Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
 80 
Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ 
cho hệ thống điều chỉnh mức n−ớc bao hơi 
 Trần Huy Điệp - Nguyễn Nh− Hiển (Tr−ờng ĐH Kỹ thuật công nghiệp - ĐH Thái Nguyên) 
1. Đặt vấn đề 
Lò hơi đầu tiên đ−ợc biết đến là một thiết bị sinh hơi đ−ợc phát minh vào thế kỷ đầu tiên 
sau Công nguyên bởi Alexandria, nh−ng thiết bị sinh hơi đó không đ−ợc đ−a vào sử dụng trong 
sản xuất. Đến năm 1698 một ng−ời Anh là Thomas Savery đ9 đ−ợc cấp bằng sáng chế về bơm 
n−ớc vận hành bằng hơi từ một lò hơi. 
Trong thực tế, có hai loại lò hơi là lò hơi ống n−ớc và lò hơi ống lửa. Trong lò hơi ống 
n−ớc, n−ớc chảy trong các ống mà chúng đ−ợc đặt trên ngọn lửa trong buồng đốt. Nhiệt từ ngọn 
lửa đ−ợc hấp thụ bởi các ống này và làm cho n−ớc trong chúng đ−ợc nóng lên tới sôi. Hơi sinh ra 
đ−ợc thu lại từ các ống trong lò hơi. Trong lò hơi ống lửa, các ống không chứa n−ớc mà chúng 
chỉ cho khói nóng đi bên trong từ buồng đốt để ra ống khói. Khi khói nóng đi trong các ống lửa 
mà các ống này đ−ợc đặt chìm trong n−ớc thì n−ớc ở xung quanh các ống này nhận đ−ợc nhiệt 
và nóng lên tới sôi và sinh hơi. 
Ngày nay, hầu hết các nhà máy nhiệt điện lớn, các trung tâm nhiệt điện và các tàu thuỷ 
lớn đều sử dụng các lò hơi loại ống n−ớc. Chúng có hiệu suất cao và có thể chế tạo đ−ợc với các 
áp suất lớn. 
2. Cấu tạo và đặc tính kỹ thuật lò bkz-220-100-10c 
2.1. Cấu tạo 
Lò hơi loại BKZ-220-100-10C do Liên Xô chế tạo, đây là loại lò hơi có một Balông, ống 
n−ớc đứng, tuần hoàn tự nhiên, đây là loại lò sỉ khô. Lò có cấu tạo hình chữ Π buồng đốt chính 
là nhánh của đ−ờng khói đi lên đầu tiên, trong đ−ờng khói nằm ngang có đặt các bộ quá nhiệt 
(bộ sấy hơi). Trong đ−ờng khói đi xuống có đặt xen kẽ bộ hâm n−ớc và bộ sấy không khí. 
Buồng đốt của lò kiểu hở, cấu tạo bởi các giàn ống sinh hơi hàn sẵn. Các giàn ống sinh 
hơi vách tr−ớc và vách sau ở phía d−ới tạo thành các mặt phẳng nghiêng với góc nghiêng 500. 
Buồng đốt đ−ợc trang bị 4 vòi đốt than kiểu xoáy lắp đặt tại các vách bên ở các độ cao khác nhau 
(∇ 9850 và ∇ 12700 mm). Các vòi đốt gió cấp 3 (gió sau phân ly than mịn) đ−ợc lắp tại 4 góc lò. 
Để tạo thuận lợi cho quá trình cháy, các ống sinh hơi của vùng đặt vòi đốt chính đ−ợc đặt 
một vòi phun dầu đốt theo kiểu cơ khí có năng suất 2000 kg/h. Để thu đ−ợc hơi có chất l−ợng 
cao lò sử dụng sơ đồ bốc hơi 2 cấp. Balông của lò hình trụ có đ−ờng kính trong là 1.600mm, 
chiều dài là 12.700mm và bề dầy 88mm. 
Sơ đồ tuần hoàn của lò phân chia theo các giàn ống thành 14 vòng tuần hoàn nhỏ độc lập 
nhằm tăng độ tin cậy của quá trình tuần hoàn. Bộ quá nhiệt của lò là bộ quá nhiệt hỗn hợp nửa 
bức xạ nửa đối l−u. Việc điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt đ−ợc thực hiện nhờ các bộ giảm ôn 
phun cấp 1 và cấp 2. Để kiểm tra chất l−ợng n−ớc cấp, hơi, n−ớc ng−ng giảm ôn, trên lò có đặt 
hệ thống thiết bị lấy mẫu. Việc làm sạch khói tr−ớc khi thải ra ngoài trời ng−ời ta lắp đặt bộ lọc 
bụi tĩnh điện. Ngoài ra lò còn đ−ợc lắp đặt các thiết bị thải xỉ liên tục đ9 đ−ợc cơ giới hoá. 
Cấu tạo lò hơi BKZ-220-100-10C đ−ợc mô tả trên hình 1. 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
 81
2.2. Các thông số kỹ thuật của lò BKZ-220-100-10C 
Năng suất lò: D = 220 T/h; Nhiệt độ hơi quá nhiệt: tqnh = 540
0C; 
áp suất hơi quá nhiệt: Pqnh = 100 KG/cm
2; Nhiệt độ n−ớc cấp: tnc = 230
0C; 
áp suất trong Balông: Ph = 112,6 KG/cm
2; Nhiệt độ khói thoát: tkt = 133
0C; 
Hiệu suất thô của lò: %05,86=η ; Tổn thất do khói thoát: q2 = 5,4%; 
Tổn thất do cháy không hoàn toàn về hoá học: q3 = 0; 
Tổn thất do toả ra môi tr−ờng ngoài: q5 = 0,54%; 
Tổn thất do cơ giới: q4 = 8%; Tổn thất do xỉ mang ra ngoài: q6 = 0,06%. 
2.3. Bộ điều chỉnh cấp n−ớc cho Balong 
Mức n−ớc Balong là một trong những thông số quan trọng của lò hơi, nó phản ánh sự cân 
bằng vòng tuần hoàn tự nhiên của lò hơi. Nếu mức n−ớc trong Balong tăng làm cho thể tích chứa 
hơi trong Balong giảm, làm giảm năng suất bốc hơi của lò và làm giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt. 
Nếu mức n−ớc trong Balong giảm thấp có thể làm phá vỡ vòng tuần hoàn tự nhiên của lò hơi, 
dẫn đến làm h− hỏng các đ−ờng ống sinh hơi. Chính vì lý do trên mà ng−ời ta cần thiết kế bộ tự 
động điều chỉnh n−ớc cấp cho Balong. Các yếu tố ảnh h−ởng đến mức n−ớc Balong: L−u l−ợng 
n−ớc cấp, l−u l−ợng hơi; Phụ tải nhiệt của lò. 
Khi phụ tải nhiệt giảm làm giảm l−ợng hơi trong n−ớc trong Balong, dẫn đến làm giảm 
mức n−ớc trong Balong. 
Hình 1: Cấu tạo lò hơi BKZ-220-100-10C 
Balông 
Thùng than 
Thân lò 
Buồng lửa 
Không khí vào lò 
Quạt gió 
Lọc bụi tĩnh điện 
Quạt khói 
Bơm n−ớc ng−ng 
Bình ng−ng 
Bơm n−ớc cấp N−ớc cấp cho lò 
Hơi đến Tuabin 
Tuabin Máy phát 
Đ−ờng khói thải 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
 82 
Khi phụ tải nhiệt tăng làm tăng l−ợng hơi trong 
n−ớc của Balong, dẫn đến làm tăng mức n−ớc trong 
Balong. 
Sự phụ thuộc của mức n−ớc Balong vào phụ tải 
nhiệt đ−ợc minh họa bằng hình 2 
2.4. Mô phỏng hệ thống điều chỉnh mức n−ớc bao hơi. 
Từ cấu trúc điều khiển quá trình đang sử dụng của 
lò hơi với bộ điều chỉnh mức n−ớc bao hơi dùng luật PID 
với hàm truyền (Hình 3): 
 WPID(s) = KP )sT
sT
1
1( D
I
++ 
Một Subsystem đ−ợc xây dựng dựa theo các hàm truyền đạt của các khâu trong hệ điều 
chỉnh mức n−ớc bao hơi của lò hơi với bộ số Kp, TI, TD thay đổi nh− sau (Hình 4): 
Hơi 
Hỗn 
hợp hơi 
& n−ớc 
a b 
Hình 2. Hỗn hợp hơi và n−ớc 
trong Balong 
a./ Khi phụ tải nhiệt tăng. 
b./ Khi phụ tải nhiệt giảm. 
Hình 3: Các sơ đồ Subsystem cho mạch vòng mức n−ớc bao hơi 
trong MatlaBSimunink. 
Hình 4: Một sơ đồ Subsystem cho mạch vòng mức n−ớc bao hơi 
trong MatlaBSimunink. 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
 83
Hình 9. Bộ điều khiển mờ lai 
X 
Quá trình 
Bộ ĐK mờ 
PID 
Y 
Dựa vào bộ tham số xác định theo tính toán lý thuyết, cho chạy ch−ơng trình khi thay đổi 
Kp , TI và TD nh− sau (các hình 5, 6, 7 và 8): 
Nhận xét: Theo kết quả mô phỏng thỉ đối t−ợng bao hơi xét theo quan điểm điều chỉnh 
mức n−ớc có quá trình quá độ ổn định với chất l−ợng điều chỉnh nh− sau: 
Độ quá điều chỉnh δ = 10%, thời gian quá độ tqđ = 40s ứng với biên giới ổn định ∆ = ± 5%; 
thời gian đáp ứng tm = 7s; thời 
gian có quá điều chỉnh δ = 33s. 
Với bộ tham số trên cho 
thấy tính chất suy giảm của quá 
trình quá độ và tính tác động nhanh 
của hệ thống chỉ phù hợp với điều 
chỉnh mức của các lò hơi công suất 
trung bình và nhỏ. 
2.5. ứng dụng bộ điều 
khiển mờ cho hệ thống điều chỉnh mức n−ớc bao hơi. 
Vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ đ−ợc tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể 
của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp 
Kp = 18 
Kp = 8 
t(s) 
Thay đổi bộ 
tham số 
TI = 50 
TD = 20 
Kp = 8 ữ 18 
L(m3) 
t(s) 
L(m3) 
Thay đổi bộ tham số 
TI = 50 ữ 100 
TD = 20 
Kp = 12 
TI = 50 
TI = 100 
Hình 5: Đặc tính quá độ của mức n−ớc bao hơi 
 khi thay đổi tham số khuyếch đại của bộ điều chỉnh. 
Hình 6: Đặc tính quá độ của mức n−ớc bao hơi khi 
thay đổi tham số thời gian tích phân của bộ điều chỉnh. 
L(m3) 
t(s) 
TD = 10 
TD = 100 
Thay đổi bộ tham số 
TD= 10 ữ 100 
TI = 20 
Kp = 12 
 t(s) 
L(m3) 
 Hình 7: Đặc tính quá độ của mức n−ớc bao hơi 
 khi thay đổi tham số thời gian vi phân của bộ điều chỉnh. 
Hình 8: Đặc tính quá độ của mức n−ớc bao hơi 
 với tham số bộ điều chỉnh PID tối −u. 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
 84 
với thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều chỉnh và công việc này th−ờng đ−ợc các nhân 
viên vận hành tiến hành theo kiểu “thăm dò”. Dựa theo nguyên lý chỉnh định đó, có thể thiết 
kế bộ điều chỉnh mờ ở vòng ngoài để chỉnh định tham số bộ PID ở vòng trong. 
2.5.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ để chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 
Xét hệ điều khiển có cấu trúc nh− hình 9 với bộ điều khiển bên trong dùng PID truyền 
thống, còn bên ngoài dùng bộ điều khiển mờ để tự động chỉnh định tham số của bộ PID. 
Ưu điểm chính của hệ điều khiển nối nhiều vòng là có thể thiết kế bộ điều khiển cho mỗi 
vòng theo yêu cầu chất l−ợng riêng của vòng đó, vì vậy bộ điều khiển sẽ đơn giản hơn và chất 
l−ợng cao hơn. 
Bộ điều khiển mờ đ−ợc thiết kế trong MatLaB – Simulink, có hai đầu vào và một đầu ra, 
giải mờ theo điểm trọng tâm (hình 10). 
2.5.2. Kết quả mô phỏng 
Cấu trúc mô phỏng hệ thống và kết quả điều khiển mức n−ớc bao hơi trong lò hơi của bộ 
điều khiển mờ lai thực hiện trong phần mềm Matlab nh− hình 11. 
 Hình 11: Sơ đồ mô phỏng và kết quả mô phỏng 
t(s) 
L(m
Hình 10. Bộ điều khiển mờ có hai đầu vào và một đầu ra 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
 85
3. Kết luận 
Căn cứ vào kết quả mô phỏng đối t−ợng bao hơi xét theo quan điểm điều chỉnh mức 
n−ớc, có thể thấy quá trình quá độ ổn định với chất l−ợng điều chỉnh nh− sau: 
Độ quá điều chỉnh δ = 0% 
Thời gian quá độ tqđ = 15s ứng với biên giới ổn định ∆ = ± 5% 
Thời gian đáp ứng tm = 12s. 
Thời gian có quá điều chỉnh tδ = 0 
Nh− vậy với hệ điều khiển có cấu trúc nh− hình 6 với bộ điều khiển bên trong dùng PID 
truyền thống, còn bên ngoài dùng bộ điều khiển mờ để tự động chỉnh định tham số của bộ PID 
cho kết quả điều chỉnh của bộ điều khiển mờ lai tốt hơn so với hệ dùng PID 
 
Tóm tắt 
Lò hơi là thiết bị quan trọng nhất của các quá trình sản xuất trong công nghiệp nh− quá 
trình sản xuất điện, sản xuất giấy,Điều khiển hoạt động của lò hơi cũng là dạng điều khiển 
quá trình. Qua từng thời kỳ khác nhau, đ9 có những thuật điều khiển t−ơng ứng, hiện tại th−ờng 
đ−ợc sử dụng bộ điều khiển theo luật PID. Bài báo đề cập nghiên cứu ứng dụng ph−ơng pháp 
điều khiển mờ, từ đó thiết kế bộ điều khiển mờ nhằm nâng cao chất l−ợng điều khiển cho lò hơi 
của nhà máy nhiệt điện Uông Bí. 
Summary 
Boiler is the most important device in production processes in industry such as power 
production process, paper production process Controlling the operation of the steam furnace 
is also process control. Over different periods, there are a lot of control methods relatively; 
currently, the controller with PID rule is usually applied. This paper introduces researches of 
applying fuzzy control, from that point, fuzzy controller is designed in order to improve control 
quality of the boiler of Uong Bi thermal power plant. 
Tài liệu tham khảo 
[1] Nguyễn Trọng Thuần: Điều khiển lôgic và ứng dụng 
[2] Nguyễn Do9n Ph−ớc - Phan Xuân Minh: Lý thuyết điều khiển mờ 
[3] Võ Quang Lạp - Trần Thọ: Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện 
[4] Nguyễn Phùng Quang: Matlab & Simulink 
[5] Hoàng Minh Sơn: Mạng truyền thông công nghiệp 
[6] Tr−ơng Duy Nghĩa, Nguyễn Sĩ Mao: Thiết bị lò hơi 
[7] Randy Chow - Theodore Johnson: Distributed Operating System & Algorithms 
[8] A.G.Butkovskid: Distributed Control System 
[9] Lampson B.W - Paul M. and Siegert H.J.: Distributed System Architecture and 
Impementation 
[10] Bùi Quốc Khánh: Hệ điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện năng.