NGHIÊN cứu xây DỰNG hệ điều KHIỂN NHIỆT độ lò sấy dầu NGUYÊN LIỆU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY DẦU NGUYÊN LIỆU Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 605202

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY DẦU NGUYÊN LIỆU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2013

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hồng Quang

Phản biện 1: GS TS Phan Xuân Minh

Phản biện 2: TS Trần Xuân Minh

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:

Phòng 202 – A8 Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên Vào hồi 10 giờ 30.ngày 20 tháng 4 năm 2014

LỜI MỞ ĐẦU

Lò sấy dầu nguyên liệu được dùng phổ biến trong các nhà máy sử dụng dầu làm nhiên liệu đốt lò : Nhà máy Nhiệt điện, Nhà máy Xi măng, Nhà máy hấp sấy nguyên liệu vải cho nghành dệt may, …

Chất lượng dầu sấy thể hiện ở nhiệt độ và khối lượng dầu sấy, chính các đại lượng này sẽ ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng của quá trình cháy và nhiệt độ của các lò nung hay lò hơi trong các nhà máy

Việc ứng dụng các thuật toán điều khiển cho các lò sấy dầu nguyên liệu sẽ nâng cao được chất lượng và số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho công nghiệp nước ta

1 Lý do chọn đề tài:

- Trên thực tế khảo sát ở nhà máy TAIRONG VN tại KCN Việt Trì là nhà máy

sử dụng nguyên liệu dầu để đốt cho các lò hơi chuyên sử lý vải, quần áo cho các nhà máy dệt may trong khu vực Tuy nhiên hệ thống sấy dầu được thực hiện thủ công, bán

tự động nên chất lượng của dầu chưa đạt làm ảnh hưởng tới quá trình cháy và nhiệt độ của các lò hơi Từ đó làm ảnh hưởng tới năng suất và chất lượng của sản phẩm sấy Vì vậy việc cần có lò sấy tự động ổn định nhiệt độ để nâng cao năng suất và chất lượng là hết sức cần thiết

- Xuất phát nhu cầu thực tế trên, học viên đã đề xuất thực hiện đề tài luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu”

2 Mục tiêu của đề tài này là: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu”:

- Xây dựng được đầy đủ phương pháp luận để phân tích, tổng hợp, thiết kế được bộ điều khiển cho lò sấy dầu nguyên liệu

- Thiết kế, chế tạo, lắp ráp được bộ điều khiển PID điều khiển hệ thống nhiệt

độ lò sấy dầu nguyên liệu

- Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

* Đối tượng nghiên cứu:

- Thiết bị sấy dầu công nghiệp

- Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế

* Phạm vi nghiên cứu:

- Điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu

- Mô phỏng bằng các phần mềm mô phỏng Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm

4 Dự kiến kết quả đạt được:

- Viết được mô hình toán của đối tượng

- Xây dựng được thuật toán điều khiển theo chỉ tiêu chất lượng cao

- Thiết kế và lắp đặt được bộ điều khiển PID nhiệt độ trong phòng thí nghiệm Qua đó để đánh giá độ tin cậy, hoạt động ổn định của phần cứng cũng như chương trình phần mềm khi hoạt động trong thực tế

Nội dung chính của luận văn:

Chương 1: Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp

1 Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp

2 Tổng quan về sản phẩm sản phẩm nguyên liệu dầu, các đặc tính kỹ thuật và quá trình sấy dầu

Chương 2: Xây dựng mô hình toán của lò sấy dầu công nghiệp

1 Giới thiệu chung về lò điện trở

2 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học

3 Mô tả toán học lò điện trở

Chương 3: Xác định thuật toán điều khiển hệ thống

1 Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh

2 Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển bộ PID

3.Thiết kế bộ điều khiển

Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm

1 Mô phỏng

2 Thực nghiệm

5 Phương pháp nghiên cứu :

- Gắn lý thuyết với đối tượng thực tế

- Dùng máy tính với các phần mềm mô phỏng

6 Các công cụ, thiết bị cần thiết cần thiết cho nghiên cứu

- Máy tính, phần mềm mô phỏng Matlab và Simulink

- Đối tượng thực tế - Phòng thí nghiệm Tự động hoá

Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc bộ môn Điều khiển tự động và bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp trường Đại học KTCN Thái Nguyên, đặc biệt là Thầy giáo TS Nguyễn Hồng Quang - Giảng viên Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ học viên trong suốt quá trình làm luận văn

Thái Nguyên, Ngày 14 tháng 12 năm 2013

Học viên

Nguyễn Xuân Trường

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ SẤY CÔNG NGHIỆP

1.1 Tổng quan về lò công nghiệp

1.1.1 Khái niệm

Lò công nghiệp (LCN) là thiết bị trao đổi nhiệt tạo ra môi trường có nhiệt độ cao

