2.2.1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ
Nguyờn tắc về quỏ trỡnh chỏy nhiờn liệu: quỏ trỡnh chỏy nhiờn liệu cú thể chia thành hai loại chớnh: đồng thể và dị thể
Chỏy đồng thể: là sự chỏy xảy ra đồng thời trong toàn vộ khối khớ đó được trộn lẫn của khụng khớ và nhiờn liệu.
Chỏy dị thể: xảy ra trờn bề mặt phõn cỏch cỏc pha của nhiờn liệu. Sự chỏy của nhiờn liệu rắn là dạng điển hỡnh của sự chỏy ở dạng dị thể. Cũn sự chỏy của dạng nhiờn liệu lỏng cú thể coi là trung gian của hai dạng trờn. Vỡ ở đõy, trong ngọn lửa chỏy của nhiờn liệu lỏng khớ phun tồn tại cả 3 pha: khớ, lỏng và rắn.
Phần lớn cỏc quỏ trỡnh chỏy trong thực tế đều là dị thể. Ngay cả khi đốt nhiờn liệu khớ ta cũng thu được quỏ trỡnh chỏy là dị thể do sự tự cacbon hoỏ của khớ đốt. Điều kiện của quỏ trỡnh chỏy dị thể phức tạp hơn nhiều, tuỳ thuộc vào sự phõn bố đồng đều giữa cỏc pha, vào trạng thỏi vật lý của hệ cũng như kớch thước của buồng đốt.
Quỏ trỡnh chỏy của nhiờn liệu: với bất kỳ một nhiờn liệu nào quỏ trỡnh chỏy cũng xảy ra hai thời kỳ: chuẩn bị chỏy và thời kỳ chỏy. Cú rất nhiều yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới phản ứng hoỏ học trong quỏ trỡnh chỏy, vai trũ quan trọng hơn Sinh viờn: Vũ Hồng Quang 30
cả trong quỏ trỡnh chỏy là quỏ trỡnh toả nhiệt của nhiờn liệu chỏy, việc hấp thụ và trao đổi nhiệt với mụi trường xung quanh kể cả trao đổi nhiệt ngay trong khụng gian chỏy. Những điều khiển xảy ra trờn ta gọi chung là những điều kiện nhiệt.
Đối với thời kỳ chuẩn bị đốt với phản ứng chỏy đồng thể là thời kỳ ban đầu. Quỏ trỡnh chỏy, nhờ sự hấp thụ nhiệt của mụi trường xung quanh, dẫn tới quỏ trỡnh oxy hoỏ chậm. Trong quỏ trỡnh chỏy xảy ra sự tớch luỹ năng lượng, làm tăng dần nhiệt độ của khối khớ đó đạt được mức độ của khối khớ đó đạt được mức độ nào đú phản ứng oxy hoỏ hay là quỏ trỡnh chỏy nhiờn liệu đột nhiờn tăng mạnh chuyển thành bốc lửa. Để cú quỏ trỡnh chỏy đồng thể nhiệt độ của một số chất phải lớn:
+ Khớ hiđro (H2): 5300C + Khớ cacbon (II) oxit: 6100C + Khớ mờtan: 6450C
+ Khớ hiđroxit lưu huỳnh (H2S): 2900C
2.2.1.1. Điều khiển nhiệt độ vựng nung sơ bộ
+ Can nhiệt độ : AI1 ữ AI6 (AI1 ữ AI6 cú nghĩa là tớn hiệu đầu vào analog của bộ điều khiển lấy T/C1 ữT/C6. Đừy là cỏc can loại K đo nhiệt độ thấp).
