nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều khiển đầu đốt tang sấy cốt liệu trong trạm trộn bê tông nhựa nóng

Do vậy, đề tài ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển tang sấy cốt liệu trong trạm trộn bê tông nhựa nóng” mang tính thiết thực cao, hướng tới giải quyết một vấn đề cụ thể là hiệ

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ TIN HỌC TỰ ĐỘNG HÓA

- -

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Sự phát triển của kỹ thuật đốt công nghiệp .2

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng và sự cần thiết của Đề tài 5

1.3 Khảo sát đầu đốt ZZR của Trung Quốc 6

1.4 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài 8

1.5 Nội dung của đề tài 9

Chương 2: QUÁ TRÌNH ĐỐT VÀ SỰ CHÁY NHIÊN LIỆU 10

2.1 Các nguyên lý của quá trình cháy 10

2.1.1 Quá trình đốt cháy 10

2.1.2 Ba chữ T của quá trình cháy 11

2.2 Tính toán nhu cầu không khí 12

2.2.1 Tính toán nhu cầu không khí cho quá trình đốt cháy dầu đốt 12

2.2.2 Tính toán nồng độ CO2 trên lý thuyết trong khí lò 13

2.2.3 Tính toán thành phần khí lò với khí dư 14

2.2.4 Tính toán % CO2 trên lý thuyết trong khói lò theo thể tích 15

2.3 Khái niệm về khí dư và hệ số tiêu hao không khí 15

2.4 Đảm bảo tỷ lệ gió/dầu trong điều khiển đốt 17

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19

3.1 Thiết kế tổng thể 19

3.1.1 Xây dựng các tính năng cơ bản của Bộ điều khiển 19

3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 20

3.2 Thiết kế phần cứng 21

3.2.1 Bộ điều khiển 21

3.2.2 Màn hình thao tác 22

3.2.3 Bộ điều khiển nhiệt độ 22

3.2.4 Điều khiển Bơm dầu và Quạt gió 23

3.3 Thiết kế phần mềm 25

3.3.1 Quy trình làm việc của Đầu đốt 25

3.3.2 Phần mềm cho PLC 26

3.3.3 Phần mềm cho màn hình thao tác 29

3.4 Hiệu chỉnh mạch đo nhiệt độ 34

Chương 4: THIẾT LẬP BẢNG QUAN HỆ GIÓ – DẦU 35

4.1 Đặc tính của Bơm và Quạt 35

4.2 Phương pháp dựng đường cong Gió – Dầu 36

4.3 Dựng đường cong Gió – Dầu bằng thực nghiệm 38

4.3.1 Cách thức dựng đường cong gió – dầu bằng thực nghiệm 38

4.3.2 Kết quả dựng đường cong gió dầu bằng thực nghiệm 39

Chương 5: THỬ NGHIỆM 41

5.1 Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 41

5.1.1 Phương pháp và cách thức thử nghiệm 41

5.2 Thử nghiệm thực tế 42

5.2.1 Thiết kế thử nghiệm 42

5.2.2 Kết quả thử nghiệm 43

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 47 Phụ lục 1: Các bản vẽ thiết tủ điều khiển và sơ đồ đấu nối hệ thống 47

Phụ lục 2: Một số hình ảnh sản phẩm đề tài 57

Phụ lục 3: Một số hình ảnh thử nghiệm thực tế 59

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phương pháp truyền thống 2

Hình 1.2: Phương pháp cải tiến 3

Hình 1.3: Đầu đốt VFR dùng VSD 4

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động đầu đốt ZZR 6

Hình 2.1: Quá trình đốt cháy hoàn hảo, tốt và không hoà tất 11

Hình 2.2: Khí dư và hiệu suất đốt 15

Hình 2.3: Mối liên quan giữa CO2 và Khí dư 16

Hình 2.4: Mối liên quan giữa oxy dư và khí dư 17

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống đầu đốt 19

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đầu đốt 20

Hình 3.3: CPU CP1H và các thông số cơ bản 22

Hình 3.4: Điều khiển bơm dầu và quạt gió 24

Hình 3.5: Thuật toán vòng điều khiển chính 27

Hình 3.6: Thuật toán điều khiển chu trình đánh lửa tự động 28

Hình 3.7: Thuật toán điều khiển chu trình điều khiển nhiệt độ tự động 29

Hình 3.8: Tham số làm việc của hệ thống 30

Hình 3.9: Tham số hệ thống của bộ điều khiển 31

Hình 3.10: Màn hình giám sát đánh lửa tự động và làm việc 32

Hình 3.11: Màn hình đánh lửa bằng tay 32

Hình 3.12: Màn hình chọn chế độ làm việc 33

Hình 3.13: Màn hình dừng hệ thống bằng tay 33

Hình 4.1: Đặc tính làm việc của Bơm và Quạt 35

Hình 4.2: Dựng đường cong gió – dầu theo lý thuyết từ kết quả thực nghiệm 37

Hình 4.3: Bảng quan hệ đường cong Gió - Dầu 38

Hình 4.4: Đường cong gió – dầu dựng bằng thực nghiệm 40

MỞ ĐẦU

Hiện nay, việc sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng đang là một trong những vấn đề cấp thiết và có ý nghĩa lớn đối với không chỉ riêng Việt Nam mà là với

toàn thế giới Do vậy, đề tài ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển tang sấy cốt

liệu trong trạm trộn bê tông nhựa nóng” mang tính thiết thực cao, hướng tới giải

quyết một vấn đề cụ thể là hiệu quả sử dụng nhiên liệu dầu trong quá trình làm việc của các bộ đầu đốt trạm trộn bê tông nhựa nóng

Các kết quả nghiên cứu có thể được mở rộng và áp dụng không chỉ riêng cho một đối tượng cụ thể là đầu đốt trạm trộn mà có thể ứng dụng cho nhiều đối tượng khác trong công nghiệp đốt