để thực hiện các quá trình công nghệ: nung, nấu chảy, sấy…

1.1.2.4 LCN theo đặc điểm cấu trúc

Dựa vào hình dạng, cấu trúc có các loại lò như: lò buồng, lò bể, lò ống quay, lò hầm, lò nung liên tục

1.1.3 Các đặc trưng cơ bản của LCN

1.1.3.1 Chế độ nhiệt độ của lò

a Nhiệt độ lò

b Chế độ nhiệt độ của lò

1.1.3.2 Chế độ nhiệt của lò

1.1.3.3 Công suất nhiệt của lò

Công suất nhiệt của lò là phụ tải nhiệt lớn nhất mà lò có thể tiếp nhận được trong một

1.1.3.4 Năng suất của lò

1.1.4 Các chế độ làm việc của LCN

1.1.4.1 Chế độ làm việc bức xạ

1.1.4.2 Chế độ làm việc đối lưu

1.2 Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp

1.2.1 Cấu trúc của hệ thống lò sấy

1.2.1.1 Các bộ phận cơ bản của hệ thống lò sấy

a Hệ thống sấy công suất nhỏ

b Hệ thống sấy công suất lớn

1.2.2 Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO)

1.2.2.1 Khái quát chung

Dầu FO hay còn gọi là dầu Mazút là phân đoạn nặng thu được khi chưng cất dầu thô parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không Trước khi bị đốt cháy dầu FO được gia nhiệt để có độ nhớt nhất định, độ nhớt của dầu ảnh hưởng đến việc trộn lẫn của nhiên liệu với khả năng bay hơi, trở lực ma sát trong hệ thống bơm Quá trình cháy và phát thải ra môi trường bên ngoài Sau khi được sấy dầu được phun dưới

dạng sương, nó sẽ bay hõi tạo với không khí hỗn hợp cháy

Vì vậy dầu FO cần phải được sấy trước khi đưa vào buồng đốt trong lò hơi

1.2.2.2 Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO)

a Hàm lượng lưu huỳnh:

h Điểm chớp cháy

Cũng giống như những sản phẩm dầu mỏ khác, đối với nhiên liệu đốt lò thì điểm chớp cháy cũng đặc trưng cho mức độ hoả hoạn của nó

Ngoài những chỉ tiêu trên thì nhiên liệu đốt lò còn phải đạt những chỉ tiêu chất

lượng khác như điểm đông đặc, độ ổn định oxy hoá

Bảng 1.1 Đặc tính của dầu thô (FO)

m2/s

Nhiệt dung riêng J/kg.K

Hệ số dẫn nhiệt W/m.K

Thành phần

Độ sáp Parafin

Keo Galatin

Lưu huỳnh

S

Nhựa đường Bitum

1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dầu FO

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống sấy dầu FO cho nồi hơi

NỒI HƠI

1

2

3 4 1

0

7 6

1

9

1 3

1- Bể dầu; 2- Hệ thống ống sấy dầu; 3- Đường ống dãn dầu; 4- Bình lọc thô dầu; 5- Bơm; 6- Bình gia nhiệt dầu; 7- Bình lọc tinh dầu; 8- Van điều chỉnh lưu lượng dầu; 9- Lưu lượng kế; 10- Van thường; 11- Van một chiều; 12- Đường dầu về;

13- Vòi phun dầu

Dầu FO có nhiệt độ đông đặc cao, độ nhớt lớn, nhiệt độ chống cháy cao, nên để vận chuyển dễ dàng trong hệ thống dẫn dầu, dầu cần được sấy nóng tới nhiệt độ từ 50 – 900C tùy theo độ nhớt của dầu Song song với việc sấy nóng dầu cũng có các hệ thống lọc dầu thô tinh để loại các tạp chất, làm ảnh hưởng tới chất lượng của dầu Dầu được chứa trong các bể dầu, các bể này được thiết kế phù hợp với các yêu cầu về phòng hỏa trong bể có đặt chìm ống xoắn dẫn hơi nóng để sấy dầu, giữ cho dầu

có nhiệt độ ổn định (khoảng 700C) Ở đây dầu được bơm vào nồi hơi qua các bình lọc thô và lọc tinh Trước khi vào bơm dầu đầu vòi phun, dầu được đưa qua bộ sấy dầu bằng điện Tại đây dầu được tăng nhiệt độ tới nhiệt độ dễ dàng cho sự bắt cháy nhất (khoảng 900C)

12

3

48

59

7

6

Hình 1.2: Bộ sấy dầu điện

* Bộ sấy dầu điện

Dầu được sấy nóng trong bình sấy nhờ các điện trở điện Khi đạt tới nhiệt độ đặt ( khoảng 900C) thì bơm dầu bơm vào vòi phun Nếu chưa đạt được nhiệt độ này dầu quay trở lại bộ sấy để tiếp tục được hâm nóng

1- Vỏ bộ sấy; 2- Thanh điện trở; 3- Hộp cấp điện; 4- Dầu vào; 5- Rơ-le nhiệt

độ; 6- Dầu ra; 7- Bích; 8- Áp kế; 9- Đồng hồ đo nhiệt độ

* Bộ sấy dầu dùng hơi

Khi nồi hơi đã có hơi thì đưa bộ sấy dầu bằng hơi vào làm việc Bộ sấy này thường được lắp trực tiếp vào bể chứa dầu chính và bể chứa trung gian Tùy theo từng loại bể mà ta điều chỉnh nhiệt độ sấy tới mức bao nhiêu

Thực chất bộ sấy này là dùng chùm ống ruột gà Hơi nước đi bên trong, truyền nhiệt cho dầu bên ngoài Nước ngưng được dẫn về bể thu hồi

Trong bể chứa còn lắp các đường đo nhiệt độ dầu, đường xả nước đọng trong dầu

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA LÒ SẤY DẦU

Hệ thống sấy sử dụng thiết bị gia nhiệt là các điện trở nhiệt Vì thế, trong quá trình khảo sát và xây dựng mô hình toán cho đối tượng điều khiển, tôi sử dụng lò điện trở làm đối tượng thay thế

2.1 Giới thiệu chung về lò điện trở

Lò điện trở là một thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây nung) Từ dây đốt nhờ bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt, nhiệt năng được đưa tới vật cần gia nhiệt

2.1.1 Đặc điểm

2.1.2 Nguyên lý làm việc

Theo định luật Joule- Lence, dòng điện chạy qua vật dẫn có điện trở R(vật rắn hoặc chất lỏng), nó sẽ tạo ra một nhiệt lượng Năng lượng này sẽ đốt nóng bản thân vật dẫn hoặc gián tiếp đốt nóng các vật nung ở gần đó:

2

QR I t (2.1) Trong đó:

Q: Nhiệt độ tảo ra trên dây dẫn(J)

R: Điện trở của dây dẫn ()

I: cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn(A)

t: Thời gian dòng điện chạy qua (s)

2.1.3 Phân loại lò điện trở

* Theo phương pháp tỏa nhiệt, chia thành 2 nhóm:

- Lò điện trở trực tiếp

- Lò điện trở tác dụng gián tiếp

* Theo nhiệt độ của lò, chia làm 3 loại:

- Lò có nhiệt độ thấp: Nhiệt độ làm việc nhỏ hơn 6000C

- Lò có nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc từ 6000C ÷12000C

- Lò có nhiệt độ cao: Nhiệt độ trên 12000C

2.1.4 Cấu tạo lò điện trở

* Cấu tạo lò điện trở:

Lò điện trở gồm 3 phần chính: vỏ lò, lớp lót, dây nung

- Vỏ lò: là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt và đản bảo sự kín hoàn toàn hay tương đối của lò Khung vỏ lò cần cứng, vững chắc đủ để chịu tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các chi tiết cơ khí gắn trên vỏ lò

- Lớp lót: thường gồm 2 phần chính: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt:

- Dây nung: Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, thường được đặt trong buồng

lò hoặc buồng phát nhiệt, chúng làm việc ở nhiệt độ cao

2.2 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học

Mô hình hóa giúp cho chúng ta:

- Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành

- Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống

- Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển

- Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển

- Phân tích và kiểm chứng kết quả thiết kế

- Mô phỏng trên máy tính

Để xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển đến nay có 2 phương pháp:

- Dựa vào các phương trình toán học mô tả mối quan hệ các đại lượng vật lý của đối tượng và các tham số của đối tượng

- Dựa vào đường cong thực nghiệm của đối tượng

Trong khuôn khổ của luận văn em chỉ giới thiệu về phương pháp thực nghiệm như sau:

2.2.1 Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc nhất có trễ

Mô hình đối tượng thường có hàm truyền đạt dạng:

Trong đó: K là hệ số khuếch đại tĩnh

: hằng số thời gian, : thời gian trễ xấp xỉ

Một số phương pháp thông dụng:

- Phương pháp kẻ tiếp tuyến: Kẻ tiếp tuyến tại điểm uốn, giao điểm của tiếp tuyến này với đường trục thời gian cho ta thời gian xấp xỉ m Xác định điểm trên đường cong có giá trị 0.632y∞ cho ta giá trị + Thực chất đây có thể coi là phương

pháp nhận dạng sử dụng một điểm quy chiếu với khâu quán tính bậc nhất có trễ thì sau một khoảng thời gian đúng bằng thay đổi đầu ra + đúng bằng 0.632y∞

Hình 2.1 Phương pháp kẻ tiếp tuyến

- Phương pháp 2 điểm quy chiếu: Ta thấy phương pháp kẻ tiếp tuyến ước lượng tham số mô hình mang tính chủ quan thiếu chính xác mà cũng có sử dụng trên máy tính Vì thế để khắc phục một phần nhược điểm của phương pháp kẻ tiếp tuyến người

ta sử dụng phương pháp 2 điểm quy chiếu Các tham số  và  được xác định theo t1

và t2 như sau:

  1.5 t  2  t1 và 2

11.5

3

t t

- Phương pháp kẻ tiếp tuyến và 2 điểm quy chiếu: Phương pháp này cũng tương

tự như trong mô hình quán tính bậc 1, hệ số khuếch đại k được xác định bằng cách kẻ đường tiệm cận với đồ thị đáp ứng quá độ ở chế độ xác lập Hằng số thời gian trễ 

được xác định bằng giao điểm giữa trục thời gian và tiếp tuyến tại điểm uốn Các tham

số 1; 2 được xác định bằng cách lấy 2 điểm quy chiếu (33% và 67%) sau đó giải phương trình phi tuyến:

2.2.3 Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình có khâu tích phân

Mô hình có thành phần tích phân có thể được nhận dạng dựa trên việc nhận dạng thành phần quán tính bậc 1 hoặc thành phần bậc 2 của đối tượng, Sau khi nhận dạng được khâu quán tính tương ứng chỉ việc nhân thêm 1/s ta được khâu quán tính tích phân

2.3 Mô tả toán học lò điện trở

2.3.1 Nhận dạng lò điện trở

Điều kiện thực hiện thí nghiệm: đối tượng lò nhiệt đang ổn định tại điểm nhiệt độ

860C (tuyến tính hóa đối tượng tại điểm làm việc 860C)

Lò điện trở có các thông số: U = 220(V); R = 55()

Để xác định được kết quả thí nghiệm, trong quá trình thực nghiệm có giả định tải của lò điện trở bằng việc thực hiện mở lò với góc mở khoảng 150C (hình 2.3)

Hình 2.3 Mô hình lò nhiệt trong phòng thí nghiệm

Kết quả thu được: Thời gian thực nghiệm (4000s)

y k

CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH THUẬT TOÁN CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh

3.1.1 Cấu trúc chung của một hệ điều khiển tự động

Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động được giới thiệu trên hình như sau:

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động

Các tín hiệu tác động trong hệ thống:

x(t): Tín hiệu đầu vào của hệ thống Còn gọi là giá trị đặt

y(t): Tín hiệu ra của hệ thống Còn gọi là lượng được điều chỉnh

u(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng

e(t): Sai lệch điều khiển

z(t): tín hiệu phản hồi

fn(t): tín hiệu nhiễu tác động lên đối tượng

3.1.2 Đặc tính quá độ và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển tự động

Để mô tả quá trình động hay quá trình tắt dần của hệ thống ổn định đó theo thời gian người ta sử dụng đặc tính quá độ Như vậy đặc tính quá độ mô tả quá trình quá

độ của hệ thống

Có 3 loại chỉ tiêu chất lượng cơ bản:

1, Chỉ tiêu chất lượng tĩnh: Nó là trị số sai lệch còn tồn tại khi quá trình quá độ kết thúc và được xác định theo công thức:

s = lim t e(t)

2, Chỉ tiêu quá độ: Chất lượng của hệ thống được đánh giá bằng ba chỉ tiêu sau:

- Thời gian quá độ:

- Số lần dao động n:

- Độ quá điều chỉnh max

3.1.3 Phân tích các luật điều khiển

3.1.3.1 Luật điều khiển tỷ lệ (P)

Tín hiệu điều khiển trong quy luật (P) được xác định theo công thức:

u(t) = Kp.e(t) (3.1)

Trong đó Kp được gọi là hệ số khuếch đại Theo tính chất của khâu khuếch đại

ta thấy tín hiệu ra luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào

Ưu điểm:

- Tốc độ xử lý tín hiệu nhanh

- Tính ổn định cao

- Thời gian điều khiển ngắn

- Tăng tín hiệu điều khiển u(t)

Nhược điểm:

- Tồn tại sai lệch tĩnh

- Độ dự trữ ổn định giảm

3.1.3.2 Luật điều khiển tích phân(I)

Trong quy luật tích phân tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức: