ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
----------------------------

PHẠM THỊ BẢO NGỌC

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT BAO HƠI BẰNG BỘ
ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID

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

THÁI NGUYÊN - 2014


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM THỊ BẢO NGỌC

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT BAO HƠI BẰNG BỘ
ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC


từ một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau gồm:
- Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi.
- Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt.
- Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy.
- Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi.
- Hệ thống điều chỉnh áp suất hơi


2

Việc nghiên cứu thiết kế và chỉnh định hệ thống điều khiển lò hơi là một
yêu cầu cần thiết đối với cán bộ kỹ thuật thuộc lĩnh vực điều khiển và tự động
hóa. Trong đó hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi là một trong những khâu
quan trọng của hệ điều khiển lò hơi, đóng vai trò trong việc nâng cao chất lượng
hệ thống điều khiển lò hơi. Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp
dụng cho một hệ thống điều khiển quá trình, cụ thể là điều khiển áp suất bao hơi
của nhà máy nhiệt điện. Đảm bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm
việc đòi hỏi các nhà khoa học không ngừng phát triển nghiên cứu.
Mặt khác một số lò hơi thế hệ cũ như lò hơi trong dây chuyền 1 của nhà
máy nhiệt điện Phả Lại yêu cầu phải nâng cấp hệ thống điều khiển để cải thiện
chất lượng bằng bộ điều khiển mới hiện đại hơn. Vì vậy nghiên cứu thiết kế bộ
điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống
ổn định áp suất bao hơi là cấp thiết.
2. Mục tiêu của nghiên cứu
- Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển quá trình của lò hơi đó là điều
khiển và ổn định áp suất. Mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng kết quả thiết
kế (Với đối tượng điều khiển là mô hình lò hơi nhà máy nhiệt điện tại Trung tâm
thí nghiệm Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên)
- Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển bằng bộ điều khiển mới là bộ
điều khiển mờ chỉnh định tham số PID.

năng thu được ở đầu ra của máy phát sẽ được đưa qua hệ thống các trạm biến áp
để nâng lên cấp điện áp thích hợp trước khi hòa vào lưới điện quốc gia
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hoá nhiệt năng
từ đốt cháy các loại nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng quay tuabin, chuyển
cơ năng của tuabin thành năng lượng điện trong máy phát điện. Nhiệt năng được
dẫn đến tuabin qua môi trường dẫn nhiệt là hơi nước. Hơi nước chỉ là môi
trường truyền tải nhiệt năng đi nhưng hơi nước vẫn phải đảm bảo chất lượng (
như phải đủ áp suất, đủ độ khô) trước khi vào tuabin để sinh công. Nhiệt năng
cung cấp càng nhiều thì năng lượng điện phát ra càng lớn và ngược lại. Điện áp
phát ra ở đầu cực máy phát điện sẽ được đưa qua hệ thống trạm biến áp để nâng
lên cấp điện áp thích hợp trước khi hoà vào mạng lưới điện quốc gia.
Quá trình chuyển hoá năng lượng từ năng lượng hoá năng chứa trong
nhiên liệu thành nhiệt năng bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu. Nhiệt năng của
quá trình đốt cháy nhiên liệu được cấp cho quá trình tạo hơi bão hoà mang nhiệt
năng. Hơi bão hoà là môi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin. Tại tuabin nhiệt


5

năng biến đổi thành cơ năng, sau đó từ cơ năng chuyển hoá thành điện năng.
Quá trình chuyển hoá năng lượng đó có thể được thể hiện qua mô hình sau:

Hình 1.1. Quá trình chuyển hóa năng lượng

1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển hóa nhiệt năng
thành cơ năng rồi sau đó thành điện năng; nhiệt năng được tạo thành từ việc đốt
cháy các nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ... tại buồng đốt làm nước
trong lò hơi chuyển hóa thành hơi nước. Nước ngưng từ các bình ngưng tụ được

liệu, nhiệt lượng tỏa ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu
thành nhiệt năng của dòng hơi. Lò hơi có các nhiệm vụ chính sau:
- Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu hữu cơ như than đá, dầu mỏ, khí
đốt… trong buồng đốt nhiên liệu thành điện năng.


7

- Truyền nhiệt năng sinh ra cho môi chất tải nhiệt hoặc môi chất và thông
qua hệ thống dẫn đưa môi chất đi làm quay tua bin. Thường trong lò hơi chất tải
nhiệt là nước có nhiệt độ thông thường được đưa lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ
sôi, biến thành hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt.
1.2.2.Cấu tạo của lò hơi
Nguyên lý và cấu tạo của lò hơi được biểu diễn trên hình 1.3. Cấu tạo
chung của lò hơi là nhằm thực hiện 2 nhiệm vụ chính: Một là chuyển hóa năng
của nhiên liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy, nghĩa là đốt nhiên liệu thành
sản phẩm cháy có nhiệt độ cao, nước sôi, hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt có áp
suất và nhiệt độ thỏa mãn yêu cầu sử dụng.

Hình 1.3: Nguyên lí cấu tạo của lò hơi
1- Buồng đốt; 2- dàn ống sinh hơi; 3- vòi phun nhiên liệu + không khí
4- ống nước xuông; 5- bao hơi; 6- ống dẫn hơi trên trần; 7- bộ quá nhiệt hơi; 8- Bộ
quá nhiệt trung gian hơi; 9- bộ hâm nước; 10- khoảng trống để vệ sinh và sửa chữa;
11- bộ sấy không khí.


8

Như vậy cấu tạo của lò hơi gồm các hệ thống chính như sau:
- Hệ thống cung cấp và đốt cháy nhiên liệu

dẫn vào tuabin nhiều thì nhiệt được truyền theo và sinh công càng nhiều, do vậy
điện năng sản xuất ra càng lớn (chuyển hóa năng lượng từ nhiệt năng thành cơ
năng và thành điện năng) làm cho công suất của máy phát tăng lên và ngược lại.
Nên khi có yêu cầu về công suất điện phát ra thay đổi thì phải thay đổi lưu lượng
hơi đưa vào tuabin, kéo theo đó là yêu cầu nhiệt năng tăng lên, nhiên liệu đưa
vào lò phải tăng lên và nước cấp vào bao hơi cũng phải tăng lên để có được sản
lượng hơi yêu cầu.
Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và có nhiều đầu ra. Đầu vào
của lò hơi bao gồm nhiên liệu (than, dầu), gió đảm bảo cung cấp O 2 cho quá
trình cháy và lượng nước cấp xuống từ bao hơi. Đầu ra của lò bao gồm hơi
nước bã hòa thoát ra từ bao hơi, lượng nước thừa đi xuống, lượng khói thải
và xỉ (tro) từ quá trình cháy. Như vậy năng lượng đưa vào lò chính là hóa
năng có chứa trong nhiên liệu. Năng lượng hữu ích đầu ra của lò được mang


10

đi bởi hơi nước bã hòa (nước là môi chất truyền nhiệt năng). Đầu vào và ra
có quan hệ mật thiết với nhau, với mỗi yêu cầu thay đổi đầu ra là công suất
máy phát điện thì cần phải điều khiển nhiên liệu vào như than, gió đáp ứng
được sản lượng hơi mong muốn.
1.2.3.2. Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi
Hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện là một hệ thống điều khiển
có cấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác nhau, giám sát
và điều khiển hàng trăm tham số. Trong lò hơi các quá trình điều khiển gió vào
lò, nhiên liệu, quá trình cháy, hơi, nước cấp... đều có tác động và ảnh hưởng lẫn
nhau, để đạt được hiệu suất tối đa, đáp ứng yêu cầu tải thì cùng lúc phải phối
hợp điều khiển nhiều đối tượng với nhiều thông số. Điều này yêu cầu một hệ
thống điều khiển tổng thể, điều khiển giám sát và làm giảm được sự xen kênh
giữa các hệ điều khiển của các đại lượng trong hệ thống.

Tất cả các mạch vòng điều khiển đều có sự liên quan ràng buộc lẫn nhau.
Vì vậy điều khiển lò hơi là điều khiển phức tạp có nhiều đầu vào nhiều đầu ra
(MIMO) có tác động xen kênh lớn. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò
hơi được trình bày như hình1.5 dưới:


12

Hình 1.5: Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi

1.3. Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi trong nhà máy
nhiệt điện
1.3.1. Đặt vấn đề
Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt
lượng tỏa ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt
năng của dòng hơi.
Trong các nhà máy điện, lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuôcbin phục
vụ cho việc sản xuất điện năng và cũng là thiết bị lớn nhất và vận hành phức tạp
nhất. Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. Hệ thống điều
khiển lò hơi là một hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và điều khiển hàng
trăm tham số. Hệ thống có cấu trúc phức tạp với nhiều mạch vòng điều khiển
khác nhau.
Vận hành lò hơi là một công việc gồm nhiều thao tác điều khiển phức tạp.
Quá trình vận hành lò hơi không tách khỏi quá trình vận hành chung toàn nhà
máy. Mỗi một sự thay đổi của một khâu nào đó trong nhà máy đều dẫn đến sự


13

thay đổi chế độ vận hành của lò hơi và đòi hỏi phải thay đổi các thao tác điều

là thiết bị gom hơi nước sau đó đưa đến tuabin.
Nước từ bao hơi được đưa xuống quanh lò bởi các ống dẫn (bao hơi đặt
phía trên lò, ở vị trí cao nhất). Buồng đốt được cấu tạo từ các dàn ống sinh hơi,
các dàn ông sinh hơi được đốt nóng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lò, nước trong
các dàn ống sinh hơi sẽ sôi và sinh hơi. Hỗn hợp hơi nước bốc lên từ các dàn
ống sinh hơi tường hai bên lò tập trung vào các ống góp trên hai bên sườn trần
lò. Từ các ống góp này hỗn hợp hơi nước đi vào bao hơi bằng các đường ống
lên. Hơi nước vào bao hơi sẽ qua máy lọc hơi để lọc đi phần nước trong hỗn hợp
hơi nước rồi được đưa vào bộ quá nhiệt để khử ẩm cho hơi và đảm bảo chất
lượng hơi trước khi bắn vào tuabin.
Hơi nước là môi chất truyền năng nượng, để đảm bảo hiệu suất biến đổi
năng lượng được tốt cần phải quan tâm tới các thông số cơ bản của hơi nước là:
lưu lượng hơi, nhiệt độ hơi và áp suất sinh hơi.
 Lưu lượng hơi:
Lưu lượng hơi là thông số biến đổi theo phụ tải. Lưu lượng hơi dẫn vào
tuabin càng nhiều thì công sinh ra càng lớn và công suất máy phát càng tăng lên
và ngược lại. Ở mỗi giá trị công suất điện phát ra cần có một lưu lượng hơi
tương ứng. Để điều chỉnh lưu lượng hơi phải điều chỉnh nhiên liệu đầu vào cho
quá trình cháy trong lò hơi và điều chỉnh van tuabin. Khi điều chỉnh nhiên liệu
thì đồng thời tác động lên bộ điều khiển không khí cho phù hợp với chế độ kinh
tế nhất. Hệ thống điều chỉnh phụ tải nhiệt nhằm duy trì ổn định sản lượng hơi
ứng với giá trị yêu cầu.
Tuy nhiên lưu lượng hơi có thể bị thay đổi so với giá trị yêu cầu do nhiều
nguyên nhân như: sự thay đổi độ ẩm và nhiệt trị của nhiên liệu, nhiệt độ nước


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full