Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải trong công nghiệp xi măng

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Lê Thanh Liêm Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải công nghiệp xi măng Chuyên ngành: Điều khiển Tự động hóa Mã số SV: CB130968 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 28/04/2016 với nội dung sau: Làm rõ khả tận dụng nhiệt; Trang 42, 63 rà soát loại bỏ nội dung không phù hợp; Gộp chương 01 chương 02; Phát triển thêm chương 03 Ngày Giáo viên hƣớng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập giảng đường đến nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ quý thầy cô, gia đình bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô Viện Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập trường Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Đăng Thảnh người trực tiếp hướng dẫn em suốt thời gian thực đề tài Nhờ giúp đỡ hướng dẫn nhiệt tình thầy em có kiến thức quý báu cách thức nghiên cứu vấn đề nội dung đề tài, từ em hoàn thành tốt khoá luận tốt nghiệp Em chân thành cám ơn hỗ trợ Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Nghiên cứu, thiết kế xây dựng hệ cảm biến thông minh không dây, ứng dụng cho Smart grid/ B2014-01-80” Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 04 năm 2016 Học viên thực Lê Thanh Liêm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng Hà Nội, tháng 04 năm 2016 Tác giả luận văn Lê Thanh Liêm DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ Số hiệu Tên Trang Hình 1.1 Cấu trúc hệ SCADA đơn giản Hình 1.2 Sơ đồ thành phần cấu trúc hệ thống SCADA 10 Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống SCADA đại 10 Hình 1.4 Mô hình phân cấp chức hệ thống điều khiển giám sát 12 Hình 1.5 Cấu hình hệ điều khiển phân tán 17 Hình 1.6 Các phương pháp bố trí trạm vận hành 20 Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống tận dụng nhiệt khí thải 26 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý nhà máy phát điện theo chu trình Rankine nước 32 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý NM phát điện tận dụng nhiệt thải theo chu trình Rankine dung môi hữu 34 Hình 3.1 Sơ đồ khối trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải 39 Hình 3.2 Sơ đồ điểm đo điển hình trạm phát điện 41 Bảng 3.3 Cân khí dây chuyền sản xuất theo thiết kế nhà thầu F.L.Smidth 42 Bảng 3.4 Các thông số khí nóng vào lò 45 Bảng 3.5 Kết tính toán 48 Bảng 3.6 Kết tính toán công suất Tuabin 49 Bảng 3.7 Bảng tín hiệu vào 63 Hình 3.8 Bộ PID mềm FB41 PLC 67 Hình 3.9 Nguyên lý hoạt động PID 68 Hình 3.10 Bộ điều khiển PID 70 Hình 3.11 Sơ đồ khối điều khiển PID 71 Bảng 3.12 Bảng giá trị tham số sử dụng PID 73 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục bảng, hình vẽ, sơ đồ Mở đầu……………………………………………………………………………1 Chƣơng - Ý nghĩa tận dụng nhiệt khí thải phát điện nghiên cứu hệ thống đo lƣờng điều khiển ………….… ………….… ………… 1.1 Tổng quan…………………………………………………………….… ……3 1.2 Ý nghĩa việc tận dụng nhiệt khí thải để phát điện… …… …….…….7 1.3 Hệ SCADA………………………………………………………….……….…8 1.4 Hệ DCS………………………………………………………….…………… 12 1.5 Kết luận………………………………………………………….………… …24 Chƣơng - Nhiệt khí thải công nghiệp sản xuất xi măng quan điểm lựa chọn công nghệ, kỹ thuật phát điện tận dụng nhiệt khí thải……………………………………………………….………….………… …26 2.1 Nhiệt khí thải công nghiệp sản xuất xi măng…… …… ……… …26 2.2 Tổng quan quan điểm lựa chọn công nghệ kỹ thuật phát điện tận dụng nhiệt khí thải …… …… ……… ……… …… ……… …… …… 29 2.3 Công nghệ phát điện tận dụng Nhiệt khí thải theo chu trình Rankine nước truyền thống (RC) ……………………………………….………….………… …31 2.4 Công nghệ phát điện tận dụng Nhiệt khí thải theo chu trình Rankine dung môi hữu (ORC) ………………………………… ……….………….…………… 32 2.5 Kết luận………………………………………………………….…………… 37 Chƣơng - Thiết kế hệ thống đo lƣờng điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải nhà máy xi măng Tam Điệp………………….… …… …38 3.1 Giới thiệu sơ lược Nhà máy xi măng Tam Điệp mô tả dây chuyền công nghệ trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải ………………………….… …… …38 3.2 Tóm tắt công nghệ sản xuất xi măng thông số kỹ thuật số thiết bị dây chuyền có liên quan………………….…….…… ………………42 3.3 Tính toán công suất phát trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải Nhà máy xi măng Tam Điệp………………….…….……….…….…… …… ………………45 3.4 Giới thiệu thiết bị - nhiệt thiết bị điện động lực trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải……….…….……….…….…… …… ……… ……50 3.5 Yêu cầu kỹ thuật hệ thống đo lường điều khiển trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải ……….…….……….…….…… …… ………….…… ……60 3.6 Thiết kế phần cứng….…….……….…….…… …… ………… …… ……62 3.7 Thiết kế điều khiển…….……….…….…… …… ………… …… ……63 Kết luận hƣớng phát triển Đề tài Tài liệu tham khảo Phụ lục MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Đề tài Theo số liệu thống kê Bộ Xây dựng, năm 2014, tổng tiêu thụ xi măng đạt 71 triệu sản phẩm, nội địa 50,6 triệu xuất 20,4 triệu Tuy nhiên, ngành công nghiệp xi măng Việt Nam phải đối mặt với nhiều thách thức giá điện, than, dầu… tăng liên tục làm ảnh hưởng đến hiệu sản xuất kinh doanh tính cạnh tranh giá sản phẩm thị trường Tình trạng thiếu điện xảy ảnh hưởng đến sản lượng sản xuất tiêu thụ Nhà máy xi măng Đứng trước thách thức đó, việc tận dụng nhiệt thừa nhà máy xi măng để phát điện việc làm thiết thực có ý nghĩa lớn theo báo cáo ngành điện đảm bảo 80% lượng điện cho ngành xi măng từ đến năm 2020, lại 20% ngành xi măng phải tự lo Do việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế đầu tư xây dựng trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải cho nhà máy xi măng bắt buộc phù hợp với Quyết định số 1488/QĐ-TTg Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch phát triển công nghiệp xi măng Việt Nam giai đoạn 2011 - 2020 định hướng đến năm 2030 Các dự án xi măng đầu tư có công suất lò nung từ 2.500 clanhke/ngày trở lên, phải đầu tư hệ thống thiết bị tận dụng nhiệt khí thải để phát điện, trừ dây chuyên sản xuất xi măng sử dụng chất thải công nghiệp rác thải làm nhiên liệu; nhà máy xi măng hoạt động dự án xi măng triển khai đầu tư ký hợp đồng cung cấp thiết bị trước ngày Quyết định có hiệu lực, phải hoàn thành đầu tư hạng mục trước năm 2015 Theo số liệu thực tế Nhà máy lắp đặt trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải nhà máy xi măng tiết kiệm tới 20% chi phí điện hàng năm giảm lượng khí thải CO2 môi trường Trên giới có nhiều nhà máy xi măng đưa vào sử dụng hệ thống tận dụng nhiệt khí thải để phát điện Tại Việt Nam có số nhà máy xi măng lắp đặt hệ thống tận dụng nhiệt khí thải để phát điện như: Nhà máy xi măng Hà Tiên 2, Chinfon, Công Thanh Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải công nghiệp xi măng” bước nghiên cứu ban đầu để lập dự án, lắp bắt sơ đồ công nghệ, hệ thống đo lường điều khiển, làm chủ hệ thống đầu tư hệ thống vào thực tiễn Mục đích nghiên cứu Bản luận văn nghiên cứu hệ thống đo lường