Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển bể điện phân màng trao đổi ion

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI X W LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN BỂ ĐIỆN PHÂN MÀNG TRAO ĐỔI ION ĐÀO QUÝ THỊNH HÀ NỘI - 2009 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp tự hoàn thành hướng dẫn thầy giáo PGS TS BÙI QUỐC KHÁNH Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không ghi phần tài liệu tham khảo Học viên Đào Quý Thịnh LỜI MỞ ĐẦU Trong dịp công tác Nhà máy hóa chất thuộc Tổng công ty giấy Việt Nam với nhiệm vụ: thiết kế hệ SCADA giám sát cho 53 ngăn điện phân bể điện phân màng ion R230 Qua trình làm việc tìm hiểu tác giả nhận thấy bể điện phân màng ion đối tượng hấp dẫn: tồn nhiều trình cân (vật chất, lượng), có phản ứng thay đổi vật chất, đối tượng điều khiển lại không đo Thực tế bể điện phân Nhật chế tạo chất lượng tốt hệ điều khiển lại Trung Quốc chế tạo, với giảm thiểu tối đa kinh tế nên chất lượng điều khiển chưa cao, tính ổn định bền vững hệ thống thấp Từ tác giả nảy ý kiến phải cải thiện nâng cao chất lượng tính ổn định hệ điều khiển bể điện phân màng ion, nâng cao hiệu sử dụng vốn, đem lại lợi ích kinh tế cao Bản luận văn giới hạn việc tìm hiểu, nghiên cứu dây truyền sản xuất xút đặc biệt công đoạn điện phân màng ion Tác giả tập trung nghiên cứu bể điện phân, tìm cách mô hình hóa đối tượng Từ mô hình tìm phân tích đưa cấu trúc điều khiển nâng cao chất lượng tính ổn định hệ điều khiển Trong trình tìm hiểu nghiên cứu tác giả có nhiều thuận lợi làm việc thực tế nhà máy Được cung cấp nhiều tài liệu thống kê trình vận hành hữu ích trình mô hình hóa đối tượng Tôi chân thành cảm ơn PGS.TS Bùi Quốc Khánh người có kinh nghiệm làm việc thực tế lâu năm lĩnh vực công nghiệp giấy với kiến thức chuyên sâu dẫn nhiệt tình cho trình thực luận văn Tôi gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp góp ý, hỗ trợ suốt thời gian qua Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2009 Học viên Đào Quý Thịnh MỤC LỤC Lời cam đoan Lời mở đầu Mục lục .3 Danh mục hình vẽ Chương 1: Công nghệ sản xuất xút phương pháp điện phân màng ion 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Công nghệ sản xuất xút .7 1.2.1 Công đoạn rửa hòa tan muối 1.2.2 Công đoạn tinh chế nước muối lần 1.2.3 Công đoạn tinh chế nước muối lần 1.2.4 Công đoạn điện phân 16 1.3 Quá trình điện phân .20 1.3.1 Quá trình hóa học 20 1.3.2 Công đoạn điện phân nhà máy 23 1.3.3 Các thông số điều khiển .28 Chương 2: Hệ điều khiển Industrial IT 800 xA 36 2.1 Tổng quan tự động hóa trình sản xuất .36 2.2 Hệ điều khiển Industrial IT 800xA .37 2.2.1 Giới thiệu chung hệ Industrial IT 800xA .37 2.2.2 Các thành phần hệ Industrial IT 800xA .38 2.2.3 Các gói phần mềm cho hệ Industrial IT 800xA 38 2.3 Hệ điều khiển dây truyền sản xuất xút 41 2.3.1 Cấu hình hệ thống điều khiển .41 2.3.2 Các mạch vòng điều khiển điểm cảnh báo 44 Chương 3: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bể điện phân màng trao đổi ion 56 3.1 Thực trạng hệ thống điều khiển bể điện phân màng trao đổi ion R230 56 3.1.1 Các trình cân bể điện phân màng trao đổi ion 56 3.1.2 Thực trạng