũng như cán bộ điều
khiển cho các mục đích sau đây:
- Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành.
- Tối ưu hoá thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống.
- Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển.

- Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển.
- Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiết kế.
- Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành.
Xác định rõ mục đích sử dụng của mô hình là một việc hết sức cần thiết, bởi
mục đích sử dụng quyết định tới việc lựa chọn phương pháp mô hình hoá cũng
như mức độ chi tiết và chính xác của mô hình sau này.

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

21


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
2.2. Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển ổn định áp
suất trong hệ thống mức nước bao hơi nhà máy nhiệt điện
2.2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống áp suất bình bao hơi
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa như
hì
nh 2.1:

Hình 2.1: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quátrì
nh

2.2.2. Xây dựng hàm truyền các thành phần của hệ thống
2.2.2.1. Thiết bị đo
a. Cấu trúc cơ bản:
Một thiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của
quátrì
nh kỹ thuật và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn. Cấu trúc cơ bản của một
thiết bị đo quá trình được minh hoạ như trên hình 2.2.

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

22


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình

Thành phần cốt lõi của một thiết bị đo là cảm biến. Một cảm biến có chức
năng chuyển đổi một đại lượng vật lý, ví dụ nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng,
nồng độ sang một tín hiệu thông thường là điện hoặc khí nén. Một cảm biến có thể
bao gồm một hoặc vài phần tử cảm biến, trong đó mỗi phần tử cảm biến lại là một
bộ chuyển đổi từ một đại lượng này sang một đại lượng khác dễ xử lý hơn. Tín
hiệu ra từ cảm biến thường rất nhỏ, chưa truyền được xa, chứa sai số do chịu ảnh
hưởng của nhiễu hoặc do độ nhạy kém của cảm biến, phi tuyến với đại lượng đo.
Vì thế sau phần tử cảm biến người ta cần các khâu khuếch đại chuyển đổi, lọc
nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bù sai lệch và tuyến tính hoá. Những chức năng đó
được thực hiện trong một bộ chuyển đổi đo chuẩn. Một bộ chuyển đo đổi chuẩn
đóng vai trò là một khâu điều hoà tín hiệu, nhận tín hiệu đầu vào từ một cảm biến
và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn để có thể truyền xa và thích hợp với đầu vào
của bộ điều khiển. Trong thực tế nhiều bộ chuyển đổi đo chuẩn được tích hợp luôn
cả phần tử cảm biến, vì vậy khái niệm 'Trasmitter' cũng được dùng để chỉ các thiết
bị đo.
Thuật ngữ:
Measurement device: Thiết bị đo
Sensor: Cảm biến
Sensor element: Phần tử cảm biến, đầu đo
Signal conditioning: Điều hoà tín hiệu

Transmitter: Bộ chuyển đổi đo chuẩn

HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

23


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng

Thiết bị đo áp suất

Lưu lượng kế

Hình 2.3: Một số hì
nh ảnh thiết bị đo công nghiệp

Chất lượng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào nhiều
yếu tố mà ta khái quát là các đặc tính thiết bị đo, bao gồm đặc tính vận hành, đặc
tính tĩnh và đặc tính động học. Đặc tính vận hành bao gồm các chi tiết về khả năng
đo chi tiết vận hành và tác động môi trường. Đặc tính tĩnh biểu diễn quan hệ giữa
đại lượng đầu vào và giá trị tín hiệu đầu ra của thiết bị đo ở trạng thái xác lập,
trong khi đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiên đầu vào và tín hiệu
ra theo thời gian. Đặc tính tĩnh liên quan tới độ chính xác khi giá trị của đại lượng
đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm. Ngược lại, đặc tính động học liên quan
tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lượng đo thay đổi nhanh.
b. Đặc tính động:
Khi giá trị đại lượng đo ít thay đổi hoặc thay đổi rất chậm, tín hiệu đo chỉ
phụ thuộc vào giá trị đầu vào và ta chỉ cần quan tâm tới đặc tính tĩnh của thiết bị
đo. Tuy nhiên tín hiệu đầu ra sẽ không thể đáp ứng ngay với sự thay đổi tương đối

nhanh của đại lượng đo. Quan hệ phụ thuộc của tín hiệu đầu ra vào cả đại lượng
đo và biến thời gian được gọi là đặc tính động học của thiết bị đo. Đặc tính động
học của hầu hết các thiết bị đo có thể được mô tả được mô tả bằng một phương
trình vi phân cấp một hoặc cấp hai. Coi đặc tính của thiết bị đo là tuyến tính coi
động học của nó có thể được biểu diễn với một khâu quán tính bậc nhất:
Gm( s ) 
HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

y( s )
x( s )



km
1s
24


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Hoặc một khâu ổn định:
Gm( s ) 

y( s )



x( s )

km



2

 2  s  s

2

Nói chung, đặc tính động học của một thiết bị đo có ảnh hưởng ít nhiều tới
chất lượng điều khiển. Nếu hằng số thời gian trong hai mô hình trên rất nhỏ so với
hằng số thời gian của quá trình công nghệ, hay nói cách khác là phép đo có động
học nhanh hơn nhiều so với động học của quá trình, ta có thể bỏ qua quán tính của
thiết bị đo và coi đặc tính của thiết bị đo như một khâu khuếch đại thuần tuý.
Ngược lại, nếu hằng số thời gian này không nhỏ hơn nhiều so với hằng số thời
gian của quá trình, ta có hai phương án giải quyết:
+ Đưa mô hình động học của thiết bị đo vào mô hình quá trình
+ Vẫn chỉ sử dụng mô hình tĩnh của thiết bị đo và coi sai số động gây ra là
nhiễu đo.
Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi dòng điện-khínén (I/P)
Bộ chuyển đổi I/P được chọn làPK200 của hãng YOKOGAWA có tín hiệu
đầu vào là dòng điện I: 4  20mA vàtí
n hiệu đầu ra làáp suất khínén P: 0,2 
1KG/cm2.
Như vậy, thiết bị này có hàm truyền là một khâu khuyếch đại với hệ số
khuyếch đại K được xác định như sau:
K

IP



 Pm

ax

 Im

ax

 K G / cm

 0 ,0 5 
20  4
m A

1  0 ,2

2





2.2.2.2. Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành có chức năng can thiệp tới biến điều khiển.
Hình 2.4 minh hoạ cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành. Thành phần can
thiệp trực tiếp tới biến điều khiển được gọi là phần tử điều khiển, ví dụ van tỷ lệ,
van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải. Phần tử điều khiển được truyền năng lượng
truyền động từ cơ cấu chấp hành, ví dụ các hệ thống động cơ, cuộn hút và cơ cấu
khí nén, thuỷ lực. Trong các hệ thống điều khiển quá trình thì hầu hết biến điều

khiển là lưu lượng, vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu nhất và
quan trọng nhất. Van điều khiển cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu chất
qua đường ống dẫn tỉ lệ với tín hiệu điều khiển. Trong nội dung sau đây ta tập
trung vào các yếu tố cơ bản của một van điều khiển.
HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH

25