Trở lại mục tiêu chính của đề tài, cho đến nay hầu hết các sản phẩm đầu đốt trong nước đều là nhập ngoại Ngoài yếu tố giá thành cao thì nó còn có nhiều nhược điểm như quy trình, điều kiện sử dụng không phù hợp, bảo hành bảo trì khó khăn, quá trình vận hành không thuận tiện cho công nhân với giao diện điều khiển không phải tiếng Việt

Nhu cầu trạm trộn trong nước hiện lên tới hàng trăm bộ trên năm, riêng bộ phận đầu đốt của trạm là phải nhập khẩu Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều khiển đầu đốt tang sấy, làm tiền đề cho việc tiến tới chế tạo cả bộ đầu đốt vừa có tính khoa học vừa có tính thiết yếu cho mảng trạm trộn trong nước

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Sự phát triển của kỹ thuật đốt công nghiệp

Ngọn lửa trong đầu đốt hình thành từ hai thành phần là gió và dầu nhiên liệu, được cung cấp bằng quạt và bơm dầu Nguyên tắc chung của việc điểu chỉnh tăng/giảm ngọn lửa đầu đốt (để bám vào giá trị đặt của tham số mục tiêu, ví dụ nhiệt

độ cốt liệu hoặc áp suất hơi ) là điều chỉnh đồng thời gió và nhiên liệu để đảm bảo tỷ

lệ gió/nhiên liệu luôn đạt quanh mức tối ưu để đầu đốt đạt hiệu suất cao nhất

Với các đầu đốt truyền thống dùng trong công nhiệp (tham số mục tiêu là nhiệt

độ vật liệu sấy hoặc áp suất hơi… ), việc điều chỉnh đồng thời gió và nhiên liệu được thực hiện thông qua việc điều chỉnh độ mở cửa gió và cửa dầu (hình 1) Quá trình điều chỉnh này xảy ra đồng thời với cửa gió và cửa dầu nhờ cơ cấu thanh truyền kết nối cơ học hai cơ cấu đóng/mở tương ứng của cửa gió và cửa dầu Tín hiệu phản hồi báo độ

mở được lấy từ biến trở quay đồng trục với cửa gió

Hình 1.1: Phương pháp truyền thống

Phương pháp này có những nhược điểm sau:

- Cách điều chỉnh này chỉ điều chỉnh độ mở cửa gió và cửa dầu mà không tác động gì vào quạt và bơm dầu, hai động cơ này vẫn tiếp tục chạy hết công suất dẫn đến lãng phí điện năng sử dụng, đồng thời làm giảm tuổi thọ của các động cơ này và các kết cấu cơ khí liên quan

- Do bản chất cơ học, cơ cấu thanh truyền kết nối hai cơ cấu đóng/mở của cửa gió và cửa dầu khó đảm bảo tỷ lệ gió/dầu tối ưu trong cả dải điều chỉnh Mặt khác khi

thay đổi loại dầu đốt (từ dầu nhẹ sang dầu nặng hay dầu cặn) đòi hỏi phải chỉnh lại tỷ

tệ cửa mở gió/dầu cho phù hợp với loại dầu tương ứng, điều này là hết sức khó khăn cho người vận hành không chuyên, nếu không nói là không thể thực hiện được Chính

vì vậy phương pháp đốt truyền thống không thể đảm bảo đốt một cách hiệu quả khi sử dụng các loại dầu khác nhau

Một phương pháp khác khắc phục một số nhược điểm của phương pháp

truyền thống bằng cách tách ra điều khiển độc lập cửa gió và cửa dầu bằng các động

cơ servo riêng rẽ (hình 1.2), dựa trên cơ sở số đo nồng độ oxy do máy đo oxy trong khí thải cung cấp, bằng cách đó có thể đảm bảo tỷ lệ gió/dầu là tối ưu trong cả dải điều chỉnh, kết quả là tiết kiệm dầu và giảm ô nhiễm môi trường Một số hãng kết hợp những cải tiến này với việc sử dụng biến tần (Variable Speed Drive - VSD) cho quạt hút gió để tính toán công suất hợp lý cho quạt trong quá trình làm việc nhằm mục tiêu giảm điện năng tiêu thụ Phương pháp này cho phép đạt những chỉ tiêu tốt về chí phí, hiệu suất và môi trường nhưng giá thành cao, không phù hợp với ứng dụng thông thường trong tang sấy trạm trộn bê tông nhựa nóng

Hình 1.2: Phương pháp cải tiến

Đầu đốt VFR (Variable Feeding Regulator) có nguyên lý điều khiển khác cơ

bản so với đầu đốt truyền thống, đó là kiểm soát tỷ lệ cung cấp gió và dầu bằng cách thay đổi tốc độ quay của quạt hướng trục (các phương pháp khác sử dụng quạt ly tâm)

và tốc độ bơm dầu một cách riêng rẽ thông qua các bộ biến tần tương ứng (hình 3) Khi cần thay đổi tăng giảm ngọn lửa, lượng gió cấp sẽ được điều chỉnh cùng với sự thay đổi của lượng dầu một cách chính xác, đảm bảo dầu nhiên liệu được đốt tối ưu

Điều này đạt được nhờ sử dụng số đo nồng độ oxy do máy phân tích oxy trong khí thải cung cấp lại

Hình 1.3: Đầu đốt VFR dùng VSD

Như vậy đầu đốt VFR có những ưu điểm sau so với đầu đốt truyền thống:

- Không có cửa gió và cửa dầu là những cơ cấu cơ khí phức tạp, vì vậy giúp lắp đặt và bảo dưỡng đầu đốt dễ dàng và giảm đáng kể tỷ lệ hỏng hóc

- Phương pháp này cho phép đốt hoàn toàn dầu nhiên liệu và đồng thời tăng tuổi thọ của bơm dầu

- Mức điều chỉnh ngọn lửa rộng mà luôn đảm bảo tỷ lệ gió/dầu tối ưu Cho phép thay đổi loại dầu đốt (từ dầu nhẹ sang dầu nặng hay dầu cặn) một cách linh hoạt

và dễ dàng (bằng cách chọn loại dầu trong menu hoặc tự thiết lập bộ tham số tỷ lệ cho một loại dầu phi tiêu chuẩn)

- Nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng tiêu thụ cho quạt gió và bơm dầu vì các động cơ này chỉ chạy với tốc độ vừa đủ cho nhu cầu đầu ra

- Tiếng ồn nhỏ hơn do dùng quạt hướng trục và thường không chạy với tốc độ cao nhất, ít gây ô nhiễm môi trường hơn , tiết kiệm nhiên liệu, an toàn và thông minh hơn

Trước đây khi giá nhiên liệu rẻ, các nhà sản xuất đầu đốt truyền thống không chú tâm nhiều đến việc cải tiến công nghệ Vài năm trở lại đây, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và điện năng mang tính quyết định trong việc giảm giá thành sản phẩm nên việc

sử dụng đầu đốt VFR là xu thế chung của các ngành công nghiệp Trong lĩnh vực trạm

trộn bê tông nhựa nóng, đầu đốt VFR cũng đang được nhiều nhà chế tạo trạm đưa vào ứng dụng

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng và sự cần thiết của Đề tài

Cho đến nay, sản phẩm đầu đốt công nghiệp mà trong nước sử dụng đều 100% nhập ngoại và hầu hết đều theo nguyên lý làm việc truyền thống Lý do không có sản phẩm trong nước vì các cụm thiết bị cơ khí đòi hỏi phải được tính toán thiết kế và chế tạo chính xác, điều này cơ khí trong nước chưa đáp ứng được Cũng chính vì vậy mà các công trình nghiên cứu chỉ rải rác tập trung vào việc chế tạo một vài mẫu đầu đốt chuyên dụng theo kiểu truyền thống, ví dụ đề tài cấp nhà nước KC03.19/06-10 và Dự

án SXTN KC03.DA03/06-10 thuộc chương trình trọng điểm về Tự động hoá KC03.03/06-10 có sản phẩm là hệ thống tự động hoá quá trình nung các sản phẩm gốm sứ Hệ thống này sử dụng nhiên liệu là khí ga với cơ cấu chấp hành là các cửa

mở như phương pháp truyền thống

Nay với nguyên lý đầu đốt VFR với kết cấu cơ khí đơn giản hơn, cho phép hoàn toàn có thể chế tạo trong nước các cấu kiện cơ khí, thì việc đầu tư nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho đầu đốt kiểu VFR trong đề tài này là rất cần thiết để làm tiền đề cho việc chế tạo ra đầu đốt VFR ở mức độ dự án SXTN để hoàn thiện sản phẩm, sau đó chuyển giao cho doanh nghiệp KHCN sản xuất sản phẩm thương mại cung cấp cho nhu cầu rất lớn trong nước, thay thế nhập ngoại

Nhu cầu đầu đốt riêng cho mảng trạm trộn bê tông nhựa nóng là hàng trăm bộ/năm Hiện nay các trạm trộn đều sử dụng đầu đốt truyền thống Năm 2010 Công ty

CP Thương mại và Cơ khí Công trình đã nhập một đầu đốt VFR đầu tiên về lắp cho trạm trộn do Công ty chế tạo Đây sẽ là các máy mẫu để đề tài tham khảo và cũng là nơi sẽ thử nghiệm sản phẩm của để tài để có cơ sở so sánh với sản phẩm nhập

Đề tài này chọn đối tượng cụ thể là đầu đốt dùng trong trạm trộn bê tông nhựa nóng vì đây là lĩnh vực mà VIELINA đã cung cấp hệ thống điều khiển cho các nhà chế tạo trạm trong hàng chục năm qua nên chúng tôi hiểu rất rõ nhu cầu sử dụng cũng như khả năng đưa sản phẩm này vào ứng dụng Tính ứng dụng thực tế và khả năng thương mại hóa của sản phẩm Đề tài là rất cao

1.3 Khảo sát đầu đốt ZZR của Trung Quốc

Cấu trúc và nguyên lý làm việc

Đầu đốt ZZR của Công ty CP Công nghệ đốt Bắc Kinh có sơ đồ khối nguyên lý

hoạt động như trên hình 1.4 Nguyên lý làm việc của đầu đốt này tương tự như nguyên

lý đầu đốt kiểu mới VFR đã trình bày trong mục 1.1, trang 2, tức là điều chỉnh công suất đốt thông qua việc điều chỉnh tốc độ bơm dầu và tốc độ quạt gió một cách hợp lý Công suất đốt được tính toán trên cơ sở mục tiêu điều khiển là ổn định nhiệt độ cốt liệu (quanh giá trị đặt) sau khi đi qua tang sấy Thuật toán tính toán công suất đốt là PID được thực hiện trong một bộ điều khiển nhiệt độ chuyên dụng Các tham số của thuật toán PID có giá trị liên quan đến các thông số kỹ thuật của tang sấy cũng như các thông số của cốt liệu cần sấy, do người vận hành trạm xác định bằng kinh nghiệm

và điều chỉnh qua thực tế

Biến tần quạt

Biến tần bơm

PLC

Không khí vào

Quạt hướng trục

Hệ thống điều khiển tự động

Bộ điều khiển nhiệt độ

Đầu đo nhiệt

độ cốt liệu

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động đầu đốt ZZR

Các thông số kỹ thuật của đầu đốt ZZR

1 Quạt hướng trục:

- Điện áp làm việc: 380V/ 50Hz

- Tốc độ quay lớn nhất của Rotor: 2950 vòng/ phút

- Công suất động cơ: 11 kW

2 Bơm dầu

- Áp suất dầu lớn nhất: 0.6 Mpa

- Lưu lượng dầu lớn nhất: 600 lít/giờ

- Tốc độ quay lớn nhất của Rotor: 950 vòng/ phút

- Công suất động cơ: 2.2 kW

3 Máy nén khí

- Áp suất khí: ≥ 0.6 Mpa

- Lưu lượng không khí tiêu thụ: 2.5 m3/h

4 Súng phun Acetylene đánh lửa

- Áp suất Acetylene ≥ 0.05 + 0.01 MPa (0.5 ~ 0.6 bar)

