Thiết kế bộ điều khiển feedforward theo nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục cho hệ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi ở nhà máy lọc dầu dung quất

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------- oOo ----------

NGUYỄN VĂN LUẬN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD
THEO NGUYÊN LÝ CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG TOÀN CỤC
CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT
CỦA LÒ HƠI Ở NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT

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

Đà Nẵng, 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------- oOo ----------

NGUYỄN VĂN LUẬN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD
THEO NGUYÊN LÝ CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG TOÀN CỤC
CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT
CỦA LÒ HƠI Ở NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 8.52.02.16

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN ANH DUY

Đà Nẵng, 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn trực tiếp của thầy TS. Nguyễn Anh Duy.
Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng và
trung thực tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm công bố.
Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Người cam đoan

NGUYỄN VĂN LUẬN


TÓM TẮT
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD THEO NGUYÊN LÝ CÂN BẰNG
NĂNG LƯỢNG TOÀN CỤC CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT
CỦA LÒ HƠI Ở NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT
Học viên: Nguyễn Văn Luận Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Khóa: 34

Trường Đại học Bách khoa - ĐHBK

Tóm tắt: Luận văn trình bày phương pháp sử dụng kỹ thuật feedforward động theo
nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục để thiết kế một bộ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt
cho lò hơi siêu cao áp ở Nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhằm đảm bảo nhiệt độ hơi đầu ra khỏi
bộ quá nhiệt (BQN) nằm trong giới hạn 505 +/- 5oC khi phụ tải lị hơi thay đổi với tốc độ
khơng q 20% cơng suất định mức của lị hơi (MCR)/phút. Kết quả mô phỏng trên matlab
simulink cho thấy bộ điều khiển mới cho kết quả điều khiển tốt.
Từ khóa: Điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt, bộ điều khiển GDFC, nguyên lý cân bằng
năng lượng tồn cục, lị hơi.

DESIGN OF FEEDFORWARD CONTROLLER ACCORDING TO GLOBAL
ENERGY BALANCING PRINCIPLES FOR HEAT-TEMPERATURE CONTROL
FOR BOILER OF DUNG QUAT REFINERY
Student: Nguyen Van Luan
Specialization: Control and Automation Engineering
Course: 34

Da Nang University of Technology - DUT

Abstract: The thesis presents the method of using feedforward technique according to
the principle of global energy balance to design a superheated steam temperature controller
for super high pressure boiler in Dung Quat oil refinery, to ensure the output superheat steam
temperature from the superheater (BQN) is within the 505 +/- 5oC limit when the boiler load
changes at a rate not exceeding 20% of the boiler rated power (MCR)/min. Simulation results
on matlab simulink show that the new controller gives good control results.
Key words: Overheating steam control, GDFC controller, global energy balance,
boiler.

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nỗ
lực cố gắng của bản thân cịn có sự hướng dẫn nhiệt tình của q Thầy Cơ, cũng như
sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và
thực hiện luận văn thạc sĩ.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy TS. Nguyễn Anh Duy, người đã hết
lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hồn thành luận văn này. Xin chân
thành bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể q thầy cơ trong bộ mơn Tự động hóa, khoa
Điện, trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý
báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tơi trong suốt q trình học tập
nghiên cứu và cho đến khi hoàn thiện đề tài luận văn.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đồng
nghiệp đã hỗ trợ cho tơi rất nhiều trong suốt q trình học tập, nghiên cứu và thực hiện
đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh.

Quảng Ngãi, tháng 12 năm 2018
Học viên thực hiện

NGUYỄN VĂN LUẬN


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................................ 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 1
4. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................................... 2
4.1. Phương pháp lý thuyết ............................................................................................. 2
4.2. Phương pháp thực nghiệm ....................................................................................... 2

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................................ 2
6. Cấu trúc của luận văn .............................................................................................................. 3
7. Tổng quan tài liệu nghiên cứu ................................................................................................. 4

CHƢƠNG 1 .......................................................................................................... 7
TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT
TẠI NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT ....................................................... 7
1.1 Tổng quan về lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất ......................................................... 7
1.1.1 Giới thiệu sơ lược về lò hơi NMLD Dung Quất .................................................... 7
1.1.2 Vai trò của lò hơi trong NMLD Dung Quất ........................................................... 9
1.2 Cấu tạo, vai trò và nguyên lý làm việc của bộ quá nhiệt............................................. 10
1.2.1 Cấu tạo của bộ quá nhiệt ..................................................................................... 10
1.2.2 Chức năng của bộ quá nhiệt ................................................................................ 11
1.2.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống quá nhiệt ........................................................ 12
1.3 Ý nghĩa của việc điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt ..................................................... 12
1.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến động học quá trình điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt... 14
1.4.1. Ảnh hưởng của phụ tải lò .................................................................................... 14
1.4.2. Ảnh hưởng của tốc độ thay đổi tải lò .................................................................. 15
1.4.3. Ảnh hưởng của bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt ................................................... 16
1.4.4. Ảnh hưởng của vị trí ngọn lửa trong buồng đốt .................................................. 17
1.4.5. Ảnh hưởng của áp suất nước giảm ôn ................................................................. 17
1.4.6. Ảnh hưởng của độ ẩm hơi bão hòa ..................................................................... 17
1.4.7. Ảnh hưởng của hệ số khơng khí thừa ................................................................. 17
1.5 Nguyên lý điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt .................................................................... 18
1.6 Kết luận chương 1 ............................................................................................................. 19

CHƢƠNG 2. ....................................................................................................... 20


KHẢO SÁT HỆ THỐNG BỘ QUÁ NHIỆT LÒ HƠI SIÊU CAO ÁP TẠI

NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT ............................................................. 20
2.1 Mơ hình bộ q nhiệt .......................................................................................................... 20
2.1.1. Một số giả thiết ................................................................................................... 20
2.1.2. Mơ hình tốn bộ q nhiệt ................................................................................. 21
2.1.3. Mơ hình tốn bộ cấp nước giảm ơn..................................................................... 24
2.2. Mơ phỏng q trình cháy và sinh hơi trong lị hơi ................................................. 25
2.3. Kết quả thực nghiệm trên lò hơi A4001A .......................................................................... 26
2.3.1. Phương pháp thực nghiệm và thu thập dữ liệu ................................................... 26
2.4. Mô phỏng hệ thống quá nhiệt............................................................................................. 27
2.5. Mô phỏng bộ điều khiển SFC ............................................................................................ 30
2.5.1. Xác định giá trị đầu ra cho hai bộ bù feedforward tĩnh ...................................... 31
2.5.2. Xác định tham số Kp, KI cho bộ điều khiển TIC-04 và TIC-12 .......................... 32
2.6. Kết luận chương 2 .............................................................................................................. 33

CHƢƠNG 3 ........................................................................................................ 35
PHÂN TÍCH ƢU VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT ......................................................................... 35
3.1 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của nhà máy lọc dầu Dung
Quất.. ................................................................................................................... 35
3.2. Ưu và nhược điểm của bộ điều khiển SFC ........................................................................ 36
3.2.1. Ưu điểm............................................................................................................... 36
3.2.2. Nhược điểm ......................................................................................................... 36
3.2.3 Nguyên nhân và hạn chế của bộ ĐK SFC ........................................................... 38
3.3. Ưu và nhược điểm của bộ điều khiển ADFC ..................................................................... 38
3.3.1. Ưu điểm............................................................................................................... 38
3.3.2. Nhược điểm ......................................................................................................... 40
3.3.3 Nguyên nhân và hạn chế của bộ điều khiển ADFC ............................................. 40
3.4. Đề xuất nâng cao chất lượng điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt ........................................ 40
3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 41

CHƢƠNG 4 ........................................................................................................ 42
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD ĐỘNG THEO NGUYÊN
LÝ CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG TOÀN CỤC (GDFC) ............................... 42
4.1. Sơ đồ điều khiển GDFC ..................................................................................................... 42


4.2. Thuật toán Feedforward động theo nguyên lý cân bằng năng lượng tồn cục
(NLCBNLTC) ........................................................................................................................... 43
4.2.1 Cơng thức tính feedforward bù động nhiễu tải mh (GFF) .................................... 43
4.2.2. Tóm tắt thuật toán feedforward động theo nguyên lý cân bằng năng lượng toàn
cục: ................................................................................................................................ 46
4.3. Thiết kế bộ điều khiển GDFC ............................................................................................ 46
4.3.1. Thu thập giá trị các thông số cho bộ điều khiển ................................................ 46
4.3.2. Lập bảng tính enthalpy của hơi ......................................................................... 46
4.3.3. Lập bảng ước lượng nhiệt lượng Q cấp cho hệ thơng qua lượng Fuel gas cấp
cho lị. ……………………………………………………………………………….47
4.3.4. Tính lưu lượng nước làm mát phun vào bộ giảm ôn (mn) .................................. 48
Lưu lượng nước giảm ôn cần cung cáp vào bộ giảm ôn được xác định theo cơng thức
(4.4); .............................................................................................................................. 48
4.3.5. Tính tín hiệu feedforward điều chỉnh độ mở của van phun nước ...................... 48
4.4. Mô phỏng bộ điều khiển GDFC ........................................................................................ 48
4.4.1. Mô phỏng bộ bù động nhiễu tải GFF .................................................................. 48
4.4.2. Kết quả chạy mô phỏng bộ điều khiển GDFC .................................................... 50
a) Trường hợp tăng tải lò từ 50% lên 70%.................................................................... 50
b) Trường hợp giảm tải lị từ 80% xuống 60% ............................................................. 51
4.5. Mơ phỏng ảnh hưởng của tốc độ thay đổi phụ tải lò.......................................................... 53
4.5.1. Mơ phỏng trường hợp tăng tải lị 10% và 20% ................................................... 53
4.5.2. Mơ phỏng trường hợp giảm tải lị 10% và 20% .................................................. 55
4.6. Kết luận chương 4 .............................................................................................................. 56

