Xây dựng mô hình động học cho lò hơi trong nhà máy đạm Phú Mỹ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO LỊ HƠI
TRONG NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ

NGUYỄN HỮU QUỐC ĐẠT

HÀ NỘI - 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO LỊ HƠI
TRONG NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ

Người thực hiện: NGUYỄN HỮU QUỐC ĐẠT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. HOÀNG MINH SƠN

HÀ NỘI - 2009

LỜI CẢM ƠN

Người thực hiện luận văn chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn PGS. TS.
Hoàng Minh Sơn, người đã giúp đỡ rất nhiệt tình và kịp thời về chuyên môn khi
thực hiện luận văn. Bên cạnh đấy, người viết cũng bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả các
thầy cô trong Bộ môn Điện điều khiển Tự động - Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội, những người đã truyền đạt kiến thức cơ sở quý báu và cần thiết để người viết
hoàn thành được luận văn này.
Người viết cũng bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám đốc nhà máy Đạm Phú
Mỹ, lãnh đạo cùng cán bộ công nhân viên hai xưởng Phụ trợ và Amơniắc vì đã cho
phép và giúp đỡ người viết trong việc thu thập dữ liệu để thực hiện nhận dạng.
Người viết chân thành gửi lời cám ơn đến anh Phạm Quang Hiếu, chuyên
viên về lị hơi thuộc phịng Cơng nghệ sản xuất, nhà máy Đạm Phú Mỹ, người đã
hết sức nhiệt tình cung cấp kiến thức về các q trình cơng nghệ trong lò hơi.
Xin chân thành cám ơn bố, mẹ và vợ, những người đã động viên tinh thần và
giúp đỡ rất nhiều khi người viết thực hiện luận văn.


5.3.2

Chương trình nhận dạng ............................. Error! Bookmark not defined.

5.3.3

Kết quả nhận dạng ...................................... Error! Bookmark not defined.

5.3.3.1 Mơ hình cho áp suất hơi quá nhiệt ............. Error! Bookmark not defined.
5.3.3.2 Mơ hình cho nhiệt độ hơi q nhiệt ........... Error! Bookmark not defined.

5.3.4

Kết luận ...................................................... Error! Bookmark not defined.

Phụ lục 1: Sơ đồ P&ID.
Phụ lục 2: Cấu trúc hệ thống điều khiển hiện tại.
Phụ lục 3: Chương trình nhận dạng.


Trang 1

Chương 1: MỞ ĐẦU

1.1. Đặt vấn đề
Trong giai đoạn đổi mới đất nước ta đang chuyển mình và phát triển mạnh
mẽ. Sự gia tăng sản xuất đã làm cho các nhà máy được xây dựng ngày càng nhiều.
Theo dòng thời gian, những công nghệ, kỹ thuật tiên tiến trên thế giới đã dần được
chuyển giao và ứng dụng vào trong các nhà máy sản xuất ở nước ta. Quá trình sản
xuất thủ cơng chủ yếu bằng sức người đã trở thành cơ giới hóa và đến nay đang
trong quá trình tự động hóa q trình sản xuất.
Hiện nay, trong các nhà máy trong nước, dù nhỏ hay lớn, hầu hết các dây
chuyền sản xuất đều được điều khiển bằng hệ thống PLC (Programable Logic
Controller). Các hãng sản xuất PLC thường gặp như Omron, Siemens, Allen
Bradley… hay những hãng khác ít gặp hơn ở nước ta như GE Fanuc, HIMA, LG,
… đều ln tìm cách mở rộng và phát triển thị trường sang Việt Nam; từ việc tăng
cường tiếp thị và mở rộng mạng lưới phân phối cho tới việc hỗ trợ cho các tổ chức
giáo dục, đào tạo nhằm đưa sản phẩm của mình tiếp cận với lực lượng lao động
tiềm năng. Bên cạnh đấy, đối với các nhà máy có quy mơ lớn, sử dụng hệ thống
DCS (Distributed Control System) để điều khiển quá trình sản xuất đã trở nên phổ
biến. Cụ thể, các hệ thống DCS của các hãng Siemens, Yokogawa, Honeywell,

ABB... đã được đã được triển khai tại khắp các nhà máy phân bố đều trên nước ta.
Tuy nhiên, do đặc điểm của hầu hết các hệ DCS truyền thống mới chỉ hỗ trợ
các phương pháp điều khiển đơn biến, q trình cơng nghệ được phân nhỏ ra thành
từng quá trình đơn lẻ (hệ SISO: single input single output) và các quá trình con này
được điều chỉnh chủ yếu bằng bộ điều khiển PID. Tức là, các giải thuật điều khiển
trong hệ thống DCS chủ yếu là sự phối hợp giữa các vòng PID với nhau hay với các
thuật giải điều khiển khác như điều khiển tỉ lệ (ratio control), điều khiển phân vùng

