Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa thúc đẩy sự hình thành của hàng loạt khu liên hợp, nhà máy công nghiệp phục vụ phát triển kinh tế. Tuy nhiên, đi kèm với sự phát triển này là nguy cơ ô nhiễm môi trường do khí thải và bụi công nghiệp. Trong ngành luyện kim, đặc biệt là công nghệ sản xuất thép bằng lò thổi oxy dung tích 120 tấn, quá trình nấu luyện phát sinh lượng bụi rất lớn cùng hàm lượng khí than (CO) độc hại ở nhiệt độ cao. Bụi công nghiệp gây nguy hại nghiêm trọng đến sức khỏe người lao động và hệ sinh thái xung quanh nếu không được xử lý triệt để. Để bảo đảm điều kiện làm việc của công nhân và thu hồi tối đa nguồn năng lượng từ khí than tái sử dụng cho sản xuất, việc đầu tư hệ thống lọc bụi tĩnh điện lò thổi dạng khô là một yêu cầu kỹ thuật tất yếu.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về công nghệ lọc bụi và công nghệ lọc bụi tĩnh điện trong công nghiệp.
  2. Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống lọc bụi tĩnh điện lò thổi 120 tấn, hệ thống quạt gió và biến tần trung thế điều khiển động cơ quạt.
  3. Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tự động hệ thống lọc bụi tĩnh điện và các thiết bị điện phụ trợ.
  4. Tính toán xác định phụ tải điện của phân xưởng lọc bụi tĩnh điện và lựa chọn phương án cấp điện phù hợp cho hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cung cấp điện và hệ thống thiết bị công nghệ của trạm lọc bụi tĩnh điện lò thổi 120 tấn.
  • Phạm vi không gian: Trạm lọc bụi tĩnh điện thuộc nhà máy luyện thép, bao gồm trạm phân phối trung áp 10 kV, trạm biến áp hạ thế tự dùng 10/0,4 kV, hệ thống biến tần trung thế 10 kV cho quạt hút, các tủ phân phối hạ áp MCC, tủ điều khiển PLC và các máy biến áp chỉnh lưu cao áp cấp nguồn cho các trường tĩnh điện.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ ngày 10 tháng 10 năm 2021 và hoàn thành vào ngày 30 tháng 12 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý vật lý, hóa học và kỹ thuật điện công nghiệp sau:

  • Nguyên lý ion hóa chất khí và phóng điện vầng quang (corona): Khi đặt một điện áp một chiều cao áp từ 30 kV đến 120 kV giữa điện cực phóng (cực âm) và điện cực lắng (cực dương nối đất), cường độ điện trường lớn làm ion hóa các phân tử khí xung quanh cực phóng. Các hạt bụi đi qua vùng điện trường sẽ bị tích điện âm do hấp thụ ion tự do và chuyển động dưới tác dụng của lực điện trường về bám vào bản cực lắng.
  • Phân loại bụi theo điện trở suất ($\rho$): Tác giả chia bụi thành 3 nhóm cơ bản để đánh giá khả năng thu hồi:
    • Nhóm I ($\rho < 10^4,\Omega\cdot\text{cm}$): Hạt bụi mất điện tích ngay khi chạm điện cực lắng, dễ bị dòng khí cuốn đi trở lại.
    • Nhóm II ($10^4,\Omega\cdot\text{cm} \le \rho \le 10^{10},\Omega\cdot\text{cm}$): Khoảng điện trở suất tối ưu nhất cho lọc bụi tĩnh điện, bụi giữ được tĩnh điện đủ lâu để tạo thành lớp bám dính.
    • Nhóm III ($\rho > 10^{10} \div 10^{13},\Omega\cdot\text{cm}$): Bụi tạo thành lớp xốp cách điện trên điện cực, dễ gây phóng điện ngược (vầng quang ngược) làm suy giảm hiệu suất lọc.
  • Nguyên lý điều khiển điện trường cao áp: Vận dụng các nguyên tắc điều khiển tự động như phương pháp áp đặt điện áp dưới ngưỡng đánh thủng, phương pháp điều khiển điện áp theo tần suất phóng tia điện (Valter) và phương pháp duy trì điện áp trung bình cực đại (Loge - Cottrell).
  • Cấu trúc biến tần trung thế đa bậc: Ứng dụng nguyên lý dịch pha cuộn dây thứ cấp máy biến áp với góc lệch $\alpha = 60^\circ / N$ (với $N = 5$ khối nguồn mỗi pha thì góc lệch là $12^\circ$) để triệt tiêu sóng hài nguồn cấp, kết hợp mạch cầu H sử dụng linh kiện bán dẫn IGBT và giải thuật điều khiển dịch góc pha trung tính khi bypass cell lỗi.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Khảo sát quy trình công nghệ lọc bụi khô của lò thổi luyện thép, đối chiếu ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý khí thải công nghiệp.
  • Phương pháp xác định phụ tải tính toán: Sử dụng phương pháp xác định phụ tải động lực theo công suất đặt và số thiết bị sử dụng điện hiệu quả ($n_{hq}$), hệ số sử dụng cực đại ($k_{max}$), hệ số sử dụng trung bình ($k_{sd}$) và hệ số công suất trung bình ($\cos\varphi_{tb}$).
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu công nghệ, danh mục công suất thiết bị thực tế của trạm lọc bụi lò thổi 120 tấn tại nhà máy luyện thép; thông số kỹ thuật của biến tần trung thế ABB ACS580MV.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống lọc bụi tĩnh điện lò thổi 120 tấn là hệ thống kỹ thuật công nghiệp phức hợp kết hợp giữa công nghệ xử lý cơ khí - nhiệt và hệ thống cấp điện - điều khiển tự động hóa.

Dây chuyền công nghệ xử lý khí thải và thu hồi khí than:

  • Khí thải lò thổi có nhiệt độ khoảng $1500^\circ\text{C}$ được quạt hút hút lên chụp khói và đưa vào tháp lọc bụi trọng lực (lọc bụi bốc hơi). Hệ thống pép phun nước và khí Nitơ làm giảm nhiệt độ khí xuống $(800 \div 1100)^\circ\text{C}$ khi lò đang thổi luyện. Bụi thô rơi xuống silo qua hệ thống 2 van lật và được xe chuyển về bộ phận thiêu kết để tái sử dụng.
  • Nhiệt độ dòng khí đầu ra của lọc bụi trọng lực được điều khiển tự động dao động quanh giá trị đặt $190^\circ\text{C}$. Hệ thống khống chế nghiêm ngặt nhiệt độ đầu vào bộ lọc tĩnh điện không được vượt quá $200^\circ\text{C}$; nếu vượt ngưỡng này, hệ thống sẽ tự động nâng súng oxy để dừng thổi luyện nhằm tránh cháy nổ và bảo vệ bản cực không bị biến dạng nhiệt.
  • Khí chứa bụi tinh đi vào buồng tĩnh điện dạng ống tròn gồm 4 buồng điện trường. Bản cực dương dạng tấm nối đất qua 8 vị trí; bản cực âm dạng gai nhọn nhận điện áp âm cao thế lên tới 86 kV. Bụi tinh tích điện bám vào cực dương, được hệ thống búa gõ làm rơi xuống đáy và gom lại nhờ bộ gạt bụi dạng quạt cùng xích cào bụi.
  • Sau khi qua bộ tĩnh điện, hàm lượng bụi đạt mức nhỏ hơn $10,\text{mg/Nm}^3$. Lúc này, hệ thống kiểm tra nồng độ khí:
    • Nếu hàm lượng khí CO $< 25%$ hoặc hàm lượng oxy $> 5%$: Khí thải được dẫn xả ra môi trường qua ống khói.
    • Nếu hàm lượng khí CO $> 25%$ và hàm lượng oxy $< 0,5%$: Hai van chuông đảo lưu thủy lực mở để dẫn khí than qua bồn làm mát bằng nước (đảm bảo nhiệt độ $< 60^\circ\text{C}$) rồi nạp vào bồn chứa khí than phục vụ các xưởng sản xuất khác.

Hệ thống cung cấp điện và điều khiển động lực:

  • Lưới trung áp 10 kV: Nguồn cấp từ trạm 10 kV số 3 qua 2 lộ vào độc lập Lộ 691 và Lộ 693. Hệ thống phân phối trung áp gồm 2 tủ máy cắt lộ vào 1600 A (biến dòng $1200/5\times 2$), 1 tủ máy cắt liên lạc 1600 A, 2 tủ máy cắt 1250 A ($200/5\times 2$) cấp cho 2 biến tần trung thế và 2 tủ máy cắt 1250 A ($100/5\times 3$) cấp cho 2 trạm biến áp tự dùng.
  • Hệ thống quạt gió trung áp: Gồm 2 động cơ quạt gió công suất 900 kW/động cơ, điện áp 10 kV, dòng điện định mức 63 A, tốc độ tối đa 1488 vòng/phút. Hai quạt được điều khiển bởi 2 bộ biến tần trung thế ABB ACS580MV (kích thước tủ $5300 \times 1170 \times 2720,\text{mm}$), vận hành theo nguyên tắc 1 quạt chạy và 1 quạt dự phòng. Tốc độ quạt thay đổi tự động theo chu kỳ thổi luyện kết hợp theo dõi 3 cảm biến áp suất âm ở miệng lò:
    • Khi lò dừng ra thép: 450 vòng/phút.
    • Khi đang đổ thép vào lò: 600 vòng/phút.
    • Khi bắt đầu cắm súng oxy thổi: 870 vòng/phút.
    • Khi đạt điều kiện thu hồi khí than: Tối đa 1170 vòng/phút.
  • Trạm biến áp hạ thế tự dùng: Gồm 2 máy biến áp MBA 1# và MBA 2# cấp điện áp $10/0,4,\text{kV}$, dung lượng $1000,\text{kVA}$. Phía 0,4 kV sử dụng các tủ máy cắt hạ áp 1600 A và máy cắt liên lạc 1600 A, cấp điện cho các tủ phân phối MCC từ 1# đến 9# và 2 tủ tụ bù công suất phản kháng dung lượng 180 kVAR mỗi tủ.
  • Nguồn cao áp tĩnh điện: Nguồn 0,4 kV cấp cho 4 tủ điều khiển PLC và 4 tủ điện trường, nối tới 4 máy biến thế chỉnh lưu cao áp $0,4/90,\text{kV}$ (điện trường 1 dùng máy biến áp 3 pha, điện trường 2, 3, 4 dùng máy biến áp 1 pha) để tạo ra điện áp làm việc một chiều từ 40 kV đến 70 kV (điện áp thiết kế 111 kV, công suất bộ chỉnh lưu 112 kVA).
Hạng mục thiết bị Quy cách / Thông số kỹ thuật Số lượng / Chế độ vận hành
Nguồn cấp trung áp Điện áp 10 kV, 2 lộ vào (Lộ 691, Lộ 693) Máy cắt 1600 A, có liên lạc
Biến tần trung áp ABB ACS580MV (10 kV, 900 kW, 63 A) 02 bộ (1 làm việc, 1 dự phòng)
Động cơ quạt hút 900 kW, 10 kV, 63 A, 1488 vòng/phút 02 động cơ (1 chạy, 1 dự phòng)
Máy biến áp tự dùng 10/0,4 kV, công suất định mức 1000 kVA 02 máy biến áp
Biến áp chỉnh lưu cao áp Điện áp vào 0,4 kV, điện áp ra tối đa 86 - 90 kV, 112 kVA 04 bộ (Trường 1: 3 pha; Trường 2, 3, 4: 1 pha)
Tủ tụ bù hạ áp Dung lượng 180 kVAR mỗi tủ 02 tủ

Đặc tính kỹ thuật của biến tần trung thế ACS580MV:

  • Tích hợp máy biến áp dịch pha loại khô làm mát bằng không khí, biến đổi điện áp 3 pha đầu vào thành 5 kênh điện áp 3 pha 690 V lệch pha nhau góc $12^\circ$. Hệ thống kiểm soát nhiệt độ cuộn dây cài đặt cảnh báo ở $130^\circ\text{C}$ và tác động ngắt bảo vệ khi vượt $150^\circ\text{C}$.
  • Mỗi pha gồm 5 khối nguồn đơn vị (cell điện áp thấp) mạch cầu H mắc nối tiếp sử dụng khóa bán dẫn IGBT. Biến tần trang bị chức năng tự động bypass một cell bị hỏng trong thời gian dưới $500,\text{ms}$. Để khắc phục hiện tượng mất cân bằng điện áp khi bypass cell ở một pha, hệ thống thực hiện giải thuật dịch điểm trung tính và dịch góc pha điện áp (pha A lệch pha so với pha B và C góc $132,5^\circ$ thay vì $120^\circ$).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ LỌC BỤI

Chương 1 trình bày tổng quan các phương pháp lọc bụi phổ biến trong công nghiệp bao gồm lọc bụi ly tâm, lọc bụi ẩm và lọc bụi tĩnh điện. Tác giả phân tích các mô hình thiết bị lọc bụi điện như kiểu nằm ngang YT ứng dụng trong luyện kim (lò mactanh, lò nung đôlômit, nồi hơi), kiểu ống trụ một vùng và kiểu lưới điện 2 vùng (làm sạch không khí có nhiệt độ đến $400^\circ\text{C}$, nồng độ bụi ban đầu $\le 10,\text{mg/m}^3$).

Các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của thiết bị lọc bụi điện được tổng hợp rõ nét:

  • Ưu điểm: Hiệu suất thu bụi đạt tới $99,9%$; chi phí điện năng thấp chỉ tiêu tốn từ $0,3 \div 1,8,\text{MJ}$ cho $1000,\text{m}^3$ khí thải; thu hồi được hạt bụi có kích thước nhỏ đến $0,1,\mu\text{m}$ với nồng độ từ vài gam đến $50,\text{g/cm}^3$; nhiệt độ dòng khí làm việc có thể đạt tới $500^\circ\text{C}$; vận hành được ở áp suất chân không hoặc áp suất cao; khả năng tự động hóa hoàn toàn.
  • Nhược điểm: Độ nhạy cao với sự sai lệch giữa thông số tính toán và vận hành thực tế; không được sử dụng để lọc khí có chứa chất dễ nổ do nguy cơ phát sinh tia lửa điện; chi phí đầu tư thiết bị ban đầu lớn (thấp nhất từ 30 triệu đồng đến vài trăm triệu đồng cho thiết bị công suất lớn); kết cấu cồng kềnh yêu cầu diện tích lắp đặt cố định và khoảng thoáng tối thiểu 1 m phía trước để vệ sinh bảo dưỡng phin lọc.

Về cấu tạo cơ khí, chương này mô tả chi tiết các cụm thành phần:

  • Vỏ thiết bị: Chế tạo bằng bê tông, gạch hoặc tấm chì bọc cách nhiệt, phía dưới bố trí các bunke chứa bụi.
  • Cơ cấu phân phối khí: Hệ thống lưới đục lỗ đặt trước vùng thu bụi kết hợp tấm chỉnh hướng dòng khí.
  • Hệ thống điện cực: Cực lắng hình trụ tròn đường kính $200 \div 300,\text{mm}$, chiều dài $3 \div 5,\text{m}$ hoặc dạng tấm phẳng; cực quầng sáng gồm loại không có điểm phóng điện và loại có điểm phóng điện cố định dạng mũi nhọn.
  • Cơ cấu rung gõ và tháo bụi: Sử dụng búa lăn quay tròn hoặc cơ cấu nâng điện từ gõ vào đe; phễu gom bụi hình chóp có bộ sưởi nhiệt điện trở tiêu thụ $1,5,\text{kW/m}^2$ để chống bết dính bụi.
  • Hệ thống cấp cao áp: Trang bị bộ điều khiển giữ ổn định điện áp sát dưới giới hạn đánh thủng, chuyển mạch cao áp $3/5$ điểm và hệ thống khóa liên động cơ khí chống mở cửa kiểm tra khi chưa ngắt điện và nối đất.

Chương 2: HỆ THỐNG LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN

Chương 2 đi sâu vào cấu tạo và nguyên lý của trạm lọc bụi tĩnh điện chuyên dụng cho nhà máy luyện thép:

  • Đặc tính của bụi luyện thép: Phân tích khối lượng riêng thật, khối lượng riêng xếp đống, kích thước hạt ($\mu\text{m}$), tính bám dính, khả năng mài mòn, độ hút ẩm và ảnh hưởng của điện trở suất theo nhiệt độ.
  • Dây chuyền công nghệ lọc bụi lò thổi 120 tấn: Kết hợp tháp lọc bụi trọng lực phun nước hạ nhiệt xuống $(800 \div 1100)^\circ\text{C}$, khống chế nhiệt độ đầu ra lọc trọng lực quanh $190^\circ\text{C}$ và bảo đảm nhiệt độ vào bộ lọc tĩnh điện không vượt quá $200^\circ\text{C}$.
  • Cấu trúc bộ lọc tĩnh điện: Thiết kế dạng ống tròn gồm 4 buồng điện trường. Điện trường 1 dùng máy biến áp 3 pha, 3 điện trường sau dùng máy biến áp 1 pha. Cực âm dạng gai làm từ dây thép Nicrom đường kính $\varnothing 2 \div \varnothing 5,\text{mm}$ treo trên khung sứ cách điện có bộ sấy (chịu nhiệt độ dòng khí $250 \div 350^\circ\text{C}$, điểm đọng sương axit $120 \div 150^\circ\text{C}$). Cực lắng dạng tấm có biên dạng hở để che chắn thủy khí động học, chống hiện tượng cuốn bụi ngược lần hai.
  • Hệ thống điều khiển Thyristor: Tủ điều khiển điện trường phối hợp bộ xử lý PLC nhận tín hiệu dòng áp phản hồi từ mạch phân áp và điện trở Shunt để điều khiển góc mở Thyristor; thiết lập ngưỡng vầng quang tối thiểu khoảng 20 kV và tự động ngắt điện áp khi phát hiện ngắn mạch hoặc hồ quang giữa hai bản cực.
  • Hệ thống quạt gió và biến tần trung thế: Khảo sát chi tiết biến tần ABB ACS580MV (10 kV, 900 kW, 63 A), cấu tạo máy biến áp dịch pha làm mát cưỡng bức (bảo vệ nhiệt độ ở hai ngưỡng $130^\circ\text{C}$ và $150^\circ\text{C}$), cấu tạo 5 cell nguồn đơn vị mỗi pha và sơ đồ điều khiển dịch góc pha sang $132,5^\circ$ để duy trì cân bằng điện áp khi bypass cell công suất hỏng. Tốc độ quạt gió được điều chỉnh từ 450 đến 1170 vòng/phút theo các giai đoạn nấu luyện.

CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN

Chương 3 trình bày các bước tính toán và xác định phụ tải điện cho toàn bộ phân xưởng lọc bụi tĩnh điện lò thổi:

  • Danh mục phụ tải động lực hạ thế của trạm lọc bụi:
Tên thiết bị Số lượng Công suất một máy $P$ (kW) Tổng công suất đặt (kW)
Động cơ xích cào bụi 3 11,0 33,0
Động cơ búa gõ bụi 17 5,5 93,5
Động cơ gạt bụi 2 11,0 22,0
Động cơ van mắt kính 6 5,5 33,0
Động cơ van bướm 6 3,0 18,0
Động cơ thủy lực 2 7,5 15,0
Động cơ bơm mỡ bôi trơn 2 5,5 11,0
Tổng cộng 38 — 225,5
  • Phương pháp tính toán phụ tải động lực:
    • Xác định số thiết bị tiêu thụ điện hiệu quả $n_{hq}$ dựa trên công suất thiết bị lớn nhất $P_{dm\max} = 11,\text{kW}$.
    • Xác định hệ số sử dụng trung bình: $k_{sdtb} = 0,4$.
    • Xác định hệ số công suất trung bình: $\cos\varphi_{tb} = 0,8$ (tương ứng $\tan\varphi_{tb} = 0,75$).
    • Phụ tải tính toán động lực:
      • Công suất tác dụng: $P_{dl} = 68,2,\text{kW}$.
      • Công suất phản kháng: $Q_{dl} = 50,46,\text{kVAr}$.
  • Tính toán phụ tải chiếu sáng:
    • Áp dụng suất phụ tải chiếu sáng tiêu chuẩn $P_0 = 20,\text{W/m}^2$.
    • Công suất tác dụng chiếu sáng tính toán: $P_{cs} = 29,14,\text{kW}$.
  • Tổng hợp phụ tải tính toán toàn phân xưởng:
    • Phụ tải tác dụng tính toán: $P_{tt} = P_{dl} + P_{cs} = 68,2 + 29,14 = 97,34,\text{kW}$.
    • Phụ tải phản kháng tính toán: $Q_{tt} = Q_{dl} + Q_{cs} = 50,46 + 21,56 = 72,02,\text{kVAr}$.
    • Phụ tải biểu kiến tính toán: $S_{tt} = \sqrt{P_{tt}^2 + Q_{tt}^2} = \sqrt{97,34^2 + 72,02^2} = 121,08,\text{kVA}$.
  • Sơ đồ cung cấp điện: Xác lập cấu trúc trạm biến áp tự dùng gồm 2 máy biến áp $10/0,4,\text{kV} - 1000,\text{kVA}$, bố trí thanh cái hạ thế cấp cho các phân đoạn tủ MCC, hệ thống tụ bù tĩnh $2 \times 180,\text{kVAR}$ để nâng cao hệ số công suất và cấp nguồn cho 4 máy biến thế chỉnh lưu tĩnh điện $0,4/90,\text{kV}$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán và xác lập thông số kỹ thuật chính của trạm lọc bụi tĩnh điện lò thổi 120 tấn:

Thông số kỹ thuật Giá trị trong văn bản Đơn vị đo
Lưu lượng khí danh định qua thiết bị 227.000 $\text{m}^3\text{/h}$
Hiệu suất thu bụi yêu cầu 99,9 $%$
Hàm lượng bụi sau lọc tính toán $\le 10$ $\text{mg/Nm}^3$
Số lượng buồng điện trường 4 Trường
Vận tốc dòng khí cho phép trong thiết bị $\le 25$ m/s
Kích thước làm việc tổng thể thiết bị Rộng 10, Dài 20 m
Chiều dài làm việc của một trường 5 m
Tổng số lượng điện cực lắng $22 \times 4 = 88$ Tấm
Tổng số lượng điện cực phóng $21 \times 4 = 84$ Khung
Tổng cường độ dòng điện cực đại 800 mA
Dải điện áp làm việc định mức $40 \div 70$ kV
Điện áp thiết kế cách điện 111 kV
Công suất biến thế chỉnh lưu cao áp 112 kVA
Phụ tải tính toán tác dụng phân xưởng ($P_{tt}$) 97,34 kW
Phụ tải tính toán phản kháng phân xưởng ($Q_{tt}$) 72,02 kVAr
Phụ tải toàn phần tính toán phân xưởng ($S_{tt}$) 121,08 kVA

Các giải pháp và kiến nghị kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Giải pháp liên động nhiệt độ và an toàn cháy nổ: Đặt ngưỡng khống chế nhiệt độ khí thải đầu ra lọc trọng lực là $190^\circ\text{C}$ và nhiệt độ vào bộ tĩnh điện không vượt quá $200^\circ\text{C}$. Tự động ngắt thổi luyện oxy khi quá nhiệt để bảo vệ hệ thống điện cực không bị cong vênh biến dạng.
  • Giải pháp tự động hóa thu hồi khí than: Thiết lập quy chuẩn phân luồng tự động theo nồng độ khí CO $> 25%$ và $\text{O}_2 < 0,5%$, làm mát dưới $60^\circ\text{C}$ trước khi đưa vào bồn chứa khí than, tránh rò rỉ khí độc ra môi trường.
  • Giải pháp điều khiển truyền động quạt gió công suất lớn: Ứng dụng biến tần trung thế ACS580MV 10 kV điều chỉnh tốc độ quạt theo 4 cấp chu kỳ nấu luyện của lò thổi, kết hợp cơ chế bypass cell hỏng dưới $500,\text{ms}$ và dịch góc pha sang $132,5^\circ$ để duy trì cân bằng điện áp động cơ mà không làm gián đoạn chu kỳ sản xuất.

Đóng góp của đồ án:

  • Tác giả đã hệ thống hóa và cụ thể hóa cấu hình kỹ thuật của hệ thống lọc bụi tĩnh điện lò thổi dạng khô cho lò thổi công suất lớn 120 tấn trong ngành luyện thép Việt Nam.
  • Thiết lập phương án cấp điện đồng bộ từ trung áp 10 kV, hạ áp 0,4 kV đến nguồn cao thế 90 kV, kết hợp hoàn chỉnh việc tính chọn phụ tải cho 38 cụm động cơ phụ trợ trong phân xưởng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Phạm vi tính toán phụ tải chi tiết trong đồ án mới dừng lại ở nhóm phụ tải động lực hạ thế và chiếu sáng phân xưởng ($S_{tt} = 121,08,\text{kVA}$); văn bản chưa thể hiện các bảng tính chi tiết về dòng ngắn mạch ba pha trên các cấp điện áp 10 kV và 0,4 kV để kiểm tra độ ổn định nhiệt, ổn định lực điện động của thiết bị đóng cắt.
  • Chưa trình bày mã chương trình điều khiển cụ thể trên PLC cho chu kỳ vận hành các búa gõ rủ bụi cũng như các khối hàm chức năng điều khiển góc mở Thyristor của bộ nguồn chỉnh lưu cao áp.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Tiến hành tính toán chi tiết tổn thất công suất, tổn thất điện năng và kiểm tra sụt áp trên từng tuyến cáp hạ áp cấp đến từng động cơ xích cào, búa gõ, van mắt kính.
  • Xây dựng thuật toán điều khiển mờ hoặc điều khiển thích nghi cho bộ biến áp chỉnh lưu cao thế nhằm tối ưu hóa điểm điện áp đánh thủng theo thời gian thực tương ứng với từng giai đoạn xả bụi của lò thổi.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự động công nghiệp, Tự động hóa quá trình sản xuất đang thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về thiết kế cung cấp điện cho nhà máy luyện kim, trạm biến áp phân xưởng hoặc điều khiển lọc bụi tĩnh điện.
  • Kỹ sư thiết kế, kỹ sư vận hành hệ thống cơ điện tại các nhà máy luyện thép, nhà máy sản xuất xi măng và nhiệt điện: Có thể tham khảo sơ đồ nguyên lý cấp điện phân cấp 10 kV / 0,4 kV / 90 kV, nguyên lý làm việc của biến tần trung thế ACS580MV và giải thuật dịch pha trung tính khi bypass cell công suất.
  • Các nội dung đáng chú ý nhất: Cấu trúc biến áp dịch pha của biến tần trung thế, quy trình công nghệ thu hồi khí CO lò thổi và phương pháp tính toán phụ tải phân xưởng theo nhóm thiết bị thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Các thông số vận hành cơ bản của trạm lọc bụi tĩnh điện lò thổi 120 tấn là bao nhiêu? Trạm được thiết kế với lưu lượng khí danh định $227.000,\text{m}^3\text{/h}$, hiệu suất thu bụi yêu cầu đạt $99,9%$, nồng độ bụi sau lọc nhỏ hơn $10,\text{mg/Nm}^3$. Thiết bị gồm 4 buồng điện trường, vận tốc dòng khí $\le 25,\text{m/s}$, kích thước tổng thể rộng 10 m, dài 20 m (chiều dài mỗi trường là 5 m). Hệ thống gồm 88 tấm cực lắng, 84 khung cực phóng gai nhọn, tổng dòng điện cực đại 800 mA, dải điện áp làm việc từ 40 kV đến 70 kV (điện áp thiết kế 111 kV, công suất biến thế chỉnh lưu 112 kVA).

2. Nhiệt độ khí thải lò thổi được kiểm soát như thế nào để bảo vệ hệ thống bản cực lọc bụi tĩnh điện? Khí thải lò thổi ở nhiệt độ $1500^\circ\text{C}$ đi qua tháp lọc trọng lực bốc hơi có pép phun nước và khí Nitơ để hạ xuống $(800 \div 1100)^\circ\text{C}$. Hệ thống bơm nước tự động điều chỉnh để nhiệt độ đầu ra lọc trọng lực dao động quanh $190^\circ\text{C}$. Nếu nhiệt độ đầu vào buồng tĩnh điện vượt quá ngưỡng an toàn $200^\circ\text{C}$, hệ thống sẽ tự động nâng súng oxy để dừng thổi luyện nhằm chống cháy nổ và bảo vệ bản cực không bị biến dạng nhiệt.

3. Điều kiện thành phần khí để trạm kích hoạt chế độ thu hồi khí than (CO) thay vì xả ra ống khói là gì? Sau khi khí qua buồng lọc tĩnh điện và đạt độ sạch bụi dưới $10,\text{mg/Nm}^3$, hệ thống cảm biến sẽ phân tích thành phần khí. Nếu hàm lượng CO $< 25%$ hoặc hàm lượng $\text{O}_2 > 5%$, khí sẽ bị xả ra môi trường qua ống khói. Nếu hàm lượng CO $> 25%$ và hàm lượng $\text{O}_2 < 0,5%$, hai van chuông đảo lưu thủy lực sẽ mở để đưa khí qua bồn làm mát bằng nước hạ nhiệt độ xuống dưới $60^\circ\text{C}$ rồi nạp vào bồn chứa khí than.

4. Biến tần trung thế ACS580MV xử lý thế nào khi có cell công suất bị hỏng để đảm bảo quạt hút không bị dừng? Mỗi pha của biến tần gồm 5 cell nguồn đơn vị mắc nối tiếp. Khi có cell bị sự cố, biến tần tự động thực hiện cô lập (bypass) cell đó trong thời gian dưới $500,\text{ms}$. Để khắc phục sụt áp và tránh mất cân bằng pha, hệ thống dịch chuyển điểm trung tính và điều chỉnh góc pha điện áp của pha có cell lỗi lệch sang $132,5^\circ$ so với hai pha còn lại (thay vì góc $120^\circ$ đối xứng thông thường), giúp tái lập sự cân bằng điện áp 3 pha đặt lên động cơ quạt.

5. Tổng phụ tải điện tính toán của phân xưởng lọc bụi tĩnh điện là bao nhiêu? Phân xưởng gồm 38 động cơ phụ trợ với tổng công suất đặt $225,5,\text{kW}$. Với hệ số sử dụng trung bình $k_{sdtb} = 0,4$ và hệ số công suất $\cos\varphi_{tb} = 0,8$, phụ tải động lực tính toán là $P_{dl} = 68,2,\text{kW}$ và $Q_{dl} = 50,46,\text{kVAr}$. Kết hợp với phụ tải chiếu sáng $P_{cs} = 29,14,\text{kW}$ (suất phụ tải $20,\text{W/m}^2$), tổng phụ tải tính toán của phân xưởng là: công suất tác dụng $P_{tt} = 97,34,\text{kW}$, công suất phản kháng $Q_{tt} = 72,02,\text{kVAr}$ và công suất biểu kiến $S_{tt} = 121,08,\text{kVA}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phan Quang Toàn đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế cung cấp điện và điều khiển tự động cho trạm lọc bụi tĩnh điện lò thổi 120 tấn tại nhà máy luyện thép. Đề tài kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ lọc bụi khô đa trường, công nghệ biến tần trung thế ACS580MV điều khiển quạt hút 900 kW theo chu kỳ thổi luyện và phương pháp tính toán phụ tải phân xưởng khoa học. Toàn bộ các thông số kỹ thuật, sơ đồ phân cấp nguồn từ 10 kV, 0,4 kV đến nguồn chỉnh lưu 90 kV đều được xây dựng bám sát yêu cầu công nghệ thực tiễn, đảm bảo hiệu suất thu bụi đạt $99,9%$ và an toàn thu hồi khí than tái sử dụng.