5 Súng phun dầu: Phun ra hợp chất dạng sương để có thể đốt cháy hoàn toàn

6 Thang hiệu chỉnh ngọn lửa: 1:10

7 Bộ gia nhiệt: 4 kW/ điện áp làm việc 380V; được điều khiển bằng bộ điều khiển PID

Các bộ phận cấu thành Bộ điều khiển của đầu đốt ZZR

- Bộ PLC224 S7-200 của SIEMENS với màn thao tác OP, điều khiển bơm dầu

và quạt hướng trục thông qua 2 bộ biến tần Bộ PLC có các khối mở rộng thực hiện các chức năng như:

o Module EM233: Khối mở rộng đầu ra đầu vào số

o Module EM235: Khối mở rộng đầu vào analog, thực hiện chức năng đo

áp suất dầu trước bép phun; thông số công suất đốt từ đầu ra của bộ điều khiển nhiệt độ

o Module EM231: Khối mở rộng đầu vào analog, thực hiện chức năng đo giá trị các điểm đo nhiệt độ: cốt liệu sau sấy; nhiệt độ dầu trong bồn chứa, nhiệt độ dầu sau bộ gia nhiệt, nhiệt độ khói thải trước quạt hút

o Module EM232: Khối mở rộng đầu ra analog, thực hiện điều khiển hai biến tần bơm và quạt

- Hai biến tần điều khiển tốc độ động cơ quạt và bơm

- Các van chuyển mạch dầu FO/DO trong quá trình khởi động và dừng, van dầu, van khí, van ga, súng đánh lửa;

- Đầu phát hiện ngọn lửa (flame detector), các bộ công tắc áp suất (pressure switch) của các thành phần ga, khí để dảm bảo áp lực ga và khí phải đủ

- 04 đầu đo nhiệt độ tại các điểm đo: cốt liệu sau sấy; nhiệt độ dầu trong bồn chứa, nhiệt độ dầu sau bộ gia nhiệt, nhiệt độ khói thải trước quạt hút 01 đầu đo

áp lực dầu trước súng phụt dầu

1.4 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài

Đề tài nhằm thực hiện các mục tiêu sau:

• Tìm hiểu và làm chủ việc thiết kế chế tạo bộ điều khiển đầu đốt kiểu mới theo nguyên lý kiểm soát tỷ lệ cung cấp gió và dầu bằng cách thay đổi tốc độ quay của quạt hướng trục và tốc độ bơm dầu, làm cơ sở cho việc chế tạo đầu đốt cung cấp cho thị trường trong nước thay thế hàng nhập

Phương pháp nghiên cứu:

• Nghiên cứu, tham khảo và kế thừa các thành tựu của các hãng, các nhà sản xuất lớn trên thế giới để nhanh chóng hiểu được nguyên lý hoạt động và phương pháp chế tạo Bộ DKDD Tham khảo máy mẫu trong quá trình thiết kế chế tạo và thử nghiệm

• Kiểm tra, mô phỏng các thiết kế cả phần cứng và phần mềm trên các công cụ mô phỏng để đưa ra được thiết kế tối ưu trước khi thực hiện

• Đưa bộ điều khiển vào chạy thử thực tế tại trạm bê tông nhựa, sử dụng thiết bị phân tích oxy trong khí thải để điều chỉnh (bằng tay) tối ưu tỷ lệ gió/dầu đối với một số điểm công suất trong cả dải 10%-100%, từ đó

dùng phép nội suy thiết lập đường cong gió/dầu cho từng loại dầu sẽ sử dụng (dầu nhẹ, dầu nặng, dầu cặn) Các đường cong này sẽ được lưu vào bộ nhớ của bộ điều khiển để tham chiếu khi điều khiển trong thực tế

mà không cần đến thiết bị phân tích oxy để giảm giá thành, giảm độ phức tạp và tăng tính ổn định của sản phẩm

• Sau khi đã có sản phẩm mẫu sẽ đưa đi ứng dụng thực tế để kiểm tra đánh giá tính năng của sản phẩm và hoàn thiện thiết kế

1.5 Nội dung của đề tài

Các chương của báo cáo trình bày các nội dung mà đề tài đã thực hiện gồm:

• Khảo sát các loại đầu đốt công nghiệp của các hãng nước ngoài; nêu tính cần thiết, tính khả thi trong mục tiêu của đề tài

• Các vấn đề lý thuyết trong quá trình đốt

• Thiết kế chế tạo phần cứng/phần mềm bộ điều khiển đầu đốt

• Thiết lập đường cong gió/dầu cho loại dầu sẽ sử dụng

• Thử nghiệm thực tế trên đầu đốt của trạm trộn bê tông nhựa nóng và đánh giá

• Viết báo cáo tổng kết KHKT

Chương 2: QUÁ TRÌNH ĐỐT VÀ SỰ CHÁY NHIÊN LIỆU

Phần này trình bày các nguyên lý của quá trình cháy, cách tính toán mức khí hợp lý và khái niệm của khí dư Đây là cơ sở lý thuyết của bài toán điều khiển quá trình cháy

