Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải trong công nghiệp xi măng

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Lê Thanh Liêm Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Lê Thanh Liêm

Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo lường điều khiển cho trạm

phát điện tận dụng nhiệt khí thải trong công nghiệp xi măng

Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa

Mã số SV: CB130968

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 28/04/2016 với các nội dung sau:

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Đăng Thảnh người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài Nhờ sự giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt tình của thầy em đã có được những kiến thức quý báu về cách thức nghiên cứu vấn đề cũng như nội dung của đề tài, từ đó em có thể hoàn thành tốt khoá luận tốt nghiệp của mình

Em cũng chân thành cám ơn sự hỗ trợ của Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ

“Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng hệ cảm biến thông minh không dây, ứng dụng cho Smart grid/ B2014-01-80”

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 04 năm 2016

Học viên thực hiện

Lê Thanh Liêm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

Hà Nội, tháng 04 năm 2016 Tác giả luận văn

Lê Thanh Liêm

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ

Hình 1.2 Sơ đồ thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống

Hình 1.4 Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý cơ bản của NM phát điện tận dụng

nhiệt thải theo chu trình Rankine dung môi hữu cơ 34 Hình 3.1 Sơ đồ khối của trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải 39 Hình 3.2 Sơ đồ điểm đo điển hình trạm phát điện 41 Bảng 3.3 Cân bằng khí của dây chuyền sản xuất theo thiết kế của nhà thầu F.L.Smidth 42

Bảng 3.12 Bảng giá trị các tham số sử dụng trong bộ PID 73

MỤC LỤC Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Danh mục các bảng, hình vẽ, sơ đồ

Mở đầu………1

Chương 1 - Ý nghĩa tận dụng nhiệt khí thải phát điện và nghiên cứu về các hệ thống đo lường điều khiển hiện nay ………….… ………….… ………… 3

1.1 Tổng quan……….… ……3

1.2 Ý nghĩa của việc tận dụng nhiệt khí thải để phát điện… …… …….…….7

1.3 Hệ SCADA……….……….…8

1.4 Hệ DCS……….……… 12

1.5 Kết luận……….………… …24

Chương 2 - Nhiệt khí thải trong công nghiệp sản xuất xi măng và quan điểm lựa chọn công nghệ, kỹ thuật phát điện tận dụng nhiệt khí thải……….………….………… …26

2.1 Nhiệt khí thải trong công nghiệp sản xuất xi măng…… …… ……… …26

2.2 Tổng quan về quan điểm lựa chọn công nghệ và kỹ thuật phát điện tận dụng nhiệt khí thải …… …… ……… ……… …… ……… …… …… 29

2.3 Công nghệ phát điện tận dụng Nhiệt khí thải theo chu trình Rankine hơi nước truyền thống (RC) ……….………….………… …31

2.4 Công nghệ phát điện tận dụng Nhiệt khí thải theo chu trình Rankine dung môi hữu cơ (ORC) ……… ……….………….……… 32

2.5 Kết luận……….……… 37

Chương 3 - Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải nhà máy xi măng Tam Điệp……….… …… …38

3.1 Giới thiệu sơ lược về Nhà máy xi măng Tam Điệp và mô tả dây chuyền công nghệ trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải ……….… …… …38

3.2 Tóm tắt công nghệ sản xuất xi măng và thông số kỹ thuật của một số thiết bị chính trong dây chuyền có liên quan……….…….…… ………42

3.3 Tính toán công suất phát của trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải Nhà máy xi măng Tam Điệp……….…….……….…….…… …… ………45 3.4 Giới thiệu các thiết bị cơ - nhiệt và thiết bị điện động lực chính trong trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải……….…….……….…….…… …… ……… ……50 3.5 Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống đo lường điều khiển trong trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải ……….…….……….…….…… …… ………….…… ……60 3.6 Thiết kế phần cứng….…….……….…….…… …… ………… …… ……62 3.7 Thiết kế bộ điều khiển…….……….…….…… …… ………… …… ……63

Kết luận và hướng phát triển của Đề tài

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài

Theo số liệu thống kê của Bộ Xây dựng, năm 2014, tổng tiêu thụ xi măng đạt

71 triệu tấn sản phẩm, trong đó nội địa là 50,6 triệu tấn và xuất khẩu là 20,4 triệu tấn Tuy nhiên, ngành công nghiệp xi măng Việt Nam hiện đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức như giá điện, than, dầu… tăng liên tục làm ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất kinh doanh và tính cạnh tranh giá cả sản phẩm trên thị trường Tình trạng thiếu điện xảy ra cũng đã ảnh hưởng đến sản lượng sản xuất và tiêu thụ của các Nhà máy xi măng Đứng trước những thách thức đó, việc tận dụng nhiệt thừa trong các nhà máy xi măng để phát điện là một việc làm thiết thực và có ý nghĩa rất lớn nhất là hiện nay theo báo cáo của ngành điện chỉ đảm bảo được 80% năng lượng điện cho ngành xi măng từ nay đến năm 2020, còn lại 20% ngành xi măng phải tự

lo Do đó việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế đầu tư xây dựng trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải cho các nhà máy xi măng là bắt buộc và phù hợp với Quyết định

số 1488/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch phát triển công nghiệp xi măng Việt Nam giai đoạn 2011 - 2020 và định hướng đến năm 2030 Các

dự án xi măng đầu tư mới có công suất lò nung từ 2.500 tấn clanhke/ngày trở lên, phải đầu tư ngay hệ thống thiết bị tận dụng nhiệt khí thải để phát điện, trừ các dây chuyên sản xuất xi măng sử dụng chất thải công nghiệp và rác thải làm nhiên liệu; đối với các nhà máy xi măng đang hoạt động và các dự án xi măng đang triển khai đầu tư nhưng đã ký hợp đồng cung cấp thiết bị trước ngày Quyết định này có hiệu lực, phải hoàn thành đầu tư hạng mục này trước năm 2015

Theo số liệu thực tế của các Nhà máy đã lắp đặt trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải thì các nhà máy xi măng có thể tiết kiệm được tới 20% chi phí điện hàng năm và giảm lượng khí thải CO2 ra môi trường Trên thế giới có rất nhiều nhà máy xi măng đã đưa vào sử dụng hệ thống tận dụng nhiệt khí thải để phát điện Tại Việt Nam đã có một số nhà máy xi măng đã lắp đặt hệ thống tận dụng nhiệt khí thải

để phát điện như: Nhà máy xi măng Hà Tiên 2, Chinfon, Công Thanh Đề tài

“Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng

nhiệt khí thải trong công nghiệp xi măng” là bước nghiên cứu ban đầu để lập dự án,

cũng như lắp bắt sơ đồ công nghệ, hệ thống đo lường điều khiển, làm chủ hệ thống khi đầu tư hệ thống vào thực tiễn

2 Mục đích nghiên cứu

Bản luận văn nghiên cứu về hệ thống đo lường điều khiển, công nghệ và kỹ thuật phát điện tận dụng nhiệt khí thải và ứng dụng để thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải Nhà máy xi măng Tam Điệp

3 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu về nhiệt khí thải trong công nghiệp xi măng

Nghiên cứu về hệ Scada và DCS

Quan điểm lựa chọn công nghệ và kỹ thuật phát điện nhiệt khí thải

Tính toán công suất phát của trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải

Nghiên cứu hệ thống đo lường, điều khiển ứng dụng cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Đề tài

Thiết lập mô hình hệ thống đo lường và điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải nhà máy xi măng Vicem Tam Điệp

5 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và các phụ lục, nội dung chính của luận văn được chia thành 3 chương như sau:

Chương 1: Ý nghĩa tận dụng nhiệt khí thải phát điện và nghiên cứu về các hệ thống đo lường điều khiển hiện nay

Chương 2: Nhiệt khí thải trong công nghiệp sản xuất xi măng và quan điểm lựa chọn công nghệ, kỹ thuật phát điện tận dụng nhiệt khí thải

Chương 3: Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển cho trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải nhà máy xi măng Tam Điệp

Chương 1: Ý NGHĨA TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI

PHÁT ĐIỆN VÀ NGHIÊN CỨU VỀ CÁC HỆ THỐNG

ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN HIỆN NAY 1.1 Tổng quan

Công nghệ sản xuất xi măng hiện nay sử dụng các nguồn năng lượng chính là điện và than; Việc sử dụng than trong quá trình sản xuất clinker đã phát tán ra môi trường một lượng khí CO2 và một lượng nhiệt thải khá lớn dẫn đến làm ô nhiễm môi trường, gây lãng phí nguồn năng lượng Lượng nhiệt, khí thải phát tán ra ít hoặc nhiều tuỳ thuộc mức độ tiên tiến của phương pháp công nghệ cũng như thiết bị trong dây chuyền sản xuất xi măng Ngày nay, các nhà thiết kế và cung cấp thiết bị cho các dây chuyền sản xuất xi măng đã chú ý đến việc áp dụng nhiều biện pháp cải tiến công nghệ và tận thu nhiệt thừa nhằm hạn chế đến mức thấp nhất lượng nhiệt lãng phí Xét

về khía cạnh khác, việc đốt nhiên liệu hoá thạch (than) cũng là một trong số nguyên nhân chủ yếu gây nên hiệu ứng nhà kính gây ảnh hưởng lớn đến biến đổi khí hậu trái đất Chính vì lẽ đó mà Liên hợp quốc ưu tiên thực hiện các dự án tái tạo nguồn năng lượng và cải thiện môi trường nhằm giảm hiệu ứng nhà kính toàn cầu

Từ cuối những năm 60 thế kỷ XX, một số quốc gia đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu kỹ thuật phát điện từ nguồn nhiệt thải nhiệt độ vừa và thấp, đến giữa những năm

70 hệ thống cấp nhiệt và thiết bị máy phát điện đã trong giai đoạn ứng dụng thực tế Trên thế giới đã có nhiều nước lắp đặt trạm phát điện nhiệt khí thải vào dây chuyền

xi măng, phổ biến ở một số nước châu Á Tại Nhật Bản, kỹ thuật này đã trở nên thành thục, họ đã nghiên cứu và chế tạo các loại lò hơi tận dụng nhiệt khí thải và các tua bin hơi sử dụng hơi nước sử dụng ở nhiệt độ vừa và thấp; các thiết bị này đã được lắp đặt tại nhiều nhà máy xi măng, đã hoạt động rất tin cậy, đạt hiệu quả cao Năm

2000, Tổ chức phát triển nguồn năng lượng mới NEDO của Nhật Bản đã lắp đặt cho Việt Nam một hệ thống thiết bị trạm phát điện nhiệt khí thải công suất 2.950 kW, lắp cho dây chuyền lò nung số 1 năng suất 3.000 tấn clinker/ngày của Nhà máy xi măng Kiên Lương - Công ty Cổ phần Xi măng Hà Tiên 1 Sau hơn 10 năm hoạt động, trạm

phát điện tận dụng nhiệt khí thải tại Nhà máy xi măng Kiên Lương vẫn đang hoạt động ổn định, mang lại lợi ích kinh tế - xã hội, tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường; làm giảm đáng kể giá thành sản xuất xi măng; hệ thống thiết bị của trạm phát điện làm việc tin cậy và ổn định, không làm ảnh hưởng tới việc vận hành của dây chuyền sản xuất xi măng

Đối với Việt Nam nền kinh tế đang trên đà phát triển mạnh mẽ; nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một nhiều, trong khi nguồn cấp điện đang thiếu hụt khá lớn Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 và định hướng tới năm

2030, theo phương án phụ tải cao tới năm 2020 chúng ta cần bổ sung 55.000 MW, tới năm 2030 bổ sung thêm 71.800MW, trong đó EVN chỉ có khả năng đầu tư một phần, còn lại phải huy động từ các ngành khác (kể cả việc phải mua điện từ Trung Quốc) Nguyên nhân chủ yếu là do tốc độ phát triển các nhà máy điện chưa đáp ứng yêu cầu (thường chậm tiến độ), các nguồn nhiên liệu hoá thạch ngày càng cạn kiệt và giá không ngừng tăng cao, một số nguồn năng lượng đang bị bỏ phí hoặc sử dụng không hiệu quả Để khắc phục tình trạng này Đảng và Nhà nước đã vạch ra đường lối chỉ

đạo và hoạch định chính sách rất cụ thể nhằm: “Tiết kiệm, sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng hiện có, khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên; quan tâm đầu tư cho lĩnh vực môi trường, nhất là các hoạt động thu gom, tái chế, sử dụng lại nhiệt thải”

Chính vì vậy việc nghiên cứu và áp dụng các giải pháp kỹ thuật sử dụng nguồn khí thải để phát điện là một trong những yêu cầu chính yếu được nhiều cơ quan, tổ chức nhà nước và doanh nghiệp sản xuất, kinh doanh quan tâm

Ngày 29/08/2011, Thủ tướng đã ban hành Quyết định số 1488/QĐ-TTg phê duyệt Quy hoạch phát triển công nghiệp xi măng Việt Nam giai đoạn 2011 - 2020 và định hướng đến năm 2030 Các dự án xi măng đầu tư mới có công suất lò nung từ 2.500 tấn clanhke/ngày trở lên, phải đầu tư ngay hệ thống thiết bị tận dụng nhiệt khí thải để phát điện, trừ các dây chuyên sản xuất xi măng sử dụng chất thải công nghiệp và rác thải làm nhiên liệu; đối với các nhà máy xi măng đang hoạt động và các dự án xi măng đang triển khai đầu tư nhưng đã ký hợp đồng cung cấp thiết bị trước ngày Quyết định này có hiệu lực, phải hoàn thành đầu tư hạng mục này trước năm 2015

Với vai trò là ngành công nghiệp sản xuất vật liệu then chốt, công nghiệp xi măng

có một vị trí rất quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Trước hết công nghiệp xi măng là một trong những ngành có tỷ trọng đóng góp cho ngân sách Nhà nước cao, góp phần làm tăng nhanh tổng sản phẩm xã hội (số liệu thống kê nhiều năm gần đây cho thấy ngành xi măng đóng góp từ 10-12% GDP của toàn ngành công nghiệp) Công nghiệp xi măng phát triển thu hút được một lực lượng lao động lớn, góp phần vào việc giải quyết tình trạng dư thừa lao động cho xã hội Sự phát triển của công nghiệp xi măng cũng thúc đẩy nhiều ngành công nghiệp và dịch vụ khác cùng phát triển như các ngành cơ khí, giao thông, năng lượng, xây dựng, tư vấn, thiết kế Việc hình thành các nhà máy xi măng cũng đồng thời tạo nên các khu dân cư tập trung là tiền đề cho việc hình thành các khu đô thị mới góp phần vào sự nghiệp đô thị hoá đất nước

Nhận thức được vai trò quan trọng đó, Nhà nước đã quan tâm đặc biệt tới ngành công nghiệp xi măng với mục tiêu khai thác tối đa các tiềm năng và nguồn lực sẵn có trong nước như nguyên, nhiên liệu, con người để đầu tư phát triển sản xuất, tạo ra sản phẩm phục vụ cho công cuộc kiến thiết xây dựng các cơ sở vật chất xã hội

Theo quy hoạch Điện VII, nhu cầu tiêu thụ điện năng toàn quốc sẽ tăng từ 14% - 16%/năm cho giai đoạn 2011-2015, khoảng 11,5% cho giai đoạn 2016-2020 và khoảng 7,4% - 8,4% cho giai đoạn 2021-2030 Với quy hoạch này, hiện nay EVN cũng đang phải đối mặt với nhiều khó khăn Vấn đề thứ nhất, đó là nguồn vốn Theo những số liệu trên rõ ràng nhu cầu vốn đầu tư là con số quá lớn đối với nền kinh tế đất nước Theo đánh giá chung, nhu cầu vốn đầu tư cần huy động giai đoạn 2010-

2025 cho các dự án điện, trung bình hàng năm sẽ không dưới 5-6 tỷ USD Trong khi

đó Theo báo cáo của EVN và Bộ Công Thương, trong những năm gần đây do kinh doanh gặp nhiều khó khăn nên việc tích lũy nguồn vốn tự có cũng hạn chế Để tạo nguồn vốn cho đầu tư phát triển theo Quy hoạch điện VII, EVN đang tập trung một

số giải pháp như tiết giảm chi phí, tăng doanh thu và vay vốn Tuy nhiên, tính khả thi của tăng doanh thu trên cơ sở tăng giá điện sẽ gặp khó khăn vì phải tính đến sức chịu đựng của các doanh nghiệp, người dân và nguy cơ lạm phát của nền kinh tế Về vay

vốn, đặc biệt vay vốn nước ngoài của EVN cũng không hề dễ dàng vì dư nợ của EVN hiện nay là lớn Ngoài ra, các khoản nợ của EVN tại các ngân hàng trong nước cũng không hề nhỏ Khó khăn nữa đó là, Quy hoạch điện VII đã chỉ ra, đến năm 2015 sẽ phải nhập khẩu than cho điện Đây là những bất cập không chỉ về giá mà còn là vấn

đề chủ động trong sản xuất kinh doanh Trong khi mỗi nhà máy nhiệt điện than cần

số vốn tới hàng tỷ USD nên cần tính toán cân nhắc kỹ trong đầu tư để tận dụng tuổi thọ cho nhà máy sao cho khỏi lãng phí Hoặc các mỏ khí chỉ tồn tại 15-20 năm, các máy điện hạt nhân phải nhập nguyên liệu từ nước ngoài… Vì vậy, việc xây dựng nhà máy tuabin khí hay nhà máy điện hạt nhân cũng phải tính toán kỹ để đảm bảo tính hợp lý trong khâu đầu tư

Theo Quyết định của Thủ tướng Chính phủ, Quy hoạch Điện VII xác định mục tiêu ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo (điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối, ) cho sản xuất điện Phát triển nhanh, từng bước tăng tỷ trọng của điện năng từ sản xuất từ nguồn năng lượng này từ mức 3,5% năm 2010, lên 4,5% tổng điện năng sản xuất vào năm 2020 và đạt 6% vào năm 2030 Qui hoạch này cũng khuyến khích đầu tư phát triển vào ngành điện, sử dụng điện tiết kiệm và hiệu quả

Qua các phân tích nêu trên, có thể thấy rõ Chính phủ đang khuyến khích các dự

án phát điện dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo, các nguồn nhiệt thừa, khuyến khích sử dụng điện tiết kiệm và hiệu quả Chính vì lẽ đó, việc nghiên cứu tìm kiếm các nguồn cung cấp mới hoặc tận dụng các nguồn năng lượng dư thừa sẵn có để phát

bổ sung cho nhu cầu điện năng trong giai đoạn tới là hướng đi thiết thực Theo tốc độ đầu tư các dự án xi măng như hiện nay, đến năm 2020 trên lãnh thổ Việt Nam sẽ có hơn 100 dây chuyền có công suất trên 2500 tấn clinker/ngày, sản xuất xi măng theo phương pháp khô với sản lượng xi măng lên đến 130 triệu tấn, đến năm 2030 thêm khoảng 6 dây chuyền, đưa sản lượng xi măng toàn quốc sẽ lên tới 140 triệu tấn Nếu 50% các dây chuyền lắp đặt hệ thống tận dụng nhiệt thừa để phát điện thì sẽ có thêm khoảng 220 MW tương đương 1 nhà máy nhiệt điện cỡ vừa và đây là một con số đáng kể vừa mang lại hiệu quả cho Nhà máy sản xuất xi măng, vừa góp phần khắc phục sự thiếu hụt điện năng trong toàn quốc

1.2 Ý nghĩa của việc tận dụng nhiệt khí thải để phát điện

Thực tế trên thế giới đã có nhiều nước lắp đặt trạm phát điện khí thải vào dây chuyền xi măng Ở châu Á, Nhật Bản đã nghiên cứu và chế tạo các lò hơi tận dụng nhiệt khí thải và các tuốc bin sử dụng hơi nước Năm 2000, Tổ chức phát triển nguồn năng lượng mới NEDO của Nhật đã tặng cho Việt Nam một hệ thống thiết bị trạm phát điện nhiệt khí thải công suất 2.950 kWh lắp vào dây chuyền xi măng hệ khô lò quay công suất clinker 3.000 tấn/ngày tại Nhà máy xi măng Hà Tiên 2 Sau 7 năm hoạt động, trạm phát điện nhiệt khí thải tại Nhà máy xi măng Hà Tiên 2 đã phát ra

105 triệu kWh, mang lại lợi ích rõ rệt trên các phương diện kinh tế xã hội, tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường, làm giảm giá thành sản xuất xi măng, hệ thống thiết

bị của trạm phát điện làm việc ổn định, không ảnh hưởng tới sản xuất xi măng

Việc đầu tư một trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải là hết sức cần thiết phù hợp với chiến lược và quy hoạch phát triển ngành xi măng, phù hợp với chính sách Nhà nước về tiết kiệm, đáp ứng nhu cầu đòi hỏi của thực tế Đồng thời nó cũng tận dụng được các điều kiện thuận lợi về năng lực và cơ sở hạ tầng kỹ thuật hiện có của các Công ty xi măng Về mặt kỹ thuật, đầu tư một trạm phát điện tận dụng khí thải trong nhà máy xi măng có thể cung cấp cho dây chuyền sản xuất xi măng một lượng điện chiếm khoảng 20%÷25% lượng điện tiêu thụ từ lưới điện, làm cho công việc vận hành dây chuyền được ổn định hơn, giảm tổn thất điện năng trong truyền tải, góp phần quan trọng trong việc giảm chi phí năng lượng đầu vào, sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu, cải thiện môi trường và mang lại lợi ích lớn lao về kinh tế và xã hội Kinh tế nước ta đang phát triển rất mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một cao hơn, nhiều hơn, trong khi đó điện lại thiếu trầm trọng, tốc độ phát triển các nhà máy điện chưa đáp ứng yêu cầu, thường chậm tiến độ, các nguồn nhiên liệu hóa thạch trở nên đắt đỏ, một số nguồn năng lượng đang bị bỏ phí hoặc sử dụng không hiệu quả Việc xây dựng một tổ hợp, bộ phận bên cạnh nhà máy thu hồi nhiệt thải công nghiệp nói chung và trong ngành xi măng nói riêng là một lựa chọn mang tính kinh tế và góp phần bảo vệ môi trường trong sạch Đưa vào thực tế mô hình này là

một thành tựu về khoa học công nghệ đột phá về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, đưa năng suất xanh vào ngành công nghiệp sản xuất xi măng, giúp ngành Xi măng phát triển theo hướng bền vững, an toàn và hiệu quả

1.3 Hệ SCADA

1.3.1 Định nghĩa

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông Nói cách khác, SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau:

- Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến

- Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được

- Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý

- Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của nhà máy

- Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính xác

1.3.2 Phân loại hệ SCADA

Các hệ thống SCADA được phân làm bốn nhóm chính với các chức năng:

- SCADA độc lập / SCADA nối mạng

- SCADA không có khả năng đồ hoạ / SCADA có khả năng xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực

Bốn nhóm chính của hệ thống SCADA:

Hệ thống SCADA mờ (Blind): Đây là hệ thống đơn giản, nó không có bộ phận

giám sát Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị

Do tính đơn giản nên giá thành thấp

Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực: Đây là hệ thống SCADA

có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờ tập tin cấu hình của máy khai báo trước đấy mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản xuất

Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt động của hệ thống Khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo cho người vận hành để xử lý kịp thời Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển dừng hoạt động của tất cả máy móc

Hệ thống SCADA độc lập: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với

một bộ vi xử lý Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máy móc Vì vậy hệ

này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết

Hệ thống SCADA mạng: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với

nhiều bộ vi xử lý Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau Hệ này có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất Qua mạng truyền thông, hệ thống được kết nối với phòng quản lý, phòng điều khiển, có thể nhận quyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế Từ phòng điều khiển có thể điều khiển hoạt động của các thiết bị ở xa

1.3.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA

Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần chính là: MTU, RTU và thành phần truyền thông

Hình 1.1: Cấu trúc một hệ SCADA đơn giản

Hình 1.2: Sơ đồ thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA

Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống SCADA hiện đại

1.3.3.1 MTU ( Master Terminal Unit)

MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực tế nó thường là một hệ máy tính công nghiệp MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối

Đối tượng điều khiển

RTU

CS MTU

Giám sát

viên

Configuration and maintenance

Analog I/O, Discrete I/O

Flow measur.

T Temp measur.

P Pressure

Control objects

Realtime DB

SCADA Station SCADA Station VB, C++Applications Web

Server Modules of factoryresource management Relation DB

truyền thông Ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như monitor, máy in và có thể kết nối với mạng truyền thông

Nhiệm vụ của MTU bao gồm:

- Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hành

- Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU

- Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng như trạng thái của các thiết bị lên màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điều khiển

- Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác

1.3.3.2 RTU (Remote Terminal Unit)

RTU thu nhận thông tin từ xa, thường đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu và thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo… gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết trạng thái hoạt động của các thiết bị hiện trường Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển hoạt động của các thiết bị theo yêu cầu

Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có các máy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ xa mà không cần định hướng của MTU

1.3.3.3 Khối truyền thông

Là truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau gồm phần cứng và phần mềm Phần cứng: là các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền và các thiết bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây_ wireless), các trạm lặp (trong trường hợp truyền đi xa

Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập trình được dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau

CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông Các giao thức có thể là giao thức mở như TCP\IP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng Những luồng thông tin được tổ chức theo mô hình

7 lớp ISO/OSI Mô hình OSI được sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông

tin với các giao thức Truyền thông và dữ liệu RTU nhận thông tin của nó nhờ vào sự nhận dạng mã trong dữ liệu truyền Dữ liệu này được biên dịch và được CPU điều khiển thích hợp tác động tại chỗ

1.3.4 Lợi ích của hệ thống SCADA

- Tăng hiệu quả và độ tin cậy:

+ Giám sát tập trung

+ Đánh giá được trạng thái của toàn bộ hệ thống

- Giảm chi phí vận hành:

+ Vận hành tập trung, tối thiểu hóa được lượng nhân viên vận hành

+ Cho phép vận hành tối ưu toàn hệ thống

- Vận hành an toàn:

+ Hạn chế được sai sót trong các thao tác

+ Đánh giá được tác động của vận hành đến các khu vực khác nhau

1.4 Hệ DCS

1.4.1 Mô hình phân cấp hệ thống

Hệ thống điều khiển trong công nghiệp có thể chia thành 5 cấp như sau:

Hình 1.4: Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát

Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điểu khiển và giám sát Tuy nhiên, biểu thi hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành sản xuất) giúp ta hiểu thêm mô hình lý tưởng một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp

Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường,

truyền động, và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiêt Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (Sensor) hay cơ cấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/ truyền động được chính xác

Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ

các cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ cấu chấp hành Khi còn điều khiển thủ công, thì các nhiệm

vụ đó được các người đứng máy thao tác trực tiếp đảm nhận qua việc theo dõi các thiết bị đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như: đóng mở van, bấm nút, điều chỉnh cần gạt, núm xoay.Trong một hệ thống điều khiển tự động hiện đại những nhiệm vụ đó được thực hiện thông qua điều khiển bằng máy tính

Cấp điều khiển giám sát: Có chức năng giám sát và vận hành một quá

trình kỹ thuật Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ thống được các cấp dưới thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức( ví dụ trong chế biến dược phẩm, hoá chất) Khác với cấp dưới cấp điều khiển giám sát không đòi hỏi phương tiện đặc biệt, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy

tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, terminal ) Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị

Cấp điều hành sản xuất: Nhiệm vụ của cấp điều hành sản xuất là nhận các

thông tin về trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy, cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Đồng thời cấp điều hành sản xuất có nhiệm

vụ xử lý các số liệu, lập kế hoạch sản xuất, ra quyết định bảo dưỡng máy móc, tối

ưu hoá sản xuất và đưa các thông tin về các thông số thiết kế, công thức điều khiển, và mệnh lệnh điều hành xuống cấp dưới Mặt khác cấp điều hành sản xuất còn có chức năng là trao đổi thông tin với cấp quản lý công ty Cấp điều hành sản xuất bao gồm các máy tính văn phòng nối mạng cục bộ với nhau

Cấp quản lý công ty: Cấp quản lý công ty là cấp trên cùng trong mô hình

phân cấp hệ thống Nhiệm vụ của cấp này trao đổi thông tin giữa công ty và khách hàng thông qua thư điện tử, hội thảo từ xa, dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử Cấp quản lý công ty còn có nhiệm vụ tính toán giá thành, kế hoạch sản xuất, thống kê tài nguyên, xử lý đơn đặt hàng Để kết nối các cấp trong hệ thống phân cấp với nhau ta sử dụng các hệ thống bus

Bus trường: Là các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để

kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị của cấp chấp hành, hay các thiết bị trường Đặc trưng cơ bản của bus trường là tính năng thời gian thực phải cao, yêu cầu về lượng thông tin thì không cao Các hệ thống bus trường thường sử dụng là: Profibus, ControlNet, Modbus, Foundation Fieldbus, DeviceNet, AS-i, EIB

Bus hệ thống, Bus quá trình: Dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các

máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau Qua bus hệ thống các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho trạm kỹ thuật và trạm quan sát Đối với Bus hệ thống, tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi

về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không Thời gian phản ứng thông thường trong khoảng vài trăm miligiây Trong khi đó lưu lượng

thông tin lớn hơn nhiều so với bus trường Các hệ thống bus trường tiêu biểu: Ethernet, Industrial Ethernet, Profibus-FMS, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet

Mạng xí nghiệp: Là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối các

máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Mạng

xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực Việc trao đổi dữ liệu diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hành Mbyte Hai loại mạng chủ yếu được dùng là Ethernet và Token-Ring trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX

Mạng công ty: Đặc trưng của mạng công ty là gần với một mạng

viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm

vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật Mạng công ty thường sử dụng các loại mạng có tốc độ truyền thông và độ an toàn tin cậy đặc biệt cao, chẳng hạn như: Fast Ethernet, FDDI, ATM,

1.4.2 Hệ thống điều khiển phân tán DCS

1.4.2.1 Phân loại các hệ thống điều khiển phân tán DCS

1.4.2.1.1 Các hệ DCS truyền thống

Các hệ DCS truyền thống thường sử dụng các bộ điều khiển đặc chủng theo cấu trúc chung của nhà sản suất Các hệ thống này có thể kép kín và không theo các chuẩn truyền thông trong công nghiệp

Các PLC có nhiệm vụ thu thập số liệu từ các thiết bị hiện trường có cổng ghép nối

RS, sau đó đưa kết quá lên module phân tán Các module phân tán sẽ xử lý tín hiệu

và đưa ra quyết dịnh điều khiển thông qua các PLC, đồng thời module phân tán cũng gủi các thông tin thông qua mạng truyền tin tốc độ cao về hệ thống máy tính trung

tâm Khi người vận hành ra quyết định điều khiển một quá trình nào đó, máy tính sẽ truyền lệnh đó xuống hệ điều khiển hiện trường và hệ này sẽ thực hiện công đoạn cần thiết của điều khiển quá trình theo yêu cầu

Ưu điểm của hệ thống:

+ Có thể điều khiển từng điểm trực tiếp từ màn hình trạm vận hành trung tâm

+ Có chế độ dự phòng cho CPU và nguồn cung cấp

Nhược điểm của hệ thống:

và giao diện Bus trường, Bus hệ thống

Ưu điểm của hệ thống:

+ Tính năng mở khả năng đáp ứng tự do

+ Khả năng tính toán cao và đa chức năng

+ Các cải tiến lớn trong kỹ thuật máy tính, công nghiệp phần mềm và công nghệ

Bus trường chính là yếu tố thúc đẩy khả năng cạnh tranh của PC ứng dụng trong công nghiệp

1.4.2.2 Mô hình hệ thống điều khiển phân tán

Cấu hình cơ bản của một hệ thống điều khiển phân tán đựơc minh hoạ trên hình

vẽ bao gồm các thành phần sau:

+ Các trạm điều khiển cục bộ(LCS-Local Control Station), đôi khi còn được gọi là các khối điều khiển cục bộ (LCU-Local Control Unit) hoặc các trạm quá trình (PS-Process Station)

+ Các trạm vận hành (OS - Operator Station)

+ Các trạm kỹ thuật (ES – Engineering Station) và các công cụ phát triển

+ Bộ cung cấp nguồn, thông thường là có dự phòng

+ Khối xử lý trung tâm (CPU), có thể lựa chọn loại có dự phòng

+ Giao diện với bus hệ thống, thông thường cũng có dự phòng

+ Giao diện với bus trường, nếu sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán

+ Các module vào/ra số cũng như tương tự, các module vào ra an toàn cháy

nổ

Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ đảm nhiệm bao gồm:

+ Điều khiển quá trình: Điều khiển các mạch vòng kín (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ PH, độ đậm đặc ) Hầu hết các mạch vòng đơn được điều khiển trên cơ sở luật PID, giải quyết bài toán điều khiển điều chỉnh, điều khiển tỉ lệ

Các hệ thống hiện đại cho phép điều khiển mờ điều khiển dựa theo mô hình, điều khiển thích nghi

+ Điều khiển trình tự (Sequential Control)

+ Điều khiển Logic

+ Điều khiển theo công thức (Recipe Control)

+ Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố hệ thống

+ Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc với trạm vận hành

+ Nhận biết các trường hợp quá ngưỡng giới hạn và đưa ra các cảnh báo, báo động

Chính vì đây là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống, đại đa số các trạm điều khiển cục bộ có tính năng kiểm tra và sửa lỗi, cũng như cho phép lựa chọn cấu hình dự phòng Một điều quan trọng là một trạm điều khiển cục bộ phải có khả năng đảm bảo tiếp tục thực hiện các chức năng nói trên trong trường hợp trạm vận hành hoặc đường truyền bus gặp sự cố

Các máy tính điều khiển có thể là máy tính đặc chủng của nhà cung cấp, PLC hoặc máy tính cá nhân công nghiệp Dựa trên cơ sở này có thể phân loại các

hệ thống điều khiển phân tán hiện nay: Các hệ trên nền PLC (PLC Base DCS) và các

hệ trên nền PC (Computer Base DCS)

Bất kể chủng loại thiết bị nào được sử dụng, các yêu cầu quan trọng nhất về mặt

kỹ thuật được đặt ra cho một trạm điều khiển cục bộ là:

+ Tính năng thời gian thực

+ Độ tin cậy và tính sẵn sàng

+ Lập trình thuận tiện cho phép sử dụng/ cài đặt các thuật toán cao cấp

+ Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic)

1.4.2.2.2 Trạm vận hành

Trạm vận hành thực hiện chức năng giao dịch người/máy, hiển thị các thông tin của hệ thống Trạm vận hành và trạm kỹ thuật được đặt tại phòng điều khiển trung

tâm Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau Để tiện cho việc vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một phận đoạn hoặc một phân xưởng Tuy nhiên, các phần mềm chạy trên tất

cả các trạm hoàn toàn giống nhau, vì thế trong trường hợp cần thiết mỗi trạm đều có

thể chạy thay thết chức năng của các trạm khác

Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có:

+ Hiển thị hình ảnh quá trình (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và quá khứ

+ Hiển thị hình ảnh đồ hoạ tự do: Lưu đồ công nghệ, các phím điều khiển + Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu, các hệ thống hướng dẫn chỉ đạo và hướng dẫn trợ giúp

+ Tạo và quản lý các công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ)

+ Xử lý các sự kiện sự cố

+ Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu

+ Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống

+ Hỗ trợ lập báo cáo tự động

Khác với các trạm điều khiển, hầu hêt các hệ DCS hiện đại đều sử dụng các sản phẩm thương mại thông dụng như máy tính các nhân (công nghiệp) chạy trên nền Windows NT/2000, hoặc các máy tính chạy trên nền UNIX Cùng vơi các màn hình màu lớn với độ phân giải cao để theo dõi quá trình sản xuất, một trạm vận hành hiên đại bao giờ cũng có các thiết bị thao tác chuẩn như bàn phím, chuột Một trạm vận hành có thể bố trí theo kiểu một người sử dụng hoặc nhiều người sử dụng với nhiều Terminal

Các phần mềm trên trạm vận hành bao giờ cũng đi kềm đồng bộ với hệ thống, song thường hỗ trợ các chuẩn phần mềm và chuẩn giao tiếp công nghiệp TCP/IP, DDE (Dynamic Data Exchange), OLE(Object Linking Embedding), ODBC (Open Data Base Connection), OPC(OLE for Process Control)

Hình 1.6: Các phương pháp bố trí trạm vận hành 1.4.2.2.3 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển

Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người máy, đặt cấu hình và tham số hoá các các thiết bị trường Việc tạo ứng dụng điều khiển hầu hết được thực hiện theo phương pháp khai báo, đặt tham số và ghép nối các khối chức năng có sẵn trong thư viện Cũng như các trạm vận hành, thiết bị

sử dụng thông thường là các máy tính các nhân (công nghiệp) chạy trên nền Windows 95 – 98 - 2000 – NT hoặc UNIX

Một số đăc tính tiêu biểu của các công cụ phát triển trạm kỹ thuật là:

- Các công cụ phát triển được tích hợp sẵn trong hệ thống

- Công việc phát triển không yêu cầu có phần cứng DCS tại chỗ

- Các ngôn ngữ lập trình thông dụng là: FBD, CFC, SFC

- Một dự án có thể do nhiều người cùng phối hợp phát triển song song

- Giao diện với các hệ thống cấp trên(CAD/CAM, MES, PPS, ERP, )

Để việc phát triển hệ thống phần mềm được thuận lợi, các nhà sản xuất cung cấp các thự viện khối hợp chuyên dụng Bên cạnh đó, nhiều nhà sản xuất cũng cung cấp nhiều phần mềm mô phỏng để người phát triển hệ thống có thể tạo các đầu vào/ra mô phỏng, giúp cho việc phát triển phần mềm được chắc chắn, an toàn hơn Trong một hệ thống người ta không phân biệt giữa trạm vận hành và trạm kỹ thuật, mà sử dụng một bàn phím có khoá chuyển qua lại giữa hai chế độ

Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus hệ thông là lưu lượng thông tin lớn, vì vậy tôc độ đường truyền phải tương đối cao Tính năng thời gian thực cũng là một yêu cầu được đặt ra (nhất là đối với bus điều khiển), tuy nhiên không nghiêm ngặt như đối với bus trường Số lượng trạm tham gia thường khôngn lớn và nhu cầu trao đổi dữ liệu kông có đột biến lớn Vì vậy đối với mạng Ethernet, thường sử dụng phương pháp truy cập bus CSMA/CD

1.4.2.2.5 Bus trường và các trạm vào ra từ xa

Khi sử dụng cấu trúc vào ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ được

bổ sung các module giao diện bus để nối với các trạm vào ra phân tán và một số thiết bị trường thông minh

Chức năng :

+ Ghép nối trạm điều kiển với trạm vào/ra phân tán

+ Ghép nối trạm điều kiển trực tiếp với các thiết bị trường

Đặc điểm kĩ thuật :

+ Mạng tốc độ thấp hoặc vừa phải

+ Yêu cầu về tính năng thời gian thực

+ Yêu cầu về độ tin cậy, đặc biệt là trong các môi trường cháy nổ

Các bus trường thông dụng là: Profibus-DP, Foundation FieldBus, DeviceNet

và AS-I Trong môi trường dễ cháy nổ thì Profibus-PA và Foundation FieldBus H1

là hai hệ được sử dụng phổ biến nhất

1.4.2.2.6 Các trạm vào ra từ xa

Một trạm vào/ra từ xa thực chất có cấu trúc không khác lắm so với một trạm điều khiển cục bộ, duy chỉ thiếu khối xử lý trung tâm cho chức năng điều khiển Thông thường, các trạm vào/ra từ xa được đặt rất gần với quá trình

kỹ thuật, vì thế tiết kiệm nhiều cáp truyền và đơn giản hoá cấu trúc hệ thống Trạm vào/ra từ xa cũng có thể đặt cùng vị trí với trạm điều khiển cục bộ, tuy nhiên như vậy không sử dụng được ưu điểm của cấu trúc này

Khác với cấu trúc vào ra tập trung, cấu trúc vào ra phân tán cho phép sử dụng các trạm vào ra từ xa của các nhà cung cấp khác nhau với điều kiện có hỗ trợ loại bus trường qui định

Bên cạnh phương pháp ghép nối thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật thông qua các module vào/ra, ta có thể sử dụng các cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành có giao diện bus trường Qua đó có thể đơn giản hoá cấu trúc hệ thông hơn nữa, tiết kiệm chỗ trong tủ điều khiển và nâng cao tính năng thời gian thực của hệ thống do tận dụng được khả năng xử lý thông tin của các thiết bị trường

1.4.2.3 Các vấn đề kĩ thuật của hệ thống điều khiển phân tán

Các vấn đề kĩ thuận của hệ thống điều khiển DCS đó là :

Để phản ứng với nhiều sự kiện diễn ra trong cùng một hệ thống xử lý thời gian

thực sử dụng quá trình tính toán đồng thời.Ngoài ra hệ thống còn sử dụng mạng cục

bộ thời gian thực,tốc độ truyền tín hiệu cao,

Các đặc điểm của hệ thống xử lý thời gian thực :

- Tính bị động: không biết trước tác động của sự kiện

- Tính nhanh nhạy: xử lý nhanh chóng để đưa ra kết quả xử lý kịp thời

- Tính tiền định: Dự đón trước thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất và trình tự đưa ra các phản ứng

Xử lý phân tán

Việc xử lý phân tán giúp nâng cao năng lực xử lý thông tin của hệ thống, góp phần vào cải thiện tính năng thời gian thực, nâng cao độ tin và tính linh hoạt của hệ thống Trong hệ thống, các chương trình trên các trạm hợp tác chặt chẽ với nhau thông qua cơ chế giao tiếp ngầm để cùng thực hiện nhiệm vụ của hệ thống

Xử lý phân tán bao gồm :

- Phân chia và phối hộp nhiệm vụ

- Giao tiếp giữa các trạm

- Đồng bộ hoá các quá trình xử lý phân tán

- Dự phòng và khắc phục lỗi

Đồng bộ hoá trong điều kiển phân tán

Đồng bộ quá các tính hiệu vào/ra : Cấu trúc Bus trường làm nảy sinh một số vấn

đề đó là sự đồng bộ của các tín hiệu vào/ra do thời gian trễ kênh khác nhau Để khắc phục nhược điểm này người ta thường chọn loại Bus sao cho chu kì của Bus nhỏ hơn nhiều lần chu kì được điểu khiển hoặc dùng Bus trường để hỗ trợ đồng bộ hoá việc vào/ra

Đồng bộ hoá thời gian: Giữa các trạm điều khiển cục bộ và trạm vận hành cần có

sự đồng bộ hoá thời gian một cách chẽ vì nó liên quan tới chính chính xác và độ tin cậy của các thông tin điều khiển, vận hành, cảnh báo Để đồng bộ hoá thời gian trong một hệ thống DCS thì có thể chọn một trạm vận hành làm theo hệ quy chiếu, tất cả các trạm khác nối với Bus hệ thống được đồng bộ hoá theo trạm nay thông qua các thông báo gửi đồng loạt

Tính sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống

Tính sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống DCS phụ thuộc vào độ tin cậy của từng thiết bị, cấu trúc hệ thống, hệ thống truyền thông, khả năng dự phòng, cơ chế an toàn bảo mật, Để đảm bảo tính sẵn sàng và độ tin cậy cao yêu cầu :

- Dự phòng hoàn toàn các thành phần quan trọng như CPU, trạm điều khiển, hệ thống mạng và các thiết bị vào/ra

- Có cơ chế dừng an toàn, dừng khẩn cấp khi hệ thống có các cơ cấu truyền động

- Có khả năng phát hiện ra các lỗi mất nguồn và tự động phục hồi trạng thái cũ (Các trạm có khả năng tự phục hồi trạng thái làm việc trước khi

ra sự cố, các nút mạng tự khởi động độc lập)

- Bảo mật theo trạm hoặc người sử dụng

- Bảo trì, chỉ thị, chuẩn đoán tốt

Hệ thống DCS có tính sẵn sàng cao thông qua khả năng dự phòng tích hợp, có thể lựa chọn dự phòng từng thành phần Do có tính sẵn sàng và phương pháp giao tiếp số, kiến trúc xử lý phân tán, phầm mềm đóng gói, phần cứng được chuẩn hoá theo các tiêu chuẩn công nghiệp, độ tích hợp cáo giữa phần cứng và phàn mềm là các yếu tố giúp DCS có độ tin cậy cao

1.5 Kết luận

Qua các phân tích ở trên ta thấy ngoài hiệu quả chính là thu hồi lượng nhiệt thừa

từ lò nung để phát điện làm giảm chi phí tiêu thụ điện năng, việc đưa dự án vào hoạt động còn có những tác dụng khác như:

- Lượng điện năng phát ra từ trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải giúp các Nhà máy xi măng giảm sử dụng điện từ mạng lưới điện quốc gia, hạ bớt áp lực từ tình trạng thiếu điện hiện nay

- Hệ thống đã hấp thụ nhiệt và chuyển thành điện năng, làm giảm nhiệt độ ở đầu vào của các thiết bị thuộc công đoạn phía sau giúp các thiết bị họat động ổn định hơn, giảm hư hỏng, tăng tuổi thọ máy nghiền bột sống, quạt gió, lọc bụi tĩnh điện

- Do nhiệt độ hạ xuống thấp làm hiệu suất của lọc bụi điện tăng, góp phần giảm ô nhiễm môi trường

- SCADA là một dạng của ứng dụng chứ không phải là công nghệ Ứng dụng SCADA tồn tại ở nhiều hệ thống khác nhau từ quy mô một máy sản xuất tới quy mô của nhà máy và hơn nữa trên các vùng địa lý rộng lớn như các hệ giám sát và thu thập số liệu khí tượng thủy văn, hệ giám sát và vận hành hệ thống truyền tải điện năng Đặc điểm của SCADA là gắn liền với người vận hành và trong chu trình xử lý thông tin của SCADA bao giờ cũng có sự tham gia trực tiếp của con người Hệ SCADA không phải là hệ điều khiển đầy đủ mà nó tập trung vào mức giám sát - vận hành Cho dù được xây dựng thành một hệ thống riêng biệt hay được tích hợp như một chức năng trong một hệ điều khiển tích hợp thì hệ SCADA bao giờ cũng bao gồm các thành phần: RTU, MTU, Mạng truyền thông

- DCS là một giải pháp công nghệ hay cách thức thực hiện hệ thống điều khiển trong công nghiệp Hệ thống điều khiển phân tán là nhằm thực hiện các ứng dụng điều khiển điều chỉnh và điều khiển logic Các hệ thống điều khiển phân tán thương phẩm thường có cấu trúc giống với hệ SCADA là do hệ thống điều khiển tích hợp đó

có thực hiện chức năng SCADA Trong hệ thống điều khiển phân tán thương phẩm ứng dụng điều khiển logic và điều khiển điều chỉnh có thể thiết lập theo phương thức điều khiển phân tán còn SCADA chỉ là một chức năng của hệ thống

Trên cơ sở hiểu biết về hệ SCADA và DCS, cũng như ứng dụng thực tế tại các trạm phát điện tận dụng nhiệt khí thải trong nhà máy xi măng hiện nay, trong luận văn này em sử dụng hệ thống đo lường điều khiển là hệ DCS

Chương 2: NHIỆT KHÍ THẢI TRONG CễNG NGHIỆP SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ QUAN ĐIỂM LỰA CHỌN CễNG NGHỆ,

KỸ THUẬT PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI

2.1 Nhiệt khớ thải trong dõy chuyền sản xuất xi măng

Trong nhà mỏy sản xuất xi măng, để nung luyện clinker, một lượng lớn than được

sử dụng Quỏ trỡnh nung luyện clinker tạo ra một lượng lớn khớ cú nhiệt độ cao, hai khu vực cú thể tận dụng được lượng nhiệt thừa này để sản xuất điện đú là khu vực thỏp trao đổi nhiệt tận dụng lượng nhiệt từ lũ nung và khu vực làm lạnh clinker

Hỡnh 2.1: Sơ đồ tổng quỏt hệ thống tận dụng nhiệt khớ thải

Tuỳ thuộc vào cụng nghệ của từng nhà mỏy xi măng mà đối với mỗi khu vực cú cỏc phương ỏn tận dụng nhiệt khỏc nhau Tuy nhiờn, trờn quan điểm là tận dụng

L à m ngu ộ i clinker

L ò quay

Qu ạ t ID

Th á p trao đ ổ i nhi ệ t

L ò h ơ i PH Thiết bị t á ch bụi

L ò h ơ i AQC

đ ến l ọ c bụi đ i ệ n đ ầ u l ò

Nhi ệ t độ 360 o C Nhi ệ t độ 350 oC

lượng nhiệt thừa và đảm bảo không làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất xi măng của nhà máy Với đánh giá như vậy, để tập trung, đối tượng nghiên cứu chính sẽ là hai nguồn nhiệt chính kể trên Dưới đây là một số phương án trích khí nóng để tận dụng nhiệt để sản xuất điện trong nhà máy xi măng:

Khu vực tháp trao đổi nhiệt:

Đối với khu vực này người ta thường dùng 1 trong 2 trường hợp sau để phân tích khả năng tận dụng nhiệt thừa cho sản xuất điện năng:

a/ Trường hợp 1:

Khí thải sau tháp trao đổi nhiệt có nhiệt độ khoảng 300 - 350 C sẽ được cấp tới thiết bị lò hơi để sản xuất hơi nước quá nhiệt, khí thải sau lò hơi có nhiệt độ thấp hơn khoảng 200 - 210 C sẽ được quạt ID vận chuyển tới máy nghiền liệu để sấy liệu

Ưu điểm:

- Không làm thay đổi quá trình công nghệ sản xuất của nhà máy;

- Tận dụng được nhiệt để sản xuất hơi nước;

- Do làm việc ở chế độ nhiệt độ thấp nên không yêu cầu cao về vật liệu chế tạo nên giá thành tương đối thấp và độ tin cậy của lò hơi cao

Ưu điểm:

- Khả năng tận dụng nhiệt của hơi nước lớn;

- Lượng hơi nước sản xuất được nhiều hơn và có thông số cao hơn Hiệu suất của chu trình nhiệt lớn hơn;

- Kích thước lò nhỏ gọn, giảm được chi phí kết cấu

Qua phân tích ở trên để ổn định quá trình sản xuất clinker và độ tin cậy cao của

lò hơi nên trường hợp 1 thường được ưu tiên lựa chọn để tận dụng nhiệt thừa trong quá trình sản xuất điện

Khu vực làm lạnh clinker:

Để tận dụng được lượng nhiệt thừa trong quá trình sản xuất xi măng để sản xuất điện hiệu quả nhất và có tính ổn định cao mà không làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất của nhà máy thì việc lựa chọn điểm lấy nhiệt thường được thực hiện theo 1 trong

2 trường hợp sau:

a/ Trường hợp 1:

Khí nóng sẽ được trích sau quạt của lọc bụi điện máy làm lạnh clinker để cấp tới thiết bị lò hơi, khí thải sau lò hơi có nhiệt độ khoảng 90 C sẽ được quạt đưa trực tiếp tới ống khói hiện có

Ưu điểm:

- Dễ bố trí thiết bị;

- Chi phí đầu tư thiết bị thấp

Nhược điểm:

- Nhiệt lượng thu hồi thấp;

- Nhiệt độ khí nóng thấp nên thông số hơi quá nhiệt có nhiệt độ thấp

b/ Trường hợp 2:

Khí nóng sẽ được lấy trực tiếp từ máy làm lạnh clinker để cấp tới thiết bị lò hơi

Ưu điểm:

- Nhiệt độ khí nóng cao nên thông số hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao;

- Nhiệt lượng thu hồi cao, tận dụng tối đa lượng nhiệt thừa

Nhược điểm:

- Bố trí trí thiết bị phức tạp;

- Chi phí đầu tư thiết bị cao, do phải đầu tư thêm thiết bị lằng sơ bộ hoặc lọc bụi

Qua phân tích ở trên để tận dụng lượng nhiệt thừa với lượng nhiệt lớn và không làm ảnh hưởng quá trình sản xuất clinker, phương án 2 thường được ưu tiên lựa chọn để tận dụng nhiệt thừa trong quá trình sản xuất điện

Tóm lại: Trên đây là một số phương án trích nhiệt cơ bản để tận dụng lượng nhiệt

thừa trong sản xuất xi măng để sản xuất điện, tuỳ theo đặc điểm cụ thể dây chuyền sản xuất, vận hành thực tế của mỗi Nhà máy mà ta có thể có các phương án tận dụng nhiệt khác nhau nhưng trên quan điểm lượng nhiệt tận dụng lượng nhiệt thừa phải đảm bảo không làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất xi măng của nhà máy

2.2 Tổng quan về quan điểm lựa chọn công nghệ và kỹ thuật phát điện tận dụng nhiệt khí thải

Công nghệ và kỹ thuật cho hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải để phát điện được lựa chọn theo các quan điểm chính sau:

- Việc thu hồi nhiệt của khí thải cho sản xuất điện không được làm ảnh hưởng đến quá trình vận hành bình thường của các dây chuyền sản xuất clinker hiện hữu;

- Tận dụng ở mức tối đa cho phép lượng nhiệt thừa của khí thải cho phát điện;

- Không lựa chọn lò thu hồi nhiệt có đốt kèm nhiên liệu khác vì:

+ Lò thu hồi nhiệt đốt kèm chủ yếu áp dụng khi nhiên liệu sử dụng là khí;

+ Trong trường hợp các Công ty xi măng, nhiên liệu đang sử dụng là than, nếu dùng lò hơi đốt kèm thì phải đầu tư thêm các hệ thống thiết bị như:

• Hệ thống vận chuyển than: Tiếp nhận than, băng tải than, phễu than

• Hệ thống chế biến than: Máy nghiền than, hệ thống phân ly bột than, máy cấp than nguyên, máy cấp than bột

• Cấu hình lò hơi phức tạp: Buồng đốt than, vòi đốt, đai cháy, cấp gió

• Hệ thống thải tro xỉ, lọc bụi

• Hệ thống điều khiển đồng bộ với đốt kèm

Tổng hợp các hệ thống trên sẽ làm cho công nghệ, dây chuyền sản xuất điện trở nên phức tạp, không hiệu quả

- Lựa chọn cấu hình lò hơi thu hồi nhiệt đặt ngay tại vị trí lấy nhiệt là do tính chất

cơ lý của các dòng khí khác nhau, sử dụng lại nhiệt cho quá trình công nghệ sản xuất clinker tại những vị trí khác nhau và bố trí như vậy sẽ làm giảm tổn thất dòng khí công nghệ của dây chuyền;

- Lựa chọn công nghệ phù hợp với điều kiện địa điểm: Không có sẵn nước làm mát nên chọn làm mát bình ngưng bằng nước (kiểu tháp) hoặc không khí;

- Các công nghệ được lựa chọn cho sản xuất điện đảm bảo an toàn, kinh tế cho công tác vận hành và bảo dưỡng;

- Các công nghệ được lựa chọn đã được kiểm nghiệm tốt trong thực tế, có tính hiện đại nhằm vận hành ổn định, tin cậy và hạn chế mức tối thiểu các tác động xấu đến môi trường

Hiện nay, trong lĩnh vực phát điện tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng

trên thế giới đang có 2 loại công nghệ phát điện vận hành theo chu trình Rankine hơi

nước truyền thống (RC) và chu trình Rankine dung môi hữu cơ

2.3 Công nghệ phát điện tận dụng Nhiệt khí thải theo chu trình Rankine hơi nước truyền thống (RC)

Chu trình Rankine là một chu trình nhiệt động chuyển hoá nhiệt năng thành công năng Nhiệt năng được cung cấp từ bên ngoài tới một vòng tuần hoàn kín với môi chất làm việc thường là nước

Trong các nhà máy điện áp dụng công nghệ này không thể thiếu các thành phần

cơ bản như: Lò hơi, tuabin, bình ngưng và bơm nước cấp Nước được gia nhiệt, bốc hơi và tạo hơi quá nhiệt do dòng khói thải cấp tới Lò hơi Hơi quá nhiệt được đưa tới tuabin giãn nở, sinh công làm quay tuabin, tuabin kéo máy phát điện chuyển cơ năng thành điện năng Hơi thoát ra khỏi tuabin tới bình ngưng, tại đây hơi được ngưng tụ thành nước ngưng và cấp trở lại Lò hơi nhờ bơm nước cấp

Chu trình này được áp dụng rộng rãi trong việc phát điện (khoảng 80% điện năng sản xuất trên thế giới là từ những nhà máy điện ứng dụng chu trình này), ví dụ như áp dụng cho các nhà máy điện sinh khối, nhiệt điện than, điện nguyên tử Nguồn nhiệt cho các nhà máy điện sử dụng chu trình Rankine là nhiệt từ quá trình cháy của than, khí, dầu, phân hạch hạt nhân

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý cơ bản của nhà máy phát điện theo chu trình

Rankine hơi nước

Hiệu suất của chu trình này thường bị giới hạn bởi môi chất làm việc Nếu môi chất làm việc không đạt được thông số siêu tới hạn thì dải nhiệt độ của chu trình tương đối nhỏ: nhiệt độ hơi vào tuabin thường là 5650C (do giới hạn của thép) và nhiệt độ ngưng tụ khoảng 300

Nguyên lý hoạt động của chu trình Rankine dung môi hữu cơ được mô tả như sau:

Chu trình 1: Dầu tải nhiệt nhận nhiệt từ nguồn nhiệt thải nhờ thiết bị trao đổi nhiệt được dẫn tới thiết bị bốc hơi Tại thiết bị bốc hơi dầu tải nhiệt gia nhiệt cho môi chất làm việc chuyển môi chất làm việc sang pha hơi Sau đó dầu tải nhiệt lại được cấp trở lại thiết bị trao đổi nhiệt nhờ bơm cấp tạo thành chu trình khép kín

Chu trình 2: Tại thiết bị bốc hơi môi chất làm việc nhận nhiệt của dầu tải nhiệt chuyển sang pha hơi Hơi này được đưa tới tuabin, giãn nở sinh công làm quay tuabin; và tuabin kéo máy phát điện chuyển cơ năng thành điện năng Sau đó môi chất làm việc được ngưng tụ về pha lỏng nhờ thiết bị ngưng tụ (làm mát bằng không khí) rồi được bơm cấp cấp trở lại thiết bị bốc hơi tạo thành chu trình khép kín

Những nhà máy điện ứng dụng chu trình Rankine dung môi hữu cơ đã được sử dụng trên 30 năm, nhằm sản xuất điện năng từ các nguồn nhiệt khác nhau khi mà các công nghệ tại thời điểm đó không khả thi hoặc không kinh tế Những nhà máy điện

có công suất từ 300kW tới 130MW đã chứng minh tính hữu hiệu của công nghệ này Chu trình này rất phù hợp với những nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp, như nhiệt thải từ các nhà máy công nghiệp và đã được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất điện Có tới trên 750MW điện được sản xuất ra theo công nghệ này từ những nguồn địa nhiệt, năng lượng mặt trời và nhiệt thải Tuy nhiên, dung môi hữu cơ là một chất dễ cháy nổ

và độc hại nên đòi hỏi chế tạo với tiêu chuẩn an toàn cao; chi phí cho bảo trì, vận hành rất cao và phức tạp, nguy hiểm Nên công nghệ ORC tuy đã được áp dụng ở một vài nhà máy xi măng nhưng không phổ biến

Những ưu điểm của nhà máy điện sử dụng công nghệ theo chu trình Rankine kép:

- Lắp đặt dễ dàng, thuận tiện

- Vận hành tự động

- Làm mát bình ngưng bằng không khí, không cần đến nước

- Sản xuất điện thân thiện với môi trường

- Không cần đến nhiên liệu kèm

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý cơ bản của NM phát điện tận dụng nhiệt thải theo chu

trình Rankine dung môi hữu cơ