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 2

(split-range control), điều khiển lựa chọn (selective control)…hoặc phối hợp với
điều khiển logic (discrete control). Một q trình cơng nghệ thông thường là hệ
thống nhiều đại lượng vào/ra và các đại lượng này có tác động tương hỗ lẫn nhau
(hệ MIMO: multi-input multi-output) cho nên việc phân tách một hệ MIMO thành
các hệ SISO sẽ làm các bộ PID khơng đủ khả năng điều khiển q trình cơng nghệ
với chất lượng tốt nhất và từ đó làm giảm hiệu suất của quá trình sản xuất.
Để khắc phục nhược điểm này của các hệ DCS truyền thống, các nhà sản
xuất hệ thống điều khiển đưa ra một giải pháp đó là bổ sung hệ thống APC
(Advanced Process Control) phía trên hệ thống DCS. APC là một hệ thống phân
tích quá trình cơng nghệ theo quan điểm đa biến vào/ra (MIMO), từ đó tìm ra mối
quan hệ giữa các biến ngõ vào và các biến ngõ ra để chọn ra sách lược điều khiển
thích hợp nhằm điều khiển tối ưu quá trình cơng nghệ, nâng cao hiệu suất của q
trình sản xuất. Tuy nhiên, chi phí cho hệ thống APC rất cao (từ 50% đến 100% giá
của hệ thống DCS) và các thuật giải tối ưu phải được thiết kế riêng cho từng q
trình cơng nghệ. Mới đây, với sự ra đời của các thế hệ DCS mới hỗ trợ các thuật

toán điều khiển cao cấp, việc thiết kế và cài đặt các bộ điều khiển đa biến có thể
thực hiện ngay trên trạm DCS, giảm chi phí cho một hệ APC tách riêng.
Như vậy, việc xây dựng một mơ hình đa biến vào/ra mô tả sự tương tác
(thẳng và chéo) giữa các biến ở ngõ vào và các biến ở ngõ ra của một q trình cơng
nghệ là nhu cầu cần thiết và là yêu cầu quan trọng cần phải thực hiện nếu ta muốn
thực hiện tối ưu quá trình cơng nghệ. Ngày nay, q trình xây dựng mơ hình động
học của quá trình được thực hiện chủ yếu dựa trên dữ liệu thực nghiệm thu thập
được từ quá trình, cùng với quan điểm nhận dạng là xem quá trình như một hộp đen
(black-box). Dữ liệu thực nghiệm dùng để nhận dạng này có thể được thu thập theo
kiểu vịng hở hoặc vịng kín.
Đối với kiểu thu thập dữ liệu theo kiểu vịng hở, đối tượng (q trình) cần
phải được tách ra khỏi các vòng điều khiển. Một sự thay đổi ở đầu vào sẽ làm thay

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 3

đổi ở đầu ra và dữ liệu này sẽ được ghi nhận để làm dữ liệu nhận dạng. Tuy nhiên
đối với nhiều q trình cơng nghiệp điều này sẽ gặp trở ngại bởi:
i. Việc chủ động đưa tín hiệu ở ngõ vào với biên độ đủ lớn có thể làm cho
các thơng số q trình vượt qua khỏi phạm vi làm việc cho phép và ảnh
hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, hoặc tệ hơn nếu q trình
khơng ổn định hoặc có độ ổn định kém thì có thể xảy ra trường hợp
khơng kiểm sốt được q trình dẫn đến ngừng sản xuất hoặc xảy ra tai
nạn (nếu hệ thống điều khiển khơng có chế độ bảo vệ tốt). Cịn nếu vận
hành cả q trình sản xuất chỉ để thu thập dữ liệu thì chi phí q lớn,
điều này làm cho q trình nhận dạng khơng có ý nghĩa về khía cạnh

kinh tế.
ii. Vì thơng thường đối tượng được nhận dạng là đối tượng có vai trị quan
trọng trong một quá trình sản xuất nên việc thuyết phục lực lượng vận
hành thu thập dữ liệu bằng cách tách quá trình ra khỏi hệ thống điều
khiển như đề cập ở i. sẽ rất ít khi được chấp thuận.
Như vậy, yêu cầu vận hành cho thấy việc thu thập dữ liệu cần phải thõa mãn
rằng không gây ảnh hưởng lên q trình sản xuất hoặc có ảnh hưởng nhưng khơng
đáng kể đủ để duy trì được chất lượng sản phẩm đầu ra hoặc chi phí nhận dạng vừa
phải. Do đó, việc duy trì hệ thống điều khiển trong vịng kín khi thực hiện nhận
dạng để q trình cơng nghệ vẫn có thể vận hành bình thường là điều đáng được
xem xét. Khi đó, những tác động và can thiệp vừa phải vào hệ thống điều khiển
được thực hiện để tạo những thay đổi ở các biến ngõ vào và biến ngõ ra sẽ cho ta bộ
dữ liệu dùng để nhận dạng. Thế nên, một ưu điểm quan trọng của việc thực hiện
nhận dạng như mơ tả ở trên đó là dễ dàng duy trì hệ thống làm việc trong điều kiện
phạm vi cho phép khi tiến hành, ngay cả khi sử dụng tín hiệu kích thích chủ động.
Phương pháp nhận dạng như mô tả ở trên được gọi là nhận dạng trong vịng kín.
Dựa vào ý tưởng chủ đạo là nhận dạng q trình theo quan điểm MIMO để
từ đó thiết kế thuật giải điều khiển tối ưu cho quá trình cơng nghệ, tác giả xác định

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 4

mục tiêu nghiên cứu của mình là nhận dạng và thiết lập mơ hình động học cho q
trình sản xuất trong lúc đang vận hành, mà ứng dụng cụ thể ở đây là lò hơi sản xuất
hơi nước quá nhiệt tại nhà máy Đạm Phú Mỹ.

Tên đề tài: Xây dựng mơ hình động học cho lị hơi trong nhà máy Đạm Phú Mỹ.
Cơ sở lý thuyết: Sử dụng lý thuyết nhận dạng.
u cầu: Xây dựng được mơ hình động học lò hơi
Nội dung:
-

Xác định phương án nhận dạng.

-

Thu thập dữ liệu thực tế

-

Xây dựng mơ hình từ dữ liệu thu thập được

1.2. Nội dung và phương pháp thực hiện
Nội dung của luận văn tập trung vào việc phân tích cấu trúc của hệ thống điều
khiển lị hơi, từ đó đề xuất ra phương pháp thu thập dữ liệu trong lúc lò hơi vẫn
đang vận hành (thu thập dữ liệu trong vịng kín). Do đặc trưng của hệ thống điều
khiển DCS nên sách lược điều khiển bao gồm nhiều vòng PID phối hợp các các bộ
điều khiển ratio, điều khiển feedforward, điều khiển lựa chọn và điều khiển
cacscade làm cho cấu trúc của hệ thống điều khiển trở nên phức tạp khi có nhiều
biến q trình tham gia và tác động qua lại lẫn nhau. Do vậy, việc xác định mức độ
can thiệp vào hệ thống điều khiển và can thiệp vào những điểm nào của hệ thống
điều khiển đặt ra yêu cầu sống còn đối với việc thu thập dữ liệu nhận dạng trong
vịng kín.
Từ bộ dữ liệu thu thập được, luận văn đề xuất nhận dạng theo phương pháp
bình phương tối thiểu theo mơ hình ARX bằng cơng cụ System Identification
Toolbox của phần mềm Matlab. Trong khi thực hiện nhận dạng, việc đánh giá số

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 5

bậc (order) các tham số của mơ hình và ước lượng thời gian trễ của từng biến ngõ
vào là vấn đề cần phải quan tâm sâu sắc vì điều này phụ thuộc khá nhiều vào hiểu
biết của người thực hiện nhận dạng về quá trình cần nhận dạng. Các cơng cụ trong
System Identification Toolbox chỉ có tác dụng hỗ trợ trong công việc này.
Việc thực hiện nhận dạng trực tiếp trong vịng kín kéo theo các vấn đề cần giải
quyết về sự tương quan giữa nhiễu đo với biến điều khiển (cũng như biến ngõ vào)
và mối quan hệ tuyến tính giữa biến ngõ ra với biến điều khiển (cũng như biến ngõ
vào). Các vấn đề này ảnh hưởng đến tính nhất quán của phương pháp nhận dạng, do
vậy luận văn cũng đề cập đến phương pháp bình phương tối thiểu và khả năng ứng
dụng của nó trong nhận dạng vịng kín.

1.3. Bố cục bài viết
Luận văn đi vào mơ tả q trình tạo và sinh hơi của một lị hơi cơng nghiệp,
phân tích sách lược điều khiển hiện tại và từ đó đề xuất phương pháp thu thập dữ
liệu bằng vịng kín trong lúc lị hơi vẫn đang vận hành. Trên cơ sở dữ liệu thu thập
được và đặc tính của q trình cơng nghệ mà đề xuất phương pháp nhận dạng và mơ
hình phù hợp.
Luận văn bao gồm 5 chương:
Chương 1: là chương mở đầu, giới thiệu tình hình hiện tại của việc nhận dạng
quá trình, khả năng thực thi chúng trên các hệ thống điều khiển quá trình hiện tại
(hệ DCS và các hệ PLC). Chương này cũng giới thiệu sơ lược về phương pháp nhận
dạng trong vịng kín, một phương pháp nhận dạng đang được quan tâm và phát triển

trong thời điểm hiện tại do những ưu điểm của nó so với các phương pháp khác.
Chương 2: mơ tả về các thành phần chính của một lị hơi và mơ tả tốn học của
các q trình xảy ra trong lị hơi: q trình cháy, q trình trao đổi nhiệt và quá trình
sinh hơi.
Chương 3: đi sâu vào phân tích sách lược điều khiển thực tế đang được sử dụng
trong hệ thống DCS của Yokogawa, mà dựa vào đó đề xuất ra các phương án thu
thập dữ liệu nhận dạng trong vịng kín.

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 6

Chương 4: mô tả các phương pháp nhận dạng thường gặp, trong đó phương
pháp nhận dạng ứng dụng phương pháp bình phương tối thiểu được đề cập sâu và
chi tiết. Các kiểu mơ hình ARX, ARMAX, BJ cũng được xem xét và đánh giá trong
chương này.
Chương 5: mô tả cơng việc nhận dạng lị hơi từ bộ dữ liệu thu thập được khi lò
hơi vẫn đang vận hành. Các vấn đề về chọn lựa biến quá trình vào/ra, chọn lựa
phương pháp nhận dạng đối với đối tượng lò hơi, bộ dữ liệu được sử dụng trong
nhận dạng cũng được đề cập trong chương trình này. Phần kết luận tóm tắt lại các
yếu quyết khi thực hiện nhận dạng và đánh giá mơ hình chất lượng mơ hình và phân
tích các yếu tố gây ảnh hưởng đến chất lượng mô hình.

