thiết kế hệ thống điều khiển tự động nhiệt độ cho buồng đốt thứ cấp của lò đốt rác

Xuất phát từ thực tế cấp thiết cần tự động hóa quá trình trong lò đốt rác, luận văn đã trình bày đặc tính và nguyên lý hoạt động của một số loại cảm biến nhiệt độ được sử dụng phổ biến t

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nhiều lĩnh vực sản xuất hiện nay như công nghiệp luyện kim, công

nghiệp chế biến thực phẩm, xử lý môi trường … thì việc đo và kiểm soát nhiệt độ là

một vấn đề mấu chốt trong việc kiểm soát quy trình

Xuất phát từ thực tế cấp thiết cần tự động hóa quá trình trong lò đốt rác, luận

văn đã trình bày đặc tính và nguyên lý hoạt động của một số loại cảm biến nhiệt độ

được sử dụng phổ biến trong công nghiệp, các thiệt bị điện tử - điện công nghiệp

được ứng dụng trong quá trinh điều khiển tự động nhiệt độ và thi công mô hình hệ

thống điều khiển

Mô hình (điều khiển bằng vi điều khiển) này sử dụng cảm biến để đo nhiệt độ,

sử dụng bóng đèn sợi đốt để điều chỉnh nhiệt Ngoài ra, mô hình này còn được trang

bị thêm tính năng điều khiển, hiển thị, giao tiếp với phím ma trận và máy tính Song

song đó, cũng đã đề xuất phương án cải tiến mô hình để ứng dụng thực tế

Ngoài ra, luận văn cũng có nghiên cứu vấn đề điều khiển nhiệt độ sử dụng

PLC và các thiết bị công nghiệp đi kèm với hệ thống Tuy nhiên chỉ mới dừng ở mức

độ nghiên cứu

Mô hình chạy thử nghiệm đáp ứng được yêu cầu điều khiển và nghiên cứu về

điều khiển bằng PLC là khả thi Cả hai đều có tính ứng dụng cao

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày …… Tháng……… Năm 2018 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS TS LÊ VĂN LỮ

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Ngày …… Tháng……… Năm 2018 GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

ThS TRẦN DUY HẢI

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Khối lượng chất thải y tế một số địa phương năm 2010 2

Bảng 1.3 Khối lượng chất thải rắn y tế vận chuyển và xử lí (2000-2013) 4

Bảng 1.4 Một số lò đốt rác thải y tế đang được sử dụng tại Việt Nam 6

Hình 1.1 Lò đốt Hoval MZ4 (Thụy Sĩ) 10

Bảng 1.5 Yêu cầu kỹ thuật của một số loại lò đốt 12

Bảng 2.1 Thông số các loại can nhiệt thường dùng 27

Bảng 2 2 Ảnh hưởng của thay đổi các tham số PID 52

Bảng 2.3 Hiệu chỉnh thông số điều khiển PID tphương pháp Zeigler-Nichols 53

Bảng 3.1 Chức năng các chân trong LCD 16x2 62

Bảng 3.2 Các biến và label của các thành phần trong giao diện 82

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật cơ bản của PLC S7-300 CPU 314 87

Bảng 3.4 Dòng PRESS N đầu đốt dầu FO hai cấp của hãng Riello 96

Bảng 3.5 Danh sách các thiết bị khác trong hệ thống 103

Bảng 3.6 Khai báo các biến và ngõ I/O trong PLC 106

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Lò đốt Hoval MZ4 (Thụy Sĩ) 10

