Đồ án điều khiển nồi hơi Boiler Hankook Nhà máy Xơ Sợi Đình Vũ

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu hệ thống điều khiển nồi hơi Boiler Hankook tại nhà máy xơ sợi Đình Vũ VNPOLY, phân tích cấu trúc và thuật toán điều khiển.

• Tác giả: Tô Minh Cẩn
• Người hướng dẫn: ThS. Phạm Đức Thuận
• Trường học: Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống điều khiển nồi hơi Boiler Hankook. Nhà máy Xơ Sợi Đình Vũ - VNPOLY
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án hệ thống điều khiển nồi hơi Boiler Hankook

Đồ án nghiên cứu hệ thống điều khiển nồi hơi Boiler Hankook tại Nhà máy Xơ sợi Đình Vũ - VNPOLY tập trung vào tối ưu hóa quy trình sản xuất hơi công nghiệp. Hệ thống sử dụng nền tảng PLC ControlLogix Allen-Bradley với khả năng xử lý 128.000 I/O, tích hợp chức năng điều khiển mực nước, nhiệt độ, lưu lượng khí đốt và áp suất. Đề tài bao gồm phân tích hiện trạng vận hành, đề xuất giải pháp cải tiến và xây dựng mô hình điều khiển ổn định. Kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất năng lượng, giảm tiêu hao nhiên liệu và đảm bảo an toàn vận hành. Các thông số kỹ thuật như van điều khiển 62FV601, transmitter đo mức 62LT605A/B được phân tích chuyên sâu.

1.1. Giới thiệu về nồi hơi Boiler Hankook

Nồi hơi Boiler Hankook được sử dụng rộng rãi trong ngành dệt may do hiệu suất nhiệt cao (85-92%) và khả năng vận hành liên tục 24/7. Thiết bị có công suất 30-50 tấn hơi/giờ, sử dụng nhiên liệu khí gas tự nhiên (NG) hoặc dầu DO. Hệ thống điều khiển tích hợp gồm PLC, biến tần, cảm biến và van điều khiển. Điểm nổi bật là khả năng tự động điều chỉnh tải theo nhu cầu sản xuất, giảm thiểu thất thoát năng lượng. Boiler Hankook tuân thủ tiêu chuẩn an toàn ASME Section I, đảm bảo vận hành ổn định tại Nhà máy Xơ sợi Đình Vũ.

1.2. Vai trò của hệ thống điều khiển tự động

Hệ thống điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong vận hành nồi hơi, bao gồm điều khiển mực nước (30-70% dung tích), nhiệt độ hơi (180-200°C) và áp suất hơi (8-10 bar). PLC ControlLogix xử lý tín hiệu analog 4-20mA từ các transmitter (62LT605A/B, 62TT601, 62FT601) để điều chỉnh van cấp nước, khí đốt. Tính năng redundant (dự phòng) đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố. Hệ thống giám sát SCADA cung cấp dữ liệu thời gian thực, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình sản xuất.

II. Phân tích các vấn đề trong hệ thống điều khiển nồi hơi

Hệ thống điều khiển nồi hơi Boiler Hankook tại Nhà máy Xơ sợi Đình Vũ gặp phải nhiều vấn đề ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành. Các sự cố thường gặp bao gồm dao động mực nước (trên ±5% dung tích), quá nhiệt hơi (vượt 200°C) do lỗi transmitter nhiệt độ 62TT601, và rò rỉ khí gas do van điều khiển 62FCV622 bị kẹt. Nguyên nhân chủ yếu là do nhiễu tín hiệu analog, thiếu bảo trì định kỳ và cấu hình PLC chưa tối ưu. Thống kê cho thấy 15% thời gian vận hành bị gián đoạn do sự cố kỹ thuật, gây thiệt hại 200 triệu đồng/năm. Việc thiếu hệ thống cảnh báo sớm cũng khiến các vấn đề không được phát hiện kịp thời.

2.1. Nguyên nhân gây mất ổn định mực nước

Mất ổn định mực nước xảy ra do transmitter đo mức 62LT605A/B bị nhiễu tín hiệu (từ bọt khí, rung động) và van cấp nước 62FV601 hoạt động không tuyến tính. Hệ thống PLC chưa được cài đặt PID phù hợp, dẫn đến phản ứng chậm trễ khi mực nước thay đổi đột ngột. Ngoài ra, việc thiếu hệ thống lọc nước cấp làm tăng cặn bẩn, ảnh hưởng đến độ chính xác của transmitter. Giải pháp đề xuất bao gồm lắp đặt bộ lọc từ tính, hiệu chuẩn transmitter định kỳ và tối ưu hóa thông số PID.

2.2. Hiệu suất đốt cháy nhiên liệu thấp

Hiệu suất đốt cháy nhiên liệu thấp (dưới 80%) do thiếu oxy trong buồng đốt, gây ra khói đen và tiêu hao nhiên liệu tăng 10-15%. Nguyên nhân bao gồm lỗi transmitter áp suất khí gas 62PT622, van điều khiển 62FCV622 bị rò rỉ, và hệ thống quạt gió không đủ công suất. Ngoài ra, nhiên liệu khí gas không được sấy khô đúng tiêu chuẩn, dẫn đến cháy không hoàn toàn. Giải pháp đề xuất bao gồm lắp đặt bộ điều khiển tỷ lệ không khí-nhiên liệu (Air-Fuel Ratio), vệ sinh định kỳ buồng đốt và nâng cấp hệ thống quạt.

III. Giải pháp cải tiến hệ thống điều khiển nồi hơi

Để khắc phục các vấn đề trên, đồ án đề xuất giải pháp cải tiến hệ thống điều khiển nồi hơi Boiler Hankook bao gồm nâng cấp phần cứng, tối ưu hóa phần mềm PLC và triển khai hệ thống giám sát SCADA. Giải pháp sử dụng PLC ControlLogix L75 với dung lượng bộ nhớ 32MB, tích hợp chức năng Motion và cổng USB 2.0. Hệ thống điều khiển PID được tinh chỉnh với thông số Kp=2.5, Ki=0.1, Kd=0.5. Van điều khiển được thay thế bằng model mới có độ chính xác ±0.1%, transmitter nhiệt độ sử dụng cảm biến PT100. Giải pháp cũng bao gồm lắp đặt hệ thống cảnh báo sớm qua SMS/email khi xảy ra sự cố.

3.1. Nâng cấp phần cứng hệ thống

Nâng cấp phần cứng tập trung vào thay thế các module lỗi thời bằng thiết bị hiện đại. PLC ControlLogix L75 thay thế cho L6x cũ, cung cấp dung lượng I/O lớn hơn (128.000 điểm) và tốc độ xử lý nhanh hơn. Van điều khiển 62FV601 được thay thế bằng model có độ phân giải 16-bit, đảm bảo độ chính xác ±0.1%. Transmitter nhiệt độ 62TT601 sử dụng cảm biến PT100 Class A, độ chính xác ±0.1°C. Hệ thống quạt gió được nâng cấp lên 15kW, cung cấp đủ oxy cho quá trình đốt cháy.

3.2. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển PLC

Thuật toán điều khiển PLC được tối ưu hóa bằng phương pháp điều khiển PID đa biến, kết hợp với logic mờ (Fuzzy Logic) để xử lý các biến động bất ngờ. Hệ thống giám sát SCADA cung cấp giao diện trực quan, hiển thị các thông số quan trọng như mực nước, nhiệt độ, áp suất và lưu lượng khí. Thuật toán cảnh báo sớm phát hiện các dấu hiệu bất thường (như tăng nhiệt độ nhanh chóng) và gửi cảnh báo tới nhân viên vận hành. Kết quả thử nghiệm cho thấy độ ổn định mực nước cải thiện từ ±5% xuống ±1%, hiệu suất đốt cháy tăng từ 80% lên 88%.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn đồ án

Đồ án nghiên cứu đã đề xuất giải pháp toàn diện nhằm cải tiến hệ thống điều khiển nồi hơi Boiler Hankook tại Nhà máy Xơ sợi Đình Vũ. Các giải pháp bao gồm nâng cấp phần cứng, tối ưu hóa thuật toán PLC, triển khai hệ thống giám sát SCADA và cảnh báo sớm. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống vận hành ổn định hơn, giảm thiểu sự cố kỹ thuật (từ 15% xuống 3%) và tiết kiệm nhiên liệu 12% (tương đương 240 triệu đồng/năm). Giải pháp có thể áp dụng cho các nhà máy dệt may sử dụng nồi hơi công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.

4.1. Đánh giá hiệu quả giải pháp

Hiệu quả giải pháp được đánh giá thông qua các chỉ số vận hành như độ ổn định mực nước (từ ±5% xuống ±1%), hiệu suất đốt cháy (tăng từ 80% lên 88%), và tiết kiệm nhiên liệu (12%). Hệ thống cảnh báo sớm giảm thời gian ngừng máy từ 2 giờ xuống 15 phút. Chi phí đầu tư ước tính 500 triệu đồng, thu hồi vốn trong 2 năm. Giải pháp cũng đáp ứng tiêu chuẩn an toàn công nghiệp, giảm thiểu rủi ro cháy nổ.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, hệ thống có thể được nâng cấp bằng trí tuệ nhân tạo (AI) để dự đoán sự cố và tối ưu hóa chế độ vận hành. Việc tích hợp IoT cho phép giám sát từ xa qua điện thoại di động. Ngoài ra, nghiên cứu có thể mở rộng sang các loại nồi hơi khác (như nồi hơi tầng sôi) hoặc ứng dụng trong ngành giấy, hóa chất. Giải pháp cũng có tiềm năng thương mại hóa dưới dạng gói dịch vụ tư vấn cho các nhà máy công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU NHÀ MÁY VNPOLY VÀ HỆ THỐNG NỒI HƠI CÔNG NGHIỆP NÓI CHUNG 1.1 Tổng quan nhà máy.1: Hình ảnh nhà máy Vnpoly Chủ đầu tư: Công ty CP Hóa dầu và xơ sợi Dầu khí (VNPOLY ) Khởi công: Tháng 5/2009 Nạp liệu: Tháng 11/2011 Chạy Nghiệm thu: Tháng 5/2013 (Hoàn thành) Công suất: 500 tấn sản phẩm/ngày Vị trí: Lô 5.1 Khu công nghiệp Đình Vũ Diện tích: 15 ha Tổng mức đầu tư: 325 triệu USD Sản phẩm: Xơ ngắn PSF Sợi dài DTY/POY Hạt nhựa PET chip 4 Hình 1.2: Mặt bằng tổng của nhà máy 1.1 Các phân xưởng chính trong nhà máy - Phân xưởng trùng ngưng (Polycondensation Unit). - Phân xưởng sản xuất xơ PSF (PSF Unit) - Phân xưởng sản xuất sợi Filament (Filament Unit) - Khu vực phụ trợ & ngoại vi (UT&OS area) 1.1 Phân xưởng Trùng ngưng - Nhà cung cấp bản quyền: UIF (Thụy Sỹ). - Nhiệm vụ chính: Tiến hành các phản ứng este hóa và trùng ngưng để tạo ra Polymer dạng nóng chảy (Polymer melt) từ nguyên liệu ban đầu là PTA (rắn) và MEG (lỏng). - Công suất: 500 tấn melt/ngày 1.2 Phân xưởng sản xuất xơ PSF - Nhà cung cấp thiết bị: Neumag (Đức).

5 - Nhiệm vụ chính: Tạo tow từ Polymer melt, sau đó qua quá trình xử lý cơ-nhiệt để ổn định chất lượng và cắt tạo thành xơ PSF - Công suất: 2 x 200 tấn PSF/ngày Hình1.3: công nghệ xưởng PSF 1.3 Phân xưởng sợi Filament - Nhà cung cấp thiết bị: Barmag (Đức). - Nhiệm vụ chính: Tạo sợi POY từ Polymer melt, sau đó qua quá trình xử lý cơ-nhiệt và đánh ống tạo thành sợi DTY - Công suất: 100 tấn DTY/ngày Hình 1.4: máy DTY xưởng Fila 6 1.2 Tổng quan phân xưởng phụ trợ và ngoại vi trong nhà máy. UT/OS cung cấp các phụ trợ cho nhà máy. Có 9 hệ thống chính trong xưởng UT/OS 1.1 Hệ thống khí nhiên liệu (63) Hình 1.5: Hệ thống nhiên liệu LPG 1.2 Hệ thống tháp làm mát (69) Hình 1.6: Hệ thống tháp làm mát 7 1.3 Hệ thống nước lạnh (70) Hình 1.7: Hệ thống nước lạnh 1.4 Hệ thống nito (75) Hình 1.8: Hệ thống Nito 8 1.5 Hệ thống khí nén (72) Hình 1.9: Hệ thống khí 1.6 Hệ thống xử lý nước (68) Hình 1.10: Hệ thống xử lý nước sinh hoạt 9 1.7 Hệ thống xử lý nước thải (66) Hình 1.11: Hệ thống xử lý nước thải 1.8 Hệ thống cứu hỏa Hình 1.12: Hệ thống bơm cứu hỏa 10 1.9 Hệ thống hơi nước Hình 1.13: Hệ thống hơi nước 1.2 Tổng quan hệ thống nồi hơi nói chung 1.1 Hệ thống lò hơi công nghiệp là gì? Nồi hơi công nghiệp hay còn gọi là lò hơi (Tiếng Anh là Steam Boiler).

Thông thường các loại nguyên liệu mà hệ thống lò hơi công nghiệp sử dụng là than, củi, trấu, dầu, gas…. Dùng để đun sôi nước tạo ra hơi nước nóng nhiệt độ cao và áp suất lớn. Tùy vào ngành sản suất sẽ tiêu thụ lượng nhiệt năng khác nhau. Có thể chủ động điều chỉnh nhiệt độ và áp suất trên hệ thống lò hơi này.

Tùy vào nhu cầu sử dụng của nhà máy mà điều chỉnh cho phù hợp. Các ống chịu nhiệt cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận chuyển. Sự ra đời của hệ thống lò hơi công nghiệp là một bước tiến quan trọng trong ngành sản xuất. Hệ thống lò hơi hoạt động tạo ra nguồn năng lượng sạch; mà lại không gây ảnh hướng đến khu vực cấm lửa hay cấm dầu.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lò hơi công nghiệp Nguyên liệu sử dụng phổ biến trong hệ thống lò hơi là nước.

Nước có giá thành rẻ, phổ biến nhưng lại cực kỳ rất hữu dụng. Khi nước chuyển thành hơi, lực mạnh sẽ tương đương với thuốc súng. Thoạt nhìn thì có vẻ như hệ thống nồi hơi công nghiệp rất phức tạp, nhiều thiết bị và mạng lưới ống, chi tiết. Nhưng lại trái lại, nguyên lý hoạt động của nó rất đơn giản.

Nhiệt được tạo ra từ việc đốt nhiên liệu là hoạt động chính. Nhiệt cung cấp nhiệt lượng cho nước nóng biến thành nhiệt năng của hơi nước. Nước trong hệ thống lò hơi sẽ được di chuyển tuần hoàn liên tục qua bể chứa nhờ bơm hút.14: Lò hơi công nghiệp Sử dụng nhiên liệu đốt thường được đốt cho tới khi nguồn nhiệt của lò chạm ngưỡng 1600 – 2000oC. Ở giai đoạn này, nước sẽ chuyển hóa thành hơi mang nhiệt nóng và được đưa đi bộ phận khác để sử dụng.

Hơi này sẽ được chuyển đến các bộ phận, quá trình sản xuất công nghiệp của doanh nghiệp cần sử dụng hơi. Hơi từ hệ thống lò hơi công nghiệp thường được sử dụng để gia nhiệt cho khí, rửa sạch các thiết bị… Có thể dung lượng nhiệt này cho các hoạt động sản xuất khác trong nhà máy để chế biến và sản xuất. Chẳng hạn như chế biến đường, hóa chất, rượu bia và nước giải khát các loại. Hơi nước bão hòa sẽ dùng trong các ngành công nghiệp này.

Trong các nhà máy nhiệt điện, người ta sẽ dung hơi nước quá nhiệt cho tua-bin để chạy máy phát điện.3 Ưu điểm hệ thống nồi hơi công nghiệp Hiệu suất rất cao, lên đến ~90%. Với hiệu suất nêu trên thì khả năng vận hành của nồi hơi công nghiệp sẽ đáp ứng được hầu như yêu cầu của mọi quy trình sản xuất, thúc đẩy quá trình sản xuất nhanh chóng và đạt hiệu quả cao. Hệ thống vận hành hoàn toàn tự động, an toàn: Giảm các công việc sử dụng sức lực, giảm thiểu các hoạt động sản xuất thủ công. Đáp ứng đủ nguồn hơi cần sử dụng: Mỗi loại quy trình sản xuất sẽ cần một lượng hơi nhât định, tùy thuộc vào đó mà sử dụng loại lò hơi công suất khác nhau.

Không tạo ra khói bụi và tiếng ồn khi hoạt động: Nồi hơi công nghiệp đạt tiêu chuẩn khi vận hành sẽ không tạo ra khói, bụi, tiếng ồn. Ngày nay, các loại lò hơi đã được cải tiến hơn so với trước đây. Mọi quy trình hoạt động trong lò hơi diễn ra êm ái, nhịp nhàng, không tạo ra tiếng động làm ảnh hưởng không gian xung quanh. 12 Tiết kiệm chi phí nhiên liệu: Lò hơi vận dụng tối đa nguồn nguyên liệu dồi dào sẵn có, giá thành rẻ như than, củi, gỗ, trấu… để phục vụ quá trình tạo nhiệt sinh hơi, tạo hơi.

Nhờ vậy mà tiết kiệm chi phí sản xuất. Thiết kế hệ thống nhỏ gọn: Thu gọn hệ thống là một bước tiến nổi bật về mặt kỹ thuật của lò hơi hiện đại so với truyền thống. Trước đây, nồi hơi rất to, cồng kềnh, nhiều chi tiết hệ thống rất khó vận chuyển. Ngày nay được cải tiến nhỏ gọn, nhẹ hơn nhiều.

Thuận tiện vận chuyển và tiết kiệm diện tích xưởng sản xuất.4 Ứng dụng của hệ thống lò hơi công nghiệp Lò hơi công nghiệp là thiết bị công nghiệp được dùng rộng rãi trong các nhà máy; xí nghiệp nhờ khả năng sinh và dẫn nguồn nhiệt (hơi) chính là nguồn cung cấp nhiệt chính đến các thiết bị; máy móc cần sử dụng nhiệt: Lò hơi công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong một số nhà máy như: Sản xuất bánh kẹo; nhà máy sản xuất thức ăn cho gia súc.… Ngoài ra lò hơi còn được sử dụng để đun nấu và thanh trùng thực phẩm như nước mắm, nước tương; dầu thực vật, nước giải khát… Lò hơi đóng vai trò tiệt trùng trong quy trình của một số ngành như y tế, xử lý môi trường, in ấn, hóa chất, dệt may, sản xuất cao su; nhựa và chất dẻo… Cũng trong ngành công nghiệp; nồi hơi được sử dụng như nguồn cung cấp nhiệt để vận hành một số thiết bị máy móc.5 Phân loại nồi hơi 1.1 Nồi hơi ống nước a) Nguyên lý hoạt động Ở nồi hơi ống nước, nước cấp qua các ống đi vào tang lò hơi. nước được đun nóng bằng khí cháy và chuyển thành hơi ở khu vực đọng hơi trên tang nồi hơi.15: Nồi hơi ống nước nghiêng b)Ưu nhược điểm Nhược điểm: Yêu cầu chất lượng nước cao và cần phải có hệ thống xử lí nước nếu không sẽ gây tắc ống vì các ống nước không thể rửa như các ống lửa Xây lắp tương đối phức tạp bao gồm hệ thống khung lò, tường lò, giá đỡ. Ưu điểm: Vận hành nhẹ nhàng do những nồi hơi ống nước hiện đại đều có các hệ thống điều khiển tự động (cho than, thải xỉ, cấp nước.) không cần nhiều thao tác bằng tay. Áp suất, nhiệt độ, độ khô đã thỏa mãn được các yêu cầu kĩ thuật của những máy hơi chính xác.

Diện tích tiếp nhiệt lớn so với các loại nồi hơi trước, do vậy năng suất hơi cao, phù hợp với nơi cần công suất nhiệt cao. Tốc độ hơi tương đối nhanh do việc khởi động tương đối nhanh(3- 4s) việc đuổi hơi nhanh. Sửa chữa dễ dàng do buồng lửa tương đối rộng, các chi tiết phần đối lưu được lắp theo khối. Hiệu suất cháy cao do sử dụng sự thông gió cưỡng bức, cảm ứng và cân bằng.16: Nồi hơi ống nước hai bao hơi 1.2 Nồi hơi ống lò a) Nguyên lí hoạt động Có dạng một bình hình trụ, đặt bên trong buồng đốt của lò hơi.

Khói nóng đi bên ngoài, đốt nóng bề mặt bình làm cho nước trong bình bốc hơi.18: Nồi hơi ống lò b) Ưu nhược điểm Ưu điểm: - Có thể tích chứa nước lớn nên có khả năng tích lũy nhiệt lớn, đáp ứng yêu cầu về phụ tải thay đổi. - Kích thước gọn, chiếm chỗ đặt ít. - Bảo ôn tường lò đơn giản. 15 Nhược điểm: - Khó tăng bề mặt truyền nhiệt theo yêu cầug công suất.

khi muốn tăng bề mặt truyền nhiệt người ta phải tăng số bình của lò, do đó sẽ rất khó bố trí các bình và suất tiêu hao kim loại chế tạo lò rất lớn. - Hơi sinh ra thường chỉ là hơi bão hòa - Thường có sản lượng bé.3 Nồi hơi ống lửa a) Nguyên lý hoạt động Với loại nồi hơi này, khí nóng đi qua các ống và nước cấp cho nồi hơi ở phía trên sẽ được chuyển thành hơi. Nồi hơi ống lửa thường được sử dụng với công suất hơi tương đối thấp cho đến áp suất hơi trung bình. Do đó,sử dụng lò hơi dạng này là ưu thế với tỷ lệ hơi lên tới 12.000 kg/giờ và áp suất lên tới 18 kg/cm2.

Các nồi hơi này có thể sử dụng với dầu, ga hoặc các nhiên liệu lỏng. Với các lý do kinh tế, các nồi hơi ống lửa nằm trong hạng mục lắp đặt “trọn gói” (tức là nhà sản xuất sẽ lắp đặt) cho từng loại nhiên liệu.19: Nồi hơi ống lửa 16 b) Ưu nhược điểm Ưu điểm: Ngoài những ưu điểm đã nêu trong phần nồi hơi ống lò còn có thêm một số ưu điểm sau: - Bề mặt truyền nhiệt lớn hơn nồi hơi ống lò. - Suất tiêu hao kim loại nhỏ hơn so với nồi hơi ống lò.