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hồng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt

Trang 7

Chương 2: SƠ LƯỢC CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA LÒ
HƠI (BOILER)

Việc sử dụng hơi nước làm năng lượng đã được ứng dụng từ rất lâu và đến nay
nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong các quá trình công nghiệp (đặc biệt là lĩnh vực
năng lượng và dầu khí). Khi nước được đun nóng, nó sẽ sơi và thăng hoa thành hơi
nước ở 100 oC (trong điều kiện áp suất khí quyển). Lúc này hơi nước tuy ở thể hơi
nhưng vẫn có nhiệt độ là 100 oC, trong tình huống này ta gọi là hơi nước bão hịa và
giá trị 100 oC chính là nhiệt độ bão hịa của hơi nước tại áp suất khí quyển. Nếu như
ta duy trì áp suất của hơi nước khơng đổi và tiếp tục gia nhiệt cho hơi nước bão hịa
thì nhiệt độ hơi nước sẽ tăng lên và ta thu được hơi nước quá nhiệt. Ta nhận thấy
đặc điểm của hơi nước quá nhiệt là: tại cùng một áp suất không đổi nhưng ta có thể
gia nhiệt cho hơi nước tới nhiều nhiệt độ khác nhau (các nhiệt độ này sẽ cao hơn
nhiệt độ bão hòa tại áp suất đấy).

1.4. Các loại lò hơi (boiler)
Lò hơi là thiết bị tạo ra hơi nước bão hòa hoặc hơi nước quá nhiệt. Hơi nước
quá nhiệt dùng để làm nguồn năng lượng cung cấp cho các thiết bị quay (rotate
device) tại các nhà máy sản xuất công nghiệp như turbine truyền động bơm hoặc
máy nén...hay dẫn động các turbine để quay các máy phát điện. Bên cạnh việc tạo ra
động năng, hơi nước quá nhiệt này cịn có thể sử dụng trong một vài ứng dụng khác
như làm khô sản phẩm hay gia nhiệt chất xúc tác…Ta gọi lò hơi là thiết bị nhưng
thực chất nó là một hệ thống lớn bao gồm nhiều thành phần: buồng lửa (furnace hay
combustion chamber), bao hơi (drum), các bộ trao đổi nhiệt (economiser,
evaporator, super heater) , quạt đẩy khói thải (ID Fan), quạt hút khơng khí (FD
Fan)…
Tùy theo cách gia nhiệt cho nước mà người ta phân loại lò hơi thành: Fire-tube

boiler (loại ống lửa), water-tube boiler (loại ống nước).

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 8

Fire-tube boiler (xem hình 1.4-1) là loại lị hơi mà các khí sau khi cháy sẽ chạy
qua các đường ống và gia nhiệt cho nước bao quanh các ống.
Water-tube boiler (xem hình 1.4-2) bao gồm nhiều ống (dùng để chứa nước)
nối với bao hơi, nước sẽ tuần hoàn trong các ống này và được gia nhiệt bằng nhiệt
lượng sản sinh ra trong buồng lửa.

Hình 1.4-1: Fire-tube boiler

Hình 1.4-2: Water-tube boiler (loại D)

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 9

Tùy vào hình dạng của buồng lửa và hệ thống trao đổi nhiệt người ta phân watertube boiler thành các loại sau đây: loại A, loại O và loại D

Hình 1.4-3: Các loại Water-tube boiler

1.5. Các thành phần cơ bản của lò hơi
Như đã nêu ở phần trước, một lò hơi gồm các thành phần cơ bản sau đây: buồng
lửa, bao hơi (drum), các bộ trao đổi nhiệt (economiser, evaporator, super heater) ,
quạt đẩy khói thải (ID Fan), quạt hút khơng khí (FD Fan).
Buồng lửa (furnace hay combustion chamber): là nơi đốt cháy nhiên liệu (dầu,
khí) để tạo nhiệt năng làm sôi nước bên trong các ống để tạo thành hơi bão hòa
trong bao hơi (drum).
Bộ economiser: là nơi dùng nhiệt lượng của khí thải để làm nóng lượng nước
(feed water) đi vào lò hơi để tận dụng nhiệt lượng của quá trình đốt.
Bao hơi (drum): là nơi chứa nước feed water và cũng là nơi chứa hơi bão hòa
được tạo ra từ lò hơi.

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 10

Bộ evaporator: bao gồm các ống thép chứa đầy nước và nằm trong buồng lửa,
nhận nhiệt lượng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu để làm sơi và bốc hơi nước. Hơi
nước này sẽ đi vào bao hơi và thốt ra ngồi đi đến bộ Superheater.
Bộ Superheater: Sau khi được tạo ra, hơi bão hòa di chuyển từ bao hơi đến
superheater, tại đây nó nhận thêm nhiệt lượng và chuyển thành hơi quá nhiệt. Hơi
quá nhiệt này trở thành nguồn năng lượng truyền động chủ yếu trong quá trình sản
xuất.
Force Draught Fan (FD Fan): quạt này dùng để hút khơng khí vào buồng lửa
nhằm cung cấp đủ ơxy cho quá trình đốt cháy nhiên liệu.
Induced Draught Fan (ID Fan): dùng để hút khí thải (từ buồng lửa) và đẩy ra
ống khói để duy trì sự cháy bên trong buồng lửa.

Hình 1.5-1: Sơ lược các thành phần của một lị hơi

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 11

Nước sạch (nước khử khoáng, demineralized water) được bơm vào bao hơi
(drum), vì nó là ngun liệu để tạo hơi nước nên được gọi là feed water. Trước khi
vào bao hơi, feed water thực hiện trao đổi nhiệt với khí thải ra khỏi buồng lửa của lị
hơi thơng qua bộ Economiser để tận dụng nhiệt lượng của quá trình đốt. Từ bao hơi,
nước được đưa xuống các ống của Evaporator trong buồng lửa, nhận nhiệt lượng và
thăng hoa thành hơi nước bốc lên trên bao hơi.
Từ đỉnh của bao hơi, hơi nước bão hịa thốt ra được đưa vào bộ superheater, tại
đây chúng nhận thêm nhiệt lượng và trở thành hơi nước quá nhiệt và được đưa lên
mạng hơi để sử dụng.

1.6. Mơ tả tốn học các q trình cơng nghệ bên trong lị hơi
Mơ hình lý thuyết của q trình là một hệ các phương trình mơ tả đặc tính của
q trình. Các phương trình này thường là phương trình vi phân hoặc phương trình
đại số. Các phương trình vi phân mơ tả đặc tính động học của q trình, cịn các
phương trình đại số mơ tả mối quan hệ giữa các đại lượng của q trình. Mơ hình lý
thuyết được thiết lập dựa vào các định luật vật lý, hóa học và các thơng tin về thiết
bị. Từ việc phân tích q trình, ta nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống, sau
đấy viết các phương trình cân bằng và các phương trình đại số khác dựa trên các
định luật bảo toàn, nhiệt động học,…Dựa trên các thông số của thiết bị,
nguyên/nhiên liệu, điều khiển vận hành mà ta tính ra các tham số cần thiết và triển

khai thành mơ hình tốn học cụ thể.
Q trình tạo hơi q nhiệt trong lị hơi là một q trình phức tạp, bao gồm
nhiều cơng đoạn, đầu tiên là quá trình đốt cháy nhiên liệu, tiếp đến là quá trình trao
đổi nhiệt tại Evaporator, rồi kế tiếp là q trình thăng hoa của nước thành hơi bão
hịa, sau đấy là quá trình trao đổi nhiệt tại superheater thành hơi q nhiệt rồi đến
q trình kiểm sốt nhiệt độ hơi quá nhiệt bằng nước làm mát (quench water) thông
qua bộ desuperheater. Việc mơ tả các q trình của lị hơi bằng các phương trình

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hồng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 12

cân bằng vật chất, năng lượng chỉ nhằm mục đích tham khảo để hình dung mức độ
phi tuyến của hệ và ảnh hưởng của các đại lượng đầu vào với đầu ra của lị hơi.
Việc mơ tả chính xác các q trình của lị hơi bằng tốn học rất khó đạt như mong
đợi bởi sự phức tạp của các q trình bên trong lị hơi.

1.6.1. Buồng lửa
Mục đích của việc đốt cháy nhiên liệu chính là để truyền nhiệt tạo ra từ quá
trình cháy vào nước để tạo hơi nước. Do đó, yêu cầu quan trọng là phải đạt được
hiệu quả truyền nhiệt cao nhất. Quá trình truyền nhiệt trong buồng lửa thơng thường
là một q trình phức tạp bởi vì sự truyền nhiệt thơng qua ba cơ chế: trao đổi nhiệt
trực tiếp, đối lưu và bức xạ (chủ yếu là đối lưu và bức xạ); và sự ổn định của quá
trình trao đổi nhiệt chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn trong các dịng lưu chất, thành
phần của khơng khí và nhiên liệu, sự trao đổi nhiệt với mơi trường.

1.6.1.1.

Khả năng bức xạ của ngọn lửa

Dựa theo cường độ bức xạ trong phổ thấy được của ánh sáng mà người ta phân
chia thành dạng ngọn lửa sáng, nửa sáng và không sáng. Thông thường các ngọn
lửa sáng và nửa sáng là do nhiên liệu dạng rắn, và còn khi đốt nhiên liệu khí ngọn
lửa thu được có thể là loại nửa sáng hoặc không sáng.
Hệ số bức xạ nhiệt của mơi trường khí được biểu thị qua định luật Bu-ghe
(Bouguer):

ag = 1 − e

−kg p ps

(2-1)

Trong đó:
k g là hệ số làm yếu tia bức xạ bởi môi trường khí

p p là tổng phân áp suất của các chất khí tạo thành sau q trình cháy [Mpa]
s là chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ [m]

Hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa (ngọn lửa sáng) được xác định theo (2-2):

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 13

al = 1 − e − kl ps

(2-2)

Trong đó:
k l là hệ số làm yếu bức xạ bởi môi trường buồng lửa

p là áp suất của các chất khí trong buồng lửa [MPa]

Chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ trong buồng lửa s được tính theo cơng thức:
s = 3,6 ×

Vbl
Fv

[m]

(2-3)

Trong đó:
Vbl là thể tích buồng lửa

[m3]

Fv là diện tích các tường buồng lửa

[m2]

Đối với lị hơi sử dụng nhiên liệu khí, ta xem như ngọn lửa gồm hai phần: phần

sáng và phần không sáng, lúc này hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa được xác định
như sau:

al = mas + (1 − m)aks

(2-4)

Trong đó:
a s là hệ số bức xạ nhiệt của phần ngọn lửa sáng được xác định theo công

thức (2-2)
a ks là hệ số bức xạ nhiệt của phần ngọn lửa không sáng được xác định theo

(2-1).
m là hệ số xác định phần thể tích buồng lửa bị tâm ngọn lửa chốn đầy. Đối

với khí đốt thiên nhiên m = 0.1
Hệ số bức xạ nhiệt của buồng lửa abl được xác định qua hệ số bức xạ nhiệt của
ngọn lửa al và hệ số hiệu quả nhiệt của dàn ống trên tường, cụ thể là:

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 14

abl =

1

(2-5)


1
1 +  − 1ψ d

 al

Dòng nhiệt bức xạ trung bình được các dàn ống sinh hơi (Evaporator) hấp thu là:
4

 T 
qbx = c0 ablψ d  l  × 10 −3
 100 

[kW/m2]

(2-6)

Trong đấy:
Tl là nhiệt độ hiệu quả trung bình của mơi trường khí trong buồng lửa [K]

ψ d là hệ số hiệu quả nhiệt của dàn ống, được xác định như sau:

ψ d = x ×ξ

(2-7)

Với x là hệ số góc và ξ là hệ số bám bẩn quy ước.

1.6.1.2.

Trao đổi nhiệt bức xạ trong buồng lửa

Sự truyền nhiệt từ ngọn lửa đến các dàn ống sinh hơi (evaporator) trong buồng
lửa là quá trình rất phức tạp. Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra đồng thời với quá trình
cháy nhiên liệu, và sự cháy nhiên liệu là nguồn nhiệt cho quá trình bức xạ.
Q trình trao đổi nhiệt trong buồng lửa được mơ tả bằng công thức bán thực
nghiệm của A. M. Gurvich như dưới đây:
θ bl'' =

Bo 0.6
Bo 0.6 + M × abl0.6

(2-8)

Công thức này thể hiện sự liên hệ giữa nhiệt độ khơng thứ ngun của khói ở
cửa ra buồng lửa θ bl'' và tiêu chuẩn Boltzmann ( Bo ). Tiêu chuẩn Boltzmann đặc
trưng cho tỷ lệ giữa lượng nhiệt sinh ra khi cháy nhiên liệu so với cường độ tỏa

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 15

nhiệt tối đa đến các bề mặt dàn ống đặt trên tường. Đặc tính của trường nhiệt độ
trong thể tích buồng lửa cũng được kể đến qua hệ số M .
Hệ số Bo được xác định như sau:

Bo =

Btt Qbx
1
×
4
c0ψ d FvTa 1 − θ bl''

(2-9)

θ bl'' đặc trưng cho mức độ giảm nhiệt độ của khói trong thể tích buồng lửa do có

trao đổi nhiệt.
Đặc tính nhiệt chủ yếu của buồng lửa là lượng nhiệt sinh ra hữu ích trong buồng
lửa Qbl và entanpi của khói ở cửa ra của buồng lửa I bl'' .
Nhiệt lượng sinh ra hữu ích trong buồng lửa Qbl được xác định theo cơng thức
sau:
Qbl = Qtrlv ×

(100 − q3 − q4 − q6 )
+ Qkk − Qkkng + Qtth
100 − q4

(2-10)

Trong đó:
Qtrlv là nhiệt lượng tàng trữ trong nhiên liệu dùng để đốt
Qkk là nhiệt lượng do khơng khí nóng và khơng khí lạnh mang vào buồng lửa

Qkkng

là nhiệt lượng khơng khí thu được do nó được sấy sơ bộ ở phía trước

bộ sấy khơng khí của chính lị hơi (bộ Economiser)
Qtth là nhiệt lượng do khói được tái tuần hồn từ “đi lị” về buồng lửa
q3 =

Q
Q3
Q
× 100% ; q4 = 4 × 100% ; q6 = 6 × 100%
Qdv
Qdv
Qdv

với:
Qdv là nhiệt lượng sản sinh ra khi cháy

Q3 là lượng tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt hóa học

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 16

Q4 là lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học
Q6 là lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngồi

Việc tính tốn trao đổi nhiệt trong buồng lửa dựa trên hai phương trình chủ yếu sau:
Phương trình cân bằng nhiệt:

(

)

(

Qbx = ϕ Qbl − I bl'' = ϕ (Vc )g θ a − θ bl''

Phương trình trao đổi nhiệt bức xạ:

(

)

)

Btt Qbx = c0 abl xFv Tl 4 − Ttr4 × 10 −11

với:

(2-11)

(2-12)

ϕ là hệ số giữ nhiệt

(Vc )g là nhiệt dung trung bình của các chất khí trong khoảng

nhiệt độ ( θ a ÷ θ bl'' )

[kJ/kgoK]

Phương trình (2-11) có thể được viết dưới dạng khác:
 Ttr4 
Btt Qbx = c0 abl xFvTl 1 − 4  × 10 −11
 Tl 
4

Thay ξ = 1 −

(2-13)

Ttr4
và ψ d = xξ ta được:
Tl 4
Btt Qbx = c0 ablψ d FvTl 4 × 10 −11

(2-13)

Nhiệt độ khói ở cửa ra buồng lửa được xác định như sau:
θ bl'' =

Ta
 5.67ψ dtb Fv abl T

M 
10 −11 
 ϕBtt (Vc )tb


3
a

− 273

0.6

[oC]

(2-14)

+1

Trong đó:
ψ dtb là hệ số hiệu quả nhiệt trung bình của dàn ống đặt trên tường

(Evaporator)

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 17

(Vc )tb là tổng nhiệt dung trung bình của sản phẩm cháy
Các bộ trao đổi nhiệt

1.6.2.

Không giống như quá trình trao đổi nhiệt trong buồng lửa, nhiệt lượng mà bộ
Evaporator nhận được chủ yếu từ bức xạ. Đối với các bộ trao đổi nhiệt như
Economiser, Superheater nhiệt lượng nhận được thông qua cả trao đổi nhiệt bức xạ
vào trao đổi nhiệt đối lưu.

1.6.2.1.

Trao đổi nhiệt bức xạ trong đường khói của lị hơi

Lượng nhiệt hấp thu do trao đổi nhiệt bức xạ của một đơn vị bề mặt truyền
nhiệt đối lưu ở phần đi lị (ngõ ra, ống khói) được xác định bởi phương trình sau:
qbx = σ 0 a

atr + 1 4
T − Ttr4
2

(

)

[W/m2]

(2-15)

Với:
a là độ đen của khói có kể đến các hạt tro chứa trong khói

atr là độ đen của bề mặt hấp thu nhiệt bằng bức xạ

T là nhiệt độ tính tốn của dịng khói (thường tính bằng trung bình cộng của

nhiệt độ khói vào và ra khỏi bề mặt truyền nhiệt

[K]

Ttr là nhiệt độ vách ngoài của bề mặt hấp thu nhiệt bằng bức xạ có kể đến bám

bẩn

[K]

Ta có thể biểu diễn (2-15) dưới dạng khác:

(

qbx = α bx θ − t tr

)

[W/m2]

(2-16)

Và hệ số tỏa nhiệt bức xạ của sản phẩm cháy α bx được tính theo cơng thức:
3

α bx = (5.67 × 10 −11 )

T 

1 −  tr 
(a + 1) 3
 T  , [W/m2K]
× a × tr
×T ×
T
2
1 − tr
T

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

(2-17)

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 18

ttr là nhiệt độ vách ống (có tính đến ảnh hưởng của tro bụi) được xác định như sau:

1 
q
t tr = t +  ε +
α 2 


[oC]

(2-18)

Trong đó:
là nhiệt độ trung bình của mơi trường lưu động bên trong ống, bằng trung

t

bình cộng của nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối.
ε là hệ số bám bẩn bề mặt truyền nhiệt đối lưu [m2K/W]

α 2 là hệ số tỏa nhiệt từ vách ống đến môi chất lưu động trong ống [W/m2K]
q là suất nhiệt lượng hấp thu bề mặt truyền nhiệt được tính tốn [kW/m2]

1.6.2.2.

Trao đổi nhiệt đối lưu trong đường khói của lị hơi

Phương trình truyền nhiệt cho phép xác định nhiệt lượng hấp thu của bề mặt
truyền nhiệt:
Q=

kH∆t
Btt

[kJ/kg]

(2-19)

trong đó:
Q là nhiệt lượng do bề mặt truyền nhiệt tính tốn hấp thu bằng đối lưu và

bức xạ [kJ/kg]
k là hệ số truyền nhiệt [W/m2K]

H là bề mặt truyền nhiệt tính tốn

[m2]

∆t là chênh lệch nhiệt độ giữa mơi trường nóng (khói) và mơi chất được

đốt nóng (hơi nước, nước, khí)

[K]

Btt là lượng nhiên liệu tiêu hao tính tốn

[kg/s]

Phương trình cân bằng nhiệt dùng để tính nhiệt lượng do khói truyền đi bằng
nhiệt lượng do hơi nước, nước hay khơng khí hấp thu:

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hồng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 19

(

0

Q = ϕ I g' − I g'' + ∆αI kkl

)

[kJ/kg]

(2-20)

với:
I g' và I g'' là entanpi của khói vào và ra khỏi bề mặt truyền nhiệt tính tốn

[kJ/kg]
là lượng nhiệt do khơng khí lạnh (lọt vào lị hơi) mang vào

0
∆αI kkl

Nhiệt lượng mơi chất (hơi nước, nước, khí) hấp thu tại superheater được tính
bởi cơng thức dưới đây:
Q=

(

)

D '' '
i − i + ∆i g .o − Qbxqx
Btt

[kJ/kg]

(2-21)

Nhiệt lượng môi chất (nước) hấp thu tại bộ Economiser được tính bởi cơng
thức dưới đây:
Q=

(

D '' '
i −i
Btt

)

[kJ/kg]

(2-21)

Trong đó:
D

là lưu lượng hơi nước đi qua bề mặt truyền nhiệt tính tốn [kg/s]

i ' và i ''

là entanpi của mơi chất (hơi nước, nước, khí) ở chỗ vào và chỗ ra
bề mặt tính tốn

∆ig .o

[kJ/kg]

là lượng nhiệt do 1 kg hơi truyền cho nước làm lạnh (ở bộ giảm
ôn kiểu bề mặt)

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

[kJ/kg]

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 20

Chương 3: Q TRÌNH CƠNG NGHỆ VÀ GIẢI PHÁP ĐIỀU
KHIỂN ĐANG ĐƯỢC SỬ DỤNG

3.1.

Sơ lược q trình cơng nghệ
Hệ thống lò hơi tại nhà máy Đạm Phú Mỹ thuộc loại water-tube boiler type D.

Hệ thống này được gọi là Lị hơi phụ trợ (Auxiliary Boiler), có tên (tagname) là 10B-8001 và được hãng MACHI chế tạo. Hệ thống điều khiển q trình cơng nghệ
chủ yếu được thực hiện trên hệ thống DCS của hãng Yokogawa (Centum CS 3000).
Còn các chức năng bảo vệ an toàn và các chức năng khác như đánh lửa, đốt nhiên
liệu, bơm dầu, điều khiển các thiết bị phụ như ID Fan… thì do hệ thống PLC của
hãng HIMA thực hiện.
Lị hơi 10-B-8001 có thể cung cấp công suất tối đa là 140 tấn/h hơi quá nhiệt ở
nhiệt độ 380 ± 5 oC và áp suất 39 ± 0.5 bar. Nhiên liệu là khí đốt thiên nhiên

(natural gas) được cung cấp bởi trạm cung cấp khí GDC của tổng cơng ty khí Việt
nam (PVGAS).
Như đã được mơ tả trong Hình 1.5-1, nước khử khống sau khi qua bộ
Economiser sẽ đi vào bao hơi, sau đấy nó sẽ trao đổi nhiệt tại buồng lửa thơng qua
bộ Evaporator và trở về lại bao hơi. Lúc này trong bao hơi sẽ là hỗn hợp giữa nước
và bọt hơi nước. Do đó mức nước sẽ thay đổi phụ thuộc vào áp suất trong bao hơi.
Nếu áp suất giảm thì mức sẽ tăng và ngược lại.
Dòng hơi bão hòa ra khỏi bao hơi sẽ đi vào Superheater. Bộ Superheater này
bao gồm hai dàn trao đổi nhiệt. Sau khi trao đổi nhiệt tại dàn trao đổi nhiệt thứ nhất
của Superheater, hơi quá nhiệt sẽ được làm mát bằng một lượng nước làm mát
(quench water) để điều hòa nhiệt độ và tiếp tục đi vào dàn trao đổi nhiệt thứ hai.
Hơi nước ra khỏi dàn trao đổi nhiệt thứ hai này (tức là ra khỏi Superheater) chính là
hơi nước quá nhiệt được sử dụng cho quá trình sản xuất. Lượng hơi này sẽ được

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt


Trang 21

đưa vào mạng hơi, tùy vào lượng hơi được sử dụng trong q trình sản xuất
(downstream) mà lị hơi thay đổi cơng suất cho phù hợp.
Trong q trình vận hành, ta cần phải duy trì mực nước trong bao hơi ở mức độ
an tồn (thơng thường là giữa bao hơi): không thấp quá để đảm bảo đủ nước cho
quá trình tạo hơi và tránh gây cháy các ống trao đổi nhiệt mà cũng không cao quá
đủ để ổn định được áp suất trong bao hơi khi tải (nhu cầu tiêu thụ hơi nước quá
nhiệt) thay đổi. Do vậy khi mực nước nằm trong giới hạn an tồn ta cịn phải bơm
liên tục một lượng nước vào bao hơi bằng với lượng hơi được tiêu thụ ở ngõ ra của
lò hơi để đảm bảo mực nước không thay đổi.

Để gia nhiệt cho nước thành hơi nước quá nhiệt, nguồn nhiệt năng được tạo từ
buồng lửa bằng việc đốt cháy nhiên liệu. Chất lượng q trình cháy được kiểm sốt
bằng nồng độ Oxy ở khí thải.
Chi tiết q trình cơng nghệ và sơ đồ công nghệ được thể hiện ở P&ID của hệ
thống lò hơi ở phụ lục 1.

Giải pháp điều khiển hiện tại

3.2.

Như vậy ta nhận thấy, việc điều khiển lị hơi được chi phối bởi bốn vấn đề
chính:
-

Mức nước trong bao hơi.

-

Nhiệt độ hơi quá nhiệt ở ngõ ra.

-

Áp suất hơi quá nhiệt ở ngõ ra.

-

Chất lượng quá trình cháy trong buồng lửa.

Sơ đồ điều khiển của hệ thống lò hơi thực hiện trên hệ DCS Centum CS3000
của hãng Yokogawa ở phụ lục 2.

Người hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Minh Sơn

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Quốc Đạt