XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO LÒ HƠI TRONG NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ

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

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO LÒ HƠI TRONG NHÀ
MÁY ĐẠM PHÚ MỸ
HÀ NỘI - 2009
LỜI CẢM ƠN
Người thực hiện luận văn chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.
TS. Hoàng Minh Sơn, người đã giúp đỡ rất nhiệt tình và kịp thời về chuyên môn
khi thực hiện luận văn. Bên cạnh đấy, người viết cũng bày tỏ lòng biết ơn đến tất
cả các thầy cô trong Bộ môn Điện điều khiển Tự động - Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội, những người đã truyền đạt kiến thức cơ sở quý báu và cần thiết để
người viết hoàn thành được luận văn này.
Người viết cũng bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám đốc nhà máy Đạm Phú
Mỹ, lãnh đạo cùng cán bộ công nhân viên hai xưởng Phụ trợ và Amôniắc vì đã
cho phép và giúp đỡ người viết trong việc thu thập dữ liệu để thực hiện nhận
dạng.
Người viết chân thành gửi lời cám ơn đến anh Phạm Quang Hiếu, chuyên
viên về lò hơi thuộc phòng Công nghệ sản xuất, nhà máy Đạm Phú Mỹ, người
đã hết sức nhiệt tình cung cấp kiến thức về các quá trình công nghệ trong lò hơi.
Xin chân thành cám ơn bố, mẹ và vợ, những người đã động viên tinh thần
và giúp đỡ rất nhiều khi người viết thực hiện luận văn.
Chương 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Trong giai đoạn đổi mới đất nước ta đang chuyển mình và phát triển mạnh
mẽ. Sự gia tăng sản xuất đã làm cho các nhà máy được xây dựng ngày càng
nhiều. Theo dòng thời gian, những công nghệ, kỹ thuật tiên tiến trên thế giới đã
dần được chuyển giao và ứng dụng vào trong các nhà máy sản xuất ở nước ta.
Quá trình sản xuất thủ công chủ yếu bằng sức người đã trở thành cơ giới hóa và

đến nay đang trong quá trình tự động hóa quá trình sản xuất.
Hiện nay, trong các nhà máy trong nước, dù nhỏ hay lớn, hầu hết các dây
chuyền sản xuất đều được điều khiển bằng hệ thống PLC (Programable Logic
Controller). Các hãng sản xuất PLC thường gặp như Omron, Siemens, Allen
Bradley… hay những hãng khác ít gặp hơn ở nước ta như GE Fanuc, HIMA,
LG, … đều luôn tìm cách mở rộng và phát triển thị trường sang Việt Nam; từ
việc tăng cường tiếp thị và mở rộng mạng lưới phân phối cho tới việc hỗ trợ cho
các tổ chức giáo dục, đào tạo nhằm đưa sản phẩm của mình tiếp cận với lực
lượng lao động tiềm năng. Bên cạnh đấy, đối với các nhà máy có quy mô lớn,
sử dụng hệ thống DCS (Distributed Control System) để điều khiển quá trình sản
xuất đã trở nên phổ biến. Cụ thể, các hệ thống DCS của các hãng Siemens,
Yokogawa, Honeywell, ABB đã được đã được triển khai tại khắp các nhà máy
phân bố đều trên nước ta.
Tuy nhiên, do đặc điểm của hầu hết các hệ DCS truyền thống mới chỉ hỗ
trợ các phương pháp điều khiển đơn biến, quá trình công nghệ được phân nhỏ ra
thành từng quá trình đơn lẻ (hệ SISO: single input single output) và các quá
trình con này được điều chỉnh chủ yếu bằng bộ điều khiển PID. Tức là, các giải
thuật điều khiển trong hệ thống DCS chủ yếu là sự phối hợp giữa các vòng PID
với nhau hay với các thuật giải điều khiển khác như điều khiển tỉ lệ (ratio
control), điều khiển phân vùng (split-range control), điều khiển lựa chọn
(selective control)…hoặc phối hợp với điều khiển logic (discrete control). Một
quá trình công nghệ thông thường là hệ thống nhiều đại lượng vào/ra và các đại
lượng này có tác động tương hỗ lẫn nhau (hệ MIMO: multi-input multi-output)
cho nên việc phân tách một hệ MIMO thành các hệ SISO sẽ làm các bộ PID
không đủ khả năng điều khiển quá trình công nghệ với chất lượng tốt nhất và từ
đó làm giảm hiệu suất của quá trình sản xuất.
Để khắc phục nhược điểm này của các hệ DCS truyền thống, các nhà sản
xuất hệ thống điều khiển đưa ra một giải pháp đó là bổ sung hệ thống APC
(Advanced Process Control) phía trên hệ thống DCS. APC là một hệ thống
phân tích quá trình công nghệ theo quan điểm đa biến vào/ra (MIMO), từ đó tìm

ra mối quan hệ giữa các biến ngõ vào và các biến ngõ ra để chọn ra sách lược
điều khiển thích hợp nhằm điều khiển tối ưu quá trình công nghệ, nâng cao hiệu
suất của quá trình sản xuất. Tuy nhiên, chi phí cho hệ thống APC rất cao (từ
50% đến 100% giá của hệ thống DCS) và các thuật giải tối ưu phải được thiết kế
riêng cho từng quá trình công nghệ. Mới đây, với sự ra đời của các thế hệ DCS
mới hỗ trợ các thuật toán điều khiển cao cấp, việc thiết kế và cài đặt các bộ điều
khiển đa biến có thể thực hiện ngay trên trạm DCS, giảm chi phí cho một hệ
APC tách riêng.
Như vậy, việc xây dựng một mô hình đa biến vào/ra mô tả sự tương tác
(thẳng và chéo) giữa các biến ở ngõ vào và các biến ở ngõ ra của một quá trình
công nghệ là nhu cầu cần thiết và là yêu cầu quan trọng cần phải thực hiện nếu
ta muốn thực hiện tối ưu quá trình công nghệ. Ngày nay, quá trình xây dựng mô
hình động học của quá trình được thực hiện chủ yếu dựa trên dữ liệu thực
nghiệm thu thập được từ quá trình, cùng với quan điểm nhận dạng là xem quá
trình như một hộp đen (black-box). Dữ liệu thực nghiệm dùng để nhận dạng này
có thể được thu thập theo kiểu vòng hở hoặc vòng kín.
Đối với kiểu thu thập dữ liệu theo kiểu vòng hở, đối tượng (quá trình) cần
phải được tách ra khỏi các vòng điều khiển. Một sự thay đổi ở đầu vào sẽ làm
thay đổi ở đầu ra và dữ liệu này sẽ được ghi nhận để làm dữ liệu nhận dạng.
Tuy nhiên đối với nhiều quá trình công nghiệp điều này sẽ gặp trở ngại bởi:
i. Việc chủ động đưa tín hiệu ở ngõ vào với biên độ đủ lớn có thể làm
cho các thông số quá trình vượt qua khỏi phạm vi làm việc cho phép và ảnh
hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, hoặc tệ hơn nếu quá trình không ổn
định hoặc có độ ổn định kém thì có thể xảy ra trường hợp không kiểm soát được
quá trình dẫn đến ngừng sản xuất hoặc xảy ra tai nạn (nếu hệ thống điều khiển
không có chế độ bảo vệ tốt). Còn nếu vận hành cả quá trình sản xuất chỉ để thu
thập dữ liệu thì chi phí quá lớn, điều này làm cho quá trình nhận dạng không có
ý nghĩa về khía cạnh kinh tế.
ii. Vì thông thường đối tượng được nhận dạng là đối tượng có vai trò
quan trọng trong một quá trình sản xuất nên việc thuyết phục lực lượng vận

hành thu thập dữ liệu bằng cách tách quá trình ra khỏi hệ thống điều khiển như
đề cập ở i. sẽ rất ít khi được chấp thuận.
Như vậy, yêu cầu vận hành cho thấy việc thu thập dữ liệu cần phải thõa
mãn rằng không gây ảnh hưởng lên quá trình sản xuất hoặc có ảnh hưởng nhưng
không đáng kể đủ để duy trì được chất lượng sản phẩm đầu ra hoặc chi phí nhận
dạng vừa phải. Do đó, việc duy trì hệ thống điều khiển trong vòng kín khi thực
hiện nhận dạng để quá trình công nghệ vẫn có thể vận hành bình thường là điều
đáng được xem xét. Khi đó, những tác động và can thiệp vừa phải vào hệ thống
điều khiển được thực hiện để tạo những thay đổi ở các biến ngõ vào và biến ngõ
ra sẽ cho ta bộ dữ liệu dùng để nhận dạng. Thế nên, một ưu điểm quan trọng của
việc thực hiện nhận dạng như mô tả ở trên đó là dễ dàng duy trì hệ thống làm
việc trong điều kiện phạm vi cho phép khi tiến hành, ngay cả khi sử dụng tín
hiệu kích thích chủ động. Phương pháp nhận dạng như mô tả ở trên được gọi là
nhận dạng trong vòng kín.
Dựa vào ý tưởng chủ đạo là nhận dạng quá trình theo quan điểm MIMO
để từ đó thiết kế thuật giải điều khiển tối ưu cho quá trình công nghệ, tác giả xác
định mục tiêu nghiên cứu của mình là nhận dạng và thiết lập mô hình động học
cho quá trình sản xuất trong lúc đang vận hành, mà ứng dụng cụ thể ở đây là lò
hơi sản xuất hơi nước quá nhiệt tại nhà máy Đạm Phú Mỹ.
Tên đề tài: Xây dựng mô hình động học cho lò hơi trong nhà máy Đạm
Phú Mỹ.
Cơ sở lý thuyết: Sử dụng lý thuyết nhận dạng.
Yêu cầu: Xây dựng được mô hình động học lò hơi
Nội dung:
 Xác định phương án nhận dạng.
 Thu thập dữ liệu thực tế
 Xây dựng mô hình từ dữ liệu thu thập được
1.2. Nội dung và phương pháp thực hiện
Nội dung của luận văn tập trung vào việc phân tích cấu trúc của hệ thống
điều khiển lò hơi, từ đó đề xuất ra phương pháp thu thập dữ liệu trong lúc lò hơi

vẫn đang vận hành (thu thập dữ liệu trong vòng kín). Do đặc trưng của hệ thống
điều khiển DCS nên sách lược điều khiển bao gồm nhiều vòng PID phối hợp các
các bộ điều khiển ratio, điều khiển feedforward, điều khiển lựa chọn và điều
khiển cacscade làm cho cấu trúc của hệ thống điều khiển trở nên phức tạp khi có
nhiều biến quá trình tham gia và tác động qua lại lẫn nhau. Do vậy, việc xác
định mức độ can thiệp vào hệ thống điều khiển và can thiệp vào những điểm nào
của hệ thống điều khiển đặt ra yêu cầu sống còn đối với việc thu thập dữ liệu
nhận dạng trong vòng kín.
Từ bộ dữ liệu thu thập được, luận văn đề xuất nhận dạng theo phương
pháp bình phương tối thiểu theo mô hình ARX bằng công cụ System
Identification Toolbox của phần mềm Matlab. Trong khi thực hiện nhận dạng,
việc đánh giá số bậc (order) các tham số của mô hình và ước lượng thời gian trễ
của từng biến ngõ vào là vấn đề cần phải quan tâm sâu sắc vì điều này phụ thuộc
khá nhiều vào hiểu biết của người thực hiện nhận dạng về quá trình cần nhận
dạng. Các công cụ trong System Identification Toolbox chỉ có tác dụng hỗ trợ
trong công việc này.
Việc thực hiện nhận dạng trực tiếp trong vòng kín kéo theo các vấn đề cần
giải quyết về sự tương quan giữa nhiễu đo với biến điều khiển (cũng như biến
ngõ vào) và mối quan hệ tuyến tính giữa biến ngõ ra với biến điều khiển (cũng
như biến ngõ vào). Các vấn đề này ảnh hưởng đến tính nhất quán của phương
pháp nhận dạng, do vậy luận văn cũng đề cập đến phương pháp bình phương tối
thiểu và khả năng ứng dụng của nó trong nhận dạng vòng kín.
1.3. Bố cục bài viết
Luận văn đi vào mô tả quá trình tạo và sinh hơi của một lò hơi công
nghiệp, phân tích sách lược điều khiển hiện tại và từ đó đề xuất phương pháp thu
thập dữ liệu bằng vòng kín trong lúc lò hơi vẫn đang vận hành. Trên cơ sở dữ
liệu thu thập được và đặc tính của quá trình công nghệ mà đề xuất phương pháp
nhận dạng và mô hình phù hợp.
Luận văn bao gồm 5 chương:
Chương 1: là chương mở đầu, giới thiệu tình hình hiện tại của việc nhận

dạng quá trình, khả năng thực thi chúng trên các hệ thống điều khiển quá trình
hiện tại (hệ DCS và các hệ PLC). Chương này cũng giới thiệu sơ lược về
phương pháp nhận dạng trong vòng kín, một phương pháp nhận dạng đang được
quan tâm và phát triển trong thời điểm hiện tại do những ưu điểm của nó so với
các phương pháp khác.
Chương 2: mô tả về các thành phần chính của một lò hơi và mô tả toán
học của các quá trình xảy ra trong lò hơi: quá trình cháy, quá trình trao đổi nhiệt
và quá trình sinh hơi.
Chương 3: đi sâu vào phân tích sách lược điều khiển thực tế đang được sử
dụng trong hệ thống DCS của Yokogawa, mà dựa vào đó đề xuất ra các phương
án thu thập dữ liệu nhận dạng trong vòng kín.
Chương 4: mô tả các phương pháp nhận dạng thường gặp, trong đó
phương pháp nhận dạng ứng dụng phương pháp bình phương tối thiểu được đề
cập sâu và chi tiết. Các kiểu mô hình ARX, ARMAX, BJ cũng được xem xét và
đánh giá trong chương này.
Chương 5: mô tả công việc nhận dạng lò hơi từ bộ dữ liệu thu thập được
khi lò hơi vẫn đang vận hành. Các vấn đề về chọn lựa biến quá trình vào/ra,
chọn lựa phương pháp nhận dạng đối với đối tượng lò hơi, bộ dữ liệu được sử
dụng trong nhận dạng cũng được đề cập trong chương trình này. Phần kết luận
tóm tắt lại các yếu quyết khi thực hiện nhận dạng và đánh giá mô hình chất
lượng mô hình và phân tích các yếu tố gây ảnh hưởng đến chất lượng mô hình.
Chương 2: SƠ LƯỢC CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA LÒ HƠI
(BOILER)
Việc sử dụng hơi nước làm năng lượng đã được ứng dụng từ rất lâu và
đến nay nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong các quá trình công nghiệp (đặc biệt
là lĩnh vực năng lượng và dầu khí). Khi nước được đun nóng, nó sẽ sôi và thăng
hoa thành hơi nước ở 100
o
C (trong điều kiện áp suất khí quyển). Lúc này hơi
nước tuy ở thể hơi nhưng vẫn có nhiệt độ là 100

o
C, trong tình huống này ta gọi
là hơi nước bão hòa và giá trị 100
o
C chính là nhiệt độ bão hòa của hơi nước tại
áp suất khí quyển. Nếu như ta duy trì áp suất của hơi nước không đổi và tiếp tục
gia nhiệt cho hơi nước bão hòa thì nhiệt độ hơi nước sẽ tăng lên và ta thu được
hơi nước quá nhiệt. Ta nhận thấy đặc điểm của hơi nước quá nhiệt là: tại cùng
một áp suất không đổi nhưng ta có thể gia nhiệt cho hơi nước tới nhiều nhiệt độ
khác nhau (các nhiệt độ này sẽ cao hơn nhiệt độ bão hòa tại áp suất đấy).
1.4. Các loại lò hơi (boiler)
Lò hơi là thiết bị tạo ra hơi nước bão hòa hoặc hơi nước quá nhiệt. Hơi
nước quá nhiệt dùng để làm nguồn năng lượng cung cấp cho các thiết bị quay
(rotate device) tại các nhà máy sản xuất công nghiệp như turbine truyền động
bơm hoặc máy nén hay dẫn động các turbine để quay các máy phát điện. Bên
cạnh việc tạo ra động năng, hơi nước quá nhiệt này còn có thể sử dụng trong
một vài ứng dụng khác như làm khô sản phẩm hay gia nhiệt chất xúc tác…Ta
gọi lò hơi là thiết bị nhưng thực chất nó là một hệ thống lớn bao gồm nhiều
thành phần: buồng lửa (furnace hay combustion chamber), bao hơi (drum), các
bộ trao đổi nhiệt (economiser, evaporator, super heater) , quạt đẩy khói thải (ID
Fan), quạt hút không khí (FD Fan)…
Tùy theo cách gia nhiệt cho nước mà người ta phân loại lò hơi thành: Fire-tube
boiler (loại ống lửa), water-tube boiler (loại ống nước).
Fire-tube boiler (xem hình 1.4-1) là loại lò hơi mà các khí sau khi cháy sẽ chạy
qua các đường ống và gia nhiệt cho nước bao quanh các ống.
Water-tube boiler (xem hình 1.4-2) bao gồm nhiều ống (dùng để chứa nước) nối
với bao hơi, nước sẽ tuần hoàn trong các ống này và được gia nhiệt bằng nhiệt lượng
sản sinh ra trong buồng lửa.
Hình 1.4-1: Fire-tube boiler
Hình 1.4-2: Water-tube boiler (loại D)

