Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ dựa trên mô hình cho lò đốt khí ga để kiểm tra khả năng chịu lửa của ống dẫn khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ TRẦN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ DỰA TRÊN MƠ HÌNH CHO LỊ ĐỐT KHÍ GA ĐỂ KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA ỐNG DẪN KHÍ RESEARCH ON MODEL-BASED TEMPERATURE CONTROLLER DESIGN OF GAS-FIRED FURNACE FOR FIRE RESISTANCE TEST OF VENTILATION DUCT Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số: 8520114 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2023 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Dương Văn Tú Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Phạm Huy Hoàng Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS Nguyễn Hùng Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 13 tháng 01 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá Đề cương luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Nguyễn Quốc Chí - Chủ tịch TS Phạm Phương Tùng - Thư ký PGS.TS Phạm Huy Hoàng - Phản biện PGS.TS Nguyễn Hùng - Phản biện TS Đoàn Thế Thảo - Ủy viên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ TRẦN ANH TUẤN MSHV: 2170097 Ngày, tháng, năm sinh: 07/04/1997 Nơi sinh: Đồng Nai Mã số ngành: 8520114 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ DỰA TRÊN MƠ HÌNH CHO LỊ ĐỐT KHÍ GA ĐỂ KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA ỐNG DẪN KHÍ (RESEARCH ON MODEL-BASED TEMPERATURE CONTROLLER DESIGN OF GAS-FIRED FURNACE FOR FIRE RESISTANCE TEST OF VENTILATION DUCT) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Tìm hiểu nắm vững tiêu chuẩn thiết kế điều khiển lò đốt, ống dẫn khí, ống khói Tính tốn thiết kế thành phần lò đốt gồm buồng đốt, đầu đốt, ống dẫn khí thải ngồi lị đốt, ống khói quạt ly tâm Xây dựng mơ hình trao đổi nhiệt lị đốt dựa mơ hình vật lý thực nghiệm Mô thực nghiệm điều khiển lò đốt với nhiều trường hợp dựa loại mẫu ống dẫn khí thời gian thử nghiệm So sánh đánh giá điều khiển dựa kết mô thực nghiệm Kết luận kiến nghị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 26/12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Dương Văn Tú Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 12 năm 2022 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Dương Văn Tú CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS.TS Nguyễn Quốc Chí TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô mơn Kỹ Thuật Cơ Điện Tử nói riêng, q thầy khoa Cơ Khí nói chung trang bị kiến thức cần thiết để tơi hồn thành Luận văn ứng dụng vào công việc Xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Nguyễn Tấn Tiến TS Dương Văn Tú tận tình giúp đỡ tơi từ ngày đầu làm đề cương hồn thành cơng trình nghiên cứu Thật may mắn với nhận lời khuyên hướng dẫn tận tình thầy Luận văn tảng để tơi áp dụng kiến thức đường ống lý thuyết truyền nhiệt vào lĩnh vực điện tử lĩnh vực khác Xin gửi lời cảm ơn đến bạn phòng DSCE lab hỗ trợ giúp đỡ suốt thời gian hồn thành cơng trình nghiên cứu người bạn Chương trình Đào tạo Kỹ sư Chất lượng cao Việt Nam (PFIEV) hỗ trợ phần kiến thức liên quan Luận văn Với cố gắng than động viên từ gia đình, thầy bạn bè, Luận văn Thạc sĩ hoàn thành thời gian quy định Tuy nhiên, khối lượng công việc tương đối nhiều kiến thức thân lại nhiều hạn chế, Luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Luận văn quà gửi đến gia đình, thầy hướng dẫn, đồng nghiệp bạn bè, người ủng hộ hỗ trợ TP HCM, ngày 26 tháng 12 năm 2022 Tác giả luận văn Võ Trần Anh Tuấn i TÓM TẮT Nội dung