CHƢƠNG 5 ........................................................................................................ 57
SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT GIỮA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN
GDFC- SFC VÀ GDFC-ADFC ......................................................................... 57
5.1. So sánh đánh giá bộ điều khiển GDFC và SFC ................................................................ 57
5.1.1 So sánh khi tăng tải lò từ 50% lên 70%............................................................... 57
5.1.2 So sánh khi giảm tải lò từ 80% xuống 60% ........................................................ 60
5.2 So sánh đánh giá bộ điều khiển GDFC và ADFC ............................................................ 62
5.2.1 Khi tăng tải lò từ 50% lên 70% ........................................................................... 62
5.2.2 So sánh khi giảm tải lò từ 80% xuống 60% ........................................................ 65
5.4. Kết luận chương 5 .............................................................................................................. 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 69
1. Kết luận ........................................................................................................ 69


2. Kiến nghị ...................................................................................................... 69
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 71


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu

Tên bảng

Trang

Bảng 2.1

So sánh mơ hình với đối tượng thật tại các điểm phụ
tải khác nhau

29

Bảng 2.2

Giá trị các tham số trong mơ hình hệ thống quá nhiệt

29

Bảng 2.3

Giá trị cài đặt của FY-03A và FY-03B

32

Bảng 2.4

Tham số của bộ điều khiển PI trong sơ đồ

33

Bảng 4.3.1

Enthalpy của hơi quá nhiệt theo nhiệt độ [P=10,7MPa]

47

Bảng 4.3.2

Ước lượng nhiệt lượng Q cấp cho bộ quá nhiệt

47


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
Hình 1.1a
Hình 1.1b
Hình 1.1c
Hình 1.1d

Tên hình
Photo về lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất
Graphic về lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất trên DCS
Sơ đồ mơ tả về BQN lị hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất
Hình Sơ đồ mạng nhiệt của phân xưởng Nhà máy điện –NMLD

Trang
7
8
8
9

Dung Quất
Hình 1.2
Hình 1.3.

Sơ đồ mơ tả về BQN lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất
Ống quá nhiệt của lò hơi ở NMLD bị nổ do nhiệt độ cao

10
13

Hình
1.4.1
Hình
1.4.2.
Hình 1.5.

Quan hệ giữa nhiệt độ hơi và tải lò

15

Ảnh hưởng của tốc độ thay đổi tải lò đến nhiệt độ hơi quá nhiệt

15

(a) Sơ đồ mô tả BQN lị hơi, (b) sơ đồ khối mơ tả điều khiển

18

Hình 2.1.

Mơ tả q trình truyền nhiệt trong bộ q nhiệt

21

Hình 2.2.

Mơ hình dịng hơi đi trong ống q nhiệt

23

Hình 2.3.

Mơ hình bộ giảm ơn

24

Hình 2.4.

Sơ đồ mơ phỏng q trình cháy và sinh hơi trong lị hơi

26

Hình 2.5.

Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi A-4001A

26

Hình 2.6.

Mơ phỏng hệ thống q nhiệt hơi của lị hơi A-4001A trên

27

Matlab/Simulink
Hình 2.7.

Đồ thị so sánh đáp ứng bước nhảy của mơ hình với đối tượng

28

thật ở phụ tải 60% cơng suất lị
Hình 2.8.

Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển feedforward tĩnh

29

Hình 2.9.

Xác định tham số cho mơ hình

32

Hình
2.10.

So sánh đáp ứng của bộ ĐK feedforward tĩnh với hai bộ tham số

33

Hình 3.1.

Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hơi q nhiệt của lị hơi NMLD Dung

Kp, KI khác nhau
35

Quất
Hình 3.2.

Biến động nhiệt độ hơi khi lị giảm cơng suất từ 58% xuống 27%

37

và từ 27% lên 42% với tốc độ thay đổi 10% MCR/ phút
Hình.3.3.

Dao động nhiệt độ hơi ra khi xả đáy định kỳ cho lò hơi

37


Hình 3.4.

Đặc tính nhiệt độ hơi q nhiệt của lị hơi

38

Hình 3.5.

Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lị hơi bằng phương

39

pháp điều khiển feedforward động thích nghi
Hình

3.6(a/b).
Hình 4.1.

So sánh độ trơn của tín hiệu điều khiển khi lò tăng/giảm tải

40

Sơ đồ bộ điều khiển feedforward động theo NLCBNLTC

42

Hình
4.1a.
Hình 4.2

Sơ đồ khối bộ điều khiển feedforward động

43

Mơ hình bộ quá nhiệt theo NLCBNLTC

43

Hình 4.2a
Hình 4.2b
Hình 4.3
Hình
4.4a.
Hình
4.4b:

Hình
4.4c:

Sơ đồ mô phỏng bộ bù động nhiễu tải GFF (chi tiết)
Sơ đồ mô phỏng bộ bù động nhiễu tải GFF
Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển GDFC
Đặc tính nhiệt độ đầu ra (màu đỏ), đặc tính độ mở van phun
(màu xanh), khi tăng tải lị từ 50% lên 70%
Đặc tính nhiệt độ hơi quá nhiệt trước-trong-sau khi tăng tải lò từ
50% lên 70%
Đặc tính lượng nước giảm ơn trước-trong-sau khi tăng tải lị từ
50% lên 70%

