Scada cho hệ thống bốc hơi nước mía trong công nghệ sản xuất đường

 Thiết kế sơ đồ công nghệ điều khiển P&ID Process and Instrument Diagram  Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hóa quá trình bốc hơi nước mía  Lập trình chương trình điều khiển, đi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS HOÀNG MINH TRÍ

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS VÕ HOÀNG DUY

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 18 tháng 07 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA – Chủ tịch hội đồng

2 TS HỒ PHẠM HUY ÁNH – Thư ký

3 TS HOÀNG MINH TRÍ – Giáo viên phản biện 1

4 TS VÕ HOÀNG DUY – Giáo viên phản biện 2

5 PGS TS LÊ MINH PHƯƠNG - Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHẠM VĂN TOÀN MSHV: 11150097

Ngày, tháng, năm sinh: 07/06/1986 Nơi sinh: Nam Định

Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số : 605260

I TÊN ĐỀ TÀI: SCADA CHO HỆ THỐNG BỐC HƠI NƯỚC MÍA TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Lựa chọn công nghệ và thiết kế hệ thống SCADA cho quá trình bốc hơi nước mía

 Thiết kế sơ đồ công nghệ điều khiển P&ID (Process and Instrument Diagram)

 Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hóa quá trình bốc hơi nước mía

 Lập trình chương trình điều khiển, điều chỉnh các thông số hoạt động của hệ thống

 Lập trình điều khiển giám sát, hiển thị các chức năng và giao diện người máy trên máy tính

 Thực hiện các kết nối và hoàn chỉnh hệ thống

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24/06/2013

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và gia đình

đã dạy dỗ, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn TS Trương Đình Châu đã nhiệt tình

hướng dẫn, định hướng cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong trường Đại Học Bách Khoa TP

Hồ Chí Minh nói chung và các Thầy Cô trong bộ môn Điều khiển tự động nói riêng

đã trang bị cho tôi những kiến thức quý báu để hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, xin cảm ơn các anh chị trong lớp Tự Động Hóa khoá 2011 đã giúp

đỡ tôi trong thời gian học tập

Người thực hiện luận văn

Phạm Văn Toàn

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trong quy trình sản xuất của nhà máy mía đường thì quá trình bốc hơi nướcmía có vị trí quan trọng trong việc tăng năng suất, hiệu suất của toàn bộ hệ thống Phầnnhiều các nhà máy mía đường ở Việt Nam hiện nay còn sử dụng các trang thiết bị lạchậu, cũ kỹ dẫn đến hiệu quả kinh tế không cao Một số nhà máy được trang bị các thiết

bị hiện đại nhưng việc cài đặt, điều khiển, kết nối lại do các chuyên gia nước ngoàiđảm nhiệm, chi phí rất lớn Do đó việc người Việt Nam làm chủ được các công nghệhiện đại, xây dựng hệ thống cho quá trình bốc hơi nước mía nói riêng, cả quy trình sảnxuất đường nói chung là rất cần thiết để giảm chi phí, nâng cao hiệu quả kinh tế Luậnvăn được đưa ra để giải quyết các vấn đề nêu trên

Nội dung của luận văn là xây dựng hệ thống SCADA cho quá trình bốc hơinước mía, bao gồm từ việc lựa chọn công nghệ, trang thiết bị, lập trình điều khiển, vậnhành và giám sát hệ thống Ngoài ra còn việc xây dựng mô hình ứng dụng, giải quyếtđược các bài toán tự động hóa điều khiển quá trình, nhiệt độ, mực nước, giám sát vàđiều chỉnh lưu lượng

ABSTRACT The evaporation of sugar-cane-juice is important to increase labour productivity in sugar manufacturing process of a cane sugar company Almost all the cane sugar companies are using old equipment in Vietnam, that are the reasons for low productivity There are some companies using modern equipments but the installation, controlling and connection are supervised by the foreign professional So how to use and control the evaporation of sugar-cane-juice system by Vietnam engineer become important to decrease the cost and increase labour productivity In my abstract there are some methods to solve our problems above.

Contents of my abstract is building SCADA system for the Evaporation of sugar-cane-juice, include choosing the technology, equipment, control method, operations and how to supervise Plus, my abstract is also solve the automation control process, such as temperature, water level, supervise and flow control.

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Tôi xin cam đoan những nội dung trình bày trong luận văn này là kết quả nghiên cứu, tìm hiểu của bản thân Những tài liệu, quy trình công nghệ liên quan đến lĩnh vực sản xuất mía đường được đưa ra trong luận văn đã được

sự đồng ý của các công ty liên quan.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.2.1 Sự phát triển công nghiệp đường mía trên thế giới 121.2.2 Tình hình công nghiệp đường mía của nước ta 131.2.3 Vấn đề nâng cao hiệu quả sản xuất đường mía 131.3 Ứng dụng công nghệ hiện đại và tự động hóa các quá trình sản xuất đường 15

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG BỐC HƠI NƯỚC MÍA TRONG SẢN XUẤT ĐƯỜNG

2.1 Giới thiệu tổng quan quá trình sản xuất đường 18

2.2 Vị trí vai trò hệ thống bốc hơi trong quá trình sản xuất đường 20

2.4.3 Lượng hơi tiêu hao của hệ cô đặc nhiều hiệu 28

2.4.4 Sử dụng hơi thứ của hiệu cuối 28

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

3.1 Thiết kế sơ đồ công nghệ P&ID (Process and Instrument Diagram) 31

3.6.2 Tổ chức các khối trong chương trình PLC 523.6.3 Cấu trúc chương trình ứng dụng trong PLC S7-400 533.7 Hệ thống điều khiển giám sát & thu thập dữ liệu 58

4.3.2 Đồng hồ đo áp suất 75

4.7.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển mực nước 824.7.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ 83

4.8.2 Tổ chức các khối trong chương trình PLC 84

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1 Tổng quan quá trình sản xuất đường

Hình 2 Vị trí của bốc hơi trong công nghệ sản xuất đường

Hình 3 Bốc hơi dạng ống chùm

Hình 4 Thiết bị cô đặt ống chùm thẳng đứng

Hình 5 Thiết bị cô đặt tuần hòan đơn

Hình 6 Cấu tạo tấm bốc hơi

Hình 7 tấm bốc hơi và kết nối thành cassette

Hình 8 Cassette được kết nối vào hệ thống

Hình 9 Quá trình bốc hơi trong cassette

Hình 10 Hệ thống bốc hơi sử dụng hơi thứ

Hình 11 Sơ đồ nguyên lý quá trình bốc hơi

Hình 12 sơ đồ công nghệ P&ID

Hình 13 Lưu đồ thuật toán điều khiển

Hình 14 Cấu hình phần cứng PLC

Hình 15 Cấu hình phần cứng trong Step 7

Hình 16 Tổ chức các khối trong chương trình PLC viết cho hệ thống bốc hơiHình 17 Van điều khiển trên màn hình SCADA

Hình 18 Điều khiển motor trên màn hình SCADA

Hình 19 Van ON/OFF trên màn hình SCADA

Hình 25 Trang ALARM LIST

Hình 26 Trang HISTORIC TREND

Hình 33 Bồn nước

Hình 34 Bơm nước

Hình 35 Biến tần Yaskawa

Hình 36 Động cơ khuấy

Hình 37 Thiết bị gia nhiệt

Hình 38 Đồng hồ đo lưu lượng

Hình 39 Đồng hồ hiển thị áp suất trong đường ống

Hình 40 Cảm biến nhiệt độ PT100

Hình 41 Cảm biến siêu âm đo mực nước

Hình 42 Thiết bị điều khiển

Hình 43 Sơ đồ kết nối biến tần điều khiển động cơ bơm

Hình 44 PLC và các module

Hình 45 Sơ đồ kết nối ngõ vào số

Hình 46 Sơ đồ kết nối ngõ ra số

Hình 47 Sơ đồ kết nối ngõ vào Analog

Hình 48 Sơ đồ kết nối Ngõ ra Analog

Hình 49 Mô hình vật lý đạt được

Hình 50 Mạch điều khiển

Hình 51 Cơ cấu chấp hành

Hình 52 Lưu đồ hoạt động của hệ thống

Hình 53 Lưu đồ thuật toán điều khiển mực nước

Hình 54 Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ

Hình 55 Cấu hình phần cứng PLC – Mô hình thực nghiệm

Hình 56 Tổ chức các khối PLC – Mô hình thực nghiệm

Hình 57 Giao diện SCADA – Mô hình thực nghiệm

Hình 58 Cài đặt thông số các bộ điều khiển PID mức nước và nhiệt độ

Hình 59 Màn hình theo dõi và thu thập dữ liệu

Bảng 1 Thông kế thiết bị Input / Output

Bảng 2 Danh mục thiết bị PLC SIEMENS

Bảng 3 SYMBOL TABLE

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Với sự phát triển của xã hội ngày nay các hệ thống SCADA tự động hóa trongcông nghiệp ngày càng xâm nhập vào đời sống con người nhiều hơn Vì vậy, để đápứng nhu cầu điều khiển ngày càng cao và chất lượng điều khiển hệ thống là rất quantrọng Ngày nay các hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu, hệ thống điềukhiển đa cấp được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp trên toàn thế giới

Trong quy trình sản xuất của nhà máy mía đường thì quá trình bốc hơi nước mía

có vị trí quan trọng trong việc tăng năng suất, hiệu suất của toàn bộ hệ thống Phần nhiềucác nhà máy mía đường ở Việt Nam hiện nay còn sử dụng các trang thiết bị lạc hậu, cũ kỹdẫn đến hiệu quả kinh tế không cao Một số nhà máy được trang bị các thiết bị hiện đạinhưng việc cài đặt, điều khiển, kết nối lại do các chuyên gia nước ngoài đảm nhiệm, chiphí rất lớn Do đó việc người Việt Nam làm chủ được các công nghệ hiện đại, xây dựng

hệ thống cho quá trình bốc hơi nước mía nói riêng, cả quy trình sản xuất đường nói chung

là rất cần thiết để giảm chi phí, nâng cao hiệu quả kinh tế

Luận văn đưa ra hướng xây dựng hệ thống SCADA cho quá trình bốc hơi nướcmía, bao gồm từ việc lựa chọn công nghệ, trang thiết bị, lập trình điều khiển, vận hành

và giám sát hệ thống Ngoài ra còn việc xây dựng mô hình ứng dụng, giải quyết đượccác bài toán tự động hóa điều khiển quá trình, nhiệt độ, mực nước, giám sát và điềuchỉnh lưu lượng

1.2 Sự phát triển của công nghiệp đường mía

1.2.1 Sự phát triển công nghiệp đường mía trên thế giới

Ấn độ là nước đầu tiên trên thế giới biết sản xuất đường từ mía Vào khoảngnăm 398 người Ấn Độ và Trung Quốc đã biết chế biến mật đường thành tinh thể Từ

đó, kỹ thuật sản xuất đường phát triển sang Ba Tư, Ý, Bồ Đào Nha, đồng thời đưa việctinh luyện đường thành một ngành công nghệ mới

Lúc đầu công nghiệp đường còn rất thô sơ, người ta ép mía bằng 2 trục gỗđứng, lấy sức kéo từ trâu bò, lắng trong bằng vôi, cô đặc ở chảo và kết tinh tự nhiên.Công nghiệp đường tuy có từ lâu đời, nhưng 200 năm gần đây mới được cơ khí hóa.Nhiều thiết bị quan trọng được phát minh vào thế kỷ 19 Năm 1813 Howard phát minhnồi bốc hơi chân không nhưng mới chỉ dùng một nồi nên hiệu quả bốc hơi thấp, đến

năm 1843 Rillieux cải tiến thành hệ bốc hơi nhiều nồi, nên có thể tiết kiệm được lượng

hơi dùng Năm 1837 Pouzolat phát minh ra máy ly tâm, nhưng có hệ thống truyềnđộng ở đáy lấy dịch đường ở trên nên thao tác không thuận tiện Sau đó, năm 1867Weston cải tiến thành máy ly tâm có hệ thống truyền động ở trên và loại máy này hiệnnay đang được sử dụng phổ biến Đến năm 1878 máy sấy thùng quay xuất hiện, 1884thiết bị kết tinh làm lạnh ra đời.

Trong những năm gần đây ngành đường đã phát triển một cách nhanh chóng,vấn đề cơ khí hóa, liên tục hóa và tự động hóa trên toàn bộ dây chuyền sản xuất được

áp dụng rông rãi trong các nhà máy đường

1.2.2 Tình hình công nghiệp đường mía của nước ta

Việt Nam là một quốc gia có truyền thống sản xuất đường mía từ lâu đời Cùngvới sự phát triển của ngành đường trên thế giới, nghề làm đường thủ công ở nước tacũng phát triển mạnh

Trong thời kỳ Pháp thuộc, ngành đường nước ta phát triển một cách chậm chạp,sản xuất thủ công là chủ yếu Lúc này ta chỉ có 2 nhà máy đường hiện đại: Hiệp Hòa(miền nam) và Tuy Hòa (miền trung) Theo thống kê năm 1939 toàn bộ lượng đườngmật tiêu thụ là 100.000 tấn

Sau ngày hòa bình lập lại, dưới sự lãnh đạo của Đảng, lòng nhiệt tình lao độngcủa nhân dân ta cộng với giúp đở của các nước XHCN ngành đường nước ta ngàycàng bắt đầu phát triển Trong những năm 1958 – 1960, chúng ta xây dựng 2 nhà máyđường hiện đại Việt Trì và Sông Lam (350 tấn mía/ngày) và nhà máy đường VạnĐiểm (1.000 tấn mía/ngày)

Khi đất nước thống nhất, chúng ta tiếp tục xây dựng thêm một số nhà máyđường hiện đại ở miền Nam như: nhà máy đường Quảng Ngãi (1.500 tấn mía/ngày),Hiệp Hòa (1.500 tấn mía/ngày), nhà máy đường Phan Rang (350 tấn mía/ngày), 2 nhàmáy đường tinh luyện Khánh Hội (150 tấn mía/ngày) và Biên Hòa (200 tấn mía/ngày),gần đây ta xây dưng thêm 2 nhà máy đường mới: La Ngà (2.000 tấn mía/ngày), LamSơn (1.500 tấn mía/ngày)

1.2.3 Vấn đề nâng cao hiệu quả sản xuất đường mía

Ngành sản xuất đường cả nước nói chung đang còn gặp nhiều khó khăn Năngsuất mía đường thấp, người nông dân hầu như không có lãi Theo đánh giá, sau khi trừchi phí, người dân chỉ lãi 13.400.000 đồng/ha Giá bán sản phẩm thấp, có những thờiđiểm bán thấp hơn giá thành sản xuất Lượng đường tồn kho nhiều, chất lượng sản

phẩm thấp hơn các nước, tiêu thụ đường ngay trên thị trường nội địa gặp nhiều khókhăn Nhìn sang các nước có ngành sản xuất đường phát triển như Trung Quốc, TháiLan thậm chí ngay cả Lào, sản xuất mía đường so với sản xuất trong nước vẫn cónhiều điểm khác biệt.

Tại các nước trên, diện tích trồng mía được bố trí quy hoạch tại các vùng đấttốt, chủ động được nước tưới, giá vật tư, phân bón thấp nên chi phí cho sản xuất thấphơn so với trong nước Trong khi đó, năng suất mía đạt 100 – 120 tấn/ha, cao gấp 2,5lần Việt Nam Đối với công đoạn chế biến, chính phủ các nước đã có chương trìnhphát triển ngành chế biến mía đường theo hướng đầu tư thiết bị mới, đồng bộ, côngnghệ hiện đại nên hiệu suất chế biến cao, chất lượng đường đảm bảo Thực tế tronggiai đoạn 1998 - 2002, nhiều doanh nghiệp chế biến đường trong nước đã nhập khẩucác dây chuyền thiết bị cũ, lạc hậu từ các nước Ấn Độ, Trung Quốc Với lợi thế gầnnhư tuyệt đối trong tất cả các khâu từ nguyên liệu, thiết bị, công nghệ sản xuất, mạnglưới kinh doanh… nên việc sản xuất đường các nước hiệu quả hơn sản xuất trong nước

và sản phẩm đường của Việt Nam bị cạnh tranh ngay trên sân nhà là tất yếu

Hiện nay Chính phủ đang áp hạn ngạch nhập khẩu đường đồng thời có nhữngchính sách hỗ trợ ngành sản xuất đường trong nước nên các doanh nghiệp sản xuấtđường trong nước đang có chỗ đứng Việc hội nhập ngày càng sâu, rộng vào thịtrường thế giới thì việc cạnh tranh bình đẳng giữa doanh nghiệp trong và ngoài nước làkhông tránh khỏi Đến lúc đó khó khăn cho doanh nghiệp trong nước sẽ tăng lên gấpbội Xu thế chung các doanh nghiệp không đổi mới sẽ bị tụt hậu sau thậm chí sẽ bị đàothải Vấn đề đặt ra là làm thể nào để nâng cao sức cạnh tranh của ngành sản xuấtđường trong nước, để người nông dân trồng mía và cả các nhà sản xuất đường đều cólợi nhuận, đảm bảo đầu tư xã hội có hiệu quả Để giải quyết được điều đó cần phải cóchiến lược đầu tư đúng đắn trong các công đoạn nguyên liệu, chế biến và tiêu thụ sảnphẩm

Trong công đoạn chế biến, vấn đề của các nhà máy đường là thiết bị cũ vàkhông đồng bộ Ví dụ nhà máy đường Sông Lam được thành lập từ những thập kỷ 60của thế kỷ trước Nhà máy đường Sông Con được lắp mới từ năm 2000 – 2001 nhưngthiết bị cũng không phải là tiên tiến, hiện đại và không đồng bộ Mặc dù đội ngũ cán

bộ, công nhân kỹ thuật của 2 nhà máy trên được đánh giá cao nhưng lực bất tòng tâm.Trong khi đó nhà máy đường Tate&Lyle được xây dựng từ năm 1998, thiết bị đồng

bộ, hiện đại vào loại nhất cả nước Nhà máy này tự động hóa hầu như tất cả các côngđoạn Công ty lại áp dụng các chương trình quản lý chất lượng ISO, HACCP nên độingũ cán bộ công nhân viên vận hành chuyên nghiệp, tính kỷ luật rất cao.

Để sản xuất hiệu quả, sản phẩm có tính cạnh tranh trên thị trường, các doanhnghiệp cần có phương án đầu tư thay đổi thiết bị công nghệ Với những công nghệ sảnxuất cũ, không phù hợp sản xuất sản phẩm kém hoặc thiếu tính cạnh tranh cần mạnhdạn loại bỏ, đầu tư thay thế Các doanh nghiệp cần phải xác định để sản xuất sản phẩmchất lượng, đạt hiệu quả sản xuất, sản phẩm có tính cạnh tranh trên thị trường thì yếu

tố thiết bị, công nghệ cần được chú trọng

1.3 Ứng dụng công nghệ hiện đại và tự động hóa các quá trình sản xuất đường

mía

Như vậy việc ứng dụng các công nghệ, trang thiết bị hiện đại có ý nghĩa to lớnđối với sự tồn tại của công nghiệp đường mía Hiện nay trên thế giới có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm hiện đại hóa toàn bộ quy trình sản xuất đường mía Ví dụ: tự động hóa tích hợp toàn diện (TIA)/ Năng lượng tích hợp toàn diện (TIP)/ Hệ điều khiển quá trình PCS7, Mô-đun Tự động hóa, Hệ truyền động cho máy li tâm, Thiết

bị đo lường, và các giải pháp chuyên biệt cho nhà đường, và mô hình PCS7 cho điều khiển nồi nấu mẻ, đây là các giải pháp và công nghệ cho ngành công nghiệp đường của Siemens

Trong phạm vi quá trình bốc hơi nước mía thì việc thay thế các thiết bị lạc hậu, hiệu năng thấp bằng thiết bị hiện đại, mức độ tự động hóa dễ dàng là một bước tiến trong việc tăng năng suất, giảm chi phí sản xuất đường Quá trình bốc hơi sử dụng các thiết bị cũ như ống trùm, thiết bị cô đặc tuần hoàn với nhiều nhược điểm được thay thếbằng thiết bị bốc hơi dạng tấm với những ưu điểm như: hệ thống lắp đặt nhỏ gọn, hiệusuất cao, ít mất đường, màu đường đẹp

1.4 Tình hình nghiên cứu

Các nhà máy sản suất mía đường trên thế giới chẳng hạn như Pháp, Nam Phi…

sử dụng công nghệ bốc hơi dạng tấm Việc làm này mang lại hiệu quả kinh tế rất cao.Hiện tại các nhà máy sản xuất mía đường ở Việt Nam đại đa số là bốc hơi dạng ốngchùm, bán tự động chẳng hạn : nhà máy đường Biên Hòa 2 tại Tây Ninh, nhà máyđường KPC ở Phú Yên Chỉ có 1 vài nhà máy như : Bourbon Tây Ninh, nhà máy míađường Cam Ranh là sử dụng hệ thống bốc hơi dạng tấm Điều đáng quan tâm ở đây là:

hệ thống được thiết kế, xây dựng và vận hành đều được thực hiện bởi nước ngoài Giáthành dự án lên rất cao, chúng ta không làm chủ được công nghệ.

1.5 Nhu cầu thực tế

Việc xây dựng hệ thống bốc hơi dạng tấm cho nhà máy mía hoàn toàn do chínhngười Việt Nam thiết kế, thi công lắp đặt và vận hành đang là nhu cầu của nhiều nhàmáy (Ví dụ nhà máy đường Lam Sơn – Thanh Hóa) Điều này đã làm giảm đáng kểgiá thành so với việc hệ thống được xây dựng bởi các chuyên gia nước ngoài

Từ việc tự động hóa quá trình bốc hơi tiến tới tự động hóa toàn bộ qui trình sảnxuất mía đường là nhu cầu cần thiết và cấp bách đối với ngành mía đường Việt Namnhằm tăng năng suất và giảm giá thành của sản phẩm

Nội địa hóa công nghệ nhằm giảm chi phí đầu tư là điều cần thiết vừa làm chủcông nghệ, vừa giảm nhập siêu

1.6 Nội dung đề tài và phương pháp thực hiện

1.6.1 Nội dung đề tài

 Thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển cho hệ thống bốc hơi

 Lập trình ứng dụng PLC phù hợp lưu đồ thuật toán điều khiển

1.7 Những vấn đề trong đề tài

Để thực hiện được các nội dung đề tài đưa ra cần giải quyết được các vấn đềsau:

 Tìm hiểu quy trình công nghệ sản xuất đường nói chung, tìm hiểu sâu về quátrình bốc hơi nước mía nói riêng Đây là vấn đề tương đối khó khăn vì nhà máyđường rất lớn, bao gồm nhiều quá trình khác nhau Tác giả đã thực hiện bằngcách tìm hiểu quy trình, trang thiết bị tại nhà máy đường Bourbon Tây Ninh.

 Thiết kế, xây dựng hệ thống bốc hơi và phải kiểm nghiệm kết quả đạt được thực tếtại nhà máy Vấn đề này được tác giả thực hiện bằng cách tham gia dự án “Tựđộng hóa hệ thống bốc hơi nước mía” cho nhà máy đường Lam Sơn Thanh

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG BỐC HƠI NƯỚC MÍA TRONG SẢN XUẤT

ĐƯỜNG 2.1 Giới thiệu tổng quan quá trình sản xuất đường

MíaBúa đậpKhuếch tán

Sàng

Bốc hơiBồn SIRO

Đóng bao

SIRO luyệnKho

Hình 1 Tổng quan quá trình sản xuất đường

Sữa vôi

Sản phẩm ra

thị trường

2.1.1 Tiếp nhận mía cây

Các bàn lật xe tải mía sẽ tiếp nhận xe tải mía và lật xe để đưa mía vào băng tải,

từ đây mía được nạp vào thiết bị nghiền (búa đập)

2.1.2 Trích ly nước mía từ mía cây :

Sản phẩm thu được sau búa đập tiếp tục đưa lên băng tải để chuyển đến che ép.Nhiệm vụ chính cúa che ép mía là thu hồi nước mía và làm khô bã mía để chuyển qua

lò hơi làm nhiên liệu đốt cung cấp năng lượng nhiệt chạy Turbin sản xuất điện Phầnnước mía trích ly sẽ được bơm chuyển đến khu vực làm sạch (Hệ thống xử lý tạp chấtnước mía )

2.1.3 Xử lý tạp chất nước mía

Vì nước mía có chứa nhiều tạp chất (đất cát, bã nhuyễn, các chất hữu cơ, ) nênphải được làm sạch trước khi cô đặc Công nghệ truyền thống sử dụng gia nhiệt, giavôi để tạo kết tủa lôi kéo các tạp chất nói trên và lắng tụ trong thiết bị lắng Nước míasau khi được xử lý như vậy gọi là nước chè trong ) cần thiết cho thiết bị cô đặc tiếptheo

2.1.4 Cô đặc nước mía thành sirô

Nước chè trong có nồng độ sacharose thấp (Brix khoảng 12% - 15% ) sẽ đượcbơm liên tục đến hệ thống bốc hơi để lấy đi 80% lượng nước để đạt Brix 65% Đây lànồng độ thích hợp để tiến hành nấu đường (tạo tinh thể sacharose)

2.1.5 Nấu đường thô

Siro là nguyên liệu chính cho các nồi nấu đường Các nồi nấu đường cô đặc sirođến mức quá bão hòa để sinh hạt tinh thể nuôi lớn chúng đến kích thước đủ cho ly tâmtách hạt Hạt tinh thể sau ly tâm ở giai đoạn này còn được gọi là đường thô

2.1.6 Tinh luyện đường trắng

Trong đường thô vẫn còn chứa một lượng tạp chất và màu nhất định Tùy theochiến lược sản phẩm của từng nhà máy Đường thô này có thể sẽ trở thành sản phẩmcuối cùng để đưa ra thị trường, nếu không như thế đường thô này sẽ được tinh chếthêm để đạt độ trắng và độ sạch cần thiết theo tiêu chuẩn của đường trắng tinh luyện

2.1.7 Nấu đường trắng tinh luyện

Tinh thể đường thô sẽ được hòa tan bằng nước nóng và hơi nước (hồi dung) trởthành liquor Liquor trong sẽ được nạp vào các nồi nấu gián đoạn để cô đặc và sinh ratinh thể đường trắng Hỗn hợp liquor tinh thể sau khi nấu được gọi là đường non tinh

luyện sẽ được ly tâm để phân ly hạt đường trắng và mật Đường trắng lúc này đã đạt

độ sạch và màu để trở thành đường tinh luyện

2.1.8 Sấy, lưu trữ, đóng bao

Đường tinh luyện sau ly tâm vẫn còn ẩm sẽ được sấy khô đủ để lưu trữ trong các silo chứa và đưa vào đóng gói theo nhu cầu

2.2 Vị trí vai trò hệ thống bốc hơi trong quá trình sản xuất đường

Hình 2 Vị trí của bốc hơi trong công nghệ sản xuất đường

 Là trạm ngưng tụ hơi thoát từ Turbine :

Hơi thoát từ Turbine sẽ được ngưng tụ và hồi lưu về lò, tạo ra chu trình kínnước sử dụng cho lò hơi (lưu chất tải nhiệt)

 Chế biến nước chè trong (clear juice) thành Syrup:

Nước chè trong sau quá trình trích ly mía cây có độ Brix thấp (12%) không phùhợp để chế biến thành đường tinh thể Hệ thống bốc hơi sẽ lấy đi 80% lượng nước củanước chè trong và dịch lỏng ra khỏi bốc hơi sẽ có brix là 65% phù hợp cho quá trìnhchế luyện đương tinh thể Dịch lỏng này được gọi là Syrup (sirô)

 Tạo nguồn năng lượng dưới dạng hơi thứ:

80% lượng nước lấy đi từ nước chè trong ở dạng hơi (được gọi là hơi thứ hoặchơi chiết) có nhiệt độ từ 600C đến 1000C vẫn còn nhiệt năng sẽ được tận thu làmnguồn nhiệt sử dụng cho nhiều thiết bị chế luyện ví dụ như các thiết bị gia nhiệt nướcmía trong khu vực làm sạch nước mía, các thiết bị kết tinh đường thô, đường luyện,thiết bị hóa chế luyện, ly tâm, hồi dung,…

 Tạo nguồn nước nóng rất cần thiết cho các công đoạn chế biến:

80% lượng nước lấy đi từ nước chè trong ở dạng hơi như đã đề cập bên trên sẽđược ngưng tụ sau khi truyền nhiệt và trở thành nguồn nước nóng chủ lực cho cáckhâu chế biến quan trọng như kết tinh đường, hồi dung đường thô, rửa hạt trong máy

ly tâm,…

2.3 Các hệ thống bốc hơi đang sử dụng

2.3.1 Yêu cầu chung của thiết bị bốc hơi

 Nước mía lưu lại trong nồi với thời gian ngắn nhất

 Thiết bị giản đơn, diện tích đốt dễ làm sạch và dễ thay đổi

 Khoảng không gian nước mía cần nhỏ nhất, không có khoảng không “ chết “

 Thao tác, khống chế giản đơn, tự động hóa dễ dàng

Ởnhà máy đường thiết bị bốc hơi gồm : phòng đốt, phòng bốc hơi, thiết bị thuhồi đường, ống nước mía chảy vào, ống thoát khí không ngưng, ống thoát nước ngưng

tụ, … Kích thước đường kính và chiều cao của thiết bị phụ thuộc vào năng suất sảnxuất và kích thước diện tích truyền nhiệt

2.3.2 Bốc hơi dạng ống chùm (Tubular Evaporator)

Hình 3 Bốc hơi dạng ống chùmNước chè trong (clear juice) sau khi trích ly có độ brix thấp (12%) được đưavào chảy các ống chứa trong buồng nhiệt Nhiệt năng trong buồng nhiệt được cung cấp

từ hơi thoát (Exhausted steam từ turbin đưa tới ) đối với hiệu 1, từ hơi thứ đối với hiệucòn lại Trong quá trình chảy trong ống, nước chứa trong nước chè trong được tách ra

nhờ nhiệt độ cao của buồng nhiệt Vì vậy độ Brix nước chè trong sau khi ra khỏi buồng nhiệt tăng lên.

2.3.2.1.Thiết bị cô đặc ống chùm thẳng đứng

1 Ống nước mía vào

2 Ống thóat nước ngưng

ống tuần hoàn ( đường kính là 250 – 500mm ) Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa ống

tuần hoàn và ống truyền nhiệt tạo nên đối lưu trong thiết bị

Tất cả các lọai thiết bị bốc hơi đều làm việc liên tục, nước mía trong không ngừngchảy vào thiết bị, mật chè chảy ra liên tục Hơi thứ ở phòng bốc hơi, sau khi đi qua bộphận thu hồi đường, theo ống hơi đi cung cấp cho các bộ phận khác, hoặc đi vào thiết bịngưng tụ ( hiệu cuối ), còn nước đường thu hồi chảy vào trong thiết bị Trên thân thiết bịlắp kính nhìn để xem mức dung dịch trong thiết bị, ngoài ra còn áp kế, nhiệt kế … Bộphận kính dùng xem mức dung dịch rất quan trọng vì năng suất bốc

hơi phụ thuộc chiều cao mức dung dịch trong thiết bị Mức nước trong ống thủy tinhnên duy trì thấp một ít nhưng phải đảm bảo mức dung dịch trong thiết bị cao hơn bềmặt đốt Độ cao trong ống thủy tinh cần đạt khoảng 1/3 độ cao của ống truyền nhiệt.Lúc dung dịch đường ít, phần trên bề mặt đốt không bị ngập, sẽ có tác hại giảm hiệunăng bốc hơi và tạo thành caramen Nếu mức dung dịch đường trong ống quá cao sẽ

giảm tốc độ tuần hoàn dẫn đến sự truyền nhiệt tốt, cũng ảnh hưởng đến năng suất bốc hơi.

2.3.2.2 Thiết bị cô đặc tuần hoàn đơn

1 Ống nước mía vào

2 Ống tháo nước ngưng

3 Phễu

4 Ống thóat khí không ngưng

5 Bộ phận thu hồi đường

6 Ống chảy về

7 Kính nhìn

8 Ống truyền nhiệt

9 Giá đỡ

10 Ống tháo nước mía ra

Hình 5 Thiết bị cô đặt tuần hòan đơn

Về cấu tạo, tương tự loại trên nhưng ống truyền nhiệt tương đối dài Ở phía trênống tuần hoàn có lắp chiếc phễu hình thang để hướng dung dịch đường vào ống vàtháo dung dịch đường ra, tạo điều kiện cho phần lớn dung dịch chỉ đi qua ống truyềnnhiệt một lần

Khi có một phần dung dịch đường không thoát ra kịp vào hiệu sau thì giữa ốngtuần hoàn và ống tháo dung dịch còn có khoảng trống để dung dịch đường trở lại theoống tuần hoàn

 Khuyết điểm của bốc hơi dạng ống chùm :

- Nước mía tuần hòan lưu lại lâu nên tạo nhiều màu làm cho quá trình xử lý màu phức tạp

- Do lưu lại lâu trong môi trường nhiệt độ cao ( >1000C ) nên Sacaroza sẽ bịchuyển hóa thành đường khử (không kết tinh được) tạo hiệu suất thu hồithấp hơn

- Cùng năng suất thì hệ thống yêu cầu không gian lắp đặt lớn

2.3.3 Bốc hơi dạng tấm

 Tấm bốc hơi

Juice outlet Steam inlet + Vapour

Condensed

Outlet

Hình 6 Cấu tạo tấm bốc hơi

Hình 7 Tấm bốc hơi và kết nối thành cassette

Hình 8 Cassette được kết nối vào hệ thống

Hình 9 Quá trình bốc hơi trong cassette

Thiết bị bốc hơi (Cassette) gồm các tấm bốc hơi ghép lại với nhau Nước chètrong và hơi vắt kiệt được đưa vào cassette hiệu 1 Nước trong nước chè trong đượcbốc hơi nhờ hơi vắt kiệt Bề mặt tấm bốc hơi có các đường tạo dòng chảy rối nhằmtăng hiệu suất truyền nhiệt, tránh chảy cục bộ Đầu ra của cassett là nước chè trong có

độ brix cao hơn đầu vào

 Ưu điểm bốc hơi dạng tấm

- Khắc phục những nhược điểm của bốc hơi dạng ống chùm

- Khỏang không gian cho hệ thống cùng công suất nhỏ hơn nhiều so với bốc hơi dạng ống chùm.

- Thời gian lưu lại của nước chè trong cassette ngắn hơn (vì hiệu suất truyềnnhiệt tốt hơn ) nên chuyển hóa saccharose thành đường khử ít hơn, do đó ítmất đường hơn Mặt khác màu siro về lý thuyết sẽ sáng hơn

 Khuyết điểm bốc hơi dạng tấm :

- Đầu tư ban đầu đắt hơn dạng bốc hơi ống chùm

- Hệ thống vệ sinh cáu cặn phức tạp hơn và kém hiệu quả hơn

2.4 Cơ sở lý thuyết quá trình bốc hơi

Việc lấy đường từ nước mía trong được tiến hành theo hai giai đoạn: cô đặcnước mía ở thiết bị cô đặc (bốc hơi) thành mật chè và nấu mật chè ở thiết bị nấu chânkhông

Nhiệm vụ của hệ cô đặc là bốc hơi nước mía có nồng độ 13 – 18 Bx (Brix) đến mật chè nồng độ 60 – 65 Bx Nếu cô đặc nước mía đến nồng độ chất khô quá cao ( ví

dụ > 70 Bx ) sẽ xuất hiện tinh thể không mong muốn trước khi nấu đường.

2.4.1 Lượng nước bốc hơi

Tính lượng nước bốc hơi theo công thức sau đây:

W – lượng nước bốc hơi so với mía, %

c1- nồng độ chất khô của nước chè trong, Bx

c2 – nồng độ chất khô của mật chè, Bx

G – trọng luợng nước chè trong so với mía, %

Nếu bốc hơi nước chè trong từ 15 Bx lên 60 Bx thì lượng nước bốc hơi:

W G 1    0, 75.G.

 60 

2.4.2 Lượng nhiệt dùng bốc hơi : gồm

 Lượng nhiệt cần thiết để đưa nước chè trong đến trạng thái sôi:

Trong đó :

G - trọng lượng nước chè trong so với mía, %

t2 – nhiệt độ sôi của nước chè trong, 0C

t1 – nhiệt độ nước chè trong vào bốc hơi, 0C C

– nhiệt dung riêng nước chè trong, J/kg độ

 Lượng nhiệt cần để bốc hơi:

Q2 = W.r (W)Trong đó :

W – lượng nước bốc hơi so với nước,

% r – Ẩn nhiệt hóa hơi của nước J/kg.

Trong trường hợp bốc hơi một nồi, để bốc hơi nước chè trong từ 15 Bx lên 60

Bx, tức là bốc hơi 75% nước so với mía, tiêu hao một lượng hơi 75% so với mía, cónghĩa cứ bốc hơi 1kg nước thì tiêu hao 1kg hơi

Trong nhà máy đường hiện đại, dùng hệ bốc hơi nhiều hiệu để cô đặc nước chè

trong Hơi thứ của nồi bốc hơi được dùng làm hơi đốt Hơi thứ hiệu I dùng làm hơi đốt

cho hiệu II, hơi thứ hiệu II làm hơi đốt cho hiệu III, hơi thứ hiệu III làm hơi đốt chohiệu IV, hơi thứ hiệu IV ( hiệu cuối ) có thể dùng đun nóng nước chè trong hoặc trựctiếp đi vào thiết bị ngưng tụ Nước chè trong qua mỗi hiệu đều bốc hơi một phần nước,nồng độ nước chè trong tăng dần lên

Hình 10 Hệ thống bốc hơi sử dụng hơi thứ

Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt ở các hiệu là phải có sự chênh lệch nhiệt độgiữa hơi đốt và dung dịch đường tức là sự chênh lệch áp suất của hơi đốt và hơi thứtrong các hiệu Áp suất trong các hiệu giảm dần từ hiệu đầu đến hiệu cuối Hệ cô đặcnhiều nồi mang lại hiệu quả kinh tế cao trong việc sử dụng hơi thứ

Khi cô đặc một nồi, cứ bốc hơi 1kg nước tiêu hao 1kg hơi Với hệ cô đặc 4hiệu, lượng hơi tiêu hao chỉ 75% : 4 = 18,75% so với mía, hệ cô đặc 5 hiệu 75% : 5 =15% Nhưng từ hiệu I sang hiệu II, lượng hơi tiết kiệm được nhiều nhất khoảng 50%,

từ hiệu II sang hiệu III lượng hơi chỉ giảm hơn 10% … Việc thiết kế thêm một nồi côđặc, lượng hơi tiết kiệm không nhiều nhưng hiệu số nhiệt độ có ích giữa các hiệugiảm, tăng vốn đầu tư, tăng chi phí khấu hao mòn, thao tác và quản lý phức tạp Vìvậy, trong nhà máy đường thường dùng hệ cô đặc 3-5 hiệu nhưng hệ cô đặc 4 hiệu làthích hợp nhất

2.4.3 Lượng hơi tiêu hao của hệ cô đặc nhiều hiệu

Tổng lượng hơi tiêu hao được tính theo công thức ( 2.1 ).Giả sử nước mía chovào cô đặc ở trạng thái sôi, bỏ qua lượng hơi tự bốc khi nước chè trong chảy từ hiệutrước sang hiệu sau và tổn thất bức xạ thì lượng nước bốc hơi và lượng hơi tiêu haocủa của các hiệu được tính theo phương pháp sau :

Trong hệ cô đặc n hiệu lượng hơi tiêu hao để đun sôi nước chè trong tính bằnglượng nước bốc hơi của hiệu I:

(2.10 )

Do đó lượng hơi cần cho bốc hơi:

 2 E3

n

2.4.4 Sử dụng hơi thứ của hiệu cuối

Từ công thức ( 2.11) Thay trị số D1 vào công thức ( 2.9 ) có thể tính lượng nướcbốc hơi ở hiệu cuối:

Trường hợp không hút hơi thứ, lượng hơi tiêu hao sẽ là: D'

Hình 11 Sơ đồ nguyên lý quá trình bốc hơi

Hệ thống bốc hơi chia làm 4 hiệu : hiệu 1: 6 cassette, hiệu 2 : 4 cassette, hiệu 3 :

3 cassette và hiệu 4 : 3 cassette

Nước chè trong sau khi gia nhiệt đựợc đưa vào hiệu 1 sẽ bốc hơi khi nhận nhiệtnăng của hơi thoát

Tại hiệụ 1 một phần nước của nước chè trong được tách ra, độ Brix được nânglên Quá trình bốc hơi được tiếp tục thực hiện qua hệ 2, 3 và 4 Xét cho từng hiệu,nhiệt độ hơi bốc ra từ nước chè luôn thấp hơn hơi đun, do đó nhiệt độ hơi thứ và nhiệt

độ nước chè sẽ giảm dần qua mỗi hiệu Tại hiệu cuối nhiệt độ nước chè (sirô) khoảng

450C Ở nhiệt độ này để bốc hơi được (quá trình sôi) thì áp suất phải thấp hơn khíquyển do đó thiết bị tạo chân không được sử dụng - Cột Barrometer

Nguyên lý tạo chân không : nước lạnh được bơm phun liên tục vào cộtBarrometer sẽ làm ngưng tụ hơi thứ bốc ra của hiệu cuối , quá trình ngưng tụ này sẽtạo ra chân không

Nước chè trong sau khi qua 4 hiệụ độ Brix tăng lên (65%) được gọi là si-rô và

sẽ làm nguyên liệu cho dây chuyền kết tinh (nấu đường)

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM

SÁT 3.1 Thiết kế sơ đồ công nghệ P&ID (Process and Instrument Diagram)

Hình 12 sơ đồ công nghệ P&ID

3.2 Thống kê thiết bị Input/ Output

Tag Digital Analog SCADA Đường dẫn

THIẾT BỊ BỐC HƠI

HIỆU 1

Contact AUTO/MANUAL bơm tuần hoàn số

Lệnh START/STOP bơm tuần hoàn số 1 từ

Contact AUTO/MANUAL bơm tuần hoàn số

Lệnh START/STOP bơm tuần hoàn số 2 từ

Contact AUTO/MANUAL bơm tuần hoàn số

Lệnh START/STOP bơm tuần hoàn số 3 từ

Aùp suất hơi giảm áp vào (30->1.5 kgf/cm2) PIC-21 PIW590 1

Tín hiệu điều khiển van Aùp suất hơi V1 qua

HIỆU 2

Contact AUTO/MANUAL bơm tuần hoàn số

Lệnh START/STOP bơm tuần hoàn số 1 từ

Contact AUTO/MANUAL bơm tuần hoàn số

Lệnh START/STOP bơm tuần hoàn số 2 từ

HIỆU 3

Contact AUTO/MANUAL bơm tuần hoàn số

Lệnh START/STOP bơm tuần hoàn số 1 từ

Contact AUTO/MANUAL bơm tuần hoàn số

Lệnh START/STOP bơm tuần hoàn số 2 từ

Brix siroâ BXIC-3 PIW550 1 FIELD PLC

HIEÄU 4

Tín hiệu chạy bơm trích ly số 2 CMD Q1.4 1 PLC MCC

GIA NHIỆT