Nghiên cứu hệ điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng

Cân bằng giữa lượng nguyên liệu cấp vào lò và clinker tạo thành Cân bằng giữa tốc độ cấp liệu và tốc độ quay của lò Cân bằng giữa nhiên liệu và nguyên liệu đầu vào Cân bằng giữa lượng nhiên liệu cấp và lượng gió Cân bằng giữa nhiệt nhiên liệu vào với nhiệt tỏa ra và nhiệt thu hồi Cân bằng giữa gió ra và gió vào

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục đích nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

6 Cấu trúc của luận văn

Nội dung nghiên cứu gồm 5 vấn đề:

Vấn đề 1: Công nghệ và yêu cầu công nghệ

Vấn đề 2: Phân tích các mạch vòng cơ sở

Vấn đề 4: Nghiên cứu phần mềm chuyên dụng_ “EO” ( Expert Optimizer_tối ưu chuyên gia)

Vấn đề 3: Nghiên cứu vận hành tối ưu

Vấn đề 5: Ứng dụng khảo sát bằng matlab & simulink

Phân loại lò nung clinker

Hệ thống tháp trao đổi nhiệt (Cyclone)

Canxiner (buồng phân hủy)

Lò nung

Sơ đồ công nghệ

hệ thống lò nung

Vấn đề chung của điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình gồm có 3 mức:

-Các mạch vòng cơ bản -Các logic liên động, trình tự -An toàn, báo động

ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN

TỐI ƯU HÓA

* Các cân bằng xảy ra trong lò nung clinker

1 Cân bằng giữa lượng nguyên liệu cấp vào lò và clinker tạo thành

2 Cân bằng giữa tốc độ cấp liệu và tốc độ quay của lò

3 Cân bằng giữa nhiên liệu và nguyên liệu đầu vào

4 Cân bằng giữa lượng nhiên liệu cấp và lượng gió

5 Cân bằng giữa nhiệt nhiên liệu vào với nhiệt tỏa ra và nhiệt thu hồi

6 Cân bằng giữa gió ra và gió vào

7 Cân bằng giữa nhiệt độ khí thải và lưu lượng nước làm mát

Vấn đề 2:

PHÂN TÍCH CÁC MẠCH VÒNG CƠ SỞ

1 Các bài toán điều khiển

1 Điều khiển cân bằng nạp liệu (CB khối lượng)

2 Điều khiển các biến đổi ( điều khiển nhiệt độ)

3 Điều khiển chất lượng của sự biến đổi năng lượng

4 Điều khiển chất lượng clinker

V n đ 2: ấ ề

V n đ 2: ấ ề

PHÂN TÍCH CÁC M CH VÒNG C S Ạ Ơ Ở

1 Hệ thống điều khiển cấp nhiên liệu

2 Điều khiển gió 1 cấp vào lò

3 Mạch vòng điều khiển lượng oxy dư trong lò

4 ĐK cấp nguyên/nhiên liệu cho canxiner

5 Mạch vòng điều chỉnh áp suất đầu ra của lò

2 Các mạch vòng điển hình

6 Điều chỉnh áp suất sau tháp trao đổi nhiệt

Vấn đề 2:

PHÂN TÍCH CÁC MẠCH VÒNG CƠ SỞ

- Đặc điểm của hệ thống chuyên gia là điều chỉnh điểm đặt chứ không phải là duy trì các điểm đặt của các chu trình riêng

- Hệ thống chuyên gia sẽ đóng góp đáng kể vào độ ổn định

lò, điều khiển ít nhất là 80% thời gian hoạt động của lò

Hơn nữa, lò ổn định sẽ:

- Giảm tiêu thụ nhiệt lượng từ: 3% - 5%

- Giảm tiêu tốn điện năng từ: 3% - 5%

- Tăng độ bền gạch chịu lửa từ:30% - 50%

- Nâng cao chất lượng clinker, giảm tiêu thụ điện trong

Phương pháp cho lò với máy làm nguội ghi bao gồm các nhóm sau:

- Điều khiển zôn nung

- Điều khiển quá trình cháy

- Điều khiển máy làm nguội

- Điều khiển quá trình khởi động lò

* Phương pháp điều khiển lò

Mỗi nhóm có nhiều mục tiêu có thứ tự ưu tiên để tránh mâu thuẫn Đối tượng chính trong điều khiển zôn nung theo thứ tự ưu tiên là:

Hoạt động ổn định Ổn định hoạt động của lòChất lượng clinker Thõa mãn yêu cầu về chất lượngSản lượng Tối đa hóa sản lượng

V n đ 3 ấ ề

V n đ 3 ấ ề :

NGHIÊN C U V N HÀNH T I U Ứ Ậ Ố Ư

- Thông số đo lường:

* Các yêu cầu của hệ thống chuyên gia

- Đối với hệ thống lò như nhau, hệ thống chuyên gia

2 Điều khiển quá trình lò nung clinker

* Cơ cấu điều khiển lò

1 Điều khiển quá trình hình thành clinker

2 Điều khiển quá trình đốt

Xét về cơ cấu điều khiển chúng ta đề cập đến 2 vấn

đề chính của chiến lược điều khiển:

V n đ 3 ấ ề

V n đ 3 ấ ề :

NGHIÊN C U V N HÀNH T I U Ứ Ậ Ố Ư

* Các yếu tố của cơ cấu điều khiển

ĐIỀU KHIỂN ĐỐT

ĐIỀU KHIỂN ZÔN NUNG

NHIỆT ĐỘ THOÁT RA

OXY

SẢN LƯỢNG CHẤT LƯỢNG

Chỉ số ổn định nhiệt độ lò và nhiệt độ zôn nung

3 Chiến lược điều khiển theo module

Qua việc xác định các thông số, người vận hành đưa vào các chỉ số

đo lường thích hợp với lò, và các module hoạt động đáng tin cậy

Người sử dụng có thể đưa thêm thông số mới này vào chiến lược thực hiện bằng cách:

1 Xác định mục tiêu của các tham số mới.

2 Đặt thứ tự ưu tiên cho tham số mới.

3 Sử dụng các thuật toán tiêu chuẩn hoặc viết các thuật toán mới để tính toán mức độ hoàn thành mục tiêu.

4 Xác định các qui tắc điều khiển mới để đạt được mục tiêu mới.

5 Sắp xếp lại các thứ tự ưu tiên trong phạm vi chiến

lược hiện có để có chỗ cho tham số điều khiển mới.

V n đ 3 ấ ề

V n đ 3 ấ ề :

NGHIÊN C U V N HÀNH T I U Ứ Ậ Ố Ư

 Hệ thống các chương trình sẽ tính toán và điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động của hệ thống dựa trên các mục tiêu đã được định sẵn.

chính:

đầu vào.

đặt).

Vấn đề 4:

NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG _ “EO”

(EXPERT OTIMIZER_ TỐI ƯU CHUYÊN GIA )

Stage 5 outlet temp( C)

PID PID PID PID PID PID PID

Kiln-Pyrometer ( C)

Kiln NOx (ppm)

PC Coal Feed Rotary valve

TA Damper

PH Fan Speed Kiln Feed Kiln Speed

Kiln Coal Litre weight (g/l)

Freelime From LAB

Các thuật toán tính toán đầu ra

Hệ thống lò

Đo lường và chuyển đổi tín hiệu Tính toán lượng thay đổi tối ưu

1.Một số Module thuật toán quan trọng trong thư viện Toolkit

1 Ramping and Tracking

NGHIÊN C U PH N M M CHUYÊN D NG _ “EO” Ứ Ầ Ề Ụ

(EXPERT OTIMIZER_ T I U CHUYÊN GIA ) Ố Ư

2 Các thuật toán điều khiển lò nung clinker (kiln)

Các đầu vào: 11

- Litre weight (g/l): dung trọng Clinker

- Freelime From Lab: Nồng độ vôi tự do trong Clinker sau khi nung

- Kiln driver Amps (kA): Dòng động cơ lò

- Kiln CO (%): Nồng độ khí CO đầu lò

- Kiln O2 (%): Nồng độ Oxy đầu lò

- PH outlet O2 (%): Nồng độ Oxy trên tháp trao đổi nhiệt

- PH outlet CO (%): Nồng độ khí CO trên tháp trao đổi nhiệt

- Kiln NOx (ppm): Nồng độ khí NOx đầu lò

- Kiln-Pyrometter (0C): nhiệt độ zôn nung

- Canxiner temp (0C): Nhiệt độ canxiner

- ST 5 outlet temp (0C): Nhiệt độ đầu ra tháp trao đổi nhiệt

V n đ 4 ấ ề

V n đ 4 ấ ề :

NGHIÊN C U PH N M M CHUYÊN D NG _ “EO” Ứ Ầ Ề Ụ

(EXPERT OTIMIZER_ T I U CHUYÊN GIA ) Ố Ư

Chương 4 NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM TỐI ƯU CHUYÊN GIA SỬ DỤNG TRONG VẬN

HÀNH LÒ NUNG CLINKER NHÀ MÁY XI MĂNG SÔNG GIANH

Các điểm đặt đầu ra: 07

4.3.2 Các thuật toán tính toán đầu vào

 Chuẩn hóa thông số: Kiln OX và PH OX.

 Chuẩn hóa nhiệt độ Canxiner (PCT).

 Chuẩn hóa nhiệt độ zôn nung (BZT).

 Chuẩn hóa các thông số về chât lượng: Dung trọng Clinker và hàm lượng vôi tự do

 Mục tiêu nhiệt độ zôn nung (pyro-target-sp).

 Mục tiêu dòng lò (amps-target-sp).

 Mục tiêu nồng độ NOx (NOx-target-sp).

 Mục tiêu nhiệt độ Canxiner (PC-temp-sp).

 Mục tiêu nồng độ Oxy lò và Oxy tháp trao đổi nhiệt.

4.4 Các thuật toán điều khiển trung tâm

Canxiner-hot-act

Topdamp-rb Topfeed-rb

General-rb Pc-general-rb

Pc-topfeed-rb Pc-topdamp-rb

Pc-Scaling

Pc-Soak

BZT PH-OX

N2 N1

PCT

Online Pc-coal-sp-oe Canxiner-hot-wait Canciner-ok CO-feed-action

T F

F F F

I I I I

Duy trì tạm thời khi nhiệt độ nóng

Tình trạng canxiner làm việc tiốt

Tình trạng CO trên tháp

KT tình trạng nóng

KT tình trạng nguội

I I

I

Post-rb-processing

Scaling

T F F

F

CV 0

o o

Energy-change Feed-change Speed-change Fan-change TAD-change

4.5.Tính toán đầu ra

 Tính lượng than cho vòi đốt lò nung:

 Tính điểm đặt cấp liệu và tốc độ lò:

 Tính điểm đặt cho tốc độ quạt ID:

 Tính điểm đặt cho vị trí van gió 3 (TAD):

4.5.1 Tính toán điểm đặt cấp than cho canxiner 4.5.2 Tính toán điểm đặt cấp than cho lò

4.6 Điều khiển hệ thống làm nguội:

sau:

trường.

Chương 5 VẬN DỤNG EO ĐỂ KHẢO SÁT LƯỢNG THAY ĐỔI NHIÊN

LIỆU CHO CANXINER

5.1 BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN :

(Được trình bày ở mục 4.4.1., trang 70)

5.2 ỨNG DỤNG MATLAB & SIMULINK ĐỂ MÔ PHỎNG LƯỢNG THAY ĐỔI NHIÊN LIỆU CHO CANXINER

MÔ

HÌNH

Chương 5 VẬN DỤNG EO ĐỂ KHẢO SÁT LƯỢNG THAY ĐỔI NHIÊN

LIỆU CHO CANXINER

-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5

Chương 5 VẬN DỤNG EO ĐỂ KHẢO SÁT LƯỢNG THAY ĐỔI NHIÊN

LIỆU CHO CANXINER

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2

Chương 5 VẬN DỤNG EO ĐỂ KHẢO SÁT LƯỢNG THAY ĐỔI NHIÊN

LIỆU CHO CANXINER

1 1.5

Kết luận

với những nội dung cơ bản nhất của tối ưu chuyên gia, nếu có điều kiện tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu sâu hơn

để hoàn chỉnh chi tiết nội dung của đề tài.

được nhiều vấn đề về hệ thống điều khiển tối ưu.

và tập thể cán bộ, công nhân viên phòng điều khiển trung tâm công ty xi măng Sông Gianh đã giúp đỡ để hoàn thành luận văn này!

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây ngành công nghiệp xi măng đã được đầu tư phát triển mạnh mẽ Công nghệ lò nung Clinker đã được nhiều nhà máy ứng dụng hệ thống tối ưu chuyên gia để thực hiện các mục tiêu điều khiển

Hệ thống này điều khiển toàn bộ quá trình sản xuất thông qua các thuật toán điều khiển logic, các hàm toán học… Do đó, việc tiếp nhận công nghệ điều khiển lò nung Clinker gặp khó khăn.

Hiểu được tầm quan trọng của việc đo lường và điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng nên tôi chọn đề tài

“ Nghiên cứu hệ điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng” để làm đề tài nghiên cứu.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng.

Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu công nghệ, phân tích cấu trúc điều khiển cấp cơ sở, thuật điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng và ứng dụng thuật điều khiển tối ưu cho vận hành lò nung clinker.

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết điều khiển quá trình kết hợp thu thập, xử lý số liệu thu thập từ thực tế vận hành của lò nung clinker nhà máy xi măng

Công cụ để mô phỏng quá trình điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng là phần mềm phần mềm tối ưu chuyên gia ( Expert Optimizer) và phần mềm Matlab&Simulink

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc nghiên cứu công nghệ, cấu trúc điều khiển cấp

cơ sở, thuật điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng giúp ta hiểu rõ và có thể đưa ra các chiến lược điều khiển tối ưu trong vận hành lò nung clinker nhà máy xi măng Trên cơ sở nghiên cứu thuật điều khiển ứng dụng vào vận hành chỉnh định lò nung clinker nhà máy xi măng.

Góp phần khẳng định vấn đề phát triển và khả năng triển khai ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu cho hệ điều khiển lò nung clinker.

Hệ thống Cấp liệu Cho lò

Hệ thống tháp trao đổi nhiệt

2 Cân bằng giữa tốc độ cấp liệu và tốc độ quay của lò

Tốc độ lò

Là yếu tố quan trọng giúp lò hoạt động ổn định Để tăng sản lượng, ta có thể tăng tốc độ quay của lò, đồng thời tăng tốc độ cấp liệu cho lò Nếu mức nạp vào lò quá lớn sẽ xảy ra hiện tượng tràn ngược Nguyên nhân của tràn ngược thường là do công suất luân chuyển liệu trong lò quá nhỏ n lò thấp , ta tăng cấp liệu; nếu n lò max ta kiểm tra cấp liệu có lớn hay không

Tùy từng loại nhiên liệu cũng như nhiệt trị của nhiên liệu mà ta xác định tốc độ cấp nhiên liệu phù hợp với tốc độ cấp nguyên liệu ở đầu vào Nếu tốc độ cấp than quá nhỏ so với lượng liệu đầu vào thì nhiệt độ trong lò nung không đạt được tới nhiệt độ cần thiết, chất lượng clinker không được đảm bảo Nếu tốc độ cấp than là quá lớn, sẽ dẫn đến hiện tượng than cháy không hết và thừa nhiệt, gây tổn thất về nhiên liệu Mặt khác, nó cũng ảnh hưởng tới nhiệt độ của khí trong lò, nhiệt độ của khí thải

3 Cân bằng giữa nhiên liệu và nguyên liệu đầu vào

Cân bằng giữa cấp liệu và lượng gió đảm bảo cung cấp lượng oxy cần thiết cho lượng nhiên liệu cháy hết Bởi vì nếu nhiên liệu không cháy hết nó sẽ ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng clinker tạo thành Ngược lại, khi lượng gió trong lò tăng lên, lập tức nhiệt độ khí thải của tháp trao đổi nhiệt tăng và thất thoát nhiệt nhiều hơn

Lò nung

Gió vào

(Cân bằng nhiên liệu , gió)

4 Cân bằng giữa lượng nhiên liệu cấp và lượng gió

Theo phương trình cân bằng nhiệt thì:

Wvào = Whữu sinh + Wtích lũy – Wtổn hao;

Lưu lượng khí thoát ra từ nhánh tháp trao đổi nhiệt của lò phải bằng tổng của số lượng khí cháy trong lò, khí dư thừa cần có để đảm bảo rằng nhiên liệu cháy hết, khí sinh ra trong quá trình nung và canxi hóa liệu, khí giả xâm nhập vào hệ thống qua chỗ rò rỉ trong tháp trao đổi nhiệt của lò

(Cân bằng gió)

6 Cân bằng giữa gió ra và gió vào

Lò nung

Khí cháy trong lò

Khí thoát ra từ nhánh lò

Khí giả Khí dư

Khí cháy

Theo phương trình cân bằng nhiệt thì tổng lượng nhiệt do lượng nước làm mát nhận được phải bằng tổng lượng nhiệt do lượng khí thải tạo ra.

Quạt làm mát

Lưu lượng

7 Cân bằng giữa nhiệt độ khí thải và lưu lượng nước

làm mát

2.1.2 Hệ thống điều khiển cấp nhiờn liệu

Chương 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CẤP CƠ SỞ Lề NUNG CLINKER

-+

-Lưu lượng nguyên liệu

Set point

nhiệt độ lò

Nhiệt độ lò Van cấp than

Set point than thực

Lưu lượng than cấp cho lò

Lò PID2

PID1 K

2.1.3 Điều khiển giú 1 cấp vào lũ

Chương 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CẤP CƠ SỞ Lề NUNG CLINKER

Giú 1 Lưu lượng

-2.1.4 Mạch vũng điều khiển lượng oxy dư trong lũ

Chương 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CẤP CƠ SỞ Lề NUNG CLINKER

Lưu lượng cho lò

Lò

PID2 PID1

K

giú cấp

Van giú 3

2.1.5 Mạch vũng điều khiển quỏ trỡnh chỏy trong canxiner

Chương 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CẤP CƠ SỞ Lề NUNG CLINKER

PID -

Set point lưu lượng nguyên liệu Van cấp liệu

Lưu lượng nguyên liệu

Lưu lượng than cấp cho canxiner PID2

PID1

K

canxiner Canxiner

canxiner

2.1.6 Mạch vòng điều khiển áp suất đầu ra của lò

Chương 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CẤP CƠ SỞ LÒ NUNG CLINKER

Set point

¸p suÊt

Ap suÊt Van chØnh

¸p suÊt

' PID

-2.1.7 Điều khiển áp suất sau tháp trao đổi nhiệt

Chương 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CẤP CƠ SỞ LÒ NUNG CLINKER

2.1.1 Điều khiển cân bằng nạp liệu (CB khối lượng)

- Điều khiển tốc độ cấp liệu

- Điều khiển tốc độ quay lò

- Điều khiển gió để vận chuyển clinker

2.1.2 Điều khiển các biến đổi ( điều khiển nhiệt độ)

để cân bằng với dòng nhiệt năng yêu cầu của hệ thống lò

- Điều khiển tỷ lệ than gió: nhằm đảm bảo môi trường

- Điều khiển các van gió và các quạt, nhằm đảm bảo nhiệt năng quay về

2.1.3 Điều khiển chất lượng của sự biến đổi năng lượng

- Điều khiển quá trình nạp liệu

- Điều khiển chất lượng ngọn lửa

- Điều khiển tốc độ Ghi làm nguội

2.1.4 Điều khiển chất lượng clinker

*Thông số đo lường:

- %O2 và %CO tại đầu vào lò,

- %O2 và %CO trong khí thải tháp trao đổi nhiệt,

- Dòng động cơ lò và/hoặc %NOx tại đầu vào lò và/hoặc zôn nung,

- Nhiệt độ khí thải tháp trao đổi nhiệt,

- Nhiệt độ canxiner,

- Vôi tự do và/hoặc dung trọng,

- Áp suất dưới Ghi làm nguội,

- Tốc độ bộ làm nguội kiểu Ghi,

- Lưu lượng khí làm mát từ các quạt làm nguội.

*

* Đối với hệ thống lò như nhau, hệ thống chuyên gia

sẽ điều khiển

3.2.2.2 Điều khiển zôn nung

- Điều khiển zôn nung được chia làm 3 phần đó là: Sự ổn định, chất lượng và sản lượng theo đúng thứ tự ưu tiên này Như vậy, sự ổn định được coi là một tiêu chí quan trọng nhất để một lò hoạt động tốt

- Điều khiển ngọn lửa zôn nung được thực hiện bằng cách điều khiển

vị trí kim phun, tốc độ cấp nhiên liệu, gió 1 và lượng gió 2 Điều khiển các thông số trên sẽ tạo ra ngọn lửa với hình dạng khác nhau:

Ngọn lửa ngắn và nóng: Loại lửa này rất nóng, rộng và mạnh Zôn nung sẽ bị rút ngắn đáng kể và nhiệt độ cao của ngọn lửa có thể gây

khó khăn cho việc duy trì một lớp cola thích hợp trong lò

Ngọn lửa trung bình: Ngọn lửa này có chiều dài và bề rộng cần

bằng nên nhiệt trong zôn nung Ngọn lửa này đủ nóng để tạo thành một lớp cola tốt trong zôn nung làm tăng tuổi thọ của lớp lót lò

Ngọn lửa dài, mềm: Ngọn lửa loại này dài và mảnh nên nó tương đối lạnh zôn nung sẽ rất dài, nhiệt độ ngọn lửa thấp gây khó khăn

trong việc nóng chảy nguyên liệu phù hợp trong zôn nung