TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hà Nội - 6/2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CẤP LIỆU NHÀ MÁY
XI MĂNG

Trưởng bộ môn

: TS. Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn

: TS. Nguyễn Huy Phương

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Văn Dũng

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG ......................... 2
1.1. Giới thiệu về nhà máy xi măng Hoàng Thạch ......................................................... 2
1.1.1. Khái niệm xi măng ............................................................................................ 2
1.1.2. Phân loại xi măng .............................................................................................. 3
1.2. Dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng ................................................................. 4
1.2.1. Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu ....................................................................... 6
1.2.2. Công đoạn nghiền nguyên liệu .......................................................................... 7
1.2.3. Công đoạn cấp liệu vào lò nung ........................................................................ 7
1.2.4. Công đoạn tiền nung.......................................................................................... 8
1.2.5. Công đoạn nghiền xi măng ................................................................................ 9
1.2.6. Công đoạn đóng bao ........................................................................................ 10
Chương 2. NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CẤP LIỆU.................................................... 11
2.1. Thiết bị và công nghệ của hệ thống cấp liệu .......................................................... 11
2.1.1. Kho đồng nhất sơ bộ........................................................................................ 11
2.1.2. Cầu xúc liệu ..................................................................................................... 11
2.1.3. Các băng tải ..................................................................................................... 12
2.1.4. Máy nghiền ...................................................................................................... 12
2.2. Mô tả nguyên lý làm việc của hệ thống cấp liệu .................................................... 16
2.3. Tổng quan về hệ thống điều khiển ......................................................................... 17
2.3.1. Các bộ điều khiển điều chỉnh .......................................................................... 17
2.3.2. Hệ thống cân định lượng ................................................................................. 18
2.3.3. Bộ điều khiển tỉ lệ PIDCON............................................................................ 19
2.3.4. Hệ thống ổn định chất lượng QCX .................................................................. 20
2.4. Nghiên cứu hệ thống cân băng định lượng ............................................................ 23
2.4.1. Khái niệm ........................................................................................................ 23
2.4.2. Cấu tạo của cân băng ....................................................................................... 23
2.4.3. Nguyên lý tính lưu lượng của cân băng định lượng ........................................ 24
Chương 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẤP LIỆU............................... 27
3.1. Nghiên cứu cấu trúc điều khiển công đoạn cấp liệu .............................................. 27
3.1.1 . Khái quát về điều khiển cấp liệu cho cân băng ............................................. 27

Hình 2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cân liệu. ..................................................... 19
Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc hệ QCX trong nhà máy xi măng................................................ 20
Hình 2.5. Sơ đồ tổng quan việc tích hợp các thành phần trong hệ thống QCX. ............... 22
Hình 2.6. Cấu tạo cân băng. .............................................................................................. 23
Hình 3.1. Định lượng gián đoạn. ....................................................................................... 27
Hình 3.2. Định lượng liên tục. ........................................................................................... 28
Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ cân băng. ............................................................. 30
Hình 3.4. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ KĐB................................................... 34
Hình 3.5. Biến tần. ............................................................................................................. 36
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của biến tần............................................................ 37
Hình 3.7. Sơ đồ mạch lực bộ biến tần nguồn áp dùng Tranzitor ...................................... 38
Hình 3.8. Giản đồ điện thế và điện áp pha A dùng phương pháp PWM. .......................... 38
Hình 3.9. Cấu tạo bộ đo tốc độ encoder tương đối............................................................ 40
Hình 3.10. Mạch đo tín hiệu tốc độ. .................................................................................. 41
Hình 3.11. Sơ đồ tế bào cân............................................................................................... 42
Hình 3.12. Cấu trúc cầu cân bằng momen lực. ................................................................. 43
Hình 3.13. Cấu tạo hộp giảm tốc. ...................................................................................... 44
Hình 4.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển cân băng định lượng. .......................................... 46
Hình 4.2. Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng. ................................................................ 47
Hình 4.3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển tốc độ cân băng. ....................................................... 48
Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ. .................................................................. 51
Hình 4.5. Đáp ứng tốc độ băng tải..................................................................................... 51
Hình 4.6. Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng. ................................................................ 52
Hình 4.7. Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng xét tại điểm làm việc. ............................. 53
Hình 4.8. Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng tương đương. ........................................... 53
Hình 4.9. Mạch vòng điều khiển lưu lượng theo mô hình nội. ......................................... 55
Hình 4.10. Đáp ứng độ thay đổi lưu lượng và độ thay đổi tốc độkhi có nhiễu theo
phương pháp mô hình nội. ................................................................................................. 56
Hình 4.11. Mạch vòng điều khiển lưu lượng theo phương pháp tối ưu đối xứng. ............ 57
Hình 4.12. Đáp ứng độ thay đổi lưu lượng và độ thay đổi tốc độ khi có nhiễu theo

LỜI NÓI ĐẦU
Với bất kỳ một nhà máy xi măng nào, nhất là đối với những nhà máy có mức độ tự
động hoá cao thì việc cấp liệu cho máy nghiền được giám sát, điều khiển các thành phần
phối liệu là vô cùng quan trọng, nó là một trong những yếu tố quyết định đến năng suất
của cả dây chuyền và tỷ lệ các thành phần phối liệu nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất
lượng xi măng sản xuất ra.
Với đề tài: “Nghiên cứu hệ thống cấp liệu nhà máy xi măng”. Bản đồ án được
trình bày với các nội dung chính như sau:
Chương 1. Tổng quan công nghệ sản xuất xi măng.
Chương 2. Nghiên cứu hệ thống cấp liệu.
Chương 3. Hệ thống điều khiển cấp liệu.
Chương 4. Thiết kế bộ điều khiển lưu lượng cấp liệu.
Phạm vi đề cập của bản đồ án này là nghiên cứu hệ thống cấp liệu trong nhà máy
sản xuất xi măng. Bản đồ án này được thực hiện với sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy
giáo TS. Nguyễn Huy Phương và các thầy trong Bộ môn Tự Động Hóa Công Nghiệp.
Nội dung của bản đồ án này còn nhiều thiếu sót, em rất mong được tiếp thu những ý kiến
đóng góp bổ sung của các thầy, cô giáo để bản đồ án của em được hoàn chỉnh hơn.

Hà Nội, ngày 15 tháng 06 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Dũng

1


Chương 1. Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG


1.1.2. Phân loại xi măng
Phân loại xi măng theo tiêu chuẩn TCVN 5439-2004, trong thực tế có nhiều cách
khác nhau để phân loại xi măng như dựa vào loại clinker và thành phần clinker, dựa vào
đồ bền của xi măng (hay còn gọi là mác xi măng), dựa vào tốc độ đóng rắn, dựa vào thời
gian đông kết của xi măng.
a. Phân loại theo loại và thành phần Clinker
 Phân loại xi măng trên cơ sở clinker xi măng Pooclăng bao gồm xi măng Pooclăng
không có phụ gia khoáng và loại xi măng Pooclăng có phụ gia khoáng.
 Phân loại xi măng trên cơ sở clinker xi măng alumin bao gồm loại xi măng alumin
có hàm lượng Al2O3 lớn hơn 30% và nhỏ hơn 46%, loại xi măng cao alumin có
hàm lượng Al2O3từ 46% đến 70%, loại xi măng đặc biệt cao alumin có hàm
lượng Al2O3 lớn hơn 70%.
 Phân loại xi măng trên cơ sở Clinker xi măng Canxi Sunfo Aluminat gồm loại xi
măng nở (EC), loại xi măng dự áp lực (PSC).
 Các loại xi măng khác bao gồm loại xi măng chịu axit (ARC) và loại xi măng cản
xạ (RSC).
b. Phân loại theo mác xi măng
Có ba loại bao gồm:
 Mác thấp: độ bền tiêu chuẩn nhỏ hớn 25 Mpa / cm2 .
 Mác thường: độ bền tiêu chuẩn trong khoảng 25 – 45 Mpa / cm2 .
 Mác cao: độ bền tiêu chuẩn lớn hơn 45 Mpa / cm2 .
Mác xi măng là cường độ chịu nén của xi măng. Khi đem vữa xi măng, cát, nước
trộn theo tỷ lệ tiêu chuẩn. Đúc mẫu 40x40x160 cm, dưỡng ẩm trong vòng 28 ngày đem
thử cường độ, cường độ của mẫu đo được chính là mác xi măng.
Xi măng PCB là xi măng Pooclăng hỗn hợp được sản xuất từ việc nghiền hỗn hợp
clinker, thạch cao và phụ gia (lượng phụ gia kể cả thạch cao không quá 40% trong đó phụ
gia đầy không quá 20%). Chất lượng xi măng Pooclăng hỗn hợp được xác định theo tiêu
chuẩn TCVN 6260 : 1997.
c. Phân loại theo tốc độ đóng rắn