Tùy vào hình dạng của buồng lửa và hệ thống trao đổi nhiệt người ta phân water-tube
boiler thành các loại sau đây: loại A, loại O và loại D
Hình 1.4-3: Các loại Water-tube boiler
1.5.Các thành phần cơ bản của lò hơi
Như đã nêu ở phần trước, một lò hơi gồm các thành phần cơ bản sau đây: buồng
lửa, bao hơi (drum), các bộ trao đổi nhiệt (economiser, evaporator, super heater) , quạt
đẩy khói thải (ID Fan), quạt hút không khí (FD Fan).
Buồng lửa (furnace hay combustion chamber): là nơi đốt cháy nhiên liệu (dầu,
khí) để tạo nhiệt năng làm sôi nước bên trong các ống để tạo thành hơi bão hòa trong
bao hơi (drum).
Bộ economiser: là nơi dùng nhiệt lượng của khí thải để làm nóng lượng nước
(feed water) đi vào lò hơi để tận dụng nhiệt lượng của quá trình đốt.
Bao hơi (drum): là nơi chứa nước feed water và cũng là nơi chứa hơi bão hòa được
tạo ra từ lò hơi.
Bộ evaporator: bao gồm các ống thép chứa đầy nước và nằm trong buồng lửa,
nhận nhiệt lượng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu để làm sôi và bốc hơi nước. Hơi
nước này sẽ đi vào bao hơi và thoát ra ngoài đi đến bộ Superheater.
Bộ Superheater: Sau khi được tạo ra, hơi bão hòa di chuyển từ bao hơi đến
superheater, tại đây nó nhận thêm nhiệt lượng và chuyển thành hơi quá nhiệt. Hơi quá
nhiệt này trở thành nguồn năng lượng truyền động chủ yếu trong quá trình sản xuất.
Force Draught Fan (FD Fan): quạt này dùng để hút không khí vào buồng lửa nhằm
cung cấp đủ ôxy cho quá trình đốt cháy nhiên liệu.
Induced Draught Fan (ID Fan): dùng để hút khí thải (từ buồng lửa) và đẩy ra ống
khói để duy trì sự cháy bên trong buồng lửa.
Hình 1.5-4: Sơ lược các thành phần của một lò hơi
Nước sạch (nước khử khoáng, demineralized water) được bơm vào bao hơi
(drum), vì nó là nguyên liệu để tạo hơi nước nên được gọi là feed water. Trước khi vào
bao hơi, feed water thực hiện trao đổi nhiệt với khí thải ra khỏi buồng lửa của lò hơi
thông qua bộ Economiser để tận dụng nhiệt lượng của quá trình đốt. Từ bao hơi, nước
được đưa xuống các ống của Evaporator trong buồng lửa, nhận nhiệt lượng và thăng

hoa thành hơi nước bốc lên trên bao hơi.
Từ đỉnh của bao hơi, hơi nước bão hòa thoát ra được đưa vào bộ superheater, tại
đây chúng nhận thêm nhiệt lượng và trở thành hơi nước quá nhiệt và được đưa lên
mạng hơi để sử dụng.
1.6. Mô tả toán học các quá trình công nghệ bên trong lò hơi
Mô hình lý thuyết của quá trình là một hệ các phương trình mô tả đặc tính của quá
trình. Các phương trình này thường là phương trình vi phân hoặc phương trình đại số.
Các phương trình vi phân mô tả đặc tính động học của quá trình, còn các phương trình
đại số mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng của quá trình. Mô hình lý thuyết được
thiết lập dựa vào các định luật vật lý, hóa học và các thông tin về thiết bị. Từ việc phân
tích quá trình, ta nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống, sau đấy viết các phương
trình cân bằng và các phương trình đại số khác dựa trên các định luật bảo toàn, nhiệt
động học,…Dựa trên các thông số của thiết bị, nguyên/nhiên liệu, điều khiển vận hành
mà ta tính ra các tham số cần thiết và triển khai thành mô hình toán học cụ thể.
Quá trình tạo hơi quá nhiệt trong lò hơi là một quá trình phức tạp, bao gồm nhiều
công đoạn, đầu tiên là quá trình đốt cháy nhiên liệu, tiếp đến là quá trình trao đổi nhiệt
tại Evaporator, rồi kế tiếp là quá trình thăng hoa của nước thành hơi bão hòa, sau đấy
là quá trình trao đổi nhiệt tại superheater thành hơi quá nhiệt rồi đến quá trình kiểm
soát nhiệt độ hơi quá nhiệt bằng nước làm mát (quench water) thông qua bộ
desuperheater. Việc mô tả các quá trình của lò hơi bằng các phương trình cân bằng vật
chất, năng lượng chỉ nhằm mục đích tham khảo để hình dung mức độ phi tuyến của hệ
và ảnh hưởng của các đại lượng đầu vào với đầu ra của lò hơi. Việc mô tả chính xác
các quá trình của lò hơi bằng toán học rất khó đạt như mong đợi bởi sự phức tạp của
các quá trình bên trong lò hơi.
1.6.1. Buồng lửa
Mục đích của việc đốt cháy nhiên liệu chính là để truyền nhiệt tạo ra từ quá trình
cháy vào nước để tạo hơi nước. Do đó, yêu cầu quan trọng là phải đạt được hiệu quả
truyền nhiệt cao nhất. Quá trình truyền nhiệt trong buồng lửa thông thường là một quá
trình phức tạp bởi vì sự truyền nhiệt thông qua ba cơ chế: trao đổi nhiệt trực tiếp, đối
lưu và bức xạ (chủ yếu là đối lưu và bức xạ); và sự ổn định của quá trình trao đổi nhiệt

chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn trong các dòng lưu chất, thành phần của không khí và
nhiên liệu, sự trao đổi nhiệt với môi trường.
1.6.1.1. Khả năng bức xạ của ngọn lửa
Dựa theo cường độ bức xạ trong phổ thấy được của ánh sáng mà người ta phân
chia thành dạng ngọn lửa sáng, nửa sáng và không sáng. Thông thường các ngọn lửa
sáng và nửa sáng là do nhiên liệu dạng rắn, và còn khi đốt nhiên liệu khí ngọn lửa thu
được có thể là loại nửa sáng hoặc không sáng.
Hệ số bức xạ nhiệt của môi trường khí được biểu thị qua định luật Bu-ghe
(Bouguer):
spk
g
pg
ea
−
−=1
(2-1)
Trong đó:
g
k
là hệ số làm yếu tia bức xạ bởi môi trường khí
p
p
là tổng phân áp suất của các chất khí tạo thành sau quá trình cháy [Mpa]
s
là chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ [m]
Hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa (ngọn lửa sáng) được xác định theo (2-2):
psk
l
l
ea

−
−=
1
(2-2)
Trong đó:
l
k
là hệ số làm yếu bức xạ bởi môi trường buồng lửa
p
là áp suất của các chất khí trong buồng lửa [MPa]
Chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ trong buồng lửa
s
được tính theo công thức:
v
bl
F
V
s
×=
6,3
[m] (2-3)
Trong đó:
bl
V
là thể tích buồng lửa [m
3
]
v
F
là diện tích các tường buồng lửa [m

2
]
Đối với lò hơi sử dụng nhiên liệu khí, ta xem như ngọn lửa gồm hai phần: phần sáng
và phần không sáng, lúc này hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa được xác định như sau:
kssl
ammaa )1(
−+=
(2-4)
Trong đó:
s
a
là hệ số bức xạ nhiệt của phần ngọn lửa sáng được xác định theo công thức
(2-2)
ks
a
là hệ số bức xạ nhiệt của phần ngọn lửa không sáng được xác định theo (2-
1).
m
là hệ số xác định phần thể tích buồng lửa bị tâm ngọn lửa choán đầy. Đối với
khí đốt thiên nhiên
1.0=m
Hệ số bức xạ nhiệt của buồng lửa
bl
a
được xác định qua hệ số bức xạ nhiệt của ngọn
lửa
l
a
và hệ số hiệu quả nhiệt của dàn ống trên tường, cụ thể là:
d

l
bl
a
a
ψ








−+
=
1
1
1
1
(2-5)
Dòng nhiệt bức xạ trung bình được các dàn ống sinh hơi (Evaporator) hấp thu là:
3
4
0
10
100
−
×







=
l
dblbx
T
acq
ψ
[kW/m
2
] (2-6)
Trong đấy:
l
T
là nhiệt độ hiệu quả trung bình của môi trường khí trong buồng lửa [K]
d
ψ
là hệ số hiệu quả nhiệt của dàn ống, được xác định như sau:
ξψ
×= x
d
(2-7)
Với
x
là hệ số góc và
ξ
là hệ số bám bẩn quy ước.
1.6.1.2. Trao đổi nhiệt bức xạ trong buồng lửa

Sự truyền nhiệt từ ngọn lửa đến các dàn ống sinh hơi (evaporator) trong buồng lửa
là quá trình rất phức tạp. Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra đồng thời với quá trình cháy
nhiên liệu, và sự cháy nhiên liệu là nguồn nhiệt cho quá trình bức xạ.
Quá trình trao đổi nhiệt trong buồng lửa được mô tả bằng công thức bán thực
nghiệm của A. M. Gurvich như dưới đây:
6.06.0
6.0
''
bl
bl
aMBo
Bo
×+
=
θ
(2-8)
Công thức này thể hiện sự liên hệ giữa nhiệt độ không thứ nguyên của khói ở cửa
ra buồng lửa
''
bl
θ
và tiêu chuẩn Boltzmann (
Bo
). Tiêu chuẩn Boltzmann đặc trưng cho
tỷ lệ giữa lượng nhiệt sinh ra khi cháy nhiên liệu so với cường độ tỏa nhiệt tối đa đến
các bề mặt dàn ống đặt trên tường. Đặc tính của trường nhiệt độ trong thể tích buồng
lửa cũng được kể đến qua hệ số
M
.
Hệ số

Bo
được xác định như sau:
''4
0
1
1
blavd
bxtt
TFc
QB
Bo
θψ
−
×=
(2-9)
''
bl
θ
đặc trưng cho mức độ giảm nhiệt độ của khói trong thể tích buồng lửa do có
trao đổi nhiệt.
Đặc tính nhiệt chủ yếu của buồng lửa là lượng nhiệt sinh ra hữu ích trong buồng
lửa
bl
Q
và entanpi của khói ở cửa ra của buồng lửa
''
bl
I
.
Nhiệt lượng sinh ra hữu ích trong buồng lửa

bl
Q
được xác định theo công thức
sau:
tthkkngkk
lv
trbl
QQQ
q
qqq
QQ
+−+
−
−−−
×=
4
643
100
)100(
(2-10)
Trong đó:
lv
tr
Q
là nhiệt lượng tàng trữ trong nhiên liệu dùng để đốt
kk
Q
là nhiệt lượng do không khí nóng và không khí lạnh mang vào buồng lửa
kkng
Q

là nhiệt lượng không khí thu được do nó được sấy sơ bộ ở phía trước bộ
sấy không khí của chính lò hơi (bộ Economiser)
tth
Q
là nhiệt lượng do khói được tái tuần hoàn từ “đuôi lò” về buồng lửa
%100
3
3
×=
dv
Q
Q
q
;
%100
4
4
×=
dv
Q
Q
q
;
%100
6
6
×=
dv
Q
Q

q
với:
dv
Q
là nhiệt lượng sản sinh ra khi cháy
3
Q
là lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học
4
Q
là lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học
6
Q
là lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài
Việc tính toán trao đổi nhiệt trong buồng lửa dựa trên hai phương trình chủ yếu sau:
Phương trình cân bằng nhiệt:
( )
( )
( )
''''
bla
g
cblblbx
VIQQ
θθϕϕ
−=−=
(2-11)
Phương trình trao đổi nhiệt bức xạ:
( )
1144

0
10
−
×−=
trlvblbxtt
TTxFacQB
(2-12)
với:
ϕ
là hệ số giữ nhiệt
( )
g
Vc
là nhiệt dung trung bình của các chất khí trong khoảng nhiệt
độ (
''
bla
θθ
÷
) [kJ/kg
o
K]
Phương trình (2-11) có thể được viết dưới dạng khác:
11
4
4
4
0
101
−

×








−=
l
tr
lvblbxtt
T
T
TxFacQB
(2-13)
Thay
4
4
1
l
tr
T
T
−=
ξ
và
ξψ
x

d
=
ta được:
114
0
10
−
×=
lvdblbxtt
TFacQB
ψ
(2-13)
Nhiệt độ khói ở cửa ra buồng lửa được xác định như sau:
( )
273
110
67.5
6.0
11
3
''
−
+









=
−
tbtt
ablvdtb
a
bl
VcB
TaF
M
T
ϕ
ψ
θ
[
o
C] (2-14)
Trong đó:
dtb
ψ
là hệ số hiệu quả nhiệt trung bình của dàn ống đặt trên tường
(Evaporator)
( )
tb
Vc
là tổng nhiệt dung trung bình của sản phẩm cháy
1.6.2. Các bộ trao đổi nhiệt
Không giống như quá trình trao đổi nhiệt trong buồng lửa, nhiệt lượng mà bộ
Evaporator nhận được chủ yếu từ bức xạ. Đối với các bộ trao đổi nhiệt như
Economiser, Superheater nhiệt lượng nhận được thông qua cả trao đổi nhiệt bức xạ

vào trao đổi nhiệt đối lưu.
1.6.2.1. Trao đổi nhiệt bức xạ trong đường khói của lò hơi
Lượng nhiệt hấp thu do trao đổi nhiệt bức xạ của một đơn vị bề mặt truyền nhiệt
đối lưu ở phần đuôi lò (ngõ ra, ống khói) được xác định bởi phương trình sau:
( )
44
0
2
1
tr
tr
bx
TT
a
aq −
+
=
σ
[W/m
2
] (2-15)
Với:
a
là độ đen của khói có kể đến các hạt tro chứa trong khói
tr
a
là độ đen của bề mặt hấp thu nhiệt bằng bức xạ
T
là nhiệt độ tính toán của dòng khói (thường tính bằng trung bình cộng của nhiệt
độ khói vào và ra khỏi bề mặt truyền nhiệt [K]

tr
T
là nhiệt độ vách ngoài của bề mặt hấp thu nhiệt bằng bức xạ có kể đến bám bẩn
[K]
Ta có thể biểu diễn (2-15) dưới dạng khác:
( )
trbxbx
tq −=
θα
[W/m
2
] (2-16)
Và hệ số tỏa nhiệt bức xạ của sản phẩm cháy
bx
α
được tính theo công thức:
( )
( )
T
T
T
T
T
a
a
tr
tr
tr
bx
−







−
××
+
×××=
−
1
1
2
1
1067.5
3
311
α
, [W/m
2
K] (2-17)
tr
t
là nhiệt độ vách ống (có tính đến ảnh hưởng của tro bụi) được xác định như sau:
qtt
tr









++=
2
1
α
ε
[
o
C] (2-18)
Trong đó:
t
là nhiệt độ trung bình của môi trường lưu động bên trong ống, bằng trung
bình cộng của nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối.
ε
là hệ số bám bẩn bề mặt truyền nhiệt đối lưu [m
2
K/W]
2
α
là hệ số tỏa nhiệt từ vách ống đến môi chất lưu động trong ống [W/m
2
K]
q
là suất nhiệt lượng hấp thu bề mặt truyền nhiệt được tính toán [kW/m
2
]

1.6.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu trong đường khói của lò hơi
Phương trình truyền nhiệt cho phép xác định nhiệt lượng hấp thu của bề mặt
truyền nhiệt:
tt
B
tkH
Q
∆
=
[kJ/kg] (2-19)
trong đó:
Q
là nhiệt lượng do bề mặt truyền nhiệt tính toán hấp thu bằng đối lưu và
bức xạ [kJ/kg]
k
là hệ số truyền nhiệt [W/m
2
K]
H
là bề mặt truyền nhiệt tính toán [m
2
]
t
∆
là chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường nóng (khói) và môi chất được đốt
nóng (hơi nước, nước, khí) [K]
tt
B
là lượng nhiên liệu tiêu hao tính toán [kg/s]
Phương trình cân bằng nhiệt dùng để tính nhiệt lượng do khói truyền đi bằng

nhiệt lượng do hơi nước, nước hay không khí hấp thu:
( )
0'''
kklgg
IIIQ
αϕ
∆+−=
[kJ/kg] (2-20)
với:
'
g
I
và
''
g
I
là entanpi của khói vào và ra khỏi bề mặt truyền nhiệt tính toán
[kJ/kg]
0
kkl
I
α
∆
là lượng nhiệt do không khí lạnh (lọt vào lò hơi) mang vào
Nhiệt lượng môi chất (hơi nước, nước, khí) hấp thu tại superheater được tính
bởi công thức dưới đây:
( )
qx
bxog
tt

Qiii
B
D
Q −∆+−=
.
'''
[kJ/kg] (2-21)
Nhiệt lượng môi chất (nước) hấp thu tại bộ Economiser được tính bởi công thức
dưới đây:
( )
'''
ii
B
D
Q
tt
−=
[kJ/kg] (2-21)
Trong đó:
D
là lưu lượng hơi nước đi qua bề mặt truyền nhiệt tính toán [kg/s]
'
i
và
''
i
là entanpi của môi chất (hơi nước, nước, khí) ở chỗ vào và chỗ ra
bề mặt tính toán [kJ/kg]
og
i

.
∆
là lượng nhiệt do 1 kg hơi truyền cho nước làm lạnh (ở bộ giảm ôn
kiểu bề mặt) [kJ/kg]
Chương 3: QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ GIẢI PHÁP ĐIỀU
KHIỂN ĐANG ĐƯỢC SỬ DỤNG
3.1. Sơ lược quá trình công nghệ
Hệ thống lò hơi tại nhà máy Đạm Phú Mỹ thuộc loại water-tube boiler type D. Hệ
thống này được gọi là Lò hơi phụ trợ (Auxiliary Boiler), có tên (tagname) là 10-B-
8001 và được hãng MACHI chế tạo. Hệ thống điều khiển quá trình công nghệ chủ yếu
được thực hiện trên hệ thống DCS của hãng Yokogawa (Centum CS 3000). Còn các
chức năng bảo vệ an toàn và các chức năng khác như đánh lửa, đốt nhiên liệu, bơm
dầu, điều khiển các thiết bị phụ như ID Fan… thì do hệ thống PLC của hãng HIMA
thực hiện.
Lò hơi 10-B-8001 có thể cung cấp công suất tối đa là 140 tấn/h hơi quá nhiệt ở
nhiệt độ 380 ± 5
o
C và áp suất 39 ± 0.5 bar. Nhiên liệu là khí đốt thiên nhiên (natural
gas) được cung cấp bởi trạm cung cấp khí GDC của tổng công ty khí Việt nam
(PVGAS).
Như đã được mô tả trong Hình 1.5-1, nước khử khoáng sau khi qua bộ
Economiser sẽ đi vào bao hơi, sau đấy nó sẽ trao đổi nhiệt tại buồng lửa thông qua bộ
Evaporator và trở về lại bao hơi. Lúc này trong bao hơi sẽ là hỗn hợp giữa nước và bọt
hơi nước. Do đó mức nước sẽ thay đổi phụ thuộc vào áp suất trong bao hơi. Nếu áp
suất giảm thì mức sẽ tăng và ngược lại.
Dòng hơi bão hòa ra khỏi bao hơi sẽ đi vào Superheater. Bộ Superheater này bao
gồm hai dàn trao đổi nhiệt. Sau khi trao đổi nhiệt tại dàn trao đổi nhiệt thứ nhất của
Superheater, hơi quá nhiệt sẽ được làm mát bằng một lượng nước làm mát (quench
water) để điều hòa nhiệt độ và tiếp tục đi vào dàn trao đổi nhiệt thứ hai. Hơi nước ra
khỏi dàn trao đổi nhiệt thứ hai này (tức là ra khỏi Superheater) chính là hơi nước quá

nhiệt được sử dụng cho quá trình sản xuất. Lượng hơi này sẽ được đưa vào mạng hơi,
tùy vào lượng hơi được sử dụng trong quá trình sản xuất (downstream) mà lò hơi thay
đổi công suất cho phù hợp.
Trong quá trình vận hành, ta cần phải duy trì mực nước trong bao hơi ở mức độ an
toàn (thông thường là giữa bao hơi): không thấp quá để đảm bảo đủ nước cho quá trình
tạo hơi và tránh gây cháy các ống trao đổi nhiệt mà cũng không cao quá đủ để ổn định
được áp suất trong bao hơi khi tải (nhu cầu tiêu thụ hơi nước quá nhiệt) thay đổi. Do
vậy khi mực nước nằm trong giới hạn an toàn ta còn phải bơm liên tục một lượng nước
vào bao hơi bằng với lượng hơi được tiêu thụ ở ngõ ra của lò hơi để đảm bảo mực
nước không thay đổi.
Để gia nhiệt cho nước thành hơi nước quá nhiệt, nguồn nhiệt năng được tạo từ
buồng lửa bằng việc đốt cháy nhiên liệu. Chất lượng quá trình cháy được kiểm soát
bằng nồng độ Oxy ở khí thải.
Chi tiết quá trình công nghệ và sơ đồ công nghệ được thể hiện ở P&ID của hệ
thống lò hơi ở phụ lục 1.
3.2. Giải pháp điều khiển hiện tại
Như vậy ta nhận thấy, việc điều khiển lò hơi được chi phối bởi bốn vấn đề chính:
 Mức nước trong bao hơi.
 Nhiệt độ hơi quá nhiệt ở ngõ ra.
 Áp suất hơi quá nhiệt ở ngõ ra.
 Chất lượng quá trình cháy trong buồng lửa.
Sơ đồ điều khiển của hệ thống lò hơi thực hiện trên hệ DCS Centum CS3000 của
hãng Yokogawa ở phụ lục 2.
3.2.1. Điều khiển mức nước trong bao hơi
Việc điều khiển mức nước trong bao hơi được thực hiện thông qua bộ điều khiển
LIC8250 với cảm biến mức dạng chênh áp LIT8250 và van điều khiển LV8250.
Giá trị mức từ LIT8250 được tính bù với giá trị áp suất trong bao hơi (PI8250)
trước khi trở thành giá trị PV đưa vào bộ điều khiển LIC8250. Khi giá trị mức bao hơi
cách xa giá trị đặt, LIC8250 sẽ thực hiện mở van LV8250 để đưa mức về giá trị đặt,
khi mức đã về giá trị đặt lúc này LV8250 sẽ đóng lại và bộ LIC8250A sẽ thực hiện

việc duy trì mức bao hơi thông qua việc tạo giá trị đặt cho bộ điều khiển lưu lượng
FIC8251. Giá trị đặt cho FIC8251 là tổng của giá trị ở ngõ ra của LIC8250A và sự
biến thiên lưu lượng hơi quá nhiệt ở ngõ ra. Do vậy lưu lượng nước feed water vào bao
hơi của lò hơi đủ để duy trì mức trong bao hơi trong khi vẫn cấp một lượng hơi quá
nhiệt ở ngõ ra.
Hình 3.2.1-5 Sơ đồ điều khiển mức trong bao hơi
3.2.2. Kiểm soát nhiệt độ hơi nước quá nhiệt
Dòng hơi nước ra khỏi bao hơi sẽ đi vào bộ trao đối nhiệt Superheater, sau khi qua
bộ Superheater 1 (10-B-8001/SH1) sẽ đi qua bộ Desuperheater và đi vào Superheater 2
(10-B-8001/SH2). Nhiệt độ hơi nước quá nhiệt ở ngõ ra của lò hơi sẽ được kiểm soát
bằng lưu lượng nước FIT8252 phun vào bộ Desuperheater. Bộ điều khiển nhiệt độ
TIC8253 sẽ tạo ra yêu cầu về lưu lượng nước làm mát cần thiết, và bộ điều khiển lưu
lượng FIT8252 có nhiệm vụ duy trì lưu lượng nước đúng như TIC 8253 yêu cầu.
Một tín hiệu feed forward từ thiết bị đo lưu lượng nhiên liệu FI8201 làm gia tăng
chất lượng điều khiển của hệ thống.
Hình 3.2.2-6 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ của hơi quá nhiệt
3.2.3. Áp suất hơi quá nhiệt ở ngõ ra
Việc duy trì áp suất hơi quá nhiệt ở đầu ra (khoảng 39 bar) được thực hiện thông
qua việc duy trì nhiệt năng cung cấp cho lò hơi mà cụ thể chính là năng lượng từ quá
trình đốt cháy nhiên liệu. Bộ điều khiển PIC4048 có nhiệm vụ duy trì áp suất của hơi
quá nhiệt ở ngõ ra của lò hơi (nói chính xác hơn (ở quá trình công nghệ này) là áp suất
của mạng hơi cao áp). Setpoint của PIC4048 sẽ do người vận hành nhập vào và bộ
điều khiển sẽ tạo ra yêu cầu tăng hay giảm nhiệt lượng để duy trì áp suất không đổi
bằng cách tạo ra giá trị đặt cho lưu lượng khí nhiên liệu đầu vào FIC8201.
Tuy nhiên để tăng đáp ứng của hệ điều khiển, setpoint của FIC8201 không chỉ
nhận từ PIC4048 mà còn từ sự biến thiên lưu lượng dòng hơi quá nhiệt ở ngõ ra của lò
hơi FI8253. Khối FY8250E thực hiện nhiệm vụ này. Ngõ ra của FY8250E được đưa
vào làm giá trị đặt cho FIC8201.
Hình 3.2.3-7 Sơ đồ điều khiển áp suất hơi quá nhiệt ngõ ra
3.2.4. Chất lượng quá trình cháy trong buồng lửa

Quá trình cháy trong buồng lửa luôn được quan tâm nhiều trong vận hành lò hơi,
nếu quá trình cháy tốt thì lò hơi sẽ tận dụng được nhiều năng lượng hơn còn nếu quá
trình cháy không tốt thì lượng nhiên liệu tiêu hao rất đáng kể. Chất lượng của quá trình
đốt cháy nhiên liệu được đánh giá thông qua nồng độ khí Ôxy bên trong khí thải (flue
gas). Công việc kiểm soát nồng độ Oxy trong khí thải được thực hiện bằng bộ phân
tích online AT8250 (là thiết bị của hãng Rosemount - Emerson). Bộ điều khiển nồng
độ khí Ôxy AIC8250 sẽ thực hiện điều tiết tỉ lệ lưu lượng không khí (FIT8250) và khí
nhiên liệu (FIT8201) để quá trình cháy đạt được chất lượng tốt nhất bằng cách thay đổi
hệ số nhân biến thiên từ 0.85 tới 1.15. Lúc này lưu lượng không khí vào buồng đốt sẽ
biến thiên từ 85% đến 115% lưu lượng chuẩn để cung cấp cho quá trình cháy nhằm đạt
được nồng độ Ôxy trong khí thải tối ưu. Setpoint cho bộ AIC8250 được lấy từ hàm
AY8250; tùy thuộc vào công suất vận hành của lò hơi mà tại từng thời điểm giá trị đặt
nồng độ Ôxy trong khí thải cho AIC8250 cũng thay đổi, sự thay đổi này được quy
định trong hàm AY8250.
Hình 3.2.4-8: Sơ đồ điều khiển chất lượng quá trình cháy.
 quá trình, quan sát tín hiệu vào ra và phân tích số liệu thu được để xác định
mô hình.
Phương pháp lý thuyết có ưu điểm cho ta hiểu sâu hơn về các quan hệ giữa các đại
lượng bên trong quá trình (mà các quan hệ này được xác định bởi các quá trình vật lý,
hóa học, sinh học), mà từ đó ta xác định được chính xác cấu trúc mô hình. Tuy nhiên,
việc xây dựng mô hình lý thuyết cho mỗi quá trình mỗi khác vì mỗi quá trình mỗi khác
nhau. Do đó việc xây dựng mô hình theo cách này đòi hỏi người lập mô hình phải có
nhiều kinh nghiệm và có kiến thức sâu, rộng về các lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học.
Bên cạnh đấy, mô hình lý thuyết thu được chỉ phản ánh được đặc tính động học của
quá trình công nghệ mà bỏ qua đi đặc tính động học của thiết bị đo và các cơ cấu chấp
hành. Tiếp nữa, việc xác định chính xác các tham số dựa vào thông tin của thiết bị là
khó thực hiện được. Điều này làm giảm đi tính chính xác và tính đầy đủ của mô hình
lý thuyết. Do vậy, mô hình lý thuyết rất có ích trong việc khảo sát đặc tính động học,