luận văn thiết kế điều khiển dựa mơ hình hóa để điều khiển nhiệt độ lò đốt theo tiêu chuẩn đường cong nhiệt độ ISO834-1, nhằm kiểm nghiệm khả chịu lửa cho hệ thống dẫn khí theo tiêu chuẩn ISO 6944-1:2018 Lò đốt luận văn thiết kế theo dạng module hóa gồm cấu phần ghép nối tiếp với phận buồng đốt, ống dẫn khí, ống khói thiết kế Đầu đốt quạt ly tâm tính tốn lựa chọn Mỗi cấu phần trang bị đầu đốt RS-25 BLU, buồng đốt, vách buồng đốt có bơng cách nhiệt thép chịu nhiệt, phần lưng thơng gió nối ống dẫn khí thải đến ống khói, quạt ly tâm điều khiển biến tần điều khiển để cung cấp khí tươi nhằm giảm nhiệt khí thải ngồi mơi trường tạo chênh áp lị đốt theo tiêu chuẩn ISO-834 Khí thải lị di chuyển khỏi lò nhờ chênh áp độ cao ống khói quạt tạo Bộ điều khiển dựa mơ hình song tuyến tính thiết kế áp dụng thực nghiệm luận văn ii ABSTRACT The main content of the thesis is to design a model-based controller to control the temperature in the gas-fired furnace according to the ISO834-1 temperature curve standard to test the fire resistance of the air distribution system according to the standard of ISO834-1 and ISO 6944-1:2018 standard The gas-fired furnace in the thesis will be designed in a modular form with components connected in series with the main parts such as the combustion chamber, convection, and chimney will be designed The burner and centrifugal fan will be calculated and selected Each component is equipped with RS-25 BLU burners, the combustion chamber, the combustion chamber wall has insulation cotton and heat-resistant steel, the ventilation back is connected to the exhaust pipe to the chimney, a centrifugal fan controlled by the inverter that is controlled to supply fresh air to reduce the heat of the exhaust gas to the environment and create a pressure difference in the furnace in accordance with ISO-834 The flue gas in the furnace will move out of the furnace thanks to the pressure difference created by the height of the chimney and the fan The controller based on bilinear model is designed and applied experimentally in this thesis iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn tốt nghiệp tơi thực hướng dẫn PGS TS Nguyễn Tấn Tiến TS Dương Văn Tú Tất thông tin Luận văn thu thập trình bày theo quy tắc học thuật hành vi đạo đức Các kết Luận văn thật chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm cơng việc thực Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 12 năm 2022 Học Viên Võ Trần Anh Tuấn iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I TÓM TẮT II LỜI CAM ĐOAN IV MỤC LỤC V DANH MỤC HÌNH ẢNH VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU .X DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU XI CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Ống dẫn khí 1.1.1 Vai trò, chức 1.1.2 Phân loại 1.1.3 Vấn đề xảy hỏa hoạn 1.2 Các tiêu chuẩn phương pháp thử nghiệm 1.2.1 Tiêu chuẩn Anh 1.2.2 Tiêu chuẩn Châu Âu 1.2.3 Tiêu chuẩn Úc 1.2.4 Tiêu chuẩn Quốc Tế 1.2.5 Tiêu chuẩn áp dụng Việt Nam 1.3 Bộ điều khiển 1.3.1 Bộ điều khiển nhiệt 1.3.2 Bộ điều khiển áp suất 1.4 Lò đốt 10 1.4.1 Vai trò, chức 10 1.4.2 Phân loại lò đốt 10 1.4.3 Lị đốt ngồi nước 14 1.4.4 Tiêu chuẩn đường cong nhiệt độ 18 1.5 Đặt vấn đề 19 v 1.6 Mục tiêu 19 1.7 Phạm vi 20 1.8 Yêu cầu thiết kế 20 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21 2.1 THỬ NGHIỆM ỐNG DẪN KHÍ 21 2.1.1 Mục đích thử nghiệm 21 2.1.2 Quy trình thử nghiệm 21 2.1.3 Tiêu chí đánh giá 26 2.2 TIÊU CHUẨN THỬ NGHIỆM CHỊU LỬA 28 2.2.1 Đường cong nhiệt độ 28 2.2.2 Dung sai nhiệt độ 29 2.2.3 Chênh lệch áp suất lò thử nghiệm 30 2.2.4 Thiết bị đo dung sai thiết bị đo 32 2.3 Mơ hình Trao đổi nhiệt lò đốt 33 2.3.1 Mơ hình vật lý 35 2.3.2 Mô hình song tuyến tính 39 CHƯƠNG THIẾT KẾ 41 3.1 Thơng số thiết kế lị đốt 41 3.2 Thiết kế khí 42 3.2.1 Tính tốn chiều dày vật liệu tường lò đốt 42 3.2.2 Tính tốn lựa chọn Đầu đốt 48 3.2.3 Thiết kế ống khói 51 3.2.4 Thiết kế đường ống dẫn khí thải 57 3.2.5 TÍnh tốn lựa chọn Quạt ly tâm 62 3.3 Thiết kế điều khiển 64 3.3.1 Thiết kế điều khiển cho mơ hình hóa định luật vật lý 65 3.3.2 Thiết kế điều khiển cho mơ hình song tuyến tính 68 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 69 vi 4.1 Kết mơ dựa mơ hình vật lý 69 4.1.1 Kết mô Mẫu ống dẫn loại A 69 4.1.2 Kết mô Mẫu ống dẫn loại B 72 4.2 Mơ dựa mơ hình song tuyến tính 74 4.3 Kết thực nghiệm 77 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 80 5.1 Kết luận 80 5.2 Hướng nghiên cứu tương lai 80 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 99 vii 85 86 87 88 89 90 91 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Quy định chi tiết số điều biện pháp thi hành Luật Phòng cháy chữa cháy Luật sửa đổi, bổ sung số điều Luật Phòng cháy chữa cháy,” Nghị định số 136/2020/NĐ-CP, 2020 Internet: https://thuvienphapluat.vn/van-ban/Tai-nguyen-Moitruong/Nghi-dinh-136-2020-ND-CP-huong-dan-Luat-Phong-chay-vachua-chay-458292.aspx [Accessed: 21-Dec-2022] [2] Bộ Xây Dựng, “An toàn cháy cho nhà cơng trình; Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia an tồn cháy cho nhà cơng trình,” QCVN 06, 2021 Internet: https://thuvienphapluat.vn/van-ban/Xay-dung-Do-thi/Thong-tu02-2021-TT-BXD-QCVN-06-2021-BXD-Quy-chuan-ky-thuat-quoc-giave-An-toan-chay-cho-nha-474757.aspx [Accessed: 21-Dec-2022] [3] Svensson and Stefan Fire Ventilation, Sweldish: Swedish civil contingency agency, 2020, pp 135-156 [4] Khai Hoan “Ống Gió Chống Cháy,” Internet: https://khaihoaninsu.com/ong-gio-chong-chay-la-gi [Accessed: 21-Dec2022] [5] Hoang et al., “Những vụ cháy nhà cao tầng kinh hoàng khiến người dân hoảng sợ,“ Internet: https://vov.vn/xa-hoi/nhung-vu-chay-nha-cao-tangkinh-hoang-khien-nguoi-dan-hoang-so-743011.vov [Accessed: 21-Dec2022] [6] “Fire containment – Elements of Building Construction – Part 1: Ventilation ducts,” ISO 6944-1, 2020 [7] Mercor et al., “Protection against fire of ventilation and extraction ducts,” Internet: https://mercortecresa.com/en/blog/protection-against-fire-ofventilation-and-extraction-ducts [Accessed: 21-Dec-2022] [8] “Fire tests on building materials and structures Method for determination of the fire resistance of ventilation ducts,” BS 476-24, 2014 [9] “Fire resistance tests for service installations,” BS EN 1366 – 1, 2014 93 [10] “Methods for fire tests on building materials, components and structures Part 4: Fire-resistance test of elements of construction,” AS 1530.4, 2015 [11] “Smoke and heat control systems Smoke duct sections,” BS EN 12101-7, 2016 [12] “Extended application of results from fire resistance tests for service installations Ducts,” BS EN 15882-1, 2014 [13] “Fire-resistance tests-Elements of building construction-Part 1: General requirements,” ISO 834-1:2012, 2012 [14] “Fire classification of construction products and building elements Classification using data from fire resistance tests, excluding ventilation services,” BS EN 13501-2, 2014 [15] “Fire resistance tests –Part 1: General Requirements,” EN 1363-1, 2013 [16] “Yêu cầu thử nghiệm chịu lửa với cơng trình xây dựng,” TCVN 93111, 2012 [17] Martineau et al., “Application