Xây dựng hệ thống điều khỉên tự động tiết kiệm năng lượng nhà máy bia Tóm tắt Bài báo này đề xuất một phương pháp tích hợp hệ thống điều khiển tự động nhà máy bia, đồng thời giới thiệu một giải pháp để tận dụng nguồn nhiệt dư trong quá trình sản xuất, tiết kiệm chi phí, hạ thấp giá thành sản phẩm, tạo sự cạnh tranh trên thị trường. Abstract This paper introduces a method of integrating the automatic control system into brewing production, and provides a solution to make use of excess heat in the production process for cutting cost, reducing products’ prices and creating market competitiveness. 1. Đặt vấn đề Ở Việt Nam cũng như trên thế giới, vấn đề tiết kiệm năng lượng là một quốc sách trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau, đặc biệt là trong công nghệ sản xuất bia. Đây là điều hết sức thiết thực và cấp bách mà các nhà máy bia cần phải quan tâm nghiên cứu để giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm. H 2.1: So sánh dòng khởi động của ĐC 2. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong nhà nấu bia 2.1. Tận dụng nhiệt bay hơi trong nhà nấu 2.1.1. Công nghệ hệ nấu bia Qua quá trình tính toán, đánh giá thực trạng sử dụng năng lượng trong Nhà máy Bia Thanh Hoá cho các hệ nấu, lên men, và hệ tích nhiệt cho thấy rằng: Lượng nhiệt tổn thất do truyền qua kết cấu trong các thiết bị dùng nhiệt là rất nhỏ so với lượng nhiệt cấp (hệ nấu chiếm 0,95%, hệ lên men là 5,72%, hệ tích nhiệt là 4,16% lượng nhiệt tổn thất). Nhiệt lượng sử dụng trong quá trình nấu, theo kết quả tính toán thì lượng nhiệt tiêu thụ trong nồi húp lông chiếm 77% (khoảng 8.028.000 kJ/1mẻ nấu), nồi hồ hoá là 17%, còn nồi malt và nồi đường hoá chỉ chiếm 6% lượng nhiệt tiêu thụ trong toàn hệ nấu. Lượng nhiệt này được cấp trực tiếp bởi lò hơi do lò hơi sản xuất. Trong số nhiệt lượng cấp bởi lò hơi này thì có một lượng lớn khoảng một nửa bị tổn thất do bay hơi, tổn thất năng lượng bay hơi trong nồi húp lông chiếm 36,28% (tương đương 4.183.390 kJ), trong nồi hồ hóa chỉ chiếm 3,16% (tương đương 418.339 kJ) và được thải trực tiếp ra môi trường. Từ đó chúng ta đưa ra kết luận là nguyên nhân chính gây ra tổn thất năng lượng trong hệ nấu chính là do bay hơi tại nồi húp lông. 2.1.2. Lựa chọn giải pháp a. Giải pháp thứ nhất Giải pháp thứ nhất được đưa ra là giải pháp tận dụng hơi thoát ra từ nồi húp lông để gia nhiệt cho nước công nghệ từ 800C lên đến 980C. Sơ đồ nguyên lý mô tả phương pháp trên được mô tả bởi hình bên. Lượng nước này sẽ được tích trữ trong bình chứa nước nóng sau đó được dùng để gia nhiệt cho dịch trong quá trình bơm dịch từ nồi lọc sang nồi húp lông. Nhiệt độ của dịch sau khi lọc là 750C sẽ được nâng lên đến 940C. Lượng nhiệt còn dư thừa sẽ dùng để gia nhiệt cho nước vệ sinh thanh trùng từ 23,90C đến 750C. Còn lượng nước ngưng sẽ được tích trữ trong bình chứa sau đó được dùng để gia nhiệt cho nước vệ sinh thanh trùng thiết bị. Đánh giá giải pháp: * Thiết bị đơn giản, chi phí thấp * Tuy nhiên, nước ngưng sau khi đi qua các thiết bị trao đổi nhiệt vẫn còn có nhiệt độ cao sẽ bị thải bỏ nên hiệu quả tận dụng nhiệt không cao. b. Giải pháp thứ hai Phương pháp này sử dụng một tháp rửa hơi, tháp này có nhiệm vụ làm sạch hơi thoát ra từ nồi húp lông, hơi sạch ra khỏi tháp rửa hơi sẽ được tái nén 100% để trở thành nước ngưng tụ với nhiệt độ cao khoảng 1000C. Đồng thời khi đi ra khỏi tháp rửa hơi, lượng hơi nước này còn được sử dụng để gia nhiệt cho bình nước nóng. Nước ngưng tụ này sẽ được cấp chở lại cho nồi húp lông. Nước trong bình nước nóng sẽ được bơm tuần hoàn gia nhiệt cho dịch nha trước khi cấp cho nồi húp lông. Đánh giá về giải pháp: * Phức tạp, nhiều thiết bị hơn nên giá thành cao hơn * Tận dụng được hầu hết lượng hơi thoát ra từ nồi húp lông Kết luận: Tuy có giá thành khá cao nhưng hiệu quả tiết kiệm năng lượng rất tốt, đáp ứng được sự mong đợi, nên ta sẽ lựa chọn giải pháp thứ hai. 2.2. Sử dụng biến tần để khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ 2.2.1. Nguyên lý làm việc của biến tần Nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn điện 1 chiều bởi bộ chỉnh lưu. Nhờ vậy hệ số công suất cosφ của biến tần không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất là 0,96. Điện áp 1 chiều này lại được biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng thông qua hệ IGBT bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Bản chất tiết kiệm điện năng khi sử dụng biến tần như sau: Đặc tính khởi động của biến tần cho phép khống chế dòng khởi động không vượt quá dòng định mức của động cơ, do đó tiết kiệm điện năng khi khởi động. Với những ứng dụng đặc tính tải thay đổi, như băng tải, khi đầy tải, khi non tải, thường động cơ hoạt động non tải: Biến tần làm tăng hệ số cos φ (thường khoảng 0,96), tăng hiệu suất sử dụng điện, giảm tổn thất cho lưới. Biến tần điều chỉnh tốc động động cơ cho phù hợp với yêu cầu tải thực tế, tối ưu được việc sử dụng điện năng. 3. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động 3.1. Thuyết minh hoạt động của hệ thống tiết kiệm năng lượng Hoạt động của hệ thống thiết bị tiết kiệm năng lượng (Hình 2.3) Hơi bốc lên từ nồi húp lông hoá sau khi đi qua thiết bị làm kín đường ống, được đưa về tháp rửa hơi, tại đây hơi được rửa sạch để loại bỏ những cặn bẩn hữu cơ có quấn theo hơi khi bay ra khỏi nồi húp lông hóa, hơi cho đi từ dưới lên, ngược chiều vơi dòng nước nóng 900C được phun từ trên đỉnh tháp xuống. Hơi sau khi ra khỏi tháp rửa hơi là hơi sạch đã được loại bỏ hết cặn bẩn, có nhiệt độ là 1000C, áp suất hơi là 1 kg/cm2, hơi này được đưa về máy nén hơi, tại đây hơi được nén lên áp suất cao (có P khoảng 1,6kg/m2 và nhiệt độ khoảng 1450C) sau đó lượng hơi tái nén này được phối trộn với một lượng hơi từ lò hơi (Hơi cấp I) trong thiết bị phun tạo phối trộn (Ejector) hơi tái nén sau khi phối trộn với hơi cấp I có được áp suất khoảng 1,8 kg/cm2, hơi này được đưa trở lại nồi húp lông hoá để gia nhiệt cho dịch đường. Nước ngưng trong quá trình rửa hơi và lượng nước nằm lại trong tháp rửa trước mỗi lần rửa hơi sẽ được gia nhiệt cho nước thường có nhiệt độ 23,60C để có nước nóng 800C đưa về tank chứa nước nóng trước khi được thải bỏ ra cống ở nhiệt độ khoảng 400C. 3.2. Giải pháp điều khiển Ta sẽ lựa chọn giải pháp điều khiển tập trung vào/ra phân tán với sự kết hợp giữa SIMATIC S7 - 300 (CPU 314 - 2DP, WinCC 7.0) và PROFIBUS DP. 3.3. Giới thiệu giao diện Dựa trên những cơ sở trên, chúng ta thiết kế phần mềm giao diện người - máy điều khiển công đoạn nấu trong xưởng nấu Bia. Giao diện được tổ chức thành nhiều màn hình theo kiểu phân cấp, một màn hình trang chủ, một màn hình của công đoạn hồ hoá, một màn hình của công đoạn đường hoá .v.v và các màn hình phụ. Màn hình trang chủ cho phép người vận hành khởi động, tắt toàn hệ thống, cũng như lựa chọn những trang màn hình của các công đoạn khác nhau. H 3.2: Màn hình hệ thống TKNL 4. Kết luận Với những giải pháp và sự lựa chọn đã đưa ra và áp dụng cho nhà máy bia Thanh Hóa và nhiều nhà máy khác, nhóm tác giả đã cung cấp thêm một sự lựa chọn để tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm được các chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm, tạo sự cạnh tranh cao trên thị trường kinh tế Việt Nam. Các giải pháp tối ưu đã được ứng dụng và tạo ra hiệu quả đáng kể trong việc tích hợp hệ thống điều khiển tự động cho các nhà máy bia, tiết kiệm được một phần lớn năng lượng ( 25%) tiêu hao không đáng có, tạo hiệu quả cao cho sản xuất và góp phần bảo vệ môi trường phát triển bền vững. q . Xây dựng hệ thống điều khỉên tự động tiết kiệm năng lượng nhà máy bia Tóm tắt Bài báo này đề xuất một phương pháp tích hợp hệ thống điều khiển tự động nhà máy bia, đồng thời. tần điều chỉnh tốc động động cơ cho phù hợp với yêu cầu tải thực tế, tối ưu được việc sử dụng điện năng. 3. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động 3.1. Thuyết minh hoạt động của hệ thống tiết. ứng dụng và tạo ra hiệu quả đáng kể trong việc tích hợp hệ thống điều khiển tự động cho các nhà máy bia, tiết kiệm được một phần lớn năng lượng ( 25%) tiêu hao không đáng có, tạo hiệu quả cao