hệ điều khiển bể điện phân màng trao đổi ion 60 3.2 Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bể điện phân màng trao đổi ion 62 3.2.1 Cải tiến cấu hình hệ thống 63 3.2.2 Cải tiến cấu trúc điều khiển 66 3.2.3 Mô hệ thống .79 Kết luận 90 Tài liệu tham khảo 91 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình điện phân .6 Hình 1.2: Sơ đồ công nghệ dây truyền sản xuất xút Hình 1.3: Công đoạn tinh chế nước muối lần 10 Hình 1.4 Cấu tạo thùng điện phân R230 17 Hình 1.5 Mặt cắt phía ngăn thùng điện phân 18 Hình 1.6 Hiện tượng xảy ngăn thùng điện phân 21 Hình 1.7 Sự thẩm thấu qua màng có lựa chọn ion 22 Hình 1.8 Mô tả trình điện phân 23 Hình 1.9: Công đoạn điện phân 27 Hình 1.10: Mối quan hệ cường độ dòng điện điện áp ngăn thùng 28 Hình 1.11: Sự trao đổi Cation qua màng 30 Hình1.12: Sự ảnh hưởng chênh lệch áp suất với điện áp ngăn thùng 33 Hình 1.13: Mối quan hệ nhiệt độ dịch điện giải điện áp ngăn thùng 34 Hình 2.1: Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa trình sản xuất 36 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ Industrial IT 37 Hình 2.3: Vị trí vai trò cụ thể phần mềm 40 Hình 2.4: Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển dây chuyến sản xuất xút nhà 41 máy hoá chất - Tổng công ty giấy Việt Nam 41 Hình 2.5: Cấu hình hệ thống điều khiển trình sản xuất xút 42 Hình 3.1: Mô hình thùng điện phân R320 56 Hình 3.2: Sơ đồ điều khiển dòng điện 60 Hình 3.3: Cấu hình hệ điều khiển 61 Hình 3.4: Cấu hình hệ thống mạng Profibus-DP có dự phòng theo phương án .63 Hình3.5 Cấu hình hệ thống mạng Profibus-DP có dự phòng theo phương án .64 Hình 3.6 Cấu hình hệ thống mạng Profibus-DP có dự phòng theo phương án .65 Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển dòng điện phân cải tiến .66 Hình 3.8: Sơ đồ mô phòng mạch vòng điều khiển dòng điện 67 Hình 3.9: Kết mô mạch vòng điều khiển dòng điện 68 Hình 3.10: Các tham số ảnh hưởng đến trình 69 Hình 3.11: Các cấu trúc điều khiển Feed Forward 70 Hình 3.12: Mô hình áp suất đầu thùng điện phân R320 75 Hình 3.13: Mô hình nồng độ NaOH đầu thùng điện phân .75 Hình 3.15: Công cụ lập trình Control Builder 79 Hình 3.17: Kết mô mạch vòng nước muối cấp 80 Hình 3.18: Mạch vòng điều khiển lưu lượng dòng NaOH 31% 80 Hình 3.19: Mạch vòng điều khiển áp suất khí Hydro 81 Hình 3.20: Mạch vòng điều khiển áp suất khí Clo 81 Hình 3.21: Công cụ lập trình Process Portal A 82 Hình 3.22: Trang hình điều khiển số 83 Hình 3.23: Trang hình điều khiển số 84 Hình 3.24: Ba loại Faceplate điều khiển .84 Hình 3.25: Đồ thị xu hướng Trend .85 Hình 3.26: Giao diện SCADA điện áp 53 ngăn điện phân 86 Hình 3.27: Nồng độ NaOH đầu dòng điện kA bổ sung mạch vòng điều khiển lưu lượng NaOH 31% 87 Hình 3.28: Nồng độ NaOH đầu dòng điện kA mạch vòng điều khiển lưu lượng NaOH 31% 87 Hình 3.29: Nồng độ NaOH đầu dòng điện 10 kA bổ sung mạch vòng điều khiển lưu lượng NaOH 31% 88 Hình 3.30: Nồng độ NaOH đầu dòng điện 10 kA mạch vòng điều khiển lưu lượng NaOH 31% 88 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thống kê Loop điều khiển 44 Bảng 2.2: Thống kê điểm hiển thị cảnh báo .45 Bảng 2.3: Bố trí đầu vào tương tự số 47 Bảng 3.1: Danh mục thiết bị dự phòng cần thiết 65 CHƯƠNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XÚT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN MÀNG TRAO ĐỔI ION 1.1 Giới thiệu chung Hiện để sản xuất xút NaOH người ta sử dụng phương pháp điện phân muối ăn (NaCl) Thực tế có phương pháp điện phân, là: Điện phân màng ngăn Amiăng Điện phân màng trao đổi ion (đây phương pháp điện phân mới, đại sử dụng ngày phổ biến) Trong luận văn tốt nghiệp xin đề cập tới phương pháp điện phân màng trao đổi ion Công nghệ cụ thể nhà máy hóa chất thuộc Tổng công ty giấy Việt Nam công suất thiết kế 7000 /năm (8000 100% NaOH) Sơ đồ công nghệ chung trình điện phân hình 1.1 NaCl NaCl loãng anot Cl2 H2 catot NaOH Đầu vào Đầu I Hình 1.1 Quá trình điện phân Đầu vào trình công nghệ dung dịch muối ăn NaCl, điện phân dòng điện chiều với cường độ thích hợp NaCl loãng khí Clo thoát anot, xút Hydro catot Công nghệ dùng để sản xuất khí Clo công nghiệp 1.2 Công nghệ sản xuất xút 1.2.1 Công đoạn rửa hoà tan muối Nguyên liệu: Muối công nghiệp với tỷ lệ NaCl đạt từ 90% trở lên Theo tiêu chuẩn giới, muối công nghiệp có chất lượng tốt muối có: + Tỷ lệ NaCl muối đạt từ 98 - 99% + Tỷ lệ chất có chứa Ca2+ phải đạt từ 0,1% - 0,2% + Tỷ lệ Mg2+ từ 0,05% - 0,1% + Tỷ lệ hợp chất sulfat phải từ 0,3% - 0,6% Rửa hoà tan muối nước áp suất - at để thu dung dịch nước muối với nồng độ: 310 - 317 g/l 1.2.2 Công đoạn tinh chế nước muối lần − Loại hình công nghệ: thiết bị lọc khung − Lưu lượng thiết kế: 900 m3/giờ − Điều kiện thiết kế thiết bị lọc khung bản: + Số lượng thiết bị: thiết bị lọc (Vận hành chế độ dự phòng redundant) + Phương thức lọc: dùng khung lọc phương thức cấp liệu thiết bị − Chu kỳ tái sinh: 48 − Hiệu suất lọc tối đa: 1ppm (parts per million): phần triệu − Đặc tính kỹ thuật nước muối lần Nước muối cung cấp tới trình tinh chế nước muối lần dây chuyền Ashahi phải đạt đặc tính kỹ thuật sau: Nồng độ: 305 ± g/l 150C Nhiệt độ: Xấp xỉ 600C PH: – 11 500C Ca: Max 10 mg/l Mg: Max mg/l Al: Max 0,1 mg/l I: Max 0,2 mg/l Sr: Max 2,5 mg/l Ba: Max 1,0 mg/l SO42- Max g/l Si: Max 2,3 mg/l Clo tự do: không Chất rắn lơ lửng (S.S) Max 10 mg/l Áp suất: 0,2 MPa 1.2.3 Công đoạn tinh chế nước muối lần Nước muối cho trình điện phân màng trao đổi ion chuẩn bị việc hoà tan muối vào nước muối từ xưởng điện phân tinh chế kiểu thông dụng loại ngăn thùng catốt thuỷ ngân trình điện phân Clo kiềm Quá trình yêu cầu phải có trình tinh chế nước muối lần Sau xử lý với điều kiện cho phép Nước muối tinh chế với lọc nước muối cột trao đổi Ion để đạt chất lượng nưóc muối phù hợp cho trình điện phân Clo kiềm màng trao đổi Ion − Loại hình công nghệ: Sử dụng nhựa tạo màng anpha Cellulose − Lưu lượng thiết kế: m3/giờ − Điều kiện thiết kế tháp nhựa tạo màng (Chelating Resin Tower) − Số lượng thiết bị: (Vận hành chế độ dự phòng redundance) − Cơ chế tái sinh: vận hành tự động + Chu kỳ tái sinh : 24 + Thời gian tái sinh : Sơ đồ hệ thống điều khiển thùng điện phân R230 78 3.2.3 Mô hệ thống 3.2.3.1Lập trình điều khiển với Control Builder Control Builder gói phần mềm lập trình cho controller hãng ABB Hình 3.15: Công cụ lập trình Control Builder Quá trình mô phỏng: Ban đầu đặt dòng điện I = A khởi động vòng 45s, sau tăng dần dòng điện lên dòng vận hành 9A (quá trình khởi động thực tay) 79 a Mạch vòng điều khiển lưu lượng dòng nước muối cấp Hình 3.17: Kết mô mạch vòng nước muối cấp Lưu lượng dòng nước muối cấp NaCl 32% tăng tỷ lệ với dòng điện với thực tế b Mạch vòng điều khiển lưu lượng NaOH 31 đầu vào Hình 3.18: Mạch vòng điều khiển lưu lượng dòng NaOH 31% Kết cho thấy lưu lượng tăng tỷ lệ với dòng điện, phù hợp với thực tế 80 c Mạch vòng điều khiển áp suất khí Hydro Hình 3.19: Mạch vòng điều khiển áp suất khí Hydro + Mặc dù lượng đặt áp suất 2,3 mH2O giai đoạn khởi động dòng điện kA nên lượng khí sinh không đủ nên áp suất chưa đủ d Mạch vòng điều khiển áp suất khí Clo Hình 3.20: Mạch vòng điều khiển áp suất khí Clo 81 3.2.3.2 Lập trình giao diện với Process Portal A Hình 3.21: Công cụ lập trình Process Portal A Hãng ABB cung cấp công cụ lập trình giám sát hệ thống Process Portal A với cấu trúc mở Hai khái niệm sử dụng PPA Object Aspect Kết lập trình giao diện cho hệ thống sau 82 a Giao diện vận hành điều khiển thùng điện phân Giao diện điều khiển thùng điện phân gồm trang, muốn điều khiển điều khiển nào, nhấn vào điều khiển + Trang hình thứ Hình 3.22: Trang hình điều khiển số 83 + Trang hình thứ Hình 3.23: Trang hình điều khiển số + Faceplate điều khiển cho điều khiển Hình 3.24: Ba loại Faceplate điều khiển 84 Faceplate phân chia làm loại tùy thuộc vào quyền sử dụng người vận hành Đối với Operator: phép vận hành phép sử dụng kiểu Reduce faceplate Faceplate Đối với Engineering Administrator sử dụng loại Extension Faceplate phép chỉnh sửa tham số điều khiển + Đồ thị xu hướng Trend Đối với đối tượng (thùng điện phân R320, thùng chứa) có đồ thị xu hướng Trend để hiển thị tham số cần theo dõi Hình 3.25: Đồ thị xu hướng Trend Đây đồ thị xu hướng Trend biểu diễn nồng độ NaOH đầu theo thời gian 85 b Giao diện giám sát điện áp 53 ngăn thùng điện phân R320 Hình 3.26: Giao diện SCADA điện áp 53 ngăn điện phân Điện áp ngăn điện phân cao thấp gây hỏng ngăn điện phân Vì cần phải thiết lập ngưỡng điện áp cao ngưỡng điện áp thấp cho ngăn Để thiết lập ngưỡng này, người vận hành nhập thông số vào hai ô ngưỡng hình 86 Nhận xét kết mô + Đặc tính quan trọng nồng độ NaOH đầu đạt 32% theo lượng đặt Hình 3.27: Nồng độ NaOH đầu dòng điện kA bổ sung mạch vòng điều khiển lưu lượng NaOH 31% Hình 3.28: Nồng độ NaOH đầu dòng điện kA mạch vòng điều khiển lưu lượng NaOH 31% 87 Tại dòng điện phân 10 kA Hình 3.29: Nồng độ NaOH đầu dòng điện 10 kA bổ sung mạch vòng điều khiển lưu lượng NaOH 31% Hình 3.30: Nồng độ NaOH đầu dòng điện 10 kA mạch vòng điều khiển lưu lượng NaOH 31% 88 Kết luận Kết mô với dòng điện phân khác cho thấy bổ sung điều khiển lưu lượng vòng tuần hoàn catot (NaOH 31%) nồng đồ NaOH đầu cải thiện nhiều mạch vòng (đặt cố định tay) - Với cấu trúc điều khiển có điều chỉnh lưu lượng dòng tuần hoàn catot nồng độ NaOH đầu ổn định hội tụ 32% - Với cấu trúc điều khiển đặt lưu lượng dòng tuần hoàn catot cố định nồng độ NaOH đầu có sai lệch tĩnh 89 KẾT LUẬN Như trình nghiên cứu thực luận văn này, xuất phát từ thực tế cho thấy có tồn hệ thống điều khiển bể điện phân màng ion nhà máy hóa chất thuộc tổng công ty giấy Việt Nam Những tồn thiết bị công nghệ lạc hậu mà nguyên nhân giải pháp thực chưa đúng, cấu trúc điều khiển chưa tối ưu chưa triệt để Bằng việc tìm hiểu nghiên cứu cấu tạo nguyên lý làm việc đặc thù bể điện phân màng ion đưa nguyên nhân tồn đưa biện pháp khắc phục tồn Giải pháp đưa can thiệp tới cấu hình phần cứng cấu trúc điều khiển phần mềm Quá trình phân tích lý luận lý thuyết chứng minh mô matlab simulink công cụ lập trình hãng ABB Industrial IT 800xA Những can thiệp phần cứng phần có hiệu việc nâng cao tính ổn định hệ thống Tuy nhiên vài lý khách quan mà cấu trúc phần mềm điều khiển chưa triển khai thực tế Tôi hi vọng tương lai gần nghiên cứu triển khai cách triệt để thực tế để kiểm nghiệm tính đắn lý luận 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bùi Quốc Khánh: Hệ điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện Nhà xuất KHKT – 2006 [2] Hoàng Minh Sơn: Cơ sở hệ thống điều khiển trình Nhà xuất Bách Khoa – 2006 [3] Cty giấy Bãi Bằng: Tài liệu hướng dẫn vận hành thùng điện phân màng trao đổi ion – 2004 [4] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh: Điện tử công suất Nhà xuất KHKT – 2006 [5] Hitech: Báo cáo sửa chữa hệ thống điều khiển bể điện phân màng trao đổi ion 2009 Tiếng Anh [6] F.G.Shinskey: Process control systems, Application, Design and Tuning McGraw-hill international editions [7] East China engineering science and technology co., ltd: The 7,000t/a Caustic Soda project of Bai Bang paper company, Viet Nam Technical Documents - June, 2003 91 TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong ngành công nghiệp giấy, xút có vai trò quan trọng dùng để tẩy trắng giấy Nồng độ xút có ảnh hưởng lớn đến độ trắng giấy Phương pháp sản xuất xút phổ biến công nghiệp điện phân dung dịch muối ăn, điện phân màng trao đổi ion phương pháp điện phân mới, đại phổ biến Bể điện phân đối tượng phức tạp, có nhiều trình cân có phản ứng hóa học xảy Sản phẩm đầu không đo cảm biến nên việc điều khiển PID thông thường gặp nhiều khó khăn Mục đích nghiên cứu luận văn nhằm nâng cao chất lượng điều khiển từ nâng cao chất lượng sản phẩm công nghệ sản xuất xút theo phương pháp điện phân màng ion Với mục đích luận văn mô hình hóa đối tượng đưa phương án nâng cao chất lượng tính ổn định hệ thống điều khiển bể điện phân cụ thể nhà máy hóa chất thuộc Tổng công ty giấy Việt Nam Kết mô cho thấy với phương án đưa chất lượng điều khiển cải thiện đáng kể Thực tế nhà máy minh chứng phần tính hiệu phương án đưa 92 ... 3: Nghiờn cu nõng cao cht lng iu khin b in phõn mng trao i ion 56 3.1 Thc trng h thng iu khin b in phõn mng trao i ion R230 56 3.1.1 Cỏc quỏ trỡnh cõn bng b in phõn mng trao i ion 56 3.1.2 Thc... ó gia nhit ( kớch thớch quỏ trỡnh trao i Ion ) c bm P154 a ti thỏp trao i ion T160A/B lc cỏc ion nh Ca2+,Ba2+ ,Mg2+ , Gõy h hi cho mng in phõn Thỏp trao i ion T160A/B + Trong thỏp T160A/B cú... thỏp trao i Ion T160A/B, khớ nộn Nc mui b lc M140A/B s c a ti b D150 v mc nc mui ú c o bi b LIA-104 Mc ca nú thng c khng ch khong 50% b Quỏ trỡnh trao i Ion: Ion Canxi v Magiờ hoc cỏc Cation khỏc