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
..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÙI VĂN TÂN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ỔN ĐỊNH
ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG MỨC NƢỚC BAO HƠI
CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

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



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
LỜI NÓI ĐẦU
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÕ 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 tƣợng 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 đƣợc
1.4. Kết luận chƣơng 1
CHƢƠNG 2: MƠ TẢ TỐN HỌC CHO ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU
KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO
HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. Đặt vấn đề
2.2. Mơ tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển
ổn định áp suất trong hệ thống mức nƣớc 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

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


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
2.2.2.3. Bình bao hơi
2.3. Hàm truyền của hệ thống
2.4. Kết luận:
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI BẰNG
MƠ 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. Phƣơng pháp Ziegler – Nichols
3.2.1.2. Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick
3.2.1.3. Phƣơng 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. Phƣơng pháp tối ƣu modul
3.2.2.3. Phƣơng pháp tối ƣu đối xứng
3.3. Thiết kế điều khiển áp suất bao hơi
3.4. Đánh giá chất lƣợng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab –
Simulink
3.4.1. Sơ đồ mô phỏng bằng matlab – Simulink
3.4.2. Các kết quả mô phỏng
3.5. Đánh giá chất lƣợng 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 mơ hình thực nghiệm

3.5.3. Các kết quả thực nghiệm
3.5.4. So sánh với kết quả mô phỏng
3.6. Kết luận chƣơng 3
CHƢƠNG 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 lý thuyết tối ƣu
cục bộ (phƣơng pháp Gradient)
4.1.3. Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lý thuyết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



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
56


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Lyapunov
4.2. Sơ đồ và kết quả mơ phỏng với phƣơng pháp điều khiển thích
nghi
4.2.1. Sơ đồ mô phỏng
4.2.2. Kết quả mô phỏng
4.3. Kết luận
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

59
59
60
61
62
63


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Q trình chuyển hóa năng lượng
Hình1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy
Hình 1.3: Ngun lí cấu tạo của lị hơi
Hình1.4: Một số bộ phận chính của lị hơi đốt than phun
Hình 1.5: Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lị hơi
Hình 2.1: Sơ đồ khối một vịng của hệ thống điều khiển q trình
Hình 2.2: ấu tr c cơ

n của một thi t

đo qu trình

10
11
12
13
15
22
23

Hình 2.3: Một số hình nh thi t b đo cơng nghiệp

24

Hình 2.4: Cấu tr c cơ n của thi t b chấp hành
Hình 2.5: ấu tr c ti u iểu của một van c u kh n n
Hình 2.6: iểu tượng v k hiệu cho kiểu t c động của van điều khiển

26
26
28
30
32
33
34
35
36
39

Hình 2.7: ao hơi nh m y nhiệt điện
Hình 2.8:Cấu trúc mơ t tốn học của tồn hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuy n tính (PID)
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID
Hình 3.3: Đồ th qu độ
Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất ao hơi nh m y
nhiệt điện
Hình 3.6: Cấu trúc mô phỏng điều khiển mức nước cấp ao hơi
Hình 3.7: Đ p ứng của hệ thống áp suất với lượng đặt Pdat = 1,5at
Hình 3.8: Đ p ứng của hệ thống áp suất với lượng đặt nh y bậc từ

Pdat = 1,5at lên 2at
Hình 3.9: Cấu trúc thí nghiệm điều khiển mức nước cấp ình ao hơi
Hình 3.10: ao hơi
Hình 3.11: Giao diện trong thí nghiệm điều khiển áp suất bình bao hơi
Hình 3.12: Giao diện k t qu thí nghiệm điều khiển áp suất bình bao hơi
Hình 3.13: K t qu thí nghiệm điều khiển áp suất với
KP = 100; KI = 20; KD = 0,5
Hình 3.14: K t qu thí nghiệm điều khiển áp suất với
KP = 10; KI = 20; KD = 0,5
Hình 4.1: Cấu tr c cơ n của hệ thống thích nghi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



40
41
41
42
42
43
43
47
48
49


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Hình 4.2: Điều chỉnh hệ số khu ch đại
Hình 4.3: Điều khiển theo mơ hình mẫu
Hình 4.4: Điều khiển tự chỉnh

Hình 4.5: Cấu trúc mơ hình mẫu song song
Hình 4.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu
bậc nhất
Hình 4.7: K t qu mô phỏng th ch nghi kinh điển pp Gradient:
hình a, với K=5, T= 0.5s; hình b, với K=7, T=0.8s
Hình 4.8: Minh hoạ phương ph p Lyapunov với việc kh o sát tính ổn
đ nh
Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ MRAS dựa trên lý thuy t Liapunov
Hình 4.10: Đ p ứng hệ thống th ch nghi kinh điển kiểu Liapunov:
hình a, với K=5, T= 0.5s; hình b, với K=7, T=0.8s
Hình 4.11: Sơ đồ mơ phỏng theo phương ph p th ch nghi Gradient
Hình 4.12: Sơ đồ mơ phỏng so s nh phương ph p th ch nghi v PID
Hình 4.13: Đ p ứng áp suất ình ao hơi theo phương ph p đk th ch
nghi
Hình 4.14: Đ p ứng áp suất ình ao hơi theo phương ph p đk th ch
nghi và PID

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



50
51
51
51
56
56
57
58
59

59
60
60
61


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cơng nghiệp năng lượng có vai trị 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 nhà máy nhiệt điện công nghệ hiện
đại để phục vụ cho nhu cầu xây dựng, phát triển của xã hội và q trình cơng
nghiệp hố, hiện đại hố đất nước. Có rất nhiều nhà máy 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 lị hơi cơng 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 nhà máy 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 và vận hành phức
tạp nhất, là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều 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 có cấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vịng 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 lị hơi chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động các
q trình trong lị để đảm bảo cho lị làm việc ổn định và kinh tế nhất bằng cách
điều chỉnh năm quan hệ: phụ tải – nhiên liệu, phụ tải – khơng 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 quá trình cháy.
- Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi.
- Hệ thống điều chỉnh áp suất hơi
Trong đó hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi là một trong những khâu trọng
yếu của hệ điều khiển lị hơi, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất
lượng hệ thống điều khiển lị hơi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệ thống điều
khiển quá trình, cụ thể là điều khiển áp suất bao hơi của nhà máy nhiệt điện, đảm
bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhà khoa học
không ngừng phát triển nghiên cứu. Vì vậy 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 nƣớc 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 và thực 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 nhà máy Nhiệt điện.

2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng vào điều khiển và ổn định áp
suất mức nước trong hệ thống mức nước bao hơi của nhà máy 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 cơng nghệ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất, hệ
thống mức nước bao hơi của nhà máy Nhiệt điện.
- Nhận dạng đối tượng điều khiển, phần điều khiển và ổn định áp suất từ mơ
hình lò hơi của nhà máy nhiệt điện tại Trung tâm Thí nghiệm Trường Đại học Kỹ
thuật Cơng 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 nhà máy Nhiệt điện.
- Thiết kế bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ thống mức
nước bao hơi của nhà máy Nhiệt điện
- So sánh kết quả thu được với các phương pháp đang được ứng dụng để rút
ra kết luận và ý kiến đề xuất.
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống bằng mô phỏng.
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
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 lị hơi và điều khiển thích nghi để ổn
định áp suất của hệ thống bình bao hơi trong nhà máy nhiệt điện nói chung.
Chương 2: Mơ tả tốn học cho đối tượng điều khiển ổn định áp suất trong hệ

thống bình 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 mơ phỏng và thực nghiệm.
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ
thống bình bao hơi.
Kết luận và kiến nghị.

Chƣơng 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÕ HƠI VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT CỦA HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI
TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NĨI CHUNG
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
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. Nhà máy 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,
khí thiên nhiên, dầu mỏ... tại buồng đốt làm nước trong lị 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 thích hợp trước khi hòa vào
lưới điện quốc gia.
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hoá nhiệt năng từ
đốt cháy các loại nhiên liệu trong lò hơi “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 phù hợp trước khi hoà vào mạng lưới điện
quốc gia.
Q trình chuyển hố năng lượng từ năng lượng hoá năng chứa trong nhiên
liệu thành nhiệt năng bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu. Nhiệt năng của quá trình
đốt cháy nhiên liệu được cấp cho quá trình tạo hơi bão hồ mang nhiệt năng. Hơi
bão hồ là mơi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin. Tại tuabin nhiệt năng biến đổi
thành cơ năng, sau đó từ cơ năng chuyển hố thành điện năng. Q trình chuyển
hố năng lượng đó có thể được thể hiện qua mơ hình sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.1. Quá trình chuyển hóa năng lượng

1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển hóa nhiệt năng
thành cơ năng rồi sau đó thành điện năng; nhiệt năng được tạo thành từ việc đốt
cháy các nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ... tại buồng đốt làm nước
trong lị 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 mịn 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 đi lị rồi vào bình bao hơi.
Nước ở bình bao hơi theo vịng tuần hồn tự nhiên chảy xuống các giàn ống
sinh hơi, nhận nhiệt năng từ buồng đốt của lị biến thành hơi nước và trở về bình
bao hơi. Trong bình bao hơi phần trên là hơi bão hịa ẩm, phía dưới là nước ngưng.
Hơi bão hịa ẩm trong bình bao hơi khơng 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. Cơng do tuabin sinh ra làm quay máy phát

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
điện. Như vậy, nhiệt năng của nhiên liệu đã biến đổi thành cơ năng và điện năng,
cịn hơi nước là mơi chất trung gian được biến đổi theo một vịng tuần hồn kín.

Hình1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy

1.2. Lị hơi nhà máy nhiệt điện
1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi

Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi là thiết bị lớn nhất sinh hơi và vận hành
phức tạp nhất. Nó có trình độ cơ khí hóa và tự động hóa khá cao, làm việc đảm
bảo và hiệu suất cũng tương đối cao. Trong đó xảy ra q 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 chính 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 thơng thường được đưa lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ
sôi, biến thành hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt.
1.2.2 Cấu tạo của lò hơi
Nguyên lý và cấu tạo của lò hơi được biểu diễn trên hình 1.3. Cấu tạo chung
của lị hơi là nhằm thực hiện 2 nhiệm vụ chính: Một là chuyển hóa năng của nhiên
liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy, nghĩa là đốt nhiên liệu thành sản phẩm
cháy có nhiệt độ cao, nước sơi, hơi bão hịa hoặc hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt
độ thỏa mãn yêu cầu sử dụng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.3: Ngun lí cấu tạo của lò hơi

1- Buồng đốt; 2- dàn ống sinh hơi; 3- vịi phun nhiên liệu + khơng khí
4- ống nước xuông; 5- bao hơi; 6- ống dẫn hơi trên trần; 7- bộ quá nhiệt hơi; 8Bộ quá nhiệt trung gian hơi; 9- bộ hâm nước; 10- khoảng trống để vệ sinh và sửa
chữa; 11- bộ sấy khơng khí.

Như vậy cấu tạo của lị hơi gồm các hệ thống chính như sau:
- Hệ thống cung cấp và đốt cháy nhiên liệu
- Hệ thống cung cấp khơng khí và thải sản phẩm cháy
- Hệ thống sử lí nước và cấp nước làm mát
- Hệ thống sản xuất và cấp nước nóng cho quá trình sinh hơi
- Hệ thống đo lường điều khiển
- Hệ thống an tồn
- Hệ thống lị: Khung lị, tường lò, cách nhiệt…
Với lò đốt phun là loại lò hơi được sử dụng với cơng suất trung bình và lớn,
dùng phổ biến hiện nay trong các nhà máy 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình1.4: Một số bộ phận chính của lị hơi đốt than phun

Lị hơi đốt phun gồm các bộ phận chính sau: Bao hơi, van hơi chính, đường
nước cấp, vịi 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 khơ, giếng xỉ để hứng tất cả xỉ ra ngồi, bơm nước cấp,
ống khói, bộ sấy khơng khí, quạt gió, bộ hâm nước, dàn ống nước xuống, dàn ống
nước lên, dãy festoon dàn ống sinh hơi và bộ quá nhiệt, bộ lọc bụi để chống mài
mịn cánh quạt khói.
1.2.3 Hệ thống điều khiển lò hơi
1.2.3.1 Lò hơi là một đối tƣợng 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 vì vậy, giá trị cơng suất phát của nhà máy điện thay
đổi tùy thuộc nhu cầu sử điện. Giá trị công suất công suất này được yêu cầu từ
trung tâm điều độ quốc gia. Đối với hệ thống điều khiển lị hơi, cơng suất điện
phát ra phụ thuộc vào lưu lượng hơi đưa đến tuabin của máy phát, lưu lượng hơi
dẫn vào tuabin nhiều thì nhiệt được truyền theo và sinh 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 có u cầu về cơng suất điện phát ra thay đổi thì phải thay đổi lưu lượng
hơi đưa vào tuabin, kéo theo đó là yêu cầu nhiệt năng tăng lên, nhiên liệu đưa vào
lò phải tăng lên và nước cấp vào bao hơi cũng phải tăng lên để có được sản lượng
hơi yêu cầu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và có nhiều đầu ra. Đầu vào của lò
hơi bao gồm nhiên liệu (than, dầu), gió đảm bảo cung cấp O2 cho q trình cháy và
lượng nước cấp xuống từ bao hơi. Đầu ra của lị bao gồm hơi nước bã hịa thốt ra
từ bao hơi, lượng nước thừa đi xuống, lượng khói thải và xỉ (tro) từ quá trình cháy.
Như vậy năng lượng đưa vào lị chính là hóa năng có chứa trong nhiên liệu. Năng
lượng hữu ích đầu ra của lị được mang đi bởi hơi nước bã hịa (nước là mơi chất
truyền nhiệt năng). Đầu vào và ra có quan hệ mật thiết với nhau, với mỗi yêu cầu
thay đổi đầu ra là cơng suất máy phát điện thì cần 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 là một hệ thống điều khiển

có cấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác nhau, giám sát và
điều khiển hàng trăm tham số. Trong lị hơi các q trình điều khiển gió vào lị,
nhiên liệu, q trình cháy, hơi, nước cấp... đều có tác động và ảnh hưởng lẫn nhau,
để đạt được hiệu suất tối đa, đáp ứng yêu cầu tải thì cùng 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 chính sau
đây:
- Các mạch vịng điều khiển đảm bảo q trình chuyển hóa năng lượng.
- Các mạch vịng điều khiển đảm bảo chất lượng.
*. Các mạch vòng điều khiển đảm bảo q trình chuyển hóa năng lƣợng
Q trình chuyển đổi năng lượng trong nhà máy nhiệt điện như ta đã đề cập
ở phần trên bao gồm nhiều q trình 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 thì quá trình
thường đi theo hướng ngược lại, từ yêu cầu của tải quyết định công suất máy phát;
từ cơng suất máy phát tính tốn 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
gió cần thiết để đảm bảo q trình cháy cung cung cấp nhiệt năng. Ngồi ra, cơng
suất máy phát là lượng đặt điều khiển lượng hơi cấp vào tuabin, đồng thời cũng
phải điều khiển nước cấp đảm bảo mức nước cân bằng trong bao hơi. Tất cả các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
q trình điều khiển đó đều nhằm mục đích là đảm bảo q trình chuyển hóa năng

trong lị.
*. Các mạch vịng điều khiển đảm bảo chất lƣợng
Để hiệu suất lò hơi cao nhất, đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất như tuổi thọ
của nhà máy và chất lượng điện phát ra thì phải đảm bảo được hai yêu cầu:
- Chất lượng của quá trình cháy: Nhiên liệu cấp vào lị đủ mịn, lượng khơng
khí cấp 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 u cầu tải, ngồi ra hơi nước khơng được phép lẫn bụi hay các
hạt nước li ti tránh gây rỗ và hỏng cánh tuabin.
Tất cả các mạch vòng điều khiển đều có sự liên quan ràng buộc lẫn nhau. Vì
vậy điều khiển lị 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 lị hơi
được trình bày như hình1.5 dưới:
Đầu vào +

Lị hơi

Đầu ra

+
Điều khiển
nƣớc cấp
Nhiên
liệu
Gió

u cầu
Nhiên
Liệu

Điều khiển
nhiệt độ lị hơi

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 q 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.
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 và vận hành phức tạp
nhất, là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. Hệ thống điều khiển lị hơi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
là một hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số. Hệ
thống có có cấu 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. Q trình
vận hành lị hơi khơng tách khỏi q trình vận hành chung tồn nhà máy. 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 cơng tác vận hành lị 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 q
trình vận hành lị hơi không để xẩy ra sự cố và phải đảm bảo lị làm việc có hiệu
suất cao nhất, tương ứng là lượng than tiêu hao để sản xuất 1 kg hơi là nhỏ nhất.

Các thơng số của lị 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 khơng khí thừa, chân khơng
buồng lửa, hàm lượng muối trong nước cấp lò hơi và trong bao hơi… phải được
giữ cố định và chỉ được phép thay đổi trong một phạm vi giới hạn cho phép tương
đối nghiêm khắc.
Việc tự động hóa lị 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 và kinh 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 lị 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 quá nhiệt.
- Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy.
- Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi.
- Hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi.

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 hoá năng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng). Bao hơi là
thiết bị gom hơi nước sau đó đưa đến tuabin.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Nước từ bao hơi được đưa xuống quanh lò bởi các ống dẫn (bao hơi đặt phía

trên lị, ở vị trí cao 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 lò tập trung vào các ống góp phía trên hai bên sườn trần lị. 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 quá nhiệt 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 thì cơng sinh ra càng lớn và cơng suất máy phát càng tăng lên và
ngược lại. Ở mỗi giá trị cơng suất điện phát ra cần có một lưu lượng hơi tương
ứng. Để điều chỉnh lưu lượng hơi phải điều chỉnh nhiên liệu đầu vào cho q trình
cháy trong lị hơi và điều chỉnh van tuabin. Khi điều chỉnh nhiên liệu thì đồng thời
tác động lên bộ điều khiển khơng khí cho phù hợp với lợi ích kinh tế nhất. Hệ
thống điều chỉnh phụ tải nhiệt nhằm duy trì ổn định sản lượng hơi ứng với giá trị
yêu cầu.
Tuy nhiên lưu lượng hơi có thể bị thay đổi so với giá trị yêu cầu do nhiều
nguyên nhân như: sự thay đổi độ ẩm và nhiệt 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 là thông số quan trọng, thông số này cần được điều
chỉnh giữ ổn định tại mọi giá trị tải. Nhiệt độ hơi được duy trì ở một giá trị cố định
nhằm tiết kiệm năng lượng, tránh gây hư hại đường ống do dao động về nhiệt, và
tránh tổn thất nhiệt năng do có sự trao đổi nhiệt giữa hơi và đường ống dẫn hơi.

Hơi bão hồ 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,…
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
 Áp suất hơi:
Áp suất hơi cũng là một thông số của hệ điều khiển, với mọi giá trị yêu cầu
của tải thì áp suất hơi được điều chỉnh ở một giá trị 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
u cầu thay đổi tải lị cịn dùng làm tín hiệu tính tốn u 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, cịn khi áp suất hơi tăng lên thì q trình
xảy ra ngược lại.
Tóm lại nhiệt độ, lưu lượng và áp 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 nhà máy và chất 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 và hệ 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 giá trị tải u cầu, trong khi đó lưu
lượng lại ln 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 quá trình là bộ điều khiển.
Với các bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển q trình có chất lượng thấp như
khơng thích nghi, khơng bền vững, tín hiệu điều khiển khơng bị chặn.
Trên cơ sở các tín hiệu vào là lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi và mức
nước bao hơi, bộ điều chỉnh mức nước sẽ làm thay đổi độ mở van cấp nước một
cách tương ứng để duy trì ổn định áp suất trong bao hơi. Áp suất hơi cũng là một
thông số của hệ điều khiển, với mọi giá trị yêu cầu của tải thì áp suất hơi được
điều chỉnh ở một giá trị ổn định. Do đó, yêu cầu đối với bộ điều chỉnh áp suất bao
hơi là phải có độ tác động nhanh phù hợp. 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 và nếu áp suất giảm thì mức nước bao hơi sẽ tăng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệ thống điều
khiển quá trình, cụ thể là điều khiển áp suất bao hơi của nhà máy nhiệt điện, đảm
bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhà khoa học
không ngừng phát triển nghiên cứu. Vì vậy 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:
- Mơ tả tốn 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 đƣợc
- Xây dựng mơ hình tốn 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 mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink.
- Tiến hành thực nghiệm lấy kết quả so sánh với lý thuyết
1.4. Kết luận chƣơng 1
Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan được những nét cơ bản nhất về nhà máy nhiệt điện.
- Lựa chọn được đối tượng nghiên cứu là ổn 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 mơ tả tốn học.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Chƣơng 2
MƠ TẢ TỐN HỌC CHO ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT
TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. Đặt vấn đề
Mơ tả tốn học của đối tượng là đưa đối tượng về một dạng mơ hình tốn
nào đó. Mơ hình là một hình thức mơ tả khoa học và cơ đọng các khía cạnh thiết
yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Một mơ hình
phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích sử
dụng. Mơ hình khơng những giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực, mà còn cho phép
thực hiện được một số nhiệm vụ phát triển mà khơng cần sự có mặt của q trình
và hệ thống thiết bị thực. Mơ hình giúp cho việc phân tích kiểm chứng tính đúng

đắn của một giải pháp thiết kế được thuận tiện và ít tốn kém, trước khi đưa giải
pháp vào triển khai.
Có thể phân loại thành hai phạm trù là mơ hình vật lý và mơ hình trừu
tượng. Mơ hình vật lý là một sự thu nhỏ và đơn giản hoá của hệ thống thực, được
xây dựng trên cơ sở vật lý - hố học giống như các q trình và thiết bị thực.
- Mơ 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 cơng việc thiết kế và phát triển
của người kỹ sư điều khiển q trình.
- Mơ 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 mơ hình trừu tượng của một hệ thống được gọi là mơ
hình hố. Mơ hình hố là một q trình trừu tượng hố trong đó thế giới thực được
mơ tả bằng một ngơn ngữ mơ hình hố và bỏ qua các chi tiết không thiết yếu.
Trong kỹ thuật điều khiển, ta quan tâm trước hết tới bốn dạng mơ hình trừu tượng
sau:
* Mơ hình đồ hoạ: Với các ngơn ngữ mơ hình hố đồ họa như lưu đồ cơng
nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ logic,... Mơ 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.
* Mơ hình tốn học: Với ngơn ngữ của tốn học như phương trình vi phân
(khả năng biểu diễn mạnh, với mơ hình bậc cao thì khó sử dụng cho phân tích thiết
kế hệ thống), phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái (áp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
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 thơng số, ít dùng cho điều khiển q trình).

Mơ hình tốn 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 thơng tin và đặc tính về hệ
thống thực dưới dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao.
* Mơ hình máy tính: Là các chương trình phần mềm mơ phỏng đặc tính của
hệ thống theo những khía cạnh quan tâm. Mơ hình máy tính được xây dựng với
các ngơn ngữ lập trình, trên cơ sở sử dụng các mơ hình tốn học hoặc mơ hình suy
luận.
Mơ hình tốn học, mơ hình suy luận và mơ hình máy tính được xếp vào
phạm trù mơ hình định lượng, trong khi mơ hình đồ hoạ thuộc phạm trù mơ hình
định tính. Mơ 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 mơ 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 mơi trường bên ngồi.
Mặc dù cả bốn dạng mơ hình nói trên đều có vai trò quan trọng nhất định
trong lĩnh vực điều khiển quá trình, các mơ hình tốn học đóng vai trị then chốt
trong hầu hết nhiệm vụ phát triển hệ thống. Trong các bước thực hiện nhiệm vụ
phát triển, mơ hình tốn 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 hố thiết kế cơng 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.
- Mơ phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành.
Xác định rõ mục đích sử dụng của mơ hình là một việc hết sức cần thiết, bởi
mục đích sử dụng quyết định tới việc lựa chọn phương pháp mô hình hố cũng
như mức độ chi tiết và chính xác của mơ hình sau này.
2.2. Mơ tả tốn học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển ổn định áp

suất trong hệ thống mức nƣớc bao hơi nhà máy nhiệt điện
2.2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống áp suất bình bao hơi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa như
hình 2.1:

Hình 2.1: Sơ đồ khối một vịng của hệ thống điều khiển quá trình

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 q trình có nhiệm vụ cung cấp thơng tin về diễn biến của
q trình 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 2.2: ấu tr c cơ bản của một thi t 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 thơng 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 hố. Những chức năng đó
được thực hiện trong một bộ chuyển đổi đo chuẩn. Một bộ chuyển đo đổi chuẩn
đóng vai trị là một khâu điều hồ 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 ln
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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




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

Thi t bị đo áp suất

Lưu lượng k

Hình 2.3: Một số hình ảnh thi t bị đo cơng 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 mơ tả được mơ 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 ) 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

y( s ) km

x( s ) 1   s