Xây dựng hệ điều khiển phụ tải nhiệt phục vụ vận hành tối ưu nhà máy nhiệt điện đốt than áp suất cận tới hạn

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn. Các số liệu và kết quả nghiên cứu là trung
thực và chưa từng được ai công bố trên bất cứ một cơng trình nào khác.

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, tháng 08 năm 2021
Nghiên cứu sinh

PGS.TS Bùi Quốc Khánh

Phạm Thị Lý


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho
phép tôi thực hiện luận án này. Cảm ơn Phòng đào tạo, Viện Kỹ thuật điều khiển
và Tự động hóa, Viện Điện đã ln hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi
trong suốt q trình tơi thực hiện luận án này.
Tơi xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy, người giáo viên
hướng dẫn của tôi là PGS.TS Bùi Quốc Khánh đã luôn tận tâm, tận lực hỗ trợ,
động viên, hướng dẫn về mặt chuyên môn trong suốt q trình tơi thực hiện luận
án này.
Xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ vận hành của Cơng ty Cổ
phần Nhiệt điện Hải Phịng đã ln tạo điều kiện để nghiên cứu sinh được thực
tập tại nhà máy và tìm hiểu tài liệu, lấy số liệu sản xuất từ nhà máy phục vụ việc
nghiên cứu. Đặc biệt, nghiên cứu sinh vô cùng cảm ơn sự giúp đỡ chân thành,
nhiệt tình và quý báu của hai cán bộ tại nhà máy: anh Ngơ Hồng Phong, Phó
quản đốc Phân xưởng vận hành 2 và anh Triệu Quốc Hưng, Trưởng kíp điện,
Phân xưởng Điện tự động của Cơng ty Cổ phần Nhiệt điện Hải Phòng. Hai anh

và rất nhiều cán bộ kỹ thuật của Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng đã ln hỗ trợ
nhiệt tình, sẵn sàng trao đổi thơng tin và trả lời những thắc mắc mà nghiên cứu
sinh băn khoăn về hoạt động điều khiển của Nhà máy nhiệt điện, luôn sẵn sàng
cung cấp dữ liệu cho nghiên cứu sinh dù bất kể thời gian nào,… Điều này làm
cho tơi biết ơn vơ cùng. Chính nhờ sự giúp đỡ này nên Nghiên cứu sinh mới có
thể hồn thành được nội dung luận án của mình ngày hơm nay.
Tơi xin chân thành cảm ơn các cán bộ nghiên cứu của Viện Kỹ thuật điều
khiển và Tự động hóa và các giảng viên của Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp,
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đưa ra những góp ý, chỉ dẫn giúp tơi hồn
thành mơ hình thử nghiệm phần cứng cho luận án của mình.
Tơi xin chân thành cảm ơn Khoa Điện – Điện tử, Bộ môn Điều khiển học,
Trường đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện cho tơi được tham gia chương
trình đào tạo này.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong
hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có
thể hồn thiện luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình (chồng và hai con trai của tôi)
và bạn bè đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình tơi tham gia khóa
học này.
Nghiên cứu sinh


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................... i
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... v
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT NHÀ
MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN ....................................................................... 4

1.1 Tổng quan về công nghệ nhiệt điện ................................................................. 4
1.1.1 Phân loại ................................................................................................. 4
1.1.2 Phân loại NMNĐ theo loại tuabin .......................................................... 5
1.1.3 Phân loại NMNĐ theo áp suất hơi ......................................................... 5
1.1.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than phun áp suất cận tới
hạn ........................................................................................................................ 5
1.2 Tổng quan về hệ điều khiển phụ tải nhiệt ........................................................ 7
1.2.1 Các q trình và các mạch vịng điều khiển cơ bản của hệ phụ tải nhiệt
[11-15].................................................................................................................. 7
1.2.2 Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển phụ tải nhiệt ....................................... 8
1.2.3 Các cấu trúc điều khiển của hệ phụ tải nhiệt trong nhà máy nhiệt điện11
1.3 Tổng quan những vấn đề nghiên cứu hệ điều khiển phụ tải nhiệt ................. 14
1.3.1 Những nghiên cứu cơ bản cấu trúc điều khiển phối hợp...................... 14
1.3.2 Cấu trúc điều khiển phối hợp thường dùng trong thực tế .................... 15
1.3.3 Những cơng trình nghiên cứu về thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà
máy nhiệt điện đốt than phun ............................................................................. 16
1.4 Định hướng nghiên cứu.................................................................................. 20
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................... 21
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI
NHIỆT ................................................................................................................. 22
2.1 Xây dựng mô hình điều khiển hệ phụ tải nhiệt theo cấu trúc điều khiển và
thơng số nhà máy nhiệt điện Hải Phịng .............................................................. 22
2.1.1 Phương pháp xây dựng mơ hình điều khiển phụ tải nhiệt .................... 22
2.1.2 Các quá trình cơ bản trong lò hơi ......................................................... 24
2.1.3 Phương pháp xây dựng các mạch vòng cơ bản điều khiển lò hơi ........ 25
2.1.4 Phương pháp xây dựng mơ hình q trình truyền nhiệt sinh hơi ......... 25


2.1.5 Phương pháp xây dựng mơ hình hệ tuabin – máy phát ........................ 26
2.2 Xây dựng mơ hình điều khiển lị hơi theo thơng số nhà máy nhiệt điện Hải

Phịng.................................................................................................................... 27
2.2.1 Yêu cầu than cấp vào lò ....................................................................... 27
2.2.2 Cân bằng nhiệt tổng quát trong lò hơi .................................................. 27
2.2.3 Động học quá trình truyền nhiệt sinh hơi ............................................. 29
2.2.4 Mạch vòng điều khiển cấp liệu............................................................. 31
2.2.5 Mạch vòng điều khiển khói gió ............................................................ 32
2.2.6 Mạch vịng điều khiển cấp nước cho lò hơi ......................................... 37
2.2.7 Mạch vòng điều khiển hơi q nhiệt .................................................... 38
2.3 Xây dựng mơ hình điều khiển tuabin và máy phát ........................................ 41
2.3.1 Động học các quá trình trong tuabin .................................................... 41
2.3.2 Động lực học máy phát......................................................................... 45
2.4 Mô phỏng hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện Hải Phòng .......... 45
2.5 Thiết kế hệ điều khiển phối hợp mới được phát triển trên cấu trúc điều khiển
của Flynn .............................................................................................................. 48
2.5.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển phối hợp mới ........................................... 48
2.5.2 Thiết kế các bộ điều khiển trong cấu trúc điều khiển phối hợp mới .... 49
2.5.3 Mô phỏng và đánh giá cấu trúc điều khiển phối hợp mới với các cấu
trúc khác và với hai cấu trúc điều khiển đơn biến của hệ phụ tai nhiệt ............. 54
2.5.4 Các đáp ứng mô phỏng ......................................................................... 56
2.5.5 Đánh giá ba cấu trúc điều khiển theo chỉ tiêu vận hành tối ưu ............ 60
2.6 Ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa tham số bộ điều khiển hệ phụ tải
nhiệt ...................................................................................................................... 61
2.6.1 Các chỉ tiêu vận hành tối ưu đối với nhà máy nhiệt điện đốt than ....... 61
2.6.2 Dùng giải thuật di truyền để tìm tham số tối ưu của bộ điều khiển theo
tiêu chuẩn JN và Jf .............................................................................................. 62
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................... 67
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON - FUZZY ĐỂ BÙ NHIỄU CHO
HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT ............................................................... 68
3.1 Ứng dụng mạng Noron - Fuzzy để thiết kế điều khiển bù nhiễu ................... 68
3.1.1 Ảnh hưởng của nhiễu đến hệ điều khiển phụ tải nhiệt và đề xuất giải

pháp khắc phục .................................................................................................. 68
3.1.2 Ứng dụng mạng Noron - Fuzzy để thiết kế điều khiển bù nhiễu ......... 70
3.1.3 Thiết kế mơ hình mẫu sử dụng mạng nơron......................................... 72


3.1.4 Thiết kế khâu bù nhiễu lò hơi và tuabin ............................................... 75
3.1.5 Kết quả mô phỏng ................................................................................ 84
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................... 89
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG THIẾT BỊ MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC ĐỂ
KIỂM CHỨNG, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ PHỤ TẢI
NHIỆT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ................................................................... 90
4.1 Khái quát chung thiết bị mô phỏng thời gian thực......................................... 90
4.1.1 Nguyên lý về thiết bị mô phỏng thời gian thực .................................... 90
4.1.2 Chọn cấu hình thiết bị mơ phỏng thời gian thực để đánh giá hệ điều
khiển phụ tải nhiệt .............................................................................................. 91
4.2 Nghiên cứu đánh giá điều khiển hệ phụ tải nhiệt trên thiết bị mô phỏng thời
gian thực ............................................................................................................... 92
4.2.1 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị mô phỏng thời gian thực DSP 1104 - AC
800M .................................................................................................................. 92
4.2.2 Cấu trúc thiết bị mô phỏng thời gian thực với AC800M-DSP 1104.... 93
4.2.3 Kết quả xây dựng mơ hình ................................................................... 94
4.3 Nghiên cứu đánh giá điều khiển bù nhiễu cho hệ phụ tải nhiệt trên thiết bị mô
phỏng thời gian thực ............................................................................................ 97
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .................................................................................. 100
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................... 101
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......... 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 104
PHỤ LỤC I. CÁC VẤN ĐỂ THIẾT KẾ HỆ PHỤ TẢI NHIỆT
PHỤ LỤC II. NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI
NHIỆT

PHỤ LỤC III. XÂY DỰNG THIẾT BỊ MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC
ĐỂ KIÊM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI
NHIỆT


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

Đơn vị

Nội dung, ý nghĩa

A

m2

Diện tích truyền nhiệt giữa thành ống sinh hơi và
nước xuống

Ck

J/(kg.ºK)

Nhiệt dung riêng của khói ra khỏi lò

Cx

J/(kg.ºK)

Nhiệt dung riêng của xỉ than ra khỏi lò

Chbh

kJ/(kg.ºK) Nhiệt dung riêng của hơi bão hòa

Chqn

kJ/(kg.ºK) Nhiệt dung riêng của hơi quá nhiệt

Cf

kJ/(kg.ºK) Nhiệt dung riêng của dòng nhiên liệu đưa vào lị

Cb

Hằng số tích lũy nhiệt

D

Hằng số load-damping

E

J

Nhiệt năng trong bao hơi

GCN

Bộ điều khiển công suất phát

GCP

Bộ điều khiển áp suất hơi

GFN

Bộ điều khiển feedforward lượng đặt

g(∆P)

Hàm phi tuyến tĩnh

Hf

kJ/kg

Nhiệt trị làm việc của nhiên liệu than

h

kJ/Kg

Entanpy riêng phần

JN

%

Jf

Kg/kWh

KP, KI, KD

Chỉ tiêu bám lượng đặt công suất
Chỉ tiêu chi phí nhiên liệu
Hệ số khuếch đại, tích phân, vi phân

kbx, kdl

kW/K

Hệ số truyền nhiệt bức xạ, đối lưu đã quy đổi

kT

kW/K

Hệ số truyền nhiệt giữa thành ống sinh hơi và
nước xuống

mn

Kg

*

Khối lượng nước

N , Ne

MW

Công suất đặt, công suất điện

Ncơ, Nđiện, Nh

kW

Công suất cơ, điện, hơi

NmH, NmI, NmL

kW

Công suất cơ do tuabin cao áp trung áp, hạ áp
sinh ra

Ph, Ph*

MPa

Áp suất hơi, áp suất hơi đặt

pbd

Pa

Áp suất đo đầu ra buồng lị

Qk, Qx

kW

Nhiệt của khói, của tro và xỉ than ra khỏi lò

Qf, Qgio, Qnước

kW

Nhiệt lượng của nhiên liệu, gió, nước

QTL, Qhh

kW

Nhiệt tích lũy tường lị và khơng khí trong lị
i


Qm

kW

Nhiệt của dàn ống sinh hơi

Qtn

kW

Nhiệt lượng nhận từ lò của dàn ống sinh hơi

Qsh

kW

Nhiệt lượng nhận của dòng nước xuống dàn ống
sinh hơi từ thành ống sinh hơi
Tín hiệu cơng suất nhiệt lấy ra từ lị hơi, u cầu
từ tuabin

Qm, Qr
Tk

ºK

Nhiệt độ khói ra khỏi lị

Tx

ºC

Nhiệt độ xỉ than ra khỏi lò

Thbh

ºK

Nhiệt độ hơi bão hòa

Thqn

ºK

Nhiệt độ hơi quá nhiệt

Tfo, Ta

ºK

Nhiệt độ nhiên liệu, khơng khí đưa vào lị

TNL , Tm

ºK

Nhiệt độ ngọn lửa, vỏ kim loại ống dàn ống sinh
hơi

Tqd

s

Te

Nm

TJ

un, uh

Thời gian quá độ
Momen cản của tuabin
Hằng số quán tính của rotor

J/Kg

Nội năng của nước cấp vào bao hơi, của hơi đi ra
bao hơi

Vf

Van nhiên liệu

Vh

Van hơi

R

Hằng số chất khí lý tưởng

Wf, Wf*

Kg/s

Lưu lượng nhiên liệu, lưu lượng nhiên liệu đặt

Wa

Kg/s

Lưu lượng gió vào buồng đốt

Wnn, Wnc

Kg/s

Lưu lượng nước ngưng, nước cấp

Wnx, Wnl

Kg/s

Lưu lượng nước xuống ống sinh hơi, từ ống sinh
hơi đi lên

Whv, Whr

Kg/s

Lưu lượng hơi vào và lưu lượng hơi ra bao hơi

Wh

Kg/s

Lưu lượng hơi

Wk

Kg/s

Lưu lượng khói ra khỏi lị

Wx

Kg/s

Lưu lượng tro và xỉ than ra khỏi lị

Whbh

Kg/s

Lưu lượng hơi bão hịa

Whqn

Kg/s

Lưu lượng hơi q nhiệt

µh

%

Độ mở tuabin

 % , emax

%

Độ quá điều chỉnh, sai lệch áp suất cực đại

∆P, ∆N



Biến thiên công suất, biến thiên áp suất
1/s

Tốc độ quay tuabin
ii


Ký hiệu
PID
PC
CFB
DEB
FDF
IDF
CV
GA
IMC
HIL
SIL
DCS

PLC
ADC
DAC
IP
NMNĐ
BH
SH
BN
HN
QN
TN
QK
HP
IP
LP

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Nội dung, ý nghĩa
Proportional Integral Derivative
Pulverized Coal
Circulating Fluidized Bed
Direct Energy Balance
Forced Draft Fan
Induced Draft Fan
Control Valve
Genetic Algorithm
Internal Model Control
Hardware In the Loop
Software In the Loop
Distributed Control System

Programmable Logic Controller
Analog-to-Digital Converter
Digital-to-Analog Converter
Internet Protocol
Nhà máy nhiệt điện
Bao hơi
Sinh hơi
Bình ngưng
Bộ hâm nước
Q nhiệt
Tái nhiệt
Quạt hút khói
Tuabin cao áp
Tuabin trung áp
Tuabin hạ áp

iii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Bảng đánh giá chất lượng của đáp ứng công suất ................................ 57
Bảng 2.2 Bảng đánh giá chất lượng của đáp ứng áp suất .................................... 57
Bảng 2.3 Giá trị các chỉ tiêu JN (%), Jf (Kg (than)/kWh) từ kết quả mô phỏng . 61
Bảng 3.1 So sánh đánh giá của đáp ứng công suất .............................................. 66
Bảng 3.2 So sánh đánh giá của đáp ứng áp suất .................................................. 66
Bảng 3.3 Giá trị các chỉ tiêu JN (%), Jf (Kg/Kwh) từ kết quả mô phỏng ............ 66
Bảng 3.4 Các quy tắc bù nhiễu của hệ phụ tải nhiệt ............................................ 81
Bảng 3.5 Bảng đánh giá chất lượng đáp ứng công suất ....................................... 86
Bảng 3.6 Bảng đánh giá chất lượng đáp ứng áp suất ........................................... 87
Bảng 4.1 Bảng phân cổng vào ra ......................................................................... 94

