Luận văn Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục

nhập cao. Nhà máy có diện tích nhà xưởng: 31019m2 , với chiều dài 445m, chiều rộng 132m được chia làm 4 gian nhà xưởng. Nhà máy có kho nguyên liệu với diện tích 3960m 2, có sức chứa 14000 tấn phôi liệu. Tổng số thiết bị của nhà máy trên 6000 tấn ( Thiết bị công nghệ trên 4500 tấn). Thiết bị điện phục vụ công nghệ bao gồm 640 động cơ lớn nhỏ ( Động cơ min 1,5Kw, động cơ max 2500Kw), tổng dung lượng điện sử dụng là 9000Kwh. Nhà máy có 15 cầu trục dùng để vận chuyển, cầu trục lớn nhất là 30 tấn. Tổng số cán bộ nhân viên của nhà máy trên 600 người. Các LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 83 sản phẩm của nhà máy được sản xuất theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế. Sản phẩm của nhà máy đã tham gia nhiều hội chợ triển lãm và đạt 7 huy chương vàng, cúp ngôi sao chất lượng. Chức năng nhiệm vụ của Nhà máy cán thép Lưu Xá Nhà máy cán thép Lưu xá là một đơn vị thành viên nằm trong dây chuyền sản xuất chính của Công Ty Gang Thép Thái Nguyên, vì vậy không phải là đơn vị hạch toán kinh doanh độc lập mà chỉ được phân cấp từng mặt, có chức năng sản xuất thép hình và nhiệm vụ như sau: 1. Tổ chức, quản lý sản xuất thép hình có hiệu quả cấp cho Công Ty Gang Thép Thái Nguyên. 2. Tổ chức, quản lý vận hành và tu sửa thiết bị cán thép và thiết bị phục vụ. 3. Tổ chức, quản lý tiếp nhận vật tư, nguyên nhiên vật liệu và phụ tùng thiết bị. 4. Tổ chức sản xuất các loại thép hình, thép dây theo đơn đặt hàng của Công Ty Gang Thép Thái Nguyên 5. Ổn định và nâng cao đời sống của công nhân viên. Lĩnh vực kinh doanh của nhà máy là sản xuất kinh doanh các loại thép hình thép cây, dây, phục vụ cho các ngành xây dựng và chế tạo… Hàng hoá chính mà nhà máy đang sản xuất kinh doanh là thép cuộn, thép góc, thép tròn. 2. 2. Công nghệ lò nung cán thép liên tục 2.2.1. Sơ lược về lò nung 2.2.1.1. Nhiệm vụ của lò nung Như chúng ta đã biết trong dây chuyền cán thép liên tục, phôi trước khi đưa vào cán thì phôi phải đạt được nhiệt độ cần thiết (thông thường nhiệt độ phôi trước khi vào cán khoảng 1200oC). Mục đích là tạo cho kim loại có độ dẻo đồng nhất, đồng thời vẫn giữ được cơ tính trong suốt thời gian thực hiện quá trình cán. Trước khi đưa phôi ra cán, phôi phải được nung trong lò nung. Quá trình nung phôi có ý nghĩa rất quan trong đối với công nghệ cán thép. Nó quyết định phần lớn LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 84 chất lượng của thép và nếu có chế độ nung hợp lý sẽ tiết kiệm được nhiên liệu và tăng năng suất sản phẩm. 2.2.1.2. Khái niệm chung về nung kim loại * Mục đích của quá trình nung nóng Để thực hiện một quá trình gia công nào đó hoặc tạo cho vật liệu có tính chất cơ lý cần thiết người ta tiến hành nung kim loại. + Nung để tạo cho kim loại có độ dẻo cần thiết, tuỳ từng yêu cầu cụ thể về công nghệ gia công mà tiến hành nung cho phù hợp (nung để rèn, để cán, để nhiệt luyện...). Trong công nghệ nung kim loại để cán thép: Yêu cầu tạo cho kim loại có độ dẻo đồng nhất, đồng thời vẫn giữ được cơ tính trong suốt thời gian thực hiện quá trình gia công. + Mỗi loại vật liệu có yêu cầu nhiệt độ nung, công nghệ nung khác nhau. Để đảm bảo chất lượng vật nung, mỗi loại vật liệu được nung theo một quy trình nhất định. * Những hiện tượng xảy ra khi nung + Hiện tượng oxy hóa Trong môi trường nung có các chất oxy hoá: O2, H2O, CO2,... SO2. Các thành phần đó phụ thuộc vào quá trình đốt nhiên liệu: Thành phần khí lò, nhiệt độ nung, thời gian giữ phôi trong lò. Ở nhiệt độ càng cao, các nguyên tố có hoạt tính càng cao, tham gia oxy hoá càng mạnh. Quá trình oxy hóa tạo nên các vẩy oxyt bao bên ngoài bề mặt kim loại.Vẩy oxyt tạo thành là do: - Dư không khí trong lò (hệ số không khí  >1): Trong đó càng nhiều các chất khí mang tính oxy hoá mạnh càng thúc đẩy quá trình hình thành vẩy oxyt. - Ở nhiệt độ càng cao, thời gian nung càng dài thì oxy hoá càng nhiều. Quá trình oxy hoá làm lượng kim loại bị cháy hao tăng lên. Do đó phải tìm cách khống chế lượng không khí dư, nhiệt độ nung và thời gian nung phải hợp lý để giảm bớt lượng kim loại bị tiêu hao do oxy hoá bề mặt. + Hiện tượng thoát Cácbon LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 85 Trong quá trình nung, đồng thời với quá trình oxy hoá kim loại là quá trình thoát Cácbon bề mặt kim loại (hàm lượng Cácbon giảm). Thực tế cho thấy ở nhiệt độ 8000C đến 900oC hiện tượng thoát Cácbon (hay oxy hoá cácbon) xảy ra là chính. Quá trình thoát Cácbon trong kim loại làm giảm cơ tính của vật nung. Nung kim loại trong thời gian dài ở nhiệt độ cao, tốc độ oxy hoá Cácbon càng lớn. Do đó phải tìm cách nung đúng nhiệt độ quy định với thời gian ngắn nhất (có thể được) để hạn chế quá trình mất Cácbon. + Hiện tượng nứt vật nung Khi nung thép, trong lòng kim loại xuất hiện các lớp chênh lệch về nhiệt độ, nên giữa các lớp đó có sự co giãn không đều nhau, làm cho biên giới giữa các lớp bị phá vỡ, gây nứt. Nguyên nhân là do ứng xuất nhiệt. Khi nung ở khoảng nhiệt độ 0 oC đến nhiệt độ 500oC bắt đầu biến dạng dẻo là vùng nguy hiểm dễ xảy ra ứng xuất nhiệt đối với thép. Khi nung quá nhanh, sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường nung và bề mặt vật nung vượt quá giới hạn cho phép làm phá vỡ lực liên kết tổ chức giữa các hạt, độ bền giảm xuống đột ngột làm nứt vật nung. Do đó, đối với loại thép xác định là vật dày cần tổ chức nung chậm sao cho sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường nung và bề mặt vật nung nhỏ hơn giới hạn cho phép. + Hiện tượng nung quá nhiệt Khi nung thép, nhiệt độ ra lò tối đa cho phép không được quá điểm giới hạn quy định. Nếu nhiệt độ nung thực tế lớn hơn nhiệt độ ra lò tối đa cho phép từ 50oC đến 100oC sinh ra hiện tượng quá nhiệt. Hiện tượng quá nhiệt làm ảnh hưởng đến cấu trúc của kim loại, sự liên kết giữa các hạt giảm đi và làm giảm tính cơ học của kim loại. Đồng thời sinh ra tốn năng lượng, tiêu hao nhiên liệu... Do đó khi nung thép cần chú ý điều chỉnh nhiệt độ trong lò sao cho vật nung khi ra lò có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ ra lò tối đa cho phép. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 86 Để khắc phục hiện tượng đó, người ta đem ủ nghĩa là nung chậm đến nhiệt độ vượt quá điểm tới hạn, sau đó làm nguội chậm. + Hiện tượng nung cháy Khi nung thép, nhiệt độ ra lò tối đa cho phép không được quá điểm giới hạn quy định. Nếu nhiệt độ nung thực tế lớn hơn nhiệt độ tối đa cho phép từ 100oC đến 150 oC sẽ sinh ra hiện tượng nung cháy. Hiện tượng nung cháy làm thép bị chảy lỏng, oxy đi vào được biên giới giữa các hạt tinh thể làm oxy hoá các phân tử kim loại, phá hoại mối liên kết giữa các hạt... Vật liệu không còn khả năng chịu được lực ép khi gia công. Hiện tượng nung cháy kim loại không thể phục hồi được bằng phương pháp ủ như khi nung quá nhiệt, mà kết quả là kim loại trở thành phế liệu để nấu luyện lại. Hiện tượng nung cháy kim loại không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào thành phần khí lò. Nếu khí lò có khả năng oxy hoá càng cao thì hiện tượng cháy kim loại càng dễ xảy ra, ngay cả trong điều kiện nhiệt độ thấp. Trong môi trường khí hoàn nguyên, sự nung cháy kim loại có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hơn 60oC  70oC so với môi trường oxy hoá. Hiện tượng quá nhiệt và nung cháy đều là sự cố trong quá trình điều chỉnh nhiệt độ và vận hành lò. Trong các trường hợp này cần giảm nhanh nhiệt độ. * Đặc điểm của quá trình nung nóng: + Khi đưa kim loại vào trong lò nung, xảy ra quá trình trao đổi nhiệt bên ngoài với vật nung, còn bên trong và trên mặt vật nung xảy ra sự biến đổi về cơ, lý tính. + Bản chất của quá trình nung nóng - Truyền năng lượng từ mặt ngoài kim loại vào trong tâm: Là quá trình truyền nhiệt bên trong, hiệu quả của nó phụ thuộc vào tính chất vật liệu. Đó là điều kiện khách quan mà người vận hành không điều chỉnh được. - Truyền năng lượng từ nguồn nhiệt đến bề mặt kim loại: hiệu quả của nó phụ thuộc vào quá trình điều chỉnh nguồn nhiên liệu cung cấp cho môi trường nung. Đó là điều kiện chủ quan mà người vận hành chủ động điều chỉnh được. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 87 2.2.1.3. Tính năng kỹ thuật và phạm vi ứng dụng của lò Lò nung liên tục thường được sử dụng trong các phân xưởng cán tinh. Chúng có nhiều dạng: Nung 2 vùng, nung 3 vùng, nung 1 mặt, nung 2 mặt... * Tính năng kỹ thuật lò nung - Công suất nung: 40 (tấn/giờ). - Kiểu lò: + Lò nung liên tục 3 vùng, nung phôi một mặt kiểu đáy bằng. + Tống ra phôi ở bên sườn lò. + Kích thước của lò: Chiều dài sử dụng: 23,902 (m) Chiều rộng sử dụng: 4,06 (m) Chiều cao (tính từ đáy đường trượt đến nóc lò): 1,61 (m) - Cường độ đáy lò: 350  500 (kg/m2.h). - Nhiên liệu: Dùng dầu nặng FO (có lượng lưu huỳnh thấp). + Nhiệt trị dầu nặng FO: 9500 (Kcal/kg). + Tỉ trọng: 0,93 (kg/lít). + Nhiệt độ đã gia nhiệt: lớn hơn 90 0C. + Tiêu hao dầu: nhỏ hơn 42 (kg/tấn thép nung). - Không khí: +Tiêu hao không khí max: 24.000 (m 3 /h). + Nhiệt độ đã qua nung nóng: 300 - 400 0C. - Khí nén: + Tiêu hao khí nén max: 700 (m 3 /h). + Áp lực: 5 kg/cm2(thực tế 3,54 kg/cm2). - Nước làm mát: + Tiêu hao: 7 (m 3 /h ). + Áp lực: 2,5 kg/cm2. - Mỏ phun dầu: Kiểu áp lực cao, hỗn hợp trong mù hoá dầu bằng khí nén, số lượng 12 (bộ ). LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 88 * Phạm vi ứng dụng: - Công dụng: Dùng nung phôi thép để cán, nhiệt độ nung từ nhiệt độ môi trường (20 0C) đến nhiệt độ 1150 0C – 1250 0C. - Phôi nung: Thép các bon và thép hợp kim thấp dưới dạng thỏi đúc, hoặc phôi đúc liên tục. Kích thước thỏi đúc: (195x195/170x170)x1400 (mm) Phôi đúc liên tục vuông: 120 2x3600 (mm) 2.2.2. Cấu tạo của lò nung - Khung vỏ lò được làm bằng kết cấu thép I 20 (dùng 2 U20 ghép),  6...hàn cấu tạo thành các tấm tường lắp ghép với nhau và với móng lò bằng bulông, khối lượng 35,4 (tấn) gồm 1 tường trước, 1 tường sau và 2 tường bên (2 tường bên được ghép bởi 18 tấm tường rời thông qua các hàng bu lông). Tường của lò được xây bằng gạch Samot A có khả năng chịu nhiệt cao. - Hệ thống treo đỉnh lò bằng kết cấu thép, khối lượng 11,5 (tấn). Dùng các ống thép 60x5 treo lên đỉnh dầm chính, đặt dọc lò, để trực tiếp treo các viên gạch neo nhờ các móc treo làm bằng vật liệu thép chịu nhiệt, có tác dụng giữ phần bê tông chịu lửa của đỉnh lò.Các dầm chính bằng thép I 24 (dùng 2U24 ghép), đặt ngang lò, ghép với cột khung lò bằng bu lông. - Dầm đỡ tường đầu nạp phôi bằng kết cấu thép, khối lượng tổng cộng 2,1 (tấn). Kết cấu 2 ngăn dạng hình hộp chữ nhật nằm ngang lò, làm lạnh bằng nước lưu thông, có tác dụng đỡ tấm tường phía đầu nạp phôi. Mặt ngoài được hàn với râu thép, đầm vật liệu chịu lửa. - Hệ thống cửa lò bằng kết cấu thép, khối lượng 4 (tấn). Cửa đầu nạp phôi bằng kết cấu thép, mặt trong được hàn với râu thép, đầm vật liệu chịu lửa. Hệ thống nâng hạ cửa bằng tời quay tay. Hai cửa ra phôi cạnh lò (phía máy tống ra phôi) bằng kết cấu thép, mặt trong được hàn với râu thép, đầm vật liệu chịu lửa. Hệ thống nâng hạ cửa bằng động cơ giảm tốc tang quấn (động cơ 2,2 kw, n=963 v/p), hiện tại đã bỏ cơ cấu này, dùng tời quay tay. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 89 Ngoài ra còn có 5 cửa người chui (dùng để thi công sửa chữa nội hình lò khi dừng hoặc sử lý sự cố trong sản xuất), và 7 cửa để thao tác, vệ sinh vảy cán trong lò. - Gạch đường trượt dùng vật liệu gạch KOVISIT 320 - N/1. Được dùng ở 2 đường trượt ra phôi nằm ngang lò phía cần tống (gồm 40 viên), 4 đường trượt dọc lò (gồm 120 viên) nằm từ khoảng giữa vùng sấy đến vùng đều nhiệt của lò. - Ray trượt thép làm bằng vật liệu thép X28 hoặc tương đương. Là ray trượt nội do Nhà máy Cơ khí - Công ty Gang Thép Thái Nguyên chế tạo. Ray trượt thép được dùng ở 4 đường trượt thép nằm dọc lò (khoảng 64 viên) nằm từ đầu lò đến khoảng quá giữa vùng sấy, tiếp giáp với 4 hàng gạch gốm Hungary. - Lò nung có sử dụng vật liệu chịu lửa và cách nhiệt đầm ở các khu vực cần thiết để tăng độ kín, hạn chế mất nhiệt, tăng tuổi thọ (mua của nước ngoài). - Dùng 12 mỏ phun dầu (được bố trí ở tường sau lò và hai bên tường lò) kiểu áp suất cao, hỗn hợp trong, dầu được mù hoá bằng không khí nén. Loại mỏ đốt này khả năng cháy hoàn toàn tốt (mua ở nước ngoài). - Về đường khói: khí thải đi theo đường khói đặt nổi từ đỉnh lò, qua thiết bị trao đổi nhiệt đặt nổi rồi dẫn xuống đường khói ngầm sẵn có lên ống khói. - Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu kênh đứng, chùm ống kim loại. Khung, vỏ ngoài thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng kết cấu thép, 6,4 (tấn). Phần ruột thiết bị trao đổi nhiệt là các ống kim loại 60x3,5, 48x3 làm bằng thép chịu nhiệt (C20 và SUS 304 P),  9,21 (tấn). Phần lót cách nhiệt, xây và đầm vật liệu chịu lửa. - Hệ thống đường ống không khí: Gồm đường ống gió lạnh từ quạt gió vào thiết bị trao đổi nhiệt  1000, đường ống gió nóng từ thiết bị trao đổi nhiệt đi ra đến 3 vùng nung và 12 mỏ đốt (có các đường kính:  1000,  1280,  630,  530 và  300)…và hệ thống các van điều chỉnh. - Quạt gió: sử dụng động cơ công suất 300 kw - 6 Kv. Tốc độ n = 1450 (vòng/phút), Lưu lượng: 36.500 (m3/h), Áp lực: 1655 mm H2O. Đường hút gió lắp đặt thêm van  800, để điều chỉnh lượng gió hút vào. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 90 2.2.3. Thiết bị của lò nung 2.2.3.1. Hệ thống khí nén Sơ đồ hệ thống cung cấp khí nén như hình 2.1. Hệ thống khí nén gồm 2 đường: một đường cấp cho xilanh-pitông lật phôi xuống đường con lăn phía dưới. Một đường khí nén cấp cho 12 mỏ đốt để mù hoá dầu, trong đó có một nhánh để thông Hình 2.1. Sơ đồ cung cấp khí nén vào lò LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 91 đường dầu trong sản xuất. Đường khí nén cấp cho lò nung, lấy từ đường chung của nhà máy, cho qua bình ổn áp để áp suất khí nén đầu ra được ổn định. Ở nhánh đầu ra có đo áp lực khí nén. Đường khí nén được chia thành 3 nhánh cấp cho 3 vùng (cấp cho 12 mỏ đốt) của lò (vùng đồng đều nhiệt, vùng nung và vùng nung sơ bộ). Trên mỗi nhánh có lắp bộ lọc khí nén nhánh, bộ điều chỉnh áp lực khí nén nhánh (điều chỉnh bằng tay). Mỗi nhánh cấp khí nén cho 4 vòi đốt, trước vòi đốt có lắp đồng hồ đo áp lực khí nén và van điều chỉnh khí nén tại chỗ bằng tay. Tại mỗi vòi phun cũng có đường khí nén để làm vệ sinh đường dầu. Đường khí nén cấp để thông thổi đường dầu: Điểm cấp khí nén ở sau bộ lọc dầu thô và trước đường cấp dầu và hồi dầu. Có van mở tại chỗ. 2.2.3.2. Hệ thống đường dầu Hệ thống đường dầu như hình 2.2. Dầu được cấp từ trạm dầu FO theo đường dầu chung của Nhà máy. Từ đường dầu chung dầu được đi qua bộ lọc dầu tổng (hiện nay chỉ sử dụng 2 bộ lọc, sau 2 bộ lọc này có điểm đo nhiệt độ và áp lực dầu) , dầu được góp chung, sau đó đường dầu được chia làm 2 nhánh. Nhánh phụ là nhánh hồi dầu về nguồn, có lắp van hồi dầu tự động (cơ cấu chấp hành), đường dầu hồi này dẫn vào đường dầu hồi chung (quay ngược trở lại nơi cấp). Nhánh chính cấp dầu đốt lò, có điểm đo áp suất và nhiệt độ dầu, có lắp bộ lọc dầu tổng và công tơ đo dầu ( tại từng vị trí đều có đường dầu đi tắt mỗi khi cần sửa chữa). Sau đó dầu được cấp cho 3 bộ gia nhiệt dầu ( bộ sấy dầu cấp 1 ) lắp song song ( 3 bộ sấy dầu này có thể làm việc đồng thời hoặc riêng biệt đều được, từng bộ sấy dầu đều có đường dầu đi tắt mỗi khi cần sửa chữa). Đường dầu sau 3 bộ sấy dầu lại được góp chung (tại đây có điểm đo nhiệt độ dầu), sau đó chia làm 3 nhánh đi, tại mỗi nhánh đều có bộ lọc nhánh, bộ điều chỉnh áp lực dầu bằng tay (tại mỗi nhánh đều có đường dầu đi tắt mỗi khi cần sửa chữa). Sau đó tại mỗi nhánh dầu lại được đi riêng biệt qua 3 bộ gia nhiệt dầu (bộ sấy dầu cấp 2). Sau đó dầu được cấp cho 3 vùng tương ứng: vùng sấy, vùng nung, vùng đều nhiệt. Mỗi nhánh cấp dầu cho 4 vòi đốt. Tại mỗi vòi đốt đều có bộ lọc tinh, đồng hồ đo áp lực dầu, có van điều chỉnh dầu tại chỗ bằng tay. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 92 Sau khi cấp cho 3 vùng, dầu đi theo đường chung về đường hồi dầu. Tại đây có hai van: 1 van đi vào đường hồi dầu, 1 van xả. Khi lò làm việc thì cả 2 van này đều đóng, van đi vào đường hồi dầu chỉ mở khi bắt đầu thông dầu sản xuất hoặc khi dùng khí nén (gần bộ lọc tổng) thông đường dầu để dầu về nguồn. Dầu cấp qua 4 lần lọc gồm: Bộ lọc thô (trước bơm dầu 11 kw ở trạm FO), bộ lọc tổng, bộ lọc nhánh, và bộ lọc tinh. 2.2.3.3. Hệ thống các mỏ đốt của lò Lò dùng 12 mỏ đốt ( ký hiệu MB – 30), kiểu áp lực cao hỗn hợp trong, dùng khí nén để hoá mù dầu, đốt với gió nóng. Lượng tiêu hao dầu tối đa trên một mỏ đốt Hình 2.2. Sơ đồ cấp dầu FO vào lò LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 93 là 180 (lít/h). Lượng tiêu hao không khí lớn nhất là 24.000 (m3/h). Lượng tiêu hao khí nén là 700 (m 3 /h). Bố trí mỏ phun theo 3 vùng, mỗi vùng 4 mỏ đốt (vùng đều nhiệt, vùng nung, vùng nung sơ bộ).Với từng mỏ đốt yêu cầu có sự tương quan hợp lý giữa dầu, gió, khí nén. Về dầu đã được lọc sạch, đã sấy đạt 90  100oC, đủ lưu lượng, đủ áp lực từ 2,5kg/cm  3 Kg/cm. Khí nén đã được lọc sạch, áp lực: 3,5  4 Kg/cm2. Gió đủ lưu lượng, đủ áp lực, gió được sấy nóng đến 300  400 oC. Đối với từng cụm 4 vòi đốt thì tương quan tỉ lệ giữa dầu và gió điều khiển tự động, riêng khí nén điều chỉnh tại chỗ bằng tay (cho từng vùng của lò). Đối với từng vòi đốt thì tương quan giữa dầu, gió, khí nén dùng van điều chỉnh tại chỗ. Để việc đốt cháy nhiên liệu lỏng có hiệu quả, người ta dùng các phương pháp biến bụi và sấy nóng. Để biến bụi thường dùng khí nén hoặc hơi nước có áp suất cao để phá vỡ sự liên kết giữa các hạt nhiên liệu lỏng, tạo cho các hạt bụi lỏng có kích thước nhỏ gần như nhiên liệu khí d = ( 0,011 ) mm. Mục đích để làm tăng bề mặt phản ứng cháy, tạo điều kiện cho nhiên liệu tiếp xúc với oxy. Do vậy mà giảm lượng không khí dư cần thiết đồng thời rút ngắn thời gian cháy và nâng cao hiệu quả cháy. Khi sấy nóng nhiên liệu lỏng được nung nóng đến nhiệt độ bốc hơi, làm tăng tính linh hoạt của nhiên liệu lỏng, tăng khả năng biến bụi của các giọt dầu. Các thành phần hoá học, chất bốc của nhiên liệu bay lên và bị cháy, phản ứng cháy tiếp tục làm tăng nhiệt độ giọt dầu, từ đó hiệu quả cháy cũng tăng lên. Việc biến bụi được thực hiện nhờ các mỏ phun. Chất biến bụi có thể là khí nén, hơi nước cao áp, không khí áp lực cao. 2.2.3.4. Nước làm nguội Nước làm nguội được lấy từ nguồn nước chung của nhà máy và được cấp cho lò nung ở ba vị trí: Dầm thuỷ đầu nạp liệu, cần tống của máy tống ra phôi, ổ con lăn đầu nạp liệu và ra liệu ( nước thoát ra có nhiệt độ phải nhỏ hơn hoặc bằng 55 oc ). LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 94 2.2.3.5. Thiết bị trao đổi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt ( như hình 2.3 ) là thiết bị sấy không khí, trong đó không khí cùng đồng thời chuyển động với khói từ lò ra. Khói lò có nhiệt độ cao truyền đến thiết bị trao đổi nhiệt bằng năng lượng bức xạ hay đối lưu. Thiết bị trao đổi nhiệt để nung nóng không khí và sử dụng nhiệt thừa của sản vật cháy của lò, cải thiện các đặc tính kỹ thuật của lò như: Giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng hệ số sử dụng nhiên liệu có ích, tiết kiệm nhiên liệu đạt 21%. Thiết bị trao đổi nhiệt có cấu tạo kiểu kênh đứng, chùm ống kim loại. Khung ngoài thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng kết cấu thép. Phần ruột thiết bị trao đổi nhiệt là các ống kim loại 60x3,5, 48x3 làm bằng thép chịu nhiệt ( C20 và SUS 304 P) lắp ghép bởi các tấm thép (mắt sàng). Thiết bị trao đổi nhiệt phải đảm bảo kín, có thể nung không khí với tốc độ lớn. Nhưng độ bền thấp, chỉ cho phép nung không khí (khí đốt) đến nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng 700oC. Về nguyên lý làm việc: Sản vật cháy từ lò đi ra có nhiệt độ cao truyền đến các hàng ống thiết bị trao đổi nhiệt dưới dạng bức xạ hay đối lưu, sau đó nhiệt truyền đến không khí bên trong các hàng ống (không khí được đưa vào thiết bị trao đổi Hình 2.3. Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 95 nhiệt nhờ quạt gió) dưới dạng đối lưu. Trong buồng trao đổi nhiệt, khói lò và không khí cùng được chuyển động đồng thời. Diện tích bề mặt bức tường ngăn (các hàng ống) đóng vai trò chủ yếu trong quá trình trao đổi nhiệt. 2.2.3.7. Thiết bị sấy dầu Là thiết bị gia nhiệt dầu, bằng điện. Kiểu điện trở, gồm 2 cấp.Trên mỗi cấp gồm có 3 bình sấy, mỗi bình cấp cho 1 vùng (sấy, nung, đều nhiệt ). Nhiệt độ dầu khi sấy cấp I: 90 – 100 0 C, nhiệt độ sấy dầu cấp II khoảng: 100 - 130 0 C. Năng suất ( lượng dầu được gia nhiệt ) : 3 x 800 (lít/giờ). 2.2.3.8. Hệ thống cấp gió Hệ thống cấp gió bao gồm: quạt gió, đường gió lạnh, hệ thống ống ruột bộ trao đổi nhiệt, đường gió nóng đến các vòi đốt. Đầu hút của quạt gió có van điều tiết 800, van này điều khiển tự động tuỳ theo áp lực gió nóng ở đường chung, đồng thời cũng điều khiển được tại chỗ bằng tay. Đường gió lạnh : Nhánh chính đi vào ruột bộ trao đổi nhiệt. Nhánh phụ 200 nối sang đường gió nóng, trên đó có lắp van điều tiết 200. Van này chỉ được điều chỉnh tự động nhằm duy trì nhiệt độ gió nóng để khỏi vượt qua mức quy định. Đường gió nóng sau thiết bị trao đổi nhiệt. Trên đường gió nóng chung có điểm đo nhiệt độ và áp suất gió.Gió nóng được chia làm 3 nhánh cấp cho 3 vùng của lò: vùng đều nhiệt, vùng nung, vùng sấy (hay vùng nung sơ bộ). Trên mỗi nhánh có đo lưu lượng gió nóng, có van điều tiết 520. Van này được điều chỉnh tự động tuỳ thuộc vào lưu lượng gió nóng cần dùng, các thông số đặt ở buồng điều khiển (không điều chỉnh bằng tay). Mỗi nhánh cấp gió nóng cho 4 vòi đốt, tại từng vòi đốt có đo áp suất gió, có van điều tiết gió bằng tay. Trên đường gió nóng chung có 1 nhánh ống 300 thải gió nóng vào đường khói, điểm thải ở sau van điều tiết đường khói. Trên đường thải gió nóng này có van điều tiết 300, được điều khiển tự động tuỳ theo nhiệt độ khói trước thiết bị trao đổi nhiệt (van này không điều chỉnh bằng tay). LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 96 2.2.3.9. Hệ thống ống khói Hệ thống đường khói gồm kênh khói nổi, thiết bị trao đổi nhiệt, đường khói ngầm và ống khói. Hệ thống kênh, cống thoát khói cần có kích thước tối ưu để đảm bảo trở lực qua kênh thoát khói, cống khói có trở lực hợp lý và không gây tốn kém vật liệu xây lắp. Nếu cống khói đặt nổi, ngăn cản được mạch nước ngầm thấm vào, nhưng mất nhiều nhiệt và làm cản trở lối đi lại. Thông thường cống khói đặt chìm, cách mặt đất lớn hơn 300mm. Ống khói là một bộ phận của lò, nhiệm vụ của ống khói là tạo sức hút để đưa sản phẩm cháy từ buồng lò ra ngoài để duy trì chế độ làm việc của lò.Trong công nghiệp thường dùng 3 loại ống khói: ống khói gạch, ống khói kim loại và ống khói bê tông chịu nhiệt. 2.2.3.10. Hệ thống máy đẩy 5 tấn, 40 tấn, máy tống phôi * Máy đẩy 5 tấn Máy đẩy 5 tấn dùng để đẩy phôi thỏi vào đường lăn vào lò. Do Trung Quốc sản xuất. Máy đẩy 5 tấn kết hợp với sàn thỏi lắp tại gian DF (cột DF 1- DF 2 ). Nằm vuông góc với đoạn 1 con lăn vào lò. Lực đẩy lớn nhất là 5 tấn, hành trình lớn nhất là 3mét, tốc độ đẩy là V = 0,1 m/s, tỉ số truyền của hộp giảm tốc: i = 112, trọng lượng lớn nhất của thỏi thép là 700 kg. Sử dụng động cơ ba pha kiểu dây quấn công suất 11KW, tốc độ n = 710 v/p. Số thanh mỗi lần đẩy là 3 đến 4 thanh. * Máy đẩy 40 tấn Máy đẩy 40 tấn do Trung Quốc sản xuất. Máy được lắp trước tổ con lăn thứ 3 trước lò. Dùng để đẩy phôi, thỏi nạp vào lò nung. Khi đẩy phôi dùng đồng thời 2 máy (2 đầu đẩy). Khi đẩy thỏi ngắn thì dùng từng máy một. Di chuyển cần đẩy bằng cơ cấu bánh răng - thanh răng. Máy đẩy 40 tấn có sức đẩy lớn nhất của cần đẩy là 40 tấn. Hành trình lớn nhất của cần đẩy là Smax = 3,2 (m). Hành trình làm việc của cần đẩy là SLV = 2,7 (m). Tốc độ di chuyển của cần đẩy là V = 4 ( m / p). Tỉ số truyền của hộp giảm tốc là i = 179,21. Mômen hãm lớn nhất của phanh là M = 71 (kg/mét). Kích thước thỏi thép LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 97 đi qua dưới cần tống: 100 x 100  300 x 300. Dùng động cơ JZR2 - 63 – 10, công suất N = 45 (kw); U = 380 (v); n = 580 (v/p); Kiểu: dây quấn. * Máy tống phôi lò nung Máy tống phôi lò nung được đặt nằm vuông góc phía cuối lò dùng để tống phôi ra lò từ bên sườn vào đường con lăn phụ (để cán). Dùng hộp giảm tốc trụ hai cấp, di chuyển cần tống bằng tang cáp. Sử dụng động cơ đẩy: Kí hiệu: JZR - 225M; N = 11 (kw); U = 380 (v); n = 733(v/p); Kiểu: dây quấn. Động cơ xe ngang: Kí hiệu: MT-11-6; N = 2,2 (kw); U = 380 (v);n = 885(v/p) ; Kiểu: dây quấn. Cần tống được làm nguội bằng nước lưu thông tuần hoàn. Ngoài ra còn có hệ thống đường con lăn và hệ thống sàn thao tác. 2.2.4. Nguyên lý hoạt động của lò nung Quá trình đưa phôi vào lò được di chuyển bằng dàn con lăn được điều khiển bằng các động cơ. Khi phôi được chuyển tới trước cửa lò nung chờ có tín hiệu điều khiển, bàn đẩy sẽ đẩy phôi vào lò bằng hệ thống máy đẩy 40 tấn. Phôi được di chuyển trong lò bằng hệ thống 4 đường trượt. Phôi lần lượt được di chuyển liên tục và đều đặn qua 3 vùng nhiệt độ: Vùng nung sơ bộ - sấy, vùng nung và vùng đồng nhiệt. Nhiệt độ trong lò được duy trì nhờ 12 mỏ đốt được bố trí ở tường sau của lò và 2 bên tường lò. Nhiên liệu đốt là dầu FO. Dầu trước khi được đưa vào ống dẫn dầu của mỏ đốt đã được sấy nóng, đủ lưu lượng, đủ áp lực. Khí nén đủ lưu lượng, đủ áp lực được đưa vào ống dưới áp suất của dầu, van được mở và phun dầu ra dưới dạng sương mù.Van điều khiển gió nóng được mở ra và được phun vào đốt cháy dầu trong lò. Gió nóng được phun ngược chiều với chiều chuyển động của kim loại, sau khi qua các vùng làm nhiệm vụ nung kim loại... chúng di chuyển theo đường kênh khói vào thiết bị trao đổi nhiệt, rồi theo cống khói đi ra ngoài ống khói. Gió nóng chỉ cấp ở các vùng nung và vùng đồng nhiệt, vùng sấy chỉ sử dụng nhiệt thừa của khí lò đi qua trước khi thoát ra ống khói. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 98 Khi phôi được di chuyển đến phía cuối lò nung thì phôi sẽ được tống ra lò từ bên sườn lò nung bằng máy tống phôi. Máy tống phôi đẩy phôi vào đường con lăn phụ và phôi được đưa ra giá cán. * Một số đặc điểm cần chú ý trong lò nung liên tục: + Lò nung liên tục dùng để nung các loại thép cán có kích thước lớn hoặc trung bình có năng suất cao và thường được cơ giới hoá và tự động hoá từng phần. + Thông thường nạp liệu vào lò ở nhiệt độ thấp, nên dễ xảy ra ứng suất nhiệt khi môi trường vùng sấy có nhiệt độ cao quá mức quy định. Một số trường hợp đặc biệt, để tránh gây ứng suất nhiệt, người ta bố trí kênh khói phụ giáp vùng nung và vùng sấy để lấy bớt một phần sản vật cháy, nhiệt độ vùng sấy sẽ hạ thấp hơn. Nghĩa là chủ động điều chỉnh được nhiệt độ vùng sấy. + Vùng đồng nhiệt có tác dụng nâng nhiệt độ tâm vật nung để làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và mặt vật nung đến giá trị cho phép. Nếu là lò nung 2 mặt, vùng đồng nhiệt còn có tác dụng khử các vết đen do các đường trượt được làm nguội bằng nước gây ra. + Phân phối nhiệt: Vùng nung và đồng nhiệt chiếm: ~70% (trong đó vùng nung trên chiếm 3/5, vùng nung dưới chiếm 2/5). Vùng sấy còn lại ~30% lượng nhiệt. 2.2.5. Hệ thống cung cấp điện và đo lường điều khiển 2.2.5.1. Hệ thống cung cấp điện Hệ thống cung cấp điện bao gồm hệ thống cung cấp điện cho các thiết bị đo lường, điều khiển. Hệ thống cung cấp điện cho quạt gió, các hệ thống đường con lăn. Hệ thống cung cấp điện cho: máy đẩy - nạp phôi, máy tống ra phôi, thiết bị gia nhiệt dầu… 2.2.5.2. Hệ thống đo lường điều khiển Gồm hệ thống đo lường - điều khiển tự động của lò, các tủ điều khiển, đồng hồ đo đặt ở một phòng chung, ngoài ra có đặt tại chỗ một số đồng hồ đo. Hệ thống đo lường - điều khiển tự động đo các thông số chính sau đây: LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 99 * Đo nhiệt độ Đo nhiệt độ lò theo từng vùng (vùng nung sơ bộ – vùng sấy, vùng nung, vùng đồng đều nhiệt), đo nhiệt độ sản phẩm cháy (khí thải) ở điểm trước và sau thiết bị trao đổi nhiệt, đo nhiệt độ không khí nóng, nhiệt độ dầu. Các vùng nhiệt độ của lò: + Vùng đều nhiệt - Đo và duy trì áp suất của lò theo yêu cầu công nghệ (16mmH2O) (liên quan đến van điều tiết khói). - Đo và duy trì nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ một cách tự động. - Nhiệt độ đạt từ (1200oC  1250oC). +Vùng nung - Đo và duy trì tự động nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ. - Nhiệt độ đạt từ ( 1230oC  1280oC). +Vùng nung sơ bộ. - Đo và duy trì tự động nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ. - Nhiệt độ đạt từ (1000oC  1100oC). * Đo áp suất: áp suất gió, áp suất dầu, áp suất khí nén, áp suất lò. * Đo lưu lượng: đo lưu lượng dầu tổng, đo lưu lượng gió vào từng vùng. Hệ thống điều khiển tự động bao gồm: + Điều khiển tự động hoá nhiệt độ lò của từng vùng theo trị số đặt trước, đồng thời với việc điều khiển tự động tỉ lệ dầu, gió và khí nén tương ứng. Tự động đóng mở van gió, van dầu, van khí nén vào từng vùng. + Điều khiển tự động áp lực lò theo trị số đặt (tự động đóng, mở van khí thải). + Khống chế tự động nhiệt độ gió nóng chung theo quy định (hoà gió lạnh và xả gió nóng tự động). + Điều khiển tự động áp suất không khí (tự động đóng mở van hút của quạt gió). Khi áp suất dầu hoặc khí nén nhỏ hơn giá trị đặt, thì sẽ có tín hiệu báo động hoặc ngắt bơm dầu. Hệ thống điều khiển đo lường được thực hiện theo nguyên lý chung như sau: LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 100 Theo thiết kế của lò nung, đây là lò được nung một mặt, nhiên liệu gia nhiệt cho lò là dầu FO được mù hoá dầu bằng khí nén. Không khí (gió) cấp từ quạt gió qua bộ trao đổi nhiệt trở thành gió nóng đến các vòi đốt. Để điều khiển lò nung ta phải đo lường và điều khiển lượng dầu cho các mỏ đốt và tỷ lệ cấp gió sao cho đạt được nhiệt độ cần thiết với hiệu suất cao nhất. Nguyên lý đo và tự động điều khiển dầu cho lò nung Dầu được cung cấp từ trạm dầu có sẵn, qua bộ lọc tổng. Bộ lọc tổng có nhiệm vụ lọc bỏ các tạp chất để dầu sạch. Đo áp lực dầu qua bộ lọc tổng ta có lắp hệ thống báo áp lực thấp đo tại chỗ bằng áp lực kế lò xo, có khống chế áp lực thấp đưa về bảng đo lường chỉ báo qua đèn báo sáng. Cũng tại vị trí đo áp lực dầu thấp ta có lắp hệ thống ổn định áp lực dầu bằng cách điều chỉnh van dầu hồi. Lúc này áp lực dầu đã ổn định (khoảng 4Kg/cm2) qua bộ công tơ ( KET/40) để đo lượng dầu tiêu hao trong từng ca, từng ngày và có thể tính trong cả một đợt vận hành lò. Bộ KET/40 biến đổi tín hiệu dầu để điều khiển bộ tích dầu hiện số lắp ở bảng đo lường. Dầu qua bộ đo lưu lượng dầu KET/40 sau đó qua ba bộ sấy dầu để nâng nhiệt dầu lên đến 100150oC. Sau đó dầu được đi vào một ống rồi chia ra làm ba nhánh để đi cấp cho ba cụm mỏ đốt. Thiết bị đo lường và điều khiển tự động lưu lượng dầu của ba nhánh cho ba cụm mỏ đốt là giống nhau hoàn toàn, chỉ khác là lượng dầu cấp cho mỗi cụm là khác nhau. Nguyên lý đo và điều khiển tự động dầu của một nhánh Dầu tiếp tục qua bộ lọc tinh. Ở đây có lắp đồng hồ áp lực lò xo (0 10 Kg/cm 2). Bộ đo lưu lượng dầu được đặt sau van dầu cho ra tín hiệu tỷ lệ với lưu lượng dầu đi qua, sau đó qua thiết bị hiển thị dầu tức thời lắp tại bảng đo lường. Qua đây dầu được chia ra làm 4 đường đi cấp cho từng vòi phun. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 101 Nguyên lý đo lường và điều khiển lưu lượng gió Hệ thống đường gió được cấp từ quạt gió. Qua đầu hút của quạt gió có van điều tiết 800. Van này tự động điều khiển theo áp lực gió nóng được đặt trước, đồng thời cũng điều khiển tại chỗ được bằng tay. Gió lạnh cấp qua bộ trao đổi nhiệt, còn có nhánh phụ 200 nối sang đường gió nóng, trên đó có lắp van điều tiết, van này điều khiển tự động nhằm duy trì nhiệt độ gió nóng không vượt quá quy định. Trên đường gió nóng có điểm đo nhiệt độ gió nóng. Gió nóng được chia làm 3 nhánh cấp cho 3 vùng lò. Trên mỗi nhánh có lưu lượng gió nóng và có van điều tiết 520. Van này được điều khiển tự động tuỳ thuộc vào lưu lượng gió nóng cần đốt đặt . Mỗi nhánh cấp gió nóng cho 4 vòi đốt có đo áp suất gió, có van điều tiết gió bằng tay. Trên đường gió nóng chung có một nhánh 300 thải gió nóng vào đường khói. Van điều tiết này được điều khiển tự động tuỳ theo nhiệt độ khói trước bộ trao đổi nhiệt. Hệ thống khí nén Đường khí nén cấp cho hệ thống đốt lò cấp từ máy nén khí của nhà máy, cho qua bình ổn áp để áp suất khí nén được ổn định. Trên đường cấp khí nén có đặt áp lực kế, báo áp lực khí nén thấp đèn ở bảng đo lường sẽ sáng. Đường khí nén được chia làm ba nhánh cấp cho 3 vùng lò. Trên mỗi nhánh có lắp bộ lọc khí nén, bộ điều khiển áp lực khí nén bằng tay. Mỗi nhánh khí nén cấp cho 4 vòi đốt có lắp đồng hồ đo áp lực khí nén và van điều tiết khí tại chỗ bằng tay. Có đường khí nén để vệ sinh đường dầu tại vòi phun. Hệ thống đường khói. Việc thay đổi sức hút của đường khói chỉ thực hiện bằng van điều tiết 1150. Van này được điều khiển tự động dựa theo áp lực đặt của lò, đồng thời cũng có thể điều khiển bằng tay nhờ thiết bị điều khiển và nút ấn trên bảng đo lường. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 102 Hệ thống máy nén khí Hệ thống khí nén của nhà máy được cung cấp từ trạm khí nén trung tâm. Trạm khí nén gồm 02 máy nén khí nhãn hiệu 4L – 20/8 do Trung Quốc sản xuất, công suất trục P = 118 (Kw) . Động cơ kéo máy khí nén nhãn hiệu: JR 127 – 8 – TH, là động cơ không đồng bộ 3 pha rô to dây quấn, công suất động cơ là 155 KW, tốc độ là 730 (vòng/phút), điện áp là U = 220/380 (v) (kiểu đấu dây:  / ), dòng điện định mức là I = 430/248 (A). Ngoài ra còn có hệ thống cấp dầu và bơm sấy dầu. Hệ thống tự động điều khiển nhiệt độ 3 vùng nung Nguyên lý hoạt động Tín hiệu điện áp từ đầu ra can nhiệt PV được đưa tới bộ điều khiển, sau đó được so sánh với tín hiệu đặt SV ( tùy theo yêu cầu của từng vùng nhiệt độ) - Khi nhiệt độ lò thấp ( giá trị đo PV nhỏ hơn giá trị đặt SV) thì ở đầu ra của bộ điều khiển sẽ xuất hiện tín hiệu điện áp tương ứng. Tín hiệu điện áp này được đưa tới bộ điều chỉnh điện áp – dòng điện, đầu ra của bộ điều chỉnh ta nhận được tín hiệu dòng điện từ 4 † 20mA. Dòng điều khiển này sẽ được đưa tới cơ cấu đóng mở van dầu theo chiều mở van dầu để tăng lượng dầu FO vào lò. Khi lượng dầu FO tăng thì nhiệt độ trong lò cũng tăng đến giá trị đặt SV. Bộ cảm ứng lưu lượng dầu cho tín hiệu đầu ra là dòng điện từ 4 † 20mA tương ứng với lưu lượng dầu từ 0 † 1000L. Tín hiệu dòng điện này được đưa tới bộ điều khiển để khống chế lưu lượng gió theo chiều mở van gió nóng để tăng lượng khí đốt phù hợp với lưu lượng dầu làm cho nhiệt độ tăng dần đến giá trị đặt - Khi nhiệt độ lò cao hơn giá trị đặt trước ( giá trị đo được PV lớn hơn giá trị đặt SV ) thì ở đầu ra của bộ điều khiển sẽ xuất hiện tín hiệu điện áp tương ứng. Tín hiệu điện áp này được đưa tới bộ điều chỉnh điện áp / dòng điện, đầu ra của bộ điều chỉnh ta nhận được tín hiệu dòng điện từ 4 † 20mA. Dòng điều khiển này sẽ được đưa tới cơ cấu đóng mở van dầu theo chiều mở van dầu để giảm lượng dầu FO vào lò. Khi lượng dầu FO giảm thì nhiệt độ trong lò cũng giảm đến giá trị đặt SV. Bộ LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 103 cảm ứng lưu lượng dầu cho tín hiệu đầu ra là dòng điện từ 4 † 20mA tương ứng với lưu lượng dầu từ 0 † 1000L. Tín hiệu dòng điện này được đưa tới bộ điều khiển để khống chế lưu lượng gió theo chiều đóng bớt van gió nóng để giảm lượng khí đốt phù hợp với lưu lượng dầu làm cho nhiệt độ giảm dần đến giá trị đặt. Hệ thống đo và điều khiển áp lực dầu Phạm vi đo lớn nhất : 10kg/cm2 Nguyên lý hoạt động Để tự động điều khiển áp lực dầu, thiết bị điều khiển thường đặt giá trị 4kg/cm 2 . Khi trên đường ống có áp lực dầu, bộ cảm biến cho ra tín hiệu dòng diện một chiều từ 4 † 20mA tỷ lệ với áp lực dầu trong ống. Khi giá trị đo lớn hơn giá trị đặt thì ở đầu ra của thiết bị điều khiển sẽ cho ra dòng điện điều khiển cơ cấu đóng mở van theo chiều mở van dầu hồi dẫn đến áp lực dầu trên đường ống sẽ giảm đến giá trị đặt. Khi giá trị đo nhỏ hơn giá trị đặt quá trình sẽ diễn ra ngược lại. Hệ thống điều khiển nhiệt độ khí đốt Phạm vi đo lớn nhất : 14000C Nguyên lý làm việc Khi nhiệt độ khí đốt tăng ( lúc đó giá trị đo lớn hơn giá trị đặt ), đầu ra bộ điều khiển cho ra tín hiệu điều khiển mở van gió lạnh đưa vào đường gió nóng để làm giảm nhiệt độ của khí đốt. Khi nhiệt độ khí đốt giảm ( lúc đó giá trị đo nhỏ hơn giá trị đặt ), tín hiệu điều khiển đóng van gió lạnh lại. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 104 Chương 3 XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG 3.1. Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò nung Để điều khiển nhiệt độ cho lò nung ta điều khiển cho từng vùng với trị số đặt trước. Khi điều khiển nhiệt độ cho từng vùng ta phải điều chỉnh tỉ lệ dầu, gió và khí Đường gió Đo lường I /P LòLò Nung nung lườngườn g I / P Đặt dầu Đặt gió Đo lưu lượng dầu Van I / P Đo lườ g Lò nung U / I Đường dầu U / I Hình 3.1. Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép Cảm biến đo lường Bộ chuyển đổi tín hiệu điện áp sang dòng điện Bộ chuyển đổi dòng điện sang áp suất Trong đó: LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 105 nén theo tỉ lệ nhất định tùy thuộc vào giá trị nhiệt độ cần đặt. Tuy nhiên khi ta xem dầu đã được kết hợp với khí nén có đủ áp lực để mù hóa dầu và vì lượng gió được đặt theo lượng dầu nên khi đó ta có thể coi việc điều khiển nhiệt độ lò nung có một tín hiệu vào là lưu lương dầu và một tín hiệu ra là nhiệt độ. Việc đo lường và điều khiển nhiệt độ cho ba vùng nung là hoàn toàn tương tự nhau vì vậy ta chỉ xét điều khiển nhiệt độ cho vùng đồng nhiệt. Ta có sơ đồ khối như hình 3.2. Trong đó: W1 là hàm truyền của bộ chuyển đổi điện áp / dòng điện. W2 là hàm truyền của bộ chuyển đổi dòng điện sang áp suất. W3 là hàm truyền của van dầu. W4 là hàm truyền của đối tượng điều khiển. W5 là hàm truyền của khâu đo lường. 3.1.1. Hàm truyền đạt của thiết bị đo nhiệt độ Thiết bị đo nhiệt độ là bộ chuyển đổi sử dụng can nhiệt R do Nhật sản xuất có dải tín hiệu đầu vào là nhiệt độ 0oC ÷ 1400oC và tín hiệu ra là điện áp 1V † 5 V. Như vậy, thiết bị này có hàm truyền là một khâu quán tính bậc nhất:  5 1 K W s Ts   Trong đó: K: Hệ số khuếch đại của thiết bị đo, được xác định như sau:  max max 5 1 0.003 / 1400 0 oUK V C T        Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ W1 W2 W3 W4 W5 - Đặt ToC LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 106 T: Thời gian lấy trễ của thiết bị đo, thường lấy T = 0, 005 (s)  5 0.003 0.005 1 W s s    3.1.2. Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi điện áp / dòng điện Bộ chuyển đổi điện áp / dòng điện có tín hiệu đầu vào là điện áp từ 1V † 5V và tín hiệu đầu ra là dòng điện 4mA † 20mA. Thiết bị này là một khâu khuếch đại với hệ số khuếch đại được xác định như sau:  max1 max 20 4 W 4 / 5 1 I K mA V U         3.1.3. Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi dòng điện / khí nén Bộ chuyển đổi dòng điện khí nén có tín hiệu vào là dòng điện từ 4mA † 20mA và tín hiệu ra là áp suất khí nén P: 0.8 † 6 kg / cm2. Như vậy thiết bị này có hàm truyền là một khâu khuếch đại được xác định như sau:                  mA cm kg I KW 2 max max 2 325.0 420 8.06 3.1.4. Hàm truyền đạt của van dầu Trong thực tế hàm truyền của van thường được coi là khâu quán tính bậc nhất có trễ, lấy gần đúng thì xem là khâu quán tính bậc nhất  3 1 v v K W s T s   Trong đó: KV là hệ số khuếch đại của van. TV là thời gian của van, thường lấy T = 10ms = 0.01s Khi tín hiệu vào thay đổi từ 0.8 † 6 kg/ cm2 thì độ mở của van thay đổi từ 0 † 100%, khi đó hệ số khuếch đại được xác định như sau: 19 8.06 0100    K LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 107 Khi độ mở thay đổi từ 0 † 100% thì lưu lượng dầu qua van thay đổi từ 0†1000L.Từ đó ta có hệ số truyền của sự liên hệ giữa lưu lượng dầu qua van và độ mở của van là: 1000 0 10 100 0 K     Kết hợp các hàm truyền ở trên ta có hàm truyền đạt với tín hiệu vào là áp suất khí nén và tín hiệu ra là lưu lượng dầu qua van:  3 190 W 0.01 1 s s   3.1.5. Hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh Đối tượng điều chỉnh là nhiệt độ lò nung cán thép liên tục. Khi lưu lượng dầu tới mỏ đốt thay đổi từ 0 † 1000L/h thì nhiệt độ vùng nung thay đổi từ 0 † 1400oC. Thường gần xem hàm truyền đạt là một khâu quán tính bậc nhất có trễ: 1Ts τsKe W    Trong đó: K là hệ số khuếch đại.  là thời gian trễ của quá trình điều khiển, thường chọn  = 30s. T là hằng số thời gian của quá trình điều khiển, chọn T = 100s. Hệ số khuếch đại K được xác định như sau:          h L C K o 4.1 1000 1400 Khâu trễ e-s có thể biến đổi gần đúng như sau: s se 301 1   Vậy hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là:   4 2 1.4 0.001 1 30 1 100 0.043 0.0003 W s s s s       Từ đó ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống được thể hiện dưới dạng mô hình Simulink như hình 3.3. Trong đó tín hiệu vào là điện áp thông qua khâu chuyển đổi tín hiệu thành dòng điện điều khiển cơ cấu đóng mở van dầu để đóng mở van dầu, LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 108 điều khiển nhiệt độ lò nung cho tín hiệu hiệu ra là nhiệt độ, thiết bị đo lường biến đổi tín hiệu nhiệt độ thành điện áp để so sánh với tín hiệu đặt. 3.2. Xây dựng hệ thống điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục. Từ sơ đồ cấu trúc hệ thống trên hình 3.3, ta có sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục dùng bộ điều khiển dự báo được thiết kế trên bộ công cụ MPC ( Model Predictive Control Toolbox) của Matlab được chỉ ra trên hình 3.4. 3.3. Mạng nơ ron trong bài toán nhận dạng Một mạng nơ ron có khả năng nhận dạng được mô hình đối tượng đã cho. Trong phạm vi đề tài này tác giả đã dùng một mạng nơ ron để nhận dạng đối tượng là điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục. Với đối tượng cụ thể là điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục tác giả đã tiến hành lựa chọn các thông số như sau trong quá trình nhận dạng và huấn luyện mạng. Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục dùng bộ điều khiển dự báo. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 109 Size of Hidden layer: 7 Sampling Iterval (sec): 70 No. Delayed Plant Inputs: 2 No. Delayed Plant Outputs: 2 Training Samples: 50 Maximum Plant Inputs: 6 Minimum Plant Inputs: 2 Maximum Plant Outputs: 6 Minimum Plant Outputs: 1 Maximum Interval Value (sec): 100 Minimum Interval Value (sec): 1 Training Epochs: 6 3.4. Kết quả mô phỏng Sau khi xây dựng hệ thống điều khiển, ta chuyển các thông số của mô hình vào bộ điều khiển và tiến hành huấn luyện mạng. Sau 6 kỳ huấn luyện sai số giữa đầu ra của mô hình đối tượng và đầu ra của mô hình mạng nơ ron là 10-3. Kết quả nhận dạng được chỉ ra trên hình 3.5 và kết quả huấn luyện được chỉ ra trên các hình 3.6 đến 3.8. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 110 Hình 3.5. Dữ liệu đầu vào và đầu ra của đối tượng khi nhận dạng. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 111 Hình 3.6. Dữ liệu huấn luyện vào / ra của đối tượng, dữ liệu huấn luyện đầu ra của mạng và sai số. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 112 Hình 3.7. Tập dữ liệu kiểm tra. Hình 3.7. Tập dữ liệu kiểm tra LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 113 Hình 3.8. Tập dữ liệu chấp nhận. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 114 Sau khi đã huấn luyện và xây dựng được mô hình nhận dạng đối tượng, ta sử dụng mô hình này để điều khiển hệ thống với các chế độ làm việc khác nhau. Kết quả mô phỏng được chỉ ra trên các hình 3.9, hình 3.10, hình 3.11 và hình 3.12. Hình 3.9. Tín hiệu ra của hệ thống khi chưa có nhiễu và điện áp đặt đầu vào là 2v. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Thoi gian Di en a p Ket qua mo phong khi chua co nhieu, dien ap dat 2v Hình 3.10. Tín hiệu ra của hệ thống khi chưa có nhiễu và điện áp đặt đầu vào là 4v. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 Thoi gian Di en a p Ket qua mo phong khi chua co nhieu, dien ap dat 4v LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 115 3.5. Kết luận Từ các kết quả mô phỏng ở trên ta có thể rút ra một số nhận xét sau: Khi sử dụng mạng noron để xây dựng mô hình đối tượng trong hệ thống điều khiển dự báo cho độ chính xác rất cao ( sai số 10-3 qua 6 kỳ huấn luyện), do đó chất lượng của hệ điều khiển dự báo cũng tăng lên. Hình 3.12. Tín hiệu ra của hệ thống khi có 1 nhiễu đầu vào và điện áp đặt đầu vào là 4v. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 1 2 3 4 5 Thoi gian Di en a p Ket qua mo phong khi co nhieu , dien ap dat 4v Hình 3.11. Tín hiệu ra của hệ thống khi có 1 nhiễu đầu vào và điện áp đặt đầu vào là 2v. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 1 2 3 4 Thoi gian Die n a p Ket qua mo phong khi co nhieu, dien ap dat 2v LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 116 Phương pháp điều khiển dự báo theo mô hình có thể áp dụng để điều khiển nhiệt độ lò nung trong dây truyền cán thép liên tục với chất lượng tương đối tốt ở cả 3 vùng nhiệt độ, hệ thống vẫn làm việc ổn định khi có nhiễu đầu vào, việc thiết kế và chỉnh định các thông số của bộ điều khiển cũng tương đối đơn giản. Tuy nhiên khi có nhiều nhiễu đầu vào thì việc điều khiển là rất phức tạp và trong thời gian ngắn nên tác giả chưa giải quyết được, đó cũng là hướng đi của đề tài sau tiếp tục nghiên cứu. Bên cạnh những ưu điểm trên, khi xây dựng bộ điều khiển dự báo cũng gặp những khó khăn như: Xây dựng bộ dữ liệu nhận dạng từ hệ thống thực phản ánh được toàn bộ tính chất của hệ thống; Giải bài toán tối ưu hóa cần phải cần đến sự hỗ trợ của máy tính mạnh, tốc độ cao. Đây chính là cản trở lớn nhất khi áp dụng các thuật toán điều khiển nhỏ. Để chạy nhận dạng cũng như mô phỏng phải mất thời gian tương đối lâu. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO A. Tiếng Việt [1]. Đỗ Trung Hải (2005), Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ và mạng nơron ứng dụng giải quyết bài toán phi tuyến trong hệ truyền động điện, Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp bộ, Trường Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp Thái Nguyên. [2]. Đỗ Văn Chung (2007), Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển đối tượng phi tuyến, Đại học Kỹ Thuật Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, Luận văn thạc sỹ. [3]. Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, Hà Nội. [4]. Hoàng Ngọc Sơn (2006 ), Một vài phương pháp xác định thông số cho mạng nơron và mô hình mờ, tạp chí Tự động hoá ngày nay, số 4 (68), từ trang 9 – 11, Bài báo. [5]. Nguyễn Công Hiền (2006), Giáo trình Mô hình hoá hệ thống và mô phỏng, Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội. [6]. Nguyễn Đăng Khang (2005), Nghiên cứu điều khiển quá trình theo mô hình dự báo, Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Luận văn thạc sỹ. [7]. Nguyễn Hữu Công, Nguyễn Hoài Nam (2006), Nghiên cứu ứng dụng mạng nơron để nhận dạng và điều khiển đối tượng phi tuyến, Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp bộ, Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên. [8]. Nguyễn Như Hiển  Lại Khắc Lãi (2007), Điều khiển mờ  mạng nơron trong kỹ thuật điều khiển, nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và công nghệ, Hà Nội. [9]. Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab  Simulink, nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [10].Lê Huyền Linh, Lại Khắc Lãi "Điều khiển mức nước bao hơi bằng bộ điều khiển dự báo" Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Thái Nguyên số 2/ 2009 LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 118 [11].Lại Khắc Lãi "Một phương pháp xây dựng mô hình đối tượng phi tuyến trong hệ điều khiển dự báo" Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, số3(43), trang 73-79, năm 2007. [12].Nguyễn Thị Mai Hương, Lại Khắc Lãi, "Xây dựng hệ điều khiển dự báo cho đối tượng có trễ trên cơ sở mạng nơron" Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Thái Nguyên 3(47) tập 1, trang 100-103, 2008. [13].Nguyễn như Hiển, Lại Khắc Lãi (2007), Hệ mờ và nơron trong kỹ thuật điều khiển, NXB Khoa học tự nhiên và công nghệ, Hà Nội. [14]. Phan Xuân Minh  Nguyễn Doãn Phước (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [15]. Nhóm tác giả: Nguyễn Thúc Loan, Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng. (2002), Điều khiển dự báo hệ phi tuyến dựa vào mô hình mờ, Bài báo trên mạng. B. Tiếng Anh [16]. Allgower, F., and A. Zheng (2000), Nonlinear Model Predictive Control, Springer- Verlag. [17] Camacho, E. F., and C. Bordons (1999), Model Predictive Control, Springer-Verlag.