Tối ưu hóa chất lượngđiều khiển phụ tải lò hơi công nghiệp theo quan điểm bền vững cao’’

Để chế biến vàtạo ra các sản phẩm này các nhà máy đã phải tiến hành thu mua các nguyên liệu thôđầu vào, rồi biến đổi thông qua các chu trình công nghệ các công đoạn trong quátrình công n

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

Trong nền công nghiệp Việt Nam hiện nay có rất nhiều nhà máy hóa chất,thuốc lá, dệt, đường, sữa, rượu, bia, nước giải khát, chế biến thực phẩm đã đượcxây dựng lên để sản xuất ra sản phẩm cung cấp đến người tiêu dùng Để chế biến vàtạo ra các sản phẩm này các nhà máy đã phải tiến hành thu mua các nguyên liệu thôđầu vào, rồi biến đổi thông qua các chu trình công nghệ các công đoạn trong quátrình công nghệ hầu hết đều sử dụng nhiệt như nấu, thanh trùng, chưng cất các dungdịch, cô đặc và sấy sản phẩm…, nhiệt cung cấp ở đây là hơi bão hòa của lò hơicung cấp.Việc cung cấp hơi cho mỗi chu trình sản xuất phụ thuộc rất nhiều vào quátrình điều khiển và hệ thống điều khiển của lò hơi để đảm bảo phụ tải hơi đáp ứngđược yêu cầu công nghệ đề ra

Xuất phát từ thực tế quá trình điều khiển áp suất lò hơi của nhà máy Sữa chưa

được tốt Biên độ dao động lớn khi có thay đổi về phụ tải Khi phụ tải hơi cần dùnglớn lò lại tăng tải chậm chưa đáp ứng tốt cho quá trình công nghệ, dẫn đến có hiệntượng hơi bị thấp cục bộ trong một khoảng thời gian, đôi khi làm một số dâychuyền sản xuất bị dừng nên gây thiệt hại lớn về kinh tế cho nhà máy Để khắc phụcnhược điểm trên, trong luận văn này sẽ trình bày phương pháp tổng hợp hệ thống

điều khiển phụ tải hơi theo quan điểm bền vững tối ưu với đề tài “Tối ưu hóa chất lượngđiều khiển phụ tải lò hơi công nghiệp theo quan điểm bền vững cao’’ - Áp

dụng tại nhà máy sữa Tiên Sơn Luận văn được chia làm 4 chương

- Chương 1: Tổng quan về nhà máy Sữa Tiên Sơn – Công ty cổ phần Sữa Việt nam - Vinamilk

- Chương 2: Đặc điểm và chế độ vận hành hệ thống cung cấp hơi cho quá trình sản xuất sữa.

- Chương 3: Phương pháp tổng hợp hệ thống theo quan điểm bền vững

- Chương 4: Tổng hợp bộ điều chỉnh PID bền vững tối ưu điều khiển phụ tải

lò hơi đáp ứng cho quá trình sản xuất Sữa

Với những kiến thức tiếp thu, nghiên cứu trong quá trình học tập tại trường Đại họcBách Khoa Hà Nội và được sự hướng dẫn nhiệt tình của PGS TS.VS Nguyễn VănMạnh, cùng các cán bộ nhân viên nhà máy đã giúp đỡ trong quá trình lấy số liệuthực tế để tôi hoàn thành luận văn này Tuy nhiên do những hạn chế nhất định nênbản luận văn không tránh khói những thiếu sót Rất mong được sự góp ý của cácthầy cô, đồng nghiệp và các bạn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh đã nhiệt tình

hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô của các Khoa, Viện đã truyền thụnhững kiến thức quý báu tận trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đạihọc Bách khoa Hà Nội

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các cán bộ quản lý, vận hành hệ thốngcung cấp hơi của Nhà máy sữa Tiên Sơn đã tạo điều kiện tốt và nhiệt tình giúp đỡcho tôi tìm hiểu và lấy số liệu thực tế để hoàn thành luận văn này

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng, Bản luận văn dưới đây là do chính tôi tính toán, thiết

kế và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh

Để hoàn thành luận văn này, tôi đã sử dụng những tài liệu đã ghi trong mục tàiliệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác không được ghi

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

HỌC VIÊN THỰC HIỆN TRẦN VĂN PHÚ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY SỮA TIÊN SƠN CÔNG TY SỮA VIỆT NAM – VINAMILK

1.1 Giới thiệu về nhà máy Sữa Tiên Sơn - Công ty cổ phần Sữa Việt Nam

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Công ty cổ phần Sữa Việt Nam có tên giao dịch Quốc tế là : Vietnam dairyProducts Joint – Stock Company, tiền thân là Xí nghiệp Liên hiệp Sữa – Cà phê –Bánh kẹo được thành lập năm 1976 Tháng 3 năm 1992 được đổi tên thành Công tySữa Việt Nam (Vinamilk) - trực thuộc Bộ Công nghiệp nhẹ, chuyên sản xuất, chếbiến sữa và các sản phẩm từ sữa, ban đầu với 3 nhà máy sản xuất là Nhà máy SữaThống Nhất, Nhà máy Sữa Trường Thọ và Nhà máy Sữa Dielac Được sự đồng ýcủa Chính Phủ và Bộ Công Nghiệp ( nay là Bộ Công Thương), Công ty Sữa ViệtNam chuyển đổi thành Công ty cổ phần Sữa Việt Nam vào năm 2003 Trải qua 37năm thành lập và phát triển đến nay Công ty cổ phần Sữa Việt Nam có tổng sốCBCNV khoảng 4.500 người và có 13 nhà máy, 2 xí nghiệp và 4 trang trại bò sữatrực gồm

1 Nhà máy Sữa Thống Nhất

2 Nhà máy Sữa Trường Thọ

3 Nhà máy Sữa Dielac

4 Nhà máy Sữa Sài Gòn

5 Nhà máy Sữa Cần Thơ

6 Nhà máy Sữa Bình Định

7 Nhà máy Sữa Nghệ An

8 Nhà máy Sữa Đà Nẵng

9 Nhà máy Sữa Tiên Sơn

10 Nhà máy Sữa Lam Sơn

11 Nhà máy Sữa Bột Việt Nam

12 Nhà máy Sữa Việt Nam

13 Nhà máy Nước Giải Khát

14 Xí nghiệp kho vận Sài Gòn

15 Xí nghiệp kho vận Hà Nội

17 Trang trại bò Sữa Lam Sơn – Thanh Hóa

18 Trang trại bò Sữa Nghĩa Đàn – Nghệ An

19 Trang trại bò Sữa Lâm Đồng – Lâm Đồng

Nhà máy Sữa Tiên Sơn nằm trong khu Công nghiệp Tiên Sơn, xã Hoàn Sơn,huyện Tiên Du, tỉnh Bắc Ninh được thành lập theo quyết định số: 3040/ QĐ- CTS.ytheo giấy phép kinh doanh số: 21.13.000125 do Sở kế hoạch đầu tư tỉnh Bắc Ninhcấp ngày 03 tháng 10 năm 2007 và là đơn vị trực thuộc Công ty Cổ phần Sữa ViệtNam – VINAMILK có trụ sở chính tại Số 10 phố Tân Trào, Phường Tân Phú, Quận

