Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



NGUYỄN XUÂN TRƢỜNG




NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ LÕ SẤY DẦU NGUYÊN LIỆU




LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA





THÁI NGUYÊN - 2013
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN XUÂN TRƢỜNG


NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ LÕ SẤY DẦU NGUYÊN LIỆU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC


TS. NGUYỄN HỒNG QUANG
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƢỞNG KHOA



THÁI NGUYÊN - 2013
I

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
MỤC LỤC

MỤC LỤC I
DANH MỤC HÌNH VẼ IV
DANH MỤC BẢNG BIỂU VI
LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI MỞ ĐẦU I
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÕ SẤY CÔNG NGHIỆP 5
1.1. Tổng quan về lò công nghiệp. 5
1.1.1. Khái niệm. 5
1.1.2. Phân loại LCN 5
1.1.2.1. LCN theo đặc điểm nguồn nhiệt: 5
1.1.2.2. LCN theo đặc điểm công nghệ. 5
1.1.2.3. LCN theo chế độ nhiệt. 6
1.1.2.4. LCN theo đặc điểm cấu trúc. 6
1.1.3. Các đặc trưng cơ bản của LCN 6
1.1.3.1. Chế độ nhiệt độ của lò. 6
1.1.3.2. Chế độ nhiệt của lò. 7
1.1.3.3. Công suất nhiệt của lò. 7
1.1.3.4. Năng suất của lò 7
1.1.4. Các chế độ làm việc của LCN 7
1.1.4.1. Chế độ làm việc bức xạ. 7
1.1.4.2. Chế độ làm việc đối lưu 8
1.2. Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp 9
1.2.1. Cấu trúc của hệ thống lò sấy 9
1.2.1.1. Các bộ phận cơ bản của hệ thống lò sấy 9
1.2.1.2. Các dạng cấu trúc hệ thống lò sấy 10
1.2.2. Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO) 11
1.2.2.1. Khái quát chung 11
1.2.2.2. Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO) 11
1.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dầu FO 15
CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA LÕ SẤY DẦU 18

2.1. Giới thiệu chung về lò điện trở 18
II

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
2.1.1. Đặc điểm. 18
2.1.2. Nguyên lý làm việc. 18
2.1.3. Phân loại lò điện trở 18
2.1.4. Cấu tạo lò điện trở. 19
2.2. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học. 21
2.3. Mô tả toán học lò điện trở 25
2.3.1. Nhận dạng lò điện trở. 25
2.3.2. Xác định mô hình đối tượng của hệ thống 26
CHƢƠNG 3. XÁC ĐỊNH THUẬT TOÁN CỦA ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN 28
3.1. Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh. 28
3.1.1. Cấu trúc chung của một hệ điều khiển tự động. 28
3.1.2. Đặc tính quá độ và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển tự động.
29
3.1.3. Phân tích các luật điều khiển. 30
3.1.3.1. Luật điều khiển tỷ lệ (P) 30
3.1.3.2. Luật điều khiển tích phân(I) 31
3.1.3.3. Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân(PI) 31
3.1.3.4. Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân – vi phân (PID) 32
3.1.4. Tác động của việc tăng một thông số độc lập 34
3.2. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID…………………………………… 34
3.2.1. Phương pháp thực nghiệm 34
3.2.2. Phương pháp thiết kế dựa trên miền tần số 38
3.2.2.1.Phương pháp tối ưu độ lớn 38
3.2.2.2.Phương pháp tối ưu đối xứng 41
3.3.2. Phương pháp Ziegler- Nichols để xác định tham số cho bộ điều khiển PID
truyền thống. 45

CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 48
4.1. Mô phỏng 48
4.2. Thiết kế hệ thống- Thực nghiệm 50
4.2.1. Tổng quan phần cứng của hệ thống. 50
4.2.2. Thiết kế chi tiết phần cứng. 50
III

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
4.2.3. Thử nghiệm thực tế 62
KẾT LUẬN 633
TÀI LIỆU THAM KHẢO 644
PHỤ LỤC I
IV

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống sấy dầu FO cho nồi hơi 15
Hình 1.2: Bộ sấy dầu điện 16
Hình 2.1. Phương pháp kẻ tiếp tuyến 22
Hình 2.2. Phương pháp 2 điểm quy chiếu 23
Hình 2.3. Đường đặc tính đối tượng lò điện trở 26
Hình 2.3. Phương pháp hai điểm quy chiếu 27
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động 28
Hình 3.2. Quá trình quá độ của hệ thống ổn định theo thời gian 29
Hình 3.3: Mô tả chỉ tiêu chất lượng động của hệ thống điều khiển 30
Hình 3.4. Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID 33
Hình 3.5. Mô hình xác định Kth và Tth 37
Hình 3.6. Đồ thị dạng hình S và ổn định 38
Hình 3.7: Quỹ đạo nghiệm số 46
Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng khi Kth=47 46

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển 48
Hình 4.2: Đáp ứng của hệ lò điện trở và bộ PID theo phương pháp tối ưu môdul
48
Hình 4.3: Đáp ứng của hệ thống lò điện trở và bộ PID chọn theo phương pháp
Ziegler – Nichols I 49
Hình 4.4: Đáp ứng của hệ thống lò điện trở và bộ PID chọn theo phương pháp
Ziegler – Nichols II 49
Hình 4.5: Sơ đồ khối nguồn 5V 51
Hình 4.6: Sơ đồ khối nguồn -5V 51
Hình 4.7: Sơ đồ khối chân vi xử lý DsPIC30F4013 51
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý DsPIC30F4013 53
Hình 4.9: LED 7 thanh 4 số 53
Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 54
Hình 4.11: Sơ đồ khối LED chỉ thị 54
Hình 4.12: Giắc cắm RS-232 loại 9 chân (DB9) 55
Hình 4.13: Sơ đồ khối LED chỉ thị 56
V

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Hình 4.14: Sơ đồ khối điều khiển rơle 56
Hình 4.15: Sơ đồ chân DAC MCP4922 57
Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý mạch đầu vào cách ly 58
Hình 4. 17: Bảng điện trở của PT100 khi nhiệt độ thay đổi từ 0
o
C đến 200
o
C 58
Hình 4. 18: Mạch tạo nguồn dòng 1mA 59
Hình 4.19: Mạch lọc Sallen-Key và khuếch đại 59
Hình 4.20: Mạch bắt điểm 0 điện áp xoay chiều 220V 60

Hình 4.21: Tín hiệu tại điểm INT0 60
Hình 4.22: Mạch điều khiển BTA41 61
Hình 4.23 Điện áp ra trên tải khi thay đổi góc mở 61
Hình 4.24: Đáp ứng của đối tượng lò nhiệt khi sử dụng bộ điều khiển PI theo
phương pháp tối ưu môdul Error! Bookmark not defined.
VI

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Đặc tính của dầu thô (FO) 14
Bảng 4.1 Tham số bộ điều khiển theo phương phápZiegler- Nichols I 45
Bảng 4.2. Tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II cho
đối tượng lò điện trở 45
Bảng 4.3. Tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II 47
Bảng 4.4. Tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II cho
đối tượng lò điện trở 47
1

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều
khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu.” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo TS. Nguyễn Hồng Quang. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực.
Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối luận án, tôi đảm bảo rằng không
sao chép các công trình hoặc kết quả của người khác. Nếu phát hiện có sự sai phạm
với điều cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Học viên

Nguyễn Xuân Trƣờng


2

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
LỜI MỞ ĐẦU
Lò sấy dầu nguyên liệu được dùng phổ biến trong các nhà máy sử dụng dầu làm
nhiên liệu đốt lò : Nhà máy Nhiệt điện, Nhà máy Xi măng, Nhà máy hấp sấy nguyên
liệu vải cho nghành dệt may, …
Chất lượng dầu sấy thể hiện ở nhiệt độ và khối lượng dầu sấy, chính các đại
lượng này sẽ ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng của quá trình cháy và nhiệt độ
của các lò nung hay lò hơi trong các nhà máy.
Việc ứng dụng các thuật toán điều khiển cho các lò sấy dầu nguyên liệu sẽ nâng
cao được chất lượng và số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho công
nghiệp nước ta.
1. Lý do chọn đề tài:
- Trên thực tế khảo sát ở nhà máy TAIRONG VN tại KCN Việt Trì là nhà máy
sử dụng nguyên liệu dầu để đốt cho các lò hơi chuyên sử lý vải, quần áo cho các nhà
máy dệt may trong khu vực. Tuy nhiên hệ thống sấy dầu được thực hiện thủ công, bán
tự động nên chất lượng của dầu chưa đạt làm ảnh hưởng tới quá trình cháy và nhiệt độ
của các lò hơi. Từ đó làm ảnh hưởng tới năng suất và chất lượng của sản phẩm sấy. Vì
vậy việc cần có lò sấy tự động ổn định nhiệt độ để nâng cao năng suất và chất lượng là
hết sức cần thiết.
- Xuất phát nhu cầu thực tế trên, học viên đã đề xuất thực hiện đề tài luận văn
thạc sỹ “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu”.
2. Mục tiêu của đề tài này là: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy

dầu nguyên liệu”:
- Xây dựng được đầy đủ phương pháp luận để phân tích, tổng hợp, thiết kế
được bộ điều khiển cho lò sấy dầu nguyên liệu.
- Thiết kế, chế tạo, lắp ráp được bộ điều khiển PID điều khiển hệ thống nhiệt
độ lò sấy dầu nguyên liệu.
- Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
* Đối tƣợng nghiên cứu:
- Thiết bị sấy dầu công nghiệp .
- Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế.
3

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
* Phạm vi nghiên cứu:
- Điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu.
- Mô phỏng bằng các phần mềm mô phỏng. Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.
4. Dự kiến kết quả đạt được:
- Viết được mô hình toán của đối tượng.
- Xây dựng được thuật toán điều khiển theo chỉ tiêu chất lượng cao.
- Thiết kế và lắp đặt được bộ điều khiển PID nhiệt độ trong phòng thí nghiệm.
Qua đó để đánh giá độ tin cậy, hoạt động ổn định của phần cứng cũng như chương
trình phần mềm khi hoạt động trong thực tế.
Nội dung chính của luận văn:
Chương 1: Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp.
1. Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp.
2. Tổng quan về sản phẩm sản phẩm nguyên liệu dầu, các đặc tính kỹ
thuật và quá trình sấy dầu.
Chương 2: Xây dựng mô hình toán của lò sấy dầu công nghiệp .
1. Giới thiệu chung về lò điện trở
2. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học

3. Mô tả toán học lò điện trở.
Chương 3: Xác định thuật toán điều khiển hệ thống .
1. Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh.
2. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển bộ PID.
3.Thiết kế bộ điều khiển.
Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm.
1. Mô phỏng
2. Thực nghiệm.
5. Phương pháp nghiên cứu :
- Gắn lý thuyết với đối tượng thực tế.
- Dùng máy tính với các phần mềm mô phỏng.
6 .Các công cụ, thiết bị cần thiết cần thiết cho nghiên cứu
- Máy tính, phần mềm mô phỏng Matlab và Simulink
- Đối tượng thực tế - Phòng thí nghiệm Tự động hoá
4

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu

Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc bộ môn Điều
khiển tự động và bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp trường Đại học KTCN
Thái Nguyên, đặc biệt là Thầy giáo TS. Nguyễn Hồng Quang - Giảng viên Trường ĐH
Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ học viên trong suốt quá trình làm
luận văn.
Thái Nguyên, Ngày 14 tháng 12 năm 2013
Học viên


Nguyễn Xuân Trƣờng

5

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÕ SẤY CÔNG NGHIỆP
1.1. Tổng quan về lò công nghiệp.
1.1.1. Khái niệm.
Lò công nghiệp (LCN) là thiết bị trao đổi nhiệt tạo ra môi trường có nhiệt độ cao
để thực hiện các quá trình công nghệ: nung, nấu chảy, sấy…
Trong LCN lượng nhiệt cấp cho lò là nhiệt năng tỏa ra khi đốt nhiên liệu hoặc
nhiệt tỏa ra từ vật liệu được gia công nhiệt hoặc điện năng biến đổi thành nhiệt năng.
Sự trao đổi nhiệt, cấu trúc lò, việc sử dụng nhiên liệu với thiết bị đốt cũng như chế độ
nhiệt và nhiệt độ phù hợp với yêu cầu công nghệ là những nhân tố ảnh hưởng tới
nhiều:
+ Chất lượng sản phẩm.
+ Năng suất của lò cùng với các thiết bị liên quan tới lò.
+ Giảm tỷ lệ phế phẩm, chi phí vật liệu, suất tổn hao nhiên liệu.
+ Không làm ô nhiễm môi trường.
1.1.2. Phân loại LCN
1.1.2.1. LCN theo đặc điểm nguồn nhiệt:
a. Các lò nhiên liệu. Đây là các lò có sử dụng nhiên liệu. Nhiệt lượng sinh ra
trong các lò này là do quá trình đốt cháy nhiên liệu vì thế chúng còn được gọi là lò có
ngọn lửa.
b. Các lò điện. Đây là lò sử dụng điện năng. Theo nguyên lý biến đổi điện năng
thành nhiệt năng, các lò điện được phân thành lò điện trở, lò điện hồ quang, lò điện
cảm ứng, lò nung điện môi và lò Plazma.
c. Các lò tự phát nhiệt. Đây là lò không cần cung cấp năng lượng từ bên ngoài.
Trong các lò này nhiệt lượng tỏa ra từ bản thân vật liệu được gia công.
1.1.2.2. LCN theo đặc điểm công nghệ.
a. Các lò nấu chảy. Trong các lò này vật liệu gia công được nấu chảy. Ví dụ như
lò nấu chảy thủy tinh, lò nấu chảy men, lò nấu chảy kim loại đen để đúc hoặc hợp kim

hóa…
6

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
b. Các lò nung. Trong các lò này vật liệu gia công được nung nóng nhưng không
hóa lỏng. Ví dụ như lò nung thép để rèn, để cán, các lò nhiệt luyện kim (lò tôi, ủ,
ram…).
1.1.2.3. LCN theo chế độ nhiệt.
a. Các lò làm việc ở chế độ bức xạ nhiệt. Trong các lò này sự trao đổi nhiệt chủ
yếu bằng bức xạ nhiệt, nhiệt độ lò thường 600
0
C. Các lò này được chia thành 3 nhóm:
bức xạ phân bố đều, bức xạ trực tiếp và vức xạ gián tiếp. Thí dụ như các lò nung nhiệt
luyện, lò nung trong xưởng cán và rèn.
b. Các lò làm việc ở chế độ đối lưu. Trong các lò này sự trao đổi nhiệt chủ yếu
bằng trao đổi nhiệt đối lưu, nhiệt độ lò nhỏ hơn 600
0
C. Thí dụ như các lò sấy, lò muối,
lò nung gió…
c. Các lò làm việc ở chế độ theo lớp. Trong các lò này vật liệu được gia công ở
dạng cục, dạng hạt hoặc bụi và được chất trong không gian làm việc của lò. Khí nóng
chuyển động giữa các hạt liệu và tồn tại đồng thời cả ba dạng trao đổi nhiệt: dẫn nhiệt,
đối lưu, bức xạ. Ở chế độ lớp có 3 dạng:
- Lớp chặt: Ở đây vật liệu nằm thành lớp, chất đầy trong không gian lò và chuyển
động từ trên xuống. Khí nóng được thổi từ dưới lên, chuyển động qua khe hở giữa các
hạt liệu. Ví dụ: lò cao luyện gang, lò đứng nấu gang.
- Lớp sôi: Ở đây các hạt liệu được xáo trộn mạnh mẽ trong trạng thái giống như
sự sôi dưới tác động của dòng khí có tốc độ cao. Ví dụ như các lò nung manhêdit, oxyt
kẽm.
- Lớp lơ lửng: Ở dây vật liệu được nghiền nhỏ và lơ lửng trong không gian lò

dứoi tác động thổi của dòng khí. Ví dụ: lò nung quặng sunfua, lò dung dịch cô của
sunfua kẽm.
1.1.2.4. LCN theo đặc điểm cấu trúc.
Dựa vào hình dạng, cấu trúc có các loại lò như: lò buồng, lò bể, lò ống quay, lò
hầm, lò nung liên tục.
1.1.3. Các đặc trưng cơ bản của LCN
1.1.3.1. Chế độ nhiệt độ của lò.
7

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
a. Nhiệt độ lò. Đây là nhiệt độ trung bình trong không gian làm việc của lò. Nhiệt
độ này mang tính quy ước, thường nhỏ hơn nhiệt độ của nguồn nhiệt và lớn hơn nhiệt
độ của tường, nóc lò.
b. Chế độ nhiệt độ của lò. Phụ thuộc vào công nghệ gia công vật liệu. nhiệt độ
của lò có thể thay đổi theo thời gian, không gian làm việc của lò.
Sự thay đổi nhiệt độ lò theo thời gian gọi là chế độ nhiệt độ của lò: t
lò
= f( )
Khi nhiệt độ không thay đổi, ta có chế độ nhiệt độ lò ổn định. Khi nhiệt độ lò
thay đổi theo thời gian là chế độ nhiệt độ không ổn định.
1.1.3.2. Chế độ nhiệt của lò.
Trong quá trình gia công vật liệu, phụ thuộc vào công nghệ mà lượng nhiệt cung
cấp cho lò có thể thay đổi ở thời điểm khác nhau ( còn gọi là phụ tải nhiệt). Sự thay
đổi phụ tải nhiệt theo thời gian được gọi là chế độ nhiệt của lò.
Khi phụ tải nhiệt không thay đổi ta có chế độ nhiệt ổn định, còn khi phụ tải nhiệt
thay đổi là chế độ nhiệt không ổn định.
Chế độ nhiệt có quan hệ mật thiết với chế độ nhiệt độ của lò. Để đảm bảo đúng
chế độ nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ, cần tiến hành tính toán cấp nhiệt dựa trên cơ
sở tính cân bằng nhiệt.
1.1.3.3. Công suất nhiệt của lò.

Công suất nhiệt của lò là phụ tải nhiệt lớn nhất mà lò có thể tiếp nhận được trong
một đơn vị thời gian; được ký hiệu bằng Q hoặc P, đơn vị đo kW.
1.1.3.4. Năng suất của lò
Đây là lượng vật liệu được gia công nhiệt của lò tính trong một đơn vị thời gian,
ký hiệu là G; đơn vị đo: t/h hoặc kg/h.
Năng suất lò phụ thuộc vào nhiệt độ buồng lò, nhiệt độ khói ra khỏi lò, cường độ,
đặc điểm quá trình truyền nhiệt từ khí lò tới vật liệu và cấu trúc lò.
Khi so sánh các lò khác nhau còn có khái niệm năng suất riêng của lò (cường độ
đáy lò). Đây là lượng sản phẩm gia công được tính trên một mét vuông diện tích đáy lò
trong một đơn vị thời gian; ký hiệu là “h”; đơn vị kg/m
2
.h.
1.1.4. Các chế độ làm việc của LCN
1.1.4.1. Chế độ làm việc bức xạ.
8

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Đối với những lò làm việc ở nhiệt độ cao ( hơn 600
0
C ) thì quá trình trao đổi
nhiệt ( QTTĐN ) bên ngoài bằng bức xạ nhiệt đóng vai trò quyết định. Cường độ trao
đổi nhiệt phụ thuộc nhiều vào các yếu tố: Tính chất của ngọn lửa, số lượng và cách bố
trí các mỏ đốt cũng như miệng kênh khói. Bề mặt trong của tường lò nhận nhiệt bức xạ
từ ngọn lửa sau đó bức xạ tới vật liệu được gia công.
Ở chế độ nhiệt ổn định, cho các hệ số góc bức xạ tương hỗ = 1, Giải hệ các
phương trình trao đổi nhiệt giữa: ngọn lửa- vật liệu – tường lò, ta có các phương trình
cân bằng sau:

1
V

v N T N N
q Q Q Q
(1.1)

1
T
T N V N T
q Q Q Q
(1.2)
Trong đó:

;
vT
qq
là các dòng nhiệt tổng hợp của vật liệu và tường lò;

;
VT
NN
QQ
: là các dòng nhiệt từ nghọn lửa tới vậ liệu và tường lò.

;
NT
QQ
Là các dòng nhiệt hiệu quả ứng với bề mặt vật liệu và tường lò.

N
: là độ đen ngọn lửa.
Phụ thuộc tương quan giữa

V
N
Q
và
T
N
Q
người ta chia chế độ làm việc bức xạ làm
3 chế độ:
- Chế độ bức xạ phân bố đều khi:
VT
NN
QQ
(1.3)
- Chế độ bức xạ trực tiếp khi :
VT
NN
QQ
(1.4)
- Chế độ bức xạ gián tiếp khi :
VT
NN
QQ
(1.5)
1.1.4.2. Chế độ làm việc đối lưu
Đối với các lò làm việc ở nhiệt độ không cao ( nhỏ hơn 600
0
C), lượng nhiệt trao
đổi bằng bức xạ không lớn, có thể bỏ qua thì có thể coi lò làm việc ở chế độ làm việc
đối lưu. Khi đó sự trao đổi nhiệt đối lưu đóng vai trò chủ yếu.

Phương trình cơ bản để tính lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu là công thức
Newton:

W
dl t V
QF
(1.6)
Trong đó:
9

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Q: nhiệt lượng trao đổi đối lưu.

dl
: Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, W/m
2
.
0
C
F
V
: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

t k v
tt
: hiệu nhiệt độ giữa khí lò và vật liệu,
0
C
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố: tính chất chuyển
động của dòng khí (tự nhiên hay cưỡng bức); tốc độ với các đại lượng vật lý của dòng

chảy, hình dạng, kích thước, tính chất bề mặt của vật liệu và được xác định bằng
phương trình tiêu biểu có dạng:

ARe Pr
n m m
u
N Gr
(1.7)
Ở chế độ làm việc đối lưu các dòng chất mang nhiệt thể lỏng có
dl
lớn hơn so
với thể khí. Với chất mang nhiệt thể khí thường sử dụng là sản phẩm cháy, không khí
và các vùng công nghệ, vùng sinh nhiệt được ngăn cách, nhiên liệu cháy ngoài buồng
lò. Chất mang nhiệt thể lỏng thường là nước dầu và các muối nóng chảy.
1.2. Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp
1.2.1. Cấu trúc của hệ thống lò sấy
1.2.1.1. Các bộ phận cơ bản của hệ thống lò sấy
a. Buồng sấy
Buồng sấy là không gian thực hiện quá trình sấy vật liệu. Đây là bộ phận quan
trọng nhất của hệ thống sấy. Tùy theo phương pháp sấy, loại thiết bị sấy mà buồng sấy
có dạng khác nhau. Ví dụ: thiết bị sấy buồng, bộ phận buồng sấy có thể nhỏ như một
cái tủ, có thể lớn như một căn phòng. Trong thiết bị sấy hầm, buồng sấy là một buồng
có chiều dài lớn như một đường hầm. Trong thiết bị sấy phun, buồng sấy là một buồng
hình trụ đứng hoặc nằm ngang. Trong thiết bị sấy khí động, buồng sấy là một ống hình
trụ để đứng có chiều cao lớn.
b. Bộ phận cung cấp nhiệt.
Tùy theo hệ thống sấy khác nhau, bộ phận cung cấp nhiệt cũng khác nhau. Ví
dụ, trong thiết bị sấy bức xạ, bộ phận cung các nhiệt khá đơn giản, có thể là các đèn
hồng ngoại, các ống dây điện trở, hay các tấm bức xạ gia nhiệt bằng chất lỏng hay khí
đốt.

10

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Thiết bị sấy đối lưu dùng môi chất sấy là không khí, chất tải nhiệt là hơi nước thì
bộ phận cấp nhiệt là calorife khí – hơi. Nếu chất tải nhiệt là khói thì bộ phận cấp nhiệt
là calorife khí – khói.
c. Bộ phận thông gió và tải ẩm
Bộ phận này có nhiệm vụ tải ẩm từ vật sấy vào môi trường. Khi sấy bức xạ việc
thông gió còn nhiệm vụ bảo vệ vật sấy khỏi quá nhiệt.
Các thiết bị sấy dưới áp suất khí quyển đều dùng môi chất đối lưu ( tự nhiên hay
cưỡng bức ) để tải ẩm. Trong các thiết bị này đều cần tạo điều kiện thông gió tốt trên
bề mặt vật liệu để ẩm thoát ra từ vật được môi chất mang đi dễ dàng. Khi thông giáo
cưỡng bức bộ phận này gồm: các quạt gió, các đường ống dẫn gió cấp vào buồng sấy,
đường hồi (nếu có), ống thoát khí…
Các thiết bị sấy chân không, việc thải ẩm dùng bơm chân không hoặc kết hợp với
các bình ngưng ẩm.
d. Bộ phận cấp vật liệu và lấy sản phẩm.
Bộ phận này cũng khác nhau tùy thuộc vào các loại thiết bị sấy. Trong thiết bị
sấy buồng và hầm vật liệu sấy để trên các khay đặt thành tầng trên các xe goòng, các
xe được đẩy vào buồng sấy và sản phẩm lấy ra từ các xe goòng. Việc đẩy xe vào và
lấy xe ra có thể bằng thủ công hay cơ khí. Trong thiết bị sấy hầm dùng băng tải, vật
liệu được đưa vào và lấy ra khỏi hầm bằng băng tải. trong thiết bị sấy phun, vật liệu
đưa vào bằng bơm qua vòi phun.
e. Hệ thống đo lường, điều khiển.
Hệ thống này có nhiệm vụ đo nhiệt độ, độ ẩm tương đối của môi chất sấy tại các
vị trí cần thiết, đo nhiệt độ khói lò. Tự động điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm môi chất vào
thiết bị nhằm duy trì chế độ sấy theo đúng yêu cầu.
1.2.1.2. Các dạng cấu trúc hệ thống lò sấy
a. Hệ thống sấy công suất nhỏ.
Hệ thống sấy này có cấu trúc dạng tủ, đa số là kiểu sấy đối lưu cưỡng bức, một

số kiểu sấy bức xạ, sấy bằng điện trường tần số cao. Các thiết bị sấy loại này thường
được chế tạo hàng loạt có điều khiển tự động nhiệt độ môi chất sấy. Loại thiết bị này
có thể sấy nhiều loại sản phẩm khác nhau.
b. Hệ thống sấy công suất lớn.
11

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Hệ thống này có cấu trúc rất đa dạng tùy thuộc vào phương pháp sấy, kiểu thiết
bị sấy. Trong hệ thống sấy cần bố trí hợp lý buồng sấy với các bộ phận khác như: bộ
phận cấp nhiệt, cấp hơi nước, cấp khói, bộ phận cấp vật liệu và sản phẩm… Trong dây
chuyền công nghệ sản xuất sản phẩm, hệ thống sấy được bố trí trong một phân xưởng
sơ chế nguyên liệu hay thành phẩm.
1.2.2. Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO)
1.2.2.1. Khái quát chung
Dầu FO hay còn gọi là dầu Mazút là phân đoạn nặng thu được khi chưng cất dầu
thô parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không. Trước khi bị đốt cháy
dầu FO được gia nhiệt để có độ nhớt nhất định, độ nhớt của dầu ảnh hưởng đến việc
trộn lẫn của nhiên liệu với khả năng bay hơi, trở lực ma sát trong hệ thống bơm. Quá
trình cháy và phát thải ra môi trường bên ngoài. Sau khi được sấy dầu được phun dưới
dạng sương, nó sẽ bay hõi tạo với không khí hỗn hợp cháy.
Vì vậy dầu FO cần phải được sấy trước khi đưa vào buồng đốt trong lò hơi.
1.2.2.2. Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO)
a. Hàm lượng lưu huỳnh:
Nhiên liệu đốt lò thường chứa một lượng lưu huỳnh khá lớn, nồng độ của nó thay
đổi tuỳ theo loại.
Lưu huỳnh tồn tại trong nhiên liệu đốt lò dưới nhiều dạng khác nhau, thông
thường là dưới dạng các hợp chất sulfua, disulfua hay dưới dạng dị vòng. Khi bị đốt
cháy lưu huỳnh sẽ chuyển thành SO
2
, khí này cùng với khói thải sẽ được thoát ra

ngoài, trong thời gian này chúng có thể tiếp xác với oxy để chuyển một phần thành khí
SO
3
. Khi nhiệt độ của dòng khí thải xuống thấp thì các khí này sẽ kết hợp với hơi nước
để tạo thành các axit tương ướng, đó chính là các axit vô cơ có độ ăn mòn các kim loại
rất lớn. Thực tế thì các axit sulfuaric sẽ gây ăn mòn ở nhiệt độ thấp hơn 100 ÷ 150
o
C,
còn axit sulfuarơ chỉ gây ăn mòn ở nhiệt độ thấp hơn 40 ÷ 50
o
C.
Để hạn chế sự ăn mòn này thì người ta thường dùng các phương pháp sau:
- Dùng nhiên liệu đốt lò có hàm lượng lưu huỳnh thấp
- Giảm lượng không khí thừa trong dòng khí
- Gửi cho bề mặt trao đổi nhiệt lớn hơn nhiệt độ điểm sương của các khí
12

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
- Dùng một số kim loại hoặc oxyt kim loại (MgO, CaO) để chuyển SO
2
thành
các hợp chất không ăn mòn. CaO + SO
2
+ 1/2O
2
= CaSO
4
Phương pháp này vừa giảm được ăn mòn vừa giảm ô nhiễm môi trường do SO
2
,

SO
3
trong khói thải.
Ngoài vấn đề ăn mòn thì khi hàm lượng lưu huỳnh càng cao càng làm giảm nhiệt
trị của nhiên liệu đốt lò.
b. Độ nhớt:
Cũng giống như nhiên liệu Diesel hay nhiên liệu phản lực, trước khi bị đốt cháy
nhiên liệu được phun ra dưới dạng các hạt sương, từ các hạt sương này nhiên liệu sẽ
bay hơi tạo với không khí hỗn hợp cháy. Quá trình bay hơi nhanh hay chậm phụ thuộc
nhiều vào bản chất của nhiên liệu, kích thước của các hạt sương dầu khi phun ra.
Ở gốc độ của độ nhớt thì ảnh hưởng của nó như sau: khi độ nhớt lớn thì kích
thước của các hạt sương phun ra lớn, động năng của nó lớn nên không gian trộn lẫn
của nhiên liệu với không khí lớn. Tuy nhiên khi kích thước của các hạt lớn thì khả
năng bay hơi để tạo hỗn hợp cháy sẽ kém, điều này sẽ làm cho quá trình cháy không
hoàn toàn, làm giảm nhiệt cháy và thải ra nhiều chất gây ô nhiễm cho môi trường.
Ngoài ảnh hưởng đến quá trình cháy thì khi độ nhớt lớn sẽ làm tăng trở lực ma
sát trong hệ thống bơm.
c.Tỷ trọng
Tỷ trọng là một đại lượng rất quan trọng đối với nhiên liệu đốt lò bởi nó liên quan
đến bản chất của nhiên liệu, độ nhớt, độ bay hơi nghĩa là nó liên quan đến quá trình
cháy của nhiên liệu, tất cả những vấn đề này ta đã đề cập đến ở trên.
Ngoài ra, trong quá trình xử lý nhiên liệu, người ta tách loại nước bằng phương
pháp ly tâm do đó yêu cầu tỷ trọng của nhiên liệu và nước phải khác nhau để đảm bảo
cho quá trình tách loại có hiệu quả. Trong quá trình vận chuyển hay tồn chứa thì nước
thường lẫn vào trong nhiên liệu, khi sự chênh lệch tỷ trọng của hai loại này lớn sẽ giúp
cho quá trình lắng tách nước cũng tốt hơn.
d. Hàm lượng nước
Nước không phải là thành phần của dầu mỏ nhưng nó luôn có mặt trong dầu thô
hay trong tất cả các sản phẩm của dầu mỏ. Sự có mặt của nước luôn gây ra những tác
13

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
hại nhất định. Nước có mặt trong dầu thô hay các sản phẩm có thể từ các nguồn gốc
sau:
- Trong dầu thô ban đầu nhưng không tách loại hết trong quá trình xử lý
- Do sự hở của các bồn chứa
- Do thủng ở các thiết bị đun nóng lại
- Do lỗi ở các chỗ nối
- Nước trong nhiên liệu có thể gây ra những tác hại như sau:
- Sự rít bơm
- Hiện tượng xâm thực
- Quá trình bay hơi lớn dẫn đến hoạt động của mỏ đốt không bình thường
- Sự có mặt của nước sẽ gây rỉ trong bảo quản.
e. Cặn Carbon:
Để đánh giá khả năng tạo cặn, người ta thường sử dụng tiêu chuẩn đặc trưng là
độ cốc hoá, tùy theo phương pháp tiến hành xác định cặn mà cặn thu được gọi là cặn
cacbon conradson hoặc cặn carbon rabostton.
Hàm lượng cặn cacbon conradson trong dầu nhiên liệu đốt lò thường dao động từ
5 – 10% khối lượng, có khi lên đến 20% khối lượng.
Tỷ lệ cao cặn cacbon conradson trong nhiên liệu đốt lò cao luôn luôn gây trở ngại cho
quá trình cháy, làm tăng hàm lượng bụi của các chất thải rắn trong dòng khí thải.
f. Hàm lượng tro.
Các hợp chất cơ kim và muối có trong dầu mỏ đều tập trung đa phần ở dầu cặn, khi đốt
nó biến thành tro. Tro có nhiều trong nhiên liệu đốt lò sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng
như gây tắc ghi lò, làm giảm khả năng truyền nhiệt của lò, ở nhiệt độ cao một số kim
loại như vanadi có thể kết hợp với sắt để tạo ra những hợp kim tương ứng có nhiệt độ
nóng chảy thấp do đó dễ dẫn đến sự thủng lò …
g. Nhiệt trị.
Nhiệt trị là một chỉ tiêu chất lượng quan trọng của nhiên liệu đốt lò. Thường thì
nhiệt trị của nhiên liệu đốt lò khác cao (>10000 cal/g) đây chính là một trong những

yếu tố chính làm cho nhiên liệu đốt lò được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Nhiệt trị này phụ thuộc vào thành phần hoá học. Nếu trong thành phần nhiên liệu
14

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
đốt lò càng có nhiều hydrocacbon mang đặc tính parafinic, càng có ít hydrocacbon
thơm nhiều vòng và trọng lượng phân tử càng bé thì nhiệt năng của chúng càng cao.
Những thành phần không thuộc loại hydrocacbon trong dầu cặn cũng có ảnh
hưởng rất lớn đến nhiệt trị của nó. Các hợp chất lưu huỳnh trong dầu mỏ tập trung chủ
yếu vào dầu cặn. Sự có mặt của lưu huỳnh đã làm giảm bớt nhiệt năng của dầu cặn,
khoảng 85 kcal/kg tính cho 1% lưu huỳnh.
h. Điểm chớp cháy.
Cũng giống như những sản phẩm dầu mỏ khác, đối với nhiên liệu đốt lò thì điểm
chớp cháy cũng đặc trưng cho mức độ hoả hoạn của nó.
Ngoài những chỉ tiêu trên thì nhiên liệu đốt lò còn phải đạt những chỉ tiêu chất
lượng khác như điểm đông đặc, độ ổn định oxy hoá . . .
Bảng 1.1. Đặc tính của dầu thô (FO)
Khối
lượng
riêng
Kg/m
3
Nhiệt
độ
đông
đặc
0
C
Độ
nhớt

động
học
m
2
/s
Nhiệt
dung
riêng
J/kg.K
Hệ số
dẫn
nhiệt
W/m.K
Thành phần
Độ sáp
Parafin
Keo
Galatin
Lưu
huỳnh
S
Nhựa
đường
Bitum
Nitơ
N
Nước
H
2
O

927.5
19
17.44
2.683
0.1964
14.3
10.3
0.13
0
0.29
16.8


15

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
1.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dầu FO

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống sấy dầu FO cho nồi hơi
NỒI HƠI
1
2
3
4
1
0
5
1
1
7
6
1

2
6
8
9
1
3
1- Bể dầu; 2- Hệ thống ống sấy dầu; 3- Đường ống dãn dầu; 4- Bình lọc thô dầu;
5- Bơm; 6- Bình gia nhiệt dầu; 7- Bình lọc tinh dầu; 8- Van điều chỉnh lưu lượng dầu;
9- Lưu lượng kế; 10- Van thường; 11- Van một chiều; 12- Đường dầu về;
13- Vòi phun dầu
16

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Dầu FO có nhiệt độ đông đặc cao, độ nhớt lớn, nhiệt độ chống cháy cao, nên để
vận chuyển dễ dàng trong hệ thống dẫn dầu, dầu cần được sấy nóng tới nhiệt độ từ 50
– 90
0
C tùy theo độ nhớt của dầu. Song song với việc sấy nóng dầu cũng có các hệ
thống lọc dầu thô tinh để loại các tạp chất, làm ảnh hưởng tới chất lượng của dầu.
Dầu được chứa trong các bể dầu, các bể này được thiết kế phù hợp với các yêu
cầu về phòng hỏa. trong bể có đặt chìm ống xoắn dẫn hơi nóng để sấy dầu, giữ cho dầu
có nhiệt độ ổn định (khoảng 70
0
C). Ở đây dầu được bơm vào nồi hơi qua các bình lọc
thô và lọc tinh. Trước khi vào bơm dầu đầu vòi phun, dầu được đưa qua bộ sấy dầu
bằng điện. Tại đây dầu được tăng nhiệt độ tới nhiệt độ dễ dàng cho sự bắt cháy nhất
(khoảng 90
0
C).

1
2
3
48
5
9
7
6





Hình 1.2: Bộ sấy dầu điện

* Bộ sấy dầu điện
Dầu được sấy nóng trong bình sấy nhờ các điện trở điện. Khi đạt tới nhiệt độ
đặt ( khoảng 90
0
C) thì bơm dầu bơm vào vòi phun. Nếu chưa đạt được nhiệt độ này
dầu quay trở lại bộ sấy để tiếp tục được hâm nóng.
1- Vỏ bộ sấy; 2- Thanh điện trở; 3- Hộp cấp điện; 4- Dầu vào; 5- Rơ-le nhiệt
độ; 6- Dầu ra; 7- Bích; 8- Áp kế; 9- Đồng hồ đo nhiệt độ

17

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
* Bộ sấy dầu dùng hơi
Khi nồi hơi đã có hơi thì đưa bộ sấy dầu bằng hơi vào làm việc. Bộ sấy này
thường được lắp trực tiếp vào bể chứa dầu chính và bể chứa trung gian. Tùy theo từng

loại bể mà ta điều chỉnh nhiệt độ sấy tới mức bao nhiêu.
Thực chất bộ sấy này là dùng chùm ống ruột gà. Hơi nước đi bên trong, truyền
nhiệt cho dầu bên ngoài. Nước ngưng được dẫn về bể thu hồi.
Trong bể chứa còn lắp các đường đo nhiệt độ dầu, đường xả nước đọng trong
dầu.