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

Phân tích lò nung Clinker

1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của đất nước, các nhà máy xí nghiệp Việt Nam đang tiến hành lắp đặt và cải tạo mới, mạnh dạn đưa vào những thiết bị, công nghệ tiên tiến của các nước công nghiệp hiện đại. Điển hình trong đó là ngành sản xuất xi măng. Công nghệ xi măng là một trong những nghành công nghiệp mũi nhọn, nó ảnh hưởng trực tiếp đến giá cả thị trường. Trong những năm gần đây ngành công nghiệp xi măng nước ta đã được đầu tư phát triển mạnh mẽ, công nghệ sản xuất xi măng tại Việt Nam ngày càng được hiện đại và đồng bộ. Từ đó, đưa sản lượng xi măng từ 5,24 triệu tấn năm 1995 lên 33 triệu tấn vào năm 2007 và sẽ đạt trên 50 triệu tấn vào năm 2010. Nhiều nhà máy xi măng có công suất lò nung 4000 tấn, 5000 tấn, 6000 tấn Clinker/ngày với công nghệ tiên tiến, kỹ thuật hiện đại được đầu tư xây dựng và đã được đưa vào sản xuất đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao, tiêu hao điện năng dưới 95Kwh/tấn xi măng, tiêu hao nhiệt lượng nhỏ hơn 730 Kcal/kg Clinker, môi trường sinh thái được cải thiện rõ rệt, nồng độ bụi thải ra ở đầu ống khói dưới 30 mg/Nm 3 , chất lượng xi măng được nâng cao đạt mác PC50, đưa trình độ công nghệ của ngành công nghiệp xi măng nước ta lên một bước phát triển mới. Công nghệ lò nung Clinker ( là khâu quan trọng nhất trong sản xuất xi măng) đã được nhiều nhà máy ứng dụng hệ thống tối ưu chuyên gia để thực hiện các mục tiêu điều khiển với độ phức tạp khác nhau. Hệ thống này điều khiển toàn bộ quá trình sản xuất thông qua các thuật toán điều khiển logic, các hàm toán học…. Do đó, việc tiếp nhận công nghệ điều khiển lò nung Clinker nhà máy xi măng gặp khó 2 khăn vì hệ thống là một hệ tích hợp toàn diện và khả năng tiếp nhận công nghệ mới của công nhân nhà máy là chưa cao. Hiểu được tầm quan trọng của việc đo lường và điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng nên tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu hệ điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng” làm đề tài nghiên cứu. 2. Mục tiêu nghiên cứu Bản luận văn nghiên cứu yêu cầu công nghệ, cấu trúc, thuật điều khiển cho lò nung clinker phục vụ vận hành và chỉnh định lò nung clinker nhà máy xi măng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng. Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu công nghệ, phân tích cấu trúc điều khiển cấp cơ sở, thuật điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng và ứng dụng thuật điều khiển tối ưu cho vận hành lò nung clinker. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết điều khiển quá trình kết hợp thu thập, xử lý số liệu thu thập từ thực tế vận hành của lò nung clinker cho các nhà máy xi măng. Công cụ để mô phỏng quá trình điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng là phần mềm phần mềm tối ưu chuyên gia ( Expert Optimizer) và phần mềm Matlab& Simulink . 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận văn Việc nghiên cứu công nghệ, cấu trúc điều khiển cấp cơ sở, thuật điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng giúp ta hiểu rõ và có thể đưa ra các chiến lược điều khiển tối ưu trong vận hành lò nung 3 clinker nhà máy xi măng. Trên cơ sở nghiên cứu thuật điều khiển tối ưu ứng dụng cho việc vận hành, chỉnh định lò nung clinker nhà máy xi măng. Góp phần khẳng định vấn đề phát triển và khả năng triển khai ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu cho hệ điều khiển lò nung clinker 6. Cấu trúc luận văn Mở đầu Nội dung luận văn: (gồm 5 chương) Chương 1: Tổng quan về công nghệ lò nung Clinker Chương 2: Phân tích cấu trúc điều khiển cấp cơ sở lò nung clinker Chương 3: Vận hành tối ưu hệ thống lò nung clinker Chương 4: Nghiên cứu phần mềm tối ưu chuyên gia sử dụng trong vận hành lò nung clinker nhà máy xi măng Sông Gianh Chương 5: Vận dụng EO để khảo sát lượng thay đổi nhiên liệu cho canxiner. Kết luận 4 Chương 1: TỔNG QUAN DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG LÒ NUNG CLINKER 1.1. TỔNG QUAN VỀ LÒ NUNG CLINKER 1.1.1. Phân loại hệ thống lò nung clinker 1.1.1.1. Lò ướt 1.1.1.2. Lò khô dài 1.1.1.3. Lò có buồng phân hủy 1.1.2. Sơ đồ công nghệ hệ thống lò nung 1.1.2.1. Tháp trao đổi nhiệt (cyclone) 1.1.2.2. Buồng phân hủy 1.1.2.3. Ống lò 1.1.2.4. Bộ làm nguội kiểu ghi - Làm nguội kiểu hành tinh - Làm nguội kiểu Ghi 1.1.3. Các yếu tố đầu vào 1.1.3.1. Nguyên liệu a. Đá vôi b. Đá sét c. Xỉ pirite d. Công đoạn nghiền liệu e. Công đoạn đồng nhất liệu 1.1.3.2. Nhiên liệu a. Than cám b. Dầu MFO 100 1.1.2.3. Gió - Đường gió 1 - Đường gió 2 - Đường gió 3 5 1.1.4. Các yếu tố đầu ra 1.1.4.1. Clinker a. Quá trình hình thành clinker b. Thành phần clinker c. Chất lượng clinker d. Vận chuyển clinker 1.1.4.2. Khí thải 1.1.5. Các yếu tố nhiễu loạn 1.1.5.1. Chất lượng của bột liệu - Nhiệt cần thiết cho quá trình phản ứng: - Hàm lượng chất cháy: - Hàm lượng nước tự do và nước kết hợp: 1.1.5.2. Chất lượng nhiên liệu đầu vào a. Nhiệt trị của than b. Độ ẩm của than. c. Tro chứa trong than. d. Độ mịn của than. 1.2. CẤP LIỆU LÒ 1.3. CÁC CÂN BẰNG XẢY RA TRONG LÒ NUNG CLINKER 1.3.1. Cân bằng giữa lượng nguyên liệu cấp vào lò và clinker tạo thành 1.3.2. Cân bằng giữa tốc độ cấp liệu và tốc độ quay của lò 1.3.3. Cân bằng giữa nhiên liệu và nguyên liệu đầu vào. 1.2.4. Cân bằng giữa lượng nhiên liệu cấp và lượng gió 1.3.5. Cân bằng giữa nhiệt nhiên liệu vào với nhiệt tỏa ra và nhiệt thu hồi 1.3.6. Cân bằng giữa gió ra và gió vào 6 1.3.7. Cân bằng giữa nhiệt độ khí thải và lưu lượng nước làm mát Chương 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CẤP CƠ SỞ LÒ NUNG CLINKER 2.1. CÁC BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN Xét cấu trúc điều khiển cấp cơ sở lò nung clinker, ta có 4 bài toán điều khiển chính sau đây: 2.1.1. Điều khiển các cân bằng nạp liệu (Cân bằng khối lượng) 2.1.2. Điều khiển các biến đổi ( điều khiển nhiệt độ) 2.1.3. Điều khiển chất lượng của sự biến đổi năng lượng 2.1.4. Điều khiển chất lượng clinker Trong hệ thống lò nung có 2 vùng điều khiển nhiệt độ quan trọng là trong canxiner và trong lò nung nên bài toán điều khiển được chia làm 2 bài toán chính: - Điều khiển tối ưu ngọn lửa zôn nung. - Điều khiển tối ưu quá trình cháy xảy ra trong canxiner. 2.2. CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN 2.2.1. Các mạch vòng PID điển hình trong hệ thống lò nung clinker 2.2.2. Hệ thống điều khiển nhiên liệu (than) 2.2.3. Điều khiển gió 1 cấp vào lò 2.2.4. Hệ thống điều khiển quá trình cháy 2.2.5. Hệ thống điều khiển quá trình cháy trong canxiner 2.2.5.1. Mạch vòng điều khiển lượng nguyên liệu cấp vào canxiner 2.2.5.2. Điều khiển quá trình cấp than 7 2.2.5.3. Điều khiển lượng gió cấp vào canxiner 2.2.6. Mạch vòng điều chỉnh áp suất đầu ra của lò 2.2.7. Điều khiển áp suất sau tháp trao đổi nhiệt Chương 3:VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG LÒ NUNG CLINKER 3.1. VẬN HÀNH LÒ NUNG CLINKER Hệ thống chuyên gia để điều khiển lò tự động là hệ thống các kiến thức cho một nhà máy cụ thể, giám sát ở mức độ cao việc vận hành lò và vận hành máy làm nguội. Hệ thống chuyên gia giúp người vận hành lò đạt được các điều kiện vận hành sản xuất tối ưu về ổn định trong vận hành, chất lượng clinker tốt, sản lượng tối đa và mức tiêu thụ năng lượng thấp. 3.1.1. Phương pháp điều khiển lò Phương pháp cho lò với máy làm nguội Ghi bao gồm các nhóm sau: - Điều khiển zôn nung - Điều khiển quá trình cháy - Điều khiển máy làm nguội - Điều khiển quá trình khởi động lò Mỗi nhóm có nhiều mục tiêu có thứ tự ưu tiên để tránh mâu thuẫn. Đối tượng chính trong điều khiển zôn nung theo thứ tự ưu tiên là: Điều khiển các rối loạn Tránh tình trạng lò nóng/ nguội Hoạt động ổn định Ổn định hoạt động của lò Chất lượng clinker Thõa mãn yêu cầu về chất lượng Sản lượng Tối đa hóa sản lượng 8 Các mục tiêu với thứ tự ưu tiên cao hơn được xem xét đầu tiên nếu không đạt được các yêu cầu đó, các ưu tiên thấp hơn được bỏ qua tạm thời. Chẳng hạn nếu zôn nung nguội thì có thể giảm cấp liệu mặc dù yêu cầu này có thể mâu thuẫn với yêu cầu tối đa hóa sản lượng. 3.1.2. Các yêu cầu của hệ thống chuyên gia 3.2. ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH LÒ NUNG CLINKER 3.2.1. Mô hình quá trình lò nung 3.2.1.1. Xem xét nhiên liệu 3.2.1.2. Thiết bị đo 3.2.1.3. Quan sát của người vận hành 3.2.2. Điều khiển fuzzy các lò nung clinker 3.2.2.1. Cơ cấu điều khiển lò Xét về cơ cấu điều khiển chúng ta đề cập đến 2 vấn đề chính của chiến lược điều khiển: 1. Điều khiển quá trình hình thành clinker 2. Điều khiển quá trình đốt ĐIỀU KHIỂN ĐỐT ĐIỀU KHIỂN ZÔN NUNG NHIỆT ĐỘ THOÁT RA OXY SẢN LƯỢNG CHẤT LƯỢNG SỰ ỔN ĐỊNH 9 Hình 3.1. Các yếu tố của cơ cấu điều khiển lò 3.2.2.2. Điều khiển zôn nung - Ngọn lửa ngắn và nóng: - Ngọn lửa trung bình - Ngọn lửa dài, mềm 3.2.2.3. Điều khiển quá trình cháy a. Quá trình cháy trong lò nung b. Quá trình cháy trong buồng phân huỷ 3.2.2.4. Điều khiển ghi làm nguội 3.2.3. Chiến lược điều khiển theo mô đun Qua việc xác định các thông số, người vận hành đưa vào các chỉ số đo lường thích hợp với lò, và các mô đun hoạt động đáng tin cậy. Các đo lường quy trình mới để tính toán KOSI và/hoặc BZTI có thể đưa vào dễ dàng ngoài các tập hợp đo lường tiêu chuẩn. Yêu cầu các chỉ số đô lường mới phải sử dụng các thuật toán tiêu chuẩn để tính toán độ ổn định hoặc chất lượng. Bằng cách này, không cần thay đổi các qui tắc điều khiển để đạt độ ổn định và chất lượng phù hợp. Ta cũng có thể bổ sung các chỉ số đo lường hoàn toàn mới. Nếu áp suất, nhiệt độ hay một số tính toán có chứa các thông tin hữu ích về tình trạng hoạt động của lò, thì người sử dụng có thể đưa thêm thông số mới này vào chiến lược thực hiện bằng cách: 1. Xác định mục tiêu của các tham số mới. 2. Đặt thứ tự ưu tiên cho tham số mới. 3. Sử dụng các thuật toán tiêu chuẩn hoặc viết các thuật toán mới để tính toán mức độ hoàn thành mục tiêu. 4. Xác định các qui tắc điều khiển mới để đạt được mục tiêu mới. 10 5. Sắp xếp lại các thứ tự ưu tiên trong phạm vi chiến lược hiện có để có chỗ cho tham số điều khiển mới. Chương 4: NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM TỐI ƯU CHUYÊN GIA SỬ DỤNG TRONG VẬN HÀNH LÒ NUNG CLINKER NHÀ MÁY XI MĂNG SÔNG GIANH 4.1. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM TỐI ƯU CHUYÊN GIA (Expert Optimizer) 4.1.1. Cấu trúc của Tối ưu chuyên gia 4.1.2. Những lợi ích của Tối ưu chuyên gia (EO) Ứng dụng hệ thống điều khiển tối ưu vào vận hành sản xuất đã thu được những kết quả so với vận hành bằng tay bình thường như: - Tăng sản lượng từ: 3% - 5% - Giảm tiêu tốn nhiên liệu từ: 3% - 5% - Giảm tiêu tốn điện năng từ: 3% - 5% - Tăng độ bền gạch chịu lửa từ:10% - 20% - Nâng cao chất lượng sản phẩm và giúp phân bố nguồn nhân lực hiệu quả nhất… 4.1.3. Phương thức xây dựng chương trình trên Expert Optimizer 4.1.4. Các trạng thái hoạt động của hệ thống Expert Optimizer (EO) 4.2. BỘ CÔNG CỤ LẬP TRÌNH TOOLKIT 3.2.1. Các thư viện của Toolkit 4.2.2. Một số Module thuật toán quan trọng trong thư viện Toolkit 3.2.2.1. Ramping and Tracking . là hệ điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng. Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu công nghệ, phân tích cấu trúc điều khiển cấp cơ sở, thuật điều khiển lò. tài “ Nghiên cứu hệ điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng làm đề tài nghiên cứu. 2. Mục tiêu nghiên cứu Bản luận văn nghiên cứu yêu cầu công nghệ,