Điều khiển tối ưu quá trình đa biến trong công nghiệp lọc hóa dầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT - PHẠM THỊ THANH LOAN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN TRONG CÔNG NGHIỆP LỌC HÓA DẦU Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Hoàng Minh Sơn PGS.TS Nguyễn Đức Khoát HÀ NỘI - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết trình bày luận án hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình khoa học Tác giả luận án Phạm Thị Thanh Loan i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC…………………………………………………………………… i DANH LỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT……………………… iv DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………… vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……………………………………………… vii LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………… x MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… Chương TỔNG QUAN VỀ THÁP CHƯNG CẤT………………………… 1.1 Khái quát tháp chưng cất…………….…………………………… 1.2 Nguyên lý hoạt động tháp chưng cất.…………………………… 1.3 Mô hình hóa tháp chưng cất ………………………………….……… 1.3.1 Xây dựng mô hình toán học phương pháp lý thuyết ……… 1.3.2 Phương pháp thực nghiệm ……………………………………… 15 1.4 Điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm … ……………………… 16 1.4.1 Các cấu hình điều khiển tháp chưng cất ………………………… 16 1.4.1.1 Khái quát cấu trúc điều khiển tháp chưng cất ………… 17 1.4.1.2 Cấu hình LV ……………………………………………… 18 1.4.1.3 Cấu hình DB 19 1.4.1.4 Cấu hình DV 20 1.4.1.5 Các đặc điểm cấu hình điều khiển ……………… … 21 1.4.2 Phương pháp điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm ………… 25 1.4.2.1 Cấu trúc điều khiển đơn biến – phi tập trung ……………… 26 1.4.2.2 Cấu trúc điều khiển đa biến-tập trung …………………… 28 1.5 Hoạt động nghiên cứu, khai thác dầu thô xử lý khí Việt Nam 31 Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO THÁP CHƯNG CẤT C-02……………………………………………………… 34 2.1 Mục đích xây dựng mô hình………………………………………… 34 2.2 Khái quát tháp C-02……………….……………………………… 35 ii 2.2.1 Chức nhiệm vụ tháp C-02………………………… 35 2.2.2 Nguyên tắc hoạt đông cụm tháp ổn định C-02……………… 35 2.2.3 Bình tích V-15 (Deethanizer Bottom Buffer Drum)…………… 38 2.2.4 Thiết bị ngưng tụ E-02 (Stabilizer Consender)…….………… … 38 2.2.5 Bình gia nhiệt E-03 (Stabilizer Reboiler)……………………… 39 2.3 Xây dựng mô hình phi tuyến cho tháp C-02………………………… 39 2.3.1 Các giả thiết đơn giản hóa…………………………………… … 41 2.3.2 Các phương trình toán động học………………………………… 43 2.3.3 Thông số tháp C02………………………………………… 47 2.3.4 Khảo sát động học tháp C02………………………………… 57 2.4 Xây dựng mô hình tuyến tính cho tháp C-02………………………… 63 2.4.1 Mô hình với biến đầu nồng độ sản phẩm…………………… 63 2.4.2 Mô hình với đầu nhiệt độ tháp……………………………… 68 2.5 Kết luận…………………………………………………………… … 78 Chương XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT C-02……………………………………………………………… 80 3.1 Lựa chọn cấu trúc điều khiển cho tháp C-02……….……………… 80 3.1.1 Ma trận khuếch đại tương đối RGA ………………………… … 82 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng vòng điều khiển mức………………… 83 3.1.3 Khảo sát đáp ứng động thay đổi lưu lượng nguồn cấp ……… 85 3.1.4 Khảo sát đáp ứng tần số với nhiễu……………………………… 87 3.1.5 So sánh đáp ứng tuyến tính phi tuyến………………………… 90 3.1.6 So sánh cấu hình……………………………………… 91 3.1.7 Cấu hình L(V/F)………………………………………………… 92 3.1.8 Nhận xét………………………………………………………… 94 3.2 Thiết kế điều khiển cho tháp C-02………………………………… 94 3.2.1 Các yêu cầu mục đích điều khiển …………………………… 94 3.2.2 Hệ thống điều khiển tháp C-02…………………… 95 3.2.3 Cấu trúc điều khiển đơn biến ………………….