Bảng 4.2 Bảng tín hiệu giám sát .......................................................................... 94
Bảng 4.3 Bảng chất lượng đáp ứng công của hai chế độ ..................................... 95
Bảng 4.4 Bảng chất lượng đáp ứng áp suất của hai chế độ ................................. 96
Bảng 4.5 Bảng đánh giá chất lượng của đáp ứng công suất ................................ 98
Bảng 4.6 Đánh giá chất lượng của đáp ứng áp suất ............................................. 99
Bảng PL.III.1 Các thông số kĩ thuật quan trọng .................................................. 26
Bảng PL.III.2 Bảng đặc tả của đường vào ra I/O số ............................................ 30
Bảng PL.III.3 Bảng so sánh chất lượng đáp ứng công suất trên DS1104 và
Matlab .................................................................................................................. 34
Bảng PL.III.4 Bảng so sánh chất lượng đáp ứng áp suất trên DS1104 và Matlab
.............................................................................................................................. 35

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ.................................................. 6
Hình 1.2 Giản đồ cơng nghệ (Process Diagram) của một tổ máy NMNĐ ............ 7
Hình 1.3 Quá trình biến đổi năng lượng của hệ phụ tải nhiệt ................................ 8
Hình 1.4 Cấu trúc tổng qt mơ hình hệ điều khiển phụ tải nhiệt ......................... 9
Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt theo tuabin (Turbine Following
Control) ................................................................................................................ 11
Hình 1.6 Đáp ứng của điều khiển phụ tải nhiệt theo tuabin................................. 12
Hình 1.7 Cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt theo lị hơi (Boiler Following Control)
.............................................................................................................................. 12
Hình 1.8 Đáp ứng của điều khiển phụ tải nhiệt theo lò hơi ................................. 12
Hình 1.9 Điều khiển phụ tải nhiệt theo cấu trúc phối hơp (Coordinated) ........... 13
Hình 1.10 Đáp ứng của điều khiển phụ tải nhiệt theo cấu trúc phối hợp ............ 13
Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý điều khiển phối hợp của hệ phụ tải nhiệt theo ......... 14
Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển phối hợp (a) Đặc tính hàm bù áp

suất g(ΔP) (b) ....................................................................................................... 15
Hình 1.13 Cấu trúc điều khiển phối hợp tại các nhà máy nhiệt điện đốt than phun
ở Việt Nam ........................................................................................................... 16
Hình 1.14 Tổng quan tình hình nghiên cứu xây dựng mơ hình điều khiển hệ phụ
tải nhiệt cho nhà máy nhiệt điện đốt than ............................................................ 17
Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển P&ID nhà máy nhiệt điện Hải Phịng ....................... 23
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ điều khiển phụ tải nhiệt.................................................. 24
Hình 2.3 Giản đồ công nghệ (PD-Process Diagram) mô tả các q trình cơ bản
của lị hơi .............................................................................................................. 25
Hình 2.4 Mơ hình tổ hợp tuabin – máy phát trong nhà máy nhiệt điện ngưng hơi
.............................................................................................................................. 26
Hình 2.5 Sơ đồ P&ID điều khiển cấp liệu cho buồng lửa.................................... 32
Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cấp liệu ........................................................ 32
Hình 2.7 Đặc tính lượng đặt nồng độ oxy dư....................................................... 33
Hình 2.8 Phân bố áp suất của lị ........................................................................... 34
Hình 2.9 Sơ đồ P&ID của hệ điều khiển khói gió ............................................... 35
Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc điều khiển khói gió...................................................... 36
Hình 2.11 Sơ đồ P&ID điều khiển mức nước bao hơi ......................................... 37
Hình 2.12 Mạch vịng điều khiển mức nước bao hơi........................................... 38
Hình 2.13 Lưu đồ P&ID điều khiển nhiệt độ hơi q nhiệt................................. 39
Hình 2.14 Mạch vịng điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt ..................................... 40
v


Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý của hệ tuabin - máy phát .......................................... 41
Hình 2.16 Sơ đồ mặt cắt của tuabin ..................................................................... 41
Hình 2.17 Sơ đồ mơ tả ngun lý hoạt động của tuabin ...................................... 42
Hình 2.18 Sơ đồ thay thế mạng hơi của tuabin .................................................... 43
Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tuabin ......................................................... 44
Hình 2.20 Mơ hình tuabin- máy phát ................................................................... 45

Hình 2.21 Cấu trúc điều khiển phối hợp của nhà máy nhiệt điện ........................ 46
Hình 2.22 Đường cong vận hành của tổ máy số 2 nhà máy nhiệt điện Hải Phịng
.............................................................................................................................. 46
Hình 2.23 Đáp ứng của mơ hình mơ phỏng hệ phụ tải nhiệt ............................... 47
Hình 2.24 Cấu trúc điều khiển phối hợp theo Flynn ............................................ 48
Hình 2.25 Cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt mới được phát triển từ cấu trúc của
Flynn .................................................................................................................... 49
Hình 2.26 Cấu trúc mạch vòng điều khiển áp suất hơi ........................................ 50
Hình 2.27 Đường đặc tính G(N,f) ........................................................................ 51
Hình 2.28 Đường đặc tính của g(∆P) ................................................................... 53
Hình 2.29 Đáp ứng cơng suất khi chỉnh định kbp (a) và độ mở van tuabin (b) .. 54
Hình 2.30 Đáp ứng của bốn mạch vòng điều khiển lò hơi với ba cấu trúc điều
khiển phối hợp ...................................................................................................... 56
Hình 2.31 Đáp ứng cơng suất, áp suất hơi, lưu lượng nhiên liệu và lưu lượng hơi
ứng với ba cấu trúc điều khiển phối hợp .............................................................. 57
Hình 2.32 Sai lệch công suất và áp suất của ba cấu trúc điều khiển phối hợp .... 58
Hình 2.33 Đáp ứng của các mạch vòng khi thay đổi nhiệt trị than...................... 59
Hình 2.34 Sai lệch cơng suất và áp suất của ba cấu trúc điều khiển phối hợp .... 60
Hình 3.1 Lưu đồ thuật tốn GA xác định thơng số PID của hai bộ điều khiển
công suất Gcn và bộ điều khiển áp suất Gcp trong hệ điều khiển phối hợp mới. 64
Hình 3.2 Hàm mục tiêu J giảm dần qua 30 thế hệ của giải thuật di truyền GA .. 64
Hình 3.3 Các đáp ứng mơ phỏng của chế độ điều khiển sử dụng GA ................. 65
Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển bù nhiễu ................................................................ 71
Hình 3.5 Phương pháp huấn luyện mạng ............................................................. 72
Hình 3.6 Cấu trúc mạng nơron ............................................................................. 72
Hình 3.7 Dữ liệu đầu vào hai mạng nơron ........................................................... 73
Hình 3.8 Dữ liệu đầu ra mạng nơron cơng suất ................................................... 73
Hình 3.9 Dữ liệu đầu ra mạng nơron áp suất ....................................................... 73
Hình 3.10 Huấn luyện mạng noron trên Matlab .................................................. 74
Hình 3.11 Kết quả huấn luyện mạng nơron cơng suất phát ................................. 74

Hình 3.12 Cấu trúc bộ điều khiển mờ .................................................................. 77
vi


Hình 3.13 Mờ hóa giá trị đầu vào sai lệch cơng suất ........................................... 78
Hình 3.14 Mờ hóa giá trị đầu vào tốc độ sai lệch cơng suất ................................ 78
Hình 3.15 Mờ hóa đầu vào sai lệch áp suất ......................................................... 78
Hình 3.16 Mờ hóa giá trị đầu vào tốc độ sai lệch áp suất .................................... 79
Hình 3.17 Các tập mờ chuẩn hóa đầu ra điều khiển độ mở van tuabin Ut .......... 79
Hình 3.18 Các tập mờ chuẩn hóa đầu ra điều khiển lưu lượng nhiên liệu cấp vào
lò hơi .................................................................................................................... 79
Hình 3.19 Biến ngơn ngữ đầu ra cho bù cơng suất .............................................. 80
Hình 3.20 Biến ngơn ngữ đầu ra bù nhiên liệu cho lị hơi ................................... 80
Hình 3.21 Luật hợp thành cho hệ bù nhiễu trên Simulink ................................... 84
Hình 3.22 Nhiễu ngẫu nhiên của quá trình truyền nhiệt sinh hơi ........................ 84
Hình 3.23 Nhiễu ngẫu nhiên các quá trình trong lị hơi làm thay đổi áp suất hơi 85
Hình 3.24 Nhiễu van điều chỉnh hơi vào tuabin .................................................. 85
Hình 3.25 Cấu trúc điều khiển bù nhiễu mô phỏng trên Simulink ...................... 85
Hình 3.26 Đáp ứng cơng suất khi có nhiễu và khi được bù nhiễu ....................... 86
Hình 3.27 Đáp ứng sai lệch cơng suất ................................................................. 87
Hình 3.28 Đáp ứng sai lệch áp suất...................................................................... 88
Hình 3.29 Các đáp ứng hệ điều khiển phụ tải nhiệt khi có bộ điều khiển bù nhiễu
.............................................................................................................................. 88
Hình 4.1 Các cấu hình thiết bị mơ phỏng thời gian thực ..................................... 91
Hình 4.2 Cấu trúc mơ hình thực nghiệm HIL cho bộ điều khiển phụ tải nhiệt mới
.............................................................................................................................. 92
Hình 4.3 Thiết bị mơ phỏng thời gian thực đánh giá hệ điều khiển phụ tải nhiệt
mới ....................................................................................................................... 93
Hình 4.4 Mơ hình HIL của hệ phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện ......................... 94
Hình 4.5 Đáp ứng cơng suất ở 2 chế độ mơ phỏng .............................................. 95

Hình 4.6 Đáp ứng áp suất ở hai chế độ mô phỏng ............................................... 96
Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt có bộ bù nhiễu ................................. 97
Hình 4.8 Đáp ứng của bộ điều khiển công suất trong cả hai trường hợp: khi có
nhiễu và khi bù nhiễu trên DS1104 ...................................................................... 98
Hình 4.9 Đáp ứng của bộ điều khiển áp suất trong cả hai trường hợp: có nhiễu tác
động và khi có bù nhiễu trên DS1104 .................................................................. 99
Hình PL.I.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cấp than .................................................... 1
Hình PL.I.2 Nhận dạng hàm truyền cấp than ......................................................... 1
Hình PL.I.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển khói gió .................................................... 2
Hình PL.I.4 Nhận dạng hàm truyền cấp gió 2 ....................................................... 3
Hình PL.I.5 Nhận dạng hàm truyền q trình cháy ............................................... 3
Hình PL.I.6 Sơ đồ mơ phỏng mạch vòng điều khiển nồng độ oxi dư ................... 4
vii


Hình PL.I.7 Kết quả đáp ứng của nồng độ oxi dư ở tốc độ tăng tải 3MW/phút .... 4
Hình PL.I.8 Nhận dạng hàm truyền khói ............................................................... 5
Hình PL.I.9 Sơ đồ mơ phỏng mạch vịng điều khiển áp suất âm buồng đốt ......... 6
Hình PL.I.10 Đáp ứng mạch vịng áp suất buồng đốt ứng với tốc độ tăng tải
3MW/phút .............................................................................................................. 6
Hình PL.I.11 Cấu trúc điều khiển mạch vòng cấp nước ........................................ 6
Hình PL.I.12 Nhận dạng hàm truyền cấp nước ..................................................... 7
Hình PL.I.13 Sơ đồ mơ phỏng mạch vịng cấp nước ............................................. 8
Hình PL.I.14 Đáp ứng mức nước bao hơi ở tốc độ tăng tải 3MW/phút ................ 8
Hình PL.I.15 Đặc tính đáp ứng của nhiệt độ của quá trình quá nhiệt giảm ôn ...... 9
Hình PL.I.16 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt .................................... 10
Hình PL.I.17 Nhận dạng hàm truyền phun nước giảm ơn ................................... 10
Hình PL.I.18 Cân bằng khối lượng (a) và cân bằng công suất trong hệ tuabin (b)
[4][7] .................................................................................................................... 12
Hình PL.I.19 Sơ đồ cấu trúc tuabin – máy phát ................................................... 12

Hình PL.I.20 Nhận dạng hàm truyền tuabin – máy phát ..................................... 12
Hình PL.I.21 Đặc tính của q trình truyền nhiệt ................................................ 13
Hình PL.I.22 Đặc tính của q trình sinh hơi ...................................................... 14
Hình PL.I.23 Đặc tính xác định quan hệ áp suất hơi và lưu lượng nhiên liệu ..... 14
Hình PL.I.24 Sơ đồ mơ phỏng hệ điều khiển phụ tải nhiệt.................................. 15
Hình PL.I.25 Sơ đồ mơ phỏng các quá trình trong nhà máy nhiệt điện .............. 15
Hình PL.I.26 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt .......................................... 16
Hình PL.III.1 Bộ điều khiển AC 800M ............................................................... 23
Hình PL.III.2 Cách thức thiết lập các I/O mở rộng ............................................. 24
Hình PL.III.3 Bộ điều khiển AC 800M sử dụng trong mô hình .......................... 26
Hình PL.III.4 Từ trái qua phải AI810, AO810, DI810, DO810 .......................... 27
Hình PL.III.5 Card DS1104 ................................................................................. 28
Hình PL.III.6 Sơ đồ khối card DS1104................................................................ 29
Hình PL.III.7 Mơ hình nhà máy nhiệt điện được xây dựng trên Matlab&Simulink
.............................................................................................................................. 31
Hình PL.III.8 Cấu trúc điều khiển phối hợp được xây dựng trên
Matlab&Simulink ................................................................................................. 31
Hình PL.III.9 Thiết lập ban đầu cho DS1104 ...................................................... 32
Hình PL.III.10 Thiết lập thơng số mơ phỏng ....................................................... 32
Hình PL.III.11 Biên dịch chương trình cho DS1104 ........................................... 32
Hình PL.III.12 Giao diện Control Desk lấy đồ thị đáp ứng ................................. 33
Hình PL.III.13 Các đặc tính cơng suất trên DS1104 và matlab ........................... 34
viii


Hình PL.III.14 Các đặc tính áp suất trên DS1104 và Matlab .............................. 35
Hình PL.III.15 Các đặc tính của 4 mạch vịng điều khiển trên DS1104 và Matlab
.............................................................................................................................. 36
Hình PL.III.16 Sơ đồ đấu dây .............................................................................. 37
Hình PL.III.17 Board đầu vào ra card DS1104.................................................... 37

Hình PL.III.18 Bảng kết nối các tín hiệu vào/ra .................................................. 38
Hình PL.III.19 Thiết kế đối tượng trên Matlab .................................................... 38
Hình PL.III.20 Các khối vào ra trong thư viện của DS1104 ............................... 39
Hình PL.III.21 Tạo project trên phần mềm Control Builder M Professional ...... 39
Hình PL.III.22 Thêm thư viện vào project........................................................... 40
Hình PL.III.23 Tạo chương trình điều khiển ....................................................... 40
Hình PL.III.24 Kết nối thư viện với chương trình ............................................... 41
Hình PL.III.25 Khai báo các biến ........................................................................ 41
Hình PL.III.26 Tổng quan về ngơn ngữ lập trình Control Module...................... 42
Hình PL.III.27 Kết nối các khối Control Module trên chương trình ................... 42
Hình PL.III.28 Kết nối các biến giá trị vào khối Control Module ....................... 43
Hình PL.III.29 Cấu hình phần cứng cho bộ điều khiển ....................................... 43
Hình PL.III.30 Kết nối các biến tới cổng vào ra .................................................. 44
Hình PL.III.31 Giao diện phần mềm Plant Explorer Workplace ......................... 45
Hình PL.III.32 Giao diện vận hành ...................................................................... 46
Hình PL.III.33 Đồ thị xu hướng........................................................................... 46
Hình PL.III.34 Cấu trúc mạng nơron ................................................................... 47
Hình PL.III.35 Dữ liệu đầu vào hai mạng nơron ................................................. 47
Hình PL.III.36 Dữ liệu đầu ra mạng nơron cơng suất ......................................... 47
Hình PL.III.37 Dữ liệu đầu ra mạng nơron áp suất ............................................. 48
Hình PL.III.38 Huấn luyện mạng noron trên Matlab/Simulink ........................... 48
Hình PL.III.39 Kết quả huấn luyện mạng nơron công suất phát ......................... 49

ix


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Hiện nay, có rất nhiều nhà máy nhiệt điện đốt than tại Việt Nam (cả những
nhà máy cũ và những nhà máy mới được xây dựng), đóng góp một vai trị rất lớn

trong việc đảm bảo an ninh năng lượng. Theo quy hoạch điện 7 (Quyết định số
428/QĐ-TTg ngày 18/3/2016), tính riêng nhà máy nhiệt điện đốt than đã chiếm
42,6% tổng công suất điện và chiếm 53.2% tổng sản lượng điện Quốc gia vào
năm 2030. Dự báo, nhu cầu tiêu thụ điện tại Việt Nam tăng 10% mỗi năm trong
giai đoạn 2010 - 2030 và được đáp ứng bằng việc tăng công suất điện than. Cụ
thể, trong năm 2015 - 2016 nhiệt điện chiếm 34% và sẽ chiếm lên đến 49,3%
trong năm 2020.
Một vấn đề cho các nhà máy nhiệt điện đốt than ở nước ta hiện nay đó là:
Tồn bộ các nhà máy nhiệt điện hiện nay đều do các công ty nước ngồi lắp đặt
và thiết kế. Do đó, về mặt cơng nghệ, chúng ta phụ thuộc hồn tồn vào nước
ngồi. Nếu xảy ra sự cố gì hoặc có những u cầu chuẩn đốn, hiệu chỉnh, sửa
chữa, nâng cấp thì đều phải phụ thuộc vào nước ngoài. Điều này dẫn đến chi phí
giá thành sản xuất cho mỗi MW điện năng cao hơn hẳn các nước khác. Vì vậy
thiếu sức cạnh tranh trong lĩnh vực năng lượng điện và thiếu tính tự chủ trong sản
xuất năng lượng điện. Vấn đề là vậy nhưng những nghiên cứu dành cho nhà máy
nhiệt điện đốt than hiện nay cịn rất ít, nhỏ lẻ và chỉ tập trung vào một vài khâu
nhỏ: điều khiển mức nước bao hơi, điều khiển máy nghiền,... Các nghiên cứu
khoa học về nhiệt điện than này còn chưa đáp ứng được yêu cầu về thiết kế, chế
tạo vận hành cho nhà máy nhiệt điện than, chưa có những đề tài lớn, giải quyết
những nhiệm vụ nghiên cứu lớn của nhiệt điện than như xác định và chuẩn hóa
các thơng số làm cơ sở cho việc thiết lập dự án nhiệt điện than (như các thơng số
về khí tượng thủy văn, về động đất, về các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, v.v), về xây
dựng các chế độ vận hành tối ưu mà hiệu quả của nó có thể tiết kiệm hàng triệu
tấn than/năm, về nghiên cứu quá trình đốt cháy các loại than khác nhau và kiến
nghị chọn loại than thiết kế cho mỗi loại nhà máy nhiệt điện than, về các nghiên
cứu cơ bản khác, v.v. Các nội dung cụ thể về nghiên cứu khoa học đáp ứng đủ
nhu cầu phát triển nhiệt điện than của đất nước cần được đưa vào các chương
trình nghiên cứu khoa học và cơng nghệ trọng điểm nhà nước như các chương
trình về năng lượng, về cơ khí chế tạo, về vật liệu, về vận hành tối ưu nâng cao
hiệu quả sản xuất và tiết kiệm nhiên liệu, v.v…Việc tiết kiệm nhiên liệu trong

sản xuất điện năng có ý nghĩa rất lớn trong sản xuất điện năng và bảo vệ mơi
trường, do đó cần có những chính sách khuyến khích để có thể đề xuất ra những
biện pháp tích kiệm nhiên liệu trong sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện.
Trong hoạt động của nhà máy nhiệt điện đốt than, hệ phụ tải nhiệt đóng vai
trị quan trọng nhất. Nó có nhiệm vụ đảm bảo cung cấp đủ công suất hơi theo yêu
cầu của công suất phát điện của cụm Tuabin - Máy phát. Để đáp ứng đủ công
suất hơi theo yêu cầu cơng suất điện thì hệ điều khiển phụ tải nhiệt phải điều
khiển lị hơi để sản xuất ra cơng suất hơi, đảm bảo điều khiển các đại lượng đầu
1


vào là lưu lượng nhiên liệu, gió và nước, để đáp ứng yêu cầu phụ tải nhiệt đầu ra
là công suất hơi với các đại lượng là nhiệt độ hơi, áp suất hơi và lưu lượng hơi.
Để vận hành hệ phụ tải nhiệt nhà máy hoạt động thì hiện nay tại các nhà máy
có nhiều cấu trúc điều khiển để thực hiện như: Điều khiển theo lò hơi (Boiler
Following Control), điều khiển theo tuabin (Turbine Following Control), điều
khiển phối hợp lị hơi – tuabin (Coordinated Control). Nếu có được giải pháp tối
ưu để có thể giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu trên mỗi Kg hơi sản xuất ra thì hệ này
sẽ mang lại rất nhiều những lợi ích về mặt kinh tế và môi trường. Như vậy, vận
hành tối ưu nhà máy nhiệt điện đốt than chính là vận hành hệ phụ tải nhiệt sao
cho tối ưu, bám lượng đặt công suất và lượng đặt áp suất nhanh nhất, giảm thiểu
suất tiêu hao nhiên liệu trên mỗi KWh điện sản xuất ra. Do đó, tác giả đề xuất đề
tài “Xây dựng hệ điều khiển phụ tải nhiệt phục vụ vận hành tối ưu nhà máy
nhiệt điện đốt than áp suất cận tới hạn” nhằm xây dựng được một mơ hình điều
khiển hệ phụ tải nhiệt đáp ứng được yêu cầu vận hành tối ưu tại nhà máy nhiệt
điện đốt than, sao cho có thể vừa nâng cao hiệu quả sản xuất (bám nhanh lượng
đặt công suất và lượng đặt áp suất) mà tiết kiệm được nhiên liệu tiêu thụ cho mỗi
kWh sản xuất ra.
2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a. Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển phụ tải nhiệt của nhà máy nhiệt điện đốt
than áp suất cận tới hạn để đảm bảo vận hành ổn định và tiết kiệm nhiên liệu.
Đối tượng nghiên cứu
Hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện đốt than phun, tuabin ngưng
hơi và áp suất hơi cận tới hạn.
b. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt theo cấu trúc phối hợp cho nhà máy nhiệt
điện đốt than phun, tuabin ngưng hơi và áp suất hơi cận tới hạn.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm:
- Xây dựng mơ hình điều khiển phụ tải nhiệt có xét đến các q trình cơ bản
của hệ lị hơi – tuabin – máy phát, từ đó đi thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt
mới theo tiêu chuẩn tối ưu vận hành tiết kiệm nhiên liệu.
- Kiểm chứng kết quả nghiên cứu dựa trên mơ hình hóa mơ phỏng bằng
Matlab&Simulink và bằng mơ hình thực nghiệm mơ phỏng thời gian thực. Mơ
hình thực nghiệm mơ phỏng thời gian thực được xây dựng trên bộ điều khiển
công nghiệp AC800M và DS1104.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
- Đưa ra một phương pháp thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt cấu trúc phối
hợp theo tiêu chuẩn vận hành tối ưu tiết kiệm nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện
đốt than tuabin ngưng hơi.
- Cấu trúc điều khiển hệ điều khiển phụ tải nhiệt đề xuất có khả năng ứng
dụng vào cho hệ điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than tuabin ngưng hơi.
2


4. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu
- Đề xuất cấu trúc điều khiển phối hợp mới và thiết kế hệ điều khiển phụ tải
nhiệt cho nhà máy nhiệt điện đốt than.
- Xác định thông số tối ưu cho bộ điều khiển bằng cách áp dụng giải thuật di

truyền GA.
- Áp dụng mạng noron-mờ để ước lượng và bù nhiễu nhằm nâng cao chất
lượng hệ điều khiển phụ tải nhiệt cho nhà máy nhiệt điện.
5. Cấu trúc của luận án
Luận án được cấu trúc thành bốn chương, bao gồm:
Chương 1: Tổng quan hệ điều khiển phụ tải nhiệt trong nhà máy nhiệt điện đốt
than
Chương 2: Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt
Chương 3: Ứng dụng mạng Nơron –Fuzzy để bù nhiễu cho hệ điều khiển phụ
tải nhiệt.
Chương 4: Xây dựng thiết bị mô phỏng thời gian thực để kiểm chứng, đánh
giá chất lượng hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện.
Sau đó là phần kết luận nêu những đóng góp mới của luận án và đề xuất
hướng nghiên cứu tiếp theo. Tiếp theo là phần tài liệu tham khảo, các cơng trình
khoa học đã công bố liên quan đến luận án và các phụ lục I, II, III.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT
NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN
Đặt vấn đề
Nhà máy điện nhiệt (NMNĐ) đốt than gồm tập hợp rất nhiều thiết bị trong
các q trình để biến đổi năng lượng: Chuyển hóa nhiệt năng từ đốt cháy các loại
nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí…) trong lị hơi, truyền nhiệt cho mơi chất là
nước để hóa hơi, sau đó hơi sẽ được dẫn đi đến tuabin – máy phát để sinh công
và phát điện năng. Như vậy lò hơi là nguồn phát nhiệt, tuabin – máy phát là hộ
phụ tải tiêu thụ nhiệt. Hệ điều khiển phụ tải nhiệt được hiểu là với một yêu cầu
công suất điện cần phát, ta phải điều khiển các đại lượng đầu vào lị hơi (than,
gió, nước) và điều khiển các quá trình biến đổi năng lượng trong lò hơi tạo ra

năng lượng nhiệt cấp cho hệ tuabin – máy phát (hộ tiêu thụ nhiệt) phát ra cơng
suất điện đáp ứng theo u cầu. Vì vậy, hệ điều khiển phụ tải nhiệt là cốt lõi của
hệ điều khiển nhà máy nhiệt điện, nó ảnh hưởng tới ổn định và chất lượng của
sản xuất điện năng trong nhà máy điện. Trong chương này sẽ đi nghiên cứu tổng
quan các cấu trúc điều khiển trong hệ phụ tải nhiệt và các vấn đề nghiên cứu
nâng cao chất lượng cho hệ điều khiển phụ tải nhiệt, từ đó xác định phạm vi
nghiên cứu và mục tiêu của luận án.
1.1 Tổng quan về công nghệ nhiệt điện
1.1.1 Phân loại [1][2][3][4][5][6]
1.1.1.1. Công 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.
Trong lị hơi cơng nghệ này, nhiên liệu khí (gió), nhiên liệu lỏng (dầu) phun
thành bụi, nhiên liệu rắn (than) nghiền thành bột được phun vào buồng lửa, hỗn
hợp với khơng khí và tiến hành các giai đoạn của q trình cháy trong khơng gian
buồng lửa.
Lò hơi đốt than phun được sản xuất với rất nhiều loại công suất, từ vài chục
đến cỡ 1300MW. Các lò hơi đang vận hành hiện nay phổ biến là trong dải công
suất từ 300-600MW thông 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 thông số siêu tới hạn
(24,2MPa, 566oC/566oC) và trên siêu tới hạn (31MPa, 600oC/650oC).
1.1.1.2. Cơng nghệ đốt tầng sơi tuần hồn (CFB)
Cơng nghệ tầng sơi tuần hồn (Circulating Fluidized Bed – CFB) hiện nay
là dạng công nghệ tầng sôi phổ biến nhất cả trong cơng nghiệp cũng như NMNĐ.
Lị CFB có ngun liệu là than và đá vôi đập nhỏ được đưa đồng thời vào phần
dưới buồng đốt có nhiệt độ từ 8500 C đến 9500C.
Các lò CFB cho phép sử dụng các loại nhiên liệu biến thiên trong dải rộng:
than xấu, than bùn, than antraxit, than bitum,... Gần đây cũng đã xuất hiện lò
4

CFB siêu tới hạn với công suất lớn được đưa vào vận hành (ví dụ tại Lagisza, Ba
Lan, thơng số 28,3 MPa, 563°C/582°C, công suất 460MW bởi Foster Wheeler).
1.1.2 Phân loại NMNĐ theo loại tuabin [1][2][3][6][7]
Tuabin ngưng hơi: Phụ tải nhiệt chỉ dùng để phát điện. Đối với tuabin loại
này, 100% lưu lượng hơi vào tuabin để sinh công, sau khi ra khỏi tuabin áp suất
hơi thấp (gần áp suất khí quyển) được ngưng thành nước quay trở lại lị hơi. Loại
tuabin này dùng cho nhà máy phát điện công suất lớn.
Tuabin đối áp: Phụ tải nhiệt gồm hai đại lượng: Điện năng và nhiệt năng.
Lưu lượng hơi sau khi ra khỏi tầng cao áp của tuabin sẽ trích một phần lưu lượng
hơi với áp suất cao để dẫn đi tới các hộ phụ tải nhiệt để gia nhiệt (sấy, nấu v.v...).
Nhà máy điện tuabin đối áp được dùng trong các nhà máy hóa chất, các nhà máy
chế biến thực phẩm v.v..., thường có cơng suất nhỏ cỡ 30MW.
1.1.3 Phân loại NMNĐ theo áp suất hơi [3][7]
Dựa theo thông số quan trọng là áp suất hơi, lò hơi được phân chia thành
các loại: Thông số hơi cận tới hạn (Subcritical), siêu tới hạn (Supercritical) và
trên siêu tới hạn (Ultra-supercritical). Có nhiều phân chia khác nhau về ranh giới
giữa siêu tới hạn và trên siêu tới hạn, dưới đây là các thơng số điển hình cho các
loại nhà máy dưới tới hạn, siêu tới hạn và trên siêu tới hạn trên thế giới:
 Cận tới hạn (Subcritical): áp suất hơi quá nhiệt 16,7MPa, nhiệt độ quá nhiệt/
tái nhiệt 538°C/538°C.
 Siêu tới hạn (Supercritical): áp suất hơi quá nhiệt 24,2MPa, nhiệt độ quá
nhiệt/ tái nhiệt 566°C/566°C.
 Trên siêu tới hạn (Ultra-supercritical): áp suất hơi quá nhiệt 31MPa, nhiệt
độ quá nhiệt/ tái nhiệt 600°C/600°C.
Hiện nay trên thế giới, các nhà máy nhiệt điện thông số hơi cận tới hạn vẫn
là chủ đạo kể cả ở những nước phát triển, nhưng xu hướng sử dụng thông số siêu
tới hạn ngày càng phổ biến, nhất là ở những nơi giá nhiên liệu đắt và phải chịu
nhiều sức ép cắt giảm khí phát thải nhà kính. Thông số hơi trên siêu tới hạn cũng
rất được quan tâm, nhưng còn gặp nhiều trở ngại về việc phát triển các vật liệu

cao cấp cho chế tạo lò hơi và tuabin.
Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả nghiên cứu hệ phụ tải nhiệt
nhà máy nhiệt điện lò hơi đốt than phun, tuabin ngưng hơi, áp suất cận tới hạn là
16,7MPa, nhiệt độ hơi quá nhiệt là 538 - 541°C.
1.1.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than phun áp suất cận tới
hạn [3][4][5][8][9][10]
NMNĐ đốt than phun bao gồm các thiết bị chính: Lị hơi – Tuabin – Máy
phát (Boiler/Turbine/Generator) thường được gọi là khối tổ máy (unit) và các hệ
thống phụ trợ khác: ngưng hơi, hâm, khử khí,…Hình 1.1 đưa ra một cấu hình
điển hình của một nhà máy nhiệt điện:

5


Hình 1.1 Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ[3][9]

Sơ đồ nhiệt nguyên lý (mặt cắt đứng) một tổ máy nhiệt điện được thể hiện
tại hình 1.1, và hình 1.2 thể hiện giản đồ công nghệ của một tổ máy trong nhà
máy nhiệt điện gồm: một lò hơi, một tuabin-máy phát. Đây là tổ máy có lị hơi
đốt than phun, có bao hơi (Drum). Nguyên lý vận hành cho tổ máy như sau:
Nhiên liệu gồm than (Wf) và gió (Wa) được đưa vào buồng đốt với lưu
lượng tùy theo công suất đặt. Nước từ bao hơi (BH) đi xuống các đường ống sinh
hơi (SH) được bố trí xung quanh thành lị, nước sẽ nhận nhiệt năng từ q trình
đốt cháy nhiên liệu trong lò và trở thành hơi bão hòa. Hơi nước bão hòa sẽ được
gia nhiệt từ các bộ quá nhiệt trần, quá nhiệt hộp, quá nhiệt tường phân chia, quá
nhiệt cấp 1, quá nhiệt cấp 2, quá nhiệt cấp 3 và được phun giảm ôn để điều chỉnh
nhiệt độ khoảng 541ºC để có thể đi tiếp vào tuabin cao áp (HP) sinh công (các bộ
quá nhiệt, giảm ôn được vẽ tượng trưng trên hình vẽ QN). Hơi đi vào tuabin cao
áp có nhiệt độ là 541ºC và áp suất là khoảng 16,7Mpa và hơi ra từ tuabin cao áp
có áp suất giảm cịn 4,3MPa đồng thời nhiệt độ hơi cũng giảm còn khoảng hơn

350ºC (Do hơi đã mất đi một lượng nhiệt lớn để sinh công làm quay cánh tuabin
cao áp). Vì vậy hơi này được đưa về bộ tái nhiệt (TN) để gia nhiệt bằng khói để
đạt được nhiệt độ khoảng 540ºC và áp suất khoảng 4,1 MPa, sau đó được đưa
vào tuabin trung áp (IP) để tiếp tục sinh công. Sau khi ra khỏi tuabin trung áp,
dòng hơi sẽ đi tiếp đến tuabin hạ áp (LP) để sinh công lần cuối. Tuabin quay sẽ
làm quay máy phát (G) và phát điện, tốc độ quay của máy phát được giữ 3000v/p
để đảm bảo tần số lưới là 50Hz. Hơi sau khi sinh công từ tuabin hạ áp lúc này có
áp suất xấp xỉ áp suất khí quyển (khoảng 1atm), nhiệt độ đã giảm nhiều so với
dòng hơi chính vào tuabin cao áp, tuy nhiên vẫn là rất cao và được đưa xuống
bình ngưng để ngưng (BN) trở lại thành nước. Bình ngưng có hệ thống nước làm
mát tuần hồn và hệ thống hút chân khơng làm cho hơi nước được ngưng tụ
nhanh chóng. Sau đó, nước được bơm trở lại bằng bơm Bnc, dòng nước Wnn được
qua bộ hâm (HN) để gia nhiệt rồi được quay trở lại bao hơi theo điều khiển mức
nước bao hơi. Trên hình vẽ ta thấy có đường nối tắt sau bơm quay trở lại bình
6


ngưng nhằm bảo vệ tránh bẹp bình ngưng khi mà lưu lượng nước ra lớn hơn so
với lượng hơi vào gây chênh lệch áp suất. Và thực tế thì nước sau khi ra khỏi
bình ngưng thì nước cịn phải qua các bộ gia nhiệt hạ áp và cao áp bằng hơi trích
từ các tuabin cao áp, trung áp, hạ áp và bộ khử khí, trước khi nước đi vào bộ hâm
nước.
QN & GƠ

Wngo
Wh
G

BH

HP

TN

IP
LP

Wnc

Wlm

SH

Wf

NH

HN
Wnc

Wa

Bnc

BD
QK

Wkh

Hình 1.2 Giản đồ cơng nghệ (Process Diagram) của một tổ máy NMNĐ

[2][4][5][8][10-12]

Vịng tuần hồn của nước có thể được coi là chu trình kín nhưng có thể có
hao hụt trong các q trình nên tại các bộ gia nhiệt hạ áp thì có thêm nước được
bơm thêm vào để đảm bảo nước tuần hồn trong chu trình. Khói được hút bằng
quạt khói (QK), sau khi khói gia nhiệt cho hơi trong các bộ quá nhiệt và tái nhiệt,
gia nhiệt cho nước trong bộ hâm thì sẽ được cho qua bộ lọc bụi tĩnh điện rồi mới
đưa ra ống khói để thải ra mơi trường.
1.2 Tổng quan về hệ điều khiển phụ tải nhiệt
1.2.1 Các quá trình và các mạch vòng điều khiển cơ bản của hệ phụ tải
nhiệt [11-15]
Trên Hình 1.3 mơ tả các q trình biến đổi năng lượng của hệ phụ tải nhiệt,
có hai tổ hợp: Lò hơi - tuabin máy phát. Lò hơi nhận nhiên liệu gồm: than, gió,
nước để tạo thành nhiệt năng qua các quá trình biến đổi cơ bản: Quá trình cấp
nhiên liệu-gió, q trình cấp nước, q trình cháy, truyền nhiệt sinh hơi và quá
trình quá nhiệt. Tổ hợp tuabin-máy phát có hai q trình biến đổi từ nhiệt năng
thành cơ năng và cơ năng thành điện năng.

7


Khói
Q trình q nhiệt
Q trình truyền nhiệt
sinh hơi
Nhiên liệu
Gió
Nước

Qq trình cháy

Nhiệt năng

Q trình cấp nhiên liệu Nh = Phh.Wh
và gió

Tuabin

Cơ năng
Ncơ=Th.ω

Máy phát

Điện năng

Quá trình cấp nước,
Tro, xỉ

Quá trình biến đổi nhiệt năng
thành cơ năng

Q trình biến đổi nhiên liệu hóa thach thành nhiệt
năng

Quá trình biến đổi cơ năng
thành điện năng

Hình 1.3 Quá trình biến đổi năng lượng của hệ phụ tải nhiệt [4-6][8][10][11][16]

Để đảm bảo các quá trình biến đổi trong hệ phụ tải nhiệt ta cần thiết lập các

mạch vòng điều khiển cơ bản: Điều khiển cấp liệu, điều khiển khói gió, điều
khiển mức nước bao hơi (đảm bảo quá trình cháy truyền nhiệt sinh hơi), điều
khiển hơi quá nhiệt, điều khiển ngưng hơi, điều khiển hâm nước và khử khí, điều
khiển tốc độ tuabin (điều tần- cơng suất tác dụng) và điều khiển kích từ máy phát
(điều khiển điện áp máy phát - công suất phản kháng).
1.2.2 Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển phụ tải nhiệt
Nhà máy nhiệt điện khi sử dụng 100% nhiên liệu là than thường chỉ vận
hành ở chế độ phát công suất vào lưới điện (70÷100)% [2][4][5][8][10] vì vậy
trong phạm vi nghiên cứu hệ điều khiển phụ tải nhiệt của luận án này chỉ nghiên
cứu điều khiển phát công suất vào lưới điện. Đối với lị hơi, q trình ngưng hơi
và hâm nước khử khí có tính độc lập tương đối với điều khiển phụ tải nhiệt
[4][5][8][10-14]. Vì vậy để giảm tính phức tạp của hệ ta coi hai quá trình điều
khiển này vận hành ổn định và đảm bảo các yêu cầu về chất lượng điều khiển. Từ
giả thiết đó ta có cấu trúc tổng quát của hệ phụ tải nhiệt được trình bày dưới dạng
sơ đồ khối tổng quát trên hình 1.4. Trong cấu trúc tổng quát này, hệ điều khiển
phụ tải nhiệt là vùng đóng khung --- gồm các đại lượng đầu vào là: Công suất
đặt, áp suất đặt; Các đại lượng đầu ra đầu ra là: công suất nhiệt u cầu cho lị
(lưu lượng nhiên liệu), tín hiệu điều khiển góc mở van hơi vào tuabin.

8


Ph Áp suất đặt

Hệ điều khiển phụ tải nhiệt

Công suất
nhiệt yêu cầu

-Điều khiển theo lò hơi

-Điều khiển theo tuabin
-Điều khiển phối hợp Lị hơi - Tuabin

_



GCW f

f

Vf

N e Cơng suất điện

N h Công suất hơi
*
Thqn

W*f

N * Công suất đặt

*%
2

0

*
pbd

H

*
bh

Điều khiển hơi quá nhiệt
Điều khiển nồng độ oxi dư
Điều khiển áp suất buồng
lửa
Điều khiển cấp nước

Ph

Wh

h

Ph , Th .Wh

Turbine-Máy phát

Wf
.. ..
Nhiễu Di

Hình 1.4 Cấu trúc tổng qt mơ hình hệ điều khiển phụ tải nhiệt

Trong cấu trúc điều khiển tổng quát hệ phụ tải nhiệt gồm hai hệ điều khiển:
Điều khiển công suất hơi và điều khiển công suất điện. Hai hệ này đều có chung

một lượng đặt là cơng suất phát N*(MW), đại lượng cần điều khiển là công suất
điện Ne(MW). Trong cấu trúc đó mơ tả các bộ điều khiển cơ bản của lò hơi: Điều
khiển nhiên liệu, điều khiển khói gió (nồng độ oxy dư và áp suất buồng lửa), điều
khiển nước cấp và điều khiển hơi quá nhiệt.
Các đại lượng nhiễu Di thì có nhiều khả năng gây ra nhưng trong đó quan
trọng nhất là nhiễu ảnh hưởng quá trình cháy, nhiễu biến thiên của nhiệt trị và
thành phần hóa học của than. Cấu hình điều khiển phụ tải nhiệt được xây dựng
theo cấu trúc mở để có thể lập cấu hình điều khiển theo ba chế độ vận hành: Điều
khiển theo lò hơi, điều khiển theo tuabin, điều khiển phối hợp. Xét các hệ điều
khiển trong hệ phụ tải nhiệt như sau:
 Hệ điều khiển công suất hơi của hệ phụ tải nhiệt
Trong hệ điều khiển cơng suất hơi (lị hơi) có các đại lượng đầu vào là lưu
lượng nhiên liệu, lưu lượng khơng khí, lưu lượng nước cấp vào lị và đầu ra là
cơng suất hơi gồm ba tham số: Áp suất hơi, nhiệt độ hơi, lưu lượng hơi. Các cơ
cấu chấp hành là các van điều chỉnh [4][5]][8][10]. Các mạch vòng điều khiển
gồm: Điều khiển mức nước bao hơi (nước cấp cân bằng với hơi lấy ra), điều
khiển gió 1 tỷ lệ với nhiên liệu, điều khiển gió 2 cho q trình cháy, điều khiển
áp suất chân không buồng đốt thông qua điều khiển lưu lượng khói, điều khiển
nhiệt độ hơi quá nhiệt bằng điều khiển lưu lượng nước giảm ơn
[2][4][5][8][10][11]. Để có cơng suất hơi đầu ra ta cần điều khiển các quá trình
đó như sau:
 Q trình cấp nhiên liệu: Đảm bảo chất lượng than về nhiệt độ, độ ẩm,
kích thước hạt than (do máy nghiền than thực hiện). Lưu lượng than được tính từ
9


tổng lượng nhiệt yêu cầu, được ký hiệu W f* và thường thiết lập mạch vòng điều
khiển lưu lượng than, cơ cấu chấp hành là van nhiên liệu.
 Quá trình cháy: Đảm bảo than vào lò được cháy hết, ta có hệ điều khiển
gió và khói. Điều khiển gió để cấp đủ lượng khơng khí cho q trình cháy. Điều

khiển khói để tạo phân bố áp suất âm trong lị cho quá trình cháy.
 Quá trình cấp nước: Đảm bảo lượng hơi tiêu thụ cân bằng lượng nước cấp
cho lò. Điều khiển nước cấp do mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi thực
hiện.
 Điều khiển hơi quá nhiệt: Đảm bảo chất lượng hơi do các bộ quá nhiệt
đảm nhận.
Như vậy để có cơng suất hơi đầu ra, lị hơi cần có bốn mạch vịng điều
khiển trên. Tất cả bốn mạch vịng này đều có lượng đặt khơng đổi và làm việc ổn
định xung quanh điểm cân bằng.
 Hệ điều khiển công suất điện của hệ phụ tải nhiệt
Điều khiển công suất điện là hệ điều khiển tổ hợp Tuabin – Máy phát, có
đại lượng đầu vào là lưu lượng hơi ( Wh ), đại lượng đầu ra là công suất điện
(MW), cơ cấu chấp hành là van điều chỉnh lưu lượng hơi vào tuabin
[4][5][8][10].
Cơng suất hơi là tích của lưu lượng và entanpy hơi ( Nh  Hh .Wh ), trong đó
lưu lượng hơi là biến tác động của q trình điều khiển cơng suất điện, entanpy
hơi (tỷ lệ với áp suất hơi) được chọn là đại lượng cần điều khiển của lò hơi).
Như vậy, hệ điều khiển phụ tải nhiệt là hệ có hai đối tượng: Lị hơi và
Tuabin - Máy phát [4][5][8][10]; Hai đại lượng cần điều khiển là áp suất hơi Ph
và công suất phát Ne ; Hai cơ cấu chấp hành: Van nhiên liệu V f và van hơi Vh ; Có
hai lượng đặt: Cơng suất phát Ne* và áp suất hơi Ph* .Trước đây áp suất đặt thường
được giữ không đổi. Ngày nay, để tăng công suất người ta dùng lượng đặt theo
dạng công suất trượt Ph*  F( Ne ) , trong đó vùng công suất < 70% áp suất đặt
không đổi, khi cơng suất từ 70% đến 100% thì áp suất có tăng theo cơng suất đặt
là quan hệ tuyến tính biến thiên trong vùng hẹp tương ứng (76÷80)% Pmax.
Từ phân tích ở trên, ta thấy để nghiên cứu điều khiển phụ tải nhiệt ta cần
phải nghiên cứu các mạch vòng điều khiển khói - gió, mạch vịng điều khiển mức
nước bao hơi, mạch vòng điều khiển hơi quá nhiệt. Đây là các vòng điều khiển
rất quan trọng để tạo thành hệ điều khiển phụ tải nhiệt và được gọi là các vịng
điều khiển cơ bản (các vịng trong). Vì vậy khi thiết kế hệ điều khiển phụ tải

nhiệt, các mạch vòng này phải được đảm bảo yêu cầu chất lượng.
Mạch vòng phụ tải nhiệt là mạch vịng cấp trên, có hai đối tượng: Lị hơi có
qn tính lớn tác động chậm và tuabin-máy phát tác động nhanh. Lò hơi cần điều
khiển áp suất hơi (đầu ra là áp suất hơi, đầu vào là lưu lượng nhiên liệu); Tuabinmáy phát cần điều khiển công suất (đầu ra là công suất, đầu vào là lưu lượng
hơi). Mạch vịng phụ tải nhiệt có hai bộ điều khiển: GCP điều khiển áp suất và
10


GCN điều khiển công suất. Như vậy, hệ điều khiển hệ điều khiển phụ tải nhiệt là

hệ điều khiển đa biến tác động xen kênh.
1.2.3 Các cấu trúc điều khiển của hệ phụ tải nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
Như đã phân tích ở trên (hình 1.4), hệ điều khiển phụ tải nhiệt có hai đối
tượng: Lị hơi và Tuabin-máy phát; Hai bộ điều khiển: Bộ điều khiển áp suất hơi
( GCP ) và bộ điều khiển công suất ( GCN ). Hiện nay, có ba cấu trúc cơ bản điều
khiển phụ tải nhiệt [4][5][8][10]: Điều khiển đơn biến theo tuabin, điều khiển
đơn biến theo lò hơi và điều khiển đa biến: Phối hợp Lò hơi-Tuabin.
1.2.3.1. Cấu trúc đơn biến để điều khiển phụ tải nhiệt theo tuabin
(Turbine Following Control)
Điều khiển phụ tải nhiệt sử dụng cấu trúc đơn biến theo tuabin được trình
bày trên hình 1.5 [2][4][5][8-14]. Trong đó bộ điều khiển cơng suất GCN được bố
trí ở cụm điều khiển tuabin – máy phát để điều khiển độ mở van tuabin µh, đưa
lưu lượng hơi vào tuabin theo yêu cầu công suất điện. Bộ điều khiển áp suất GCP
được đặt ở phía điều khiển lị hơi, đưa tín hiệu điều khiển độ mở van nhiên liệu
cấp vào lò hơi Vf, đáp ứng yêu cầu công suất hơi theo yêu cầu công suất điện.
Hoạt động của hệ theo nguyên lý lị hơi đáp ứng theo tuabin, ví dụ ta tăng cơng
suất đặt Ne* , góc mở van hơi tăng lưu lượng hơi Wh tăng.


Ph  F ( N * )





Ph

Vf







GCN
h

GCP
Wf

N e*

Hệ điều khiển
lị hơi

Vh

Wh

Ne
Turbine-Máy phát

Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt theo tuabin (Turbine Following Control)
[2][4][5][8-14]

Do công suất hơi đang là không đổi nên khi tăng lưu lượng hơi thì áp suất
hơi giảm, dẫn đến tăng lưu lượng nhiên liệu cho đến khi áp suất hơi đạt giá trị
đặt. Tuy nhiên, do qn tính lị lớn nên công suất hơi tăng chậm hơn so với yêu
cầu công suất ra của tuabin, vì vậy khi lưu lượng hơi vào tuabin tăng dẫn đến áp
suất hơi giảm, tác động ngược lại làm giảm lưu lượng hơi vào tuabin. Hiện tượng
này là tác động xen kênh giữa hai hệ điều khiển lị hơi và tuabin [2][11][12][14].
Nó gây ra dao động giai đoạn đầu khi tăng, giảm cơng suất hoặc có nhiễu tác
động vào.
Đặc tính đáp ứng với yêu cầu tải thay đổi của chế độ này thể hiện trên
hình 1.6. Khi tăng tải thì áp suất hơi bị tụt xuống do yêu cầu lưu lượng hơi tăng
mà yêu cầu nhiệt chưa đáp ứng kịp thời bởi qn tính của lị (q trình cháy
truyền nhiệt sinh hơi) lớn. Khi cơng suất đạt giá trị đặt, do trễ quá trình điều
11