Hình 2.1 Lò đốt rác hai buồng đốt 19

Hình 2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển quá trình 20

Hình 2.3 Biến quá trình trong hệ thống điều khiển quá trình 21

Hình 2.4 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 25

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến cặp nhiệt điện 26

Hình 2.6 Sơ đồ cặp nhiệt điện thực tế 26

Hình 2.7 Cảm biến nhiệt điện trở kim loại RTD dùng trong công nghiệp 29

Hình 2.8 Các loại nhiệt điện trở bán dẫn thermistor trong thực tế 30

Hình 2.8 Các loại cảm biến bán dẫn trong thực tế 31

Hình 2.9 Các linh kiện sử dụng làm cảm biến nhiệt bán dẫn 32

Hình 2.10 Cảm biến DT-670 Silicon diodes 33

Hình 2.11 Cảm biến dạng IC LM35 33

Hình 2 12 Sơ đồ các chân của cảm biến LM 35 và cách nối dây với đồng hồ đo 33

Hình 2 13 Sơ đồ khối vi điều khiển 8051 35

Hình 2.13 Sơ đồ khối cấu vi điều khiển 8051 36

Hình 2 14 Cấu trúc phần cứng PIC theo kiểu kiến trúc Havard 38

Hình 2 15 Cấu trúc phần cứng PIC theo kiểu kiến trúc Von Neumann 38

Hình 2.16 So sánh mô hình kiến trúc Harvard và Von Neumann 39

Hình 2.17 Quá trình đọc lệnh ở kiến trúc Harvard và kiến trúc Von Neumann 39

Hình 2.18 Cấu trúc vi điều khiển AVR 40

Hình 2.19 Sơ đồ mạch Arduino Uno R3 41

Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý bộ PLC 42

Hình 2.21 Giao diện vào ra trong PLC 43

Hình 2.22 Đầu đốt dầu DO Riello 2 cấp dòng PRESS 44

Hình 2.23 Đầu đốt dầu FO Riello 2 cấp dòng PRESS 45

Hình 2.24 Gas Riello 2 cấp dòng Gas/2 45

Hình 2.25 Đầu đốt Riello 2 nhiên liêu dầu DO - Gas loại vô cấp 46

Hình 2.26 Cấu tạo đầu béc phun dầu 47

Hình 2.27 Đầu bét phun dầu DO (tạo côn rỗng hay côn khắp) 48

Hình 2.28 Đầu đốt dầu với các cánh xoáy gió sơ cấp, thứ cấp 48

Hình 2.29 Nguyên tắc điều khiển hồi tiếp hệ thống điều khiển nhiệt độ 49

Hình 2.30 Đặc điểm hoạt động của phương pháp điều khiển ON OFF 50

Hình 2.31 Đặc điểm của hunting trong điều khiển ON OFF 51

Hình 2.32 Bộ điều khiển PID 51

Hình 3.1 Sơ đồ các khối thiết bị trong mô hình PIC 55

Hình 3.2 Mạch điện của khối nguồn trong mô hình 56

Hình 3.3 Sơ đồ khối PIC18F4620 57

Hình 3.5 Sơ đồ chân của LM35 và hình dáng bên ngoài 58

Hình 3.4 Sơ đồ chân PIC18F4620 58

Hình 3.6 Bộ chuyển đổi ADC 61

Hình 3.7 Sơ đồ các chân của LCD 16x2 62

Hình 3.8 Kết nối LCD với vi điều khiển 64

Hình 3.9 Mô tả hoạt động điều chế xung PWM 64

Hình 3.10 Biểu diễn một số khái niệm của PWM 65

Hình 3.11 Nguyên lý hoạt động PWM 66

Hình 3.12 Sơ đồ mắc dây ma trận phím 4x4 66

Hình 3.13 Giao thức truyền dữ liệu bằng RS232 67

Hình 3.14 Sơ đồ chân tín hiệu và giắc cắm RS232 67

Hình 3.15 Nguyên tắc truyền bất đồng bộ 69

Hình 3.16 Kết nối giữa vi điều khiển và máy tính qua cổng COM 69

Hình 3.17 Module Relay SSR AC 5V 70

Hình 3.18 Module SIM900 71

Hình 3.19 Sơ đồ kết nối module SIM900 với máy tính 71

Hình 3.20 Sơ đồ chân SIM900 73

Hình 3.21 Sơ đồ mạch nguyên lý SIM900 73

Hình 3.22 Lưu đồ cho chương trình gửi nhận tín hiệu qua SIM900 74

Hình 3.23 Mô hình KIT điều khiển thực tế 75

Hình 3.24 Giao diện phần mềm MPLAB 76

Hình 3.25 Sơ đồ tổng quan hoạt động của mô hình PIC 77

Hình 3.26 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển nhiệt độ 78

Hình 3.27 Mô hình khi hoạt động thực tế 79

Hình 3.28 Giao diện điều khiển PIC - PC 84

Hình 3.29 Lò đốt chất thải rắn y tế do công ty FBE chế tạo (2017) 85

Hình 3.30 Can nhiệt loại K và đầu dò nhiệt độ của hãng Doo Kwang 86

Hình 3.31 Bộ điều khiển khả trình PLC S7-300 CPU 314 của hãng Siemens 87

Hình 3.33 Ghép nối các module mở rộng của PLC S7 300 90

Hình 3.32 Hình ảnh các module mở rộng trong thực tế 90

Hình 3.34 Sơ đồ input, output của thiết bị chia tín hiệu 94

Hình 3.35 Calip bằng phần mềm qua Micro USB và DIP Switch 95

Hình 3.36 Cách kết nối thiết bị chia tín hiệu dòng 4-20mA Z170REG-1 với máy tính và điện thoại 95

Hình 3.37 Đầu đốt dầu FO hai cấp dòng PRESS 30N 97

Hình 3.38 Bộ chuyển đổi truyền thông ATC-107N 99

Hình 3.39 Khởi động từ đơn (hãng Schneider) 100

Hình 3.40 Rơ le điện từ 101

Hình 3.41 Aptomat bảo vệ (hãng Schneider) 103

Hình 3.42 Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng PLC 105

Hình 3.43 Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ bằng PLC 106

Hình 3.44 Lập trình cho PLC - Network 1 108

Hình 3.45 Lập trình cho PLC - Network 2 108

Hình 3.46 Lập trình cho PLC - Network 3 109

Hình 3.47 Lập trình cho PLC - Network 4 110

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

LỜI NÓI ĐẦU iii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN iv

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vii

MỤC LỤC xi

CHƯƠNG I 1

TỔNG QUAN 1

1.1 MỞ ĐẦU 1

1.2 VẤN ĐỀ CHẤT THẢI RẮN Y TẾ TẠI VIỆT NAM VÀ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH HIỆN NAY 1

1.2.1 Tại Việt Nam 1

1.2.2 Tại Thành phố Hồ Chí Minh 4

1.3 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG LÒ ĐỐT RÁC THẢI Y TẾ TẠI VIỆT NAM VÀ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH HIỆN NAY 5

1.3.1 Tại Việt Nam 5

1.3.2 Tại Thành phố Hồ Chí Minh 10

1.4 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA BUỒNG ĐỐT THỨ CẤP 12

1.5 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 13

1.6 MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 14

1.6.1 Mục tiêu 14

1.6.2 Nhiệm vụ 14

1.7 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 14

1.8 PHẠM VI NGHÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 15

1.9 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 15

1.10 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 15

CHƯƠNG 2 16

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.1 TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐỐT RÁC VÀ BUỒNG ĐỐT THỨ CẤP 16

2.3.1 Khái niệm lò đốt rác 16

2.3.2 Ưu và nhược điểm của lò đốt rác 16

2.3.3 Nguyên tắc cơ bản của quá trình cháy 17

2.3.4 Phương trình cháy 18

2.3.5 Nguyên lý làm việc của lò đốt rác 18

2.3.6 Cấu tạo lò đốt rác hai buồng đốt 19

2.2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 20

2.3.1 Khái niệm 20

2.3.2 Quá trình và các biến quá trình 21

2.3.3 Phân loại hệ thống điều khiển 24

2.3.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển 24

2.3.5 Thiết bị đo 25

2.3.6 Thiết bị điều khiển 34

2.3.7 Thiết bị chấp hành 44

2.3 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 49

2.3.1 Phân loại hệ thống điều khiển nhiệt độ 49

2.3.2 Một số phương pháp điều khiển thường dùng 50

CHƯƠNG 3 54

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀ

PLC 54

3.1 THÔNG TIN CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 54

3.1.1 Chức năng 54

3.1.2 Đối tượng điều khiển 54

3.1.3 Cơ cấu điều khiển 54

3.1.4 Đại lượng điều chỉnh 54

3.2 THIẾT BỊ TRONG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN 54

3.2.1 Khối nguồn 56

3.2.2 Khối CPU PIC 18F4620 56

3.2.3 Cảm biến bán dẫn LM35 58

3.2.4 Điều chế xung PWM 64

3.2.5 Ma trận phím 66

3.2.6 Giao tiếp PC bằng RS232 66

3.2.7 Relay SSR AC5V 70

3.2.8 Giao tiếp SIM900 71

3.2.9 Mô hình KIT điều khiển thực tế 75

3.3 LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN 76

3.3.1 Giới thệu phần mềm MPLAB 76

3.4 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH VÀO THỰC TẾ 80

3.4.1 Nâng cấp lên vi điều khiển dòng PIC24 (16bit) hoặc PIC32 (32bit) 80

3.4.2 Thay thế cảm biến nhiệt độ bằng can nhiệt loại K 80

3.4.3 Bổ sung mạch khuếch đại vào mạch điều khiển 80

3.4.4 Bổ sung mạch công suất vào mạch điều khiển 80

3.4.5 Thay thế mạch nạp bằng mạch PICkit3 và tách riêng mạch nạp khỏi mạch điều khiển 81

3.4.6 Thiết kế hộp bảo vệ mạch điều khiển 82

3.5 THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ BUỒNG ĐỐT 82

3.5.1 Giới thiệu phần mềm Visual Studio 2015 82

3.5.2 Lưu đồ thiết kế chương trình 82

3.1.1 Màn hình giao diện sau khi thiết kế 84

3.6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ BUỒNG ĐỐT SỬ DỤNG PLC 85

