Chương III
Tự động điều chỉnh và điều khiển nồi hơi tàu thủy
§1. Các khái niệm chung
Mục tiêu của bài học
Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:
- Nêu được lý do tại sao cần tự động hóa hoạt động của nồi hơi tàu thủy
- Nêu được các thông số hoặc quá trình cần tự động điều chỉnh, điều khiển
- Giải thích được hình vẽ biểu thị các mạch điều chỉnh của một hệ thống
Nồi hơi được sử dụng trên tàu thuỷ để cung cấp hơi cho động cơ hơi nước lai chân vịt, lai máy phát điện
hoặc các máy phụ như bơm, tời… Ngoài ra hơi còn được sử dụng để hâm sấy nhiên liệu, vệ sinh, phục vụ
sinh hoạt… Dù chỉ là một thiết bị phục vụ hệ động lực nhưng nồi hơi có vai trò rất quan trọng.
Mặt khác, nồi hơi là một thiết bị phức tạp về cấu trúc và là một đối tượng có nhiều thông số; mối quan hệ
giữa các thông số hoạt động cũng rất phức tạp. Nồi hơi lại là một thiết bị tích trữ nhiệt và áp suất cao nên
rất nguy hiểm, đặc biệt là khi các thông số của nó không được duy trì ổn định.
Các thông số và quá trình của nồi hơi cần được điều chỉnh, điều khiển là:
- áp suất hơi: áp suất hơi phụ thuộc vào lượng hơi tiêu thụ (phụ tải) và lượng nhiên liệu cấp vào thiết bị
đốt. Muốn duy trì ổn định áp suất hơi thì phải tạo được quy luật cấp nhiên liệu phù hợp với sự thay đổi
phụ tải.
- Nhiệt độ hơi quá nhiệt: Nhiệt độ của hơi quyết định tính kinh tế và hiệu quả của các thiết bị sử dụng hơi
nước. Nhiệt độ hơi quá nhiệt phụ thuộc vào sự thay đổi của tải và kiểu của nồi hơi, ví dụ đối với nồi hơi
tuần hoàn tự nhiên sự dao động của nhiệt độ hơi quá nhiệt lớn hơn nhiều so với các nồi hơi tuần hoàn
cưỡng bức.
- Quá trình cấp nước: mức nước trong nồi hơi, lưu lượng và áp suất nước cấp, mức nước trong két
cascade… Mức nước trong nồi hơi phụ thuộc vào lưu lượng hơi tiêu thụ, áp suất hơi và lưu lượng cấp
nước. Để duy trì ổn định mức nước trong nồi hơi phải thiết lập được quy luật bổ sung nước cho nồi hơi.
- Quá trình cháy: cường độ cháy và chất lượng cháy. Cường độ của quá trình cháy trong buồng đốt nồi
hơi phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải và chất lượng cháy phụ thuộc vào tỷ lệ không khí và nhiên liệu
cấp vào trong nồi hơi.
- Quá trình hoạt động của nồi hơi: quá trình đốt và dừng. Quá trình đốt và dừng là quá trình thực hiện
tuần tự các thao tác để đảm bảo nồi hơi làm việc an toàn.
Ngoài các thông số đã nêu ở trên, còn có một số thông số khác như áp suất nhiên liệu cấp vào thiết bị đốt,

áp suất không khí cấp vào buồng đốt, áp suất nước cấp... cũng cần được duy trì ổn định để đảm bảo hoạt
động an toàn và nâng cao hiệu quả của nồi hơi.
Việc điều chỉnh không tự động các thông số thông qua người khai thác trở nên khó khăn và nhiều khi
không thực hiện được khi có nhiều thông số cần được điều chỉnh với yêu cầu chính xác và kịp thời. Chính
vì thế nồi hơi thường được trang bị các hệ thống tự động nhằm nâng cao tính an toàn, kinh tế, giảm sức lao
động của con người.
Hình 1.1 biểu thị các mạch điều chỉnh trong một hệ thống tự động nồi hơi. Hệ thống này dùng tua bin hơi
để dẫn động các bơm, quạt.

96


air supply

I
1

7

VI

air supply
8

6

2

5
11


4

air supply
9
3

III

6

II
air supply

12

V

air supply
10

IV
air supply

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa một hệ thống tự động nồi hơi
Chú thích hình vẽ:
1: trống hơi - nước; 2: bơm cấp nước;
3: bơm dầu đốt;
4: quạt gió;
5: súng phun; 6: tua bin hơi;

7: van điều chỉnh mức nước nồi;
8: van điều chỉnh lượng dầu; 9: van điều chỉnh áp suất dầu;
10: van điều chỉnh lượng hơi vào tua bin lai quạt;
11: bướm gió, điều chỉnh lượng không khí vào buồng đốt;
12: van điều chỉnh lượng hơi vào tua bin lai bơm cấp nước
I: bộ điều chỉnh (BĐC) mức nước; II: BĐC áp suất nước cấp;
III: BĐC lượng nhiên liệu;
IV: BĐC áp suất không khí;
V: BĐC lượng không khí;
VI: BĐC áp suất dầu
Trong hệ thống này có 2 mạch điều chỉnh: điều chỉnh việc cấp nước (áp suất và lưu lượng) để duy trì ổn
định mức nước, và mạch điều chỉnh quá trình cháy trong buồng đốt thông qua điều chỉnh việc cấp nhiên
liệu và không khí (áp suất và lưu lượng).
BĐC I sử dụng tín hiệu mức nước trong nồi hơi để điều chỉnh độ mở của van cấp nước nồi 7. BĐC II duy
trì áp suất nước cấp bằng cách thay đổi lượng hơi vào tua bin 6, làm thay đổi tốc độ của bơm cấp 2.
BĐC III sử dụng tín hiệu áp suất hơi công tác để thay đổi độ mở của van cấp nhiên liệu 8. BĐC này còn
đưa tín hiệu tới BĐC IV để đặt lượng không khí cấp cho phù hợp với nhiên liệu. BĐC IV thay đổi độ mở
của van 10 làm thay đổi tốc độ của tua bin 6, và quạt 4 do đó thay đổi lượng không khí cấp vào buồng đốt
cho phù hợp với nhiên liệu. BĐC V duy trì áp suất không khí cấp qua thay đổi độ mở của bướm gió 11.
BĐC VI thay đổi độ mở của van hồi 9 để duy trì áp suất nhiên liệu.

97


§2. Phương trình động của nồi hơi tàu thuỷ
Mục tiêu của bài học
Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:
- Vẽ và giải thích được mô hình nhiệt nồi hơi tàu thủy, giải thích được phương trình cân bằng nhiệt
- Vẽ và giải thích được mô hình khối lượng, giải thích được phương trình cân bằng khối lượng
- Xây dựng được phương trình động của nồi hơi theo áp suất hơi và theo mức nước

- Nêu được mối quan hệ giữa các hệ số của phương trình và các thông số kỹ thuật (kích thước, áp suất
hơi định mức..)
- Phân tích được mối quan hệ giữa áp suất hơi và lượng cấp nhiên liệu, lượng hơi tiêu thụ, lượng nước
cấp
- Phân tích được mối quan hệ giữa mức nước và lượng nước cấp, lượng hơi tiêu thụ, áp suất hơi (phụ
tải)
Để xây dựng được hệ thống tự động điều chỉnh thích hợp cho các thông số, cần phải xác định tính chất
động của nồi hơi thông qua các phương trình toán học. Đối với người khai thác việc hiểu rõ tính chất
động học của nồi hơi giúp hiệu chỉnh chính xác hoạt động của các thiết bị, nâng cao hiệu quả và an toàn.
Phương trình toán mô tả tính chất động của nồi hơi được xây dựng với giả thiết nồi hơi là một đối tượng
có nhiều dung lượng, bao gồm hàng loạt các thành phần tích trữ nhiệt và khối lượng như nước, thành
vách và dàn ống...
2.1. Phương trình động của nồi hơi theo áp suất hơi
Mô hình của nồi hơi với nhiệt lượng cấp vào và thoát ra

Hơi ra
Qrh

Qnl
Nhiên liệu
Không khí

Nồi hơi
(Qak)

Qkk

Nước cấp

Qkx

Khí xả

Qnc

Hình 2.1: Mô hình nhiệt nồi hơi
Lượng nhiệt cung cấp cho nồi hơi từ nhiên liệu tính bằng Q nl (kcal/s), qua nước cấp vào nồi Qnc (kcal/s)
và lượng nhiệt do hơi mang đi khỏi nồi hơi là Q rh (kcal/s), do khí xả mang đi là Q kx, nhiệt lượng tích trữ
trong nồi hơi (trong sắt thép, nước và hơi trong trống hơi) là Q ak. Phương trình cân bằng nhiệt của nồi hơi
có thể viết như sau:
Qnl + Qnc + Qkk – Qrh – Qkx - Qak = 0
Nếu bỏ qua nhiệt do không khí mang vào và nhiệt do khí xả mang đi thì có thể viết:
Qnl + Qnc – Qrh - Qak = 0
Phương trình cân bằng nhiệt ở trạng thái tĩnh: Qoak + Qonl + Qonc - Qorh = 0
(2.1)
Trong trạng thái động, khi các thông số thay đổi theo thời gian thì lượng nhiệt tích trữ xác định bằng dQ ak
và phương trình động có dạng:
(Qnl + Qnc - Qrh)dt = dQak
(2.2)
Bằng cách chia cả hai vế của phương trình (2.2) cho dt và dựa vào phương trình ở trạng thái tĩnh để giản
ước, rút ra được phương trình:

∆Q nl + ∆Q nc − ∆Q rh =

dQ ak
dt

(2.3)

Nhiệt lượng tích trữ Qak bao gồm nhiệt tích trữ ở phần sắt thép của nồi hơi Q s và nhiệt tích trữ ở phần
nước và phần hơi Qnh. Do đó có thể viết: Qak = Qs + Qnh

Qs và Qnh được xác định như sau:

98


Qs = Gs.Cs.Ts; Ts = f3(ph)
(2.4)
Qnh = Gh.i'' + Gn.i'; i'' = f1(pn); i' = f2(ph)
(2.5)
Trong đó:
Gs: khối lượng sắt thép (kg)
Cs: nhiệt độ của sắt thép ( oC)
Ts: nhiệt độ của sắt thép ( oC)
Gh: khối lượng hơi trong nồi hơi (kg)
Gn: khối lượng nước trong nồi hơi (kg)
i'', i': entaipi của hơi và nước (kcal/kg)
ph: áp suất hơi (KG/cm2)
Thiết bị sấy hơi, hoặc những thiết bị tương tự đã được bỏ qua. Các thông số trong công thức (2.5) được
xác định thông qua các bảng tra cứu đã có sẵn, nhiệt độ Ts được xác định bằng nhiệt độ của nước.
Dùng khai triển Taylor tuyến tính hoá các phương trình 2.4 và 2.5 và bỏ qua những phần tử có đạo hàm
bậc cao ta rút ra được:
∆Q nh = i 'o' .∆Q h + G oh .∆i' '+i 'o .∆Q n + Qon .∆i'

∂i' '
.∆p h
∂p h
∂T
∆i' = s .∆p h
∂p h
∆i' ' =


và ∆Qs = Gs.Cs.∆Ts

∂Ts
.∆p h
∂p h
d∆Q nh dQ nh d∆Ts dTs d∆p h dp h
=
;
=
;
=
Từ các biểu thức trên
và
dt
dt
dt
dt
dt
dt
dQak dQ nh dQs '' dG h
∂i' ' dp h
dG
=
+
= io .
+ G oh .
.
+ i'o . n
dt

dt
dt
dt
∂p h dt
dt
∂i' dp h
∂T dp
+ G on .
.
+ G s .Cs . s . h
∂p h dt
p h dt
∆Ts =

(2.6)
Bên cạnh đó Gn và Gh là hàm không chỉ của áp suất hơi ph mà cả lượng hơi cung cấp cho phụ tải Qh (kg/s).
Khi nghiên cứu ở mức độ phức tạp hơn quá trình động của nồi hơi, có thể đề cập đến các phương trình
sau:
Gh = f4(ph; Grh); Gn = f5(ph; Grh)
(2.7)
Thực hiện tuyến tính hoá phương trình 2.7 sẽ được dạng:

dG h ∂G h dp h ∂G h dG rh
=
.
+
.
dt
∂p h dt ∂G rh dt
dG n ∂G n dp h ∂G n dG rh

=
.
+
.
dt
∂p h dt ∂G rh dt

(2.8)
Thay 2.8 vào 2.6 và rút ra được:

dQak dp h  ∂G h '' ∂i' '
dT 
∂G n '
∂i'

=
io +
.G oh +
.i o +
.G on + G s .Cs . s 
dt
dt  ∂p n
∂p h
∂p h
∂p h
∂p h 
 ∂G h '' ∂G n
 dG
+ 
.i o +

.i'o . rh
∂G rh  dt
 ∂G rh
(2.9)

99


Thực chất 2.9 mới chỉ là phần bên phải của phương trình 2.3 còn phần bên trái được xác định như sau:
Qnl = f6(mnl) khi α = αopt
Qnc = Gnc.inc
inc = const
Gnc = f7 (mnc)
Qrh = Grh.i''
Grh = f8 (ph; mrh)
(2.10)
Trong đó:
mnl: độ mở cửa van cấp nhiên liệu (mm)
Gnc: khối lượng nước cấp (kg/s)
inc: enthanpi của nước cấp (kcal/kg)
mnc: độ mở của van cấp nước (mm)
mrh: độ mở của van hơi chính (mm)
α, αopt: hệ số dư lượng không khí và giá trị định mức của nó
Thay thế các thành phần trong biểu thức 2.10 được:
Qnl = f6(mnl); Qnc = f9(mnc); Qrh = f10 (ph; mrh)
(2.11)
Các giá trị chính xác trong 2.11 có thể xác định được bằng lý thuyết hoặc thực nghiệm nếu biết đặc tính
hoạt động và cấu trúc của các cơ cấu điều khiển. Tuyến tính hóa các phương trình này sẽ có:

∂Q nc

∂Q nl
.∆m nl ; ∆Q nc =
.∆m nc
∂m nl
∂m nl
∂Q rh
∂Q rh
∆Q rh =
.∆p h +
.∆m rh
∂p h
∂m rh
∆Q nl =

(2.12)

Thay 2.9 và 2.12 vào 2.3 có:

 ∂G h ''
dT  dp
∂G n '
∂G rh
∂i'
∂i'

.i 0 +
.G oh +
.i 0 +
.G on + G s .Cs . s . h +
.∆p h

∂
p
∂
p
∂
p
∂
p
∂
p
dt
∂
p
 n
h
h
h
h
h
 ∂G h '' ∂G n '  dG rh
∂Q nc
∂Q nh
∂Q rh
=
.∆m nl +
.∆m nc −
.∆m rh − 
.i o +
.i o .
∂m nl

∂m nc
∂m rh
∂
G
∂
G
 rh
 dt
rh

(2.13)

Tuyến tính hoá 2.10 được:

dG rh ∂G rh dp h ∂G rh dm rh
=
.
+
.
dt
∂p h dt
∂m rh dt

(2.14)

Thay thế (2.14) vào (2.13) và đặt:

∆p h
giá trị thay đổi tương đối của áp suất hơi
Phdm

∆m nl
µ nl =
giá trị thay đổi tương đối của độ mở van cấp nhiên liệu
m nldm
∆m nc
µ nc =
giá trị tương đối của độ mở van cấp nước
m ncdm
∆m rh
µ rh =
giá trị thay đổi tương đối của độ mở van cấp hơi, đặc trưng cho sự thay đổi
m rhdm
ϕh =

lượng hơi tiêu thụ (phụ tải).
phđm, mnlđm, mncđm, mrhđm là những giá trị lớn nhất tương ứng với tải định mức.
Phương trình tuyến tính biểu thị quá trình động của nồi hơi theo áp suất hơi được xác định như sau:

Ta1.

dϕ h
dµ
+ K.ϕ h = µ nl + a1µ nc − a 2µ rh − a 3. rh
dt
dt

(2.15)

Trong đó:


100


Ta1 =

p hdm
.
∂Q nl
m nldm .
∂m nl

 ∂G h '
∂i' '
∂G nc '
∂i'
∂Ts ∂G rh  ∂G h ' ∂G nc '  
.
i
+
.
G
+
.
i
+
.
G
+
G
.

C
.
+

o
oh
o
onc
s s
 ∂G .io + ∂G .io   :
∂
p
∂
p
∂
p
∂
p
∂
p
∂
p

h
h
h
h
h 
rh
rh

 h
hằng số thời gian của nồi hơi, đơn vị là [s]

p hdm
∂Q
. rh
∂Q
∂p h : hệ số tự chỉnh của nồi hơi
m nldm . nl
∂m nl
∂Q
∂Q
m ncdm . nh
m ehdm . nl
∂m nc
∂m rh
a1 =
; a2 =
;
∂Q nl
∂Q nl
m nldm .
m nldn .
∂m nl
∂m nl
K=

 ∂G h '' ∂G nc '  ∂G rh
m rhdm 
.i o +

.i o .
∂G rh
∂G rh  ∂m rh

đơn vị là [s]
a3 =
∂Q nl
m nldm .
∂m nl
Sau đây là một số kết luận từ việc xây dựng phương trình động của nồi hơi theo áp suất hơi.
Hệ số Ta1 (hằng số thời gian) tỷ lệ thuận với khối lượng phần sắt thép của nồi hơi G s, của khối lượng
nước trong nồi hơi ở chế độ tĩnh Gon và khối lượng hơi Goh. Khối lượng phần sắt thép càng lớn, nồi hơi
càng to thì hằng số thời gian Ta1 càng lớn.
Hệ số Ta1 không chỉ phụ thuộc vào các thông số Gon và Goh mà còn phụ thuộc vào tải. Đối với một nồi hơi
cho trước, tuỳ thuộc vào chế độ tải có thể có các trạng thái làm việc tĩnh khác nhau. Khi phụ tải tăng,
lượng nước trong nồi sẽ giảm làm tăng không gian hơi, mật độ hơi giảm và kết quả là giảm hệ số Ta1.
Do

∂Q rh
> 0 nên hệ số K luôn có giá trị dương, hay nói cách khác, nồi hơi tàu thủy luôn có khả năng tự
∂p h

chỉnh cao.
Theo (2.15) khi tăng µnl, µnc hoặc giảm µrh,
cấp hơi chính

dµ rh
sẽ làm tăng áp suất hơi. Tốc độ thay đổi độ mở của van
dt


dµ rh
ảnh hưởng tới đặc tính thay đổi áp suất hơi trong nồi hơi và cũng ảnh hưởng đến hệ
dt

số a3 do vậy có thể coi

a 2 .µ rh + a 3

dµ rh
= f (t )
dt

(2.16)

là tác động nhiễu loạn đối với nồi hơi.
Phương trình động với nhiễu loạn f(t) có dạng:

Ta1.

dϕ h
+ Kϕh = µ nl + a1.µ nc − f ( t )
dt

(2.17)

Nếu không thay đổi độ mở van cấp nước µnc = µonc = const thì phương trình động chỉ còn dạng:

Ta1.

dϕ h

+ K.ϕh = µ nl − f ( t )
dt

(2.18)

Việc khảo sát phương trình động này trong hai trường hợp:
- thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt theo quy luật hàm bước nhảy đơn vị, độ mở van cấp hơi
không thay đổi và

101


- nhiễu phụ tải xuất hiện đột ngột rồi biến mất, lượng nhiên liệu cấp vào trong buồng đốt không thay
đổi
hoàn toàn tương tự như việc khảo sát phương trình động của động cơ điêzel và vì vậy không được nhắc
đến ở đây nữa.
Sau đây là một số kết luận rút ra từ việc khảo sát phương trình này.
Khi thay đổi nhiên liệu đột ngột, giữ nguyên độ mở van cấp hơi: áp suất hơi thay đổi theo đường cong
hàm mũ, tốc độ thay đổi nhanh hay chậm phụ thuộc vào hằng số thời gian của nồi hơi Ta1.
Khi giữ nguyên nhiên liệu, nhiễu phụ tải xuất hiện đột ngột rồi biến mất: khả năng tự ổn định của áp suất
hơi phụ thuộc vào dấu của hệ số tự chỉnh K. Tuy nhiên vì K luôn có giá trị dương nên nồi hơi luôn có khả
năng tự ổn định áp suất hơi.
2.2. Phương trình động của nồi hơi theo mức nước
Theo cách đặt vấn đề này thì chênh lệch giữa lượng nước cấp G nc (kg/s) và lượng hơi nước tiêu thụ G rh
(kg/s) chính là lượng hơi và nước tích trữ trong nồi hơi Gak (kg/s).

Hơi ra
Grh
Nồi hơi
(Gak)

Nước cấp

Gnc

Hình 2.2: Mô hình khối lượng của nồi hơi
Phương trình cân bằng khối lượng: Gnc – Grh + Gak = 0
ở trạng thái làm việc tĩnh lượng nước cấp bổ sung vào nồi hơi cân bằng với lượng hơi tiêu thụ:
Gonc - Gorh = 0
Trong trạng thái động:
(Gnc - Grh)dt = dGak
Trong đó: Gak: lượng nước và hơi tích trữ trong nồi hơi
Kết hợp 2.19 và 2.20 phương trình động có dạng:

∆G nc − ∆G rh =

(2.19)
(2.20)

dG ak
dt

(2.21)

Hoặc có thể viết:
Gak = Gn + Gh
Gn = Vn.ρnh
Gh = Vh.ρ''
(2.22)
Trong đó:
Gn khối lượng của nước + hơi bên dưới bề mặt bốc hơi (kg)

Gh: khối lượng của hơi bên trên bề mặt bốc hơi (kg)
Vn: thể tích của bầu chứa hơi + nước (m3)
Vh: thể tích của bầu chứa hơi (bên trên bề mặt bốc hơi) m3
ρnh: trọng lượng riêng của nước + hơi kg/m3
ρ'': trọng lượng riêng của hơi
Tuyến tính hoá 2.22 nhận được:
∆Gn = ρohn.∆Vn + Von.∆ρnh
∆Gh = ρo''.∆Vh + Voh.∆ρ''
Lấy đạo hàm Gak theo thời gian:

dQak dG n dG h
d∆Vn
d∆ρnh
d∆Vh
d∆ρ' '
=
+
= ρonh .
+ Von .
+ ρ'o' .
.Voh .
dt
dt
dt
dt
dt
dt
dt

(2.23)


Vh = VT - Vn , trong đó VT thể tích của toàn bộ trống hơi, nước:

102


d

∆Vh d(VT − Vn )
dV
=
=− n
dt
dt
dt

(2.24)

Mặt khác lại có mối quan hệ ρ'' = f1(ph), ρnh = f2(ph, Grh), tuyến tính hoá và lấy đạo hàm:

dρ' ' ∂ρ' ' dp h dρnh ∂ρnh dp h ∂ρnh dG rh
=
.
;
=
.
+
.
dt
∂p h dt

dt
dp h dt dG rh dt

(2.25)

Thay 2.24 và 2.25 vào 2.23:

dG ak
dV
∂ρ
∂ρ' '
∂ρ
dG
= (ρonh − ρ'o' ) n + (Von nh + Voh
) + Von nh . rh
dt
dt
∂p h
∂p n
∂G rh dt
dVn
dH
= Fn .
Hơn nữa lại có thể viết
dt
dt

(2.26)

(2.27)

Trong đó: Fn là diện tích bề mặt bốc hơi (m2), H là mức nước trong nồi hơi (m)
Các thông số, các hệ số của vế bên phải của phương trình 2.26 được xác định bằng các mối quan hệ như
được thể hiện ở 2.10 và sau khi tuyến tính hoá chúng có dạng:

∂G nc
.∆m nc
∂m nc
∂G rh
∂G rh
∆G rh =
.∆p h +
.∆m rh
∂p h
∂m rh
∆G nc =

(2.28)

Thay 2.26, 2.27 và 2.28 vào 2.21:

dH ∂G nc
∂G rh
∂ρ
∂ρ' ' dp h
=
.∆m nc −
.∆p h − (Von nh + Voh .
)
dt ∂m nc
∂p h

∂p h
∂p h dt
∂G rh
∂ρ
dG
−
.∆m rh − Von . nh . rh
∂m rh
∂G rh dt

(ρonh − ρ'0' ) Fn .

(2.29)
Thay 2.14 vào 2.29 và đặt ϕ y =

Ta 2 .

dϕ y
dt

∆H
(giá trị mức nước tương đối) với Hđm là giá trị mức nước định mức.
H dm

= µ nc − b1.ϕh − b 2

dϕh
dµ
− b3µ rh − b 4 . rh
dt

dt

(2.30)

Trong đó:

H dm (ρ onh − ρ'0' ) Fn
: hằng số thời gian của nồi hơi (s)
∂G nc
.m ncdm
∂m nc
∂G rh
p hdm
∂p h
b1 =
∂G
m ncdm . nc
∂m nc
∂ρ
∂ρ
dG
∂ρ' '
p hdm (Von . nh + Von . nh . rh + Voh .
∂p h
∂G rh dt
∂p h
b2 =
(s)
∂G nc
m ncdm .

∂m nc

Ta 2 =

103


∂G rh
∂m rh
b3 =
∂G
m ncdm . nc
∂m nc
∂ρ
dG
m rh .Von . nh . rh
∂G rh dt
b4 =
(s)
∂G nc
m ncdm .
∂m nc
m rhdm .

Vì mức nước giảm gây nguy hiểm hơn cho nồi hơi nên thay đổi mức nước ϕy thường được xem xét trong
trường hợp mức nước giảm.
Sau đây là một số kết luận rút ra từ việc xây dựng phương trình động của nồi hơi.
Hằng số Ta2 tỷ lệ với trọng lượng riêng của hỗn hợp hơi nước ρnh và diện tích bề mặt nồi hơi Fn. Hệ số này
có giá trị lớn khi không gian chứa hơi nhỏ và bề mặt bốc hơi lớn.
Phương trình 2.30 cho thấy mức nước trong nồi tăng khi tăng độ mở van cấp nước µnc và mức nước giảm

khi các giá trị ϕh (áp suất hơi);

dµ rh
dϕh
(tốc độ thay đổi áp suất hơi), µrh (độ mở van cấp hơi) và
dt
dt

(tốc độ thay đổi độ mở van cấp hơi) tăng.
Hiện tượng sôi bồng (mức nước tăng khi áp suất hơi ϕh giảm đột ngột) xảy ra là do khi áp suất hơi giảm,
nước bên dưới bề mặt bay hơi tăng tốc độ sôi, bay hơi và giãn nở làm bề mặt bay hơi bồng lên.
Hiện tượng sôi lắng (mức nước giảm tức thời khi áp suất hơi tăng đột ngột) là do khi áp suất hơi tăng
cường độ sôi và bay hơi của nước giảm đi, thể tích phần hỗn hợp hơi nước dưới bề mặt bay hơi giảm làm
bề mặt này bị co lại.
2.3. Đặc tính thay đổi mức nước trong nồi hơi khi phụ tải thay đổi
Khi phụ tải hơi thay đổi, ví dụ khi mở to van hơi chính µrh > 0;

dµ rh
> 0 thì theo 2.15 áp suất hơi sẽ
dt

giảm xuống. Khi giá trị ϕh giảm, theo 2.30, mức chất lỏng ở trong nồi hơi tăng, còn khi µrh tăng, mức
nước trong nồi hơi giảm. Tính toán theo 2.30, thay giá trị ϕh xác định từ 2.15 được:
(2.31)
T21ϕ'y' + T2ϕ' y = d1µ'nc + d 2µ nc − b1µ 'nl − b 2µ nl − d 3µ rh − d 4µ 'rh − d 5µ"rh
Trong đó:
Ta1.Ta2 = T12 đơn vị là [s2] ;
K.Ta2 = T2 đơn vị là [s];
Ta1 - a1b2 = d2 đơn vị là [s];
(2.32)

Kb4 + Ta1b3 - a3b1 - a2b2 = d4 đơn vị là [s]
Ta1b4 - a3b2 = d5 đơn vị là [s2]
Kb3 - a2b1 = d3
K - a1b1= d1
Có thể khảo sát phương trình 2.31 để tìm hiểu sự thay đổi mức nước trong nồi hơi trong với tác động của các
nhiễu loạn khác nhau µnc(t), µnl(t), µrh(t). Sau đây là phần khảo sát phương trình này khi độ mở van cấp nước
và lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt không thay đổi để tìm hiểu đặc tính thay đổi mức nước khi phụ tải thay
đổi.
Giả sử µnc = const, µnl = const và độ mở van hơi chính (phụ tải tiêu thụ hơi) thay đổi theo đặc tính tuyến tính
µrh = a.t có:
(2.33)
T12ϕ'y' + T2ϕ'y = −d 3at − d 4a
Giải phương trình 2.33 với các điều kiện ban đầu ϕy(0) = 0; ϕ'y (0) = 0 (2.34) sẽ được:

104


−T


T12 .
a
T12
ϕy (t ) =
[ϕ y +
(d 4 −
.d 3 )]1 − e T
T2
T2
T2




2

2

1

φh
φy

.t 

ad3 2 a
T12
t −
(d 4 −
d 3 ) t (2.35)
−
T2
T2
 2T2

1

ph

3
t

2

Hình 2.2: Đặc tính thay đổi mức nước

Thành phần thứ nhất

(1 − e

− T2
.t của phương trình 2.35 cho thấy xu thế tăng lên của mức nước theo
T12

)

ad3 2 a
T12
t
hàm mũ có cơ số tự nhiên (đường 1 trên hình 2.3). Thành phần còn lại (d 4 −
d3 )t
2T2
T2
T2
biểu thị sự giảm mức nước do mất cân bằng khối lượng ở buồng chứa hơi - nước và được biểu thị bằng
đường 2 trên hình 2.2.
Tổng hợp cả hai trường hợp, đặc tính thay đổi mức nước trong nồi hơi có dạng đường 3 trên hình 2.2.

105


Khi phụ tải tăng, áp suất hơi p h giảm đột ngột làm cho mức nước ϕy tăng lên, đến một giai đoạn nhất định

bộ điều chỉnh áp suất hơi hoạt động làm tăng cường độ quá trình cháy (tăng nhiên liệu), tốc độ bốc hơi
mãnh liệt hơn và do vậy mức nước trong nồi hơi giảm xuống. Nếu độ mở van cấp nước không thay đổi thì
mức nước sẽ ổn định lại ở một giá trị khác sau khi phụ tải đã ổn định.

106


§3. Tự động điều khiển quá trình cấp nước nồi hơi
Mục tiêu của bài học
Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:
- Nêu được các khái niệm về hệ thống tự động điều khiển quá trình cấp nước
- Vẽ hình và giải thích được hoạt động của một hệ thống tự động điều chỉnh áp suất nước cấp
- Vẽ sơ đồ và giải thích được các nguyên tắc hoạt động của bộ điều chỉnh mức nước:
 Điều chỉnh mức nước một xung
 Điều chỉnh mức nước hai xung
 Điều chỉnh mức nước ba xung
- Giải thích được hoạt động của một số hệ thống tự động điều chỉnh mức nước
- Giải thích được đặc tính thay đổi mức nước trong các trường hợp
Tự động điều khiển quá trình cấp nước là một phần quan trọng của hệ thống tự động điều khiển nồi hơi. Hệ
thống này có chức năng duy trì ổn định mức nước trong nồi hơi. Hệ thống tự động điều khiển quá trình cấp
nước vào nồi hơi thường làm các nhiệm vụ:
- Tự động điều khiển bơm cấp nước
- Tự động điều chỉnh áp suất nước cấp
- Tự động điều chỉnh lưu lượng nước cấp
Tuy nhiên không phải hệ thống nào cũng có đầy đủ các mạch tự động điều chỉnh và điều khiển như trên.
Với các nồi hơi nhỏ, đơn giản thì việc duy trì ổn định mức nước có thể chỉ qua việc điều khiển hoạt động
của bơm mà không cần có điều chỉnh áp suất và lưu lượng nước cấp. Một số hệ thống lại có bơm nước
hoạt động liên tục và không có tự động điều chỉnh áp suất nước cấp.
3.1. Tự động điều khiển bơm cấp nước
Trong một số hệ thống tự động điều khiển quá trình cấp nước hoạt động của bơm cấp nước có thể được tự

động hóa để đáp ứng yêu cầu cấp nước.
Bơm cấp nước hoạt động theo chế độ ON - OFF: khi mức nước trong nồi hơi giảm thấp hơn một giá trị
đặt nào đó thì bơm sẽ tự động hoạt động để cấp nước bổ sung. Khi mức nước trong nồi hơi tăng đạt tới
một giá trị nào đó thì bơm sẽ tự động dừng. Hệ thống này thường được dùng cho các hệ thống nồi hơi nhỏ
và đơn giản.
Trong một số hệ thống khác bơm cấp nước lại hoạt động liên tục; tùy theo mức nước trong nồi hơi vòng
quay của bơm có thể điều chỉnh được để thay đổi lưu lượng nước cấp, khi mực nước giảm thì vòng quay
của bơm sẽ tăng và ngược lại. Hệ thống này cũng thường được dùng cho nồi hơi nhỏ và đơn giản.
Đối với các nồi hơi lớn và phức tạp việc duy trì ổn định mức nước thường được thực hiện thông qua bộ điều
chỉnh mức nước. Bộ điều chỉnh sẽ thay đổi độ mở của van cấp nước để thay đổi lưu lượng nước cấp. Trường
hợp này sẽ được trình bày cụ thể hơn ở phần sau.
3.2. Tự động điều chỉnh áp suất nước cấp
Mục đích của việc điều chỉnh áp suất nước cấp là đảm bảo áp suất nước cấp đủ lớn để duy trì lưu lượng
nước cấp nhằm ổn định mức nước trong nồi hơi.
Giả sử phụ tải tăng, mức nước trong nồi hơi giảm, để duy trì mức nước ổn định, bộ điều chỉnh mức nước
sẽ mở van cấp nước to thêm và như vậy áp suất nước cấp bị giảm. Nếu không duy trì được áp suất nước
cấp, thì lưu lượng cấp sẽ giảm dẫn đến việc cấp nước bổ sung vào nồi hơi không phù hợp với phụ tải
(lượng nước ra khỏi nồi hơi dưới dạng hơi). Trường hợp ngược lại (phụ tải giảm) áp suất nước cấp tăng
đột ngột gây ảnh hưởng xấu cho quá trình điều chỉnh mức nước.

107


Van điều
chỉnh

Tua bin hơi
lai bơm

Hộp xếp


Bơm cấp
nước

Hình 3.1: Hệ thống tự động điều chỉnh áp suất nước cấp
Hình vẽ 3.1 biểu thị một hệ thống điều chỉnh áp suất nước cấp đơn giản. Hộp xếp cảm biến áp suất nước cấp và
làm thay đổi độ mở của van điều chỉnh. Lượng hơi cấp vào tua bin lai bơm thay đổi làm thay đổi tốc độ quay
của bơm và do đó thay đổi áp suất nước cấp.
Hình 3.2 biểu thị đặc tính hoạt động của bơm, đường OA biểu thị đặc tính đường ống khi van cấp nước
mở hoàn toàn, đường B biểu thị đặc tính làm việc của bơm, 1 là điểm làm việc của bơm tại một trạng thái
cân bằng.
Giả sử phụ tải giảm, bộ điều chỉnh mức nước sẽ đóng bớt van cấp nước lại và đặc tính đường ống trở
thành OA'. Nếu không có bộ điều chỉnh áp suất nước cấp điểm công tác mới sẽ là 3, áp suất sau bơm tăng.
H(m)

D

A'
A
3'

3

2
1'
2'

1

E

B
B'

O
Q(m3/h)

Table 1

1
3’
2 3
1’
Q(m /h)

Hình 3.2: Đặc tính hoạt động của bơm cấp nước
Do có bộ điều chỉnh áp suất nước cấp, vòng quay của bơm giảm, đặc tính làm việc của bơm trở thành B’,
điểm phối hợp công tác mới sẽ là điểm 2. Như vậy áp suất nước cấp được duy trì ổn định.
Ngược lại, nếu điểm công tác đang là 2 tương ứng với đặc tính đường ống OA' và đặc tính bơm B’, khi
phụ tải tăng, bộ điều chỉnh mức sẽ mở to thêm van cấp nước (đặc tính đường ống OA). Nếu không có bộ
điều chỉnh áp suất nước cấp điểm công tác mới sẽ là điểm 1', áp suất nước cấp giảm. Do có bộ điều chỉnh
áp suất nước cấp, vòng quay của bơm tăng, đặc tính bơm trở thành B, áp suất nước cấp được duy trì ổn
định.
Trong các hệ thống có bơm cấp nước được lai bằng mô tơ điện có thể điều chỉnh được vòng quay (thông
qua bộ biến tần, dùng mô tơ rôto dây quấn…), tín hiệu từ bộ điều chỉnh áp suất nước cấp sẽ làm thay đổi
vòng quay của bơm và do đó làm thay đổi áp suất cấp nước.
Trong hệ thống cấp nước của các nồi hơi cỡ nhỏ thường không có bộ điều chỉnh áp suất nước cấp, khi đó
ở cửa đẩy của bơm có đường ống tiết lưu hồi về két.

108



3.3. Tự động điều chỉnh lưu lượng nước cấp
Để duy trì ổn định mức nước trong nồi hơi khi phụ tải tiêu thụ hơi thay đổi thì lưu lượng nước cấp vào nồi
hơi cần được điều chỉnh phù hợp. Việc thay đổi độ mở của van cấp nước nồi để điều chỉnh lưu lượng
nước cấp được tự động hóa bằng các bộ điều chỉnh mức nước. Các bộ điều chỉnh mức nước có thể là một
trong các dạng:
- Bộ điều chỉnh (BĐC) một xung (tín hiệu vào BĐC là mức nước)
- Bộ điều chỉnh hai xung (tín hiệu vào BĐC là mức nước và phụ tải)
- Bộ điều chỉnh ba xung (tín hiệu vào BĐC là mức nước, phụ tải và lưu lượng nước cấp)
3.1.1. Bộ điều chỉnh mức nước một xung
Bộ điều chỉnh mức nước một xung được xây dựng theo nguyên lý độ lệch, tín hiệu vào bộ điều chỉnh là độ
lệch của mức nước. Khi mức nước thay đổi so với giá trị đặt thì bộ điều chỉnh sẽ có tác động điều chỉnh để
cấp bổ sung nước cho nồi hơi. Phần tử cảm biến mức nước có thể là kiểu phao, kiểu chênh áp suất hoặc
màng cảm ứng áp suất. Tuy nhiên phần tử cảm biến mức nước kiểu chênh áp thường được sử dụng rất
rộng rãi. Hình 3.3 là sơ đồ nguyên lý của thiết bị cảm ứng mức nước theo độ chênh áp.

condenser
max. level

Ho

min. level

H

L H

differential
pressure
transmitter


Hình 3.3: Cảm biến mức nước theo độ chênh áp
Max. Level: mức nước cực đại
Min. Level: mức nước cực tiểu
Differential pressure transmitter: cảm biến độ chênh áp
Phía L của phần tử cảm biến độ chênh áp được nối với bình ngưng do đó có cột áp không thay đổi là H o;
áp suất thực tế ở đây là p + H o với p là áp suất trong trống hơi-nước. Phía H của phần tử cảm biến độ
chênh áp được nối với phần thấp của trống hơi-nước do đó có áp suất là p + H, H là cột áp do nước trong
trống tạo thành. Độ chênh áp ∆H = Ho – H; do Ho = const nên ∆H sẽ thể hiện sự thay đổi mức nước nồi
hơi H.
Hình 3.4 là sơ đồ khối của bộ điều chỉnh mức nước một xung. Phần tử cảm biến mức nước (CB Mức)
cảm biến mức nước nồi H. Tín hiệu này sau đó được biến đổi thành dạng tín hiệu phù hợp với bộ điều
chỉnh (BĐC) nhờ thiết bị biến đổi tín hiệu (BĐTH). U(t) là tín hiệu ra của BĐC tác động lên van cấp
nước để thay đổi độ mở.
Condenser: bình ngưng

109


H

U(t)
CB
Mức

BĐ
TH

BĐ
C


Hình 3.3: Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh mức nước một xung
Hình 3.4 là sơ đồ nguyên lý của một hệ thống tự động điều chỉnh mức nước với bộ điều chỉnh một xung.

Hình 3.4: BĐC mức nước một xung
Cột áp không đổi Ho (tạo ra bởi thiết bị ngưng 3) và cột áp thay đổi H (theo mức nước trong nồi hơi) được
đưa đến bộ phận so sánh 4. Tín hiệu ra của phần tử so sánh là chênh lệch cột áp ∆H = Ho - H, phản ánh sự
thay đổi của mức nước trong nồi hơi. Độ chênh áp tăng tương ứng với mức nước giảm và ngược lại.
Sức căng của lò xo 10 được hiệu chỉnh để cân bằng với chênh áp suất chuẩn ∆H ở trạng thái tĩnh.
ở trạng thái cân bằng áp suất ở các khoang C và D có giá trị bằng nhau, áp lực trong khoang A cân bằng
với lực lò xo. Khi mức nước trong nồi hơi giảm, áp suất khí nén trong khoang A giảm, lực lò xo làm hộp
xếp ở khoang A bị giãn ra đẩy thanh chống đi xuống. Thanh truyền 12 bị đẩy quay ngược chiều kim đồng
hồ làm van 13 của rơ le 5 mở nhiều hơn, van 14 đóng bớt lại. áp suất khí nén đến van cấp nước 8 tăng làm
van này mở to hơn tăng lưu lượng nước bổ sung nước vào nồi hơi.
Van cấp nước có thể được đóng mở trực tiếp nhờ thiết bị chọn chế độ điều khiển 7. ở chế độ điều khiển
trực tiếp, khí nén được cấp trực tiếp từ van điều chỉnh áp suất gắn ở 7 tới van cấp nước 8. Trong trường
hợp này van cấp nước được tách ra khỏi BĐC.
Bộ điều chỉnh mức nước một xung loại này là bộ điều chỉnh hữu sai (hệ số không đều δ ≠ 0). Hình 3.6
minh họa đặc tính tĩnh của bộ điều chỉnh mức nước loại này.

110


H
Ho

Hình 3.6: Đặc tính tĩnh của BĐC mức nước một xung Load
3.1.2. Bộ điều chỉnh mức nước nồi hai xung
Phụ tải tăng đột ngột thường làm cho mức nước trong nồi hơi tăng lên ở giai đoạn đầu và ngược lại phụ
tải giảm đột ngột thường làm cho mức nước trong nồi hơi giảm ở giai đoạn đầu. Khi phụ tải tăng đột ngột,

sẽ xảy ra hiện tượng mức nước dâng cao do giãn nở và van cấp nước do đó bị đóng bớt lại. Mức nước nồi
khi đó có thể bị giảm đột ngột gây nguy hiểm cho nồi hơi. Bộ điều chỉnh mức nước một xung không giải
quyết được vấn đề mức nước giãn nở ra hoặc co lại do ảnh hưởng của áp suất hơi, do đó mức nước nồi
hơi có thể sẽ dao động ở mức nguy hiểm. BĐC hai xung được thiết kế có thêm tín hiệu điều chỉnh từ
xung phụ tải để cải thiện chất lượng điều chỉnh.
H

CB
Mức
SS

p

BĐ
TH

BĐC

U(t)

CB
Tải

Hình 3.7: Sơ đồ khối bộ điều chỉnh mức nước hai xung
Hình 3.7 biểu thị sơ đồ khối của bộ điều chỉnh mức nước nồi hai xung. Hai xung vào BĐC là mức nước
(H) và phụ tải (áp suất hơi p). Trước khi tới phần tử biến đổi tín hiệu (BĐTH) tín hiệu từ phần tử cảm
biến mức (CB Mức) và phần tử cảm biến tải (CB Tải) được so sánh với nhau ỏ phần tử so sánh SS.
Tín hiệu điều chỉnh từ xung phụ tải sẽ giảm ảnh hưởng của hiện tượng bùng sôi và co lại lên hoạt động
của van cấp nước, do vậy quá trình quá độ không bị kéo dài.
Sơ đồ nguyên lý của một bộ điều chỉnh loại này được thể hiện trên hình 3.8.


111


Hình 3.8: Bộ điều chỉnh mức nước hai xung
Tín hiệu mức nước và phụ tải (áp suất hơi) được đưa đến rơ le 3. Tín hiệu phụ tải được đo gián tiếp thông
qua sự thay đổi của áp suất hơi. Tại rơ le 3 tín hiệu đầu vào chung được tạo ra và sau đó tín hiệu này được
khuyếch đại, đưa đến phần tử thực hiện 5 để điều khiển đóng mở van cấp nước 6.
Giả sử phụ tải hơi tăng lên, áp suất hơi giảm. áp suất trong khoang A của rơ le 3 giảm, sức căng lò xo
giảm, thanh truyền 10 đi lên làm tấm chắn của phần tử khuếch đại 4 lệch sang phía L, dòng công chất
điều khiển đi vào khoang bên dưới của động cơ trợ động 5, piston trợ động đi lên đẩy thanh truyền 7 xoay
ngược chiều kim đồng hồ mở to van cấp nước, quá trình cấp bổ sung nước vào nồi hơi bắt đầu.
Trong giai đoạn này phản ứng của BĐC và van cấp nước do ảnh hưởng của hiện tượng bùng sôi, nếu có, sẽ
được hạn chế nhờ có tác động của tín hiệu điều chỉnh từ xung phụ tải.
Giai đoạn tiếp theo, do phụ tải tăng, lượng nhiên liệu cấp vào nồi hơi tăng lên dẫn đến quá trình bốc hơi
tăng mạnh, đồng thời lượng nước biến thành hơi đi công tác mất cân bằng với lượng nước cấp vào nồi hơi
làm mức nước giảm xuống. Lực do chênh áp tạo ra tăng làm màng nằm giữa khoang B và C dịch chuyển
lên trên, tương tự như trên phần tử khuếch đại kiểu dòng chảy 4 cấp công chất vào khoang dưới của động cơ
trợ động 5. Quá trình điều chỉnh mở to van cấp nước tiếp tục xảy ra. Liên hệ ngược 8 bao gồm các thanh
truyền và lò xo sẽ đưa tấm chắn trở về vị trí che các cửa điều khiển L và R lại.
Nhờ kết hợp được hai xung trong quá trình hoạt động (xung phụ tải và xung mức nước) nên bộ điều chỉnh
loại này có khả năng duy trì được mức nước trong nồi hơi ổn định hơn bộ điều chỉnh một xung.

112


U(t)
1

2


3=1-2
Load
Hình 3.9: Tín hiệu điều chỉnh của BĐC hai xung
Các đường đặc tính 1 và 2 trên hình 3.8 biểu thị tín hiệu điều chỉnh có được từ các xung riêng biệt, đường
3 là tổng hợp của hai tín hiệu.
Trong khai thác, đặc tính làm việc được hiệu chỉnh thông qua hệ số khuếch đại. Hệ số khuếch đại của
xung phụ tải thường được hiệu chỉnh sao cho lưu lượng của nước cấp gần bằng lưu lượng của hơi tiêu thụ
ở trạng thái ổn định. Còn hệ số khuếch đại của xung mức nước được đặt sao cho khi tổng hợp hai tín hiệu
lại thì được đặc tính làm việc mong muốn. Khi hiệu chỉnh đúng các hệ số khuếch đại quá trình cấp nước
sẽ kịp thời và do đó mức nước sẽ ổn định.
3.1.3. Bộ điều chỉnh mức nước ba xung
Bộ điều chỉnh mức nước ba xung được xây dựng trên cơ sở kết hợp nguyên lý bù trừ nhiễu và nguyên lý điều
chỉnh nhiều dung lượng (Cascade Control). Thuật ngữ điều chỉnh nhiều dung lượng (Cascade Control) chỉ
nguyên lý điều chỉnh nhiều cấp trong đó tín hiệu ra của một bộ điều chỉnh được dùng làm tín hiệu vào cho một
bộ điều chỉnh khác.
H

p hoặc
Qh

Qnc

CB
Mức
S
S

CB
Tải


CB LL
nước cấp

BĐ
TH

U(t)
BĐC

S
S

Hình 3.10: Sơ đồ khối bộ điều chỉnh mức nước ba xung
Hình 3.10 biểu thị sơ đồ khối của một BĐC mức nước ba xung. H là mức nước nồi, p là áp suất hơi (đặc
trưng cho phụ tải), Q là lưu lượng nước cấp. Tín hiệu ra từ phần tử cảm biến phụ tải hơi (CB tải) được so
sánh với tín hiệu ra từ phần tử cảm biến lưu lượng nước cấp (CBLL nước cấp) để xác định sự mất cân
bằng khối lượng nước trong nồi hơi. Tín hiệu này sau đó được đưa đến phần tử so sánh với tín hiệu mức
nước để làm giảm những tác động ngược chiều của xung mức nước.
Hình 3.11 minh họa sơ đồ nguyên lý của một hệ thống điều chỉnh mức nước ba xung. Ba thiết bị cảm ứng
4, 15 và 16 đưa tín hiệu đến các rơle 5 và 6. Rơle 6 so sánh lưu lượng hơi và lưu lượng nước cấp. Rơle 5
so sánh tín hiệu ra từ rơle 6 và tín hiệu biểu thị mức chất lỏng trong nồi hơi.
Giả sử phụ tải tăng, lưu lượng hơi ra khỏi nồi hơi tăng, tín hiệu cảm biến lưu lượng hơi tiêu thụ (áp suất
khí nén) ra khỏi thiết bị cảm ứng 16 tăng. Trong rơle 6 áp suất khoang A tăng nén hộp xếp lại, thanh

113


chống 18 đi lên, thanh truyền 12 quay cùng chiều kim đồng hồ làm đóng bớt van 13 và mở thêm van 14,
áp suất tín hiệu khí nén sang rơle 5 do đó giảm đi. Trong rơle 5, do áp suất khoang A giảm, lò xo đẩy hộp

xếp giãn ra, thanh chống đi xuống, thanh truyền 12 quay ngược chiều kim đồng hồ làm mở thêm van 13
và đóng bớt van 14, áp suất khí nén tới bộ định vị 17 của van 8 tăng, van 8 mở to hơn, tăng lưu lượng
nước cấp vào nồi hơi.

Hình 3.11: BĐC mức nước ba xung
Khi lưu lượng nước cấp tăng, tín hiệu ra khỏi thiết bị cảm ứng 15 tăng, áp suất khoang B của rơle 6 tăng,
hộp xếp giãn ra làm thanh chống đi xuống, thanh truyền 12 quay ngược chiều kim đồng hồ mở thêm van
13 và đóng bớt van 14. Sự thay đổi tín hiệu điều chỉnh do áp suất hơi giảm dần dần triệt tiêu. Nếu rơle 6
được hiệu chỉnh đúng, khi lưu lượng nước cấp cân bằng với lưu lượng hơi tiêu thụ thì áp suất khoang A
và B của rơle 6 cân bằng nhau, thanh chống dừng lại và thanh truyền 12 trở về vị trí cân bằng ban đầu.
Đồng thời khi phụ tải tăng, nếu trong giai đoạn đầu xảy ra hiện tượng bùng sôi, độ lớn tín hiệu cảm biến
mức nước (áp suất khí nén) từ thiết bị cảm ứng 4 tới rơle 5 tăng. Trong rơ le 5, áp suất khoang C tăng,
hộp xếp bị nén lại, thanh chống đi lên làm thanh truyền quay cùng chiều kim đồng hồ đóng bớt van 13 và
mở thêm van 14. Tín hiệu khí nén tới 17 do đó giảm, van cấp nước 8 đóng bớt lại. Tuy nhiên ảnh hưởng
của tác động ngược chiều này (nếu xảy ra) sẽ được hạn chế do trong giai đoạn này tín hiệu điều chỉnh từ
xung phụ tải lại có xu hướng tăng độ mở van cấp nước như đã mô tả ở trên. Trong giai đoạn tiếp theo,
mức nước giảm xuống rơle 5 sẽ đưa tín hiệu mở thêm van cấp nước.
Trên thực tế các quá trình xảy ra đồng thời và phức tạp.
Nếu các rơle được hiệu chỉnh đúng, thì tổng hợp các tín hiệu điều chỉnh có được từ các xung sẽ giữ cho
mức nước ổn định, tránh được các hiện tượng sôi bồng và co lại khi phụ tải tăng. Có thể hiệu chỉnh mức
nước trong nồi hơi nhờ vít hiệu chỉnh 9.

114


U(t)

1

3

4=1-3
2

5=4-2
Load

Hình 3.12: Tín hiệu điều chỉnh của BĐC mức nước ba xung
Đặc tính điều chỉnh của bộ điều chỉnh ba xung được xác định bằng cách xếp chồng ba đường đặc tính
thành phần lại với nhau (hình 3.12). Tín hiệu điều chỉnh từ xung lưu lượng hơi tiêu thụ (đường 1) và xung
lưu lượng nước cấp (đường 2) đều tăng lên cùng với sự tăng của phụ tải, tuy nhiên hai tín hiệu này ngược
chiều nhau nên tổng hợp của chúng là đường 1 - 2. Hệ số khuếch đại của thiết bị cảm ứng lưu lượng hơi
lớn hơn hệ số khuếch đại của thiết bị cảm ứng lưu lượng nước cấp.
Tín hiệu từ thiết bị cảm ứng mức nước luôn ngược chiều với sự tăng của phụ tải (đường 3). Tổng hợp các
tín hiệu 1, 2 và 3 được tín hiệu ra cua bộ điều chỉnh có dạng đường 1 - 2 + 3.
Hình 3.13 biểu thị đặc tính cấp nước cho nồi hơi khi phụ tải thay đổi của ba loại bộ điều chỉnh.
Bộ điều chỉnh một xung (đường 1) luôn luôn bắt đầu tác động vào van cấp nước theo hướng ngược với sự
thay đổi của phụ tải, do đó hiện tượng sôi bùng và co lại thường dẫn tới việc bộ điều chỉnh đưa ra tín hiệu
mở van nhầm hướng.
Bộ điều chỉnh hai xung (đường 2) có thêm xung phụ tải nên khả năng thay đổi việc cấp nước đúng hướng
ở trạng thái chuyển tiếp được cải thiện.

H
Ho

3
2
1
t

Hình 3.13: Đặc tính động của ba loại bộ điều chỉnh

Nếu được hiệu chỉnh đúng bộ điều chỉnh ba xung có chất lượng điều chỉnh cao nhất do luôn duy trì được
tác động điều chỉnh đúng hướng.
Trong thực tế bộ điều chỉnh ba xung thường được trang bị cho nồi hơi có sản lượng hơi lớn hơn
2000m3/h, bộ điều chỉnh hai xung cho nồi hơi có sản lượng hơi 750 ÷ 2000m3/h và bộ điều chỉnh một
xung cho nồi hơi có sản lượng hơi thấp hơn 750m3/h.

115


§4. Tự động điều khiển quá trình cháy
Mục tiêu của bài học
Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:
- Vẽ hình và giải thích được các nguyên tắc điều khiển cường độ quá trình cháy:
- Điều chỉnh On-Off
- Điều chỉnh On-Off, High-Low
- Điều chỉnh On-Off, Proportional
- Vẽ hình và giải thích được các nguyên tắc điều khiển chất lượng quá trình cháy:
- Điều chỉnh theo phương pháp nối tiếp
- Điều chỉnh theo phương pháp song song
- Điều chỉnh theo phương pháp đo nhiệt lượng
Quá trình cháy trong nồi hơi ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất của nồi hơi và hệ động lực hơi nước. Hơn
nữa, quá trình cháy trong nồi hơi còn liên quan đến sự hoạt động an toàn. Khi phụ tải thay đổi nếu không
duy trì được quá trình cháy thích hợp sẽ không đủ lượng hơi cần thiết cho phụ tải hoặc quá trình bay hơi
nước tăng với tốc độ cao gây nguy hiểm. Điều khiển quá trình cháy trong nồi hơi bao gồm điều chỉnh
cường độ cháy cho phù hợp với phụ tải tiêu thụ hơi (thường được biểu thị gián tiếp qua áp suất hơi) và
điều chỉnh chất lượng quá trình cháy.
Cơ sở để thiết kế các hệ thống tự động điều khiển quá trình cháy là các chỉ số phụ tải và chỉ số chất lượng
cháy.
áp suất hơi công tác thường được sử dụng làm chỉ số phụ tải của nồi hơi, hệ thống tự động điều chỉnh
được thiết kế trên cơ sở này có khả năng phản ứng kịp thời với sự thay đổi của phụ tải và duy trì được áp

suất hơi.
Tuy nhiên việc chọn chỉ số phụ tải làm thông số chính khi thiết kế chưa đủ đảm bảo cho hệ động lực hơi
nước có hiệu suất cao nhất. ảnh hưởng của các yếu tố khác đến quá trình điều chỉnh và quá trình cháy như
thời gian sử dụng của các thiết bị, độ rơ mòn của các chi tiết, điều kiện môi trường và đặc tính thay đổi phụ
tải cũng cần được xét đến. Chỉ số chất lượng cháy là kết quả có được thông qua đo đạc, so sánh và đánh giá
chất lượng quá trình cháy. Trên cơ sở chỉ số này tỷ lệ nhiên liệu và không khí vào nồi hơi được điều chỉnh.
Có một số phương pháp để kiểm tra chất lượng của quá trình cháy:
Cách truyền thống để đánh giá chất lượng của quá trình cháy là thông qua màu khói và màu
ngọn lửa, hoạt động trên cơ sở này có thiết bị phát hiện khói. Mặc dù thiết bị có nguyên lý hoạt động
đơn giản, chất lượng và độ tin cậy của nó không cao.
Một cách khác để đánh giá chất lượng của quá trình cháy là sử dụng ba chỉ số: lưu lượng
hơi/lưu lượng không khí cấp, tỷ lệ nhiên liệu/không khí và thiết bị phân tích khói. Thiết bị hoạt động
trên cơ sở này có nguyên lý hoạt động phức tạp và mặc dù chất lượng cao hơn thiết bị phát hiện khói
nhưng độ chính xác cũng chưa cao.
Chất lượng quá trình cháy là một thông số mang tính định tính, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố vì vậy việc
xác định chính xác nó không đơn giản. Trên thực tế nếu có thiết bị người khai thác vẫn phải kết hợp đánh
giá chủ quan của mình để hiệu chỉnh cho chính xác hơn thông số này.
4.1.
Tự động điều chỉnh cường độ cháy
Cường độ quá trình cháy trong buồng đốt được điều chỉnh theo áp suất hơi. Với những nồi hơi lớn có
nhiều súng phun việc điều chỉnh cường độ cháy có thể thực hiện bằng cách thay đổi số lượng súng phun
làm việc. Với những nồi hơi cỡ nhỏ chỉ có một súng phun việc điều chỉnh cường độ cháy được thực hiện
bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào súng phun qua một van điều chỉnh.
4.1.1. Điều chỉnh nhiên liệu kiểu ON – OFF (ON – OFF Combustion Control)
Trong hệ thống điều chỉnh kiểu này van điều chỉnh chỉ có hai chế độ là đóng hoặc mở ở một vị trí duy
nhất. Lượng nhiên liệu cấp vào súng phun Qnl do đó chỉ có một mức.

116



Qnl

ON

OFF
p1

0

p2

p

Hình 4.1: Điều chỉnh cường độ cháy theo nguyên tắc ON – OFF
Khi áp suất hơi giảm từ p2 xuống p1 thì quá trình đốt bắt đầu, khi áp suất hơi đạt p 2 thì quá trình đốt dừng
lại.
4.1.2. Điều chỉnh nhiên liệu kiểu ON – OFF, HIGH – LOW (ON – OFF, HIGH – LOW Combustion
Control)
Trong hệ thống điều chỉnh kiểu này van điều chỉnh có ba chế độ là đóng, mở ở mức thấp hoặc mức cao.
Lượng nhiên liệu cấp vào súng phun Qnl có hai mức thấp và cao.

Qnl

ON - HIGH

ON - LOW
OFF
p1

0


p2

p3

p4

p

Hình 4.2: Điều chỉnh cường độ cháy theo nguyên tắc ON – OFF, HIGH- LOW
Khi áp suất hơi giảm từ p4 xuống p1 thì quá trình đốt bắt đầu. Khi mới bắt đầu đốt lượng nhiên liệu cấp
vào sẽ bị giới hạn ở mức thấp (ON - LOW) trong một thời gian nhất định sau đó mới chuyển sang mức
cao (ON - HIGH). Khi áp suất hơi đạt p3 thì cường độ cháy sẽ được điều chỉnh về mức thấp. Nếu sau đó
áp suất hơi tiếp tục tăng lên đến p 4 thì quá trình đốt sẽ dừng lại. Nếu áp suất hơi không tăng mà giảm đến
p2 thì cường độ cháy lại được điều chỉnh lên mức cao.
4.1.3. Điều chỉnh nhiên liệu kiểu tỷ lệ (Proportional Combustion Control)

Qnl

ON - HIGH
O
PR
I
RT
PO
AL
ON

ON - LOW
OFF

0

p1

p2 p3

p4

p5

p
117


Hình 4.3: Điều chỉnh cường độ cháy theo nguyên tắc tỷ lệ
Trong hệ thống điều chỉnh kiểu này van điều chỉnh có nhiều chế độ là đóng và mở ở nhiều mức từ mức
thấp đến mức cao. Lượng nhiên liệu cấp vào súng phun Qnl có nhiều mức từ thấp đến cao
Khi áp suất hơi giảm từ p5 xuống p1 thì quá trình đốt bắt đầu. Khi mới bắt đầu đốt lượng nhiên liệu cấp
vào sẽ bị giới hạn ở mức thấp (ON - LOW) trong một thời gian nhất định sau đó mới chuyển sang mức
cao (ON - HIGH). Khi áp suất hơi đạt p 3 thì cường độ cháy sẽ tỷ lệ với phụ tải (tỷ lệ nghịch với áp suất
hơi trong nồi hơi), ứng với mỗi áp suất hơi khác nhau sẽ có một độ mở van điều chỉnh nhiên liệu khác
nhau. Khi áp suất hơi đạt p4 thì cường độ cháy là mức thấp. Nếu sau đó áp suất hơi tiếp tục tăng lên đến p 5
thì quá trình đốt sẽ dừng lại. Nếu áp suất hơi không tăng mà giảm đến p 2 thì cường độ cháy lại được điều
chỉnh lên mức cao.
4.2.
Tự động điều chỉnh chất lượng quá trình cháy
Tỷ lệ nhiên liệu và không khí quyết định chất lượng của quá trình cháy. Có thể phân loại các hệ thống tự
động điều chỉnh chất lượng quá trình cháy như sau:
- Điều chỉnh theo phương pháp nối tiếp (điều chỉnh không khí theo nhiên liệu hoặc nhiên liệu theo
không khí)

- Điều chỉnh theo phương pháp song song (điều chỉnh đồng thời không khí và nhiên liệu)
- Điều chỉnh theo phương pháp tính nhiệt lượng
Trong hệ thống điều chỉnh nối tiếp, bộ điều chỉnh áp suất hơi cảm ứng sự thay đổi của phụ tải (sự thay đổi của
áp suất hơi) và sau đó tác động vào cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu hoặc lượng không khí. Một bộ cảm
ứng khác sẽ đo lượng nhiên liệu hoặc lượng không khí và đưa về bộ điều chỉnh để điều chỉnh một cách thích
hợp lượng không khí hoặc lượng nhiên liệu.
Hình 4.4 là sơ đồ khối biểu thị hệ thống điều chỉnh qua trình cháy theo phương pháp nối tiếp. Trong sơ đồ thứ
nhất bộ điều chỉnh áp suất hơi nhận tín hiệu cảm biến áp suất hơi và đưa tín hiệu điều chỉnh tới bộ điều
chỉnh nhiên liệu để thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt. Bộ điều chỉnh không khí cảm biến sự
thay đổi nhiên liệu và đưa ra tín hiệu điều chỉnh thay đổi lượng không khí cấp vào buồng đốt.
Trong sơ đồ thứ hai bộ điều chỉnh áp suất hơi nhận tín hiệu cảm biến áp suất hơi và đưa tín hiệu điều
chỉnh tới bộ điều chỉnh không khí để thay đổi lượng không khí cấp vào buồng đốt. Bộ điều chỉnh nhiên
liệu cảm biến sự thay đổi không khí và đưa ra tín hiệu điều chỉnh thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào buồng
đốt.

Nåi h¬i

Nåi h¬i

bé ®iÒu
chØnh ¸p
suÊt h¬i

bé ®iÒu
chØnh ¸p
suÊt h¬i

bé ®iÒu
chØnh
nhiªn liÖu

bé ®iÒu
chØnh
kh«ng khÝ

kh«ng
khÝ

nhiªn
liÖu

bé ®iÒu
chØnh
kh«ng khÝ
bé ®iÒu
chØnh
nhiªn liÖu

kh«ng
khÝ

nhiªn
liÖu

Hình 4.4: Sơ đồ khối điều chỉnh quá trình cháy theo phương pháp nối tiếp

118


Hình 4.5 là sơ đồ khối của hệ thống điều chỉnh quá trình cháy theo phương pháp song song. Trong hệ
thống điều chỉnh song song, bộ điều chỉnh áp suất hơi cảm ứng sự thay đổi của phụ tải (thông qua áp suất

hơi) và tác động đồng thời lên hai bộ điều chỉnh nhiên liệu và không khí.

Nåi h¬i

bé ®iÒu
chØnh ¸p
suÊt h¬i

bé ®iÒu
chØnh
kh«ng khÝ
bé ®iÒu
chØnh
nhiªn liÖu

kh«ng
khÝ

nhiªn
liÖu

Hình 4.5: Sơ đồ khối điều chỉnh quá trình cháy theo phương pháp song song
Hình 4.6 thể hiện hệ thống điều chỉnh quá trình cháy theo phương pháp đo nhiệt lượng. Nhiệt lượng cần
thiết cấp vào buồng đốt được tính toán dựa trên cơ sở lưu lượng hơi công tác. Trên cơ sở tính toán này kết
hợp với tín hiệu đến từ bộ điều chỉnh áp suất hơi bộ điều khiển nồi hơi đưa ra tín hiệu điều chỉnh lượng
nhiên liệu và không khí cấp vào buồng đốt. Các khóa nhiên liệu sẽ giới hạn sự thay đổi của nhiên liệu và
không khí đảm bảo chất lượng quá trình cháy là tốt nhất. Bộ điều chỉnh loại này thường được trang bị cho
các nồi hơi sử dụng nhiều loại nhiên liệu.
Một số kết luận về các hệ thống điều chỉnh quá trình cháy:
- Hệ thống điều chỉnh nối tiếp không khí theo nhiên liệu không được sử dụng rộng rãi dưới tàu thuỷ vì

trong quá trình chuyển tiếp thay đổi nhiên liệu xảy ra trước thay đổi không khí, như vậy để có quá trình
cháy hợp lý thì tốc độ thay đổi của nhiên liệu phải xảy ra từ từ. Nếu hiệu chỉnh không tốt trong giai đoạn
đầu khi phụ tải tăng, quá trình cháy sẽ sinh khói đen. Trong hệ thống điều chỉnh loại này nhiên liệu vẫn
tiếp tục được cấp ngay cả khi không có không khí vì vậy phải trang bị thiết bị ngắt nhiên liệu.
- Hệ thống điều chỉnh nối tiếp nhiên liệu theo không khí có một số ưu điểm so với hệ thống điều chỉnh
không khí theo nhiên liệu. Trong hệ thống này lượng không khí được định trước bởi bộ điều chỉnh áp suất
hơi và nhiên liệu được xác định theo không khí. Hệ thống loại này có luôn mạch cắt nhiên liệu (không có
không khí thì không cấp nhiên liệu) nên giảm được khả năng tích tụ hỗn hợp cháy ở buồng đốt. Nếu hiệu
chỉnh không tốt thì khi phụ tải tăng quá trình cháy sẽ thay đổi chậm không đáp ứng kịp nhu cầu sử dụng
hơi. Khi phụ tải giảm có thể sẽ có khói đen.
- Hệ thống điều chỉnh song song được áp dụng rộng rãi hơn cả. Ưu điểm của hệ thống này là thay đổi
đồng thời cả nhiên liệu và lượng không khí nên tránh được hiện tượng tích tụ nhiều hỗn hợp cháy trong
buồng đốt, tránh được quá trình cháy thừa nhiều không khí hay nhiên liệu. Hệ thống được trang bị mạch
dừng cấp dầu để ngăn ngừa khả năng gây cháy nổ khi không có không khí cấp trong quá trình khởi động
hoặc vận hành nồi hơi.
- Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy dựa trên cơ sở đo nhiệt lượng cũng có nhiều ưu điểm, tuy nhiên hệ
thống có cấu tạo quá phức tạp và thường chỉ ứng dụng cho các nồi hơi làm việc với nhiều loại nhiên liệu
khác nhau.

119


ĐO LƯU
LƯƠNG
NHIÊN LIÊU

ĐO LƯU
LƯƠNG HƠI

ĐO áp suất

HƠI

ĐO LƯU
LƯƠNG
KHÔNG khí

bộ điều
chỉnh áp
suất hơi

bộ điều
khiển nồi
hơi

khóa
nhiên liệu

khóa
không khí

bộ điều
chỉnh
nhiên liệu

bộ điều
chỉnh
không khí

cơ cấu
điều chỉnh

nhiên liệu

cơ cấu
điều chỉnh
không khí

Hỡnh 4.6: S khi iu chnh quỏ trỡnh chỏy theo phng phỏp o nhit lng

120