……………… 100 iii 3.2.4 Điều khiển dự báo theo mô hình (MPC)……………………… 103 3.2.4.1 Tình hình nghiên cứu, áp dụng MPC điều khiển tháp chưng…………………………………………………….… 103 3.2.4.2 Xây dựng điều khiển MPC cho tháp chưng cất C-02… 104 3.3 Kết luận……………………………………………………………… 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… 117 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NCS…………… 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 120 PHỤ LỤC…………………………………………………………………… 128 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Mô tả Đơn vị xD Nồng độ mol pha lỏng đỉnh tháp phần mol xB Nồng độ mol pha lỏng đáy tháp phần mol yD Nồng độ mol pha đỉnh tháp phần mol yB Nồng độ mol pha đáy tháp phần mol xi,j Nồng độ mol cấu tử j pha lỏng đĩa i phần mol yi,j Nồng độ mol cấu tử j pha đĩa i phần mol xD,j Nồng độ mol cấu tử j pha lỏng đỉnh tháp phần mol xB,j Nồng độ mol cấu tử j pha lỏng đáy tháp phần mol yD,j Nồng độ mol cấu tử j pha đỉnh tháp phần mol yB,j Nồng độ mol cấu tử j pha đáy tháp phần mol zF Nồng độ phần mol dòng cấp liệu phần mol Hi Enthalpy dòng đĩa thứ i kcal/kmol hi Enthalpy dòng lỏng đĩa thứ i kcal/kmol hD Enthalpy pha lỏng sản phẩm đỉnh kcal/kmol hB Enthalpy pha lỏng sản phẩm đáy kcal/kmol L Lưu lượng hồi lưu đỉnh tháp kmol/s Li Lưu lượng lỏng đĩa thứ i kmol/s LR Lưu lượng dòng lỏng chảy vùng cất kmol/s LS Lưu lượng dòng lỏng chảy vùng chưng kmol/s Mi Lượng chất lỏng đĩa thứ i Lượng chất lỏng bình ngưng đỉnh tháp kmol Lượng chất lỏng nồi tái đun đáy tháp kmol Trữ lượng pha đĩa thứ i kmol MD MB MiV kmol o Ti Nhiệt độ đĩa thứ i VR Lưu lượng dòng vùng cất kmol/s VS Lưu lượng dòng vùng chưng kmol/s Vn Dòng đỉnh tháp kmol/s VB Dòng hồi lưu đáy tháp kmol/s B Lưu lượng sản phẩm đáy kmol/s C v D Lưu lượng sản phẩm đỉnh kmol/s F Lưu lượng dòng cấp liệu kmol/s L Lưu lượng hồi lưu kmol/s V Lưu lượng cấp nhiệt kmol/s N Số lượng đĩa lọc Đĩa NT Số đĩa lý thuyết Đĩa T Nhiệt độ tuyệt đối hệ o Qc Lưu lượng nhiệt thu hồi bình ngưng (Condenser) J/s QR Lưu lượng nhiệt cấp cho nồi tái đun (Reboiler) J/s Re Tỉ số dòng hồi lưu đỉnh % FC Bộ điều khiển lưu lượng LC Bộ điều khiển mức LT Bộ chuyển đổi mức FI Hiển thị lưu lượng LI Hiển thị mức PC Bộ điều khiển áp suất PT Bộ chuyển đổi áp suất PI Hiển thị áp suất TC Bộ điều khiển nhiệt độ TT Bộ chuyển đổi nhiệt độ TI Bộ hiển thị nhiệt độ LAHH Cảnh báo mức cao PAHH Cảnh báo áp suất cao LALL Cảnh báo mức thấp GPP Gas Processing Plant MF Minimum Facilities AMF Absolute Minimum Facilities nF Chỉ số đĩa cấp liệu đĩa f Nc Số lượng cấu tử hỗn hợp Kj Hằng số cân pha hydrocacbon NF Vị trí đĩa cấp liệu αj,k Độ bay tương đối cấu tử j so với cấu tử k C vi DANH MỤC BẢNG Bảng Trang 2.1 Các thông số sản phẩm tháp C-02…………………………… 38 2.2 Số liệu vận hành tháp C02……………………………………….… 48 2.3 Các thông số tháp……………………………………………… 48 2.4 Xác định vị trí cấp liệu……………………… …………………… 50 2.5 Kết thông số tháp C-02 thu từ Aspen…………………… 51 2.6 Kết enthalpy pha lỏng, pha đĩa……………… 55 2.7 So sánh kết với số liệu thực tế F thay đổi………………… 62 2.8 Giá trị thành phần cấu tử nhẹ trạng thái xác lập………………… 66 2.9 Giá trị nhiệt độ tháp trạng thái xác lập………………………… 71 2.10 Tỷ số sai lệch nhiệt độ L, V đĩa đáy tháp……… 74 2.11 Tỷ số sai lệch nhiệt độ L, V đĩa đỉnh tháp…… 75 2.12 Tham số điều khiển PID cho hai vòng điều khiển thành phần 78 3.1 Ảnh hưởng yếu tố tới việc lựa chọn cấu hình điều khiển… 91 3.2 Thay đổi sản phẩm tháp tăng F ứng với cấu hình khác nhau………………………………………………………………… 93 3.3 Nồng độ sản phẩm tháp…………………………………………… 96 3.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm………………………………… 104 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Trang 1.1 Cấu trúc tháp chưng cất………………………… 1.2 Sơ đồ đặc tả toán điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm 17 1.3 Cấu hình LV…………………………………………………… 19 1.4 Cấu hình DB…………………………………………………… 20 1.5 Cấu hình DV…………………………………………………… 21 2.1 Sơ đồ công nghệ tháp C-02……………………………………… 37 2.2 Mô tả dòng vật chất thiết bị ngưng……………………… 43 2.3 Mô tả dòng vật chất đĩa n………………………………… 44 2.4 Mô tả dòng vật chất đĩa i………………………………… 45 2.5 Mô tả dòng vật chất đĩa cấp liệu f……………………… 45 2.6 Mô tả dòng vật chất đĩa thứ nhất…………………………… 46 2.7 Mô tả dòng vật chất thiết bị gia nhiệt…………………… 47 2.8 Mô hình mô tháp C02………………….………………… 48 2.9 Thông số tháp C-02 …… ………………………………… 49 2.10 Kết khối sản phẩm đỉnh…………………………………… 49 2.11 Kết khối sản phẩm đáy……………………………………… 50 2.12 Độ bay tương đối cấu tử nhẹ (C3H8) so với cấu tử nặng (C5+)……………………………………………………………… 50 2.13 Lưu đồ thuật toán xác định mô hình tháp C-02…………………… 52 2.14 Lưu đồ thuật toán xác định mô hình tháp C-02, đầu nhiệt độ 56 2.15 Sơ đồ mô tháp C02…………………………….………… 58 2.16 Đáp ứng sản phẩm đỉnh tháp yD với số liệu vận hành … 58 2.17 Thay đổi sản phẩm đỉnh tháp tăng F lên 1% với điều khiển PID………………………………………………………… 58 2.18 Phân bố nồng độ sản phẩm tháp theo chiều cao tháp…………… 59 2.19 Động học dòng lỏng…………………………………………… 59 viii 2.20 Thay đổi dòng ngoài: tăng 0.1% L V riêng biệt………… 60 2.21 Đáp ứng sản phẩm đỉnh thay đổi L V riêng biệt……… 61 2.22 Ảnh hưởng dòng trong: tăng L V giá trị 10% L 61 2.23 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp …………………………………… 62 2.24 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp F tăng 3% 62 2.25 Lưu đồ thuật toán xác định ma trận A, B, E…………………… 67 2.26 Lưu đồ thuật toán xác định ma trận A’, B’, E’ 72 2.27 Đáp ứng nhiệt độ đỉnh tháp với điều khiển PID………… 76 2.28 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp với điều khiển PID………… 77 2.29 Ảnh hưởng nhiễu lưu lượng cấp lên nhiệt độ đỉnh tháp…… 77 2.30 Tương tác hai vòng điều khiển…………………………… 77 3.1 Lưu đồ thuật toán khảo sát ảnh hưởng điều khiển mức… 84 3.2 Đáp ứng sản phẩm tháp F tăng 1%………………… … 85 3.3 Đáp ứng sản phẩm tháp tăng V lên 1% 85 3.4 Thay đổi sản phẩm đỉnh tăng F 1% 86 3.5 Lưu đồ thuật toan khảo sát đáp ứng tần số với nhiễu…………… 88 3.6 Ảnh hưởng lưu lượng cấp lên sản phẩm đỉnh…………… … 89 3.7 Ảnh hưởng thành phần nguồn cấp lên sản phẩm đỉnh…….