48
49
49
50

Hình
4.4d:
Hình
4.5a.
Hình
4.5b:
Hình
4.5c:
Hình
4.5d:
Hình
4.5.1

Hình
4.5.1
Hình
4.5.1a
Hình
4.5.1b
Hình
4.5.1c
Hình
4.5.2
Hình
4.5.2a
Hình

Đặc tính độ mở van phun trước-trong-sau khi tăng tải lị từ 50%
lên 70%
Đặc tính nhiệt độ đầu ra (màu đỏ), độ mở van phun (màu xanh),
khi giảm tải lị từ 80% xuống 60%
Đặc tính nhiệt độ T2 trước-trong-sau khi giảm tải lò từ 80%
xuống 60%
Đặc tính lượng nước giảm ơn trước-trong-sau khi giảm tải lị từ
80% xuống 60%
Đặc tính độ mở van phun trước-trong-sau khi giảm tải lị từ 80%
xuống 60%

51

Sơ đồ mơ phỏng khi tăng tải lị 10% và 20%

53

Sơ đồ mơ phỏng khi tăng tải lị 10% và 20%

53

Đặc tính thay đổi nhiệt độ hơi quá nhiệt T2 khi tăng tải lò 10%
và 20%
Đặc tính thay lượng nước giảm ơn mn khi tăng tải lị 10% và
20%
Đặc tính độ mở van nước giảm ôn vp khi tăng tải lò 10% và 20%

54

Sơ đồ mơ phỏng khi giảm tải lị 10% và 20%

55

Đặc tính thay đổi nhiệt độ hơi quá nhiệt T2 khi giảm tải lị 10%
và 20%
Đặc tính thay lượng nước giảm ơn mn khi giảm tải lò 10% và

55

50
51

52
52
52
53

54
54

55


4.5.2b
Hình
4.5.2c
Hình
5.1.1.
Hình
5.1.1a.
Hình
5.1.1b.
Hình
5.1.1c.
Hình
5.1.2a.
Hình
5.1.2b.
Hình
5.1.2c.
Hình
5.2.1.
Hình
5.2.1a.
Hình
5.2.1b.

Hình
5.2.1c.
Hình
5.2.2a.
Hình
5.2.2b.
Hình
5.2.2c.

20%
Đặc tính thay đổi độ mở van nước giảm ơn vp khi giảm tải lị
10% và 20%
Sơ đồ mơ hình mơ phỏng GDFC-SFC khi tăng tải lị từ 50% lên
70%
Sơ đồ so sánh T2 giữa BĐK GDFC-SFC khi tăng tải lị từ 50%
lên 70%
Hình so sánh mn giữa BĐK GDFC-SFC khi tăng tải lò từ 50%
lên 70%
So sánh độ mở van nước giảm ơn giữa BĐK GDFC-SFC khi
tăng tải lị từ 50% lên 70%
So sánh đặc tính T2 giữa BĐK GDFC-SFC khi giảm tải lị từ
80% xng 60%
So sánh đặc tính mn giữa BĐK GDFC-SFC khi giảm tải lị từ
80% xng 60%
So sánh đặc tính vp giữa BĐK GDFC-SFC khi giảm tải lị từ
80% xng 60%
Sơ đồ mơ hình mơ phỏng GDFC-ADFC khi tăng tải lị từ 50%
lên 70%
Hình so sánh T2 giữa BĐK GDFC-ADFC khi tăng tải lò từ 50%
lên 70%

Hình so sánh mn giữa BĐK GDFC-ADFC khi tăng tải lị từ 50%
lên 70%
Hình so sánh độ mở van nước giảm ơn giữa BĐK GDFC-ADFC
khi tăng tải lị từ 50% lên 70%
Hình so sánh T2 giữa BĐK GDFC-ADFC khi giảm tải lị từ 80%
xuống 60%
Hình so sánh mn giữa BĐK GDFC-ADFC khi giảm tải lị từ 80%
xuống 60%
Hình so sánh vp giữa BĐK GDFC-ADFC khi giảm tải lò từ 80%
xuống 60%

56
57
58
58
58
60
60
60
62
63
63
63
65
65
66


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU

A : Diện tích trao đổi nhiệt [m2]
C : Nhiệt dung riêng đẳng áp [kJ/kgK]
h : Enthalpy [kJ/kg]
k : Hệ số truyền nhiệt [W/m2K]
L : Chiều dài [m]
m : Lưu lượng [kg/s]
M : Khối lượng [kg]
Q : Nhiệt lượng [W]
R : Bán kính ống [m]
T : Nhiệt độ [0C]
t : Thời gian [s]
V : Thể tích [m3]
α : Hệ số tỏa nhiệt [W/m2K]
u : Vận tốc [m/s]
ρ : Khối lượng riêng [kg/m3]

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
GDFC : Bộ điều khiển feedforward theo nguyên lý CBNL toàn cục
SFC : Bộ điều khiển feedforward tĩnh
ADFC : Bộ điều khiển feedforward động thích nghi
MCR : Cơng suất định mức của lò hơi
DCS : Hệ thống điều khiển phân tán/Distributed Control System
PCS : Hệ tống điều khiển quá trình / Process Control System
BQN : Bộ quá nhiệt;

BGO : Bộ giảm ôn;

BĐK

: Bộ diều khiển

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Theo tiêu chuẩn ASME phạm vi thay đổi nhiệt độ cho phép của hơi quá
nhiệt trong Nhà máy lọc dầu Dung Quất thường là ± 5oC xung quanh giá trị đặt.
Việc điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt trong các lò hơi tại Nhà máy nhằm ổn
định cân bằng năng lượng là cực kì quan trọng, nếu vì một ngun nhân nào đó
dẫn đến nhiệt độ quá cao, quá thấp hoặc biên độ dao động lớn thì đều ảnh hưởng
nghiêm trọng đến vấn đề an toàn, độ tin cậy và kinh tế vận hành lị hơi & tuabin
của nhà máy. Do đó, việc tìm ra một kỹ thuật điều khiển mới với thuật toán đơn
giản, dễ áp dụng, có thể xây dựng trực tiếp trên hệ thống điều khiển sẵn có của
các lị hơi hiện nay như DCS, PCS hiện hữu chính là tính cấp thiết của đề tài.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Sử dụng kỹ thuật feedforward động theo nguyên lý cân bằng năng lượng
toàn cục để thiết kế một bộ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt cho lò hơi siêu cao
áp ở Nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhằm đảm bảo nhiệt độ hơi đầu ra khỏi bộ
quá nhiệt (BQN) nằm trong giới hạn 505 +/- 5oC khi phụ tải lò hơi thay đổi với
tốc độ không quá 20% công suất định mức của lò hơi (MCR)/phút.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt của
04 lò hơi cao áp tại cụm phân xưởng phụ trợ nóng, Nhà máy lọc dầu Dung Quất,
với cơng suất mỗi lò là 196 Tấn/h, áp suất hơi 107 bar, nhiệt độ hơi q nhiệt
505oC, đốt khí nhiên liệu. Lị hơi được sản xuất năm 2008 của hãng Cerrey
Mexico, lắp đặt tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất, Quảng Ngãi, Việt Nam. Hệ
thống điều khiển là DCS (Experion C200) của Honeywell.
Bộ quá nhiệt của lò hơi này gồm hai cấp, chế tạo bằng thép hợp kim CrMo, giảm ôn bằng nước phun vào vào phía hơi đặt giữa hai cấp.

2

3.2. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài gồm:
- Thuật toán điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt theo nguyên lý cân bằng
năng lượng toàn cục;
- Khảo sát đặc tính động học của hệ thống quá nhiệt lò hơi để hiểu đối
tượng.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
4.1. Phương pháp lý thuyết
Nghiên cứu tư liệu: nghiên cứu tài liệu, giáo trình, các bài báo khoa học
và tài liệu thiết kế của nhà sản xuất.
Mơ hình hóa: xây dựng mơ hình tốn của đối tượng dựa trên các khái
niệm, định luật vật lý, định lí tốn tốn học và các số liệu thiết kế của nhà sản
xuất.
4.2. Phương pháp thực nghiệm
Dùng phương pháp thực nghiệm mơ hình trên Matlab Simulink thay thế
việc thực nghiệm trên đối tượng thực.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1.Về tính mới
Phương pháp điều khiển feedforward động theo nguyên lý cân bằng toàn
cục phụ tải nhiệt được xây dựng trên cơ sở mơ hình hóa q trình truyền nhiệt
của bộ q nhiệt vốn là một hệ thống phi tuyến, tham số bất định, thời gian trễ
lớn, từ đó đưa ra thuật tốn bù nhiễu nhiệt và nhiễu tải. So với các phương pháp
tiếp cận điều khiển hiện đại khác như điều khiển mờ, nơ-ron, điều khiển dự báo
GPC, điều khiển trượt hoặc tích hợp các kỹ thuật trên thì kỹ thuật này thực hiện
đơn giản hơn, kế thừa được bộ điều khiển PI nên phù hợp với hầu hết các lò hơi
hiện nay đều sử dụng bộ điều khiển PI. Công thức tính tốn chỉ cần các khối

hàm cơ bản như đạo hàm, tích phân, lấy trễ… có sẵn trong hệ điều khiển PCS,
DCS trong các nhà máy nhiệt điện, nhà máy hóa chất.


3

5.2.Về lý luận
Làm phong phú thêm cơ sở lý thuyết điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt
cho lò hơi.
Luận văn có thể làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà nghiên cứu
về điều khiển lò hơi cũng như cho sinh viên và học viên cao học.
Phương pháp feedforward động theo ngun lý cân bằng năng lượng tồn
cục có thể mở rộng ứng dụng cho lớp các bài toán điều khiển nhiệt độ ở thiết bị
trao đổi nhiệt.
5.3.Về thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ được triển khai áp dụng để thiết kế bộ
điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt cho bốn lò hơi cao áp ở NMLD Dung Quất để
nâng cao độ tin cậy vận hành, tăng hiệu suất và kéo dài tuổi thọ cho các lị hơi
này.
Thành cơng của đề tài sẽ được báo cáo và mở rộng ứng dụng cho một số
lò hơi khác trong các nhà máy hóa chất, nhà máy nhiệt điện thuộc Tập đồn dầu
khí quốc gia Việt Nam.
Bộ điều khiển feedforward động theo nguyên lý cân bằng năng lượng
toàn cục có thể được áp dụng cho bất kỳ loại lị hơi nào có cấu hình q nhiệt
hai cấp, giảm ơn bằng nước đặt ở giữa hai bộ quá nhiệt.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị luận văn gồm các chương sau
đây:
Chương 1. Giới thiệu cấu tổng quan về bộ quá nhiệt trong lò hơi; vấn đề
điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt; phân tích một số sơ đồ điều khiển nhiệt độ hơi

quá nhiệt thông dụng.
Chương 2. Khảo sát hệ thống quá nhiệt để hiểu hơn về hệ thống điều
khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi cao áp ở Nhà máy lọc dầu Dung Quất.
Chương 3. Chương này dành để phân tích các ưu nhược điểm của bộ điều
khiển đang có và đề xuất kỹ thuật mới được đặt tên là “feedforward động theo


4

nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục” nhằm mục đích nâng cao chất lượng
của bộ điều khiển.
Chương 4. Là chương trọng tâm của luận văn, trong chương này trình bày
phương pháp thiết lập các công thức dùng để thiết kế bộ điều khiển feedforward
động theo phương pháp cân bằng năng lượng tồn cục.
Chương 5. Trình bày các kết quả mơ phỏng; so sánh và bình luận chất
lượng của bộ điều khiển feedforward động theo nguyên lý CBNL toàn cục với
bộ điều khiển feedforward tĩnh và bộ điều khiển feedforward động thích nghi.
Cuối luận văn là phần liệt kê các tài liệu tham khảo được sử dụng trong
quá trình nghiên cứu đề tài.
7. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
Việc điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt trong các lò hơi hiện đại là cực kì
quan trọng, phạm vi thay đổi nhiệt độ cho phép nói chung là ± 5oC xung quanh
giá trị đặt. Nhiệt độ quá cao, quá thấp hoặc biên độ dao động lớn đều ảnh hưởng
nghiêm trọng đến độ an tồn và kinh tế của lị hơi & phụ tải. Do vậy vấn đề điều
khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt vẫn mang tính thời sự và được giới chuyên môn tập
trung nghiên cứu. Sau đây là một số kỹ thuật điều khiển hiện nay trên thế giới.
- Kỹ thuật PI feedforward theo cân bằng năng lượng trực tiếp [14]
Bản chất vẫn là bộ điều khiển PI nối tầng kết hợp với feedforward. Tuy
nhiên sự khác biệt ở đây là tín hiệu feedforward khơng phải dựa tiếp từ lưu
lượng hơi hay nhiên liệu mà là từ bộ tính tốn cân bằng năng lượng (DEB –

Direct Energy Balance) do đó thời gian đáp ứng của bộ điều khiển ngắn hơn,
chất lượng điều khiển nhiệt độ tốt hơn so với phương pháp feedforward truyền
thống. Phương pháp này được sử dụng phổ biến ở các lị hơi nhiệt điện có cấu
hình lị hơi theo tải.
- Kỹ thuật hoạch định độ lợi (gain scheduling) [14]
Với kỹ thuật gain scheduling, các tham số Kp, KI của bộ điều khiển PI
vòng trong được điều chỉnh phù hợp với mỗi điểm tải của lò hơi, nhờ vậy đã


5

giải quyết được vấn đề tham số bất định trong mơ hình tốn hay hàm truyền của
bộ q nhiệt, do đó chất lượng điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt được cải thiện.
Kỹ thuật này được sử dụng trong các lò hơi nhiệt điện do hãng CE & Babcock
sản xuất [14].
- Kỹ thuật điều khiển dự báo (GPC)
Các tác giả [21,23,24] đã thiết kế bộ dự báo GCP để điều khiển nhiệt độ
hơi quá nhiệt cho lò hơi đốt than thông số hơi siêu tới hạn, công suất 1733 t/h
của tổ máy 600MW. Kết quả mô phỏng với bước nhảy 17% cơng suất cho thấy
bộ điều khiển GPC có q điều chỉnh giảm khoảng 90% , thời gian quá độ giảm
50% so với bộ điều khiển PI truyền thống.
Kỹ thuật điều khiển dự báo thích nghi được các tác giả trong [24] đề xuất,
với phương pháp này bộ điều khiển dự báo GPC và bộ nhận dạng trực tuyến các
tham số của mơ hình theo phương pháp RLS (recursive least squares) được
thay thế cho bộ điều khiển PI vịng ngồi trong sơ đồ nối tầng truyền thống.
Năm 1991, Moelbak đã triển khai ứng dụng bộ điều khiển này cho lò hơi đốt
than ở tổ máy số 2 nhà máy nhiệt điện Skaerbaekvaerket, Đan Mạch. Kết quả
cho thấy sai lệc nhiệt độ đầu ra nhỏ hơn, van mở trơn hơn so với bộ điều khiển
PI nối tầng truyền thống.
- Kỹ thuật Cascade NFGPC kết hợp feedforward [26]

Tư tưởng của kỹ thuật này là thay bộ điều khiển PI vịng ngồi trong sơ
đồ nối tầng có feedforward bằng bộ điều khiển dự báo thích nghi. Bộ dự báo
thích nghi mờ NFGPC gồm 5 bộ điều khiển GPC cục bộ được thiết kế và tinh
chỉnh tại 5 điểm tải cố định cho trước. Khi lò hơi làm việc ở phụ tải bất kỳ, tín
hiệu lưu lượng hơi đưa về khối logic mờ để chỉnh định bộ trọng số
hiệu đầu ra của bộ điều khiển NFGCP ( )

∑

để có tín

( ) làm cho sai lệch giữa

nhiệt độ hơi đầu ra so với giá trị đặt là nhỏ nhất.
Trong [26] các tác giả sử dụng hàm liên thuộc trong logic mờ là hàm tam
giác, do vậy tại một thời điểm thì tín hiệu điều khiển u(t) là giá trị nội suy tuyến


6

tính theo tín hiệu ra của hai bộ điều khiển cục bộ được thiết kế tại hai điểm tải
nằm hai bên điểm tải hiện tại, nghĩa là ba trọng số cịn lại có giá trị bằng khơng.
Ứng dụng kỹ thuật này để điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt cho lò hơi của
nhà máy nhiệt điện 200MW và so sánh với bộ điều khiển nối tầng có feedforward
kinh điển thì thấy rằng chỉ tiêu chất lượng điều khiển IAE giảm đến 77% và khi
lò hơi thay đổi tải nhiệt độ hơi thay đổi không vượt quá ±7 oC.
- Kỹ thuật điều khiển mờ lai feedforward [12,21,26]
Tư tưởng của phương pháp này là thay thế bộ điều khiển PI trong sơ đồ
PI- feedforward truyền thống bằng bộ điều khiển logic mờ để điều khiển nhiệt
độ hơi quá nhiệt cho lò hơi trực lưu công suất 1048 t/h của tổ máy 440MW. Kết

quả nghiên cứu chỉ ra rằng kỹ thuật mờ lai feedforward cho chất lượng điều
khiển tốt hơn nhiều so với bộ điều khiển PI truyển thống, với các chỉ tiêu chất
lượng như độ quá điều chỉnh giảm 75%, thời gian quá độ giảm 88%, IAE giảm
68% [21].
So sánh bộ điều khiển mờ lai với điều khiển mờ thì sai lệch lớn nhất
giữa nhiệt độ hơi ra với giá trị đặt của của hai bộ điều khiển này tương ứng là
là 2,56/2,78 oC (vận hành bình thường) và 2.86/11.4 oC (trường hợp sự cố)
[12].


7

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ
NHIỆT TẠI NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT
1.1 Tổng quan về lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất
1.1.1 Giới thiệu sơ lược về lị hơi NMLD Dung Quất

Hình 1.1a. Photo về lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất

Cụm lò hơi tại nhà máy lọc dầu Dung Quất đặt tại phân xưởng phụ trợ
nóng U40, cụm boiler được thiết kế với công suất 4x196T/h, áp suất hơi 107
bar, nhiệt độ hơi q nhiệt 5050C, đốt khí nhiên liệu. Lị hơi được sản xuất
năm 2008 của hãng Cerrey Mexico, lắp đặt tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất,


8

Quảng Ngãi, Việt Nam. Hệ thống điều khiển là DCS (Experion C200) của
Honeywell (đặt tên A-4001A/B/C/D).

Bộ quá nhiệt của lò hơi này gồm hai cấp, chế tạo bằng thép hợp kim CrMo, giảm ơn bằng nước phun vào vào phía hơi đặt giữa hai cấp.

Hình 1.1b. Graphic về lị hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất trên DCS

Hình 1.1c. Sơ đồ mơ tả về BQN lị hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất


9

1.1.2 Vai trị của lị hơi trong NMLD Dung Quất

Hình1.1d. Sơ đồ mạng nhiệt của phân xưởng Nhà máy điện –NMLD Dung Quất

Bốn lò hơi sản sinh ra hơi quá nhiệt ở nhiệt độ 5050C, ở áp suất 107 bar
cung cấp lên mạng hơi siêu cao áp (HHP), lượng hơi HHP này sẽ cấp chính cho
04 máy phát STG-A/B/C/D để sản sinh ra điện năng đủ để cung cấp 100% nhu
cầu năng lượng điện của toàn nhà máy.
Hơi HHP sẽ được cho qua van giảm áp để cung cấp cho phụ tải sử dụng
hơi cao áp (HP), hơi HP chủ yếu cung cấp cho các q trình cơng nghệ và các
máy nén lớn trong nhà máy.
Hơi HP sẽ tiếp tục cho qua van giảm áp để chuyển hơi này về mức hơi
trung áp (MP) nhằm cấp cho các phụ tải cỡ vừa như tua bin dẫn động bơm, quạt
và một số phụ tại phục vụ các khâu công nghệ sản suất chế biến hydrocacbon
Hơi trung áp sẽ tiếp tục được giảm áp để cấp cho các phụ tải sử dụng ở
cấp hạ áp như các bộ gia nhiệt đầu vào q trình xử lý cơng nghệ.
Do đó lị hơi ở NMLD Dung Quất đóng vai trị cực kỳ quan trong trong việc
cung cấp, duy trì ổn định vận hành sản suất của nhà máy lọc dầu.


10

1.2 Cấu tạo, vai trò và nguyên lý làm việc của bộ quá nhiệt
1.2.1 Cấu tạo của bộ quá nhiệt
Bộ quá nhiệt được chế tạo gồm những ống thép hợp kim uốn khúc, có đường
kính từ 32-51mm, chiều dày từ 3mm-7mm nối vào hai ống góp chung như trong
Hình (b). Bộ giảm ơn gồm có van điều khiển gắn với các đầu phun sương đặt
trong ống thép như trong Hình (c).

Hình 1.2. Sơ đồ mơ tả về BQN lị hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất

Để nhận được hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao (có thể đến 560 oC), cần phải
đặt bộ quá nhiệt ở vùng khói có nhiệt độ cao (trên 700 oC). Khi đó nhiệt độ hơi
trong ống và nhiệt độ khói ngồi ống của bộ q nhiệt đều cao, yêu cầu các ống
thép của bộ quá nhiệt phải được làm bằng thép hợp kim. Kích thước bộ quá


11

nhiệt phụ thuộc vào cơng suất lị hơi và nhiệt độ hơi quá nhiệt. Để có nhiệt độ
hơi quá nhiệt đầu ra như mong muốn, một thiết bị dùng để giảm nhiệt độ hơi
quá nhiệt trước khi vào bộ quá nhiệt cấp hai được đặt giữa hai bộ quá nhiệt, thiết
bị đó gọi là bộ giảm ơn như trong Hình 1.2.
 Về cấu tạo, có thể chia thành 3 loại:
+ Bộ quá nhiệt đối lưu: Bộ quá nhiệt đối lưu nhận nhiệt chủ yếu bằng đối
lưu của dịng khói, đặt trên đoạn đường khói nằm ngang phía sau cụm pheston.
Bộ q nhiệt đối lưu dùng cho các lị hơi có nhiệt độ hơi quá nhiệt không vượt
quá 510 oC.
+ Bộ quá nhiệt nửa bức xạ: Bộ quá nhiệt nửa bức xạ nhận nhiệt cả bức xạ
từ ngọn lửa lẫn đối lưu từ khói, được đặt ở cửa ra buồng lửa, phía trước cụm
pheston và thường được dùng ở những lị có nhiệt độ hơi quá nhiệt khoảng 530560 oC.

+ Bộ quá nhiệt bức xạ: Bộ quá nhiệt bức xạ nhận nhiệt chủ yếu bằng bức
xạ trực tiếp của ngọn lửa, được đặt ngay trong buồng lửa xen kẽ với dàn ống
sinh hơi của hai tường bên. Đối với những lò có thơng số siêu cao, nhiệt độ hơi
trên 560 oC thì tỷ lệ nhiệt lượng dùng để quá nhiệt hơi rất lớn, nhất là lị có q
nhiệt trung gian hơi, khiến cho kích thước bộ q nhiệt rất lớn. Vì vậy phải đặt
một phần bộ quá nhiệt vào trong buồng lửa để hấp thu nhiệt bức xạ nhằm giảm
bớt kích thước bộ quá nhiệt.
1.2.2 Chức năng của bộ quá nhiệt
Bộ quá nhiệt là bộ phận để sấy khô hơi, biến hơi bão hòa từ bao hơi thành
hơi quá nhiệt trước khi đưa đến tuabin và các hộ sử dụng nhiệt như trong Hình
1.2. Hơi q nhiệt có nhiệt độ cao hơn, do đó nhiệt lượng tích lũy trong một đơn
vị khối lượng hơi quá nhiệt cao hơn nhiều so với hơi bão hịa ở cùng áp suất.
Bởi vậy khi cơng suất máy giống nhau nếu dùng hơi quá nhiệt thì kích thước
máy sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với máy dùng hơi bão hòa, hiệu suất nhiệt cao hơn,
độ ẩm ở các tầng cuối tuabin và tổn thất nhiệt và nước do hơi ngưng dọc theo
đường ống giảm.