điều khiển, công nghệ kỹ thuật phát điện tận dụng nhiệt khí thải ứng dụng để thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải Nhà máy xi măng Tam Điệp Phạm vi nội dung nghiên cứu Nghiên cứu nhiệt khí thải công nghiệp xi măng Nghiên cứu hệ Scada DCS Quan điểm lựa chọn công nghệ kỹ thuật phát điện nhiệt khí thải Tính toán công suất phát trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải Nghiên cứu hệ thống đo lường, điều khiển ứng dụng cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đề tài Thiết lập mô hình hệ thống đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải nhà máy xi măng Vicem Tam Điệp Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục, nội dung luận văn chia thành chương sau: Chương 1: Ý nghĩa tận dụng nhiệt khí thải phát điện nghiên cứu hệ thống đo lường điều khiển Chương 2: Nhiệt khí thải công nghiệp sản xuất xi măng quan điểm lựa chọn công nghệ, kỹ thuật phát điện tận dụng nhiệt khí thải Chương 3: Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải nhà máy xi măng Tam Điệp Chƣơng 1: Ý NGHĨA TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI PHÁT ĐIỆN VÀ NGHIÊN CỨU VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG ĐIỀU KHIỂN HIỆN NAY 1.1 Tổng quan Công nghệ sản xuất xi măng sử dụng nguồn lượng điện than; Việc sử dụng than trình sản xuất clinker phát tán môi trường lượng khí CO2 lượng nhiệt thải lớn dẫn đến làm ô nhiễm môi trường, gây lãng phí nguồn lượng Lượng nhiệt, khí thải phát tán nhiều tuỳ thuộc mức độ tiên tiến phương pháp công nghệ thiết bị dây chuyền sản xuất xi măng Ngày nay, nhà thiết kế cung cấp thiết bị cho dây chuyền sản xuất xi măng ý đến việc áp dụng nhiều biện pháp cải tiến công nghệ tận thu nhiệt thừa nhằm hạn chế đến mức thấp lượng nhiệt lãng phí Xét khía cạnh khác, việc đốt nhiên liệu hoá thạch (than) số nguyên nhân chủ yếu gây nên hiệu ứng nhà kính gây ảnh hưởng lớn đến biến đổi khí hậu trái đất Chính lẽ mà Liên hợp quốc ưu tiên thực dự án tái tạo nguồn lượng cải thiện môi trường nhằm giảm hiệu ứng nhà kính toàn cầu Từ cuối năm 60 kỷ XX, số quốc gia bắt đầu tiến hành nghiên cứu kỹ thuật phát điện từ nguồn nhiệt thải nhiệt độ vừa thấp, đến năm 70 hệ thống cấp nhiệt thiết bị máy phát điện giai đoạn ứng dụng thực tế Trên giới có nhiều nước lắp đặt trạm phát điện nhiệt khí thải vào dây chuyền xi măng, phổ biến số nước châu Á Tại Nhật Bản, kỹ thuật trở nên thành thục, họ nghiên cứu chế tạo loại lò tận dụng nhiệt khí thải tua bin sử dụng nước sử dụng nhiệt độ vừa thấp; thiết bị lắp đặt nhiều nhà máy xi măng, hoạt động tin cậy, đạt hiệu cao Năm 2000, Tổ chức phát triển nguồn lượng NEDO Nhật Bản lắp đặt cho Việt Nam hệ thống thiết bị trạm phát điện nhiệt khí thải công suất 2.950 kW, lắp cho dây chuyền lò nung số suất 3.000 clinker/ngày Nhà máy xi măng Kiên Lương - Công ty Cổ phần Xi măng Hà Tiên Sau 10 năm hoạt động, trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải Nhà máy xi măng Kiên Lương hoạt động ổn định, mang lại lợi ích kinh tế - xã hội, tiết kiệm lượng, bảo vệ môi trường; làm giảm đáng kể giá thành sản xuất xi măng; hệ thống thiết bị trạm phát điện làm việc tin cậy ổn định, không làm ảnh hưởng tới việc vận hành dây chuyền sản xuất xi măng Đối với Việt Nam kinh tế đà phát triển mạnh mẽ; nhu cầu sử dụng lượng ngày nhiều, nguồn cấp điện thiếu hụt lớn Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 định hướng tới năm 2030, theo phương án phụ tải cao tới năm 2020 cần bổ sung 55.000 MW, tới năm 2030 bổ sung thêm 71.800MW, EVN có khả đầu tư phần, lại phải huy động từ ngành khác (kể việc phải mua điện từ Trung Quốc) Nguyên nhân chủ yếu tốc độ phát triển nhà máy điện chưa đáp ứng yêu cầu (thường chậm tiến độ), nguồn nhiên liệu hoá thạch ngày cạn kiệt giá không ngừng tăng cao, số nguồn lượng bị bỏ phí sử dụng không hiệu Để khắc phục tình trạng Đảng Nhà nước vạch đường lối đạo hoạch định sách cụ thể nhằm: “Tiết kiệm, sử dụng hiệu nguồn lượng có, khai thác hợp lý nguồn tài nguyên; quan tâm đầu tư cho lĩnh vực môi trường, hoạt động thu gom, tái chế, sử dụng lại nhiệt thải” Chính việc nghiên cứu áp dụng giải pháp kỹ thuật sử dụng nguồn khí thải để phát điện yêu cầu yếu nhiều quan, tổ chức nhà nước doanh nghiệp sản xuất, kinh doanh quan tâm Ngày 29/08/2011, Thủ tướng ban hành Quyết định số 1488/QĐ-TTg phê duyệt Quy hoạch phát triển công nghiệp xi măng Việt Nam giai đoạn 2011 - 2020 định hướng đến năm 2030 Các dự án xi măng đầu tư có công suất lò nung từ 2.500 clanhke/ngày trở lên, phải đầu tư hệ thống thiết bị tận dụng nhiệt khí thải để phát điện, trừ dây chuyên sản xuất xi măng sử dụng chất thải công nghiệp rác thải làm nhiên liệu; nhà máy xi măng hoạt động dự án xi măng triển khai đầu tư ký hợp đồng cung cấp thiết bị trước ngày Quyết định có hiệu lực, phải hoàn thành đầu tư hạng mục trước năm 2015 Biến ngoại: Sử dụng PC Access Khởi động PC Access – File – New chọn Để tạo biến ngoại ta chọn New – Item, hộp thoại Item Properties xuất hiện: 78 Sau tạo xong biến ta tiến hành tạo liên kết với WinCC Trong hình WinCC phải chuột vào OPC Groups chọn System Parameter 79 Hộp thoại OPC Item Manager xuất Chọn Browse Server – đánh dấu vào Read Access Write Access 80 Nhấp vào “+” S7300.OPCServer Sau chọn Add chọn tiếp S7300 – OPCServer Finish c Tạo soạn thảo giao diện người dùng: Phải chuột vào Graphics Designer chọn New Picture Hộp thoại Graphics Designer xuất hiện: 81 Trong hình ta tạo vùng liên kết, nút nhấn đồ thị hiển thị… Và chỉnh sửa cho phù hợp với người dùng d Cài đặt thông số cho WinCC Runtime: Trên cửa sổ WinCC Explorer click chuột phải vào mục Computer, chọn Properies sau chọn Properties lần Trên tab Graphics Runtime chọn trang hình khởi động đặt thuộc tính cho hình giao diện 82 Cuối nhấn để chạy chương trình 3.7.4 Giao diện chƣơng trình điều khiển trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải 83 84 3.7.5 Nguyên lý hoạt động sơ đồ điều khiển trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải Khi ấn nút Start hình điều khiển nước có nhiệt độ khoảng 560C bơm cấp nước lò bơm nước vào hâm nước lò AQC, lúc van điều khiển lưu lượng khí nóng từ khu vực làm nguội clinker mở để cấp dòng khí nóng cho lò AQC Dòng khí nóng gia nhiệt làm cho nước hâm nước nóng lên đến khoảng 1640C Dòng nước nóng đưa đến ống góp nước chung Từ ống góp nước chung này, nước dẫn tới bao lò PH, AQC thiết bị bốc Flasher Sau nước cấp tới bao lò PH AQC, nước nước phân ly, nước lắng phía đưa trở lại dàn ống sinh hơi, nước nằm phía đưa qua dàn ống nhiệt Sau khỏi dàn ống nhiệt, nhiệt gia nhiệt từ dòng khí nóng khu khu vực làm nguội clinker, tháp trao đổi nhiệt nhiệt đưa đến ống góp nhiệt chung trước đưa vào tuabin Tại tuabin lượng nhiệt chuyển thành công năng, truyền động máy phát điện sinh điện Một phần nước cấp từ ống góp chung đưa đến thiết bị bốc Flasher Tại thiết bị nước nước phân ly Hơi thoát khỏi thiết bị bốc cấp bổ sung cho tuabin để giãn nở sinh công Phần nước ngưng đưa trở lại bình ngưng phụ gia nhiệt cho nước cấp Hơi sau giãn nở sinh công tuabin đưa vào bình ngưng Tại nước trao đổi nhiệt với nước làm mát ngưng tụ thành nước ngưng Nước ngưng sau bơm ngưng đưa đến bình ngưng phụ Tại bình ngưng phụ, nước ngưng hỗn hợp với nước bổ sung cho lò nước ngưng từ thiết bị bốc làm cho nhiệt độ nước tăng lên Sau khử tạp khí, nước bơm nước cấp tiếp tục đưa đến hâm nước lò AQC để gia nhiệt cho nước Nước sau gia nhiệt lại đưa đến ống góp nước chung, từ nước cấp cho bao lò PH, AQC, thiết bị bốc Flasher tạo thành chu trình kín 85 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận Sau khoảng thời gian thực luận văn, nhiều khó khăn thời gian tiếp cận công nghệ sản xuất xi măng, công nghệ phát điện tận dụng nhiệt khí thải chưa nhiều nên tác giả tập trung nghiên cứu số vấn đề sau: - Nghiên cứu việc tận dụng nhiệt khí thải công nghiệp xi măng - Nghiên cứu hệ thống đo lường điều khiển - Nghiên cứu công nghệ tận tận dụng nhiệt khí thải công nghiệp xi măng - Tính toán lựa chọn công suất phát điện - Sơ xây dựng mô hình đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải công nghiệp xi măng” bước nghiên cứu ban đầu để lập dự án, bắt sơ đồ công nghệ, hệ thống đo lường điều khiển, làm chủ hệ thống đầu tư hệ thống vào thực tiễn Hƣớng phát triển Đề tài Học viên mong muốn tiếp tục hoàn thiện nghiên cứu để ứng dụng kết thực tế góp phần giảm chi phí điện hàng năm lượng CO2 phát thải môi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Trần Thu Hà, KS Phạm Quang Huy (2007), Giao diện người – máy HMI (Human machine interface) lập trình với S7 WinCC 6.0, NXB Hồng Đức, Hồ Chí Minh Hoàng Minh Sơn (2004), Cơ sở hệ thống điều khiển trình, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội Phạm Quang Đăng (2014), Slide tổng quan giám sát vận hành thu thập liệu (Scada) PGS Nguyễn Bốn, PTS Hoàng Ngọc Đồng (1999), Nhiệt kỹ thuật, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội PGS.TS Phạm Lê Dzần, TS Nguyễn Công Hân (2005), Công nghệ lò mạng nhiệt, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội PGS.TSKH Phan Quang Xưng (2002), Giáo trình tuốc bin nhiệt điện, Đà Nẵng Sơ đồ công nghệ Nhà máy xi măng Tam Điệp Tài liệu nhà thầu FL.Smidth cho dây chuyền nhà máy xi măng Tam Điệp Tianjin Cement Industry Design and Research Institute, China, 29/01/2007, Technical in Solution “Waste Heat Power Station (6MW for Vietnam Cement Plan (4000T/d))” 10 Trang Web Hiệp hội xi măng Việt Nam (VNCA) http://ximang.vn 11 Thông tin khoa học kỹ thuật xi măng - Tổng Công ty Công nghiệp xi măng Việt Nam 12 Các tài liệu liên quan khác… PHỤ LỤC Một số hàm chương trình S7 300: Khởi động hệ thống: Đếm xử lý tín hiệu khởi động: Tắt hệ thống reset vùng nhớ, cổng ra: Nhận tín hiệu từ cảm biến Analog để đưa vào PLC: Gửi tín hiệu điều khiển từ PLC vào đối tượng tác động (van): Tác động vào cảm biến, tính phần trăm góc mở van: Bộ PID: Always on always off: ... chọn công nghệ kỹ thuật phát điện nhiệt khí thải Tính toán công suất phát trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải Nghiên cứu hệ thống đo lường, điều khiển ứng dụng cho trạm phát điện tận dụng nhiệt. .. cứu, thiết kế hệ thống đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải công nghiệp xi măng bước nghiên cứu ban đầu để lập dự án, lắp bắt sơ đồ công nghệ, hệ thống đo lường điều khiển, ... khí thải công nghiệp sản xuất xi măng quan điểm lựa chọn công nghệ, kỹ thuật phát điện tận dụng nhiệt khí thải Chương 3: Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí