Nghiên cứu phương pháp chỉnh định hệ thống đIều khiển quá trình nhiệt đIện trong đIều kiện phụ tải biến đổi

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

Đỗ Cao Trung

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN
TRONG ĐIỀU KIỆN PHỤ TẢI BIẾN ĐỔI

Ngành: Kỹ thuật nhiệt
Mã số: 9520115

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

1  – 2019
Hà Nội

 


Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TSKH Nguyễn Văn Mạnh

Phản biện 1: GS. TSKH Nguyễn Sĩ Mão
Phản biện 2: GS. TSKH Nguyễn Phùng Quang
Phản biện 3: PGS. TS Đào Văn Tân

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi 8h30’ giờ, ngày 30 tháng 01 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
2 

 


MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................... i 
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. vi 
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... vii 
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................... viii 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................x 
1.  Sự cần thiết của đề tài ......................................................................................1 
2.  Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................2 
3.  Phương pháp nghiên cứu .................................................................................3 
4.  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .........................................................3 
5.  Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu ...............................................................4 
6.  Cấu trúc của luận án ........................................................................................4 
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Q 
TRÌNH NHIỆT ĐIỆN ..............................................................................................5 
1.1. Tổng quan về cơng nghệ nhiệt điện ................................................................5 
1.1.1. Ngun lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than ......................................5 
1.1.2. Cơng nghệ đốt than của lị hơi NMNĐ ....................................................7 
1.1.2.1. Cơng nghệ đốt than phun (Pulverized Coal - PC) ..............................7 
1.1.2.2. Cơng nghệ đốt tầng sơi tuần hồn (Circulating Fluidized Bed-CFB) .8 

1.2. Đặc trưng của q trình nhiệt điện .................................................................9 
1.2.1. Tính phức tạp và tương hỗ của thơng số q trình....................................9 
1.2.2. Đặc trưng bất định và phi tuyến của q trình nhiệt điện ....................... 10 
1.2.2.1. Phụ tải biến đổi do u cầu vận hành ............................................... 10 
1.2.2.2. Phụ tải biến đổi do sự cố ................................................................. 12 
1.3. Hệ thống điều khiển q trình nhiệt điện ...................................................... 12 
1.3.1. Các hệ thống điều khiển cơ bản ............................................................. 14 
1.3.1.1. Điều khiển phối hợp lị hơi-tuabin ................................................... 14 
1.3.1.2. Điều khiển cơng suất lị hơi ............................................................. 16 
1.3.1.3. Điều khiển cấp khơng khí cho buồng đốt ......................................... 16 
1.3.1.4. Điều khiển mức nước bao hơi .......................................................... 17 
1.3.1.5. Điều khiển nhiệt độ hơi q nhiệt .................................................... 18 
1.3.2. Cấu hình đặc trưng hệ điều khiển q trình nhiệt điện ........................... 19 
i 
 


1.3.2.1. Cấu trúc tầng hai vịng ..................................................................... 19 
1.3.2.2. Bộ điều khiển PID ........................................................................... 20 
1.4. Chỉnh định bộ điều khiển q trình nhiệt điện .............................................. 21 
1.4.1. Cơ bản về chỉnh định hệ hai vịng nối tầng ............................................ 21 
1.4.2. Phương pháp ứng dụng thực tế trong NMNĐ ........................................ 21 
1.4.2.1. Chỉnh định theo phương pháp cơ bản .............................................. 22 
1.4.2.2. Chỉnh định thực tế ........................................................................... 24 
1.4.3. Hạn chế của phương pháp chỉnh định truyền thống................................ 24 
1.4.4. Chỉnh định và vận hành ở các NMNĐ Việt Nam ................................... 25 
1.4.4.1. Cơng tác chỉnh định và thử nghiệm ................................................. 25 
1.4.4.2. Thực tế vận hành ............................................................................. 26 
1.5. Các phương pháp chỉnh định nâng cao ......................................................... 27 
1.5.1. PID tự động điều chỉnh (Auto-tuning PID) ............................................ 27 

1.5.2. Gain-scheduling PID ............................................................................. 29 
1.6. Đánh giá tổng quan ...................................................................................... 29 
1.7. Đặc tính q độ của q trình nhiệt điện ...................................................... 30 
1.7.1. Đặc tính q độ của q trình ................................................................ 30 
1.7.2. Q trình nhiệt điện có tự cân bằng ....................................................... 31 
1.7.2.1 Đặc tính q độ đặc trưng................................................................. 31 
1.7.2.2. Trường hợp đặc biệt ........................................................................ 33 
1.7.2.3. Đặc tính q độ của van điều chỉnh ................................................. 34 
1.7.3. Q trình nhiệt điện khơng có tự cân bằng ............................................. 35 
1.8. Nhận dạng q trình trong vịng kín và mơ hình bất định ............................. 36 
1.8.1 u cầu nhận dạng q trình trong vịng kín ........................................... 36 
1.8.2. Mơ hình bất định tổng qt .................................................................... 37 
1.9. Lý thuyết bộ điều khiển bền vững và chỉ số dao động mềm ......................... 39 
1.9.1 Giới thiệu ............................................................................................... 39 
1.9.2. Khái niệm chỉ số dao động và bộ điều khiển bền vững [87, 88] ............. 39 
1.9.3.  Chỉ  số  dao  động  mềm  và  hằng  số  qn  tính  của  bộ  điều  khiển  bền 
vững...... .......................................................................................................... 40 
1.9.3.1 Chỉ số dao động mềm ....................................................................... 40 
1.9.3.2. Đường biên mềm và đặc tính mềm [87, 88] ..................................... 41 
1.9.3.3. Đặc tính mềm và độ dự trữ ổn định của hệ thống ............................. 42 
ii 
 


1.9.3.4. Xác định hằng số qn tính của bộ điều khiển bền vững [20, 88] .... 42 
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ...................................................................................... 44 
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG ..................................................... 45 
Q TRÌNH NHIỆT ĐIỆN .................................................................................. 45 
2.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 45 
2.2. Mơ hình hóa q trình nhiệt điện trong vịng hở ........................................... 45 

2.2.1. Lựa chọn mơ hình .................................................................................. 45 
2.2.1.1. Q trình có tự cân bằng.................................................................. 46 
2.2.1.2. Q trình khơng có tự cân bằng ....................................................... 47 
2.2.2. Xây dựng hàm mục tiêu ......................................................................... 48 
2.2.2.1. Q trình có tự cân bằng.................................................................. 48 
2.2.2.2. Q trình khơng có tự cân bằng ....................................................... 50 
2.2.3. Lựa chọn mơ hình cho q trình có tự cân bằng ..................................... 50 
2.3. Nhận dạng q trình nhiệt điện trong vịng kín ............................................. 51 
2.3.1. Lựa chọn xung kích thích ...................................................................... 51 
2.3.1.1.  Xung chữ nhật ............................................................................. 52 
2.3.1.2.  Xung hàm mũ .............................................................................. 52 
2.3.1.3.  Xung tam giác ............................................................................. 53 
2.3.2. Xác định đặc tính tần số của đối tượng .................................................. 53 
2.3.2.1.  Cơng thức xác định ...................................................................... 53 
2.3.2.2.  Xác định đặc tính tần số từ đặc tính thời gian .............................. 55 
2.3.3. Nhận dạng q trình vịng ngồi ............................................................ 57 
2.3.3.1.  Xác định thành phần cơ sở ........................................................... 57 
2.3.3.2.  Xác định thành phần bất định ...................................................... 59 
2.3.4. Nhận dạng đối tượng vịng trong ........................................................... 61 
2.3.5. Xác định dải tần số bản chất .................................................................. 61 
2.4. Phương pháp giải bài tốn tối ưu .................................................................. 63 
2.4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 63 
2.4.2. Thuật tốn tối ưu hóa vượt khe nhận dạng q trình nhiệt điện .............. 63 
2.4.3. Xác định véctơ građien của hàm khơng trơn .......................................... 66 
2.4.4. Xác định véc tơ xuất phát cho bài tốn tối ưu ........................................ 66 
2.4.4.1. Bài tốn nhận dạng vịng hở ............................................................ 66 
2.4.4.2. Bài tốn nhận dạng trong vịng kín .................................................. 68 
iii 
 

2.5. Ứng dụng phương pháp nhận dạng ............................................................... 71 
2.5.1. Nhận dạng q trình trong vịng hở........................................................ 71 
2.5.1.1. Q trình có tự cân bằng.................................................................. 71 
2.5.1.2. Q trình khơng có tự cân bằng ....................................................... 80 
2.5.2. Nhận dạng q trình trong vịng kín....................................................... 83 
2.6. Kết quả và thảo luận .................................................................................... 89 
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ...................................................................................... 91 
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH 
NHIỆT ĐIỆN ........................................................................................................ 92 
3.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 92 
3.2. Chỉ số bền vững của hệ thống điều khiển ..................................................... 92 
3.3. Xác định chỉ số bền vững tối ưu theo kênh đặt ............................................. 94 
3.4. Chỉnh định bộ điều khiển trong vịng hở [CT1, 2] ........................................ 96 
3.4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 96 
3.4.2. Nhận dạng q trình và tổng hợp bộ điều khiển vịng trong ................... 98 
3.4.3. Nhận dạng q trình và tổng hợp bộ điều khiển vịng ngồi ................... 98 
3.5. Chỉnh định bộ điều khiển trong vịng kín ..................................................... 99 
3.5.1. Giới thiệu .............................................................................................. 99 
3.5.2. Đặc tính mềm của hệ tầng hai vịng ....................................................... 99 
3.5.2.1. Đặc tính mềm của hệ tương đương R1 ............................................. 99 
3.5.2.2. Đặc tính mềm của hệ tương đương R2 ........................................... 101 
3.5.3. Tính bất định của đặc tính mềm và độ bền vững của hệ thống ............. 102 
3.5.4. Phương pháp xác định đặc tính mềm “xấu nhất” .................................. 103 
3.5.5. Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất [CT6] .............. 104 
3.5.5.1. Phương pháp đề xuất ..................................................................... 104 
3.5.5.2. Tổng hợp các bộ điều chỉnh cho thành phần cơ sở ......................... 105 
3.5.5.3. Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất ................... 111 
3.6. Minh họa phương pháp chỉnh định ............................................................. 113 
3.6.1. Tổng hợp các bộ điều khiển cho thành phần cơ sở ............................... 113 

3.6.2. Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất ......................... 115 
3.6.3. Chất lượng hệ thống điều khiển ........................................................... 117 
3.7. Kết quả và bàn luận.................................................................................... 118 
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................... 118 
iv 
 


CHƯƠNG 4. THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ...................................................... 119 
4.1. Giới thiệu ................................................................................................... 119 
4.2. Thực nghiệm từ số liệu thực nhà máy nhiệt điện ........................................ 119 
4.3. Thực nghiệm phương pháp trên mơ hình thí nghiệm .................................. 122 
4.3.1. Mơ hình thí nghiệm ............................................................................. 122 
4.3.2. Cấu trúc điều khiển .............................................................................. 124 
4.3.3. Các thiết bị trong hệ thống thí nghiệm ................................................. 125 
4.3.4. Bộ điều khiển PID số hệ điều khiển tầng ............................................. 126 
4.3.5. Phần mềm điều khiển hệ thống ............................................................ 127 
4.3.6. Thực nghiệm trên hệ thống .................................................................. 130 
4.3.6.1. Xây dựng đặc tính thiết bị ............................................................. 130 
4.3.6.2. Tổng hợp bộ điều khiển và kiểm tra hệ thống ................................ 132 
4.4. Kết quả và thảo luận .................................................................................. 140 
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .................................................................................... 141 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 142 
Các kết quả đạt được của luận án ...................................................................... 142 
Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo .................................................................. 142 
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐàCƠNG BỐ ............................................. 150 
PHỤ LỤC: Số liệu tổ máy số 1 Cơng ty nhiệt điện Mơng Dương ........................ 151 
  

v 

 


LỜI CAM ĐOAN
Tơi  xin  cam  đoan  đây  là  cơng  trình  nghiên  cứu của  riêng  cá  nhân  tơi.  Cơng 
trình được thực dưới sự hướng dẫn của  PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh . Kết quả 
nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được cơng bố bởi tác giả nào khác.  
  
                                                                            Hà Nội, ngày 20 tháng 02 năm 2019         
Người hướng dẫn khoa học 

         Tác giả 

 

 

 

 

 

 

PGS. TSKH Nguyễn Văn Mạnh

Đỗ Cao Trung

vi 

 


LỜI CẢM ƠN
Tơi  xin  bày  tỏ  lịng  biết  ơn  chân  thành  và  sâu  sắc  nhất  đến  Thầy  hướng  dẫn 
PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ tơi trong suốt thời 
gian học tập và nghiên cứu.  
Tơi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường ĐH Bách Khoa HN, Phịng 
đào tạo Trường ĐH Bách Khoa HN, Viện KH&CN Nhiệt-Lạnh, Bộ mơn TĐH&ĐK 
q trình Nhiệt-Lạnh, Xưởng chế tạo thiết bị áp lực (Viện KH&CN Nhiệt-Lạnh) đã 
hỗ trợ và tạo điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành luận án.  
Tơi  xin  chân  thành  cảm  ơn  gia  đình,  bạn  bè  đồng  nghiệp  đã  chia  sẽ,  cổ  vũ 
động viên để tơi có thể hồn thành luận án.  
  
                                                                            Hà Nội, ngày 20 tháng 02 năm 2019
                                                                                                       Tác giả 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

vii 
 

 

         Đỗ Cao Trung  


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

A(s)

 

Mẫu thức của thành phần phân thức 

a0, a1, … an

Giây; phút 

Hằng số qn tính của mẫu thức 

a11, a12, a13

 

Tham số số hóa bộ điều khiển R1(s) 

a21, a22, a23

 

Tham số số hóa bộ điều khiển R2(s) 

B(s)

 

Tử thức của thành phần phân thức 

b0, b1, … bn

Giây; phút 

CCS

 

DCS

 

DPT

kPas 

FOPDT

 

H(s)

 

IFOPDT

 

IFOPDTZ

 

j
J (x)

 

Kp, Ti, Td

 

m0

 

Hằng số qn tính của tử thức 
Hệ thống điều  khiển phối hợp lị hơi-tuabin 
(Coordinated control system) 
Hệ  thống  điều  khiển  phân  tán  (Distributed 
control system) 
Bộ  chuyền  tín  hiệu  chênh  áp  (Diffirental 
pressure transmitter) 
Quán  tính  bậc  nhất  có  trễ  (First  order  plus 
dead time) 
Hàm truyền hệ hở 
Tích  phân  qn  tính  bậc  nhất  và  có  trễ 
(Integrating first order plus dead time) 
Tích  phân  qn  tính  bậc  hai  có  trễ  với  một 
điểm  khơng  dương  (Integrating  first  order 
plus dead time with a zero) 
Đơn vị ảo j2 = -1 
Gradien của  J (x)
Hằng số tỷ lệ, tích phân, vi phân của bộ điều 
khiển PID 
Chỉ số dao động cứng 

m(ω), m

 

Chỉ số dao động mềm 

ms

 

Chỉ số dao động hệ thống 

mc

 

Δm

 

NMNĐ

 

Chỉ số dao động cắt 
Độ  suy  giảm  chỉ  số  dao  động  (chỉ  số  bền 
vững) 
Nhà máy nhiệt điện 

OPT(s)

 

Thành phần phân thức của đối tượng 

O1  s  , O2  s 

 

Mơ hình bất định 

O1(s), O2(s)

 

Mơ hình cơ sở 

PID

 

Tỷ  lệ-tích  phân-vi  phân  (Proportional-

 

viii 
 


Integral-Derivative)  
R1(s), R2(s)

 

Bộ điều khiển vịng ngồi và vịng trong 

r, 

 

Bán kính, pha bất định 

SISO

 
Vịng/phút 
(rpm) 

Một vào-một ra (Single input-single output) 

ST

Bộ truyền tín hiệu tốc độ (Speed transitter) 

SOPDT

 

SOPDTZ

 

s

 

Qn tính bậc hai có trễ (Second order plus 

dead time) 
Qn  tính  bậc  hai  có  trễ  với  một  điểm 
khơng  thực  âm  (Second  order  plus  dead 
time with a zero) 
Tốn tử Laplace 

T, T1, T2, θ 

Giây; phút 

Các hằng số qn tính 

Ta

Giây; phút 

TV

 

t

Giây; phút 

Hằng số qn tính biểu trưng 
Throttle  valve  (van  điều  khiển  cấp  hơi 
tuabin) 
Biến thời gian 

τ

Giây; phút 

Trễ của đối tượng 

U(tu, yu)

 

Điểm uốn của đặc tính q độ 

u 1 , u2

 

Tín hiệu điều khiển 

V(s)

 

“nhân” bất định 

V1

 

Van điều khiển khơng trục 

V2, V3, V4

 

Van tay 

v1, v2

 

Nhiễu 

ω, ωc

Rad/s 

Tần số và Tần số cắt 

W(s)

 

W1td(s)

 

W2td(s)

 

 1td ( s)

W

 

 2td ( s )
W

 

X, x
x, y

 

Hàm truyền hệ kín 
Hàm  truyền  hệ  hở  tương  đương  cơ  sở  của 
bộ điều khiển R1(s) 
Hàm  truyền  hệ  hở  tương  đương  cơ  sở  của 
bộ điều khiển R2(s) 
Hàm truyền hệ hở tương đương bất định của 
bộ điều khiển R1(s) 
Hàm truyền hệ hở tương đương bất định của 
bộ điều khiển R2(s) 
Véc tơ tham số 

 

Tích vơ hướng của hai véc tơ

y 1 , y2

 

Thơng số q trình nhiệt 

z1

 

Tín hiệu điều khiển 
ix 

 


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ [92] ............................................5
Hình 1.2. Sơ đồ nhiệt ngun lý một tổ máy NMNĐ ...............................................6
Hình 1.3. Sơ đồ ngun lý lị hơi đốt than phun.......................................................7
Hình 1.4. Sơ đồ ngun lý lị hơi tầng sơi tuần hồn................................................8
Hình 1.5. Ảnh hưởng tương hỗ thơng số q trình lị hơi ....................................... 10
Hình 1.6. Đáp ứng của áp suất hơi và cơng suất với lưu lượng nhiên liệu .............. 11
và góc mở van điều khiển hơi tuabin [79] .............................................................. 11
Hình 1.7. Cấu trúc điều khiển cơ bản trong NMNĐ [76] ....................................... 13
Hình 1.8. Cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển NMNĐ ......................................... 14
Hình 1.9. Điều khiển phối hợp lị hơi-tuabin lị theo máy [82] ............................... 15
Hình 1.10. Điều khiển phối hợp lị hơi-tuabin máy theo lị [82] ............................. 16
Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tải lị hơi ............................................. 16
Hình 1.12. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cấp khơng khí cho buồng đốt .............. 17
Hình 1.13. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi [4] ......................... 17

Hình 1.14. Sơ đồ ngun lý hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi q nhiệt [82] ......... 18
Hình 1.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi q nhiệt ......................... 19
Hình 1.16. Cấu trúc điển hình điều khiển q trình nhiệt điện ............................... 20
Hình 1.17. Phương pháp chỉnh định trong mạch vịng hở [84] ............................... 22
Hình 1.18. Phương pháp Zigler-Nichols 2 [84]...................................................... 23
Hình 1.19. Phương pháp suy giảm giao động [84] ................................................. 23
Hình 1.20. Ngun lý phương pháp PID tự chỉnh [82] .......................................... 28
Hình 1.21. Ngun lý gain-scheduling PID [82] .................................................... 29
Hình 1.22. Đặc tính động học q trình nhiệt điện ................................................. 31
Hình 1.23. Đặc tính q độ đặc trưng q trình nhiệt điện có tự cân bằng ............. 32
Hình 1.24. Đáp ứng xung bậc thang của áp suất hơi khi tănglưu lượng nhiên liệu . 32
Hình 1.25. Đáp ứng xung bậc thang của cơng suất khi tăng/giảm góc ở van TV .... 33
Hình 1.26. Đặc tính q độ của đối tượng nhiệt có q điều chỉnh ........................ 33
Hình 1.27. Đặc tính lưu lượng (a) và đặc tính thời gian (b) của van....................... 34
Hình 1.28. Đặc tính q độ của van điều khiển...................................................... 34
Hình 1.29. Đặc tính động học của mức nước bao hơi ............................................ 35
Hình 1.30. Đặc tính đối tượng nhiệt điện khơng có tự cân bằng ............................ 36
x 
 


Hình 1.31. Đặc tính cơ sở và điểm biến thiên bất định........................................... 38
Hình 1.32. Đồ thị các bán kính bất định và đường phủ trên [88] ............................ 38
Hình 1.33. Hệ điều khiển kín một vịng ................................................................. 39
Hình 1.35. Đường biên mềm AOB ........................................................................ 41
Hình 1.36. Đường cong đặc tính mềm của hệ hở m = mc = 0,461 ........................... 43
Hình 2.1. Đặc tính q độ đặc trưng của các q trình nhiệt điện………………...46 
Hình 2.2. Đặc tính q độ chữ “S” của q trình có tự cân bằng............................ 46
Hình 2.3. Phân tích đặc tính của q trình khơng có tự cân bằng ........................... 48
Hình 2.4. Phân tích đặc tính chữ “S” của q trình có tự cân bằng ........................ 50

Hình 2.5. Cấu hình điều khiển tầng q trình nhiệt điện ........................................ 51
Hình 2.6. Xung chữ nhật với τ = 0.3, T = 1, u0 = 1 ................................................ 52
Hình 2.7. Xung parabol với τ = 0,2, a = 1, u0 = 1................................................... 53
Hình 2.8. Xung tam giác với τ = 0.5, T = 1, u0 = 1 ................................................ 53
Hình 2.9. Đặc tính thời gian và đường gấp khúc xấp xỉ ......................................... 55
Hình 2.10. Xung tam giác với τ = 0.5, T = 1, u0 = 1 .............................................. 56
Hình 2.11. Đặc tính tần số đặc trưng của đối tượng có tự cân bằng ....................... 62
Hình 2.12. Giải tần số bản chất đối tượng có tự cân bằng ...................................... 62
Hình 2.13. Giải tần số bản chất đối tượng khơng có tự cân bằng ........................... 63
Hình 2.14. Sự hình thành hướng cải tiến được ....................................................... 64
Hình 2.15. Lưu đồ thuật tốn tối ưu hóa vượt khe theo hướng trực giao tựa nón ... 65
Hình 2.16. Lưu đồ xác định bước vượt khe ........................................................... 65
Hình 2.17.  Đáp ứng động học của đối tượng khơng có tự cân bằng ...................... 67
 1  có tự cân bằng .................................... 69
Hình 2.18. Dạng đặc tính thời gian của  O

Hình 2.19. Đặc tính thời gian đối tượng khơng có tự cân bằng .............................. 70
 2  s   ......................................................... 70
Hình 2.20. Một đặc tính thời gian của  O

Hình 2.21. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O1(s) ............................................ 71
Hình 2.22. Đặc tính q độ và đặc tính tần số của O1(s) và O1’(s).......................... 72
Hình 2.23. Đáp ứng xung bậc thang của đối tượng O2(s) ....................................... 73
Hình 2.24. Đặc tính q độ và tần số của O2(s) và đối tượng xấp xỉ O2’(s) ............ 73
Hình 2.25. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O3(s) ............................................ 74
Hình 2.26. Đặc tính q độ và tần số của  O3  s   và  O'3  s  ,  O'3'  s  ,  O''3'  s   .............. 75
(2)
Hình 2.27. Đặc tính động học và tần số của  O3  s   và  O(1)
3  s  ,  O 3  s   .................. 76

xi 
 


Hình 2.28. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O4(s) ............................................ 76
Hình 2.29. Đặc tính q độ và tần số của O4(s) và O’4 (s) ...................................... 77
Hình 2.30. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O5(s) ............................................ 78
Hình 2.31. Đặc tính q độ và tần số của  O5  s   và  O'5  s  ,  O'5'  s  .......................... 78
Hình 2.32. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O6(s) ............................................ 79
Hình 2.33. Đặc tính động học và tần số của  O6  s   và  O'6  s  ,  O'6'  s   ...................... 79
Hình 2.34. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O7(s) ............................................ 80
Hình 2.35 Đáp ứng động học xung bậc thang của các đối tượng............................ 81
Hình 2.36. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O8(s) ............................................ 81
Hình 2.37 Đáp ứng q độ và tần số của các đối tượng ......................................... 82
Hình 2.38. Đặc tính q độ và đặc tính tần số của các đối tượng ........................... 82
Hình 2.39. Cấu hình điều khiển tầng q trình nhiệt điện ...................................... 83
Hình 2.40. Mức biến đổi áp suất hơi theo nhiên liệu cấp lị [79] ............................ 84
Hình 2.41. Đặc tính thời gian y1(t) ........................................................................ 85
Hình 2.42. Đặc tính tần số Y1(s) ............................................................................ 85
Hình 2.43. Đặc tính thời gian y2(t) ........................................................................ 85
Hình 2.44. Đặc tính tần số Y2(s) ............................................................................ 86
Hình 2.45. Ảnh tần số O1(s) .................................................................................. 86
Hình 2.46. Đặc tính tần số O1(s) và kết quả nhận dạng .......................................... 86
Hình 2.47. Bán kính bất định của  O1 (s )  (ω = 0,5÷3) .............................................. 87
Hình 2.48. Đặc tính tần số O2(s) và kết quả nhận dạng .......................................... 87
Hình 2.49. Biến thiên thời gian của mơ hình ......................................................... 88
Hình 2.50. Biến thiên tần số của mơ hình gốc  O 1  s   ............................................ 88
Hình 2.51. Biến thiên thời gian của mơ hình gốc  O 2  s   ....................................... 89
Hình 2.52. Biến thiên tần số của mơ hình gốc  O 2  s  ............................................ 89
Hình 3.1. Hệ điều khiển kín một vịng ................................................................... 93

Hình 3.2. Đường biên mềm A’OB’ khi giảm chỉ số dao động ............................... 93
Hình 3.3. Đặc tính mềm với ω = 0 → +∞ .............................................................. 94
Hình 3.4. Biến thiên của f(x) theo x ...................................................................... 96
Hình 3.5. Cấu trúc hệ thống khi có bộ điều khiển .................................................. 96
Hình 3.6. Cấu trúc hệ thống khi chưa có bộ điều khiển.......................................... 97
Hình 3.7. Xung bậc thang đầu vào và đáp ứng q trình ........................................ 97
xii 
 


Hình 3.8. Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R1 ......................................... 100
Hình 3.9. Hệ một vịng tương đương của bộ điều khiển R1 .................................. 100
Hình 3.10. Hệ tương đương của bộ điều khiển R1 cho thành phần cơ sở [23] ...... 100
Hình 3.11. Hệ một vịng tương đương của bộ điều khiển R1 ................................ 101
Hình 3.12. Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R2 ....................................... 101
Hình 3.13. Hệ một vịng tương đương của bộ điều khiển R2 ................................ 101
Hình 3.14. Biến thiên của đặc tính mềm hệ bất định ............................................ 102
Hình 3.15. Đặc tính của khâu tương đương ......................................................... 106
Hình 3.16. Đặc tính mềm  H1 ( m ω  jω)  ............................................................ 108
Hình 3.17. Hệ số K bổ sung trong mạch vịng ..................................................... 108
Hình 3.18. Nghiệm đặc tính và góc quay véc tơ [87, 23] ..................................... 109
Hình 3.19. Đặc tính mềm H1(m+j) với ω = 0 → +∞ ..................................... 110
Hình 3.20. Chỉnh định theo đặc tính mềm ........................................................... 111
Hình 3.21. Đặc tính mềm hệ hở bất định ............................................................. 112
Hình 3.22. Hệ thống điều khiển áp suất hơi ......................................................... 113
Hình 3.23. Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R1 ....................................... 114
Hình 3.24. Đặc tính q độ của đối tượng tương đương W1tđ .............................. 114
Hình 3.25. Đặc tính mềm  H1 ( m ω  jω)  của hệ hở tương đương........................ 115
 2 ( m ω  jω)  .............................................. 115
Hình 3.26. Đặc tính mềm xấu nhất  H

 1 ( m ω  jω)  .............................................. 116
Hình 3.27. Đặc tính mềm xấu nhất  H

Hình 3.28. Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R2(s) ......................................... 116
Hình 3.29. Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R1(s) ......................................... 117
Hình 3.30. Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R1(s) ......................................... 117
Hình 4.1. Cấu trúc điều khiển áp suất hơi q nhiệt ............................................. 120
Hình 4.2. Đặc tính thời gian của u2(t) và y2(t) từ lần đo thứ nhất ......................... 120
 2 ( s )  từ lần đo thứ nhất ........................................ 120
Hình 4.3. Đặc tính tần số của  O
 2 ( s )  và kết quả nhận dạng ............. 121
Hình 4.4. Tổng hợp các đặc tính tần số của  O

Hình 4.5. Đặc tính thời gian của y2(t) và y1(t) từ lần đo thứ nhất ......................... 121
 1 ( s )  từ lần đo thứ nhất ........................................ 122
Hình 4.6. Đặc tính tần số của  O
 1 ( s )  và kết quả nhận dạng .................... 122
Hình 4.7. Tổng hợp đặc tính tần số của  O

Hình 4.8. Sơ đồ ngun lý hệ thống thí nghiệm ................................................... 123
Hình 4.9. Mơ hình thí nghiệm lắp đặt .................................................................. 123
xiii 
 


Hình 4.10. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ tuabin..................................... 124
Hình 4.11. Cấu trúc hệ thống khi có bộ điều khiển .............................................. 124
Hình 4.12. Đồ thị rời rạc hóa tín hiệu của bộ điều chỉnh PID số [15, 17] ............. 126
Hình 4.13. Lưu đồ thuật tốn lấy số liệu (Data collection) ................................... 127
Hình 4.14. Lưu đồ thuật tốn điều khiển tốc độ tuabin ........................................ 128

Hình 4.15. Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu................................................. 129
Hình 4.16. Giao diện phần mềm điều khiển tốc độ tuabin ................................... 130
Hình 4.17. Đặc tính van điều khiển và tốc độ tuabin ........................................... 130
Hình 4.18. Đặc tính thời gian thơng số lưu lượng nước ....................................... 131
Hình 4.19. Đặc tính thời gian thơng số tốc độ tuabin ........................................... 131
 1 ( s )  và kết quả nhận dạng ................. 132
Hình 4.20. Đặc tính tần số của đối tượng  O

Hình 4.21. Cấu trúc điều khiển với vịng trong tự động ....................................... 133
Hình 4.22. Xác định các tham số BĐK số trên giao diện ..................................... 133
Hình 4.23. Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi giảm 25% cơng suất ................ 134
Hình 4.24. Đặc tính tăng tốc độ tuabin ................................................................ 134
 2  ...................................................... 135
Hình 4.25. Nhận dạng đối tượng bất định  O
 1  ...................................................... 135
Hình 4.26. Nhận dạng đối tượng bất định  O

Hình 4.27. Đặc tính mềm của hệ hở ứng với R1(s)............................................... 136
Hình 4.28. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với R2(s) ................................ 137
Hình 4.29. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với R1(s) ................................ 137
Hình 4.30. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với BĐK R2(s) mới ................ 138
Hình 4.31. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với BĐK R1(s) mới ................ 138
Hình 4.32. Đặc tính điều chỉnh của hệ thống ....................................................... 138
Hình 4.33. Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi giảm 25% cơng suất tải ........... 139
Hình 4.34. Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi tăng 25% cơng suất tải............. 140

xiv 
 

MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của đề tài
Cơ  cấu  nguồn  điện  năng  hiện  tại  của  Việt  Nam,  riêng  NMNĐ  đốt  than  đã 
chiếm khoảng 30% tổng cơng suất. Theo quy hoạch, đến 2030 thì NMNĐ sẽ chiếm 
trên 50% tổng sản lượng điện [22]. Trên thế giới, NMNĐ đốt than hiện cũng chiếm 
khoảng 40%, NMNĐ khí khoảng 20% tổng sản lượng.  
Đặc trưng chung của các q trình cơng nghệ trong NMNĐ là phi tuyến [13, 
48,  72,  73,  76,  79].  Tính  chất  này  cùng  với  đặc  điểm  tác  động  tương  hỗ  phức tạp 
của  các  thông  số  dẫn  đến  đặc  trưng  phức  tạp  hơn  của  quá  trình  cơng  nghệ  trong 
NMNĐ là tính bất định.  
Với  đặc  thù  cơng  nghệ  là  hệ  nhiều  thông  số  vào/ra,  phức  tạp,  tác  động  trực 
tiếp,  gián  tiếp  lẫn  nhau,  trải  qua  thời  gian  dài  phát  triển,  hệ  thống  điều  khiển  q 
trình trong NMNĐ được phân rã thành những hệ con một đầu vào, một đầu ra SISO 
(Single input/Single output) sử dụng các bộ điều khiển PID (bao gồm cả P, PI, PD) 
được nghiên cứu [36, 40, 41, 42, 58, 69, 73, 76, 80, 82], kiểm nghiệm thực tế, thừa 
nhận và sử dụng rộng rãi [30, 43, 44, 54, 62, 67, 68, 74, 84].   
Các hệ SISO có thể là một vịng hoặc hai vịng nối tầng (cascade), trong đó hệ 
hai vịng chiếm phần lớn và được sử dụng để điều khiển những thơng số quan trọng 
nhất của tổ máy. Hệ thống gồm nhiều mạch vịng điều chỉnh cho từng tham số q 
trình,  đối  với  mỗi  vịng  điều  chỉnh  tín  hiệu  tác  động  trực  tiếp  sẽ  là  tín  hiệu  điều 
khiển cịn tín hiệu tác động khác sẽ được xác định là nhiễu. 
Phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID phổ biến là dựa vào kinh nghiệm 
chun gia [76]. Cơng việc được thực hiện tại một mức tải vận hành cụ thể nào đó 
của  NMNĐ  và  thường  ở  mức tải  định  mức.  Các  tham  số  bộ  điều  khiển  được  tính 
tốn và cài đặt cố định cho hệ thống. Khi tổ máy phải làm việc trong điều kiện phụ 
tải biến đổi, đặc biệt trong dải rộng, tăng/giảm cơng suất lớn sẽ làm cho các tham số 
q trình tác động tương hỗ  mạnh, tính chất phi tuyến của q trình/đối tượng thể 
hiện rõ, đặc tính của hệ thống khác xa so với điều kiện chỉnh định ban đầu thì tính 
đáp  ứng  của  hệ  thống  bị  suy  giảm  rõ  rệt,  rất  khó  hoặc  không  vận  hành  tự  động 
được,  ảnh  hưởng  rất  nhiều  đến  khả  năng  vận  hành  ổn  định  và  hiệu  suất  của  nhà 

máy. Ngồi ra, tham số bộ điều khiển thường khơng được cập nhật, chỉnh định lại 
trong vịng đời làm việc của NMNĐ cũng ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng làm 
việc  của  hệ  thống  khi  mà  đặc  tính  của  q  trình/thiết  bị  đã  thay  đổi  rất  khác  theo 
thời gian so với thời điểm chỉnh định lúc xây dựng nhà máy. Các NMNĐ đốt than ở 
Việt Nam là những ví dụ rõ ràng cho các đặc điểm kể trên.  
Để khắc phục các hạn chế trong chỉnh định bộ điều khiển, giúp hệ thống vận 
hành tốt trong chế độ phụ tải biến đổi, khoảng hai thập kỷ qua rất nhiều nghiên cứu 
1 
 


đã được cơng bố. Các nghiên cứu này tập trung  vào hai hướng phát triển là: nâng 
cao chất lượng chỉnh định bộ điều khiển PID trong cấu hình SISO truyền thống và 
thiết kế, chỉnh định bộ điều khiển NMNĐ trong cấu hình nhiều đầu vào/ra MIMO 
(Multi-input/Multi-output).  Trong  đó  điều  khiển  PI/PID  nâng  cao  trong  cấu  hình 
SISO  có  lợi  thế  là  khơng  làm  thay  đổi  cấu  trúc  điều  khiển  đã  được  thiết  kế  cho 
những NMNĐ đã được xây dựng cũng như khơng làm thay đổi quy trình vận hành 
đã có của NMNĐ.    
Gần đây, hai phương pháp được nghiên cứu là: 


Bộ PID tự động điều chỉnh (Auto-tuning PID) [12, 41, 48, 56, 76] 



Gain-scheduling PID [40, 59, 69, 73] 

Hai  phương  pháp  này  tập  trung  vào  việc  cập  nhật  thông  số  q  trình  cơng 
nghệ, tăng cường khả năng thích nghi của bộ điều khiển làm tăng tính ổn định, bền 
vững của hệ thống 

Cùng với hướng nghiên cứu này, tác giả lựa chọn đề tài: Nghiên cứu phương
pháp chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện trong điều kiện phụ
tải biến đổi. 
Nghiên cứu sẽ tập trung vào phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID nhằm 
nâng cao độ bền vững của hệ thống điều khiển q trình cơng nghệ trong NMNĐ, 
gọi là q trình nhiệt điện. Trong đó, lý thuyết bộ điều khiển bền vững [20, 88] sẽ 
được  nghiên  cứu áp  dụng.  Lý  thuyết  này  cho  phép  định  lượng  được  độ  dao  động 
của hệ thống nên có nhiều hứa hẹn trong việc chỉnh định bộ điều khiển đảm bảo hệ 
ổn định trong dải biến thiên rộng, xử lý hiệu quả vấn đề bất định đặc trưng của q 
trình  nhiệt  điện.  Đây  cũng  là  ưu  điểm  nổi  trội  của  phương  pháp  này  so  với  hai 
phương  pháp  chỉnh  định  thường  được  dùng  trong  công  nghiệp.  Đối  với  nhóm 
phương  pháp  của  Zigler-Nichol  1&2  [14,  85]  cho  phép  chỉnh  định  bộ  điều  khiển 
đảm bảo chỉ số dao động khơng thay đổi ở mức 0,22. Trong khi nhóm mơ hình nội 
IMC  (Internal  Model  Control)  của  Morari,  Zafiriou  và  SIMC  (Simple  Internal 
Model Control) [5, 28, 77] cho phép tổng hợp bộ điều khiển có độ bền vững tương 
đối  cao  (hơn  so  với  nhóm  thứ  nhất).  Tuy  nhiên,  những  thay  đổi  yêu  cầu  độ  bền 
vững của hệ thống cũng ln là vấn đề của nhóm phương pháp này đồng thời chỉ số 
dao động của hệ thống cũng  khơng thể xác định trước được. Nếu áp dụng cho bài 
tốn  tổng  hợp  bộ  điều  khiển  trong  điều  kiện  phụ  tải  biến  đổi,  đặc  biệt  là  biến  đổi 
mạnh thì về bản chất phương pháp Zigler-Nichol cho phép chỉnh định hệ thống đảm 
bảo độ dự trữ ổn định kém. Nhóm phương pháp IMC cho độ bền vững rất phụ thuộc 
vào mơ hình và khơng định trước được độ bền vững của hệ thống như mong muốn.  

2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu:
2 
 


Xây dựng phương pháp chỉnh định bộ điều khiển q trình nhiệt điện với tính 

chất bất định và phi tuyến cao, đặc biệt trong điều kiện phụ tải biến đổi, nhằm duy 
trì tính ổn định, bền vững của hệ thống.
Đối tượng nghiên cứu:
Hệ  điều  khiển  q  trình  nhiệt  điện  một  đầu  vào,  một  đầu  ra  (SISO-single 
input/single output) cấu trúc hai vịng nối tầng trong NMNĐ, trong đó các q trình 
nhiệt điện sẽ được xét theo bản chất bất định và phi tuyến, tính chất này thể hiện rõ 
khi hệ thống làm việc trong điều kiện phụ tải biến đổi và biến đổi mạnh.  
Phạm vi nghiên cứu:
Hệ  thống  điều  khiển  quá  trình  nhiệt  điện  hệ  SISO  cấu  trúc  tầng  sử  dụng  bộ 
điều khiển PID. 

3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm: 
 Nghiên cứu khảo sát thực tế điều khiển quá trình nhiệt điện. 
 Sử dụng mơ hình bất định và cơ sở lý thuyết bộ điều khiển bền vững [88] 
để giải quyết bài tốn chỉnh định bộ điều khiển cho q trình nhiệt điện bất 
định trong điều kiện phụ tải biến đổi. 
 Tính tốn, kiểm nghiệm phương pháp trên phần mềm và số liệu thực tế thu 
thập tại NMNĐ.  

 Xây dựng mơ hình thí nghiệm để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Phương  pháp  chỉnh  định  được  đề  xuất  cho  phép  lựa  chọn  trước  chỉ  số  bền 
vững  của  hệ  thống  điều  khiển  quá  trình  nhiệt  điện,  điều  này  là  yếu  tố  quyết  định, 
đảm bảo độ ổn định cho hệ thống khi có sự biến đổi của phụ tải làm cho tính chất 
bất định và phi tuyến của q trình nhiệt điện thể hiện rõ rệt. 
Kết quả của đề tài là cơ sở để có thể xây dựng một hệ điều khiển thích nghi.  
Ý nghĩa thực tiễn:


Phương pháp mơ hình hóa và chỉnh định hệ thống được đề xuất có tiềm 
năng sử dụng tốt cho NMNĐ. Thực tế trong luận án đã được sử dụng hiệu 
quả cho số liệu từ NMNĐ và mơ hình thí nghiệm. 



Đơn  giản  hóa  và  giảm  chi  phí  cho  cơng  tác  chỉnh  định  hệ  thống  điều 
khiển trong NMNĐ. 
3 

 


5. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu
Luận án giải quyết bài tốn chỉnh định bộ điều khiển PID cho q trình nhiệt 
điện khi phụ tải biến đổi làm tính chất bất định, phi tuyến của đối tượng thể hiện rõ 
rệt, bằng cách sử dụng mơ hình bất định và lý thuyết bộ điều khiển bền vững [88]. 
Luận  án  lần  đầu  tiên  xây  dựng  hoàn  chỉnh  hệ  thống  phương  pháp  nhận  dạng  và 
chỉnh định bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển q trình nhiệt hệ SISO cấu trúc 
hai vịng nối tầng từ nền tảng lý thuyết này. Kết quả đạt được của luận án bao gồm:   
1) Xây dựng phương pháp số sử dụng thuật tốn tối ưu hóa vượt khe để nhận 
dạng đối tượng điều khiển q trình nhiệt điện trong vịng hở và vịng kín. 
2) Xây dựng phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID cho q trình nhiệt 
điện cấu trúc SISO hai vịng nối tầng trong chế độ khởi động và chế độ đang 
làm việc, cho phép lựa chọn trước “chỉ số bền vững” của hệ thống với khoảng 
lựa chọn tối ưu là [0,132÷2,318].  
Phương pháp xây dựng phù hợp với cấu hình hệ thống điều khiển đang được 
sử dụng thực tế trong NMNĐ, có khả năng ứng dụng cao. Bộ điều khiển sẽ có khả 
năng thích nghi trong điều  kiện biến thiên rộng của phụ tải  và đặc tính đối  tượng, 

làm việc ổn định lâu dài theo vịng đời vận hành của NMNĐ.

6. Cấu trúc của luận án
Luận án được cấu trúc thành bốn chương, bao gồm: 
Chương 1: Tổng quan về chỉnh định hệ thống điều khiển q trình nhiệt điện 
Chương 2: Phương pháp nhận dạng q trình nhiệt điện 
Chương 3: Phương pháp chỉnh định bộ điều khiển q trình nhiệt điện 
Chương 4: Thực nghiệm kiểm chứng 
Sau đó là phần kết luận nêu các đóng ghóp mới của luận án và đề xuất hướng 
nghiên cứu tiếp theo. Tiếp đến là phần tài liệu tham khảo, các cơng trình khoa học 
đã cơng bố liên quan đến luận án và phụ lục. 
 
 
 
 
 
 
 

4 
 


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NHIỆT ĐIỆN
1.1. Tổng quan về cơng nghệ nhiệt điện
Nhà  máy  nhiệt  điện  (NMNĐ)  là  một  dây  chuyền  công  nghệ  biến  đổi  nhiệt 
năng  khi  đốt  các  nhiên  liệu  hữu  cơ  (than,  dầu,  khí…)  thành  điện  năng  [11].  Hiện 
trên thế giới NMNĐ đốt than chiếm khoảng 40%, NMNĐ khí khoảng 20% tổng sản 
lượng.  Tại  Việt  nam,  riêng  NMNĐ  đốt  than  là  khoảng  30%,  đến  2030  sẽ  là  trên 

50% tổng sản lượng điện [22]. 
Nguyên  lý  làm  việc  cơ  bản  của  NMNĐ  như  sau:  Năng  lượng  được  tàng  trữ 
dưới  dạng  liên  kết  hóa  học  của  nhiên  liệu  hóa  thạch  được  đưa  vào  lị  hơi  để  biến 
thành cơ năng của hơi, năng lượng hơi được sinh cơng quay tuabin. Rơto máy phát 
được nối trục với tuabin, stato được cấp kích từ và máy phát sẽ phát ra năng lượng 
điện. 
1.1.1. Ngun lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than
Từ ngun lý cơ bản nêu trên thì NMNĐ đốt than phải có các thiết bị chính là 
Lị  hơi/Tuabin/Máy  phát  (Boiler/Turbine/Generator)  thường  được  gọi  là  khối  tổ 
máy (unit). Ngồi ra cịn có hệ thống phụ trợ khác. 

Hình 1.1. Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ [92]
5 
 


Sơ đồ nhiệt nguyên lý (mặt cắt đứng) một tổ máy nhiệt điện được thể hiện tại 
hình  1.1  [92],  và  hình  1.2  thể  hiện  sơ  đồ  nhiệt  nguyên  lý  của  tổ  máy  gồm  một  lò 
hơi,  một  tuabin/máy  phát,  loại  lị  hơi  đốt  than  có  bao  hơi  (drum).  Nguyên  lý  làm 
việc cơ bản của hệ thống như sau: 

 
Hình 1.2. Sơ đồ nhiệt nguyên  lý một tổ máy NMNĐ
Nhiên liệu than (coal fuel) từ phễu than (coal bunker) được cấp tới các vịi đốt 
(burner) trên vách lị hơi (waterwall). Khi các vịi đốt làm việc, nước trong các ống 
ở  vách  lị  hơi  sẽ  hóa  hơi  thành  hơi  bão  hòa  (statured  steam),  hơi  này  sẽ  được  dẫn 
vào bao hơi của lị hơi. Vịng tuần hồn nước hơi này có thể là tuần hồn tự nhiên 
hoặc  cưỡng  bức (dùng  bơm).  Từ bao  hơi,  hơi  bão  hịa  sẽ  đi  qua  các  dàn  ống  quá 
nhiệt  (superheater).  Hơi  đi  trong  ống  sẽ  được  gia  nhiệt  bằng  khói  thải  (flue  gas) 
được  hút  từ  buồng  đốt  (furnance).  Hơi  quá  nhiệt  sẽ  được  đưa  sang  tuabin  cao  áp 

(high  pressure  cylinder-HPC),  hơi  quá  nhiệt  khi  tới  tuabin  cao  áp  cịn  được  gọi  là 
hơi mới (live steam). Trước tuabin cao áp sẽ có các van điều khiển cấp hơi (throttle 
valve-TV) để điều chỉnh dịng hơi cấp vào tuabin cao áp, ngồi ra cịn có van chặn 
(stop valve). Hơi thốt từ tuabin cao áp lại được đưa về hệ thống tái nhiệt (reheater) 
của  lị  hơi  để  gia  nhiệt,  sau  đó  dẫn  về  tuabin  trung  áp  (intermediate  pressure 
cylinder-IPC).  Hơi  sau  khi  ra  khỏi  tuabin  trung  áp  được  dẫn  về  tuabin  hạ  áp  (low 
pressure cylinder-LPC) qua ống  nối trực tiếp  (crossover)  giữa hai thân tuabin này. 
Hơi thốt từ tuabin hạ áp sẽ được ngưng tại bình ngưng (condenser) bằng nước làm 
mát (cooling water) hoặc tháp làm mát (cooling tower).   
Khơng  khí (combustion air) được cấp  vào lị hơi từ quạt gió (force draft fanFDF) được thổi các bộ sấy khơng khí (air heater) để gia nhiệt rồi đưa vào buồng đốt 
để đốt cháy nhiên liệu. Khói từ buồng đốt  được quạt khói (induced draft fan-IDF) 
hút  đi  qua  các  bộ  q  nhiệt,  tái  nhiệt,  bộ  hâm,  bộ  sấy  khơng  khí,  bộ  khử  bụi 
6 
 


(electrostatic precipitator-ESP), hệ thống khử lưu huỳnh (flue gas desulphuazation), 
qua ống khói (stack) thốt ra ngồi.     
Nước  ngưng  (condensated  water)  từ  bình  ngưng  được  bơm  ngưng  
(condensate pump) bơm tới các bộ gia nhiệt hạ áp (low pressure heater-LPH). Nước 
qua các bộ gia nhiệt này được gia nhiệt bằng hơi trích từ các cửa trích (extractor) từ 
tuabin (hạ áp và trung áp), sau đó tới bình khử khí (deaerator) để tách khí hịa tan ra 
khỏi nước (tránh ăn mịn thiết bị và đường ống dẫn). Nước qua bình khử khí cũng 
sẽ được gia nhiệt bằng hơi trích từ tuabin trung áp, khi ra khỏi bình khử khí sẽ được 
bơm cấp (boiler feed pump-BFP) bơm tới các bình gia nhiệt cao áp (high pressure 
heater-HPH) để tiếp tục gia nhiệt. Tại đây nước cấp tiếp tục được gia nhiệt bằng hơi 
trích  từ  tuabin  cao  áp  hoặc  đường  hơi  tái  nhiệt  (reheat  steam).  Sau  đó  nước  cấp 
được đưa tới bộ hâm nước (economizer) để  gia nhiệt bằng  khói thải trước  khi  vào 
bao hơi. Van điều khiển nước cấp (control valve-CV) sẽ được bố trí giữa bơm cấp 
và bình gia nhiệt cao áp để điều khiển nước cấp vào lị hơi. 

1.1.2. Cơng nghệ đốt than của lị hơi NMNĐ
1.1.2.1. Cơng nghệ đốt than phun (Pulverized Coal - PC)
Công  nghệ  đốt  than  phun  là  công  nghệ  truyền  thống  được  áp  dụng  rộng  rãi 
nhất trong các NMNĐ đốt than và chiếm chủ yếu trong các NMNĐ ở Việt Nam. 
1. Buồng đốt
2. Giàn quá nhiệt bức xạ

3
2

3. Giàn quá nhiệt đối lưu
4

4. Bộ quá nhiệt trung gian
6

6. Bộ khử NOx

5
1

7. Bộ sấy khơng khí
7

9

 

5.Đường khói

8. Quạt gió
9. Máy nghiền than

8

Hình 1.3. Sơ đồ ngun lý lị hơi đốt than phun

Trong lị hơi cơng nghệ này, than bột mịn được cấp vào buồng đốt bằng khơng 
khí  nóng  qua  các  vịi  đốt  gắn  trên  vách.  Trong  buồng  đốt  than  bột  được  gia  nhiệt 
nhanh chóng làm chất bốc thốt ra biến các hạt than thành các hạt xốp gồm tro xỉ và 
cốc (các-bon). Chất bốc dễ cháy nên cháy trước làm tăng tốc độ  gia nhiệt hạt cốc 
đến nhiệt độ bắt cháy. Để cháy hiệu quả địi hỏi phải đảm bảo tỷ lệ hợp lý các loại 
gió,  than  bột  và  khơng  khí  được  hịa  trộn  kỹ,  nhiệt  độ  buồng  đốt  cao,  và  than  bột 
7 
 


được lưu lại trong buồng đốt với thời gian đủ lớn để hồn tất phản ứng. Nhiệt độ đốt 
điển hình của lị đốt than phun là 1300°C đến 1700°C.  
Lị hơi than phun được sản xuất với rất nhiều gam cơng suất, từ vài chục đến 
cỡ 1300MW. Các lị hơi đang vận hành hiện nay phổ biến là trong dải cơng suất từ 
300600MW  thơng  số  cận  tới  hạn  (16,7MPa,  538oC/538oC),  tuy  nhiên  xu  hướng 
hiện nay của thế giới là sử dụng các tổ máy lớn với thơng số siêu tới hạn (24,2MPa, 
566oC/566oC) và trên siêu tới hạn (31MPa, 600oC/600oC). 
Về mặt cấu tạo, lị hơi than phun được sản xuất với nhiều kiểu khác nhau: kiểu 
bao  hơi  có  các  loại  tuần  hồn  tự  nhiên,  tuần  hồn  tự  nhiên  có  hỗ  trợ,  tuần  hồn 
cưỡng bức, kiểu trực lưu (các lị thơng số hơi siêu tới hạn và trên siêu tới hạn). 
1.1.2.2. Cơng nghệ đốt tầng sơi tuần hồn (Circulating Fluidized Bed - CFB)
Cơng  nghệ  tầng  sơi  tuần  hồn  hiện  nay  là  dạng  công  nghệ  tầng  sôi  phổ  biến 
nhất cả trong công nghiệp cũng như NMNĐ. 

12

10
11

 
1. Si lô than
2. Si lô đá vôi
3. Buồng đốt
4. Xyclon

5. Bộ trao đổi nhiệt đặt ngồi
6. Bộ làm nguội xỉ đáy lị
7. Bộ chèn xiphông
8. Các bề mặt trao đổi nhiệt

9. Bộ sấy không khí
10. Lọc bụi
11. Quạt khói
12. Ống khói

Hình 1.4. Sơ đồ ngun lý lị hơi tầng sơi tuần hồn
Với lị CFB, than và đá vơi đập nhỏ được đưa đồng thời vào phần dưới buồng 
đốt có nhiệt độ từ 8500C đến 9500C. Do dịng khí áp suất cao thổi từ dưới lên qua 
các vịi phun gió tạo tầng sơi bố trí trên ghi lị cũng chính là sàn buồng đốt, vật liệu 
lớp sơi (than, tro xỉ, đá vơi) bị khuấy đảo dữ dội. Phần lớn vật liệu lớp sơi được khói 
8 
 

lị cuốn lên trên và ra khỏi buồng đốt, chỉ một phần nhỏ ở lại trong lớp sơi. Phần bị 
cuốn theo khói lị được gom lại bởi các xyclon hiệu suất cao rồi đưa trở lại buồng 
đốt qua các đường hồi lưu. Sự tuần hồn của các hạt than trong mạch sơ cấp (gồm 
buồng  đốt,  xyclon  và  đường  hồi  lưu)  tiếp  diễn  cho  đến  khi  kích  thước  hạt  nhỏ  đi 
(chủ  yếu  do  cháy  và  một  phần  do  cọ  sát)  đến  mức thoát  khỏi  xyclon  đi  vào  phần 
đường  khói  đi  lị.  Tro  xỉ  lẫn  thạch  cao  tạo  ra  do  q  trình  cháy  một  phần  được 
thải ra ngồi qua hệ thống thải tro xỉ đáy lị, cịn lại phần lớn thốt khỏi xyclon bay 
theo khói lị và được thu gom tại thiết bị khử bụi tĩnh điện. Q trình “tuần hồn” 
như vậy kéo dài thời gian lưu lại của các hạt than trong vùng có nhiệt độ cao, giúp 
tăng mức độ cháy kiệt. 
Các lị CFB chấp nhận chất lượng nhiên liệu  biến thiên trong dải rất rộng có 
thể đốt các loại nhiên liệu có độ ẩm cao, như các loại bùn và sinh khối khác nhau, 
và các loại than chất lượng xấu có hàm lượng tro cao như antraxit, than bitum, than 
á bitum, than non, than bùn. 
Các lị CFB lớn nhất đang hoạt động có cơng suất trên dưới 300MW và thơng 
số hơi dưới tới hạn. Phần lớn các lị này đều đốt than xấu hoặc nhiên liệu pha trộn 
từ hai hay nhiều loại khác nhau. Thế giới cũng đã xuất hiện lị CFB siêu tới hạn với 
cơng  suất  lớn  được  đưa  vào  vận  hành  (ví  dụ  tại  Lagisza,  Ba  Lan,  thơng  số  28,3 
MPa, 563°C/582°C, cơng suất 460MW bởi Foster Wheeler). Hình 1.4 thể mơ tả cơ 
bản cơng nghệ lị CFB.

1.2. Đặc trưng của q trình nhiệt điện
1.2.1. Tính phức tạp và tương hỗ của thơng số q trình
Xét mơ hình lị hơi với các thơng số vào/ra như trên hình 1.5. 
Các thơng số q trình của lị hơi có sự tác động tương hỗ, đan xen rất phức 
tạp. Mỗi thơng số q trình có ảnh hưởng trực tiếp đến một thơng số đầu ra nào đó 
của lị hơi, đồng thời nó lại ảnh hưởng gián tiếp đến một hay một số thơng số khác. 
Chẳng hạn trong  một thời điểm  vận hành nào đó của tổ máy,  khi có u cầu 
tăng  tải,  lưu lượng  nhiên  liệu  B  cấp  vào  lò  sẽ  tăng,  việc  tăng  này  ảnh  hưởng  trực 

tiếp đến áp suất hơi q nhiệt Pqn của lị hơi. Tác động này được gọi là tác động trực 
tiếp từ yếu tố thơng số đầu vào tới thơng số đầu ra của lị hơi. Tuy nhiên, việc tăng 
B  cũng  ảnh  hưởng  tới  các  thơng  số  đầu  ra  khác  của  lò  hơi  như  nhiệt  độ  hơi  quá 
nhiệt  (tqn)  do  nhiệt  lượng  trong  buồng  đốt  tăng,  hàm  lượng  Oxy  trong  khói  thải 
(%O2) do cần nhiều hơn để đốt cháy nhiên liệu. Ngồi ra việc tăng lưu lượng nhiên 
liệu cũng sẽ làm tăng lưu lượng hơi q nhiệt Dqn sinh ra trong lị hơi. 
Khi tăng lưu lượng nhiên liệu thì lưu lượng  khơng  khí cấp  vào buồng đốt sẽ 
phải  tăng,  việc  này  sẽ  ảnh  hưởng  trực tiếp  đến  %O2  trong  khói  thải,  ngồi  ra  cịn 
ảnh hưởng đến áp suất buồng đốt Pbl cũng như hàm lượng %NOx được sinh ra. 
9