Nghiên cứu hệ điều khiển lò nung clinker nhà máy xi măng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS. Bùi Quốc Khánh

Họ và tên tác giả : Trần Kim Quyên
Lớp cao học khóa : CH 2006 – 2009
Chuyên ngành : Tự động hóa
Đà Nẵng, 05/2009


MỞ ĐẦU
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
1. Tính cấp thiết của đề tài
2. Mục đích nghiên cứu
2. Mục đích nghiên cứu
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4. Phương pháp nghiên cứu
4. Phương pháp nghiên cứu
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
6. Cấu trúc của luận văn
6. Cấu trúc của luận văn


Nội dung nghiên cứu gồm 5 vấn đề:

Nội dung nghiên cứu gồm 5 vấn đề:
Vấn đề 1: Công nghệ và yêu cầu công nghệ
Vấn đề 1: Công nghệ và yêu cầu công nghệ
Vấn đề 2: Phân tích các mạch vòng cơ sở
Vấn đề 2: Phân tích các mạch vòng cơ sở
Vấn đề 4: Nghiên cứu phần mềm chuyên dụng_ “EO”
Vấn đề 4: Nghiên cứu phần mềm chuyên dụng_ “EO”
( Expert Optimizer_tối ưu chuyên gia)
( Expert Optimizer_tối ưu chuyên gia)
Vấn đề 3: Nghiên cứu vận hành tối ưu
Vấn đề 3: Nghiên cứu vận hành tối ưu
Vấn đề 5:
Vấn đề 5:
Ứng dụng khảo sát bằng matlab & simulink
Ứng dụng khảo sát bằng matlab & simulink




Phân loại lò nung clinker
Phân loại lò nung clinker
-


Lò ướt
Lò ướt
-


Lò khô dài

Lò khô dài
- Lò khô có buồng
- Lò khô có buồng
phân hủy riêng
phân hủy riêng
Vấn đề 1
Vấn đề 1
:
:
Côn
Côn
g nghệ và yêu cầu công nghệ
g nghệ và yêu cầu công nghệ
Hệ thống cấp
liệu cho lò
Hệ thống tháp
trao đổi nhiệt
(Cyclone)
Canxiner (buồng
phân hủy)
Lò nung

Sơ đồ công nghệ
hệ thống lò nung


Cấp liệu cho lò
Cấp liệu cho lò
Từ van chia liệu
Từ van chia liệu



giữa
giữa
cyclon tầng 4,5
cyclon tầng 4,5


tầng5
tầng5




giữa tầng 4,3
giữa tầng 4,3


tầng 4
tầng 4




giữa tầng 3,2
giữa tầng 3,2
tầng3
tầng3



tầng 2
tầng 2
tầng2
tầng2


vào buồng
vào buồng
phân huỷ
phân huỷ
Canxiner.nhiệt độ
Canxiner.nhiệt độ
850ºC→900ºC, quá
850ºC→900ºC, quá
trình Can xi hoá đạt
trình Can xi hoá đạt
được khoảng 90-95%.
được khoảng 90-95%.
Liệu đến tầng1
Liệu đến tầng1


Lò
Lò
quay.
quay.
Liệu đi qua 3 khu vực
Liệu đi qua 3 khu vực

lò:
lò:
-Khu vực quá trình can
-Khu vực quá trình can
xi hoá .
xi hoá .
-Khu vực zôn nung.
-Khu vực zôn nung.
-Khu vực làm nguội.
-Khu vực làm nguội.


Vấn đề chung của điều khiển quá trình
Vấn đề chung của điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình gồm có 3 mức:
-
Các mạch vòng cơ bản
-
Các logic liên động, trình tự
-
An toàn, báo động
ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN
TỐI ƯU HÓA


MỨC 3
MỨC 3


MỨC 2

MỨC 2


MỨC 1
MỨC 1
Ngày, tháng
Phút
Giây


* Các cân bằng xảy ra trong lò nung clinker
* Các cân bằng xảy ra trong lò nung clinker
1. Cân bằng giữa lượng nguyên liệu cấp vào lò và clinker
tạo thành
2. Cân bằng giữa tốc độ cấp liệu và tốc độ quay của lò
3. Cân bằng giữa nhiên liệu và nguyên liệu đầu vào
4. Cân bằng giữa lượng nhiên liệu cấp và lượng gió
5. Cân bằng giữa nhiệt nhiên liệu vào với nhiệt tỏa ra và
nhiệt thu hồi
6. Cân bằng giữa gió ra và gió vào
7. Cân bằng giữa nhiệt độ khí thải và lưu lượng nước làm
mát


Vấn đề 2
Vấn đề 2
:
:
PHÂN TÍCH CÁC MẠCH VÒNG CƠ SỞ
PHÂN TÍCH CÁC MẠCH VÒNG CƠ SỞ

1. Các bài toán điều khiển
1. Các bài toán điều khiển
1. Điều khiển cân bằng nạp liệu (CB khối lượng)
2. Điều khiển các biến đổi ( điều khiển nhiệt độ)
2. Điều khiển các biến đổi ( điều khiển nhiệt độ)
3. Điều khiển chất lượng của sự biến đổi năng lượng
3. Điều khiển chất lượng của sự biến đổi năng lượng
4. Điều khiển chất lượng clinker
4. Điều khiển chất lượng clinker


V n đ 2:ấ ề
V n đ 2:ấ ề


PHÂN TÍCH CÁC M CH VÒNG C S Ạ Ơ Ở
PHÂN TÍCH CÁC M CH VÒNG C S Ạ Ơ Ở


1. Hệ thống điều khiển cấp nhiên liệu
1. Hệ thống điều khiển cấp nhiên liệu
2. Điều khiển gió 1 cấp vào lò
2. Điều khiển gió 1 cấp vào lò
3. Mạch vòng điều khiển lượng oxy dư trong lò
3. Mạch vòng điều khiển lượng oxy dư trong lò
4. ĐK cấp nguyên/nhiên liệu cho canxiner
4. ĐK cấp nguyên/nhiên liệu cho canxiner
5. Mạch vòng điều chỉnh áp suất đầu ra của lò

5. Mạch vòng điều chỉnh áp suất đầu ra của lò
2. Các mạch vòng điển hình
2. Các mạch vòng điển hình
6. Điều chỉnh áp suất sau tháp trao đổi nhiệt
6. Điều chỉnh áp suất sau tháp trao đổi nhiệt
Vấn đề 2
Vấn đề 2
:
:
PHÂN TÍCH CÁC MẠCH VÒNG CƠ SỞ
PHÂN TÍCH CÁC MẠCH VÒNG CƠ SỞ




Vấn đề 3:
Vấn đề 3:
NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH TỐI ƯU
NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH TỐI ƯU
1. Vận hành lò nung clinker
1. Vận hành lò nung clinker
-
Hệ thống chuyên gia giúp người vận hành lò đạt được
các điều kiện vận hành sản xuất tối ưu về ổn định trong
vận hành, chất lượng clinker tốt, sản lượng tối đa và mức
tiêu thụ năng lượng thấp.
-
Đặc điểm của hệ thống chuyên gia là điều chỉnh điểm
đặt chứ không phải là duy trì các điểm đặt của các chu
trình riêng.

-
Hệ thống chuyên gia sẽ đóng góp đáng kể vào độ ổn định
lò, điều khiển ít nhất là 80% thời gian hoạt động của lò
Hơn nữa, lò ổn định sẽ:
- Giảm tiêu thụ nhiệt lượng từ: 3% - 5%
- Giảm tiêu tốn điện năng từ: 3% - 5%
- Tăng độ bền gạch chịu lửa từ:30% - 50%
- Nâng cao chất lượng clinker, giảm tiêu thụ điện trong
nghiền xi măng
- Tăng các hệ số vận hành và năng suất của lò.
V n đ 3ấ ề
V n đ 3ấ ề
:
:
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư


Phương pháp cho lò với máy làm nguội ghi bao gồm các nhóm sau:
- Điều khiển zôn nung
- Điều khiển quá trình cháy
- Điều khiển máy làm nguội
- Điều khiển quá trình khởi động lò
* Phương pháp điều khiển lò
* Phương pháp điều khiển lò
Mỗi nhóm có nhiều mục tiêu có thứ tự ưu tiên để tránh mâu thuẫn. Đối
tượng chính trong điều khiển zôn nung theo thứ tự ưu tiên là:
Điều khiển các rối loạn Tránh tình trạng lò nóng/ nguội

Hoạt động ổn định Ổn định hoạt động của lò
Chất lượng clinker Thõa mãn yêu cầu về chất lượng
Sản lượng Tối đa hóa sản lượng
V n đ 3ấ ề
V n đ 3ấ ề
:
:
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư


- Thông số đo lường:
* Các yêu cầu của hệ thống chuyên gia
* Các yêu cầu của hệ thống chuyên gia
-
-
Đối với hệ thống lò như nhau, hệ thống chuyên gia
Đối với hệ thống lò như nhau, hệ thống chuyên gia
sẽ điều khiển
sẽ điều khiển


V n đ 3ấ ề
V n đ 3ấ ề
:
:
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư

2. Điều khiển quá trình lò nung clinker
2. Điều khiển quá trình lò nung clinker
* Cơ cấu điều khiển lò
* Cơ cấu điều khiển lò
1. Điều khiển quá trình hình thành clinker
2. Điều khiển quá trình đốt


Xét về cơ cấu điều khiển chúng ta đề cập đến 2 vấn
Xét về cơ cấu điều khiển chúng ta đề cập đến 2 vấn
đề chính của chiến lược điều khiển:
đề chính của chiến lược điều khiển:
V n đ 3ấ ề
V n đ 3ấ ề
:
:
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư


* Các yếu tố của cơ cấu điều khiển
* Các yếu tố của cơ cấu điều khiển
ĐIỀU KHIỂN ĐỐT
ĐIỀU KHIỂN ZÔN NUNG
NHIỆT ĐỘ
THOÁT RA
OXY
SẢN LƯỢNG
CHẤT LƯỢNG
SỰ ỔN ĐỊNH

V n đ 3ấ ề
V n đ 3ấ ề
:
:
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư


Chỉ số ổn định nhiệt độ lò và nhiệt độ zôn nung
Chỉ số ổn định nhiệt độ lò và nhiệt độ zôn nung
-1
0
+1
KOSI
-1
0
+1
BZTI
ỔN ĐỊNH
KHÔNG ỔN ĐỊNH KHÔNG ỔN ĐỊNH
ĐƯỢC
NGUỘI
NÓNG
Sấy
Làm nguội
Trong đó:
- KOSI: chỉ số ổn định hoạt động lò
- BZTI : Chỉ số nhiệt độ zôn nung
V n đ 3ấ ề
V n đ 3ấ ề

:
:
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư


3. Chiến lược điều khiển theo module
3. Chiến lược điều khiển theo module
Qua việc xác định các thông số, người vận hành đưa vào các chỉ số
đo lường thích hợp với lò, và các module hoạt động đáng tin cậy.
Người sử dụng có thể đưa thêm thông số mới này vào chiến lược thực
hiện bằng cách:
1. Xác định mục tiêu của các tham số mới.
2. Đặt thứ tự ưu tiên cho tham số mới.
3. Sử dụng các thuật toán tiêu chuẩn hoặc viết các thuật
toán mới để tính toán mức độ hoàn thành mục tiêu.
4. Xác định các qui tắc điều khiển mới để đạt được mục
tiêu mới.
5. Sắp xếp lại các thứ tự ưu tiên trong phạm vi chiến
lược hiện có để có chỗ cho tham số điều khiển mới.
V n đ 3ấ ề
V n đ 3ấ ề
:
:
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư
NGHIÊN C U V N HÀNH T I UỨ Ậ Ố Ư



Hệ thống các chương trình sẽ tính toán và điều

Hệ thống các chương trình sẽ tính toán và điều
khiển toàn bộ quá trình hoạt động của hệ thống
khiển toàn bộ quá trình hoạt động của hệ thống
dựa trên các mục tiêu đã được định sẵn.
dựa trên các mục tiêu đã được định sẵn.

Cấu trúc của một chương trình gồm 3 phần
Cấu trúc của một chương trình gồm 3 phần
chính:
chính:



Phần 1: Tính toán và chuẩn hóa các thông số
Phần 1: Tính toán và chuẩn hóa các thông số
đầu vào.
đầu vào.



Phần 2: Tính toán các lượng thay đổi tối ưu.
Phần 2: Tính toán các lượng thay đổi tối ưu.



Phần 3: Tính toán đầu ra (tính toán các điểm
Phần 3: Tính toán đầu ra (tính toán các điểm
đặt).
đặt).

Vấn đề 4
Vấn đề 4
:
:
NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG _ “EO”
NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG _ “EO”
(EXPERT OTIMIZER_ TỐI ƯU CHUYÊN GIA )
(EXPERT OTIMIZER_ TỐI ƯU CHUYÊN GIA )

Stage 5 outlet temp( C)
PID
PID
PID
PID
PID
PID
PID
Kiln-Pyrometer ( C)
Kiln NOx (ppm)
PC Coal
Feed Rotary valve
TA Damper
PH Fan Speed
Kiln Feed
Kiln Speed
Kiln Coal
Litre weight (g/l)
Freelime From LAB
Calciner temp ( C)

PH outlet CO (%)
PH outlet O2 (%)
Kiln CO (%)
Kiln Oxygen (%)
Kiln Driver Amps (%)
FUZZY-NEURAL
Các
thuật
toán
tính
toán
đầu
vào
Các
thuật
toán
tính
toán
đầu ra
Hệ
thống lò
Đo lường và chuyển
đổi tín hiệu
Tính toán lượng
thay đổi tối ưu


1.Một số Module thuật toán quan trọng trong thư viện Toolkit
1. Ramping and Tracking
2. Norm

3. Norm+
4. Norm*
5. FOF (bộ lọc tín hiệu theo thời gian)
6. IP Norm+
7. Counter
8. GRD (Gradient)
9. Scale
V n đ 4ấ ề
V n đ 4ấ ề
:
:
NGHIÊN C U PH N M M CHUYÊN D NG _ “EO”Ứ Ầ Ề Ụ
NGHIÊN C U PH N M M CHUYÊN D NG _ “EO”Ứ Ầ Ề Ụ
(EXPERT OTIMIZER_ T I U CHUYÊN GIA )Ố Ư
(EXPERT OTIMIZER_ T I U CHUYÊN GIA )Ố Ư


2. Các thuật toán điều khiển lò nung clinker (kiln)
Các đầu vào: 11
- Litre weight (g/l): dung trọng Clinker.
- Freelime From Lab: Nồng độ vôi tự do trong Clinker sau khi nung.
- Kiln driver Amps (kA): Dòng động cơ lò.
- Kiln CO (%): Nồng độ khí CO đầu lò.
- Kiln O2 (%): Nồng độ Oxy đầu lò.
- PH outlet O2 (%): Nồng độ Oxy trên tháp trao đổi nhiệt.
- PH outlet CO (%): Nồng độ khí CO trên tháp trao đổi nhiệt.
- Kiln NOx (ppm): Nồng độ khí NOx đầu lò.
- Kiln-Pyrometter (0C): nhiệt độ zôn nung.
- Canxiner temp (0C): Nhiệt độ canxiner.
- ST 5 outlet temp (0C): Nhiệt độ đầu ra tháp trao đổi nhiệt.

V n đ 4ấ ề
V n đ 4ấ ề
:
:
NGHIÊN C U PH N M M CHUYÊN D NG _ “EO”Ứ Ầ Ề Ụ
NGHIÊN C U PH N M M CHUYÊN D NG _ “EO”Ứ Ầ Ề Ụ
(EXPERT OTIMIZER_ T I U CHUYÊN GIA )Ố Ư
(EXPERT OTIMIZER_ T I U CHUYÊN GIA )Ố Ư


Chương 4
Chương 4
NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM TỐI ƯU CHUYÊN GIA SỬ DỤNG TRONG VẬN
NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM TỐI ƯU CHUYÊN GIA SỬ DỤNG TRONG VẬN
HÀNH LÒ NUNG CLINKER NHÀ MÁY XI MĂNG SÔNG GIANH
HÀNH LÒ NUNG CLINKER NHÀ MÁY XI MĂNG SÔNG GIANH
Các điểm đặt đầu ra: 07
- PC Coal (t/h): tính toán điểm đặt cấp than cho canxiner
- Kiln coal (t/h): tính toán điểm đặt cấp than cho lò.
- Kiln speed (v/ph): tính toán điểm đặt tốc độ lò.
- Kiln feed (t/h): tính toán điểm đặt cấp liệu cho lò.
- PH Fan speed (%): tốc độ quạt ID.
- TA Damper (%): Độ mở van gió 3.
- Feed rotary value: Tốc độ van quay chia liệu.


4.3.2. Các thuật toán tính toán đầu vào
4.3.2. Các thuật toán tính toán đầu vào

Chuẩn hóa các thông số đầu vào: 05

Chuẩn hóa các thông số đầu vào: 05

Chuẩn hóa thông số: Kiln OX và PH OX.
Chuẩn hóa thông số: Kiln OX và PH OX.

Chuẩn hóa nhiệt độ Canxiner (PCT).
Chuẩn hóa nhiệt độ Canxiner (PCT).

Chuẩn hóa nhiệt độ zôn nung (BZT).
Chuẩn hóa nhiệt độ zôn nung (BZT).

Chuẩn hóa các thông số về chât lượng: Dung trọng
Chuẩn hóa các thông số về chât lượng: Dung trọng
Clinker và hàm lượng vôi tự do.
Clinker và hàm lượng vôi tự do.

Tính toán các mục tiêu đầu vào:05
Tính toán các mục tiêu đầu vào:05

Mục tiêu nhiệt độ zôn nung (pyro-target-sp).
Mục tiêu nhiệt độ zôn nung (pyro-target-sp).

Mục tiêu dòng lò (amps-target-sp).
Mục tiêu dòng lò (amps-target-sp).

Mục tiêu nồng độ NOx (NOx-target-sp).
Mục tiêu nồng độ NOx (NOx-target-sp).

Mục tiêu nhiệt độ Canxiner (PC-temp-sp).
Mục tiêu nhiệt độ Canxiner (PC-temp-sp).


Mục tiêu nồng độ Oxy lò và Oxy tháp trao đổi nhiệt.
Mục tiêu nồng độ Oxy lò và Oxy tháp trao đổi nhiệt.