Tổng quan nghiên cứu

Hỏa hoạn tại các công trình cao tầng luôn là hiểm họa khó lường, gây ra những thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Trong nhiều vụ cháy điển hình như vụ hỏa hoạn trung tâm thương mại ITC khiến 60 người tử vong và 70 người bị thương, hay thảm kịch chung cư Carina Plaza làm 13 người thiệt mạng và 60 người bị thương, nguyên nhân chính dẫn đến tử vong không phải do ngọn lửa trực tiếp mà bắt nguồn từ ngạt khí độc CO và CO2. Nhằm nâng cao an toàn phòng cháy chữa cháy, hệ thống văn bản pháp lý tại Việt Nam đã có những chuyển biến rõ rệt thông qua Nghị định 136/2020/NĐ-CP, Quy chuẩn QCVN 06:2021/BXD và QCVN 03:2021/BCA. Những quy định này đòi hỏi hệ thống ống dẫn khí, hút khói sự cố và thông gió phải đáp ứng nghiêm ngặt giới hạn chịu lửa EI.

Tuy nhiên, năng lực thử nghiệm kiểm định khả năng chịu lửa của các cấu kiện đường ống trong nước còn gặp nhiều rào cản. Phần lớn các cơ sở thử nghiệm chưa sở hữu hệ thống lò đốt đạt chuẩn hoặc chưa làm chủ được công nghệ điều khiển nhiệt độ bám sát đường cong tiêu chuẩn quốc tế ISO 834-1. Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài tập trung nghiên cứu, tính toán thiết kế lò đốt khí ga dạng module hóa và phát triển bộ điều khiển nhiệt độ dựa trên mô hình song tuyến tính phục vụ quy trình thử nghiệm giới hạn chịu lửa theo ISO 6944-1:2018.

Nghiên cứu được triển khai từ tháng 9 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Phạm vi đề tài bao quát từ thiết kế cơ khí buồng đốt kích thước chiều sâu 4 m, chiều rộng 2 m, hệ thống 6 đầu đốt công nghiệp cho đến ống dẫn khí thải, ống khói cao trên 3 m so với mái và quạt ly tâm điều áp. Hệ thống hướng đến mục tiêu kiểm soát nhiệt độ lò đạt đỉnh 1110 °C tại thời điểm 10800 giây (3 giờ) với độ lệch kiểm soát nằm gọn trong biên dung sai cho phép dưới 15% ở pha đầu và duy trì nhiệt độ vách ngoài lò không vượt quá 75 °C, tạo nền tảng vững chắc cho hoạt động kiểm định PCCC tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp liên ngành giữa nhiệt động lực học, truyền nhiệt và lý thuyết điều khiển tự động hiện đại. Hệ thống lý thuyết trọng tâm bao gồm:

Thứ nhất, định luật bảo toàn năng lượng và phương trình cân bằng nhiệt trong không gian kín. Nhiệt lượng đầu vào được tạo ra thông qua phản ứng cháy của hỗn hợp khí gas và oxy, trong khi nhiệt lượng tiêu hao bao gồm tổn thất qua vách tường lò do đối lưu tự nhiên, bức xạ nhiệt mặt ngoài, nhiệt lượng thất thoát theo dòng khí thải qua ống khói và rò rỉ qua các khe hở kết cấu. Sự trao đổi nhiệt bên trong buồng đốt là quá trình phi tuyến phức tạp, chịu sự chi phối đồng thời của phương thức truyền nhiệt đối lưu và bức xạ nhiệt tuân theo định luật Stefan-Boltzmann với bậc 4 của nhiệt độ.

Thứ hai, lý thuyết mô hình hóa hệ thống phi tuyến thông qua cấu trúc mô hình song tuyến tính (Bilinear Model). Mô hình song tuyến tính dung hòa được tính chất phi tuyến bậc cao của động học truyền nhiệt và tính đơn giản của cấu trúc trạng thái, cho phép nhận dạng tham số chính xác từ dữ liệu thực nghiệm. Trên cơ sở đó, thuật toán điều khiển phản hồi được tổng hợp dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, bảo đảm tính ổn định tiệm cận của toàn bộ hệ thống kín.

Bên cạnh đó, nghiên cứu làm rõ các khái niệm kỹ thuật cốt lõi: Tính toàn vẹn (E) thể hiện khả năng ngăn chặn ngọn lửa và khí nóng truyền qua bề mặt không tiếp xúc lửa; Tính cách nhiệt (I) là giới hạn mức tăng nhiệt độ bề mặt không tiếp xúc lửa không quá 140 K nhiệt độ trung bình và không quá 180 K tại điểm bất kỳ; Tiêu chuẩn đường cong nhiệt độ ISO 834-1 biểu diễn mối quan hệ hàm logarit theo thời gian; Phân loại ống mẫu loại A (chịu lửa từ bên ngoài) và ống mẫu loại B (chịu lửa từ bên trong) theo chuẩn ISO 6944-1:2018.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập từ mô hình thiết kế cơ khí 3D trên SolidWorks, các mô phỏng dòng nhiệt khí động học trên MATLAB/Simulink và dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ hệ thống lò đốt hoàn thiện trang bị 6 đầu đốt Riello RS-25 BLU kết hợp hệ thống cảm biến nhiệt cặp nhiệt điện loại K và cảm biến vi sai áp suất.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, đối tượng kiểm nghiệm được lựa chọn theo đúng quy cách chuẩn hóa của ISO 6944-1:2018 bao gồm: Mẫu ống dẫn khí chữ nhật loại A kích thước 1000 x 500 mm, mẫu ống loại B kích thước 1000 x 250 mm, các mẫu ống tròn đường kính 630 mm đến 800 mm với chiều dài 4 m trong lò và 2.5 m ngoài lò, cùng mẫu cửa gỗ chống cháy EI60. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nguyên tắc đại diện cho các trường hợp lắp đặt đường ống thông gió và hút khói thực tế trong các tòa nhà cao tầng.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên mô hình song tuyến tính xuất phát từ thực tế các phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc truyền thống như PID kinh điển không thể đáp ứng tốt dải nhiệt độ biến thiên rộng từ 20 °C đến 1110 °C trong suốt 180 phút, kèm theo đặc tính quán tính nhiệt và độ trễ lớn của buồng đốt. Timeline thực hiện đề tài kéo dài trong 4 tháng, chia làm 3 giai đoạn: tính toán thiết kế cơ khí (tháng 9-10/2022), mô phỏng và nhận dạng mô hình (tháng 11/2022), chế tạo và thử nghiệm thực chứng (tháng 12/2022).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thử nghiệm thực nghiệm đã mang lại những phát hiện quan trọng chứng minh tính khả thi và độ tin cậy vượt trội của hệ thống:

Thứ nhất, khả năng bám quỹ đạo nhiệt độ tiêu chuẩn trong pha quá độ ban đầu (0 đến 600 giây) đạt độ chính xác rất cao. Tại thời điểm 300 giây, nhiệt độ buồng đốt đạt 576 °C và tăng lên 678 °C tại mốc 600 giây. Độ lệch nhiệt độ thực tế so với đường cong chuẩn ISO 834-1 chỉ dao động trong khoảng 2.1% đến 3.8%, nằm sâu trong biên dung sai cho phép là ±15%, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng vọt lố nguy hiểm cho mẫu thử.

Thứ hai, trong pha xác lập kéo dài từ 600 giây đến 10800 giây (3 giờ), bộ điều khiển duy trì nhiệt độ lò tăng dần đều đặn và đạt đỉnh 1110 °C với sai số ổn định dưới 1.2%. Vách buồng đốt được cấu tạo từ 3 lớp gồm bông cách nhiệt ceramic tỷ trọng 128 kg/m3 kết hợp gạch chịu lửa và thép tấm chịu nhiệt giúp duy trì nhiệt độ bề mặt vỏ ngoài lò ở mức 68 °C, thấp hơn đáng kể so với ngưỡng an toàn kỹ thuật 75 °C.

Thứ ba, hệ thống kiểm soát áp suất thông qua quạt ly tâm điều khiển bằng biến tần đã giải quyết triệt để bài toán chênh áp buồng đốt. Gradient áp suất trong lò đạt giá trị chuẩn 8 Pa/m chiều cao, duy trì chênh lệch áp suất tại mặt phẳng giữa mẫu thử ổn định ở mức 15 ± 2 Pa và áp suất tại đỉnh lò không vượt quá 21.8 Pa, thỏa mãn điều kiện biên dưới 22 Pa theo quy định ISO 834-1.

Thứ tư, kết quả thử nghiệm thực tế trên mẫu ống dẫn khói loại B và cửa gỗ chống cháy EI60 cho thấy hệ thống hoạt động ổn định suốt 60 phút và 180 phút, xác nhận mẫu thử nghiệm đáp ứng toàn diện cả hai tiêu chí tính toàn vẹn (E) không xuất hiện ngọn lửa xuyên qua bề mặt và tính cách nhiệt (I) với độ tăng nhiệt độ mặt ngoài luôn dưới 140 K.

Thảo luận kết quả

Sự thành công vượt bậc của bộ điều khiển dựa trên mô hình song tuyến tính so với các bộ điều khiển PID thông thường bắt nguồn từ khả năng bù trễ nhiệt và tính toán trực tiếp ảnh hưởng phi tuyến của bức xạ nhiệt. Khi nhiệt độ vượt quá 500 °C, bức xạ nhiệt chiếm hơn 80% tổng lượng nhiệt truyền trong buồng đốt. Mô hình song tuyến tính đã tái hiện chính xác động học của van bướm cấp khí thông qua động cơ servo điều khiển cơ cấu cam, từ đó điều tiết lưu lượng nhiên liệu tối ưu tương ứng với từng giai đoạn gia nhiệt.

Các kết quả thực nghiệm được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đáp ứng nhiệt độ theo thời gian đặt cạnh hai đường biên dung sai trên và dưới của tiêu chuẩn ISO 834-1. Bảng phân bố gradient áp suất theo các độ cao từ 0.5 m, 1.5 m đến 3 m thể hiện rõ sự cân bằng khí động học giữa luồng khí tươi cấp vào và khí thải thoát ra qua ống khói cao 3.5 m. So sánh với các lò đốt nhập khẩu từ các nhà sản xuất quốc tế như YUYANG (Trung Quốc) hay CMTS (Malaysia), hệ thống lò đốt tự thiết kế trong nước đạt hiệu năng tương đương về độ chính xác nhiệt và áp suất nhưng tiết kiệm từ 45% đến 55% tổng chi phí đầu tư ban đầu, mở ra tiềm năng thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nâng cao hơn nữa hiệu quả ứng dụng của công trình nghiên cứu, 4 nhóm giải pháp chiến lược được đề xuất như sau:

Thứ nhất, tối ưu hóa thuật toán điều khiển thích nghi đa biến (MIMO) kết hợp bộ điều khiển song tuyến tính với mạng nơ-ron nhận dạng trực tuyến. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu tự động hóa tại các trường đại học kỹ thuật, hướng đến mục tiêu giảm sai số quá độ xuống dưới 1.5% và rút ngắn thời gian đáp ứng của bộ điều hòa áp suất xuống dưới 30 giây, với lộ trình thực hiện trong 12 tháng.

Thứ hai, thiết kế và chế tạo cơ cấu khung nâng nghiêng thủy lực linh hoạt cho buồng đốt. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp cơ khí chế tạo phối hợp cùng các viện nghiên cứu, nhằm mục tiêu cho phép lò đốt xoay từ 0 độ (nằm ngang) đến 90 độ (thẳng đứng), phục vụ thử nghiệm linh hoạt cho cả đường ống ngang, đường ống đứng, van ngăn cháy và kết cấu tường, vách ngăn trong thời gian 18 tháng.

Thứ ba, xây dựng hệ thống phần mềm quản lý kiểm định số và xuất báo cáo tự động theo chuẩn ISO/IEC 17025. Chủ thể thực hiện là Cục Cảnh sát PCCC và Cứu nạn cứu hộ cùng các trung tâm kiểm định quốc gia, đặt mục tiêu số hóa 100% dữ liệu thử nghiệm thời gian thực, lưu trữ thông số nhiệt độ, áp suất và xuất chứng thư kiểm định minh bạch trong vòng 24 tháng.

Thứ tư, nghiên cứu tích hợp hệ thống thu hồi nhiệt khí thải để sấy nóng sơ bộ không khí cấp cho đầu đốt. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư năng lượng và nhiệt công nghiệp, hướng tới mục tiêu cắt giảm từ 15% đến 20% lượng tiêu thụ khí gas LPG cho mỗi ca thử nghiệm, đồng thời hạ nhiệt độ khói xả ra môi trường xuống dưới 100 °C trong vòng 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn to lớn cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, kỹ sư Cơ Điện Tử, Điều khiển và Tự động hóa công nghiệp. Luận văn cung cấp case study hoàn chỉnh về việc chuyển đổi từ mô hình nhiệt động lực học phi tuyến sang mô hình không gian trạng thái song tuyến tính và thiết kế bộ điều khiển ổn định Lyapunov, ứng dụng trực tiếp cho các hệ thống lò gia nhiệt, lò hơi và thiết bị nhiệt luyện công nghiệp.

Thứ hai, các doanh nghiệp sản xuất ống gió, cửa chống cháy và vật liệu PCCC. Tài liệu cung cấp chi tiết các yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn ISO 6944-1:2018, ISO 834-1 và QCVN 06:2021/BXD, giúp nhà sản xuất chủ động thiết kế sản phẩm đạt chuẩn EI30, EI60, EI120 và tối ưu hóa giải pháp bọc vật liệu cách nhiệt trước khi gửi mẫu đi kiểm định.

Thứ ba, các trung tâm kiểm định, viện nghiên cứu chuyên ngành xây dựng và PCCC (như Viện Chuyên ngành IBST, Trường Đại học PCCC). Luận văn là cẩm nang hướng dẫn tính toán cơ khí buồng đốt, thiết kế đường ống khói chống lật do tải trọng gió và cân bằng áp suất phục vụ xây dựng trạm thử nghiệm đạt chuẩn quốc gia.

Thứ tư, giảng viên, học viên cao học và sinh viên các ngành Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Cơ khí và Tự động hóa. Đây là nguồn tài liệu tham khảo giá trị phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu mô phỏng liên kết giữa cơ khí, nhiệt học và giải thuật điều khiển số.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao bộ điều khiển song tuyến tính lại vượt trội hơn PID trong bài toán điều khiển nhiệt độ lò đốt? Lò đốt khí ga có tính phi tuyến mạnh do bức xạ nhiệt biến thiên theo lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ, kèm theo quán tính nhiệt và độ trễ lớn khi lò đạt tới 1110 °C. Bộ điều khiển PID truyền thống thường bị vọt lố lớn ở pha đầu hoặc dao động mạnh ở pha xác lập, trong khi mô hình song tuyến tính nắm bắt chính xác động học phi tuyến và duy trì sai số bám đường cong dưới 1.2%.

  2. Tiêu chuẩn đường cong nhiệt độ ISO 834-1 yêu cầu nhiệt độ lò đốt tăng như thế nào theo thời gian? Đường cong ISO 834-1 tuân theo quy luật hàm logarit: T = T0 + 345 log10(8t + 1). Theo đó, nhiệt độ tăng cực nhanh trong những phút đầu: đạt 576 °C ở 300 giây (5 phút), 678 °C ở 600 giây (10 phút), 945 °C ở 3600 giây (1 giờ) và đạt 1110 °C sau 10800 giây (3 giờ) thử nghiệm.

  3. Điểm khác biệt cốt lõi giữa thử nghiệm ống dẫn khí loại A và loại B theo ISO 6944-1 là gì? Ống dẫn khí loại A được thiết kế để kiểm tra khả năng chịu lửa từ bên ngoài tác động vào bên trong ống (áp dụng cho ống thông gió, ống điều áp đi qua vùng cháy). Ngược lại, ống mẫu loại B kiểm tra khả năng chịu lửa từ bên trong lòng ống truyền ra ngoài (áp dụng cho ống hút khói sự cố, ống hút khói bếp có nhiệt độ cao bên trong).

  4. Làm thế nào để duy trì chênh lệch áp suất chuẩn trong buồng đốt theo đúng tiêu chuẩn? Hệ thống sử dụng cảm biến vi sai áp suất giám sát liên tục kết hợp quạt ly tâm điều khiển bằng biến tần đặt ở đáy ống khói. Bằng cách điều chỉnh tốc độ quạt hút và bổ sung khí tươi, hệ thống tạo ra lực hút cưỡng bức cân bằng với lực đẩy tự nhiên của ống khói cao 3.5 m, duy trì áp suất trung hòa tại độ cao 500 mm và chênh áp 15 ± 2 Pa tại tâm mẫu thử.

  5. Điều kiện nào quyết định một mẫu ống dẫn khí đạt tính toàn vẹn (E) và tính cách nhiệt (I)? Mẫu ống đạt tính toàn vẹn (E) khi không làm bùng cháy đệm bông thử nghiệm, không tạo khe hở lọt cữ đo 6 mm hoặc 25 mm, và không duy trì ngọn lửa bốc cháy ở mặt ngoài quá 10 giây. Mẫu đạt tính cách nhiệt (I) khi nhiệt độ mặt ngoài không tiếp xúc lửa không tăng quá 140 K so với nhiệt độ trung bình ban đầu và không tăng quá 180 K tại bất kỳ điểm đơn lẻ nào.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn và đồng bộ bài toán thiết kế lò đốt và điều khiển nhiệt độ thử nghiệm chịu lửa ống dẫn khí:

  • Thiết kế cơ khí hoàn chỉnh lò đốt dạng module 3 cấu phần kích thước 4 m x 2 m chịu nhiệt độ làm việc tối đa 1110 °C với nhiệt độ vỏ ngoài an toàn dưới 68 °C.
  • Xây dựng thành công mô hình vật lý và mô hình song tuyến tính phản ánh chân thực đặc tính trao đổi nhiệt bức xạ và đối lưu phi tuyến trong lò.
  • Chế tạo và thử nghiệm thành công bộ điều khiển bám đường cong ISO 834-1 với sai số dưới 3.8% trong pha quá độ và dưới 1.2% trong pha xác lập.
  • Thiết lập hệ thống kiểm soát vi sai áp suất chính xác 15 ± 2 Pa bằng quạt ly tâm biến tần và ống khói tối ưu theo tiêu chuẩn IS 6533-1.
  • Kiểm định thực nghiệm đạt chuẩn thành công cho mẫu ống dẫn khói loại B và cửa gỗ chống cháy EI60 theo quy chuẩn QCVN 06:2021/BXD.

Trong giai đoạn tiếp theo từ 6 đến 12 tháng tới, nhóm tác giả sẽ tiếp tục nâng cấp hệ thống khung nghiêng đa hướng và tích hợp điều khiển thông minh tự chỉnh định. Các đơn vị kiểm định, nhà máy sản xuất vật liệu PCCC và các nhà khoa học quan tâm vui lòng kết nối để chuyển giao công nghệ, đưa giải pháp vào ứng dụng thực tiễn rộng rãi trong ngành xây dựng.