7, thành phố Hồ Chí Minh Nhà máy chính thức đi vào hoạt động tháng 6 năm 2008trên diện tích khuôn viên khoảng 140.000m2 gồm có 3 phân xưởng sản xuất

Phân xưởng Tiên Sơn 1: Chuyên sản xuất sữa tươi tiệt trùng UHT, sữa tươithanh trùng các mặt hàng như sữa đặc, sữa tươi tiệt trùng UHT, sữa tươi thanhtrùng, sữa chua, sữa đậu lành, nước ép trái cây Vfresh

Phân xưởng Tiên Sơn 2: Chuyên sản xuất các sản phẩm sữa đăc, kem, sữachua

Phân xưởng Tiên Sơn 3: Chuyên sản xuất các sản phẩm sữa chua uống

Các sản phẩm của nhà máy chủ yếu phục vụ thị trường ở các tỉnh khu vựcMiền Bắc Nhà máy sử dụng công nghệ sản xuất sữa tiên tiến nhất của Đức và ThụyĐiển, với công suất sữa đặc: 85 triệu hộp/năm, sữa chua: 360 triệu hũ/ năm (36 triệulít/ năm), sữa nước và nước trái cây: 120 triệu lít/năm, kem: 2 triệu lít/năm, sữa đậunành: 56 triệu lít/năm;

Hình 1.1 Nhà máy Sữa Tiên Sơn

1.1.2 Cơ cấu tổ chức bộ máy quản lý của Nhà máy Sữa Tiên Sơn

1.1.2.1 Ban giám đốc

- Giám đốc nhà máy phụ trách chung

- Giám đốc kỹ thuật phụ trách kỹ thuật

- Giám đốc sản xuất phụ trách sản xuất

1.1.2.2 Các phòng ban chức năng

- Ban hành chính nhân sự chịu trách nhiệm thực hiện các nhiệm vụ:

+ Công tác quản trị văn phòng

+ Tuyển dụng và quản lý nhân sự

+ Lao động tiền lương và các chế độ xã hội

+ Công tác bảo vệ, quản lý điều hành xe

+ Nhà ăn tập thể, giặt là, y tế, vệ sinh công nghiệp

- Ban kế toán:

+ Thực hiện các nghiệp vụ kế toán

+ Thống kê vật tư, nguyên vật liệu, thành phẩm

+ Quản lý quỹ

- Ban QA: Thực hiện các công việc về kiểm tra, kiểm soát chất lượng từnguyên vật liệu đầu vào, đến bán thành phẩm trong quá trình sản xuất và sản phẩmxuất xưởng; theo dõi mẫu lưu trong thời gian còn hạn sử dụng của sản phẩm; giảiquyết khiếu nại khách hàng về chất lượng sản phẩm

- Ban kho: Chịu trách nhiệm thực hiện các công việc liên quan đến công tácnghiệp vụ kho, bao gồm: nguyên liệu, nhiên liệu, vật tư kỹ thuật để phục vụ sảnxuất và nhập thành phẩm từ phân xưởng sản xuất về kho để bảo quản, tiêu thụ

- Ban kỹ thuật: Thực hiện các nghiệp vụ kỹ thuật liên quan đến các hoạt độngcủa nhà máy

- Ban cơ điện: Thực hiện công tác theo dõi, bảo trì bảo dưỡng và sửa chữa cácthiết bị máy móc đảm bảo luôn hoạt động tốt trong toàn nhà máy

- Phân xưởng sản xuất: Điều hành sản xuất các sản phẩm theo kế hoạch đảmbảo cung ứng kịp thời, đầy đủ các sản phẩm cho bộ phận bán hàng thuộc khối kinhdoanh

Kiểm soát và kiểm tra chất lượng sữa ngay từ khâu vắt sữa ban đầu trước khichuyển về nhà máy.

Hình 1.2 Sơ đồ tổ chức của Nhà máy Sữa Tiên Sơn

1.1.3 Tình hình hoạt động và sản suất kinh doanh của nhà máy Sữa Tiên Sơn.

Trong quá trình hoạt động sản xuất và kinh doanh, do đòi hỏi ngày càng caocủa thị trường về chất lượng sản phẩm và đáp ứng yêu cầu hội nhập phát triển vớicác nước trong khu vực và trên thế giới nhằm khẳng định, quảng bá thương hiệuVinamilk, Công ty cổ phẩn sữa Việt Nam đã cho tiến hành xây dựng và áp dụng hệthống quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn ISO 9001:1994 tại các đơn vị thành viên.Năm 2000 các thành viên của Vinamilk đã được tổ chức BVQI (Bureau VeritasQuality International) nay là BVC (Bureau Veritas Certification) cấp giấy chứngnhận về hệ thống chất lượng phù hợp tiêu chuẩn ISO 9001:1994 Năm 2004, cácđơn vị thành viên của Vinamilk đã được tổ chức SGS chứng nhận hợp chuẩn hệthống vệ sinh an toàn thực phẩm theo tiêu chuẩn HACCP ( Hazard Ananlysis andCritical Control Point)

Nhà máy sữa Tiên Sơn là đơn vị mới thành lập và sản xuất các sản phẩm theo

tiêu chuẩn chung của Vinamilk, vì vậy nhà máy cũng phải áp hệ thống quản lý cũngnhư các hệ thống an toàn vệ sinh thực phẩm theo tiêu chuẩn HACCP theo quy định.

Sản phẩm sản xuất chính của nhà máy là : Sữa đặc, sữa tươi tiệttrùng UHT, sữa tươi thanh trùng, kem, sữa chua

Hình 1.3 Dây chuyền sản xuất sữa

− Số giờ làm việc trong ngày: 24/24

− Thời gian vận hành trong năm: 365 ngày/năm

− Nguyên liệu tiêu thụ và tổng sản phẩm của nhà máy được thể hiện trongbảng sau:

Bảng 1.1 Tổng sản phẩm của nhà máy năm 2012

- Tiêu thụ năng lượng điện của nhà máy được thể hiện ở hình sau

Hình 1.4 Tiêu thụ năng lượng điện của nhà máy

- Tiêu thụ nhiên liệu của nhà máy trình bày bảng sau.

Bảng 1.2 Tiêu thụ nhiên liệu theo từng tháng trong năm 2011

Dầu FO là dạng năng lượng tiêu thụ lớn nhất trong Nhà máy Sữa Tiên Sơn Dầu FOđược sử dụng để vận hành 3 lò hơi với tổng công suất là 12 tấn/h (công suất mỗi lò

là 4 tấn/h) Theo số liệu thống kê, tổng lượng dầu FO tiêu thụ trong năm 2012 là

1.795.534 lít, với chi phí khoảng 25,3 tỉ đồng Dầu DO cũng là dạng năng lượng

tiêu thụ đáng kể trong nhà máy, dầu DO được sử dụng để vận hành máy phát điện

dự phòng và chạy xe nâng Theo số liệu thống kê, tổng lượng dầu DO tiêu thụtrong năm 2011 là 128.983 lít, với chi phí khoảng 2,24 tỉ đồng

- Cơ cấu chi phí năng lượng sử dụng trong năm 2012 được thể hiện như sau

Hình 1.5 Cơ cấu chi phí sử dụng năng lượng năm 2012

Nhận thấy chi phí năng lượng cho nhiên liệu dầu F.O chiếm tỷ lệ lớn nhất (58,77%),

kế đến là chi phí điện năng (33,91%)

1.1.4 Định hướng phát triển sản xuất kinh doanh của Công ty cổ phần Sữa Việt Nam đến năm 2017

- Tập trung mọi nguồn lực để xây dựng Vinamilk thành Tập đoàn thực phẩmhàng đầu tại Việt Nam và trong khu vực Hoạt động kinh doanh đa ngành nghề, đadạng hóa sản phẩm

- Củng cố, xây dựng và phát triển một hệ thống các thương hiệu mạnh đáp ứngtốt nhất các nhu cầu và tâm lý tiêu dùng của người Việt Nam

- Phát triển thương hiệu Vinamilk thành thương hiệu dinh dưỡng có uy tín,khoa học và đáng tin cậy nhất với mọi người dân Việt Nam Thông qua chiến lược

áp dụng nghiên cứu khoa học về nhu cầu dinh dưỡng đặc thù của người Việt Nam

để phát triển ra những dòng sản phẩm tối ưu nhất cho người tiêu dùng Việt Nam

- Đầu tư nâng cao công suất chế biến, đóng gói của các nhà máy trongVinamilk Xây dựng nhà máy chế biến và đóng gói theo mô hình MEGA, công suấtlớn, tự động hóa cao

- Xây dựng các vùng nguyên liệu cung cấp sữa bò tươi nhằm chủ động nguồnnguyên liệu nội địa, đồng thời thúc đẩy ngành chăn nuôi phát triển Thành lập vàxây dựng các trang trại chăn nuôi bò sữa tập trung, áp dụng các quy trình chăn nuôiđảm bảo yêu cầu kỹ thuật và vệ sinh an toàn thực phẩm Trang bị hệ thống thiết bịvắt sữa và phần mềm quản lý đàn bò hiện tại để kiểm soát tốt nhất tình trạng bò vàsữa được vặt Hỗ trợ và hợp tác với các địa phương để tạo ra các vùng chăn nuôi bòsữa ổn định, đảm bảo nguồn nguyên liệu sữa bò tươi phục vụ sản xuất

- Đảm bảo giữ vững tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm đạt từ 15-20%.Giữ vững thị trường tiêu thụ nội địa đạt 80% và 20% phục vụ xuất khẩu sản phẩm

ra nước ngoài (năm 2012 tổng doanh thu toàn công ty đạt 27.300 tỷ đồng) Hiệnnay, thị trường xuất khẩu chủ yếu của Vinamilk là khu vực Trung đông (Iraq,Kuwait, UAE) và các nước khác như: Mỹ, Australia, Maldives, Campuchia,Philippines v.v

Phấn đấu đến năm 2017 doanh thu của Vinamilk đạt 3 tỷ USD và lọt vào tốp

50 công ty sản xuất Sữa lớn nhất thế giới

1.2 Một số sản phẩm và quy trình công nghệ chế biến sữa tại Nhà máy Sữa Tiên Sơn.

1.2.1 Sản phẩm sữa tiệt trùng, đậu lành và nước trái cây

Nhóm sữa tiệt trùng, đậu lành và nước trái cây được đóng gói trong bao bì đặcbiệt chuyên dụng của hãng Tetra Pak – Thụy Điển Có nhiều sản phẩm khác nhaubao gồm:

- Sữa tươi tiệt trùng các loại có đường và không đường được đóng trong hộp 110 ml,

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ sản xuất sữa tiệt trùng

o Giai đoạn 1: Nhập nguyên liệu

Nguyên liệu: Sữa tươi từ các xe bồn chở từ trạm thu mua về, sữa tươi nguyênliệu được bơm vào vào bồn, lọc thô và làm lạnh (≤ 8 oC), sau đó bơm vào bồn chứa.Nguyên liệu: Sữa bột, nước, phụ liệu được pha trộn ở 40 - 50°C

o Giai đoạn 2: Đồng hóa - Thanh Trùng

Sữa tươi từ bồn chứa sẽ bơm qua bồn cân bằng và gia nhiệt bằng hơi nóng bãohòa Sau đó đồng hóa tạo sự đồng nhất trong hỗn hợp và thanh trùng sữa tươi ởnhiệt độ 75oC Sữa tươi đã thanh trùng được làm lạnh xuống 6 - 8 oC và được bơmvào bồn trữ lạnh

Nguyên liệu sữa bột sau khi được hòa trộn sẽ được thanh trùng ở 74 - 77°C,trong vòng 30 giây, sau đó được làm lạnh xuống 6 - 8°C và được bơm vào bồn trữlạnh

o Giai đoạn 3: Chế biến sữa tiệt trùng

Sữa đã được thanh trùng từ bồn trữ lạnh sẽ được đưa qua hệ thống tiệt trùng ởnhiệt độ (140 ± 1) oC Sản phẩm tiệt trùng được làm nguội bằng nước lạnh xuốngkhoảng 15 ÷ 30 °C và bơm vào bồn chứa tiệt trùng

o Giai đoạn 4: Đóng hộp và bao bì thành phẩm

Sản phẩm sữa tiệt trùng từ bồn tiệt trùng sẽ được chiết rót vào hộp Công đọanđóng hộp, dán ống hút, màng co và vô thùng Thành phẩm được bảo quản nhiệt độthường và phân phối

Trong quá trình chế biến sữa tiệt trùng thì giai đoạn trộn nguyên liệu, thanhtrùng sữa và chạy vệ sinh thiết bị đều sử dụng hơi nóng từ đường hơi 4.2 bar Còngiai đoạn tiệt trùng thì sử dụng hơi từ đường hơi 9.0 bar, áp hơi để tiệt trùng phảiluôn lớn hơn 8 bar để tránh hiện tượng mất tiệt trùng

2 Sản phẩm sữa chua ăn và sữa chua uống Probi

Sản phẩm sữa chua hũ bao gồm : Sữa chua trắng, sữa chua trái cây,sữa chua dâu – cam, sữa chua canxi ít béo, sữa chua nha đam, sữa chuaprobi, sữa chua probeauty Sản phẩm này được đóng gói vào hũ nhựa,nắp màng nhôm ghép kín hũ, trọng lượng tịnh mỗi hộp là 100ml Hạn sửdụng và ngày suất được in dưới đáy hộp Bảo quản ở nhiệt độ 4 – 60C

Trộn nguyên liệu 65-70oC Nước, bột sữa

kín mặt chai

- Nguyên liệu chính: Sữa bò tươi, sữa bột, bơ, đường, men giống, men sống

- Nguyên liệu phụ : Chất ổn định, mứt các loại, canxi bổ xung v v

Hình 1.7 Sơ đồ công nghệ sản xuất sữa chua ăn

o Giai đoạn 1: Nhập nguyên liệu - Sản xuất dịch men

Nước, nguyên liệu được đưa vào bồn khuấy trộn và hòa tan ở nhiệt độ 65 70°C Sau đó được bơm vào bồn trộn ủ trong vòng 10 – 60 phút

-o Giai đoạn 2: Đồng hóa - Thanh Trùng

Từ bồn chứa, hỗn hợp nguyên liệu được đồng hóa tạo sự đồng nhất trong hỗnhợp sau đó được bơm qua hệ thống thanh trùng ở nhiệt độ 90 - 95°C Sau khi đượcthanh trùng dung dịch sẽ được làm nguội xuống còn 43 - 47°C

o Giai đoạn 3: Lên men

Sau khi đã thanh trùng và làm nguội, dung dịch tiếp tục được đưa vào bồn lênmen để hòa trộn với men giống ở 42 -46°C Men giống được sản xuất từ nước vàbột sữa (Nước và bột sữa sau khi được hòa trộn ở 65 - 70°C, sẽ được thanh trùng ởnhiệt độ 90 - 95°C trong vòng 30 phút Sau đó được làm nguội ở 42 - 44°C Mengiống sau khi sản xuất được đưa vào bồn lên men) Sau giai đoạn lên men sữa chuađược làm lạnh nhanh xuống thấp hơn 25°C

o Giai đoạn 4: Đóng hộp và bao bì thành phẩm

Sữa chua từ bồn chứa được rót vào hộp Tiếp theo là công đoạn dán nhãn, và

vô thùng Thành phẩm được bảo quản ở nhiệt độ 2-8°C và phân phối

Trong quá trình chế biến sữa chua ăn thì giai đoạn trộn nguyên liệu, thanhtrùng sữa và chạy vệ sinh thiết bị đều sử dụng hơi nóng từ đường hơi 4.2 bar

- Nguyên liệu chính : Sữa bột, dầu thực vật, chất béo sữa, bột whey

- Nguyên liệu phụ : Chất nhũ hoa (322), lactoza

Nước,sữa bột

Trộn nguyên liệu (40 – 450C)

Thanh trùng – Đồng hóa

(80-900C)

Làm lạnh (40 – 450C)

Cô đặc (<440C)

Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ sản xuất sữa đặc

o Giai đoạn 1: Trộn tuần hoàn nguyên liệu

Nước, nguyên liệu được gia nhiệt và đưa vào bồn khuấy trộn và hòa tan ởnhiệt độ 45 - 50°C, trong khoảng thời gian 1h Sau đó được bơm vào bồn cân bằng

o Giai đoạn 2: Đồng hóa - Thanh Trùng

Từ bồn cân bằng, hỗn hợp nguyên liệu được liệu được đồng hóa tạo sự đồngnhất trong hỗn hợp và được bơm qua hệ thống thanh trùng ở nhiệt độ 90 - 95°C.Sau khi được thanh trùng xong dung dịch sẽ được làm nguội xuống còn 45 - 50°C

o Giai đoạn 3: Cô đặc - Làm nguội – Kết tinh

Dịch sữa sau khi làm nguội được đưa sang tháp cô đặc hoạt động ở áp suấtchân không để cô đặc làm tăng nồng độ chất khô của sữa từ nồng độ chất khô củadịch trộn ban đầu lên giá trị yêu cầu của sản phẩm sữa đặc(72-73%) sau đó làmnguội kết tinh, kết tinh với mục đích để tạo cholactose trong sữa kết tinh một cáchtriệt để, giúp cho sữa sau cô đặc có một trạng thái đặc mịn

Dịch sữa sau kết tinh ở nhiệt độ 22 - 24°C được bơm sang bồn thành phẩm

o Giai đoạn 4: Đóng hộp và bao bì thành phẩm

Sữa từ bồn thành phẩm được rót vào lon đã được tiệt trùng, rồi đóng hộp, ghéplắp và vô thùng Thành phẩm được bảo quản ở nhiệt độ thường và phân phối

Trong quá trình chế biến sữa đặc thì giai đoạn trộn nguyên liệu, thanh trùng sữa và

chạy vệ sinh thiết bị đều sử dụng hơi nóng từ đường hơi 4.2 bar Còn giai đoạn côđặc thì sử dụng hơi từ đường hơi 9.0 bar, trong quá trình cô đặc áp hơi phải luôn ổnđịnh lớn hơn 8,5 bar để sản phẩm sữa sau cô đặc đảm bảo độ khô không bị loãngsữa

Kết luận: Từ những sơ đồ công nghệ đã nêu trên có thể thấy rằng các quá trình

công nghệ đều sử dụng hơi bão hòa để phục vụ cho các công đoạn chế biến sản xuấtsữa như thanh trùng, tiệt trùng, cô đặc, vệ sinh đường ống lượng hơi này sẽ đượccung cấp bởi 03 lò hơi công suất mỗi lò 4 tấn hơi/giờ được trình bày ở chương 2 củaluận văn

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM VÀ CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH HỆ THỐNG CUNG CẤP HƠI CHO

QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT SỮA

2.1 Khái quát về lò hơi trong công nghiệp.

2.1.1 Sơ đồ sử dụng hơi điển hình

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

Hình 2.1 Hệ thống sử dụng hơi điển hình trong công nghiệp

2.1.2 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 đểnhận 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 rắnđược 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 buồng lửa,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 tháigiống như hiện tượng “sôi” trong buồng lửa khi bị không khí thổi lên ở một tốc độnhất định

2.1.3 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của lò hơi

2.1.3 1 Sản lượng hơi của lò

Sản lượng hơi của lò là lượng hơi mà lò sản xuất ra được trong một đơn vịthời

gian (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 lò có thể đạt được,đảm bảo vận hành trong thời gian lâu dài, ổn định với các thông số hơi đã cho

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

● 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 với sản lượng hơi cực đại được

Sản lượng hơi cực đại bằng: Dmax = (1,1 - 1,2) Dđm

● Sản lượng hơi kinh tế là sản lượng hơi mà ở đó lò làm việc với hiệu quả kinh tế cao nhất Sản lượng hơi kinh tế bằng: Dkt = (0,8 - 0,9) Dđm

2.1.3.3 Nhiệt thế thể tích của buồng lửa

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

diện tích mặt cháy của ghi:

qr = , kW/m2

trong đó R – diện tích mặt cháy của ghi, m2

2.1.3.5 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/m2 h) Đặc tính này thường dùng cho các

lò hơi nhỏ trong công nghiệp

2.1.3.6 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

η = 100,%

Trong đó; Q1: là lượng nhiệt có ích; Qdv: là lượng nhiệt đưa vào lò hơi

2.1.4 Các hệ cân bằng khối lượng và năng lượng trong lò hơi

Đầu vào và đầu ra của lò hơi có mối quan hệ chặt chẽ với nhau dựa trên haiđịnh luật cơ bản là: định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn khối lượng,tức là tổng năng lượng và khối lượng đầu vào của lò phải cân bằng với tổng nănglượng và khối lượng đầu ra của lò Kết luận lại, trong lò bao gồm các cân bằng sau:

- Cân bằng về khối lượng giữa nước cấp và hơi nước;

- Cân bằng khối lượng giữa nhiên liệu, gió với khối lượng khói thải và tro xỉ;

- Cân bằng thành phần hóa học chứa trong nước cấp và hơi

- Cân bằng thành phần hóa học giữa nhiên liệu cộng gió thứ cấp với khói thảicộng tro xỉ;

- Cân bằng năng lượng của lò hơi

2.1.4.1 Cân bằng về khối lượng giữa hơi và nước cấp

Nước được cấp đến bao hơi, ở bao bơi nước nhận nhiệt năng từ quá trình cháytrong lò hơi và chuyển hóa thành hơi nước bão hòa Ngoài lượng hơi chính thoát ra

từ bao hơi được dẫn tới tuabin thì còn có một lượng nước đi xuống quay trở lại baohơi Đây chính là lượng nước được tách ra từ hơi bão hòa qua bộ phận lọc hơi Mặc

dù năng lượng mang đi bởi lượng nước này không phải là năng lượng có ích từquan điểm của hiệu suất lò nhưng năng lượng đó là không đáng kể bởi vì lò hơi hầunhư truyền nhiệt toàn bộ từ nhiệt chứa trong nhiên liệu cho nước cấp để trở thànhhơi bão hòa Trong cân bằng này thì thông thường lượng hơi sẽ chiếm khoảng 90%

- 99% khối lượng đầu ra

Lò hơi

Nước đi xuống

Lò hơi

Tro, xỉ Gió

Lò hơi

Hóa chất trong nước cấp Hoá chất trong hơi chính

Hoá chất trong lắng cặn

Lò hơi Nhiên liệu H2, C, S, N2, O2, H2O Khối CO2, CO, O2, N2, NOX, SOx

Tro, xi, C Gió N2, H2O, O2

Hình 2.2 Cân bằng về khối lượng giữa nước cấp và hơi

2.1.4.2 Cân bằng khối lượng nhiên liệu và gió với khói thải và tro xỉ

Nhiên liệu được đưa vào lò cộng với không khí để cung cấp O2 cho quá trình

cháy của lò hơi Không khí đưa vào lò thường lớn hơn rất nhiều so với nhiên liệu

(gấp khoảng 12 - 18 lần) Sau quá trình cháy, những chất rắn không cháy được sẽ

tạo thành tro xỉ Tro là những chất rắn không cháy được nhưng không bị nóng chảy

còn xỉ chính là tro nóng chảy tạo thành Đồng thời một lượng khói thải lớn được

đưa ra ngoài trời qua ống khói Theo định luật bảo toàn khối lượng thì cân bằng

giữa đầu vào là nhiên liệu, gió với đầu ra là khói thải, tro xỉ

Hình 2.3 Cân bằng khối lượng giữa nhiên liệu, gió và khói thải, tro xỉ

2.1.4.3 Cân bằng thành phần hóa học

Hình 2.4 Cân bằng thành phần hóa học trong nước cấp và hơi

Nước cấp đưa vào lò bao gồm rất nhiều các thành phần hóa học khác nhau như

Ca2+, Mg2+, Na+, K+, KCO

-3, SO42-, Cl- v v ngoài ra còn có các chất keo, chất bùn

Lò hơi

Năng lượng từ nhiên liệu

Năng lượng từ sự cháy của gió

Năng lượng từ nước cấp

Năng lượng hơi chính Năng lượng ở khói lò Năng lượng ở xỉ lò Bức xạ nhiệt

Hình 2.5 biểu diễn cân bằng hóa học đầu vào và đầu ra của quá trình cháy của

lò hơi Cũng như cân bằng hóa học của nước cấp và hơi bão hòa thì sơ đồ này cũngcho thấy cân bằng của mỗi thành phần hóa học Nhiên liệu và gió đưa vào lò cũngbao gồm nhiều thành phần hóa học khác nhau như O2, C, N2, S, H2, oxit nitơ, CO2

v v Sản phẩm của quá trình cháy là khói và lượng tro xỉ Những hạt xỉ lỏng lớn,rơi xuống phía đáy buồng lửa, ở đó có thể được là nguội, đông đặc lại rồi thải rangoài theo phương pháp thải xỉ khô Những hạt quá nhỏ không tách ra được đi theokhói ra ngoài khí quyển

2.1.4.4 Cân bằng năng lượng của lò hơi

Năng lượng đầu vào của lò được xác định bởi tổng năng lượng chứa trongnhiên liệu cấp vào lò (gồm năng lượng từ than và dầu, năng lượng từ nước cấp,năng lượng do sự cháy O2) Tổng năng lượng cấp vào lò được tính bởi lưu lượngnhiên liệu đầu vào nhân với năng lượng của mỗi đơn vị chuẩn trong một đơn vị thờigian

Năng lượng đầu ra của lò bao gồm năng lượng hữu ích được tích trữ trong hơinước, năng lượng chứa trong khói lò và năng lượng chứa trong lượng nước thừa đixuống Ngoài ra còn môt phần năng lượng bị mất đi do có tổn thất trong lò (lượngtổn thất này là tất yếu do quá trình cháy và truyền nhiệt)

Hình 2.6 Cân bằng năng lượng bên trong lò hơi

Từ định luật cân bằng năng lượng ta có phương trình thể hiện mối quan hệgiữa năng lượng đầu vào và đầu ra của lò như sau:

Tổng năng lượng đầu vào = Tổng năng lượng hữu ích đầu ra + Tổng tổn thấtTrong đó năng lượng tổn thất bao gồm:

- Tổn thất nhiệt do nước trong quá trình cháy;

- Tổn thất nhiệt để làm khô khí tự nhiên;

- Tổn thất nhiệt do nước có trong nhiên liệu;

- Ẩn nhiệt cấp cho nước có trong nhiên liệu;

- Ẩn nhiệt cấp cho nước hình thành bởi sự cháy O2;

- Tổn thất nhiệt do cacbon không cháy;

- Tổn thất nhiệt do gió thừa mang đi trong khói;

- Tổn thất nhiệt do bức xạ;

Chính các đòi hỏi trên đặt ra yêu cầu đối với bài toán điều khiển cho lò hơiphải đảm bảo đầu vào đáp ứng yêu cầu của đầu ra Ngoài ra để đảm bảo tính chínhxác, ổn định của lò hơi, hệ thống điều khiển còn phải đảm bảo chất lượng hơi quánhiệt về lưu lượng, nhiệt độ, áp suất và chất lượng của quá trình cháy về nhiên liệu,lượng O2 để sao cho hệ thống đạt hiệu suất cao, mang lại hiệu quả kinh tế

2.2 Hệ thống cung cấp hơi của Nhà máy Sữa Tiên Sơn

2.2.1 Đặc điểm hệ thống cung cấp hơi tại nhà máy

Nhà máy Sữa Tiên Sơn sử dụng hệ thống cung cấp hơi gồm 3 lò hơi được lắp

đặt tại khu động lực để cung cấp hơi cho các thiết bị gia nhiệt, công suất theo thiết

kế của mỗi lò 4 tấn hơi/ giờ Trong đó có 2 lò được lắp mới năm 2008 và 1 lò đãđược lắp đặt và hoạt động tại Nhà máy Sữa Hà Nội từ năm 2005 và được chuyểnlên lắp năm 2010

- Lò hơi ở đây là loại lò hơi ống lò ống lửa, của hãng Standardkessel doCHLB Đức sản xuất năm 2004

Áp suất thiết kế : 10 bar

Nhiên liệu đốt : Dầu FO

Nhiệt độ nước cấp : 1020C

Nhiệt độ dầu cấp : 700C

Bảng2.2 Thông số 3 lò hơi của nhà máy Sữa Tiên Sơn

STT Kiểu lò hơi/ lò nhiệt

Tên nhà sản xuất

Loại nhiên liệu

Công suất thiết kế

(tấn/giờ)

Áp suất làm việc

(bar)

Năm lắp đặt

3 Lò hơi Saacke 3 (L3) FO 4 10 2010

- Cấu tạo của lò hơi: Gồm có ống lửa, và hệ 02 chùm ống lò

Hình 2.7 Hệ thống ống lò ống lửa lò hơi của nhà máy Sữa Tiên Sơn

Hình 2.8 Hệ thống 3 lò hơi của nhà máy Sữa Tiên Sơn

Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống cung cấp hơi của nhà máy Sữa Tiên Sơn

- Hệ thống các bơm dầu từ bồn trữ dầu của nhà máy đến bồn dầu phụ: Nhà máy sửdụng 02 bồn trữ dầu FO để ngoài trời, dung tích mỗi bồn là 24.000lít, các bồn đều

có đường sấy dầu bằng hơi nóng để mùa đông dầu được bơm dễ dàng Dầu đượcbơm đến bồn dầu phụ nhờ hệ thống bơm dầu dạng bơm bánh răng, gồm 02 bơm củahãng TECO sản xuất tại Taiwan , 01 bơm hoạt động và 01 bơm dự phòng, công suấtmỗi bơm là P = 2kW

Hình 2.10 Hệ thống bồn chứa dầu FO

- Hệ thống các bơm dầu cho đầu đốt lò hơi: Dầu từ bồn dầu phụ được sấy nóng lên50- 600C sau đó được bơm vào khu vực lò hơi nhờ hệ thống bơm dầu dạng bơmbánh răng Mỗi lò sử dụng 02 bơm dầu của hãng AC- Motoren, 01 bơm hoạt động

và 01bơm dự phòng, công suất mỗi bơm là P = 0,7 kW

Hình 2.11 Hệ thống bồn dầu phụ và bơm dầu FO

- Hệ thống cấp nước cho lò hơi: Bồn nước nóng được sấy nóng lên 1020C sau đóđược bơm vào lò hơi nhờ hệ thống bơm cấp nước dạng bơm ly tâm Mỗi lò sử dụng

02 bơm hãng Grundfos sản xuất taị Hungary , 01 bơm hoạt động, 01 bơm dự phòng.công suất mỗi bơm là P = 4 kW, n= 2900v/p, q = 5,7m3/h,

Hình 2.12 Hệ thống bồn nước và bơm nước cấp lò hơi

- Hệ thống xử lý nước lò hơi Nước cấp cho lò hơi được xử lý theo kiểu trao đổi cation, gồm 02 cột trao đổi 01 cột chạy và 01 cột rửa

Hình 2.13 Hệ thống xử lý nước cấp lò hơi

- Hệ thống xử lý khói lò Mỗi lò hơi đều được trang bị 01 hệ thống xử lý khói lò Khói lòsau khi đốt thoát ra được đưa tới dàn phun mưa của hệ thống xử lý khói trước khi tới ốngkhói thải ra môi trường, do vậy làm giảm khả năng ô nhiễm môi trường

Hình 2.14 Hệ thống xử lý khói lò hơi

2.2.2 Các hệ thống điều khiển của lò hơi

2.2.2.1 Hệ thống gia nhiệt dầu

Dầu trong bồn chứa đến được bơm đến bồn dầu phụ Tại bồn dầu phụ dầuđược nâng lên 50 – 600 C nhờ hệ thống sấy dầu bằng hơi qua bộ trao đổi nhiệt kiểuống xoắn để gia nhiệt dầu, điều khiển van hơi kiểu ON - OFF hoặc bộ gia nhiệtbằng điện Sau đó dầu được bơm đến bồn chứa dầu nhỏ cạnh lò hơi để ra nhiệt lên

75 – 800 C trước khi phun vào hệ đầu đốt, áp suất dầu được điều chỉnh khoảng 2.3bar

2.2.2.2 Hệ thống điều khiển mức nước trong lò hơi:

Bộ điều chỉnh nhận tín hiệu từ bộ cảm biến mức nước Spirax-Saxco (Mỹ) và

ra lệnh điều khiển bơm cấp nước cho lò hơi, để duy trì mức nước làm việc trong lòhơi luôn ổn định Nhiệt độ nước cấp cho lò hơi được nâng nhiệt lên 1020C trước khibơm vào lò

2.2.2.3 Hệ thống điều khiển công suất chế độ làm việc của lò hơi

- Hệ thống điều khiển công suất lò nhận tín hiệu là áp suất hơi bão hòa trong

lò hơi sau đó được đưa về bộ điều khiển Leistungsregeler-RSE-P11 (Đức), đây làmột bộ điều chỉnh PID, tín hiệu điều chỉnh đưa ra là các xung điện áp tác động vào

cơ cấu điều khiển là động cơ Secvo Đưa ra tín hiệu điều khiển công suất đi đến vòiphun Khi nhận được tín hiệu điều chỉnh động cơ Secvo sẽ thay đổi góc mở điềuchỉnh lượng dầu đốt

2.2.2.4 Hệ thống điều khiển vòi phun dầu:

Hệ thống điều khiển vòi phun dầu được lắp đồng bộ với đầu đốt của hãngSAACKE Điều khiển các chế độ của vòi đốt như: mồi lửa bằng ngọn lửa Gas, chấphành mệnh lệnh thay đổi công suất của bộ điều khiển lò hơi, khởi động vòi đốt,dừng vòi đốt, phối hợp cấp gió phục vụ cho quá trình cháy, phun nước vào đốt kèmcải thiện quá trình cháy Khu vực đầu đốt được trang bị thêm hệ thống dây điện trở

để sấy nhiệt độ dầu dầu FO đến nhiệt độ đạt 780 C trước khi được phun vào buồngđốt để thực hiện quá trình cháy

2.2.2.5 Hệ thống điều khiển duy trì áp suất hơi

Trong quá trình vận hành lò hơi,áp suất hơi là một thông số rất quan trọng cầnđược điều khiển,yêu cầu đặt ra là phải duy trì áp suất hơi nằm trong trạng thái chophép Pmin < P < Pmax

Quá trình điều khiển áp suất hơi trong lò hơi được thực hiện bằng cách khi ápsuất hơi trong lò đạt giá trị xác định thì dừng đốt,còn khi áp suất hơi trong lò giảmđến một giá trị đặt thì nồi hơi tự hoạt động lại.

2.2.2.6 Hệ thống báo động và bảo vệ lò hơi

- Áp suất dầu đốt không đảm bảo cũng dẫn tới báo động và dừng đốt lò

- Nhiệt độ dầu đốt không đảm bảo dẫn tới báo động và dừng đốt lò

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

- Mất lửa dẫn tới báo động và dừng đốt lò

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

- Lò đốt không thành công dẫn tới báo động và dừng đốt lò

- Mức nước trong lò thấp hoặc cao dẫn tới báo động và dừng đốt lò

- Bảo vệ áp suất cao :Van an toàn và rơ le bảo vệ áp suất cao

- Bảo vệ cạn nước hoặc đầy nước của bồn chứa nước 1020C bằng hệ thốngphao và rơ le

2.2.2.7 Hệ thống xả đáy lò hơi

- Mỗi lò hơi đều sử dụng hệ thống xả đáy lò tự động Gồm van điện từ để điềukhiển hệ thống van khí nén, thời gian xả khoảng 01 phút, khoảng cách giữa hai lần

xả là 02 giờ

3.3 Quá trình sử dụng hơi cho sản xuất của nhà máy Sữa Tiên Sơn

3.3.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống lò hơi.

- Khi lưu lượng hơi sử dụng ở các phân xưởng sản xuất nhiều thì áp suất hơitrong lò tụt xuống nhỏ hơn giá trị đặt cho trước Lúc đó lò hơi sẽ bắt đầu khởi động,sau thời gian lò khởi động khoảng 3 phút để thổi hết khí trong lò thì điện cực sẽđánh lửa để gas phun vào mồi, tiếp đó dầu FO đã được sấy lên 75 - 800 C được phunvào nhờ thiết bị được gọi là chén xoay

- Để đốt cháy được và duy trì quá trình cháy trong lò thì lượng không khí đượccấp vào lò phải phù hợp nhờ hệ thống quạt gió

- Dầu và gió được điều chỉnh phù hợp là nhờ hệ thống cam dầu gió của hệ đầuđốt hãng SAACKE Lượng hơi nhà máy sử dụng nhiều hay ít thì lò hơi sẽ chạy ở sốcao hay thấp theo dải số từ 1 đến 10

Hình 2.15 Hệ thống đầu đốt của lò hơi

3.3.2 Đặc điểm sử dụng hơi cho quá trình sản xuất của nhà máy Sữa Tiên Sơn

- Nhu cầu sử dụng hơi của các phân xưởng trong nhà máy là không đồng đều lúcnhiều, lúc ít và có tính dao động khá lớn Hiện tại nhà máy sử dụng hơi ở áp suất8.5 bar cho dây chuyền UHT khi tiệt trùng và sữa đặc khi cô đặc, còn lại phần lớncác dây chuyền sản xuất khác chỉ sử dụng hơi ở áp suất 4,2 bar

- Quá trình chế biến sữa cần đảm bảo yêu cầu áp hơi luôn ổn định để tránh mất tiệttrùng UHT và cô đặc sữa không đạt độ khô

- Do vậy các lò hơi của nhà máy đều đặt làm việc ở áp suất trên 8.8 – 9.8 bar, sau đóqua các van giảm áp xuống còn 4,2 bar để phục vụ cho các dây chuyền sản xuấttheo yêu cầu

- Theo khảo sát, nhà máy thường xuyên vận hành liên tục cả 3 lò hơi có tổngcông suất 12 tấn/giờ nhằm mục đích hơi luôn ổn định cho quá trình sản suất

cụ thể từ nhật ký ghi chép và theo dõi của tổ vận hành thì các lò hơi này chủyếu hoạt động khoảng 70% thời gian ở số 1 và khoảng 30% thời gian ở số 5.Tuy nhiên điều này đôi khi cũng dẫn tới lò đủ áp dừng và khi nhu cầu sửdụng hơi nhiều thì lò chạy lại và không kịp bù áp Hơn nữa khi cả 3 lòđều hoạt động thì sẽ rơi vào tình trạng các lò hơi thường xuyên vận hànhnon tải dẫn đến hiệu suất giảm thấp và lãng phí nhiên liệu

Vấn đề đặt ra ở đây là làm thế nào để hệ thống điều khiển lò hơi hoạt động hiệu

quả đảm bảo đáp ứng yêu cầu phụ tải hay sự thay đổi áp suất trong mộtkhoảng ngắn để đảm bảo cung cấp hơi tốt cho quá trình chế biến sữa mà vẫn

có thể tiết kiệm được nhiên liệu

Kết luận: Việc cả 03 lò hơi được vận hành lò liên tục cung cấp hơi cho sản xuất

của nhà máy đều thừa công suất khi phụ tải yêu cầu đều thì lò hơi sẽ đáp ứngtốt cho quá trình công nghệ, tuy nhiên khi khảo sát tại tổ vận hành thì đôi lúckhi phụ tải hơi thay đổi lớn các lò hoạt động lại tăng tải chậm không đáp ứngđược yêu cầu công nghệ sản suất Do vậy để bộ điều khiển các lò hoạt độngđược tốt hơn đáp ứng tốt khi các phụ tải thay đổi, thì một trong các phươngpháp tổng hợp bộ điều khiển đạt hiệu quả cao là phương pháp tổng hợp bộđiều khiển theo quan điểm bền vững tối ưu được trình bày ở chương 3 củaluận văn

m

221

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG THEO

QUAN ĐIỂM BỀN VỮNG

3.1 Nhận dạng đối tượng điều khiển trong công nghiệp

Các đối tượng điều chỉnh thường gặp trong công nghiệp rất phong phú và đadạng, từ dạng đơn giản nhất, như những khâu tuyến tính điển hình một đầu vào mộtđầu ra (SISO), cho đến những dạng phức tạp nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO)

Các đối tượng điều khiển công nghiệp thường có quán tính bậc cao và có trễvận tải Nói chung chúng có tính chất phi tuyến và thường thay đổi một cách bấtđịnh, do điều kiện làm việc thay đổi Về cấu trúc, các đối tượng điều khiển côngnghiệp có thể chia thành hai loại, loại đối tượng nhiều đầu vào một đầu ra và loạiđối tượng có nhiều đầu vào nhiều đầu ra

3.1.1 Đối tượng một đầu ra

Đối tượng một đầu ra là loại đối tượng có thể một hay nhiều đại lượng đầu vào

nhưng chỉ có một đại lượng đầu ra (Hình 3.1) được kiểm soát và điều khiển Đại

lượng đầu ra của đối tượng bị thay đổi dưới sự tác động của một hay nhiều tín hiệu vào: µ(t), ν1(t), , ν1m(t)

Hình 3.1 Đối tượng một đầu ra

Trong đối tượng một đầu ra, có một tín hiệu vào µ(t) là tác động điều chỉnh,tạo bởi bộ điều chỉnh nhằm đưa đại lượng đầu ra trở về quỹ đạo mong muốn

Các tín hiệu ν1

ν1(t), , νm(t) là những chấn động xuất hiện dưới dạng nhiễu làm thay đổi đại lượngđầu ra lệch khỏi quỹ đạo mong muốn Các chấn động được phân biệt là chấn động bên trong và chấn động bên ngoài (nhiễu trong và nhiễu ngoài)

Chấn động bên trong (nhiễu trong) là những yếu tố ảnh hưởng đến đại lượngđầu ra theo kênh điều chỉnh Ngoài ra, sự ảnh hưởng nguy hại hơn của các chấn

động bên trong là chúng có thể làm thay đổi đặc tính động học của đối tượng và của

hệ thống nói chung

Các chấn động bên ngoài là những tác động nhiễu, ảnh hưởng đến đối tượng

từ môi trường xung quanh, có tên gọi là nhiễu ngoài Các nhiễu ngoài, nằm ngoàivòng điều chỉnh và không ảnh hưởng đến tính chất ổn định của hệ thống

Giả sử các đại lượng vào và ra của đối tượng thay đổi trong khoảng nhỏ, cho phép xấp xỉ và diễn tả bằng mô hình tuyến tính Khi đó, theo nguyên lý xếp chồng của đối tượng tuyến tính, ta có thể viết :

),()

()(

1

t y t

y t

y(t) - Đại lượng đầu ra, do các tín hiệu đầu vào tác động đồng thời

yµ(t) - Thành phần đại lượng ra, chỉ do tác động điều chỉnh µ(t) gây ra.)

(t

yνi - Thành phần đại lượng ra, do chấn động λi(t) gây ra

Công thức (3.1) có thể viết dưới dạng ảnh như sau:

i

i i m

i

s V s D s

M s O s Y s

Y s

Y

i

1 1

)()()

()()()

()

(3.2)Trong đó:

Vi(s) là ảnh laplace của νi(t)

M(s) là ảnh laplace của µ(t)

) s ( M

) s ( Y ) s

(

- hàm truyền của đối tượng theo kênh điều chỉnh

)(

)()(

s V

s Y s D

i i

i

ν

=

- hàm truyền của đối tượng theo các kênh nhiễu

Ví dụ : - Trong hệ thống điều chỉnh áp suất hơi đầu ra của lò hơi, thì tác động điều

chỉnh là độ mở của cơ cấu cấp nhiên liệu vào buồng đốt Các chấn động trong lànhiệt trị riêng của nhiên liệu, kích thước và độ ẩm của hạt than, v.v Các yếu tố nàytác động vào đối tượng theo cùng kênh với tác động điều chỉnh nhiên liệu và làmthay đổi công suất nhiệt tỏa ra trong buồng đốt và do đó làm thay đổi tốc độ sinhhơi và áp suất trong lò hơi

- Đối với hệ thống điều chỉnh mức nước trong bao hơi của lò hơi, khi mứcnước thay đổi, bộ điều chỉnh nhận được tín hiệu về độ tăng (giảm) của mứcnước sẽ tác động vào van điều chỉnh làm giảm (tăng) lưu lượng nước vào lòhơi Độ mở van điều chỉnh là tác động điều chỉnh.

Chấn động trong ở đây là sự thay đổi áp suất của đường nước trước van điềuchỉnh Yếu tố này không được xử lý trong bộ điều chỉnh nhưng ảnh hưởng đếnmức nước bao hơi theo cùng kênh với độ mở van

Mặt khác, khi áp suất đầu vào của van điều chỉnh thay đổi, thì độ mở van sẽxác lập ở vị trí mới trên đường đặc tính công tác của van, mà đặc tính công táccủa van thường là phi tuyến nên mô hình tuyến tính hóa của đối tượng ( baogồm van điều chỉnh) bị thay đổi theo Như vậy, tính chất động học của hệthống sẽ thay đổi thường xuyên trong quá trình làm việc

Chấn động bên ngoài của đối tượng điều chỉnh mức nước bao hơi là sự thayđổi áp suất trong bao hơi và lưu lượng hơi lấy ra theo nhu cầu tiêu thụ

Qua phân tích những ví dụ trên, ta thấy rằng muốn mô tả một cách đầy đủđặc tính động học của đối tượng điều khiển, cần biết tất cả các phương trình vi phân(hay hàm truyền) của đối tượng theo các kênh điều chỉnh và kênh nhiễu

Ngoài ra, cần xác định sự thay đổi mô hình động học của đối tượng do cácchấn động bên trong gây ra

3.1.2 Đối tượng nhiều đầu ra

Trong công nghiệp, các đối tượng điều chỉnh không đơn giản chỉ có một đầu ra mà thường gặp các đối tượng phức tạp, có nhiều đại lượng ra Trong quá trình làm việc, nó luôn luôn bị tác động bởi nhiều chấn động bên trong và chấn động bên ngoài Khi xây dựng hệ thống, đối với mỗi đại lượng ra của đối tượng này phải có một tác động điều chỉnh tương ứng để đảm bảo tính chất điều khiển được của hệ thống

Các đối tượng nhiều đầu ra có thể chia làm hai loại

Loại thứ nhất bao gồm các đối tượng, trong đó mỗi tác động đầu vào chỉ ảnh

hưởng đến một đại lượng đầu ra tương ứng Trong trường hợp này, một đối tượngphức tạp có thể phân tách thành các kênh tác động độc lập, mỗi kênh thể hiện là mộtđối tượng đơn lẻ

Đối tượng có nhiều đầu vào nhiều đầu ra, mà có thể phân tách thành cáckênh độc lập lẫn nhau, thì gọi là đối tượng tách được Đối với mỗi kênh có thể xây

m

1 21

y1

dựng một hệ điều khiển con độc lập một đầu ra Phương pháp thiết kế và hiệu chỉnh

hệ tách được hoàn toàn tương tự như đối với các hệ điều khiển một đầu ra

Loại thứ hai bao gồm các đối tượng, trong đó một tác động đầầ̀u vào có thể

ảnh hưởng đến nhiều đại lượng đầu ra khác Đối tượng loại này gọi là không táchđược (Non-autonom) hay gọi là đối tượng đa liên kết

Ví dụ dẫn trên Hình 3.2 là đối tượng tuyến tính với n tác động điều

khiển µi đầu vào và n đại lượng đầu ra yi Ngoài ra, tồn tại m chấn động nhiễu νi.Trong đối tượng này, mỗi tác động đầu vào có thể ảnh hưởng đến tất cả các đầu ra

Để ý rằng, để đảm bảo đối tượng là điều khiển được thì số tác động điều khiển luônluôn bằng số đại lượng đầu ra cần điều khiển

Hình 3.2 Đối tượng nhiều đầu ra

Theo nguyên lý xếp chồng của đối tượng tuyến tính đa liên kết, ta có thể tính đầu ra yi, như sau:

∑

∑= + =

j i n

j i

1

, 1

)

(3.3)Trong đó:

y iνj - thành phần tín hiệu ra thứ i do đầu vào νj(t) tác động riêng biệt

Nếu chuyển (3.3) sang dạng ảnh, ta có:

∑

∑= + =

j i n

j i

1

, 1

( ) ( )

(

1 1

s V s D s

M s O s

m j ij n

j

j ij

(3.4)Trong đó: Oij(s) - hàm truyền theo kênh µj→yi

Dij(s) - hàm truyền theo kênh λj→yi

Vj(s), Mj(s), Yi(s) - lần lượt là ảnh Laplace của các tín hiệu νj(t), µj(t),

Nếu xét các đầu vào và đầu ra dưới dạng véctơ, ta có:

) t ( y

) t ( y )

) t ( μ

) t ( μ ) t ( μ

n

2 1

) (

) ( )

m

ν

ν

νν

(3.5)Thực hiện biến đổi Laplace, ta được các véctơ ảnh tương ứng:

) s ( Y

) s ( Y )

) s ( M

) s ( M )

s ( M

n

2 1

) (

) ( )

1

s V

s V

s V s V

m (3.6)

Từ các công thức trên, ta biểu diễn đối tượng nhiều đầu ra (Hình 1.4) dưới

dạng ma trận truyền như sau:

Y(s) = O(s)M(s) + D(s)V(s) (3.7)Trong đó:

) s ( O ) s ( O

) s ( O ) s ( O

) s ( O

) s ( O ) s ( O ) s ( O

nn 2

1

n 22

21

n 12

) s ( D ) s ( D

) s ( D ) s ( D

) s ( D

) s ( D ) s ( D ) s ( D

nm 2

1

m 2 22

21

m 1 12

11

(3.8b)

O(s), D(s) - các ma trận truyền từ các đầu vào véctơ: µ(t) và ν(t) tương ứng

Mỗi phần tử trong ma trận truyền là một hàm truyền kênh, ví dụ: Oij(s) làhàm truyền theo kênh µj → yi; Dij(s) - hàm truyền theo kênh λj → yi

Lò hơi thuộc loại đối tượng đa liên kết khá phức tạp, trong đó, có thể nêu ra

5 thông số đầu ra chính, cần điều khiển Đó là công suất lò hơi (hay áp suất hơi),nhiệt độ hơi đầu ra, mức nước trong bao hơi, hàm lượng khí ôxy[%] thừa trong khóithải, áp suất khí trong buồng đốt