Thí nghiệm tự động hóa hệ thống cô đặc chân không

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH & THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH HĨA HỌC TRONG CƠNG NGHIỆP - 065352 THÍ NGHIỆM TỰ ĐỘNG HĨA HỆ THỐNG CƠ ĐẶC CHÂN KHƠNG Nhóm: Ngày thí nghiệm: 04/11/2023 GVHD: TS Bùi Ngọc Pha THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 11/2023 Thành viên nhóm Họ tên MSSV 1Nguyễn Thị Ngọc Phụng 2270551 2Nguyễn Thị Thảo Ngoan 2270550 Nguyễn Thành Nghĩa 2270624 STT Đỗ Văn Phụng 1914726 Phạm Minh Sơn 1914972 Lê Văn Sinh 2270625 MỤC LỤC MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1 Sơ đồ hệ thống 3.2 Giao diện giám sát vận hành HMI 3.3 Các bước vận hành NỘI DUNG THỰC HIỆN 4.1 Vẽ lưu đồ P&ID xác định thao tác vận hành 4.2 Khảo sát hệ thống chế độ PC: 10 TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ NHẬN XÉT, KẾT LUẬN 12 5.1 Câu hỏi 12 Xác định cảm biến sử dụng hệ thống Các cảm biến có cơng dụng gì? Vị trí lặp đặt có mục địch gì: 12 Phân tích thiết bị chấp hành có Nêu cơng dụng vòng điều khiển: 13 Vòng điều khiển hệ thống giám sát chất lượng hệ thống cô đặc: 13 Xác định chức bảo vệ có hệ thống Các chức nhằm mục đích bảo vệ thiết bị gì: 13 Từ trình thực tế, phát triển hệ thống cô đặc liên tục chức cần cải tiến thay đổi: 13 5.2 Nhận xét 14 5.3 Kết luận kiến nghị 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Tìm hiểu thành phần hệ thống cô đặc chân không quy mô pilot - Xây dựng phương án tự động hóa q trình vận hành hệ thống - Tiếp xúc vận hành hệ thống giao diện HMI CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cô đặc phương pháp thường dùng để gia tăng nồng độ cấu tử dung dịch hai hay nhiều cấu tử Dưới tác dụng nhiệt, dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái áp suất riêng phần áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống dung dịch (dung dịch sôi) Để cô đặc dung dịch không chịu nhiệt độ cao, địi hỏi phải đặc nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân mặt thoáng thấp, hay thường áp suất chân khơng (p < bar) Trong ngành mía đường, đặc đóng vai trị quan trọng Cơ đặc nước mía cơng đoạn sau q trình làm nước mía Mục đích q trình làm bốc nước mía có nồng độ ban đầu khoảng 13 – 15 °Bx đến nồng độ khoảng 60 – 65 °Bx Tuy nhiên đặc nước mía tới nồng độ cao (>70 °Bx) xuất tinh thể đọng lại đường ống bơm, tăng độ nhớt gây khó khăn cho q trình phía sau Người ta thường sử dụng cô đặc chân không để đặc dung dịch đường nhiệt độ sơi dung dịch thấp tránh tượng phân hủy biến tính đường THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1 Sơ đồ hệ thống Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống đặc Chú thích: - Buồng đốt - Nồi - Buồng bốc - Bồn cấp nước nồi - Thiết bị ngưng tụ - Tháp giải nhiệt - Bình chứa nước ngưng 10 - Ejector 11 - Bồn chứa nguyên liệu 5, - Bơm nước giải nhiệt Thông tin hệ thống: - Thiết bị cô đặc buồng đốt trong, có ống tuần hồn trung tâm - Hệ thống hoạt động gián đoạn, nhập liệu lần - Nồi áp suất khí (1 bar) - Thiết bị ngưng tụ ống chùm - Hệ thống tạo chân khơng ejector sử dụng dịng nước 3.2 Giao diện giám sát vận hành HMI Hình 3.2 Giao diện vận hành giám sát (HMI) hệ thống thiết kế phần mềm TIA Portal Các tab chức bao gồm: System : Màn hình điều khiển Supervision: Sơ đồ vận hành Control: Chọn chế độ điều khiển, vận hành hệ thống Alarm: Cảnh báo ghi q trình vận hành Parameters: Thơng số q trình điều khiển thơng số an tồn Trend: Đồ thị theo dõi thông số công nghệ theo thời gian thực PSD (Process Shut Down): Tắt hệ thống theo chu trình Giao diện giám sát cung cấp đầy đủ tín hiệu cảm có hệ thống, đồng thời hiển thị trạng thái thiết bị chấp hành hoạt động 3.3 Các bước vận hành Chuẩn bị - Kiểm tra van đường ống để đảm bảo hệ kín khí - Chuẩn bị dung dịch cho nồi cô đặc - Kiểm tra đường cấp nước cho nồi tháp giải nhiệt Vận hành A) Chế độ Panel - Chọn chế độ chạy: xoay RUN MODE đến vị trí PANEL (điều khiển hệ thống thông qua nút tủ điện) - Bật công tắc “Điện trở”: cấp điện cho nồi - Bật công tắc “Quạt”: khởi động tháp giải nhiệt - Khởi động bơm công tắc “Bơm 2”: bắt đầu tạo chân không cho hệ - Khi áp suất hệ giảm cịn 0.7 bar, bật cơng tắc “ Van nhập liệu” : hệ thống tự động nhập liệu đến mức sẵn có kính quan sát - Tùy theo áp suất làm việc, mở thêm bơm điều chỉnh tốc độ bơm - Khi dung dịch đạt nồng độ mong muốn, nhiệt độ sôi dung dịch vượt nhiệt độ cài đặt Tiến hành dừng hệ thống theo thứ tự mở lúc khởi động B) Chế độ PC - Xoay RUN MODE đến vị trí PC - Cài đặt thơng số điều khiển, giá trị cài đặt áp suất làm việc nhiệt độ dung dịch tab Parameter - Quay lại tab System để xác nhận lại thông số cài đặt - Chọn tab Control, tiếp tục chọn mục Start phần Automatic Xác nhận thông báo theo dõi hệ thống vận hành - Khi nhiệt độ nồng độ dung dịch đạt yêu cầu Chọn mục PSD xác nhận kết thúc trình NỘI DUNG THỰC HIỆN 4.1 Vẽ lưu đồ P&ID xác định thao tác vận hành Nguyên liệu nhập theo mẻ vào buồng đốt (1) thiết bị cô đặc, sau gia nhiệt (2) đến nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất chân không thiết lập trước hệ thống Áp suất chân không tạo hệ thống bơm nối tiếp (6) Ejector (5) Lượng nước bay qua buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ (3) để ngưng tụ thành lỏng chứa thiết bị tách giọt (4) thải sau kết thúc quy trình Nước giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ cấp từ tháp giải nhiệt (7) Toàn sơ đồ bố trí thiết bị quy trình cơng nghệ thể Hình 2.1 Hình 4.1a Quy trình cơng nghệ hệ thống cô đặc chân không Các thông số vận hành: + Áp suất chân không (đo buồng bốc): 0,3 atm + Nhiệt độ sôi (đo buồng đốt): 70 ℃ + Nhiệt độ dòng vào TB ngưng tụ: 27,3 ℃ + Nhiệt độ dòng vào TB ngưng tụ: 28,3 ℃ + Bộ điều khiển PID: Kp =80; Ki = 500; Kd = Quy trình vận hành hệ thống thể sơ đồ khối Hình 2.2 Hình 4.1b Quy trình vận hành hệ thống đặc chân khơng Có hai phương thức điều khiển hệ thống tự động trình cô đặc chân không: + Phương thức điều khiển PI&D: dùng để điều chỉnh ổn định áp suất suốt q trình đặc chân khơng + Phương thức điều khiển ON/OFF: điều khiển mức chất lỏng tháp giải nhiệt Hình 4.1c Lưu đồ PI&D hệ thống đặc chân không Đối với điều khiển PI&D: cảm biến nhận tín hiệu áp suất từ buồng bốc đưa điều khiển điều khiển PI&D cho bơm Đối với điều khiển ON/OFF: cảm biến nhận tín hiệu lưu lượng lỏng từ tháp giải nhiệt đưa thiết bị phản hồi (van điện) Ngoài ra, việc sử dụng ejector để tạo chân không tận dụng lưu lượng dòng nước giải nhiệt để điều chỉnh ổn định áp suất chân không phương án phù hợp chi phí kĩ thuật 4.2 Khảo sát hệ thống chế độ PC: Tuỳ vào nhu cầu mà ta lựa chọn phương thức điều khiển phù hợp Ví dụ đặc này, thiết bị điều khiển áp suất P ta chọn phương thức điều khiển PI&D thay ON-OFF do: Bộ điều khiển ON/OFF điều khiển cho tín hiệu hai chế độ (umax 10 umin) hai trạng thái (bật tắt) tùy thuộc vào sai lệch điều khiển e mà nhận Quy luật điều khiển thuật toán ON/OFF: 𝑢(𝑡) = { 𝑢𝑚𝑎𝑥 𝑘ℎ𝑖 𝑒 ≥ 𝑢𝑚𝑖𝑛 𝑘ℎ𝑖 𝑒 < Hình 4.2 Thuật tốn ON/OFF lý tưởng Loại điều khiển không thực giữ biến điều khiển xác điểm đặt, mà biến điều khiển ln có khoảng cách so với điểm đặt Tức ln có độ sai lệch định mà ta điều khiển Bộ điều khiển PI&D cụ thể sử dụng điều chỉnh PI có tác động đủ nhanh, sử dụng với yêu cầu thời gian điều chỉnh cho phép lớn 5𝜏 (𝜏 số thời gian) Ngồi PI cịn có khả triệt tiêu sai lệch tĩnh, nên lựa chọn PI làm điều khiển để điều chỉnh áp suất hồn tồn hợp lý Cịn lựa chọn điều khiển cho để điều chỉnh nhiệt độ T, ta nhập liệu theo mẻ tức cần đạt nhu cầu lấy sản phẩm tiếp tục làm theo mẻ khác nên cần nhiệt độ đạt đến nhiệt độ yêu cầu dừng nên khơng cần sử dụng điều khiển PI&D, sử dụng điều khiển ON-OFF để tiết kiệm chi phí đáp ứng nhu cầu sử dụng 11 TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ NHẬN XÉT, KẾT LUẬN 5.1 Câu hỏi Xác định cảm biến sử dụng hệ thống Các cảm biến có cơng dụng gì? Vị trí lặp đặt có mục địch gì: Bảng 5.1 Các cảm biến sử dụng hệ thống Tên cảm biến Cơng dụng Vị trí lắp đặt LT05 Đo mực chất Buồng đốt lỏng Kiểm soát mực chất lỏng Kiểm soát nhiệt độ Buồng đốt PIC01 Kiểm soát áp suất Buồng bốc LIC06 Kiểm soát mực chất lỏng Tháp giải nhiệt TI03 Hiển thị nhiệt độ LIC05 TIC02 TI04 Buồng đốt Trên đường ống nối từ đỉnh thiết bị ngưng tụ sang tháp giải nhiệt Hiển thị nhiệt độ Trên đường ống nối từ đỉnh thiết bị ngưng tụ đến 12 Mục đích Đo mực chất lỏng buồng đốt Điều khiển van dịng CIP Kiểm sốt nhiệt độ buồng đốt nhằm điều chỉnh lưu lượng đốt Kiểm soát ổn định áp suất buồng bốc vùng áp suất làm việc (~0.3 bar) Kiểm soát lưu lượng dòng nước vào tháp giải nhiệt Theo dõi nhiệt độ ejector Theo dõi nhiệt độ bơm bơm bơm Phân tích thiết bị chấp hành có Nêu cơng dụng vịng điều khiển: Các thiết bị chấp hành có bao gồm: a Van tháo liệu: tháo liệu kiểm tra sản phẩm b Van đường ống dẫn đến bơm 1: Khi đóng van, dịng lưu chất từ bơm di chuyển sang bơm 2, tạo áp suất cao hệ thống Khi mở van, bơm bơm hoạt động nhau, giảm áp cho toàn hệ thống c Van điều khiển lưu lượng dòng lưu chất vào buồng bốc: d Van điều khiển lưu lương dòng nước vào tháp giải nhiệt Vịng điều khiển hệ thống giám sát chất lượng hệ thống đặc: Vịng điều khiển TIC02 đóng vai trị quan trọng khả thi việc giám sát đảm bảo chất lượng sản phẩm cô đặc buồng đốt, ổn định nhiệt độ suốt trình Xác định chức bảo vệ có hệ thống Các chức nhằm mục đích bảo vệ thiết bị gì: Vịng điều khiển LIC05 đảm bảo điều khiển ổn định mực chất lỏng buồng đốt Vòng điều khiển PIC01 kiểm sốt ổn định áp suất tồn hệ thống dao động giá trị ~ 0.3 bar, đảm bảo q trình đặc diễn hiệu Vịng điều khiển LIC06 đảm bảo điều khiển ổn định mực chất lỏng tháp giải nhiệt Từ trình thực tế, phát triển hệ thống cô đặc liên tục chức cần cải tiến thay đổi: 13 Từ trình thực tế, phát triển hệ thống đặc liên tực thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu cần điều khiển PID giúp dòng nhập liệu ổn định nhiệt độ tiệm cận nhiệt độ cô đặc bên hệ thống Bên cạnh đó, bơm chân khơng cần thiết kế với công suất lớn nhằm đảm bảo hút liệu liên tục cách hiệu Cuối cùng, đổi van ON/OFF thành cảm biến analog buồng đốt, đảm bảo việc kiểm soát liên tục kịp thời giá trị mực chất lỏng 5.2 Nhận xét Từ bảng số liệu, kết cho thấy phù hợp so với lý thuyết Chế độ điều khiển ON/OFF có độ xác thấp điều khiển PID thể sai lệch xác lập cao Bộ điều khiển ON/OFF cho heater có thời gian xác lập lâu điều khiển PID thời gian để đạt trạng thái xác lập Điều thể áp suất đạt tới Psp tiếp tục giảm nhiệt độ buồng đốt tăng chậm Bộ điều khiển PID áp suất cho thấy độ điều chỉnh cao nên độ ổn định xác hệ thống khơng cao 5.3 Kết luận kiến nghị Mục tiêu thí nghiệm: Vận hành khảo sát chất lượng điều khiển ON/OFF PID nhằm đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống đặc Phương pháp thí nghiệm: Sử dụng hệ thống cô đặc lắp sẵn hệ thống điều khiển cài đặt thuật toán cho điều khiển, tiến hành chạy hệ thống theo điều khiển ON/OFF PID ghi nhận kết Kết thí nghiệm: Bộ điều khiển ON/OFF có chất lượng điều khiển không cao ( thời gian xác lập chậm, sai lệch điều khiển lớn, dễ bị nhiễu tác động) Bộ điều khiển PID có chất lượng điều khiển tốt ( thời gian xác lập ngắn, sai lệch điều khiển nhỏ, ổn định q trình có tác động nhiễu) Ý nghĩa thí nghiệm: giúp sinh viên nắm cách vận hành hệ thống điều khiển cô đặc lựa chọn phương pháp điều khiển thích hợp thực tế Kiến nghị: 14 + Để khắc phục thời gian xác lập lâu cho Bộ điều khiển ON/OFF heater tăng cơng suất gia nhiệt heater lên cao + Thay đổi quy trình vận hành, cụ thể gia nhiệt trước cho heater đến nhiệt độ khoảng 40 ℃ sau bật bơm tạo mơi trường chân khơng điểm xác lập điều khiển trùng hệ thống ổn định 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Ngọc Pha, Cơ sở điều khiển trình, 1, Khoa Kỹ thuật Hố Học, trường Đại học Bách Khoa TPHCM, 2021 [2] D.E Seborg, T.F Edgar, D.A Mellichamp, Process Dynamics and Control, 2nd Ed., John Wiley, 2004 [3] Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển trình, NXB Bách Khoa, Hà Nội, 2006 16