of a bilinear pid compensator to an industrial furnace,” IFAC Proceedings Volumes, vol 35, no 1, pp 25-30, 2002 [18] Bekker et al., “Model predictive control of an electric arc furnace off-gas process,” Automatika, vol 8, pp 445–455, 2000 [19] Chook et al., “Identification of an electric resistance furnace,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol 56, pp 22622270, 2007 [20] Álvarez De Miguel et al., “Identification model and PI and PID controller design for a novel electric air heater,” in Proc Int Conf Comput Intell, vol 58, no 1, pp 55-68, 2017 [21] Strommer et al., “Modeling and control of gas supply for burners in gasfired industrial furnaces,” in Proc Int Conf Comput Intell., Modelling Simulation, vol 10, pp 210–215, 2009 [22] Roffel “Dynamics and Control of a Gas-Fired Furnace,” Chemical Engineering Science, vol 4, pp 2083–2092, 1974 94 [23] Zareba et al., “Mathematical modelling and parameter identification of a stainless steel annealing furnace,” Simulation Modelling Practice and Theory, vol 60, pp 15 – 39, 2016 [24] Strommer et al., “Modeling and control of gas supply for burners in gasfired industrial furnaces,” in Proceedings of the IEEE Conference on Control Applications, Antibes, France, pp 210–215, 2014, [25] Álvarez De Miguel et al., “Identification model and PI and PID controller design for a novel electric air heater,” Automatika, vol 58, no 1, pp 5568, 2017 [26] Martineau et al., “Application of a bilinear pid compensator to an industrial furnace,” IFAC Proceedings Volumes, vol 35, no 1, pp 25-30, 2002 [27] Dunoyer et al., “On the discretization of single-input single-output bilinear systems,” Int J Control, vol 68, no 2, pp 361-372, 1997 [28] Burnham et al., “A Bilinear Controller with PID Structure,” Computing and Control Engineering Journal, vol 10, pp 4363–4367, 1999 [29] Fletcher et al., “Multivariable Control Strategies applied to a Gas Pressure Reduction Station”, Computing and Control Engineering Journal, vol pp 128-136, 1990 [30] DF Ahmed et al., "Stability Analysis and Design of Pressure Control System," International Journal of Modern Engineering and Research Technology, vol 15, pp 64–76, 2008 [31] Puchong et al., “Vertical fire resistance test furnace,” Internet: https://www.cmtsproduct.com/vertical-fire-resistance-test-furnace/ [Accessed: 21-Dec-2022] [32] Puchong et al., “Horizontal fire resistance test furnace,” Internet: https://www.cmtsproduct.com/horizontal-fire-resistance-test-furnace/ [Accessed: 21-Dec-2022] 95 [33] Puchong et al., “Hydraulic tilting fire resistance test furnace,” Internet: https://www.cmtsproduct.com/hydraulic-tilting-fire-resistance-testfurnace/ [Accessed: 21-Dec-2022] [34] “Building Material Fire Tester and Structures Fire Resistance Test Furnace,” BS 476 Part 20&22, 2004 [35] “Full Scale Vertical Fire Resistance Test Equipment For Construction Products,” Internet: https://emin.vn/en_US/yuyangyy106-yuyang-yy106-full-scale-verticalfire-resistance-test-equipment-for-construction-products-51588/pr.html [36] Puchong et al., “A quick guide to standard time-temperature curves,” Internet: https://www.promat.com/en/tunnels/your-project/expertarea/159980/ [Accessed: 21-Dec-2022] [37] Puchong et al., “International fire cure,” Internet: https://www.promat.com/en/tunnels/your-project/expert area/159981/international-fire-curves-fire-safety/ [Accessed: 21-Dec2022] [38] “Thử nghiệm chịu lửa – Các phận cơng trình xây dựng – Phần 3: Chỉ dẫn phương pháp thử áp dụng số liệu thử nghiệm với cơng trình xây dựng,” TCVN 9311-3,2012 [39] “Thử nghiệm chịu lửa – Các phận cơng trình xây dựng – Phần 4: u cầu riêng phận ngăn cách đứng chịu tải,” TCVN 9311-4, 2012 [40] “Thử nghiệm chịu lửa – Các phận cơng trình xây dựng – Phần 5: Các u cầu riêng phận ngăn cách nằm ngang chịu tải,” TCVN 9311-5, 2012 [41] “Thử nghiệm chịu lửa – Các phận cơng trình xây dựng – Phần 6: Các yêu cầu riêng dầm,” TCVN 9311-6, 2012 [42] “Thử nghiệm chịu lửa – Các phận cơng trình xây dựng – Phần 7: Các u cầu riêng cột,” TCVN 9311-7, 2012 96 [43] “Thử nghiệm chịu lửa – Các phận cơng trình xây dựng – Phần 8: Các yêu cầu riêng phận ngăn cách đứng không chịu tải,” TCVN 9311-8, 2012 [44] “Fire-resistance tests - Elements of building construction - Part 9: Specific requirements for non-loadbearing ceiling elements,” ISO 834-9, 2003 [45] “Fire resistance tests - Elements of building construction - Part 10: Specific requirements to determine the contribution of applied fire protection materials to structural steel elements,” ISO 834-10, 2014 [46] “Fire resistance tests - Elements of building construction — Part 11: Specific requirements for the assessment of fire protection to structural steel elements,” ISO 834-11, 2014 [47] “Thử nghiệm khả chịu lửa - Cửa cửa chắn ngăn cháy,” TCVN 9383, 2012 [48] “Fire resistance tests - Fire dampers for air distribution systems - Part 1: Test method,” ISO 10294-1, 1996 [49] M A Sultan et al., “Heat exposure in fire resistance furnaces: full-scale vs intermediate-scale,” 2012 [50] C Maluk et al., “A Heat-Transfer Rate Inducing System (H-TRIS) Test Method,” Fire Safety Journal, vol 105, pp 307–319, Apr 2019 [51] M Bhavan et al., “Indian Standard Code of practice for design and construction of steel,” 1998 [52] IS 6533-1: Code of practice for design and construction of steel chimneys, Part 1: Mechanical aspects,” 1989 [53] “Wind Loads on Buildings and Structures-Proposed Draft & Commentary,” IS: 875, 2012 [54] Joseph Igoe et al., “Design of Small-Scale Furnace for Fire Resistance Testing of Building Construction Materials,” M.A thesis, University of Worcester, USA, 2017 [55] Jonathan Vallée "Reliability of fire barriers," Ph.D dissertation, University of Lund, USA ,2016 97 [56] “Fire containment - Part 2: Kitchen extract ducts,” ISO 6944-2, 2020 [57] Tunnel “Fire resistance standards for testing of construction systems,” Internet:https://www.promat.com/en/tunnels/your-project/expertarea/159982/fire-resistance-standards-construction-systems/ [Accessed: 21-Dec-2022] [58] D Drysdale Heat Transfer, New York: McGraw-Hill, 2011, pp 35–82, [59] U Wickström et al., “Validation fire tests on using the adiabatic surface temperature for predicting heat transfer,” SP Technical Research Institute of Sweden, vol 19, 2009 [60] U Wickström et al., Methods for Predicting Temperatures in FireExposed Structures, New York: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2016 98 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: VÕ TRẦN ANH TUẤN Ngày, tháng, năm sinh: 07/04/1997 Nơi sinh: Đồng Nai Địa liên lạc: Ấp Tập Phước, Xã Long Phước, Huyện Long Thành, Tỉnh Đồng Nai Email: votrananhtuan97@gmail.com Sđt: 0902869193 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Từ 2015 đến năm 2021: Đại học quy chuyên ngành Cơ Điện Tử, Chương trình Đào tạo Kỹ sư chất lượng cao Việt Nam (PFIEV), trường Đại Học Bách Khoa TPHCM Từ 2021 đến nay: Thạc sĩ chuyên ngành Cơ Điện Tử, trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ 05/2022 đến nay: Tổng cơng ty tư vấn thiết kế dầu khí (PVE)