Nghiên cứu thiết lập vòng điều khiển tối ưu quá trình vận hành thiết bị gia nhiệt khí (gas heater)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI &&& NGUYỄN VẠN VIỆT QUỐC NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH THIẾT BỊ GIA NHIỆT KHÍ GAS HEATER TẠI TRUNG TÂM PHÂN PHỐI KHÍ PHÚ MỸ Chuyên ngành: Điều Khiển Tự Động LUẬN VĂN THẠC SĨ: Điều Khiển Tự Dộng Hóa HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.T.S PHAN XUÂN MINH Hà Nội – Năm 2008 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang MỤC LỤC MỤC LỤC ………………………………………………… ………………….… LỜI NÓI ĐẦU …………………………………………………………….…… DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ……………………………………………… CHƯƠNG 1: …………………… ……………………………………….……… TỔNG QUAN TRUNG TÂM PHÂN PHỐI KHÍ (GDC) PHÚ MỸ …………… Vị trí địa lý ………… …………………………………………….……….… Tổng quan GDC Phú Mỹ …………………………………………….…… 2.1 Giới thiệu chung … ………………………………… ……….……… 2.2 Sơ đồ mặt tổng thể GDC Phú Mỹ ………………………………… 2.3 Giới thiệu tổng quan hệ thống dây chuyền tiếp nhận phân phối khí GDC Phú Mỹ ………………………….…………………………… 2.4 Thống kê số thiết bị chấp hành thiết bị truyền tín hiệu TT, PT dây chuyền cấp khí sang nhà máy điện Phú Mỹ 1………… 12 CHƯƠNG 2: …………………………………………………………………… 15 TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP 15 Lược sử trình phát triển hệ thống điều khiển công nghiệp 15 Mô hình phân cấp hệ thống điều khiển.……………………………… 16 Cấu trúc thiết bị mạng………………………………… ……………… 18 3.1 Cấu trúc bus…………………………………………………………… 19 3.2 Cấu trúc hình sao……………………………………………………… 20 3.3 Mô hình tham chiếu OSI……………………………………………… 20 3.4 Kiến trúc giao thức…………………………………………… ……… 21 3.5 Chuẩn giao thức TCP/IP……………………………………………… 24 3.6 Truy nhập bus…………………………………………………………… 25 3.7 Kiểu truyền liệu Master/Slaver …………………………………… 25 3.8 Kiểu truyền liệu Token Passing…………………… ……………… 25 Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát…………………… 27 4.1 Cấu trúc tập trung – Concentrated Architechure……………………… 27 4.2 Cấu trúc phân tán……………………………………………………… 28 Hệ thống điều khiển phân tán DCS………………………………………… 29 5.1 Khái niệm hệ thống điều khiển phân tán DCS……………………… 29 5.2 Mô hình phân lớp hệ thống điều khiển DCS ……………………… 30 5.3 Các mô hình mạng hệ thống điều khiển phân tán………………… 32 Giới thiệu cấu trúc PlantWeb……………………………………………… 33 6.1 Khái niệm PlantWeb………………………………………………… 33 Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang 6.2 Cơ sở hình thành cấu trúc PlantWeb…………………………………… 34 6.3 Sơ đồ cấu trúc PlantWeb điển hình hãng Emerson………………… 34 Giới thiệu hệ thống điều khiển ICS GDC Phú Mỹ ……………………… 35 7.1 Cấu trúc hệ thống ICS 35 7.2 Nhiệm vụ hệ thống ICS ……………………………………………… 42 7.3 Ưu nhược điểm hệ thống ICS……………………………………… 43 CHƯƠNG 3: ……………………………………………………………… 44 CẤU TẠO VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA THIẾT BỊ GIA NHIỆT KHÍ (GAS HEATER) TẠI GDC PHÚ MỸ ……………… 44 Đặc điểm, vai trò chức thiết bị gia nhiệt khí Gas Heater ………… 1.1 Những đặc điểm Gas Heater ……………………………… 1.2 Vai trò Gas Heater dây chuyền công nghệ…………………… 1.3 Chức Gas Heater dây chuyền công nghệ tiếp nhận phân phối khí………………………………… Sơ đồ nguyên lý tổng quát hệ thống Gas Heater ……………………… Thiết bị gia nhiệt Gas Heater E-401A/B/C GDC Phú Mỹ ……………… 3.1 Sơ đồ cấu tạo (PL 5)……………………………………………………… 3.2 Các phận (Đối với E-401A)………………………….………… 44 44 44 45 46 48 49 50 CHƯƠNG 4:……………………………………………………………… 55 THIẾT LẬP BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GAS HEATER VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP TỰ ĐỘNG HOÁ VẬN HÀNH TỐI ƯU…………………………………………………………………… 55 Các tham số công nghệ Gas Heater …………………………………… 55 1.1 Nhiệt độ buồng đốt ………………………………………………… 55 1.2 Nhiệt độ nước gia nhiệt Tn ……………………………………………… 55 1.3 Nhiệt độ đặt cho dòng khí công nghệ cần gia nhiệt Tsp ………………… 55 1.4 Nhiệt độ dòng khí sau gia nhiệt TK ……………………… 56 1.5 Độ mở van điều khiển dòng khí Fuel Gas %Vm …………………… 56 1.6 Lưu lượng dòng khí qua Gas Heater QK …………………………… 56 Xây dựng mô hình toán mô Matlab Simulink đối tượng điều khiển Gas Heater …………………………………………………………… 56 2.1 Xác định hàm truyền đạt đối tượng điều chỉnh……………………… 56 2.2 Khảo sát mô hình đối tượng Gas Heater Matlab Simulink………… 72 Các toán tự động hóa trình điều khiển Gas Heater ….……… 79 3.1 Quá trình khởi động Gas Heater ………………………………………… 79 Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang 3.2 Bài toán điều khiển Gas Heater trình công nghệ……………… 84 Bộ điều khiển chương trình PLC Gas Heater Local Control Panel … 86 4.1 Phần cứng………………………………………………………………… 86 4.2 Phần mềm………………………………………………………………… 89 Điều khiển tối ưu hệ thống gia nhiệt khí Gas Heater trình……… 92 vận hành dây chuyền cung cấp Khí ………………………………………… 92 KẾT LUẬN…………………………………………………………………… 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 97 PHỤ LỤC……………………………………………………………………… 98 Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, khí đốt sử dụng rộng rãi nhiều nghành công nghiệp làm khí đốt tua bin khí cho nhà máy nhiệt điện, dùng để lấy nguyên liệu sản xuất phân Đạm, dùng nhà máy công nghiệp khác nhà máy sản xuất bột VEDAN, nhà máy sản xuất gạch men TACERRA… Khí đốt cung cấp từ công ty chế biến kinh soanh sản phẩm khí (PVGAS) phát triển lên thành Tổng công ty Khí Việt Nam đảm bảo yêu cầu chất lượng khí cung cấp thành phần khí, nhiệt độ, áp suất, nhiệt độ điểm sương Hydro Dewpoint, water Dewpoint khí Mục đích đề tài : Nghiên cứu thiết kế vòng điều khiển tối ưu trình vận hành thiết bị gia nhiệt khí nhằm sử dụng hiệu nguồn nhiên liệu đốt cho Gas Heater, đóng vai trò quan trọng cho việc cung cấp nguồn khí đốt đảm bảo tiêu chuẩn ổn định chất lượng nguồn khí gia nhiệt hệ thống công nghệ cung cấp khí Nội dung đề tài : • Xác định sơ đồ công nghệ thiết bị nguyên lý hoạt động gia nhiệt Gas Heater • Tìm phương pháp điều khiển tối ưu cho trình gia nhiệt khí Gas Heater Hiện giới có nhiều nhà cung cấp hệ thống PLC như: Siemens, Invensys, Andover Control, HawkI Control… Hệ thống PLC hãng có đặc trưng riêng Trong số HawkI Control đại diện hàng đầu Chính vậy, điều kiện em công tác GDC Phú mỹ nên em chọn “Nghiên cứu thiết lập vòng điều khiển tối ưu trình vận hành thiết bị gia nhiệt khí” làm đề tài tôt nghiệp Để hoàn thành luận văn em xin chân thành cám ơn cô Phan Xuân Minh - Bộ môn Điện điều khiển Tự động - Trường Đại học Bách khoa Hà nội, Ban Giám Đốc Công ty Vận chuyển Khí Đông Nam Bộ (PVGAS SE) Trung tâm phân phối khí GDC Phú Mỹ nơi công tác Đồng thời em xin chân thành cảm ơn Thầy cô giáo môn Điện điều khiển Tự động truyền đạt kiến thức ý kiến góp ý quý báu giúp em hoàn thành Luận văn Trong trình làm Luận văn cố gắng không tránh khỏi thiếu sót Tôi mong ý kiến bổ sung thầy cô bạn Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GDC – Gas Distribution Center DCS – Distributed Control System ICS – Integrated Control System PLC – Programmable Logic Control PCS – Process Control System ESDV – Emergency Shutdown Valve PCV – Pressure Control Valve FCV – Flow Control Valve TT – Temprature Transmitter PT – Pressure Transmitter HMI – Human Machine Interface AI – Analog Input (Đầu vào tương tự) AO – Analog Ouput (Đầu tương tự) P&ID – Piping & Instrument Drawing PVGAS – Petro Viet Nam Gas PVGAS SE – Petro Viet Nam Gas South East NCSP – Nam Côn Sơn Pipe-line EVN – Electric Việt Nam (Tập đoàn Điện lực VN) MMSCMD – Triệu m3 khí chuẩn ngày Trend – Hệ điều khiển định dạng lựa chọn hiển thị bảng đồ thị thời gian thực đối tượng Alarm - Lỗi báo động hệ thống vận hành FTP : File transfer Protocol HTTP : Hypertext Transfer Protocol MMS : Mannufactoring Message Specification TCP/IP: Transmisson Control Protocoll/Internet Prrotocol HART : Highway Adressable Remote Transducer HDLC : High Level Data – Link Control Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang Chương 1: TỔNG QUAN TRUNG TÂM PHÂN PHỐI KHÍ (GDC) PHÚ MỸ Vị trí địa lý Trung tâm phân phối khí Phú Mỹ nằm khu công nghiệp Phú Mỹ 1, Thị trấn Phú Mỹ, huyện Tân Thành, Tĩnh Bà Rịa – Vũng Tàu, • Phía Đông giáp Thị trấn Phú Mỹ • Phía Tây giáp cụm Nhà Máy nhiệt điện Phú Mỹ • Phía Nam giáp Sông Thị Vải • Phía Bắc giáp Khu Công nghiệp Mỹ Xuân – Gò Dầu Tổng quan GDC Phú Mỹ 2.1 Giới thiệu chung Khí thiên nhiên Nam Côn Sơn lấy từ vùng trũng thuộc bể Nam Côn Sơn gồm mõ Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch Mộc Tinh… chuyển tới nhà máy BP Dinh Cô để xử lý công nghệ với chiều dài đường ống 370Km Tại nhà máy BP Dinh Cô khí thiên nhiên xử lý tách thành Condensate khí khô Khí khô sau vận chuyển tới GDC Phú Mỹ đường ống 30’’ (in) có chiều dài 28.8Km Trung tâm phân phối khí phú mỹ tiếp nhận hỗn hợp khí hydrocacbon hay gọi khí đốt bao gồm chủ yếu các thành phần khí: Metan (C1) (chiếm khoảng 90%) khí Etan (C2) (Chiếm 4,5%) thành phần khác Sau đó, GDC Phú Mỹ phân phối khí đốt cho hộ tiêu thụ khí nhà máy điện Phú mỹ 1, Phú mỹ 2.1, Phú Mỹ 2.2, Phú mỹ 3, Phú Mỹ 4, nhà máy Đạm Phú Mỹ v.v Với thiết kế ban đầu GDC Phú Mỹ tiếp nhận phân phối với sản lượng 10,48 MMSCMD (Triệu m3 khí chuẩn ngày), hoàn thành vào vận hành vào tháng 10 năm 2002 Hiện nay, công suất cung cấp khí GDC Phú Mỹ tăng lên đến 15 MMSCMD giai đoạn tới 20 MMSCMD, cung cấp khí cho Nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch nhà máy nhiệt điện Thủ Đức - Hồ Chí Minh Cụm nhà máy nhiệt điện khu công nghiệp Phú Mỹ , huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu sử dụng khí đốt phân phối từ GDC Phú Mỹ đáp ứng 40% sản lượng điện nước Có thể nói GDC Phú Mỹ nơi cung cấp khí miền Nam, Việt Nam giai đoạn sau Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang có vai trò quan trọng Tập Đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) ảnh hưởng lớn đến hệ thống cung cấp điện Quốc gia 2.2 Sơ đồ mặt tổng thể GDC Phú Mỹ GDC Phú Mỹ xây dựng mặt tổng thể diện tích 49.400m2 với kích thước 260m x 190m, chia làm khu vực khu vực an toàn (Safety Area) khu vực công nghệ (Hazard Area) Hình 1.1: Sơ đồ mặt tổng thể Trung tâm phân phối khí Phú Mỹ 2.2.1 Khu vực an toàn Khu vực an toàn bố trí để thiết kế hạng mục công trình gồm: - Nhà trực bảo vệ, cổng bảo vệ Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Trang Nhà điều hành, phòng Điều khiển trung tâm - Nhà xưởng đặt thiết bị phụ trợ như: Máy phát điện dự phòng, Máy biến 415 kVA, Máy nén khí công cụ, máy nén khí diesel dự phòng, bình khí nitơ, bình khí Helium, bình khí Chuẩn… 2.2.2 Khu vực công nghệ (Hazod area) Khu vực công nghệ khu vực nguy hiểm, bao gồm đường ống dẫn khí toàn hệ thống thiết bị công nghệ dây chuyền tiếp nhận cung cấp khí Áp suất khí đầu vào 55 barg áp suất khí vận hành từ 35barg – 45barg, khả rò rỉ khí cao Đây khu vực giám sát nghiêm ngặt cách xa với khu vực an toàn 15m (TCVN) Ngoài khu vực công nghệ đánh nghiêm ngặt giá theo tiêu chuẩn an toàn cháy nổ (NFPA 13), tiêu chuẩn an toàn thiết bị (SIL 2, SIL 3), đánh giá nguy hiểm theo khu vực (HAZOD) để đảm bảo an toàn trình chạy thử vận hành Các thiết bị hệ thống công nghệ có mức độ giám sát an toàn cao là: 03 Gas Heater ; 07 cụm Metering Skid; Sub-header đầu vào; 07 cụm PCV điều áp; Cụm Gas Filter Các Gas Heater E-401A, E-401B, E-401C đặt phía đầu vào nguồn khí NCSP , khu vực có mức độ nguy hiểm cao trạm 2.3 Giới thiệu tổng quan hệ thống dây chuyền tiếp nhận phân phối khí GDC Phú Mỹ 2.3.1 Sơ đồ hệ thống dây chuyền tiếp nhận phan phối Khí ( Hình 1.2) * Nguyên lý hệ thống tiếp nhận phân phối khí: GDC Phú Mỹ tiếp nhận khí từ nguồn khí đầu vào NCSP, sau đến thiết bị gia nhiệt khí (Gas Heater ) E-401A, E401B, E401C để gia nhiệt cho nguồn khí đầu vào, tiếp đến nguồn khí đến cụm van PCV điều khiển áp suất dòng khí giảm xuống theo yêu cầu nhà máy sử dụng khí, dòng khí sau điều chỉnh áp suất đến hệ thống đo đếm khí để đo sản lượng khí cung cấp sau đến hộ sử dụng khí Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang Hình 1.2: Sơ đồ tổng thể hệ thống tiếp nhận- phân phối khí GDC Phú Mỹ Theo thiết kế ta có ký hiệu cụm PCV điều khiển áp suất, hệ thống đo đếm khí tương ứng với hộ sử dụng Khí bảng sau: Các hộ sử dụng khí Cụm PCV giảm áp suất Hệ thống đo đếm Nhà MĐ Phú Mỹ Z-411 Z-412 Nhà MĐ Phú Mỹ 2.2 Z-421 Z-422 Nhà MĐ Phú Mỹ Z-431 Z-432 Nhà MĐ Phú Mỹ Z-441 Z-442 Nhà MĐ Phú Mỹ 1&2 Exp Nhà máy Đạm Phú Mỹ Z-451 Z-452 Z-471 Z-472 Dự phòng Z-461 Z-462 Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang 107 KẾT LUẬN Sau tháng thực tập làm đồ án, với đề tài “ Nghiên cứu hệ thống Điều khiển tối ưu thiết bị gia nhiệt khí cho nguồn khí đốt tự nhiên khí đồng hành từ mỏ khí tự nhiên mỏ dầu cung cấp cho nhà máy công nghiệp” Em đạt số kết sau: - Nghiên cứu lý thuyết hệ điều khiển phân tán ICS Trung tâm phân phối khí GDC Phú Mỹ ABB - Tìm hiểu cấu tạo, chức đến nguyên lý hoạt động thiết bị gia nhiệt Khí Gas Heater - Đưa ý tưởng điều khiển tối ưu thiết bị gia nhiệt Gas Heater trình vận hành hệ thống công nghệ dây chuyền công nghệ cung cấp khí cho nhà máy nhiệt điện - Áp dụng thay đổi thông số PI để điều khiển hoạt động Gas Heater, làm tăng tính ổn định điều khiển tăng hiệu qúa trình vận hành hệ thống phân phối khí GDC Phú Mỹ - Sử dụng công cụ lập trình bao gồm: Process Portal B hang ABB, Ladder Logic HawkWinI - Xây dựng mô hình đối tượng điều khiển Gas Heater Matlab Simulink * Hướng phát triển đồ án: - Tìm hiểu thêm hệ thống tự động hoá khác ngành Công nghệ chế biến Khí - Nghiên cứu chuyên sâu hệ thống điều khiển Phân tán hãng ABB, nghiên cứu cấu trúc PlantWeb Emerson Trong trình làm Luận văn cố gắng không tránh khỏi thiếu sót Tôi mong có ý kiến bổ sung thầy cô bạn Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật năm 2004 [2] Hoàng Minh Sơn , “Điều khiển phân tán”, Tự động hoá ngày Số 1999 [3] Foundation Fieldbus _ Oview1, Hãng Emerson năm 2007 [4] www.BACnet.com [5] www.Siemens.com [6] www.Automatedlogic.com PHỤ LỤC Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang 109 PHỤ LỤC 1: Sơ đồ nối dây điều khiển thiết bị Gas Heater Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang 110 PHỤ LỤC 2: Bộ điều khiển PID lập trình với LADDER LOGIC Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang 111 PHỤ LỤC 3: PID CONTROLLER Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Luận văn Cao học ĐK Tự động Trang 112 SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang 113 PHỤ LỤC 3: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển Gas Heater Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang 114 PHỤ LỤC 4: Chương trình điều khiển Burner Control Logic Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Luận văn Cao học ĐK Tự động Trang 115 SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Luận văn Cao học ĐK Tự động Trang 116 SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Luận văn Cao học ĐK Tự động Trang 117 SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Luận văn Cao học ĐK Tự động Trang 118 SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang 119 PHỤ LỤC : Sơ đồ cấu tạo Gas Heater Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang 120 PHỤ LỤC 6: Sơ đồ P&ID Gas Heater Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trang 121 PHỤ LỤC 7: Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống ICS Luận văn Cao học ĐK Tự động SVTH: Nguyễn Vạn Việt Quốc ... vậy, điều kiện em công tác GDC Phú mỹ nên em chọn Nghiên cứu thiết lập vòng điều khiển tối ưu trình vận hành thiết bị gia nhiệt khí làm đề tài tôt nghiệp Để hoàn thành luận văn em xin chân thành... khí, nhiệt độ, áp suất, nhiệt độ điểm sương Hydro Dewpoint, water Dewpoint khí Mục đích đề tài : Nghiên cứu thiết kế vòng điều khiển tối ưu trình vận hành thiết bị gia nhiệt khí nhằm sử dụng hiệu... điều khiển điều khiển trực tiếp từ Panel điều khiển chổ, thiết bị điều khiển nối dây tín hiệu điều khiển trực tiếp đến Panel điều khiển tập trung Đến năm cuối thập niên 70 hệ thống điều khiển