2.1 Các nguyên lý của quá trình cháy

2.1.1 Quá trình đốt cháy

Quá trình cháy là sự oxy hoá nhanh nhiên liệu để tạo ra nhiệt hoặc nhiệt và ánh sáng Quá trình đốt cháy nhiên liệu hoàn tất chỉ khi được cấp một lượng thích hợp oxy Oxy (O2) là một trong những nguyên tố thông dụng nhất trên trái đất, chiếm tới 20.9% trong không khí Oxy hoá nhiên liệu nhanh sẽ mang lại lượng nhiệt lớn Nhiên liệu rắn hoặc lỏng phải chuyển hoá thành khí trước khi cháy Thông thường, để chuyển hoá chất lỏng hoặc rắn sang dạng khí cần phải sử dụng nhiệt Khí nhiên liệu sẽ cháy ở trạng thái bình thường nếu có đủ không khí

Phần lớn trong số 79% không khí (không phải là oxy) là nitơ cùng với một ít các thành phần khác Nitơ được xem là yếu tố pha loãng làm giảm nhiệt độ cần có để đạt được lượng oxy cần cho quá trình cháy Nitơ làm giảm hiệu suất cháy do hấp thụ nhiệt từ nhiên liệu đốt cháy và pha loãng khí lò Điều này làm giảm nhiệt để truyền qua bề mặt trao đổi nhiệt Nó còn làm tăng khối lượng của các sản phẩm phụ của quá trình cháy, những sản phẩm này đi qua bộ trao đổi nhiệt và thoát ra ngoài ống khói nhanh hơn để nhường chỗ cho hỗn hợp nhiên liệu-không khí mới được bổ sung Nitơ

có thể kết hợp với O2 (nhất là ở nhiệt độ cháy cao) để tạo ra NOx, là chất gây ô nhiễm rất độc Cacbon, hydro và lưu huỳnh trong nhiên liệu kết hợp với oxy trong không khí tạo thành CO2, hơi nước và SO2, giải phóng 8.084 kcal, 28.922 kcalvà 2.224 kcal nhiệt [1] Trong các điều kiện đặc biệt, cacbon còn có thể kết hợp với oxy để tạo ra

CO, giải phóng một lượng nhiệt nhỏ (2.430 kcal/kg cacbon) Cacbon cháy trong CO2

sẽ sinh ra một lượng nhiệt trên mỗi đơn vị nhiên liệu nhiều hơn khi CO hoặc khói tạo

ra

C + O2 → CO2 + 8.084 kcal/kg Cacbon

2C + O2 → 2CO + 2.430 kcal/kg Cacbon

S + O2 → SO2 + 2.224 kcal/kg lưu huỳnh

Mỗi kg CO được tạo thành đồng nghĩa với việc tổn thất 5654 kCal nhiệt (8084 – 2430)

2.1.2 Ba chữ T của quá trình cháy

Mục đích của một quá trình đốt cháy hiệu quả là giải phóng toàn bộ nhiệt trong nhiên liệu Có thể đạt được điều này thông qua việc kiểm soát “3 T” của quá trình đốt cháy, đó là (1) Nhiệt độ (temperature) đủ cao để bắt cháy và duy trì việc bắt cháy nhiên liệu, (2) Khuấy trộn (turbulence) nhiên liệu và oxy, và (3) Thời gian (time) phải

đủ để hoàn tất quá trình đốt cháy

Nhiên liệu được sử dụng phổ biến như khí tự nhiên và dầu nhiên liệu thường bao gồm cacbon và hydro Hơi nước là sản phẩm phụ của việc đốt cháy hydro Hơi nước làm mất nhiệt ở khí lò, phần nhiệt này lẽ ra phải dùng để trao đổi nhiệt

Mỗi kg khí tự nhiên chứa nhiều hydro và ít Cacbon hơn dầu nhiên liệu, nó tạo

ra nhiều hơi nước hơn Hậu quả là, lượng nhiệt bị mất đi trong đốt cháy khí tự nhiên

sẽ nhiều hơn Nhiên liệu quá nhiều, hoặc quá ít với lượng không khí đốt cháy sẵn có,

có khả năng dẫn tới việc nhiên liệu cháy không hết hoặc sinh ra CO Để có được quá trình đốt cháy hoàn hảo, cần thêm một lượng O2 nhất định và một lượng khí dư để hoàn tất quá trình đốt Tuy nhiên, nhiều khí dư quá sẽ gây tổn thất nhiệt và giảm hiệu suất

Thách thức lớn nhất với hiệu suất cháy là các bon không cháy hết (trong tro xỉ hoặc gas cháy chưa hết), tạo thành CO thay vì CO2

Hình 2.1: Quá trình đốt cháy hoàn hảo, tốt và không hoà tất

2.2 Tính toán nhu cầu không khí

2.2.1 Tính toán nhu cầu không khí cho quá trình đốt cháy dầu đốt

Quá trình đốt cháy cần không khí Khối lượng không khí cần thiết được tính theo phương pháp dưới đây

Bước đầu tiên là xác định thành phần của dầu đốt Các thông số dầu đốt điển hình rút ra từ các phân tích trong phòng thí nghiệm cho trong bảng dưới đây [1]:

Thành phần % khối lượng

Cacbon 85,9 Hydro 12 Oxy 0,7 Nitơ 0,5 Lưu huỳnh 0,5 H2O 0,35 Tro xỉ 0,05 GCV nhiên liệu 10880 kcal/kg Nếu chúng ta sử dụng những số liệu phân tích này và xem xét 100 kg dầu đốt trong quá trình cháy, sẽ có các phản ứng hoá học như sau:

• C + O2 → CO2

• H2 + 1/2O2 → H2O

• S + O2 → SO2

Để tính toán lượng không khí cần thiết để đót cháy hết 100 kg dầu đốt , chúng

ta phân tích khối lượng các thành phần trong các phản ứng trên:

• C + O2 →CO2

12 + 32 →44

12 kg C cần 32 kg O2 để tạo ra 44 kg CO2, vì vậy 1 kg C cần 32/12 kg, tương đương 2,67 kg O2

(85,9) C + (85,9 x 2,67) O2 →315,25 CO2

• 2H2 + O2 →2H2O

4 + 32 →36

4 kg H2 cần 32 kg O2 để tạo ra 36 kg nước, do đó, 1 kg H2 cần 32/4 kg tương đương 8 kg O2

2.2.2 Tính toán nồng độ CO2 trên lý thuyết trong khí lò

Cần tính nồng độ CO2 trong khói lò để sử dụng số liệu này trong tính toán mức khí dư trong khói lò Để quá trình cháy của dầu đốt hoàn tất, cần sử dụng một lượng khí dư nhất định Tuy nhiên nếu nhiều khí dư quá sẽ dẫn đến tổn thất nhiệt và nếu ít khí dư quá thì quá trình cháy sẽ không hoàn tất Lượng CO2 trong khói lò có thể được tính toán như sau:

Nitơ trong khói lò = 1412,45 – 324,87 = 1087,58 kg

Trên lý thuyết, % CO2 trong khói lò khô theo thể tích có thể được tính như sau: Mol của CO2 trong khí lò = (314,97) / 44 = 7,16

Mol của N2 trong khí lò = (1087,58) / 28 = 38,84

Mol của SO2 trong khí lò = 1/64 = 0,016

%CO2 theo thể tích trên lý thuyết = (Mol của CO2 x 100) / Tổng số mol (Khô)

= (7,16 x 100) / (7,16 + 38,84 + 0,016)

= 15,5%

2.2.3 Tính toán thành phần khí lò với khí dư

Bây giờ chúng ta đã biết lượng không khí cần dùng và nồng độ CO2 trong khói

lò trên lý thuyết Bước tiếp theo là đo % CO2 thực sự có trong khói lò Trong phép tính dưới đây, giả định là nồng độ CO2 đo được trong khói lò là 10%

% Khí dư = [( %CO2 trên lý thuyết/CO2 thực tế) – 1] x 100

CO2 = 314,97 kg H2O = 108,00 kg SO2 = 1 kg O2 = 178,68 kg

N2 = 1685,75 kg (= 1087,58 trong không khí + 598,17 trong khí dư)

2.2.4 Tính toán % CO2 trên lý thuyết trong khói lò theo thể tích

Bây giờ chúng ta đã có thành phần theo khối lượng, chúng ta có thể tính toán các thành phần này dựa trên thể tích nhưsau:

Mol của CO2 trong khí lò = 314,97 / 44 = 7,16

Mol của SO2 trong khí lò = 1/64 = 0,016

Mol của O2 trong khí lò = 178,68 / 32 = 5,58

Mol của N2 trong khí lò = 1685,75 / 28 = 60,20

% CO2 trên lý thuyết theo thể tích = (Moles of CO2 x 100) / Total moles (dry)

= (7,16 x 100) / (7,16 + 0,016 + 5,58 + 60,20) = 10%

% O2 trên lý thuyết theo thể tích = (5,58 x 100) / 72,956 = 7,5%

2.3 Khái niệm về khí dư và hệ số tiêu hao không khí

Để quá trình đốt cháy tối ưu, khối lượng không khí cháy thực tế phải cao hơn mức yêu cầu trên lý thuyết như trên hình 2.2 [12]

Hình 2.2: Khí dư và hiệu suất đốt

Khí dư cấp phụ thuộc vào loại nhiên liệu và hệ thống đốt Khái niệm hệ số tiêu hao không khí (α) là tỉ số giữa lượng không khí thực tế ( Lα) và lượng không khí lý thuyết (Lo) khi đốt cùng một lượng nhiên liệu:

o

L

Lα

Yếu tố khí dư của một Đầu đốt là một thước đo về hiệu quả sử dụng sản phẩm cũng như kỹ năng của người điều khiển Hệ số tiêu hao không khí trong thực tế sử dụng thông thường như sau [2]:

• Gas burners, forced draft 1.1 - 1.3

• Atmospheric gas burners 1.25 - 1.5

• Coal dust burners 1.2 - 1.3

• Coal firing (mechanical) 1.3 - 1.5

• Coal firing (hand) 1.5 - 2.5

Như vậy với loại Đầu đốt Dầu ta có thể sử dụng hệ số tiêu hao không khí:

α =1,15 1,3−

Phân tích hoá học khí dư là một phương pháp mục tiêu giúp kiểm soát được khí

ở mức độ sạch hơn Bằng cách đo lượng CO2 hoặc O2 trong khí thải Có thể ước tính mức độ khí dư và tổn thất khói lò

Một cách nhanh hơn để tính khí dư là sử dụng các đường cong quan hệ, cho thấy % CO2 hoặc O2 trong khói lò [2]

Hình 2.3: Mối liên quan giữa CO2 và Khí dư

Hình 2.4: Mối liên quan giữa oxy dư và khí dư

Căn cứ vào các đồ thị trên và dựa vào hệ số khí dư α =1,15 1,3− tìm được ở trên (tương ứng mức khí dư 15% Æ 30%), ta có thể tra ra hàm lượng CO2 và O2 trong khói lò như sau:

CO2 = 12,1% Æ 13,5%

O2 = 2,5–4,5 %

2.4 Đảm bảo tỷ lệ gió/dầu trong điều khiển đốt

Như vậy ta có thể biết được lượng không khí cần thiết phải có để đốt cháy vừa hết một lượng dầu đã biết khi đã xác định được mức khí dư Việc điều khiển quạt để cung cấp đúng lượng không khí này về mặt lý thuyết có hai cách sau:

• Điều khiển tốc độ quạt để đạt lưu lượng khí tương ứng với lưu lượng phun dầu Cách này khó thực hiện vì việc xác định lưu lượng khí thực sự tham gia vào quá trình cháy hầu như không khả thi

• Với lưu lượng phun dầu cố định, điều khiển tốc độ quạt để đạt lượng O2 hoặc CO2 trong khí thải tương ứng với mức khí dư (đã xác định) phù hợp với loại nhiên liệu Cách này khả thi vì các máy phân tích Oxy/CO2 trong khói thải có nhiều trên thị trường

Việc xác định được tốc độ quạt trong toàn dải công suất từ 10%-100% của một đầu đốt chính là việc xây dựng đường cong quan hệ gió/dầu cho bộ điều khiển Bao gồm các bước:

- Xác định đặc tính làm việc của bơm dầu và quạt gió

- Gắn mức công suất với tần số làm việc tương ứng của bơm dầu

- Dựa vào lượng khí dư (như lý thuyết đã trình bày) để xác định lượng gió (tần

số quạt gió) đủ để đốt cháy hiệu quả lượng dầu xác định ứng với mức công suất chọn

- Từ các điểm quan hệ bơm dầu – quạt gió mẫu, dựng đường cong gió dầu đầy

đủ cho toàn bộ dải công suất

Phần này sẽ được trình bày chi tiết trong chương 4

Bằng các phân tích và số liệu tham khảo như trên, đối với loại dầu FO phổ thông nhất hiện nay, đề tài chọn mức khí dư khoảng 20-25% ứng với lượng O2 trong khói thải khoảng 3,5% Máy phân tích Oxy rẻ hơn máy phân tích CO2 nên Đề tài sẽ theo hướng xây dựng đường cong gió/dầu trên cơ sở hàm lượng Oxy trong khí thải

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 Thiết kế tổng thể

Trên cơ sở tham khảo hệ thống điều khiển đầu đốt ZZR trong chương 1, Đề tài xây dựng sơ đồ các thiết bị đo và chấp hành (các thiết bị I/O) của đầu đốt VFR cho tang sấy như sau:

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống đầu đốt

Theo đó Bộ điều khiển phải được thiết kế để kết nối và điều khiển với các thiết bị và

cơ cấu chấp hành trên bản thân đầu đốt cũng như các hệ thống đi kèm như hệ thống cấp dầu, cấp gió, hệ thống đánh lửa hay bộ gia nhiệt, rồi hệ thống các điểm đo

3.1.1 Xây dựng các tính năng cơ bản của Bộ điều khiển

Như đã được đề cập, nhiệm vụ chính của bộ điều khiển đầu đốt (ĐKĐĐ) là khả năng điều khiển tự động toàn bộ quá trình đánh lửa cũng như quá trình đốt nhằm đảm bảo lượng dầu và khí cấp để quá trình đốt đạt hiệu suất cao Ngoài ra, bộ điều khiển ĐKĐĐ còn có những tính năng cơ bản sau:

- Khả năng đo và hiển thị

o Nhiệt độ của thùng chứa dầu FO, nhiệt độ dầu sau bộ gia nhiệt, nhiệt

độ khí thải và nhiệt độ cốt liệu tang sấy

o Áp suất dầu trên đường ống

o Hiển thị thông báo lỗi trong quá trình làm việc

- Khả năng giám sát, điều khiển

o Giám sát và điều khiển toàn bộ quá trình đánh lửa, quá trình đốt sau

o Bảng quan hệ gió – dầu

o Cho phép lưu trữ các thông số đã cài đặt

3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đầu đốt

Các khối chính:

o Bộ điều khiển PLC kết nối với các tín hiệu nhiệt độ, báo lửa Tính toán

và đưa ra tín hiệu điều khiển các van , còi/đèn cảnh báo, bơm cấp, quạt hướng trục

o Màn hình thao tác cảm ứng dùng cho việc thiết lập cũng như nhập tham

số cho bộ điều khiển Thực hiện chức năng giám sát và điều khiển hệ thống trong quá trình làm việc

o Khối khuyếch đại tín hiệu, thực hiện nhiệm vụ chuẩn hóa các tín hiệu đưa về từ các đầu đo nhiệt độ và mắt thần phát hiện ngọn lửa, đưa về bộ điều khiển PLC

o Khối biến tần điều khiển các động cơ bơm và quạt

3.2 Thiết kế phần cứng

3.2.1 Bộ điều khiển

Do yêu cầu về tính ổn định trong môi trường sản xuất thực tế, thay vì thiết kế chế tạo bộ điều khiển, đề tài quyết định lựa chọn phương án sử dụng bộ điều khiển khả trình PLC CP1H của OMRON Căn cứ đáp ứng các yêu cầu đầu vào, đầu ra của

hệ thống

Các thông số cơ bản của CPU CP1H:

- 24 đầu vào và 16 đầu ra chức năng thông thường

- 8 đầu vào ngắt

- 4 cổng vào analog, cấu hình tùy chọn điện áp/dòng điện

- 2 cổng ra analog, cấu hình tùy chọn điện áp/dòng điện

- Các cổng truyền thông RS232; RS422/485

Hình 3.3: CPU CP1H và các thông số cơ bản

3.2.2 Màn hình thao tác

Để kết hợp với bộ điều khiển CP1H, đề tài lựa chọn sử dụng màn hình thao tác

cảm ứng NB7 cũng của OMRON

3.2.3 Bộ điều khiển nhiệt độ

Bộ điều khiển nhiệt độ thực hiện nhiệm vụ đọc và hiển thị kênh nhiệt độ cốt liệu – là giá trị căn cứ để tiến hành điều chỉnh tăng lửa hay giảm lửa, cũng chính là điều chỉnh công suất của đầu đốt Từ giá trị đo được, bộ điều khiển nhiệt độ sẽ tiến hành so sánh với giá trị nhiệt độ đặt để tiến hành điều chỉnh theo luật PID Đầu ra của của bộ điều khiển nhiệt độ sẽ được đưa về bộ điều khiển PLC, PLC sẽ xử lý tính toán

để đưa ra mức công suất điều chỉnh tương ứng

Việc thiết lập bộ tham số PID cho bộ điều khiển nhiệt độ DTB9696 được thực hiện bởi người vận hành theo điều kiện và kinh nghiệm thực tế Bởi vì như trong quá trình khảo sát đã nói, các tham số của thuật toán PID có giá trị liên quan đến các thông

số kỹ thuật của tang sấy cũng như các thông số của cốt liệu cần sấy

Từ các yêu cầu chức năng đặt ra, đề tài lựa chọn bộ điều khiển nhiệt độ DTB

9696 của hãng Delta Với các thông số cơ bản sau:

- Điện áp đầu vào: 100 to 240VAC 50/60Hz

- Dải điện áp hoạt động: 85% to 110% điện áp định mức

- Hiển thị: Led 7 thanh, 2 dòng 4 ký tự

- Kiểu sensor: Pt100; JPt100; TC và các dạng tín hiệu:

(0 ~ 5V, 0 ~ 10V, 0 ~ 20 m A, 4 ~ 20 m A, 0 ~ 50mV)

- Chế độ điều khiển: PID, ON/OFF

- Đầu ra điều khiển:

o Relay output: SPDT (SPST: 1/16 DIN and 1/32 DIN size), Max load 250VAC, 5A resistive load

o Voltage pulse output: DC 14V, Max output current 40mA

o Current output: DC 4 ~ 20m A output (Load resistance: Max 600Ω)

o Linear voltage output: 0 ~ 10V

- Truyền thông RS485: Modbus ASSCII/RTU

3.2.4 Điều khiển Bơm dầu và Quạt gió

Đề tài sử dụng biến tần VFD-E của hãng DELTA Với các chân chức năng:

- MI1, MI2: Điều khiển chạy thuận, chạy nghịch

- MI3 Æ MI6: Các chân điều khiển đa chức năng

- AVI, ACI: Các chân đầu vào analog (áp và dòng)

- MO1: Đầu ra đa chức năng

- RA, RB, RC: Đầu ra rơ le

Căn cứ đầu ra, đầu vào của PLC và biến tần, đồng thời căn cứ vào yêu cầu điều khiển theo quy trình làm việc của bơm dầu và quạt hướng trục, đề tài thực hiện điều khiển bơm dầu và quạt hướng trục như sau:

- Sử dụng các đầu ra D_OUT (Digital Output) của PLC nối với các chân MI1, MI2 của biến tần để điều khiển chiều quay của bơm và quạt Quạt gió

chỉ cần điều khiển thuận còn bơm dầu điều khiển thuận nghịch

- Sử dụng các đầu ra analog của PLC (dạng áp) nối với chân AVI của biến tần để điều khiển tốc độ quay của bơm và quạt Dải điện áp điều khiển

0Æ10V tương ứng với dải tần số 0Æ60Hz của biến tần

- Cấu hình các đầu ra rơ le (RA, RB, RC) và đầu ra đa chức năng (MO1) của biến tần để thu thập các tín hiệu báo trạng thái làm việc của bơm và quạt,

đưa về đầu vào D_IN của PLC

Hình 3.4: Điều khiển bơm dầu và quạt gió

- Bật máy nén khí Chạy quạt gió ở tần số F≈50Hz để làm sạch đầu đốt trong khoảng thời gian nhất định, sau đó giảm về mức công suất 10%

- Chuyển công tắc van dầu về vị trí dầu DO Khởi động bơm dầu Chỉnh tần số hợp lý để bắt lửa (khoảng 10% công suất) Trong vòng khoảng 5s, khi áp lực dầu đã đủ (khoảng 6kg) thì mở van ga để bật đánh lửa Để ngọn lửa ổn định

- Mở van dầu Thấy ngọn lửa dầu cháy thì tắt hệ thống đánh lửa (sau khoảng 2s) bằng cách nhả nút đánh lửa và tắt van ga

- Từ từ điều chỉnh lưu lượng gió dầu để ngọn lửa làm việc ổn định (khoảng 50% công suất làm việc)

- Chuyển van dầu sang vị trí dầu FO Đợi đầu đốt cháy ổn định thì bắt đầu cấp cốt liệu vào tang sấy

* Làm việc:

Trong quá trình làm việc, hệ thống sẽ căn cứ vào yêu cầu nhiệt độ cốt liệu để tiến hành điều chỉnh tăng lửa hay giảm lửa, chính là điều chỉnh công suất của đầu đốt

* Dừng hệ thống:

- Giảm dần công suất đến giá trị Min Chuyển van dầu từ FO về DO khoảng 30s

để làm sạch Béc phun và đường ống Tắt bơm dầu và sau đó đảo chiều bơm dầu để rút hết dầu về thùng chứa (chạy khoảng 3s) Sau đó đóng van dầu rồi tăng quạt gió để làm mát hệ thống (chạy quạt làm mát khoảng 3 phút) Khi nhiệt độ khí thải xuống dưới 50oC thì tắt quạt gió và quạt hút, kết thúc quá trình làm việc của cả hệ thống sấy

3.3.2 Phần mềm cho PLC

- Thuật toán vòng điều khiển chính:

Hình 3.5: Thuật toán vòng điều khiển chính

- Thuật toán chu trình đánh lửa tự động:

Hình 3.6: Thuật toán điều khiển chu trình đánh lửa tự động