+ Thời gian nung 3ữ4 giờ
+ Nhiệt độ nung: 120oC (AI1) ữ 7000C(AI6)
Đầu vào của hệ thống chỏy được điều chỉnh bằng tỷ lệ giữa khụng khớ và nhiờn liệu cho mỗi mỏ đốt được yờu cầu bởi đồ thị nhiệt độ sứ và khi điều khiển tỷ lệ này là duy trỡ nhiệt độ đặt. Cỏc mỏ đốt này (133 mỏ đốt) được điều khiển bằng tay, tức là thụng số về tỷ lệ gas khớ được đặt bằng cỏch thay đổi độ mở van trờn đường ống dẫn Gas và khớ. Việc điều chỉnh này để đỏp ứng với nhiệt độ đặt sẽ dựa vào nhiệt độ bỏo về từ cỏc can nhiệt núi trờn. Cỏc thụng số này được giữ cố định trong suốt quỏ trỡnh hoạt động của lũ do yờu cầu cụng nghệ sứ đũi hỏi nhiệt độ cung Sinh viờn: Vũ Hồng Quang 31
cấp cho vựng này khụng cao. Đầu ra khớ xả được điều khiển bởi cỏc van trờn đường khớ đi vào quạt Q1. Khi khớ đầu ra của quạt Q1 tăng thỡ van mở rộng hơn và ngược lại. Mở hoặc đúng cỏc khoang khớ khỏc nhau cũng làm ổn định đường cong nhiệt độ của vựng nung sơ bộ.
Việc tăng tốc độ của 4 quạt đầu vào sẽ tạo ra một cửa chắn khớ ở đầu vào của lũ với ỏp suất cao. Áp suất cao này sẽ ngăn khụng cho khớ núng trong lũ thoỏt ra ngoài và ngăn khớ lạnh từ ngoài thổi vào trong lũ. Quạt Q1 sẽ hỳt nhiều khớ ra hơn tại bất kỳ nơi nào trong lũ. Vỡ vậy, tốc độ quạt Q1 sẽ thấp hơn là tốc độ 4 quạt đầu vào.
2.2.1.2 Điều khiển nhiệt độ của vựng nung chớnh
+ Can nhiệt: AI7ữ AI10. Cỏc can nhiệt này là can S, T/C7 là K. + Thời gian nung: 2ữ3h.
+ Nhiệt độ nung: 9000C( AI7 ) ữ12000C (AI10 ).
Vựng nung chớnh cú 24 mỏ đốt chia làm 4 nhúm, mỗi nhúm 6 mỏ đốt: 3 bờn phải, 3 bờn trỏi. Cỏc nhúm từ 1ữ 4 đều được điều khiển tự động bởi cỏc vũng TIC1
ữ TIC4. Tớn hiệu thay đổi đều được lấy từ cỏc can nhiệt độ AI7 ữ AI10 để điều khiển. Can nhiệt độ cũn lại (T/C 8A ) cung cấp tớn hiệu để hỗ trợ cho việc điều khiển nhiệt độ vựng này. Can nhiệt độ 8A cấp cho bộ điều khiển nhiệt độ tới hạn của vựng này. Nhiệt độ tới hạn là một phần của hệ thống an toàn nhiờn liệu.
2.2.1.3 Điều khiển nhiệt độ vựng làm lạnh nhanh
+ Can nhiệt: AI11, AI12 loại S. + Thời gian nung: 1ữ1,5h.
+ Nhiệt độ làm lạnh từ 12000C xuống 6000C .
Nhiệt độ vựng làm nguội nhanh cú khoảng dao động rất lớn trong khi thời gian chuyển động của sứ là nhỏ ( 1ữ1,5h). Nhiệt độ giảm từ 12000C ở đầu vựng xuống Sinh viờn: Vũ Hồng Quang 32
6000C ở cuối vựng. Để đỏp ứng điều kiện trờn, người ta làm hai hệ thống phun khớ ở hai bờn thành lũ, mỗi bờn gồm 9 vũi phun. Hoạt động của chỳng được đúng mở (thụng qua hai van liờn động) để cho dũng khớ được qua lại một cỏch liờn tục theo hỡnh sin.
Nhõn tố quan trọng nhất để đạt được kết quả mong muốn là tổng lượng khớ đầu ra khụng đổi. Nếu khụng thoả món điều kiện này thỡ sẽ tồn tại một ỏp suất qua cỏc vựng làm lạnh nhanh, điều này gõy ra kết quả là trong bất kỳ thời điểm dao động nào của khớ, ỏp suất tổng sẽ bằng tổng cỏc ỏp suất của cỏc nguồn, van tay để duy trỡ tổng lượng khớ vào khụng đổi.
Ngoài ra, đồ thị làm lạnh sẽ được điều chỉnh một phần ở đầu ra quạt cuối lũ tại vựng làm nguội chậm khớ lạnh xuyờn qua khoang khớ vào đầu vào vựng làm nguội chậm.
2.2.1.4 Điều khiển nhiệt độ vựng làm nguội chậm
+ Can nhiệt : AI13 – AI18 loại K + Thời gian nung 4 – 4,5 h
+ Nhiệt độ làm nguội từ 600° xuống 90° ở đầu ra
Tấm chắn giú làm lạnh chớnh được đặt ở trờn đường ống lấy khớ vào của quạt Q3 liờn quan tới lượng khớ đồng thời cho cả hai vựng làm nguội nhanh và nguội chậm. Quạt hỳt khớ núng trong vựng này: Q4 cú nhiệt độ lớn nhất là 370° nhưng làm việc quanh nhiệt độ 90°. Cặp nhiệt AI20 kiểm tra nhiệt độ mở quạt sẽ tạo ra cỏc đường cong nhiệt độ khỏc nhau trong vựng này và vỡ vậy độ men phủ trờn sứ đó được điều chỉnh.
2.2.2 Điều khiển ỏp suất
Áp suất được đọc từ cảm biến AI28 đặt ở vựng chớnh. Tớn hiệu này sẽ được điều khiển bởi vũng PID6. Cú thể tăng hoặc giảm ỏp suất lũ bằng cỏch đúng mở van ở đầu quạt Q1.
Khi chọn ỏp suất điều khiển lũ nung ta phải xem xột cỏc yếu tố sau:
+ Nếu ỏp suất bề mặt sứ là thừa xe goũng sẽ bị ảnh hưởng bởi độ núng toả ra xung quanh mỏ đốt. Dấu hiệu này cho thấy cú bức xạ giữa phần cuối xe đó xuyờn qua rỡa chắn cỏt và do đú gõy nguy hiểm cho rỡa chắn cỏt.
+ Nếu ỏp suất ở sàn xe goũng trong vựng nung chớnh là giảm tại điểm cú tồn tại ỏp suất dư là õm. Do khớ bao quanh bị rũ rỉ bởi cỏt xỉn, vỡ vậy giữa gầm goũng, cuối và cạnh thõn xe bị “lạnh”, kết quả là đốt khụng đều.
+ Khi tốc độ đẩy goũng tăng, nhiệt độ cơ bản của lũ sẽ tăng khụng mong muốn bởi tăng đầu vào của khớ cung cấp từ quạt Q2 cho sự chỏy. Việc tăng sự chỏy và khớ làm lạnh này làm đầu vào được cõn bằng với việc tăng đầu ra quạt Q1 và quạt Q4 qua cỏc khoang ỏp suất ban đầu được yờu cầu.
2.3 Đỏnh giỏ hệ thống đang vận hành nhà mỏy sứ thanh trỡ và đề xuất giải phỏp kỹ thuật phỏp kỹ thuật
Với bộ điều khiển đang sử dụng thỡ lũ nung Tuynel luụn hoạt động đỳng theo yờu cầu cụng nghệ cần đỏp ứng. Tuy nhiờn, do đõy là bộ điều khiển chuyờn dụng do nước ngoài cung cấp (Swwindell Dressler-USA) nờn việc sửa chữa và thay thế cũng như bảo trỡ, bảo dưỡng gặp nhiều khú khăn nếu khụng cú chuyờn gia nước ngoài. Đồng thời, khớ cho hoạt động núi trờn là rất lớn.
Với sự phỏt triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển thỡ ta cú thể thay thế bộ điều khiển trờn bằng bộ điều khiển khỏc nhỏ gọn hơn, lắp đặt thuận tiện hơn, rẻ hơn, dễ dàng thay thế cũng như sửa chữa hơn, thao tỏc điều khiển, lập trỡnh điều khiển đơn giản hơn và cú thể thực hiện bởi cỏc kĩ sư trong Sinh viờn: Vũ Hồng Quang 34
nước. PLC S7-200 của hóng Siemens (Đức ) là bộ điều khiển đỏp ứng được cỏc yờu cầu trờn.
Bờn cạnh đú ,chỳng ta cần phải thiết kế giao diện người mỏy: HMI cho việc điều khiển cũng như để theo dừi hoạt động của lũ. Với việc sử dụng S7-200 là thiết kế bị điều khiển thỡ em quyết định thiết kế phần giỏm sỏt bằng ngụn ngữ lập trỡnh Visual Basic.
Với phương phỏp điều khiển này thỡ ta chỉ cần một PLC S7-200 kết nối với một mỏy tớnh PC được cài đặt giao diện để điều khiển và theo dừi hoạt động của lũ nung Tuynel
Quy trỡnh điều khiển được thực hiện như sau:
+ Kiểm tra hệ thống quạt, hệ thống khớ đốt, hệ thống thuỷ lực, ...
+ Chạy phần mềm giỏm sỏt và bắt đầu khởi động hệ thống. Bộ điều khiển cú nhiệm vụ điều khiển hệ thống, đồng thời gửi dữ liệu lờn phần mềm giỏm sỏt để cho người điều khiển theo dừi
plc pc 4 3 5 sensor gas đkđc quat 2 1 Van
gas gas gas
CHƯƠNG 3
Mễ HèNH TOÁN HỌC CỦA Lề NUNG TUYNEL VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Đối với mỗi bài toỏn điều khiển thỡ nhiệm quan trọng đầu tiờn là phải xỏc định được mụ hỡnh toỏn học của đối tượng . Xỏc định đặc tớnh động học của đối tượng là bước đầu tiờn phải thực hiện khi giải quyết một bài toỏn điều khiển bởi vỡ ta chỉ cú thể phõn tớch, tổng hợp cho hệ thống khi biết được mụ hỡnh của đối tượng. Kết quả của cụng việc xỏc định đặc tớnh động học là đưa ra được mụ hỡnh toỏn học mụ tả cho đối tượng. Với một mụ hỡnh toỏn học của đối tượng càng chớnh xỏc thỡ ta càng cú nhiều cơ hội để xỏc định một bộ điều khiển cú chất lượng như ý muốn.
3.1 Vựng nung sơ bộ và vựng làm nguội chậm
Vựng nung sơ bộ và vựng làm nguội chậm được thiết kế để sử dụng nhiệt của sản vật chỏy của vựng nung chớnh. Trong vựng này khụng cú mỏ đốt, nhiệt tại vựng này lấy từ vựng nung chớnh sang. Vựng này chỉ theo dừi trạng thỏi và nhiệt độ của phụi nung trước khi đi vào vựng nung chớnh. Vỡ vậy khụng cần lập mụ hỡnh toỏn học cho cả hai vựng này.
3.2 Vựng nung chớnh
3.2.1 Điều khiển nhiệt độ cho vựng nung chớnh
• Mụ hỡnh toỏn học của đối tượng
Vựng nung chớnh cú mỏ đốt để nung phụi đến nhiệt độ 800oC ữ 1080oC ữ
1200oC ữ 1200oC. Đặc tớnh quỏ độ của vựng nung chớnh là đặc tớnh về sự biến thiờn của nhiệt độ. Bằng thực nghiệm và tài liệu của cụng ty cung cấp ta xõy dựng được đồ thị của nú cú dạng như sau.
Với h(∞) =12000C
Đối tượng lũ nung chớnh được sử dụng tại nhà mỏy Thanh Trỡ là đối tượng mà hàm truyền cú dạng : 20s dt 1.25 W (s)= e 120s+1 − Lấy e 20s 1 20s 1 − ≈ + => dt 1.25 W (s)= (120s+1)(20s+1)
• Thiết kế bộ điều khiển
Vỡ lũ là đối tượng nhiệt cú quỏn tớnh lớn, khụng cần tỏc động nhanh nờn ta dựng bộ PI, hàm truyền đạt của bộ điều khiển
dk m i 1 W (s)=k (1 ) Ts + Hàm truyền hở của hệ thống là: W (s)=W (s)W (s)h dk dt h m i 1 1.25 W (s)=k (1 ) Ts (120s 1)(20s 1) + + +
Áp dụng phương phỏp Modul để xỏc định thụng số của bộ điều khiển:
Ti = 120 (s) m dt T 120 k = 2.4 2*k * = 2 *1.25* 20 = τ Sơ đồ mụ phỏng hệ thống trờn Simulink
Đặc tớnh đường quỏ độ của hệ khi cú bộ điều khiển
Dựng phương phỏp phõn miền nghiệm số
0 1 dk m i 1 c p c W (s)=k (1 ) Ts p + + =
Trong đú Km là hệ số khuếch đại
Ti là hằng số thời gian tớch phõn và C0 = Km , C1 = Km/Ti
Sơ đồ cấu trỳc của hệ thống được mụ tả như sau:
WPI(p)
w e u Wdt(p) y
Để xỏc định cỏc thụng số của bộ điều chỉnh ta sử dụng phương phỏp phõn miền nghiệm số của phương trỡnh đặc tớnh với chỉ tiờu chất lượng là mức độ dao động m của hệ thống.
Tia OP được mụ tả bởi hàm p = ω(-m+j)
jω 0 α ω α P
Vựng phõn miền nghiệm số của phương trỡnh đặc tớnh
Hàm truyền đạt của mỏy điều chỉnh là: C p C o W K ( ) pi m T p p i + = 1+ 1 = 1
Hàm truyền đạt của đối tượng là:
K p
W (p) * e
dt = Tp −τ
+1
Hàm truyền của hệ kớn là:
W (p).W (p) pi dt W(p) W (p).W (p) pi dt = + 1
Thay hàm truyền đạt của mỏy điều chỉnh và đối tượng ta cú
p (KC p KC )e W(p) p p Tp p KC pe KC e −τ + = −τ −τ + + + 0 1 2 0 1 Phương trỡnh đặc tớnh của hệ thống là: p p Tp2+ +p KC pe−τ +KC e−τ =0 0 1
Thay p=ω(-m+j) vào phương trỡnh đặc tớnh ta cú:
( j m) ( j m)
Tω2( j m)− 2 +ω −( j m) KC ( j m) e+ − ω −τω − +KC e−τω − =0
0 1
Thay: e− τω = τω −j cos( ) jsin( )τω , ta được hệ phương trỡnh phần thực và phần ảo cựng bằng khụng:
m m
K e (sin( ) mcos( ))C K e cos( )C m T ( m )
m m
K e (msin( ) cos( ))C K e sin( )C mT
τω τω ω τω − τω + ω τω =ω + ω − τω τω ω τω + τω − ω τω = ω − ω 2 1 2 0 1 2 2 0 1
Giải hệ phương trỡnh trờn với nghiệm C0, C1 nhận được:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) m T m T sin mT cos C . .m K.e . m (T cos T .m sin ) C . .m K.e + ω − ω ωτ − − ω ωτ ∆ = = τ ω ∆ ω + ω ωτ − ω − ωτ ∆ = = τ ω ∆ 2 1 2 0 0 2 1 1 1 1
Với m bất kỳ, ứng với mỗi một giỏ trị của ω ta được một điểm (C0, C1), khi cho ω thay đổi từ 0 → ∞ trong mặt phẳng C0OC1 ta được một đường cong, đường cong cú một điểm cực đại - đường đồng mức.
Trờn đường đồng mức với m=0.512 ta lấy được điểm (C0,C1) cú giỏ trị (3.2 , 0.02) thay thụng số này vào bộ điều khiển ta được đặc tớnh quỏ độ:
Nhận xột:
Cả hai phương phỏp đều cho ta xỏc định thụng số bộ PID để hệ thống cú chất lượng tốt . Thụng số xỏc định từ phương phỏp Modul cho đặc tớnh cú
max=4.32%; T =83(s)qd
δ , cũn thụng số của bộ điều khiển xỏc định từ phương phỏp
phõn miền nghiệm cú chất lượng δmax=3.5%; T =68(s)qd nhưng đặc tớnh khụng bỏm
tốt như đặc tớnh của bộ điều khiển xỏc định theo phương phỏp Modul nờn ta quyết định chọn thụng số bộ điều khiển theo phương phỏp này Km = 2.4; Ti = 120(s) để điều khiển nhiệt độ
3.2.3 Điều khiển ỏp suất cho vựng nung chớnh
Áp suất được đo bởi cỏm biến AI28 được đặt trong vựng nung chớnh, tớn hiệu này được điều khiển bởi vũng PID6. Cú thể tăng hoặc giảm ỏp suất bằng cỏch đúng mở van ở đầu quạt Q1.
• Mụ hỡnh toỏn học
Dựa trờn tỏi liệu nhà mỏy cung cấp, hàm truyền đạt của đối tượng cú dạng: