tổng quan về lò hơi công nghiệp

Để chế biến và tạo ra các sảnphẩm này các nhà máy đó phải tiến hành thu mua các nguyên liệu thụ đầu vào, rồi biếnđổi thông qua các chu trình công nghệ các công đoạn trong quá trình công

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP

Trong nền công nghiệp Việt Nam hiện nay có rất nhiều nhà máy hóa chất, thuốc

lá, dệt, đường, rượu, bia, nước giải khát, chế biến thực phẩm đó được xây dựng lân

để sản xuất ra sản phẩm cung cấp đến người tiêu dựng Để chế biến và tạo ra các sảnphẩm này các nhà máy đó phải tiến hành thu mua các nguyên liệu thụ đầu vào, rồi biếnđổi thông qua các chu trình công nghệ các công đoạn trong quá trình công nghệ hầuhết đều sử dụng nhiệt như nấu, thanh trùng, chưng cất các dung dịch, cô đặc và sấy sảnphẩm…, nhiệt cung cấp ở đây là hơi bão hòa của lò hơi cung cấp

1.Đặc điểm của lò hơi công nghiệp

1.1 Sơ đồ sử dụng hơi điển hình trong công nghiệp.

Lò hơi trong công nghiệp là thiết bị trong đó xẩy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu,nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình cháy sẽ truyền cho nước trong lò để biến nước thànhhơi Nghĩa là thực hiện quá trình biến đổi hoá năng của nhiên liệu thành nhiệt năng củadòng hơi Hơi ở đây thường là hơi bão hòa, áp suất hơi thấp thường phổ biến từ 6÷10bar, sản lượng nhỏ để phục vụ cho quá trình công nghệ

1.2 Phân loại lò hơi trong công nghiêp

 Theo nguyên lý hoạt động, lò hơi có 2 loại chính

– Lò hơi ống lò ống lửa Khói sinh ra khi đốt nhiên liệu trong buồng đốt được

đi qua hệ thống ống để đun nóng nước bên ngoài

– Lò hơi ống nước Các ống chứa nước bao quanh buồng lửa hoặc bố trí thành cụm để nhận nhiệt từ khói ở phía bên ngoài

 Theo nguyên lý đốt của buồng lửa lò hơi thể phân loại như sau

– Buồng lửa đốt ghi (ghi cố định hoặc ghi xích chuyển động) theo đó nhiên liệu rắn được phân bố và đốt trên ghi lò để cung cấp nhiệt cho lò

– Buồng lửa phun theo đó nhiên liệu (rắn, lỏng hoặc khí) được phun vào buồnglửa, hỗn hợp với không khí trong đó và cháy

– Buồng lửa tầng sôi theo đó các hạt nhiên liệu rắn với kích cỡ xác định ở trạng thái giống như hiện tượng “sôi” trong buồng lửa khi bị không khí thổi lên ở một tốc độ nhất định

1.3 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của lò hơi

1.3.1 Sản lượng hơi của lì:

Sản lượng hơi của lì là lượng hơi mà lì sản xuất ra được trong một đơn vị thờigian (kg/h hoặc t/h hoặc kg/s) Thường dùng 3 khái niệm sản lượng

● Sản lượng hơi định mức (Dđm): là sản lượng hơi lớn nhất lị có thể đạt được,đảm bảo vận hành trong thời gian lâu dài, ổn định với các thông số hơi đó cho

mà không phá hủy hoặc gây ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc của lì

●Sản lượng hơi cực đại (Dmax): là sản lượng hơi lớn nhất mà lò có thể đạt được,nhưng chỉ trong một thời gian ngắn, nghĩa là lò không thể làm việc lâu dài vớisản lượng hơi cực đại được Sản lượng hơi cực đại bằng:

1.3.3 Nhiệt thế thể tích của buồng lửa

Nhiệt thế thể tích của buồng lửa là số lượng nhiệt sinh ra trong một đơn vị thể tích buồng lửa:

qv = , kW/m3

Trong đó: Blv - lượng nhiệt tiêu hao, kg/s;

Qtlv – nhiệt trị của nhiên liệu, kJ/kg;

V – thể tích buồng lửa, m3

1.3.4 Nhiệt thế diện tích trên ghi: là số lượng nhiệt sinh ra trên một đơn vị diện

tích mặt cháy của ghi:

qr = , kW/

trong đó R – diện tích mặt cháy của ghi,

1.3.5 Năng suất bốc hơi của lò hơi: là khả năng bốc hơi của một đơn vị diện

tích bề mặt đốt trong một đơn vị thời gian (kg/ 2 h) Đặc tính này thường dùng cho các

lò hơi nhỏ trong công nghiệp

1.3.6 Hiệu suất của lò hơi: là tỷ số giữa lượng nhiệt mà môi chất hấp thu được

có ích với lượng nhiệt đưa vào lò hơi

luật cơ bản là: định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn khối lượng, tức làtổng năng lượng và khối lượng đầu vào của lò phải cân bằng với tổng năng lượng vàkhối lượng đầu ra của lò Kết luận lại, trong lò bao gồm các cân bằng s

Lò hơi

Nước đi xuống

Hình 1.2 Cân bằng về khối lượng giữa nước cấp

là tro nóng chảy tạo thành Đồng thời một lượng khói thải lớn được đưa ra ngoài trờiqua ống khói Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có cân bằng giữa đầu vào là nhiênliệu, gió với đầu ra là khói thả

ình 1.3 Cân bằng khối lượng giữa nhiên liệu, gió và khói thải

o xỉ

Lò hơi

Tro, xỉ Giú

Hình 1.4 Cân bằng thành phần hóa học trong nước cấp

Lò hơi

Năng lượng từ

nhiờn liệu

Năng lượng từ

sự cháy của giú

Năng lượng hơi chính Năng lượng ở khói lị Bức xạ nhiệt

Hình 1.6 Cân bằng năng lượng bên tron

bức xạ;

Chính các đòi hỏi trên đặt ra yêu cầu đối với bài toán điều khiển cho lò hơi phảiđảm bảo đầu vào đáp ứng yêu cầu của đầu ra Ngoài ra để đảm bảo tính chính xác, ổnđịnh của lò hơi, hệ thống điều khiển còn phải đảm bảo chất lượng hơi quá nhiệt về lưulượng, nhiệt độ, áp suất và chất lượng của quá trình cháy về nhiên lệu, lượng O 2 đểsao cho hệ thống đạt hiệu suất cao, mang lại hiệu

Do đó, sử dụng lò hơi dạng này là ưu thế với tỷ lệ hơi lên tới 12tấn/giờ và áp suấtln tới

18 kg/cm 2 Các lò hơi này có thể sử dụng với dầu, ga hoặc các nhiên liệu lỏng Vìcác lý do kinh tế, các lò hơi ống lửa nằm trong hạng mục lắp đặt “trọn gói” (tức là nhàsản xuất sẽ lắp đặt) đối với tất cả các

hiên liệ

Hình 1.7 Mặt cắt của mộ

i ốg lửa

Hìn h 1.8 Lò ống l

Lò hơi ống nước Các ống chứa nước bao quanh buồng lửa hoặc bố trí thành cụm

để nhận nhiệt từ khói ở phía bên ngoài,nước cấp qua các ống đi vào tang lò hơi Nước được đun nóng bằng khí cháy và chuyển thành hơi ở khu vực đọng hơi trên tang lò hơi Lò hơi dạng này được lựa chọn khi nhu cầu hơi cao đối vớ

nhà máy phát điện

Phần lớn các thiết kế lò hơi ống nước hiện đại có công suất nằm trong khoảng 4.5– 120 tấn/giờ hơi, ở áp suất rất cao Rất nhiều lò hơi dạng này nằm trong hạng mục lắpđặt “trọn gói” nếu nhà máy sử dụng dầu và/hoặc ga làm nhiên liệu Hiện cũng có loạithiết kế lò hơi ống nước sử dụng nhiên liệu rắn nhưng với loại này, thiết kế trọn gói kh

g thông dụng bằng

Lò hơi ống nước

• các đặc điểm sau:

Sự thông gió cưỡng bức, cảm ứng, và cân bằng sẽ giúp nâng

• ao hiệu suất cháy

Yêu cầu chất lượng nước cao và cần phải có

• thống xử lý nước

Phù hợp với

uất nhiệt cao

Hình

Nồi hơi ống nước Hình 1.11

lưu cao nhất

Hình.4 Nồi hơi trọn bộ

Nồi hơi trọn bộ c

•những đặc điểm sau:

Buồng đốt nhỏ,tốc độ truyền nhiệt cao dẫn đến h

• hoá hơi nhanh hơn

Quá trình truyền nhiệt do đối lưu tốt hơn do đư

• lắp một số lượng lớn

Các ống truyền nhiệt có dường kính nhỏ dẫn tới t

•yền nhiệt đối lưu tốt

Hiệu suất cháy cao do có sử dụng hệ th

•g thông gió cưỡng bức

Quá trình truyền nhiệt tốt hơn nhờ

hơi Buồng đốt sẽ là lần đi qua thứ nhất,sau đó có thể hai hoặc ba bộ ống lửa.Loại nồihơi phổ biến nhất của loại này là nồi hơi bậc 3 (3 lần khí đi qua lò hơi) với hai bộ ốngđốt và với khí thải đi qua

phận phía sau nồi hơi

2 Các hệ thống điề

khiển của lò hơi đốt dầu

Trong một hệ thống ò hơi đốt dầu nóichung h ệ thống điều kiể n lòhơi phải thựchiệ n được 6

 hức năng điều khiển sau:

 suấ t hơi trong lò hơi

Chức năng tự động kiểm tra

được giữ ở mứ c h min <

< h max

2.2 Tự động hâm dầu đt

Với mt số loại lò hơi đốt dầu FO ( dầ nặ ng) vì dầu nặng thường có độ nhớ t caoquá trình phun sương kó khăn, bắt lửa kém Chính vì vậy trướ c khi phun vào lò dầucần phải được âm nn, nhiệt độ hâm thường từ 7 tớ i 90 0 C Để hâm dầu ban đầu ngườ ithường dùng nng lượng điện sau đó dựng chính hơi củ a lò để sấy Đ đảm bảo th nh

o thiết bị đó có thể thuộc các loại sau:

Thiết bị chương trình này có thể là cam chương trình : là trục cam được lai bằngcác động cơ điện đồng bộ,trên trục cam có các ti,vấu đó có đường kính và hình dángnhất định,được đúng

o theo một chương trình điều khiển đốt

Rơ le chương trình dựng vi mạch bán dẫn : Thông thường dựng rơ le thờigian,mỗi

* Giai đoạn chuẩn bị đốt

Khi các điều kiện sau

Mức nước trong nồi hơi phỉa đảm bảo đủ do mạch

 ự động hay cấp nước bằng tay thực hiện

Nhiệt độ dầu đốt phải đả

 bảo thực hiện với mạch hâm sấy dầu đốt

Áp suất dầu đ

 phải đảm bảo do bơm dầu đốt thực hiệ

 Quạt gió phải đảm bảo không có sự cố

Biến áp đánh lửa hoạt động,dầu mồi hoặc dầu đốt đã được hâm nóng đến nhiệt

độ cần thiết phun vào lò.Từ đây ngườ ta bắt đ

sau khi đã thực hiện xong các bước ở trên.

+,Nếu cháy không thành công: Tự động dừng đốt lò.Tắt phun dầu đểcắt dầu vàobuồng đốt,tắt biến áp đánh lửa và duy trì quạt gió hoạt động tê một thời gian nữa để iếptục thổi khí CO 2 ,CO ra khỏi lò để chuẩ n bị cho lần đốt sau và thiết bị chương trình

có điện để quay về trạng thái ban đầu để thực hin cho lần đốt sau Sau khoảng 3 đến 4lần đố t không thành công thì lò hơi có sự cố ,tự động ngưng đốt và báo động bằng còi

và đèn để cho người vận hành biết Hệ thống có sự cố phải khắc phục xong sự

ố và ấn nút hoàn nguyên thì mới

ốt lại được

2.4 ự động duy trì áp suất hơi

Trong quá trình vậ n hành lò hơi,áp suất hơi là một thông số rất quan trọng cầnđược điều khiển,yêu cầu đặt ra là phải duy

r áp suất hơ nằ

trong trạng thái cho phép

P min < P < P max

Quá trình điều khiển áp suấ t hơi tong lò hơi được thực hiện bằng cách khi áp suấ

t hơi trong lò đt giá trị xác định thì dừng đốt,còn khi áp suấ t hơi trong lò giảm đế

một giá trị đặt thì nồi hơi tự hoạt động lại

•

2.5 Tự động kiểm tra,báo động ,bảo

o lò hơi

Các thông số báo động, bảo vệ lò hơi

Mức nước trong nồi hơi giảm quá th

o so với hmin, dẫn tới báo động và dừng đốt lò

Áp suất dầu đốt khô

o đảm bảo cũng dẫn tới báo động và dừng đốt lò

Mất lửa dẫn tới báo động và dừng đốt lò.

Qu

o gió có sự cố dẫn tới báo động và dừng đốt lò

Nhiệt độ kh

o xả lò quá cao dẫn tới báo động và dừng đốt lò

Lò đốt không thành công dẫn tới báo động và dừng đốt lò .Quá trình điều khiểntắt lò là là tắt nhiên liệu cấp vào lò và quạt gió tiếp

• ục hoạt động sau một thời gian nữa rồi

2 6 Chế độ làm việc thay đổi của lò hơi

Chế độ làm việc thay đổi của

ò hơi công suất nhỏ thường được biểu thị như sau:

+ Thay đổi phụ tải hơi và do đó thay đổi lượng nhiên liệu tiêu hao Nếu quá trìnhđạt được trạng thái ổn định tức là áp suất hơi bão hòa được giữ không đổi Nếu phụ tảihơi lớn hơn công suất đốt thì làm giảm áp suất hơi bão hòa trong lò hơi Nếu phụ tảinhỏ hơn công suất đốt thì làm tăng áp suất hơi bão hòa trong lò hơi Đây là quá trìnhmất ổn định không đạt được các ti

đổi nhiệt độ không khí cung cấp, kích thước cấu tạo của một bề mặt đốt nào đó nhiệt

độ k

i ra khỏi ống khói khi công suất lò hơi thay đổi

Trong quá trình lò hơi làm việc thì quá trình nhiệt là quá trình cơ bản nhất của lòhơi và trong suốt quá trình làm việc đó các chế độ làm việc thay đổi thường xuyên với

số lượng điểm thay đổi rất lớn, sự thay đổi các đặc tính nhiệt của lò hơi theo sự thayđổi một chế độ làm việc nào đó xảy ra theo những quan hệ phi tuyến Quá trình nàycũng rất khó mô tả một cách chính xác bằng toán học Nếu chúng ta nắm rõ được vấn

đề này thì nó không chỉ có ý nghĩa lớn trong công tác thiết kế, chế tạo lò hơi mà nhờ đókhi biết rõ đặc tính ta còn có thể tổng hợp nên những bộ điều chỉnh lò hơi có độ ổn địnhcao, tin cậy, có bộ thông số điều chỉnh tối ưu và bền vững giúp ích rất lớn cho công tácđiều khiển, vận hành tối ưu lò hơi Ngoài ra chúng ta thấy lò hơi là một đối tượng có yêucầu nghiêm ngặt về an toàn lao động, việc có một bộ điều chỉnh hợp lý, tốt, an toàn cóthể giúp tránh khỏi các trường hợp vi phạm thông số kỹ thuật, an toàn lao động, về mặtnào đó

còn góp phần sử dụng hợp lý năng lượng, bảo vệ môi trường

Cho đến bây giờ việc chú trọng, quan tâm đúng mực đối với bài toán điều chỉnh

tự động các đối tượng nhiệt công nghiệp mà đại diện là bài toán điều khiển lò hơi côngsuất nhỏ vẫn là một vấn đề c

a + Chưa được quan tâm đúng mực, do sự thiếu hiểu biết ở các cơ sở sử dụng.ược đặt ra và giải quyết triệt để do một số nguyên nhân sau:

+ Do điều kiện kinh tế, xã hội (Bao gồm vấn đề đầu tư, chi

hí, tiết kiệm năng lượng, giảm chất thải và bảo vệ môi trường)

+ Do khó khăn về mặt kỹ thuật: do quá trình thiết kế bị điều chỉnh (cả phần cứng

và phần mềm) Đối với ở nước ta thì chủ yếu là phần mềm mà rõ hơn là bộ thông sốđiều chỉnh tối ưu, muốn có được phải bám sát các đặc tính nhiệt của lò hơi ở các chế

dọ vận hành (do các đối tượng lò hơi công nghiệp là các đối tượng bất định) Dẫn đếnphải lập được quan hệ giữa các đặc tính nhiệt của lò hơi ở các chế độ làm việc thànhcác đường đặc tuyến (hay các hàm toán học) Để xây dựng được đặc tuyến cần phảichọn ra các chế độ làm việc thay đổi điển hình, cho tới nay người ta

- a ra hai phương pháp chủ yếu để xây dựng nên những đặc tuyến này:

Cách I: Dựa trên các quá trình nhiệt động, thủy động, dựa trên các phương trìnhtruyền nhiệt, truyền chất, các định luật bảo toàn người ta xây dựng nên các phươngtrình toán học (phương trìn

- hệ phương trình vi phân) ràng buộc giữa các thông số của lò hơi

Cách II: Tổ chức các thí nghiệm đo đạc lập thành các đường cong thể hiện sựphụ thuộc của các thông số Cách này được thực hiện chủ yếu khi đối tượng nhiệt đãđược chế tạo và vận hành, người ta mới tiến hành đo đạc các thông số ở các chế độvận hành khác nhau (những

điểm và khó khăn của 2 phương pháp sẽ được phân tích ở phần sau)

Tuy nhiên ở Việt Nam theo như tôi được biết thì ngay cả ở các cơ sở sử dụng lòhơi, thiết bị nhiệt cũng như các cơ sở chế tạo, sản xuất đều không thực hiện việc lậpcác đặc tính nhiệt cho lò hơi (trừ những lò hơi cỡ lớn như ở các nhà máy điện, nhàmáy đường lớn), cũng như không kiểm tra xây dựng lại các đường đặc tuyến cho lòhơi sau khi vận hành lâu ngày gây rất nhiều khó khăn cho công tác của những người

làm điều khiển tự đ

g cũng như quá trình vận hành tối ưu thiết bị tại cơ sở sản xuất

Để đảm bảo nồi hơi hoạt động an toàn và đúng công suất định mức,tiết kiệm tối

đa nhiên liệu với hiệu suất sử dụng cao nhất.Với yêu cầu công nghệ đề ra và trongthực tế, ta sẽ lựa chọn phương pháp xây dựng bộ

giám sá

hệ thống lò hơi.

CHƯƠNG 3

TỔNG QUAN SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH BỀN VỮNG

Các phương pháp tổng hợp hệ thống điều chỉnh đã trình bày ở trên có ưu điểm làkhá đơn giản dễ thực hiện Tuy nhiên chất lượng điều chỉnh của hệ thống không cao

do không đánh giá đầy đủ các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điều chỉnh và gặp khó khănkhi đối tượng có trễ vận tải, có thành phần tích phân, đối tượng bất định Để khắc phụchạn chế trên, năm 1999 PGS TSKH.VS.Nguyễn Văn Mạnh đã xây dựng phương pháptổng hợp bền vững tối ưu chất lượng c

Y(s) = Y g +YL =g≡W K (s) + LB(s)[1 – W K (s)].

Từ đây dễ thấy rằ≡ng, nếu cho W K (s) 1, thì đại lượng ra sẽ là y = g.1 + LB(s)[1-1] g Điều này chứng tỏ rằng, nếu hàm truyền hệ thống bằng 1, thì đại lượng đầu rabám theo tín hiệu điều khiển đầu vào một cách chính xác tuyệt đối, đồng thời khửhoàn toàn nhiễu tác động vào đối tượng Để xây dựng một hệ thống lý tưởng như vậy,theo sơ đồ điều khiể

hn 1.8, đ hỏi hệ số khuếch đại của bộ điều khiển lớn vô cùng, vì:

ψđ→ặc tính của hệ thống nằm càng gần về phía phần âm trục thực Nếu m ( 1), thìcác nghiệm trở thành các số thực âm và hệ thống trở thành quán tính thuần tuý Xéttheo độ đo là chỉ số dao động, thì hệ thống như vậy sẽ nằm cách vùng không ổn địnhmột k

- ảng vô cùng lớn Như vậy, hệ quán tính thuần tuý có cấu trúc bền vững nhất.Xét về bản chất vật lý, thì quá trình động học xảy ra trong một hệ thống bất kỳ nà

- dều có tốc độ hữu hạn, tức là có quán tính với hằng số quán tính khác không.Xét về khả năn

đây, nếu K >1 thì hệ hở sẽ có cấu trúc k

Dạng (1.19) gọi là cấu trúc bền vững tối ưu của hệ điều khiển thực Từ

ấu trúc (11), ta có cáchm truyềntơg ứng, của hệ hởv bộ điều chỉnh là: