Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

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 4.21: 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

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


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

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.

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

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

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

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
,


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

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


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

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