3.6.1 Các thành phần của hệ thống thực tế 85

3.6.2 Lưu đồ thuật toán chương trình 106

3.6.3 Khai báo biến và ngõ vào/ ra trong PLC 107

3.6.4 Lập trình cho PLC 108

CHƯƠNG 4 111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111

4.1 KẾT LUẬN 111

4.2 KIẾN NGHỊ ỨNG DỤNG KẾT QUẢ ĐỀ TÀI 111

4.3 ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

PHỤ LỤC 115

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 MỞ ĐẦU

Thế giới đang ngày càng phát triển không ngừng, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa diễn ra mạnh mẽ Cùng với sự tăng thêm các cơ sở sản xuất với quy mô ngày càng lớn, các khu tập trung dân cư càng ngày nhiều, nhu cầu tiêu dùng các sản phẩm vật chất cũng ngày càng lớn Tất cả những điều đó tạo điều kiện kích thích các ngành sản xuất, kinh doanh và dịch vụ được mở rộng và phát triển nhanh chóng, đóng góp tích cực cho sự phát triển kinh tế của đất nước, nâng cao mức sống chung của xã hội; mặt khác cũng tạo ra một số lượng lớn chất thải bao gồm: Chất thải sinh hoạt, chất thải công nghiệp, chất thải y tế, chất thải nông nghiệp, chất thải xây dựng,… Trong đó chất thải rắn y tế là một vấn đề rất cấp thiết, không những do các tác hại nguy hiểm mà

nó mang lại mà còn do khối lượng càng ngày càng nhiều của nó Xử lý chất thải rắn y

tế bằng phương pháp nhiệt – lò đốt là một giải pháp ưu việt và phù hợp cho thực trạng nước ta hiện nay Tuy nhiên để nâng cao tính chính xác của quá trình giám sát điều khiển quá trình hoạt động của lò, giảm số lượng nhân công làm việc, cần thiết phải thiết

kế và lắp đặt một bộ điều khiển nhiệt độ cho lò đốt chất thải rắn y tế Trong bài luận văn này, em sẽ thực hiện việc xây dựng hệ thống điều khiển đo và giám sát nhiệt độ của buồng đốt thứ cấp của lò đốt chất thải rắn y tế công suất 30 kg rác/h bằng phần mềm

mô phỏng giao diện điều khiển WinCC Với tên đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển

tự động nhiệt độ cho buồng đốt thứ cấp của lò đốt rác”

1.2 VẤN ĐỀ CHẤT THẢI RẮN Y TẾ TẠI VIỆT NAM VÀ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH HIỆN NAY

1.2.1 Tại Việt Nam

Hệ thống các bệnh viện, cơ sở khám chữa bệnh trên địa bàn toàn quốc được phân cấp quản lý theo tính chất chuyên khoa Cụ thể, Bộ Y tế quản lý 11 bệnh viện đa khoa tuyến trung ương, 25 bệnh viện chuyên khoa tuyến trung ương; địa phương quản lý 743 bệnh viện đa khoa tuyến tỉnh/thành phô, 239 bệnh viện chuyên khoa tuyến tỉnh/thành phố, 595 bệnh viện đa khoa quận/huyện/thị xã và 11.810 trung tâm y tế các cấp; các đơn vị khác quản lý 88 Trung tâm/Nhà điều dưỡng/ Bệnh viện tư nhân (Cục Khám

chữa bệnh – Bộ Y tế, 2009) Mức độ đáp ứng nhu cầu chữa trị tính chung trong cả nước tăng lên rõ rệt trong những năm gần đây, năm 2005 là 17,7 giường bệnh/1 vạn dân, đến năm 2009 là 22 giường bệnh/1 vạn dân (Tổng cục Thống kê, 2011) Việc tăng số lượng giường bệnh thực tế do tăng nhu cầu về khám chữa bệnh đồng nghĩa với việc tăng khối lượng chất thải y tế cần phải xử lý

Theo nghiên cứu điều tra mới nhất của Cục Khám chữa bênh - Bộ Y tế và Viện Kiến trúc, Quy hoạch Đô thị và Nông thôn – Bộ Xây dựng, năm 2009 – 2010, tổng lượng chất thải rắn y tế trong toàn quốc khoảng 100-140 tấn/ ngày, trong đó có 16 – 30 tấn/ngày là chất thải rắn y tế nguy hại Lượng chất thải rắn trung bình là 0,86 kg/giường/ngày, trong đó chất thải rắn y tế nguy hại tính trung bình là 0,14 – 0,2 kg/giường/ngày Như vậy, có thể thấy thực trạng hiện nay là chất thải rắn y tế phát sinh ngày càng gia tăng ở hầu hết các địa phương

Bảng 1.1 Khối lượng chất thải y tế một số địa phương năm 2010

Loại đô

thị

Tỉnh/ Thành phố

Lượng chất thải rắn y tế (tấn / năm)

Loại đô thị

Tỉnh/

Thành phố

Lượng chất thải rắn y tế (tấn / năm)

Tính riêng cho 36 bệnh viện thuộc Bộ Y tế quản lý, theo khảo sát năm 2009, tổng lượng chất thải rắn y tế phát sinh trong 1 ngày là 31,68 tấn, trung bình là 1,53 kg/giường/ngày Lượng chất thải phát sinh tính theo giường bệnh cao nhất là bệnh viện Chơ Rẫy 3,72 kg/giường/ngày, thấp nhất là bệnh viện Điều dưỡng - Phục hôi chức năng Trung ương và bệnh viện Tâm thần Trung ương 2 với 0,01 kg/giường/ngày

Lượng chất thải rắn y tế phát sinh trong ngày khác nhau giữa cac bệnh viện tùy thuộc số giường bệnh, bệnh viện chuyên khoa hay đa khoa, các thủ thuật chuyên môn được thực hiện tại bệnh viện, số lượng vật tư tiêu hao được sử dụng Lượng chất thải rắn y tế phát sinh tại các khoa khác nhau trong bệnh viện tại Việt Nam được trình bày vào bảng 1.2 dưới đây

Bảng 1.2 Lượng chất thải y tế phát sinh tại các khoa trong bệnh viện

Tổng lượng chất thải y tế nguy hại (kg/giường/ngày) Bệnh viện

Trung ương Bệnh viện tỉnh

Bệnh viện huyện Trung bình

1.2.2 Tại Thành phố Hồ Chí Minh

Thành phố hiện có 476 cơ sở y tế khám chữa bệnh (khối công lập), bao gồm bệnh viện thuộc Trung ương (Bộ Y tế quản lí), bệnh viện thuộc thành phố (Sở Y tế quản lí), bệnh viện cấp huyện, trung tâm y tế dự phòng (cấp quận), trạm y tế (cấp phường), bệnh viện thuộc nghành quản lí (Công an, Quân đội, Bưu điện, Giao thông vận tải…)

và hơn 13.141 cơ sở y tế khám chữa bệnh (ngoài công lập) với tính đa dạng về loại hình

và quy mô như: bệnh viên (đa khoa, chuyên khoa); phòng khám (chuyên khoa, đa khoa, phòng mạch); nhà hộ sinh; dịch vụ y tế (dịch vụ kính thuốc, tiêm chích, thay băng, chăm sóc sức khỏe tại nhà, phòng răng, ); phòng chẩn trị y học cổ truyền,…Số cơ sở công lập tuy ít hơn dân lập, nhưng về tổ chức quy mô, chuyên môn và cung cấp dịch khám chữa bệnh thì khối công lập vẫn chiếm đa số về số lượt người khám chữa bệnh, hiệu quả khám điều trị và giữ vai trò chủ đạo trong hệ thống y tế nên khối lượng chất thải rắn y tế phát sinh chiếm tỷ trọng lớn hơn

Theo số liệu báo cáo của Công ty TNHH MTV Môi trường đô thị thành phố và

Sở Tài nguyên và Môi trường TP HCM, chất thải rắn y tế (lây nhiễm) thu gom xử lý đã tăng liên tục từ 4,6 tấn/ngày (2000) đến 17,16 tấn/ngày (2013) từ các cơ sở khám chữa bệnh, mà chủ yếu là từ các bệnh viện (hầu hết là khối công lập) và có thực hiện hợp đồng vận chuyển, xử lý

Bảng 1.3 Khối lượng chất thải rắn y tế vận chuyển và xử lí (2000-2013)

khoảng 0,85 – 4,25 tấn/ngày chưa được thu gom Số lượng chưa thu gom được này đang theo hệ thống thu gom chất thải rắn sinh hoạt đến các bãi chôn lấp của thành phố

Bảng số liệu trên cho thấy, lượng rác thải y tế ở TP HCM liên tục gia tăng qua các năm, xuất phát từ nhiều nguyên nhân như:

(1) Gia tăng số lượng cơ sở y tế;

(2) Tăng cường sử dụng sản phẩm dùng một lần trong y tế;

(3) Dân số tăng (tự nhiên và cơ học) Nếu thành phố không sớm có các giải pháp can thiệp thì chỉ trong một thời gian ngắn nữa, khi lượng chất thải y tế tăng quá khả năng xử lí và giới hạn chịu đựng của môi trường, sẽ dẫn đến những thiệt hại nặng nề cho xã hội

chế chất thải rắn y tế không nguy hại làm căn cứ để các cơ sở y tế thực hiện Tuy nhiên, nhiều địa phương chưa có cơ sở tái chế, do vậy việc quản lý tái chế các chất thải y tế không nguy hại còn gặp nhiều khó khăn Đặc biệt là thiếu nguồn kinh phí đầu tư, xây dựng và vận hành hệ thống xử lý chất thải, trong khi tổng chi phí cho xử lý chât thải rắn là tương đối lớn Chi phí cho vận hành xử lý chất thải y tế nguy hại chiếm đến 5% ngân sách nhà nước cấp cho cơ sở y tế Hơn nữa, kinh phí đầu tư xây mới, cải tạo bệnh viện còn hạn chế, nên tiến độ thực hiện của các bệnh viện còn chậm

Theo báo cáo diễn biến môi trường Việt Nam (2010), Việt Nam có khoảng 400

lò đốt rác y tế đang hoạt động, đa phần được xây dựng từ những năm 2000, trong đó có

43 lò đốt chất thải y tế hiện đại, nâng công suất xử lý lên 28.840 kg/ngày Tuy nhiên công suất thiết kế của một lò đốt khoảng 40kg/h - 50 kg/h Tuy nhiên đại đa số các lò đốt chưa sử dụng hết công suất, khi so sánh tổng công suất của các lò đốt với lượng chất thải y tế phát sinh, đã cho thấy, các lò đốt được lắp đặt đã đáp ứng đủ khối lượng phát sinh tại thời điểm Qua đó đã chứng tỏ rằng vẫn còn một khối lượng lớn chất thải

y tế phát sinh chưa được thu gom và xử lý đúng cách

Bảng 1.4 Một số lò đốt rác thải y tế đang được sử dụng tại Việt Nam

STT Tên lò đốt Công suất Xuất xứ Công ty bán

4 L 45 – (No - 001) 45 – 90 kg/h Việt Nam

5 L 45 – (No - 002) 45 – 90 kg/h Việt Nam

Nguồn: Tổng hợp Internet

Lò đốt DEL MONEGO 200 (sản xuất tại Thụy Sỹ)

Là một loại lò đốt phân tầng có nhiều vùng cháy Có hai tầng đốt (tầng đốt sơ cấp và tầng đốt thứ cấp), chuyên dùng để đốt chất thải rắn bệnh viện, bệnh phẩm, xác động vật, chất hữu cơ có độ ẩm cao Trị số calo trung bình là 3.300 Kcal/kg, tỷ trọng chất thải rắn bình quân là 200 kg/m3, độ ẩm của rác là 35% Công suất đốt rác trong một giờ 200kg (một ngày có thể đốt tới 2.800 kg rác) Khả năng nạp rác tự động theo chu kỳ băng tải hoặc thiết bị nâng kết hợp bộ đẩy nạp thủy lực, rác được nạp luân phiên theo từng mẻ một Thiết bị nạp rác này làm hạn chế đến mức thấp nhất khả năng thất thoát nhiệt ở buồng đốt, tăng hiệu suất thiêu hủy

Nhiệt độ lò đốt ở buồng đốt sơ cấp là 1.000oC, năng suất mỏ đốt 500.000 kcal/h Thể tích buồng cháy 6m3, có lớp chịu nhiệt và cách nhiệt làm bằng vật liệu Calcium Silicate và Al2O3 – 40% dày 220 mmm giúp ổn định nhiệt độ bên trong lò đốt

Nhiệt độ lò đốt ở buồng đốt thứ cấp là 1.100oC, năng suất mỏ đốt 500.000 kcal/h Thờ gian khí lưu cháy 1 giây, thể tích buồng đốt 2,8 m3, thành buồng có lớp chịu nhiệt

và cách nhiệt làm bằng vật liệu Calcium Silicate và Al2O3 – 40% dày 220 mm, lưu lượng khí cháy trong một giờ 2.000 m3/h

Tro được lấy ra ngoài bằng dụng cụ cầm tay từ cửa lấy tro Ống khói có đường kính bên trong 500 mm, chiều cao ống khói là 15 m

Năng lượng cần cung cấp cho quá trình đốt rác: Nguồn điện sử dụng 380V – 3 pha – 50 Hz, công suất yêu cầu 10 kw, tiêu hao điện năng cho máy 5 kw/h (25 kw/ tấn rác), lượng dầu DO cần phải sử dụng cho quá trình đốt rác từ 10 – 20 lít/ giờ (tùy thuộc vào đặc tính của từng loại chất thải rắn) tối đa 186 lít/ tấn rác

Kích thước lò đốt không kể ống ống khói: dài x rộng x cao = 5,5 x 3,5 x 3 (m)

Ưu điểm

 Hiệu suất khai thác cao

 Thời gian lưu giữ chất thải rắn chờ đốt ngắn

 Thuận lợi cho công tác thu gom, vận chuyển chất thải rắn

 Diện tích đặt máy nhỏ

 Chi phí năng lượng cho việc tiêu hủy 1 tấn chất thải rắn thấp

Nhược điểm

 Loại bỏ tro bằng dụng cụ cầm tay

 Do hạn chế nhiên liệu tiêu hao trong buồng đốt thứ cấp nên lượng CO, NOx còn lại trong khí thải ra ngoài cao

Lò đốt Hoval (sản xuất tại Áo)

Là loại lò đốt phân tầng có nhiều vùng cháy: có hai tầng đốt (tầng đốt sơ cấp và tầng đốt thứ cấp)

Lò đốt Hoval có khả năng đốt được nhiều loại rác thải khác nhau kể cả những chất thải rắn có tính độc hại cao và rác thải bệnh viện Trị số calo trung bình < 4.000 Kcal/kg, tỷ trọng chất thải rắn bình quân là 120 kg/m3, độ ẩm của rác là 30% Lò có khả năng hoạt động liên tục 11 giờ/ngày, khả năng nạp tải (đốt rác) là 9 giờ/ngày

Công suất đốt rác trong một giờ là 460 kg (một ngày có thể đốt tới 4.140 kg rác) Rác được nạp vào lò đốt hoàn toàn tự động theo chu kỳ bằng thiết bị nâng kết hợp với

bộ đẩy nạp thủy lực, rác được đưa vào theo từng mẻ đốt rác một Nhờ có hệ thống nạp rác náy nên khi chất thải rắn được đưa vào buồng đốt để tiêu hủy không ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy đang diễn ra bên trong, đồng thời không làm thất thoát nhiệt lượng

ra ngoài bảo đảm nhiệt độ bên trong luôn luôn ổn định Tăng hiệu suất đốt cháy triệt để chất thải rắn

Nhiệt độ lò đốt ở buồng đốt sơ cấp là > 650oC, năng suất mỏ đốt 71.380 kcal/h Thể tích buồng cháy 10,8 m3, có lớp chịu nhiệt và cách nhiệt làm bằng vật liệu CaO – 3,2%, Fe2O3 – 2,3%, Al2O3 – 39% dày 220 mm giúp ổn định nhiệt độ bên trong lò đốt không thất thoát nhiệt lượng ra ngoài

Nhiệt độ lò đốt ở buồng đốt thứ cấp là > 1000oC, năng suất mỏ đốt 945.900 kcal/h (2 mỏ) Thời gian khí lưu chỉ 1 giây, thể tích buồng đốt 5,31 m3, thành buồng có lớp chịu nhiệt và cách nhiệt làm bằng vật liệu CaO – 3,2%, Fe2O3 – 2,3%, Al2O3 – 39% dày 220 mm, lưu lượng khí cháy trong một giờ 4.000 m3/h

Nguồn điện sử dụng 380V – 3 pha – 50Hz, công suất yêu cầu 14 kw, tiêu hao điện năng cho máy 20 kw/h (43 kw/tấn rác) Lượng dầu cần phải sử dụng cho quá trình đốt rác (dầu Diezel) từ 22 – 97 lít/giờ (tùy thuộc vào đặc tính của từng loại chất thải rắn) tối đa 228 lít/tấn rác

có 02 lò đốt như sau:

a Lò đốt chất thải y tế công suất 07 tấn/ngày:

Đây là lò đốt chất thải rắn y tế bán tự động với công nghệ hiện đại, từ khâu tiếp nhận rác đến khâu xử lý khói và thoát tro Nhiệt độ đốt của lò từ 800oC - 1.100oC và thời gian thực hiện 1 mẻ đốt là 20 phút, sử dụng nhiên liệu đốt là gaz Lò đốt này do hãng Hoval - Thụy Sĩ sản xuất năm 2000 với đầy đủ tính năng của 01 lò đốt chất thải y

tế hiện đại, được thiết kế với công suất 7- 8 tấn/ngày Tuy nhiên, công suất vận hành lò đốt có thể tăng (trong điều kiện cho phép và không quá công suất thiết kế của nhà sản xuất) lên đến 13,95 tấn/ngày Hiện lò đốt 07 tấn/ngày đang hoạt động với công suất tối

đa (12- 13 tấn/ngày), gần gấp đôi công suất của lò Do không đủ thời gian bảo dưỡng

Hình 1.1 Lò đốt Hoval MZ4 (Thụy Sĩ)

nên lò thường xuyên gặp sự cố và mỗi lần hư hỏng chất thải tại nhà máy bị ứ đọng với khối lượng có khi lên đến 20-30 tấn

b Lò đốt chất thải công nghiệp công suất 04 tấn/ngày

Đây là lò đốt do CITENCO đầu tư Lò đốt được thiết kế theo dạng lò đốt thùng quay tại Bình Hưng Hòa, với công suất 300 kg/h tương đương 4.800 kg/ngày cho 16 giờ đốt liên tục Có nghĩa là hệ thống có thể tăng thêm 20% công suất trong trường hợp khối lượng chất thải tăng đột biến Nhiệt độ đốt của lò từ 850oC – 1.000oC Lò đốt 4 tấn/này chủ yếu là dùng đốt chất thải công nghiệp – nguy hại, tuy nhiên vì lò 07 tấn/ngày đang sử dụng hết công suất nên lò này có vai trò dự phòng và hỗ trợ trong những ngày

có khối lượng chất thải rắn y tế tăng lên Như đã nói ở trên, khối lượng chất thải rắn y

tế phát sinh không thường xuyên với khối lượng vài trăm tấn trong một vụ thì trong thời khắc này, lò đốt 04 tấn/ngày và cùng với sự tham gia của 05 lò đốt chất thải công nghiệp – nguy hại tư nhân trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh sẽ giải quyết được các loại chất thải có khả năng gây bệnh và nguy hại cho môi trường

 Không bị nghẹt gi lò (vỉ lò) do quá trình nấu chảy

 Có thể nạp chất thải ở dạng thùng hoặc khối

 Linh động trong cơ cấu nạp liệu

 Cung cấp khả năng xáo trộn chất thải và không khí cao

 Lấy tro liên tục mà không ảnh hưởng đến quá trình cháy

 Kiểm soát được thời gian lưu của chất thải lỏng trong thiết bị

 Có thể nạp chất thải trực tiếp mà không cần phải xử lý sơ bộ gia nhiệt chất thải

 Yêu cầu lượng khí dư lớn do thất thoát qua các khớp nối

 Tổn thất nhiệt đáng kể trong tro thải

 Chất thải vô cơ có thể kết xỉ gây khó khăn cho công tác bảo trì, bảo dưỡng thùng quay

Như vậy về mặt kỹ thuật, chất thải rắn y tế lây nhiễm tại thành phố Hồ Chí Minh được xử lý khá tốt so với các tỉnh thành khác Tuy nhiên nhà máy xử lý Bình Hưng Hòa đang ở trong giai đoạn quá tải, và đến năm 2015 thì phải giải tỏa di dời

Ngoài ra, thành phố đang đưa vào vận hành 01 nhà máy xử lý chất thải rắn y tế

ở xã Đông Thạnh huyện Hóc Môn với công suất 21 tấn/ngày, đã đưa vào hoạt động đầu năm 2012 để kịp thời giảm tải cho nhà máy Bình Hưng Hòa

1.4 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA BUỒNG ĐỐT THỨ CẤP

Bảng 1.5 Yêu cầu kỹ thuật của một số loại lò đốt

vị

Lò đốt chất thải rắn sinh hoạt

Lò đốt chất thải rắn

y tế

Lò đốt chất thải công nghiệp

QCVN MT:2016/

61-BTNMT

QCVN 02:2012/

BTNMT

QCVN 30:2012/ BTNMT

4 Lượng oxy dư (đo

tại điểm lấy mẫu) % 6 - 15 6 - 15 6 – 15

môi trường (đo tại

điểm lấy mẫu)

Nguồn: Bộ Tài nguyên và Môi trường (tổng hợp)

1.5 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trước thực trạng lượng chất thải rắn y tế ngày một tăng mà số lượng lò đốt rác thải y tế còn ít, công suất nhỏ, không đạt chuẩn về khí thải xả ra môi trường; trong khi yêu cầu kỹ thuật của buồng đốt thứ cấp của lò đốt thì rất nghiêm ngặt; việc vận hành và quản lý lò đốt rác thải y tế sẽ tốn nhiều thời gian, công sức và tiền bạc Vì vậy, thật sự cần thiết ứng dụng tự động hóa trong quá trình điều khiển quá trình vận hành buồng đốt thứ cấp của lò đốt chất thải rắn y tế; mà cụ thể ở đây là điều khiển nhiệt độ của buồng

Tự động hóa điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới nhưng luôn chiếm vị trí quan trọng hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp Về lĩnh vực môi trường nói riêng, việc ứng dụng tự động hóa càng có ý nghĩa hơn vì tính chất độc hại, nặng nhọc của ngành nghề cần giảm thiểu sự tham gia của con người Xuất phát từ thực tế cấp bách trênnhằm góp phần thiết thực vào công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước nói chung và phát triển ngành tự động hoá nói riêng, trong khuôn khổ của khoá học Kỹ sư chuyên ngành Quá trình thiết bị và điều khiển công nghệ môi trường tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP HCM, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường, Khoa Môi trưởng và Phó Giáo Sư - Tiến sĩ Lê Văn Lữ, tác giả xin chọn

đề tài tốt nghiệp của mình việc xây dựng hệ thống điều khiển đo và giám sát nhiệt độ của buồng đốt thứ cấp của lò đốt chất thải rắn y tế công suất 30 kg rác/h

1.6 MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

1.6.1 Mục tiêu

Cơ bản thiết kế được hệ thống điều khiển tự động nhiệt độ trong buồng đốt thứ cấp có thể áp dụng vào thực tiễn, giúp người vận hành dễ dàng quản lý hoạt động của lò đốt rác

1.6.2 Nhiệm vụ

- Nghiên cứu cấu tạo hoạt động của buồng đốt thứ cấp

- Tìm hiểu sử dụng phần Matlab/Simulink để mô phỏng quá trình vận hành tự động nhiệt độ ở buồng đốt thứ cấp

- Tìm hiểu, sử dụng phần mềm Visual Basic trong việc thiết kế giám sát và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất

- Tìm hiểu, sử dụng vi điều khiển PIC 18F4620 để thi công mô hình thiết bị điều khiển nhiệt độ

1.7 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI

Ngoài chương mở đầu và chương kết luận, luận văn còn có 3 chương nội dung:

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về lò đốt rác và điều khiển quá trình

- Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động nhiệt độ cho buồng đốt thứ cấp của lò đốt rác

- Chương 4: Kết luận và kiến nghị ứng dụng kết quả đề tài, đề xuất hướng nghiên cứu phát triển đề tài

1.8 PHẠM VI NGHÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Việc điều khiển quá trình đốt tại buồng đốt thứ cấp lò đốt rác bao gồm: điều khiển nhiệt độ, lưu lượng gió và thời gian lưu nhưng nghiên cứu chỉ đi sâu vào việc điều khiển nhiệt độ cho buồng đốt thứ cấp của lò đốt rác

1.9 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu lý thuyết, giáo trình để đưa ra nguyên tắc điều khiển

- Thiết kế giao diện điều khiển bằng phần mềm Visual Studio

- Thực hiện được mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC

1.10 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài thể hiện ý nghĩa ở cả hai mặt khoa học và thực tiễn Cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, hiện nay nước ta đã và đang xây dựng nhiều lò đốt chất thải rắn y

tế Tuy nhiên việc ứng dụng tự động hóa vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi nên chưa kể hết được các yếu tố tác động từ bên ngoài Xuất phát từ thực tiễn đó, việc áp dụng bộ điều khiển để điều khiển nhiệt độ lò đốt chất thải rắn y tế sẽ tiết kiệm được nhiên liệu, nâng cao chất lượng điều khiển từ đó góp phần nâng cao hiệu suất sản phẩm

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐỐT RÁC VÀ BUỒNG ĐỐT THỨ CẤP

2.3.1 Khái niệm lò đốt rác

Quá trình đốt là một quá trình biến đổi chất thải rắn dưới tác dụng của nhiệt và quá trình oxy hóa hoá học Bằng cách đốt chất thải ta có thể giảm thể tích của nó đến 80-90% Nhiệt độ buồng đốt phải cao hơn 800oC Sản phẩm sau cùng bao gồm khí có nhiệt độ cao bao gồm nitơ và cacbonic, hơi nước, và tro Năng lượng có thể thu hồi được từ quá trình trao đổi nhiệt do khí sinh ra có nhiệt độ cao Riêng chất thải nguy hại dạng lỏng được đốt trực tiếp trong lò đốt bằng cách phun vào vùng ngọn lửa hay vùng cháy của lò phụ thuộc vào nhiệt trị chất thải Lò đốt được duy trì nhiệt độ khoảng trên

1000oC Thời gian lưu của chất thải lỏng trong lò từ vài phần giây đến 2,5 giây Ngoài

ra, người ta còn sử dụng xúc tác cho vào lò đốt để tăng cường tốc độ oxy hoá chất thải

ở nhiệt độ thấp hơn.Thiêu đốt là một trong những biện pháp xử lý hiệu quả nhất đối với nhiều loại chất thải, làm giảm mức độ nguy hại của chúng và thường biến đổi chúng thành dạng năng lượng khác

2.3.2 Ưu và nhược điểm của lò đốt rác

 Phù hợp đối với những nơi không có quỹ đất để chôn lấp

 Trong nhiều trường hợp có thể xử lý tại chổ mà không cần vận chuyển đi xa nên tránh được nguy cơ tràn đổ, thất thoát khi vận chuyển

 Hiệu quả xử lý cao đối với các chất thải hữu cơ chứa vi trùng lây nhiễm như chất thải y tế cũng như các chất nguy hại như thuốc bảo vệ thực vật, dung môi hữu cơ

 Thông qua kỹ thuật thu hồi nhiệt có thể bù đắp cho chi phí vận hành lò đốt chất thải

b Nhược điểm

 Đối với các chất thải chứa nhiều nước thì cần rất nhiều nhiệt trị để đốt

 Việc kiểm soát các vấn đề ô nhiễm do kim loại nặng từ quá trình đốt có thể rất khó khăn đối với các chất thải có chứa các kim loại nặng như Pb, Cr, Cd,

Hg, Ni, As, …

 Hơn nữa khi chế độ đốt không đảm bảo và hệ thống xử lý khí hoạt động không hiệu quả thì dẫn đến nguy cơ gây ô nhiễn thứ cấp (ô nhiễm khí thải)

 Yêu cầu người vận hành lò đốt có tay nghề

 Chi phí xử lý cao, chủ yếu là chi phí nhiên liệu, hóa chất xử lý khí thải và khấu hao thiết bị

2.3.3 Nguyên tắc cơ bản của quá trình cháy

Quá trình đốt chất thải rắn là quá trình oxy khử chất thải rắn bằng oxy không khí

ở nhiệt độ cao Lượng oxy sử dụng theo lý thuyết được xác định theo phương trình cháy:

Chất thải rắn + oxy → sản phẩm cháy + Q (nhiệt)

Sản phẩm cuối cùng của quá trình đốt bao gồm: bụi, NOx, CO, CO2, SOx, THC, HCl, HF, Dioxin/Furan, hơi nước và tro

Quá trình cháy tuân thử theo nguyên tắc 3T: nhiệt độ (temperature), độ xáo trộn (turbulence), thời gian lưu cháy (time)

1 Nhiệt độ: phải đảm bảo đủ cao để phản ứng xảy ra nhanh và hoàn toàn, không tạo dioxin, đạt hiệu quả xử lý tối đa Đối với chất thải rắn sinh hoạt ≥ 950oC, chất thải y tế ≥ 1050oC , chất thải công nghiệp thông thường ≥ 1000oC, chất thải công nghiệp nguy hại ≥ 1050oC và chất thải công nghiệp đặc biệt nguy hại ≥ 1200oC

2 Độ xáo trộn: để tăng cường hiệu quả tiếp xúc giữa chất thải rắn cần đốt và chất oxy hóa,có thể đặt các tấn chắn trong buồng đốt hoặc tạo vách nghiên thích hợp giữa dòng khí với béc phun để tăng khả năng xáo trộn độ xáo trộn

có thể đánh giá thông qua yếu tố xáo trộn:

𝐹 = 𝐿ượ𝑛𝑔 𝑘ℎô𝑛𝑔 𝑘ℎí 𝑡ℎự𝑐 𝑡ế𝐿ượ𝑛𝑔 𝑘ℎô𝑛𝑔 𝑘ℎí 𝑙ý 𝑡ℎ𝑢𝑦ế𝑡 × 100%

Trong đó: F là yếu tố xáo trộn F càng lớn hiệu quả xử lý càng cao

3 Thời gian lưu: thời gian lưu cháy đủ lâu để phản ứng cháy xảy ra hoàn toàn Thời gian lưu cần thiết bảo đảm đốt chấy hoàn toàn của mỗi chất phụ thuộc vào bản chất của chất bị đốt và nhiệt độ đốt, thời gian ≥ 2s

2.3.5 Nguyên lý làm việc của lò đốt rác

Lò loại hai cấp bao gồm đốt sơ cấp và đốt thứ cấp Buồng đốt phải được cấu tạo

để sao cho khí cháy được phân bố đều trong không gian buồng đốt Vỏ lò phải bằng

kim loại (hoặc vật liệu khác) bền vững kết cấu dưới tác dụng cơ học khi vận hành cũng như của nhiệt và môi trường xung quanh lò đốt Nhiệt độ mặt ngoài buồng đốt (vỏ lò) không vượt quá 50oC trong giai đoạn vận hành ổn định (tránh thất thoát nhiệt và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh) Lò đốt phải kín, không để xì hở khí cháy ra môi trường xung quanh (đặc biệt khi nạp liệu) Cửa nạp chất thải phải đảm bảo an toàn, dễ dàng thao tác khi đóng mở và phải kín khi lò đốt đang làm việc

Lò đốt nhiều buồng đốt (2 ÷ 3 buồng đốt) là kiểu lò được cải tiến từ lò đốt một buồng đốt Trong đó, buồng lò thứ nhất dùng để đốt chất thải, các buồng lò còn lại dùng

để đốt lần hai (hoặc lần ba) các sản phẩm cháy hình thành từ buồng đốt thứ nhất có nhiên liệu bổ trợ Nhờ đốt từ 2 đến 3 cấp nên hiệu quả phân hủy nhiệt cao hơn lò đốt đơn Khí thải nhờ vậy cũng được cải thiện chất lượng đáng kể Tuy nhiên, quá trình đốt không có sự kiểm soát không khí từ buồng đốt thứ nhất (thường là quá trình đốt dư khí) nên không kiểm soát được quá trình cháy Vì vậy, nồng độ các chất ô nhiễm biến thiên rất lớn trong một mẻ đốt và thường rất cao khi mới nạp rác vào lò

2.3.6 Cấu tạo lò đốt rác hai buồng đốt

Hình 2.1 Lò đốt rác hai buồng đốt

2.2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

2.3.1 Khái niệm

Điều khiển quá trình là việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho người, máy móc và môi trường

Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại Từ những năm nửa đầu thế kỷ trước cho tới nay điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các nghành công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng (gọi chung là công nghiệp chế biến, process industry) như dầu khí, lọc dầu, hoá chất, dược phẩm, thực phẩm, nhà máy điện Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số đặc thù chung, được xếp vào phạm trù các hệ thống điều khiển quá trình (process control system, PCS) Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho con người, máy móc và môi trường Hình 2.2 minh hoạ sơ lược cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

Hình 2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển quá trình

2.3.2 Quá trình và các biến quá trình

c Quá trình kỹ thuật

Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc được can thiệp Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành

d Biến quá trình

Hình 2.3 Biến quá trình trong hệ thống điều khiển quá trình

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình Các biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được Trong đa số các trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được Tuy nhiên nếu phép đo một đại lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có thể được quan sát, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại lượng khác thay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp Vì thế một biến cần điều khiển trong một số trường hợp chưa chắc sẽ là một biến được điều khiển Trong nhiều bài toán thì việc nhận biết quá trình cũng như lựa chọn các biến được điều khiển và các biến điều khiển không phải bao giờ cũng dễ dàng Đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển

Biến vào

Một biến vào là một đại lượng hoặc điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng mở của rơle sợi đốt,…

Biến ra

Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình

ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao,…

Quan hệ giữa biến vào và biến ra

Nhìn từ quan điểm của lý thuyết hệ thống, các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết quả (quan hệ nhân quả) Bên cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm tới các biến trạng thái Các biến trạng thái mang thông tin

về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác, ví dụ như (tốc độ) biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức Trong nhiều trường hợp, một biến trạng thái có thể coi là một biến ra Ví dụ, mức nước trong bình chứa vừa có thể coi là một biến trạng thái, vừa

có thể coi là một biến ra Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để biến ra của nó thoả mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh Hơn nữa các diễn biến của quá trình cũng

như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ Tuy nhiên, một quá trình công nghệ thì không thể biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển

e Biến cần điều khiển

Biến cần điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt (set point, SP) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal)

Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của

hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu chất lượng trong hệ thống điều khiển quá trình Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể được đo hoặc ghi chép hoặc hiển thị

f Biến điều khiển

Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là một biến vào của quá trình sản xuất có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất

g Nhiễu

Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ nhiễu hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise)

h Nhiễu quá trình

Nhiễu quá trình là nhiễu biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng

ra, thành phần nhiên liệu, v.v…

Nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây sai số trong giá trị đo được

2.3.3 Phân loại hệ thống điều khiển

a Dựa trên mô tả toán học

 Hệ thống liên tục: Hệ thống liên tục được mô tả bằng phương trình vi phân

 Hệ thống rời rạc: Hệ thống rời rạc được mô tả bằng phương trình sai phân

 Hệ thống tuyến tính: hệ thống được mô tả bởi hệ phương trình vi phân/sai

phân tuyến tính

 Hệ thống phi tuyến: Hệ thống mô tả bởi hệ phương trình vi phân/sai phân phi

tuyến

 Hệ thống bất biến theo thời gian: hệ số của phương trình vi phân/ sai phân

mô tả hệ thống không đổi

 Hệ thống biến đổi theo thời gian: hệ số của phương trình vi phân/ sai phân

mô tả hệ thống thay đổi theo thời gian

b Dựa trên số ngõ vào – ngõ ra

 Hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (hệ SISO): (Single Input –Single Output)

 Hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (hệ MIMO): (Multi Input – Multi

Output)

c Dựa trên chiến lược điều khiển

Mục tiêu điều khiển thường gặp nhất là sai số giữa tín hiệu ra và tín hiệu

vào chuẩn càng nhỏ càng tốt Tùy theo dạng tín hiệu vào mà ta có các loại điều

khiển sau:

 Điều khiển ổn định hóa: Nếu tín hiệu chuẩn x(t) = const, ta gọi là điều khiển

ổn định hóa

 Điều khiển theo chương trình: Tín hiệu vào x(t) là hàm thay đổi theo thời

gian nhưng đã biết trước

 Điều khiển theo dõi: Tín hiệu vào x(t) là hàm không biết trước theo thời gian

2.3.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Tuỳ theo mức độ ứng dụng và mức độ tự động hoá các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển

2.3.5 Thiết bị đo

a Tổng quan

Chức năng của một thiết bị đo và cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào

đó với đại lượng đo Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến và chuyển đổi đo Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu Để có thể truyền xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuyếch đại, điều hoà và chuyển sang một dạng thích hợp

Một bộ chuyển đổi đo chuẩn là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu Bus trường…) Trong các

hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song

xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế Lưu ý rằng các thuật ngữ “Transmister” hoặc “Transduser” đôi khi cũng được dùng

để chỉ thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả Sensor

b Phân loại một số thiết bị đo thường gặp

Cảm biến cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Cặp nhiệt điện tên tiếng anh là Thermocouples sử dụng hiệu ứng nhiệt điện Seebeck Một cặp nhiệt điện gồm hai dây dẫn A và B được cấu tạo bởi vật liệu khác nhau, tại điểm nối chung của nó có nhiệt độ T1, và hai đầu còn lại (đầu tự do) của cặp

Tín hiệu điều khiển

Biến điều khiển

Biến cần điều khiển

Tín hiệu

đo

Bộ điều khiển

Thiết bị chấp hành

Đối tượng điều khiển

nhiệt điện có nhiệt độ T2 Sức điện động nhiệt điện E có độ lớn phụ thuộc vào vật liệu của A và B cũng như sự sai biệt về nhiệt độ giữa T2 và T1

T1 là nhiệt độ mối nối chung (còn được gọi là mối nối đo) là nhiệt độ Tc đạt được khi đặt mối nối chung trong môi trường cần đo có nhiệt độ không biết Tx, nhiệt độ Tc

phụ thuộc vào Tx Hai đầu còn lại của cặp nhiệt độ có nhiệt độ biết trước và giữ không đổi là T2=Tref và được nối với mạch đo áp

Cặp nhiệt điện đưa ra tín hiệu điện áp thấp ở tầm milivon.Tín hiệu điện áp gia tăng theo khi nhệt độ đo gia tăng và cũng phụ thuộc vào chất liệu được sử dụng ở hai dây của cặp nhiệt điện

Trong thực tế khi chế tạo cặp nhiệt người ta sẽ lắp thêm vào các bộ phận để bảo

vệ và tăng tính ổn định, giảm sai số

Sơ đồ cặp nhiệt điện trong thực tế có dạng như hình 2.6

1 Vỏ bảo vệ 5 Bộ phận lắp đặt

2 Mối hàn 6 Vít nối dây

3 Dây điện cực 7 Dây nối

4 Sứ cách điện 8 Hộp nối dây

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến cặp nhiệt điện

Hình 2.6 Sơ đồ cặp nhiệt điện thực tế

Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau tạo thành mối hàn (2) bằng hàn xì bằng đền axetilen hoặc hàn bằng tia lửa điên, nếu nhiệt độ sử dụng không quá cao thì hàn thiếc, mối hàn phải nhỏ tới mức tối đa để tránh trường hợp tạo ra suất điện động ký sinh Đầu tự do được nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ vít nối (6) đặt trong đầu nối dây (8), phần dây có thêm sứ cách điện (4) để tránh mọi tiếp xúc ở vùng ngoài mối hàn, sứ cách điện phải trơ về hóa học và có điện trở lớn Vỏ bảo vệ (1) được chế tạo bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt để bảo vệ phần đầu mối hàn, dây kim loại, sứ bên trong và đảm bảo kín khí không lọt qua, chống được sự gia tăng nhiệt độ đột ngột

Tùy vào dây kim loại tạo nên cặp nhiệt điện mà người ta phân chia cặp nhiệt điện thành các loại khác nhau, có dải làm việc, sai số và điện áp ra khác nhau, dựa vào đó ta

có thể lựa chọn loại cặp nhiệt điện cho phù hợp với yêu cầu sử dụng

Bảng 2.1 dưới đây là các loại cặp nhiệt điện thường được sử dụng

Bảng 2.1 Thông số các loại can nhiệt thường dùng

(0 oC ÷ 400 oC) ± 3 oC (400 oC ÷ 1250 oC) ± 0,75%

J Sắt (+)

Constantan (-) -210 ÷ 800

-8,096 ÷ 45,498

(0 oC ÷ 400 oC) ± 3 oC (400 oC ÷ 800 oC) ± 0,75%

K Crom (+)

Alumel (-) -270 ÷ 1250

-5,354 ÷ 50,633

(0 oC ÷ 400 oC) ± 3 oC (400 oC ÷ 1250 oC) ± 0,75%

T Đồng (+)

Constantan (-) -270 ÷ 370

-6,258 ÷ 19,027

(-100 oC ÷ -40 oC) ± 2% (-40 oC ÷ 100 oC) ± 0,8% (100 oC ÷ 350 oC) ± 0,75%

Ứng dụng: lò nhiệt, luyện kim, lò nung và các môi trường khắt nghiệt

Ưu điểm: kích thước nhỏ cho phép đáp ứng nhanh, bền và có tuổi thọ cao hơn

nhiệt điện trở RTD Đo nhiệt độ cao, dải nhiệt độ làm việc rộng

Khuyết điểm: nhiều yếu tố ảnh hưởng tới sai số như nhiệt độ môi trường thay đổi,

nhiệt độ đầu tự do thay đổi, đặt đầu làm việc của cặp nhiệt không hợp lí, do thay đổi điện trở phần dây nối Có độ nhạy không cao và kém ổn định hơn nhiệt điện trở RTD ở nhiệt độ cao

Các yếu tố chọn lựa can nhiệt phù hợp

Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị

Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là điện áp ( có cực âm và dương ) do vậy cần chú ý kí hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng

Cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Nhiệt điện trở kim loại còn gọi là RTD (resitance temperature detector) là cảm biến nhiệt độ thông dụng như cặp nhiệt điện RTD có cấu tạo từ kim loại được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này

sẽ thay đổi, cụ thể là nhiệt độ tăng thì điện trở tăng

Để sử dụng trong công nghiệp thì nó phải có vỏ bọc chống được va đập mạnh

và rung động, điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc gốm và được đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép như hình 2.7