Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình sản xuất axit sunfuric

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN ĐỨC DƯƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH Hà Nội – Năm 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp tơi tự hồn thành dƣới hƣớng dẫn thầy giáo PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực Để hồn thành luận văn này, tơi sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không đƣợc ghi phần tài liệu tham khảo Học viên Nguyễn Đức Dƣơng DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ARX : AutoRegressive with eXternal input ARMAX : AutoRegressive Moving Average with eXternal input PEM : Prediction Error Method LSE : Least Squares Estimate RGA : Relative Gain Array CĐ : Công đoạn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng tính chất lƣu huỳnh nguyên tố 10 Bảng 1.2 Chỉ tiêu kỹ thuật tháp trao đổi nhiệt 209 29 Bảng 1.3 Chỉ tiêu kỹ thuật tháp trao đổi nhiệt 205A .30 Bảng 2.1 Thống kê mạch vòng điều khiển 42 Bảng 2.2 Thống kê đầu vào tƣơng tự số tủ FCS0111 44 Bảng 2.3 Thống kê đầu vào tƣơng tự số tủ FCS0112 47 Bảng 3.1 Danh sách thiết bị dự phòng cần thiết .67 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình sản xuất axit sunfuric Hình 1.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất axit sunfuric Hình 1.3 Các phƣơng pháp sản xuất axit sunfuric 13 Hình 1.4 Sơ đồ sản xuất axit sunfuric từ S theo phƣơng pháp tiếp xúc .14 Hình 1.5 Dây chuyền sản xuất axit sunfuric theo phƣơng pháp tinh chế khơ 15 Hình 1.6 Cân khối lƣợng cơng đoạn hố lỏng lƣu huỳnh 17 Hình 1.7 Cân lƣợng đầu vào đầu lò đốt 18 Hình 1.8 Cân khối lƣợng đầu vào đầu lị đốt 19 Hình 1.9 Cân lƣợng nƣớc cấp với lƣợng nƣớc bão hồ 20 Hình 1.10 Cân khối lƣợng công đoạn tiếp xúc .21 Hình 1.11 Cân khối lƣợng cơng đoạn hấp thụ 23 Hình 1.12 Cân khối lƣợng phận sấy khí 23 Hình 1.13 Cân lƣợng đầu vào đầu tháp hấp thụ 23 Hình 2.1 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa q trình sản xuất .31 Hình 2.2 Cấu hình hệ thống CENTUM CS3000 32 Hình 2.3 Cấu trúc Function Block 36 Hình 2.4 Khâu qn tính bậc - LAG 37 Hình 2.5 Khâu tích phân INTEG 37 Hình 2.6 Khối PID .38 Hình 2.7 Khâu CALCU .39 Hình 2.8 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất axit 40 Hình 2.9 Bố trí module tủ FCS0111 FCS0112 41 Hình 3.1 Sơ đồ cơng nghệ cơng đoạn hấp thụ 55 Hình 3.2 Sơ đồ thùng tuần hồn mono 303 56 Hình 3.3 Các biến q trình thùng tuần hồn 303 .57 Hình 3.4 Dạng hình học thùng 303 58 Hình 3.5 Mặt cắt thùng 303 với 58 Hình 3.6 Mặt cắt thùng 303 với 59 Hình 3.7 Sơ đồ khối mơ hình thùng tuần hồn mono 303 .62 Hình 3.8 Cấu trúc điều khiển phi tập trung cho trình 2 63 Hình 3.9 Cấu trúc điều khiển phi tập trung với điều khiển đơn biến 69 Hình 3.10 Mạch vòng điều chỉnh mức thùng 303 với mức tính theo % 70 Hình 3.11 Mạch vịng điều chỉnh mức 72 Hình 3.12 Mơ hình IdentifyDeltax.mdl 72 Hình 3.13 Đáp ứng nồng độ axit có điều khiển mức .73 Hình 3.14 Đáp ứng nồng độ với mơ hình ARX 74 Hình 3.15 Đáp ứng nồng độ với mơ hình ARMAX 75 Hình 3.16 Đáp ứng nồng độ theo phƣơng pháp PEM 76 Hình 3.17 Đáp ứng nồng độ theo phƣơng pháp LSE PEM .77 Hình 3.18 Mơ hình điều khiển phi tập trung 78 Hình 3.19 Đáp ứng nồng độ mức với phƣơng pháp điều khiển phi tập trung 79 Hình 3.20 Mơ hình tách kênh phản hồi trạng thái 81 Hình 3.21 Sơ đồ tổng quát tách kênh truyền thẳng 82 Hình 3.22 Sơ đồ tách kênh phần .82 Hình 3.23 Sơ đồ tách kênh toàn phần .83 Hình 3.24 Sơ đồ tách kênh động tồn phần - tổng quát 84 Hình 3.25 Sơ đồ tách kênh SVD .84 Hình 3.26 Cấu trúc điều khiển thùng tuần hoàn mono 303 86 Hình 3.27 Mạch vịng điều chỉnh mức thùng 303 với phƣơng pháp tách kênh 86 Hình 3.28 Mạch vòng điều chỉnh nồng độ thùng 303 với phƣơng pháp tách kênh 87 Hình 3.29 Mơ hình DecouplerControl.mdl .88 Hình 3.30 Đáp ứng nồng độ mức với phƣơng pháp điều khiển tách kênh 89 Hình 3.31 Cơng cụ lập trình System View .90 Hình 3.32 Sơ đồ mô điều khiển nồng độ axit điều khiển mức thùng tuần hoàn mono303 91 Hình 3.33 Kết mơ mạch vịng điều khiển mức 92 Hình 3.34 Kết mơ mạch vịng điều khiển nồng độ 93 Hình 3.35 Trang hình điều khiển số .94 Hình 3.36 Trang hình điều khiển số .95 Hình 3.37 Các faceplate điều khiển 96 Hình 3.38 Đồ thị xu hƣớng Trend .96 Hình 3.39 Đáp ứng nồng độ thùng tuần hồn 303 97 Hình 3.40 Đồ thị xu hƣớng thể điều khiển mức với mức đặt 70% 98 Hình 3.41 Đáp ứng mức mức đặt thay đổi từ 70% lên 80% 99 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nhà máy cơng nghiệp giới nói chung nhà máy nghiệp công nghiệp nƣớc ta nói riêng, nhu cầu sử dụng axit sunfuric ngày gia tăng Axit sunfuric nguyên liệu thiếu, phục vụ nhiều ngành công nghiệp, nhƣ: ngành sản xuất phân bón, sản xuất acquy, sản xuất axit photphoric, … Trong dịp công tác Nhà máy Supephotphat Hoá chất Lâm Thao, tác giả tiếp cận với cơng nghệ sản xuất axit sunfuric Qua q trình làm việc tìm hiểu, tác giả nhận thấy cơng đoạn hấp thụ nhà máy bao gồm đối tƣợng hấp dẫn: tồn nhiều trình cân (vật chất, lƣợng) Nhà máy tiến hành cải tạo, nâng cấp dây chuyền sản xuất axit sunfuric từ công nghệ đốt quặng pyrit sang công nghệ đốt lƣu huỳnh rắn, tinh chế khô - tiếp xúc kép Đây công nghệ tiên tiến nhƣng hệ điều khiển công ty trƣớc thiết kế, với giảm thiểu tối đa kinh tế nên chất lƣợng điều khiển chƣa cao, tính ổn định bền vững hệ thống cịn thấp Từ tác giả nảy ý kiến phải cải thiện nâng cao chất lƣợng tính ổn định hệ điều khiển cơng đoạn hấp thụ, sản xuất axit sunfuric, nâng cao hiệu sử dụng vốn, đem lại lợi ích kinh tế cao Bản luận văn giới hạn việc tìm hiểu, nghiên cứu dây chuyền sản xuất axit sunfuric, cụ thể công đoạn hấp thụ Tác giả tập trung nghiên cứu thùng tuần hoàn mono 303 - đảm bảo nồng độ axit sunfuric 98,3%, tìm cách mơ hình hóa đối tƣợng Từ mơ hình tìm đƣợc, phân tích đƣa cấu trúc điều khiển nâng cao chất lƣợng tính ổn định hệ điều khiển Nội dung của luận văn bao gồm ba chƣơng : Chƣơng 1: Tổng quan công nghệ sản xuất axit sunfuric Chƣơng 2: Giới thiệu hệ thống điều khiển phân xƣởng axit Chƣơng 3: Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng điều khiển công đoạn hấp thụ sản xuất axit sunfuric Trong trình tìm hiểu nghiên cứu tác giả có nhiều thuận lợi đƣợc làm việc thực tế nhà máy, đƣợc cung cấp nhiều tài liệu thống kê trình vận hành, hữu ích q trình mơ hình hóa đối tƣợng Tôi chân thành cảm ơn PGS.TS Bùi Quốc Khánh ngƣời có kinh nghiệm làm việc thực tế lâu năm lĩnh vực công nghiệp sản xuất axit sunfuric với kiến thức chuyên sâu dẫn nhiệt tình cho tơi q trình thực luận văn Tôi gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp tơi góp ý, hỗ trợ tơi suốt thời gian qua Hà Nội, ngày tháng năm 2010 Học viên Nguyễn Đức Dƣơng CHƢƠNG TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC 1.1 Giới thiệu chung Công ty supephotphat hóa chất Lâm Thao có dây chuyền sản xuất axit sunfuric với công suất khác Trƣớc đây, dây chuyền sử dụng nguyên liệu đầu vào quặng pirit đốt lị tầng sơi phƣơng pháp tiếp xúc Do mỏ quặng Giáp Lai, Thạch Sơn, Phú Thọ cạn kiệt cộng thêm ô nhiễm môi trƣờng, thiết bị cồng kềnh nên năm 2003, công ty cải tiến công nghệ, sử dụng S nguyên tố nhập ngoại đốt lò nằm ngang phƣơng pháp tiếp xúc đơn Cho đến nay, axit sunfuric đƣợc sản xuất theo phƣơng pháp tiếp xúc kép hấp thụ lần Đây dây chuyền nhà máy đạt đƣợc tiêu khí thải mơi trƣờng S ngun tố Hơi nƣớc bão hồ đầu vào Hố lỏng, đốt S, tiếp xúc kép, hấp thụ Khơng khí đầu H2SO4 Dầu DO Hình 1.1 Quá trình sản xuất axit sunfuric Theo thiết kế suất dây chuyền sản xuất axit: 365 tấn/ngày hay 120.000 tấn/năm (tính theo 100%) Sản phẩm dây chuyền sản xuất axít có loại: + sản phẩm axít kỹ thuật 98,3%, + sản phẩm axít ắc quy, + sản phẩm axít tinh khiết loại P, + sản phẩm axít tinh khiết phân tích loại PA, có nồng độ ≥ 92,5%, + sản phẩm nồng độ 76 85% đƣa sang sản xuất supe lân đƣợc chế biến qua phận trộn để hạ nồng độ axít từ 95 98,3 ± 0,4% xuống 76 85% Nguyên liệu S nguyên tố Hơi nƣớc bão hồ 6at 158oC Mạng chung CƠNG ĐOẠN HỐ LỎNG LƢU HUỲNH Khơng khí khơ S lỏng CƠNG ĐOẠN LÒ ĐỐT S Dầu DO SO2 1000 oC Nƣớc mềm Khơng khí khơ CƠNG ĐOẠN NỒI HƠI nƣớc bão hồ SO2 430 oC CƠNG ĐOẠN TIẾP XÚC SO3 BỘ PHẬN SẤY KHÍ H 2SO4 95% CƠNG ĐOẠN HẤP THỤ H 2SO4 98,3% Khơng axit từ khí mono CƠNG ĐOẠN KHO AXIT H 2SO4 76-85% AXIT CẤP SANG CÁC XÍ NGHIỆP SUPE Hình 1.2 Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ sản xuất axit sunfuric c) Mạch vòng điều khiển nồng độ axit (3.37) 3.774,1 với 2,5(s) 12,5 Chỉnh định tham số, ta có 15 Hình 3.34 Kết mơ mạch vịng điều khiển nồng độ 93 3.2.3.2 Lập trình giao diện vận hành a) Giao diện vận hành điều khiển cơng đoạn hấp thụ Hình 3.35 Trang hình điều khiển số 94 * Giao diện vận hành công đoạn hấp thụ gồm hai trang, muốn tác động vào điều khiển ấn vào điều khiển Hình 3.36 Trang hình điều khiển số 95 * Faceplate điều khiển Hình 3.37 Các faceplate điều khiển * Đồ thị xu hƣớng: Đối với đối tƣợng (thùng tuần hồn 303) có đồ thị xu hƣớng (Trend) để hiển thị tham số cần theo dõi Hình 3.38 Đồ thị xu hướng Trend 96 b) Nhận xét kết mô * Đặc tính quan trọng nồng độ axit đầu thùng 303 đạt đƣợc 98,3% theo lƣợng đặt Hình 3.39 Đáp ứng nồng độ axit thùng tuần hồn 303 * Từ hình 3.39, ta thấy: axit từ tháp hấp thụ 304 đƣợc đƣa vào thùng tuần hoàn mono 303 nên ban đầu nồng độ axit thùng đạt 98, 8% Khi giá trị đặt nồng độ axit 98,3% nồng độ giảm dần bám theo giá trị đặt Thời gian độ để nồng độ axit đạt 98,3% khoảng 15 phút * Trong q trình vận hành thùng tuần hồn mono 303 có nhiều nhiễu loạn ảnh hƣởng tới hoạt động nó, có giá trị nồng độ axit sấy đƣa tới thùng 303 Khi nồng độ axit sấy tăng 0,5% làm cho nồng độ axit thùng 303 tăng lên, dao động chút Tuy nhiên nhờ điều khiển nồng độ CIC-521, nồng độ axit đầu đảm bảo giá trị đặt 98,3% 97 Hình 3.40 Đồ thị xu hướng thể điều khiển mức với mức đặt 70% * Từ đồ thị ta thấy: Ban đầu thùng 303 có sẵn dung dịch axit với chiều cao mức 40% Khi phát lệnh đặt mức 70% (hay độ chênh lệch mức = 30%) mức tăng dần bám theo giá trị đặt Thời gian độ để mức đạt 70% khoảng 10 phút, nên độ điều chỉnh nhỏ, khơng đáng kể 98 Hình 3.41 Đáp ứng mức mức đặt thay đổi từ 70% lên 80% * Khi giá trị đặt mức thay đổi từ mức tăng dần bám theo giá trị đặt Khi đáp ứng nồng độ khơng bị ảnh hƣởng Điều chứng tỏ bù tách kênh mạch vòng điều khiển hoạt động tốt 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nhƣ trình nghiên cứu thực luận văn này, xuất phát từ thực tế cho thấy có tồn hệ thống điều khiển trình sản xuất axit sunfuric nhà máy Supephotphat Hoá chất Lâm Thao Những tồn phần nhà máy tận dụng thiết bị công nghệ cũ trƣớc đây, cải tạo nâng cấp hệ thống điều khiển nhƣng nguyên nhân giải pháp thực chƣa đúng, cấu trúc điều khiển chƣa tối ƣu, chƣa triệt để Bằng việc tìm hiểu nghiên cứu cấu tạo thiết bị nguyên lý làm việc đặc thù của thiết bị q trình sản xuất axit sunfuric, đƣa nguyên nhân tồn đƣa số biện pháp khắc phục tồn Giải pháp đƣợc đƣa can thiệp tới cấu trúc điều khiển phần mềm: sử dụng phƣơng pháp điều khiển đại - điều khiển tách kênh Q trình phân tích lý luận lý thuyết đƣợc chứng minh mô Matlab Simulink nhƣ cơng cụ lập trình hãng Yokogawa Centum CS3000 Kiến nghị Những đóng góp cải tiến cấu hình hệ thống đƣợc nhà máy áp dụng Cho đến phát huy tính hiệu việc nâng cao tính ổn định hệ thống Tuy nhiên vài lý khách quan mà cấu trúc phần mềm điều khiển chƣa đƣợc triển khai thực tế Tôi hi vọng tƣơng lai gần nghiên cứu đƣợc triển khai cách triệt để thực tế để kiểm nghiệm tính đắn lý luận Ngoài phƣơng pháp điều khiển đại – điều khiển tách kênh đƣợc áp dụng khơng bó hẹp thùng tuần hồn mono 303 cơng đoạn hấp thụ, mà áp dụng cho đối tƣợng có tƣợng xen kênh trình sản xuất axit sunfuric 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO Công ty cổ phần thiết kế cơng nghiệp hố chất (2006), Cải tạo dây chuyền sản xuất axit giai đoạn sang tiếp xúc kép, hấp thụ hai lần, tr.1-25 Bùi Quốc Khánh (2006), Hệ điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện năng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr 5-10 Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển trình, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội, tr 486-489 Hoàng Minh Sơn (2001), Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr 4-10 Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh (2005), Nhận dạng hệ thống điều khiển, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr 130-170 Nguyễn Doãn Phƣớc (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Hoàng Minh Sơn (2009), Bài giảng điều khiển trình nâng cao, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội F.G.Shinskey, Process control systems, Application, Design and Tuning, McGraw-hill international editions Douglas J Cooper (2004), Practical Process Control Using Control Station, Control Station LLC, pp.197-232 101 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU Chƣơng - TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC .8 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Nguyên liệu 10 1.1.2 Nhiên liệu nguyên liệu khác 11 1.2 Giới thiệu phƣơng pháp sản xuất axit sunfuric .13 1.2.2 Phƣơng pháp tinh chế khô .14 1.2.3 Phƣơng pháp tinh chế khô – tiếp xúc kép 16 1.3 Giới thiệu công đoạn sản xuất axit sunfuric .16 1.3.1 Cơng đoạn hố lỏng lƣu huỳnh 16 1.3.2 Cơng đoạn lị đốt lƣu huỳnh 18 1.3.3 Công đoạn nồi 19 1.3.4 Công đoạn tiếp xúc 20 1.3.5 Công đoạn hấp thụ - sấy khí 23 1.3.6 Công đoạn kho axit 27 1.4 Các phận phụ trợ 27 1.4.1 Bộ phận máy nén không khí 27 1.4.2 Bộ phận lọc dầu 28 1.5 Một số tiêu kỹ thuật công đoạn sản xuất axit 28 1.5.1 Cơng đoạn hố lỏng lƣu huỳnh 28 1.5.2 Công đoạn đốt lƣu huỳnh 28 1.5.4 Công đoạn hấp thụ 30 1.5.5 Cơng đoạn sấy khí 30 Chƣơng - GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN XƢỞNG AXIT 31 2.1 Tổng quan tự động hóa trình cơng nghệ 31 2.2 Hệ thống điều khiển Centum CS3000 31 2.2.1 Giới thiệu chung hệ Centum CS3000 .31 102 2.2.2 Cấu thành phần hệ Centum CS3000 32 2.2.3 Gói phần mềm cho hệ Centum CS3000 35 2.3 Hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất axit sunfuric 39 2.3.1 Cấu hình hệ điều khiển 39 2.3.2 Các mạch vòng điều khiển (loop) 42 2.3.3 Các đầu vào 44 Chƣơng - NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG ĐOẠN HẤP THỤ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC .55 3.1 Thực trạng hệ thống điều khiển công đoạn hấp thụ, sản xuất axit sunfuric 55 3.1.1 Các trình cân thùng tuần hoàn mono 303 .56 3.1.2 Thực trạng hệ điều khiển thùng tuần hoàn mono 303 61 3.2 Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng điều khiển thùng tuần hoàn mono 303 66 3.2.1 Cải tiến cấu hình hệ thống .67 3.2.2 Cải tiến cấu trúc điều khiển .67 3.2.3 Mô hệ thống dựa phần mềm Centum CS3000 .90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO MỤC LỤC 103 ... Quá trình sản xuất axit sunfuric Hình 1.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất axit sunfuric Hình 1.3 Các phƣơng pháp sản xuất axit sunfuric 13 Hình 1.4 Sơ đồ sản xuất axit sunfuric. .. Graphic Windows 2.3 Hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất axit sunfuric 2.3.1 Cấu hình hệ điều khiển 2.3.1.1 Hệ máy tính * Để điều khiển giám sát tồn q trình sản xuất axit sunfuric, nhà máy dùng... nồng độ % điều khiển nồng độ axit thùng mono 303 18 CIC-128 nồng độ điều khiển nồng độ axit thùng trộn 128 % Nhận xét: Hệ thống điều khiển trình sản xuất axit sunfuric hệ thống điều khiển phức