… 89 3.8 Ảnh hưởng lưu lượng cấp lên sản phẩm đáy……………… 89 3.9 Ảnh hưởng thành phần nguồn cấp lên sản phẩm đáy……… 89 3.10 Đáp ứng sản phẩm đỉnh (a), logarithm thành phần sản phẩm đỉnh (b) tăng L lên 0.1%; 1%; 10%; 50% ………………………… 91 3.11 Thay đổi nồng độ sản phẩm đỉnh tăng F lên 1% ……… 92 3.12 Thay đổi sản phẩm đỉnh F tăng 1.2% với cấu hình LV … 93 3.13 Thay đổi sản phẩm đỉnh F tăng 1.2% với cấu hình L(V/F)…………………………………………………………… 93 3.14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tháp C-02…………………………… 96 3.15 Sơ đồ điều khiển áp suất tháp C-02 ………………………… … 97 3.16 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ tháp C-02 …………………………… 98 145 subplot(323); plot(u1(:,1),'k-'); hold on; %plot(u2(:,1),'b:'); %hold on; %plot(u3(:,1),'r-'); %hold on; %grid on; ylabel('L'); %Nu=1, Ny=3, Lamda=0.1 %Nu=1, Ny=10, Lamda=0.1 %Nu=1, Ny=20, Lamda=0.1 % Hien thi ket qua mo phong cua tin hieu thu hai vecto tin hieu % y subplot(322); plot(y1(:,2),'k-'); hold on; %plot(y2(:,2),'b:'); %hold on; %plot(y3(:,2),'r-'); %hold on; %grid on; ylabel('xB'); % Hien thi ket qu mo phong cua so gia tin hieu dieu khien thu hai % vecto so gia tin hieu dieu khien delta_u %subplot (324); %plot(delta_u1(:,2),'k '); %hold on; %plot(delta_u2(:,2),'b:'); %hold on; %plot(delta_u3(:,2),'r-'); %hold on; %grid on; %ylabel('delta_u 2'); % Hien thi ket qua mo phong cua tin hieu dieu khhien thu hai vecto % tin hieu dieu khien u subplot(324); plot(u1(:,2),'k-'); hold on; %plot(u2(:,2),'b:'); %hold on; %plot(u3(:,2),'r-'); %hold on; %grid on; ylabel('V'); 146 function [y1,delta_u1,u1]=Figure(Ac,Bc,Cc,Dc,Ec,Ts,N,M,delta_M,Nu,Ny,L amda) % Gian doan hoa mo hinh trang thai lien tuc [Am,Bm,Cm,Dm,Em]=Discrete(Ac,Bc,Cc,Dc,Ec,Ts) % Xac dinh so tin hieu vao-ra, so bien trang thai [q,n]=size(Cm); % q la so tin hieu ra, n la bien trang thai [n,p]=size(Bm); % p la so tin hieu dieu khien % Thiet ke bo dieu khien [A,B,C,Px,Hx,P,H,Pr,Kx,Ky]=MPC_unconstrained(Am,Bm,Cm,Nu,Ny,L amda); % Tao dang tin hieu dat for k=1:Ny r((k-1)*q+1:k*q,1)=ones(q,1); end % Trang thai ban dau cua he xm=[0.5;0.5]; u=zeros(p,1); % u(0)=0 y=zeros(q,1); d=zeros(q,1); % Mo phong for k=1:N % Nhieu d xuat hien tu thoi diem M den thoi diem M+delta_M if k[...]... bước trong thiết kế cấu trúc điều khiển: 1 Lựa chọn các biến đầu ra (một tập hợp các biến được điều khiển để đạt được các mục tiêu cụ thể) 2 Lựa chọn các biến vào và các biến đo (các biến điều khiển và biến đo cho mục đích điều khiển) 3 Lựa chọn một cấu hình điều khiển (một cấu trúc kết nối giữa các biến đo, biến điều khiển, biến được điều khiển ) 4 Lựa chọn loại bộ điều khiển (PID, tách kênh, ) Có... bộ điều khiển đa biến tập trung so với bộ điều khiển đơn biến phi tập trung Một ưu điểm nổi bật là việc xử lý các ràng buộc tự động không thể thực hiện bởi một bộ điều khiển tuyến tính cố định nhưng có thể được thực hiện dựa trên quá trình tối ưu hóa trực tuyến (ví dụ bộ điều khiển MPC) Henrik Manum [34] sử dụng mô hình để triển khai các giải pháp điều khiển đơn giản cho bài toán điều khiển tối ưu. .. hình điều khiển và xây dựng bộ điều khiển cho tháp chưng cất 1.4.1 Các cấu hình điều khiển tháp chưng cất Một nhiệm vụ quan trọng trong việc thiết kế hệ thống điều khiển là xác định cấu trúc điều khiển Thiết kế cấu trúc điều khiển đề cập tới tất cả các quyết định về cấu trúc bao gồm: lựa chọn biến vào/ra, biến đo, cấu hình điều khiển, bộ điều khiển Skogestad và Postlethwaite [75] tóm tắt các bước trong. .. trình tối ưu vận hành tháp chưng, bao gồm việc thiết kế tối ưu, xây dựng bộ điều khiển để duy trì các điều kiện vận hành tối ưu [66] Đã có rất nhiều tài liệu, công trình nghiên cứu liên quan tới vấn đề điều khiển, vận hành tháp chưng cất được công bố trong những năm qua [3], [4], [35], [36], [73], [75], [81] Tuy nhiên, việc nghiên cứu xây dựng mô hình và hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất trong điều. .. đơn biến- phi tập trung và cấu trúc đa biến- tập trung được áp dụng điều khiển tháp C-02 Chất lượng sản phẩm được cải thiện với đề xuất cải tiến cấu hình điều khiển hiện tại trong cấu trúc đơn biến và áp dụng cấu trúc đa biến sử dụng bộ điều khiển dự báo theo mô hình 6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÁP CHƯNG CẤT 1.1 Khái quát về tháp chưng cất Tháp chưng cất là thành phần quan trọng nhất trong công nghiệp lọc. .. vận hành của nhiều quá trình Tháp chưng cất đồng thời cũng là một thành phần tiêu tốn nhiều năng lượng: tại Mỹ, khoảng 7% năng lượng được tiêu tốn bởi tháp chưng cất Phần năng lượng này có thể được giảm xuống đáng kể thông qua quá trình tối ưu vận hành tháp chưng cất, bao gồm việc thiết kế tối ưu, xây dựng hệ thống điều khiển để duy trì các điều kiện vận hành tối ưu Trong đó, điều khiển chặt chẽ cho... đề tài Sự biến động mạnh của giá xăng dầu và các sản phẩm khí trong những năm gần đây (như năm 2014) đòi hỏi các nhà máy lọc dầu, xử lý khí phải nâng cao hiệu suất hoạt động cũng như cải thiện chất lượng điều khiển để giảm thiểu chi phí và tối ưu lợi nhuận Thực tế hiện nay hệ thống điều khiển cho các tháp chưng cất ở Việt Nam đang có cấu trúc điều khiển vòng đơn, đôi khi có kết hợp điều khiển tầng... danh mục các công trình nghiên cứu khoa học, tài liệu tham khảo và các phụ lục Chương 1 trình bày về các thông tin cơ bản cũng như tầm quan trọng của tháp chưng cất trong ngành công nghiệp dầu khí Bên cạnh đó, tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan đến việc xây dựng mô hình tháp chưng cất, bài toán điều khiển tháp chưng với vấn đề lựa chọn cấu hình điều khiển và thiết kế bộ điều khiển của các... trúc điều khiển phù hợp và đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng sản phẩm của tháp 7 Ý nghĩa khoa học của luận án - Đưa ra một cách tiếp cận phù hợp trong việc xây dựng mô hình toán học cho các quá trình đa biến, kết hợp sử dụng phương pháp lý thuyết, phần mềm mô phỏng và số liệu thực nghiệm - Phát triển phương pháp tính toán cấu trúc điều khiển tối ưu, xác định các cặp biến vào/ra cho quá trình đa. .. cấu trúc điều khiển phức tạp hơn nhiệm vụ tổng hợp một bộ điều khiển cho một tập nhất định các biến đo và cơ cấu chấp hành Với một số lượng lớn các phép đo, các biến vào/ra sẽ tạo ra một số lượng lớn các tổ hợp giữa chúng, do đó việc phân tích khả năng điều khiển và thiết kế thiết kế bộ điều khiển cho mỗi sự kết hợp có thể tốn rất nhiều thời gian Công 17 việc thiết kế cấu trúc điều khiển trong luận ... chọn biến vào biến đo (các biến điều khiển biến đo cho mục đích điều khiển) Lựa chọn cấu hình điều khiển (một cấu trúc kết nối biến đo, biến điều khiển, biến điều khiển ) Lựa chọn loại điều khiển. .. pháp tính toán cấu trúc điều khiển tối ưu, xác định cặp biến vào/ra cho trình đa biến áp dụng cho đối tượng cụ thể tháp chưng cất C-02 - Bộ điều khiển đa biến – điều khiển dự báo theo mô hình... được, phân tích đánh giá lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp thiết kế điều khiển nhằm điều khiển tối ưu trình chưng cất công nghiệp lọc dầu xử lý khí hóa lỏng để nâng cao chất lượng sản phẩm hiệu