Máy đập, cán

Kho đồng nhất sơ bộ

Kho đồng nhất sơ bộ

Phụ gia (bôxit,
pirit)

Than

Cân định lượng

Đá sét

Sấy, nghiền nguyên liệu

Máy nghiền than

Lò nung

Silô chứa đồng nhất

Làm nguội Cliker

Máy đập Clinker

Thạch cao, phụ gia


vào silô chứa.
 Phân xưởng đóng bao và xuất xi măng với nhiệm vụ đóng bao xi măng và xuất xi
măng theo các tuyến đường bộ, đường sắt và đường sông.
1.2.1. Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu

Hình 1.2. Công đoạn nghiền và vận chuyển đá.
 Đá vôi: đá vôi khai thác bằng cách khoan nổ, cắt tầng, sau đó đá vôi vận chuyển
tới máy đập búa. Đá vôi được đổ vào băng tải kiểu xích cào J10. Tại đây những
loại đá có kích thước nhỏ được đưa trực tiếp xuống băng tải J12. Còn những loại
đá to phải đưa qua máy đập kiểu búa để đập nhỏ, sau khi đập nhỏ nó cũng đổ
xuống băng tải J12. Đá vôi sau khi được đổ xuống J12 sẽ được tiếp tục đưa
xuống băng tải U10 và U12 để vận chuyển vào kho chứa liệu. Kho chứa liệu là nơi
vừa để dự phòng vừa để đồng nhất nguyên vật liệu.
 Đá sét: khai thác bằng phương pháp cầy ủi hoặc khoan nổ mìn và bốc xúc vận
chuyển bằng các thiết bị có trọng tải lớn về máy đập búa xuống kích thước 75 mm
và đập bằng máy cán trục xuống kích thước 25 mm.
6


Chương 1. Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng

 Phụ gia điều chỉnh: theo yêu cầu để đảm bảo chất lượng Clinker các chất phụ gia
được thêm vào với hàm lượng phù hợp. Do đó ngoài đá vôi và đá sét còn có các
nguyên liệu điều chỉnh là quặng sắt, quặng bôxít và đá silic.
1.2.2. Công đoạn nghiền nguyên liệu
Từ kho tới
U15 +U16
M

M


Đá vôi+đá sét
J04
J07+J08

J09

J06

M

J02

R2M01

J01

M22

Hình 1.3. Sơ đồ công đoạn nghiền nguyên liệu.
Các nguyên liệu gồm: đá vôi, đá sét, phụ gia được cấp vào máy nghiền qua hệ thống
cân DOSIMAT và cân băng điện tử qua van điều liệu được đưa vào máy nghiền bi
R2M01. Sau khi nghiền, liệu được đưa qua buồng phân ly S01. Nếu liệu nhỏ và mịn sẽ
được thổi lên đưa vào 2 cyclon S15 và S17, liệu mịn lắng xuống vào 2 van S16, S18 và
được đổ xuống máng U01. Những hạt liệu to sẽ được đưa trở lại máy nghiền thông qua
J04.
1.2.3. Công đoạn cấp liệu vào lò nung
Công đoạn cấp liệu cho lò bao gồm 2 gầu nâng:
 Gầu nâng chính R2A20.



Hình 1.5. Sơ đồ công đoạn nung.
Nhiệt độ trong tháp trao đổi nhiệt khoảng 8000 C . Bột liệu được đưa tới lò quay W01.
Nhiệt độ sau lò cỡ khoảng 13000 C . Ban đầu lò được đốt bằng dầu FO, sấy lên cỡ

C,

đưa vào vòi phun dưới dạng mù để dầu cháy được dễ dàng và triệt để. Sau khi cháy sơ
bộ, nhiệt độ trong lò đủ lớn thì sẽ phun than dạng sương mù vào lò.
Nguyên vật liệu sau khi được nung sẽ chuyển thành Clinker. Sau đó Clinker được
đưa vào khu vực làm mát, qua máy đập búa M01 đập nhỏ chuyển vào silô chứa. Dây
chuyền Hoàng Thạch 2 sử dụng dàn ghi, liệu sau khi đi qua dàn ghi này sẽ được hệ
thống quạt thổi làm mát, đồng thời nguyên liệu dưới tác động của dàn ghi rung sẽ được
rơi xuống và rút ra ngoài qua 11 cửa tháo. Khí nóng thoát ra trong quá trình này sẽ được
tận dụng đưa vào lò sấy, phương pháp này giúp Clinker nguội nhanh và tối ưu hóa được
quá trình sấy.
1.2.5. Công đoạn nghiền xi măng
Máy nghiền xi măng trong dây chuyền làm việc theo chu trình kín (có phân ly trung
gian), với năng suất thiết kế là 200 tấn/h.
Clinker từ các silô, thạch cao và phụ gia từ kho chứa tổng hợp được vận chuyển lên
két máy nghiền bằng hệ thống băng tải và gầu nâng, từ két nghiền clinker, thạch cao, phụ
gia cấp vào máy nghiền được định lượng bằng hệ thống cân DOSIMAT. Tùy theo tỷ lệ
yêu cầu giữa các nguyên liệu đã được tính toán trước để kết hợp với nhau. Sau đó nguyên
vật liệu sẽ đổ xuống hệ thống băng tải để đưa vào máy nghiền xi măng.

9


Chương 1. Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng



Hình 2.1. Kho đồng nhất sơ bộ.
2.1.2. Cầu xúc liệu
 Cầu xúc đá vôi : A2L03
 Cầu xúc đá sét : C2L03
Vật liệu sau khi đồng nhất thô được vận chuyển lên các băng tải để đi vào máy nghiền
liệu R2M01. Việc chuyển liệu từ các đống liệu trong kho đồng nhất được thực hiện bởi
cầu xúc liệu. Có hai cầu xúc liệu là 1 cầu xúc đá vôi và 1 cầu xúc đá sét. Khi hoạt động
thì cả hai cầu xúc được hoạt động đồng thời.Việc xúc liệu được diễn ra tại đầu đống liệu,
tại mặt vát nghiêng tự nhiên của đống liệu.
Nguyên lý làm việc:
11


Chương 2. Nghiên cứu hệ thống cấp liệu

Cầu xúc đá vôi và đá sét cùng đưa liệu lên các băng tải đồng thời cũng là cân định
lượng qua các cửa đổ sau đó vật liệu được đổ xuống băng tải chạy dọc kho, băng tải này
sẽ chuyển vật liệu tới một băng tải 2 chiều để đưa vật liệu vào máy nghiền hoặc đổ ra
ngoài theo sự lựa chọn từ trung tâm. Hai cân băng xác định lượng vật liệu được đưa vào
máy nghiền, số liệu được báo về bộ điều khiển trung tâm của công đoạn. Từ đó nó sẽ
điều chỉnh tốc độ của mỗi cầu xúc để đạt được lượng liệu theo yêu cầu công nghệ. Cầu
chính thì chạy dọc kho, trong khi đó kết cấu bên trên (mang xích cào) chạy ngang kho.
Khi phần trên ở vị trí xa nhất nó sẽ tác động vào công tắc đảo chiều. Khi đó cụm máy di
chuyển ngang dừng và cụm máy di chuyển dọc bắt đầu chạy. Cầu xúc tiến về phía trước
(vào đống liệu) theo một tốc độ đã được tính toán để đạt được lượng liệu theo yêu cầu.
Khi cầu chính đã thực hiện di chuyển về phía trước tương ứng với độ sâu đã được tính
toán thì di chuyển dọc dừng và thiết bị di chuyển ngang bắt đầu hoạt động và tiếp tục cho
tới khi nó tác động vào công tắc đảo chiều thì quá trình lại diễn ra như trên. Quá trình
này được lặp đi lặp lại cho tới khi cầu xúc xúc hết đống liệu.

mòn .
 Thiết bị gầu múc:
Cung cấp cho máy nghiền dòng liệu đồng nhất. Vận chuyển vật liệu từ ngăn sấy sang
ngăn nghiền .
 Ngăn sấy:
Ngăn sấy dài 3.15m , trong đó có lắp các cánh xới và gầu múc liệu. Chức năng chủ yếu
của chúng là, làm tơi xốp vật liệu, tăng diện tích tiếp xúc với dòng khí nóng loại bỏ độ
ẩm tự nhiên, trước khi vào khoang nghiền .
 Ngăn nghiền:
Dài 11.5m trong đó có lắp các tấm lót chịu mài mòn và chứa từ 260- 290 tấn bi có
kích thước từ 20-90 .
Lượng bi nạp trong máy nghiền hiện nay như sau:
Bảng 2.1. Lượng bi nạp trong máy nghiền.
STT

Loại bi (mm)

KL nạp(tấn)

Tỷ lệ (%)

1

90

36,526

13,86

2

30

36,679

13,92

6

25

42

15,94

7

20

26,805

10,17

Tổng lượng bi nạp

263,495

100

 Phần chuyển tiếp:
Có các nhiệm vụ nối ngõng trục với khớp màng nhờ đó chuyển được momen quay từ

STT

Danh mục

Thông số

1

Năng suất máy

300 t/h

2

Nhiệt độ tác nhân sấy vào



10

Dòng động cơ

590 A

11

Khối lượng bi cầu nạp

260-290 tấn

12

Công suất quạt hút

1700 kW

13

Hiệu điện thế quạt hút

6 kV

15


Chương 2. Nghiên cứu hệ thống cấp liệu

2.2. Mô tả nguyên lý làm việc của hệ thống cấp liệu


U17

U18
U01

Đá vôi+đá sét
J04
J07+J08

J09

J06

M

J02

R2M01

J01

M22

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý làm việc của công đoạn cấp liệu.
Ký hiệu các thiết bị có trong sơ đồ:
1. Băng tải: J06, J07, J08, J09, U15,U16,U17,U18.
2. Máy nghiền: R2M01.
3. Két chứa: L01, L02.
4. Cân DOSIMAT: A01, A02.

S15, S17. Như vậy lượng liệu tổng cấp vào máy nghiền sẽ gồm 2 phần: phần cấp từ băng
tải J09 và lượng hạt thô hồi lưu xác định bởi cân J06. Lượng bột liệu đạt yêu cầu được
tháo ra từ 2 cyclone lắng sau đó được vận chuyển đến silo đồng nhất nhờ hệ thống
máng khí động và gầu nâng. Phần khí sạch được hút ra từ đỉnh 2 Cylone lắng bằng quạt
hướng trục S20.

2.3. Tổng quan về hệ thống điều khiển
2.3.1. Các bộ điều khiển điều chỉnh
 Các bộ điều khiển P.I.D:
 R2J07F1_PID Limestone feed ctrl: điều chỉnh lượng đá vôi bằng cách điều chỉnh
tốc độ gầu, tốc độ di chuyển ngang, tốc độ băng của cầu vôi.
 R2J08F1_PID Shale feed Control: điều chỉnh lượng đá sét nhờ tác nhân điều chỉnh
là tốc độ gầu, tốc độ di chuyển ngang, tốc độ băng của cầu vôi.
 R2L01F1_PID: điều chỉnh lượng bôxit từ các két chứa.
17