Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho tháp tách ethane c 01 tại nhà máy xử lý khí dinh cố

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đinh Xuân Diệu ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO THÁP TÁCH ETHANE C-01 TẠI NHÀ MÁY XỬ LÝ KHÍ DINH CỐ Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS PHAN XUÂN MINH HÀ NỘI - 2008 Mục lục Lời mở đầu Tên chương mục Trang số Chương I Mơ tả vai trị cơng nghệ tháp C-01 1.1 Tổng quan cơng nghệ nhà máy xử lý khí GPP 1.2 Tháp C-01 cụm thiết bị liên quan tới hoại động tháp C01 1.2.1 Cấu tạo tháp C-01 1.2.2 Tháp C-05 1.2.3 Bồn V-03 1.2.4 Tháp C-02 1.2.5 Máy nén K-01A/B 1.2.6 Thiết gia nhiệt E-01 1.2.7 Bồn trung gian V-15 10 1.2.8 Nguồn dầu nóng H-31A/B/C 10 1.3 Hoạt động tháp C-01 11 1.3.1 Các dòng sản phẩm nhập liệu vào tháp C-01 11 1.3.2 Các thông số hoạt động tháp C-01 12 1.3.3 Sản phẩm từ tháp C-01 bao gồm 13 Chương II Yêu cầu toán điều khiển 14 2.1 Hệ thống điều khiển sử dụng nhà máy GPP 14 2.1.1 Cấu hình hệ thống 14 2.1.2 Hoạt động hệ thống 15 2.1.2.1 Hoạt động CDCM 15 2.1.2.2 Hoạt động WDCM 16 2.1.2.3 Hoạt động OCM 17 2.1.2.4 Hoạt động PCM 17 2.1.2.5 Hoạt động Printer 18 2.1.2.6 Hoạt động thiết bị giao tiếp 18 2.1.3 Chức hệ thống 19 2.1.3.1 Chức theo dõi trình 19 2.1.3.2 Chức điều khiển q trình 20 2.2 Các nhân tố có ảnh hưởng đến chế độ hoạt động tháp C-01 21 2.3 Các điều khiển số có quan hệ tới hoạt động tháp C-01 23 2.3.1 Điều khiển bồn V-03 23 2.3.1.1 Điều khiển áp suất bồn V-03 23 2.3.1.2 Điều khiển mức bồn V-03 23 2.3.2 Điều khiển tháp C-05 24 2.3.3 Điều khiển tháp C-01 25 2.3.3.1 Điều khiển áp suất đỉnh tháp C-01 25 2.3.3.2 Điều khiển nhiệt độ đáy tháp C-01 26 2.3.3.3 Điều khiển mức bồn trung gian V-05 26 2.3.4 Điều khiển tháp C-02 26 2.3.4.1 Điều khiển dòng đáy tháp 26 2.3.4.2 Điều khiển nhiệt độ đáy tháp C-02 27 2.3.5 27 Điều khiển cho nguồn dầu nóng cấp cho nhà máy 2.3.5.1 Điều khiển nhiệt độ cho cụm tạo dầu nóng H-31ABC 27 2.3.5.2 Điều khiển áp suất cho mạng phân phối dầu nóng 27 2.4 Các tồn vai trị điều khiển tháp C-01 28 2.5 Yêu cầu đặt tốn điều khiển 29 Chương III Mơ hinh hoá đối tượng điều khiển 31 3.1 Thu thập số liệu tháp C-01 31 3.1.1 Thu thập số liệu thay đổi độ mở van cấp dầu dầu nóng vào gia nhiệt (E-01) tháp C-01 3.1.2 Thu thập số liệu thay đổi lưu lượng dòng nhập liệu từ tháp C-05 tháp C-01 3.1.3 31 31 Thu thập số liệu thay đổi lưu lượng dòng nhập liệu lỏng từ bồn V-03 tháp C-01 31 3.2 Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng 32 3.2.1 Mơ hình đối tượng cho tháp C-01 theo nhiệt độ đáp ứng đầu TI1307 đáy tháp C-01 32 3.2.1.1 Xác định mơ hình đối tượng có W1(s) khâu qn tính bậc có trễ 33 3.2.1.2 Xác định mơ hình đối tượng có W1(s) khâu quán tính bậc hai 34 3.2.1.3 Xác định đối tượng có W1(s) khâu qn tính bậc hai có trễ 36 3.2.2 37 Xác định mơ hình đối tượng Gp 3.2.3 Mơ hình đối tượng ảnh hưởng tác động thay đổi lưu lượng dòng lỏng tháp C-05 vào tháp C-01 45 3.2.4 Xác định mơ hình đối tượng tác động thay đổi lưu lượng dòng lỏng V-03 57 Chương IV Lựa chọn phương pháp xây dựng điều khiển 64 4.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển cho tháp C-01 64 4.2 Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho tháp C-01 64 4.2.1 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ đáy tháp C-01 64 4.2.2 Tính tốn tham số điều khiển 65 4.2.2.1 Tính toán tham số cho điều khiển GC 65 4.2.2.2 Tính tốn tham số cho điều khiển GFF1 GFF2 70 4.3 Lập trình thực điều khiển theo cấu trúc thiết kế 71 4.3.1 Các khối chức phần mềm D3 DCS 71 4.3.2 Lập trình điều khiển nhiệt độ phần mềm D3 DCS 81 4.3.2.1 FF-1201, khối tạo tín hiệu Feed Forward từ dịng lỏng tháp C-05 82 4.3.2.2 FF-0302, khối tạo tín hiệu Feed Forward từ dòng lỏng bồn V-03 85 4.3.2.3 Khối tạo tín hiệu điều khiển TIC-1307 4.3.3 Chạy chương trình để khởi tạo điều khiển nhiệt 88 92 Chương V Chạy mô điều khiển phần mềm Matlab 93 5.1 Chạy mô cho cấu trúc Gc Gp 5.2 Chạy mô cho cấu trúc Gff1, Gc Gp 105 5.3 Chạy mô cho cấu trúc Gff2, Gc Gp 107 Tài liệu tham khảo 93 LỜI MỞ ĐẦU: Nhà máy xử lý khí Dinh Cố (GPP) nằm xã An Ngãi, Huyện Long Đất, Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu Chức năng, nhiệm vụ nhà máy GPP tiếp nhận sản phẩm khí ẩm từ giàn bạch hổ đưa theo đường ống để xử lý cho sản phẩm khơ (khí thương phẩm) sản phẩm lỏng (LPG, Condensate) Tháp C-01 có vai trị quan trọng cơng nghệ xử lý sản phẩm lỏng nhà máy GPP Hiện phần điều khiển nhiệt độ cho tháp C-01 chưa hoạt động chế độ tự động điều chỉnh, nguyên nhân điều khiển hữu nhà máy số khiếm khuyết Hiện người vận hành phải thực chức điều chỉnh thay cho điều khiển nhiệt độ tháp C-01 Để đảm bảo chất lượng xử lý sản phẩm nhà máy đồng thời giảm tải cho người vận hành, nhu cầu khôi phục chức tự động điều chỉnh nhiệt độ cho tháp C-01 cần thiết Vì đề tài đưa nhằm mục đích khảo sát, nghiên cứu đưa giải pháp để khắc phục vấn đề tồn nêu Cuối tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới đồng nghiệp đặc biệt PGS TS Phan Xuân Minh hỗ trợ, giúp đỡ tác giả hoàn thành nội dung cho đề tài Tác giả LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang Chương I CHƯƠNG I: MƠ TẢ VAI TRỊ CƠNG NGHỆ THÁP C-01 1.1 Tổng quan cơng nghệ nhà máy xử lý khí GPP: Nhà máy xử lý khí GPP Dinh Cố nằm xã An Ngãi, Huyện Long Đất, Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu Chức năng, nhiệm vụ nhà máy GPP tiếp nhận sản phẩm khí ẩm (bao gồn methane, ethane, propane, butane, condensate) vận chuyển từ giàn Bạch Hổ vào đất liền theo đường ống, sản phẩm khí ẩm sau xử lý nhà máy cho sản phẩm đầu bao gồm: Sản phẩm khí khơ (hay cịn gọi khí thương phẩm bao gồm thành phần khí methane ethane) vận chuyển theo tuyến ống cung cấp cho nhà máy nhiệt điện chạy tua bin khí, sản phẩm khí hố lỏng LPG (là sản phẩm hoá lỏng Butane Propane) Condensate (hay gọi xăng nhẹ) vận chuyển theo đường ống tới kho cảng khí hoá lỏng Thị Vải, sản phẩm xuống tàu để phân phối khắp nơi Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ Slug Catcher, bồn V-03, bồn V-03, tháp V-06AB LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang Chương I Dịng sản phẩm khí vào nhà máy có áp suất đầu vào khoảng 109 BarG với lưu lượng từ 3.9 đến 5,5 triệu M3/ngày, dịng khí đưa vào cụm thiết bị bẫy chất lỏng Slug Catcher (SC-01): Chức giàn thiết bị tách pha lỏng Condensate khỏi hỗn hợp khí - Tại Slug Catcher (SC-01): Pha lỏng từ SC-01 bao gồm Condensate lỏng, phần pha khí (methane, ethane, propane, butane) bị theo đưa bồn V-03: bồn V-03 có tác dụng ổn định tách hai pha lỏng khí trước đưa vào khâu xử lý Pha khí từ SC-01 bao gồm methane, ethane, propane, butane đưa tới bồn tách V-08: Tại sản phẩm pha lỏng tách đáy bồn dẫn tới bồn V-03, sản phẩm pha khí tách đỉnh bồn - Tại bồn V-03: Sản phẩm pha lỏng có thành phần chủ yếu Condensate (hay gọi C5+) từ đáy bồn V-03 cho qua trao đổi nhiệt Exchanger E-04 để trao đổi nhiệt với dịng sản phẩm Condensate nóng (nhiệt độ từ 132 đến 145 độ C) từ đáy tháp C-02, dòng sản phẩm lỏng từ đáy V-03 sau trao đổi nhiệt đưa tới tháp C-01 vị trí khay số 20 Sản phẩm pha khí từ đỉnh bồn V-03 cho qua cụm van điều áp PV-1305 (có chức giữ ổn định áp suất cho bồn V-03) vào tháp C-01 vùng đỉnh tháp (vị trí khay số 1) - Tại bồn V-08: Sản phẩm khí từ bồn V-08 đưa tới cụm tháp V-06A/B: nước sản phẩm khí hấp thụ Sản phẩm khí sau tách nước tháp V-06A/B tiếp tục cho qua cụm thiết bị lọc F-01A/B: cặn bẩn sản phẩm loại bỏ LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang Chương I Dòng sản phẩm từ F-01A/B dẫn tới tháp C-05 theo làm hai đường: Dòng sản phẩm chiếm tỷ lệ lưu lượng khoảng 1/3 dòng tổng cho qua trao đổi nhiệt Exchanger (E-14): Tại E-14 có trao đổi nhiệt dịng khí từ F-01A/B dịng khí lạnh từ đỉnh tháp C-05 Dịng khí từ F-01A/B sau qua E-14 tiếp tục qua van điều khiển FV1001 (áp suất giảm xuống khoảng 32 Barg) vào tháp C-05 vùng đỉnh tháp (vị trí khay số 1) Dòng sản phẩm chiếm tỷ lệ lưu lượng khoảng 2/3 dòng tổng cho qua cụm thiết bị Tubor-Expander CC-01: Tại CC-01 dòng sản phẩm sinh công làm quay động cho phần nén CC-01 hoạt động, chức nén CC-01 có tác dụng nâng áp suất dịng sản phẩm khí từ đỉnh tháp C-05 (sau qua trao đổi nhiệt E-14) Dịng sản phẩm khí sau sinh cơng áp suất bị giảm xuống cịn khoảng 32 BarG tiếp tục vào tháp C-05 vùng đáy tháp (phía khay số 12) LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang - Chương I Tại tháp C-05: Sản phẩm từ đỉnh tháp bao gồm gồm khí methane, ethane sau qua CC-01 áp suất nâng lên khoảng 60 Barg tiếp tục cho qua đo đếm ME-13 vận chuyển theo đường ống 16” để cung cấp cho nhà máy nhiệt điện Bà Rịa Phú Mỹ Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ tháp C-05, E-14, CC-01 Sản phẩm lỏng từ đáy tháp bao gồm chủ yếu Propane, Butane phần sản phẩm nhẹ Ethane, methane (được gọi C2-) dẫn tới tháp tách “Ethane C-01” vùng đỉnh tháp (vị trí khay số 1) LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 96 Chương V Khảo sát cho điểm 3: Km = 2.2646, Ti = 228 s Mơ hình cấu trúc: Kết quả: Tín hiệu điệu khiển Tín hiệu đối tượng Tín hiệu đặt 200 ∫e2dt Nhận xét: Độ điều chỉnh đạt yêu cầu (22%), thời gian đáp ứng chậm (413 s), tiêu theo ∫e2dt lớn (219) LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 97 Chương V Khảo sát cho điểm 4: Km = 2.9515, Ti = 233 s Mơ hình cấu trúc: Kết quả: Tín hiệu điệu khiển Tín hiệu đặt Tín hiệu đối tượng 200 ∫e2dt Nhận xét: Độ điều chỉnh lớn (28%), thời gian đáp ứng đạt yêu cầu (334 s), tiêu theo ∫e2dt đạt yêu cầu (203) LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 98 Chương V Khảo sát cho điểm 5: Km = 3.5304, Ti = 272 Mơ hình cấu trúc: Kết quả: Tín hiệu điệu khiển Tín hiệu đặt Tín hiệu đối tượng ∫e2dt Nhận xét: Độ điều chỉnh lớn (27%), thời gian đáp ứng nhanh (303 s), tiêu theo ∫e2dt đạt yêu cầu (189) LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 99 Chương V Khảo sát cho điểm 6: Km = 3.6105, Ti = 304 Mơ hình cấu trúc: Kết quả: Tín hiệu điệu khiển Tín hiệu đặt Tín hiệu đối tượng 180 ∫e2dt Nhận xét: Độ điều chỉnh đạt yêu cầu (23%), thời gian đáp ứng đạt yêu cầu (306s), tiêu theo ∫e2dt đạt yêu cầu (183) LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 100 Chương V Khảo sát cho điểm 7: Km = 3.6387, Ti = 360 Mơ hình cấu trúc: Kết quả: Tín hiệu điệu khiển Tín hiệu đặt Tín hiệu đối tượng 160 ∫e2dt Nhận xét: Độ điều chỉnh đạt yêu cầu (17%), thời gian đáp ứng đạt yêu cầu (317 s), tiêu theo ∫e2dt nhỏ (178) LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 101 Chương V Khảo sát cho điểm 8: Km = 3.6344, Ti = 405 Mơ hình cấu trúc: Kết quả: Tín hiệu điệu khiển Tín hiệu đặt Tín hiệu đối tượng 160 ∫e2dt Nhận xét: Độ điều chỉnh nhỏ (13 %), thời gian đáp ứng đạt yêu cầu (328 s), tiêu theo ∫e2dt nhỏ (186) LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 102 Chương V Khảo sát cho điểm 9: Km = 3.6278 , Ti = 434 s Mơ hình cấu trúc: Kết quả: Tín hiệu điệu khiển Tín hiệu đặt Tín hiệu đối tượng 160 ∫e2dt Nhận xét: Độ điều chỉnh nhỏ (10%), thời gian đáp ứng đạt yêu cầu (337 s), tiêu theo ∫e2dt nhỏ (175) LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 103 Chương V Khảo sát cho điểm 10: Km = 3.6184, Ti = 470 Mô hình cấu trúc: Kết quả: Tín hiệu điệu khiển Tín hiệu đặt Tín hiệu đối tượng 160 ∫e2dt Nhận xét: Độ điều chỉnh nhỏ (8 %), thời gian đáp ứng đạt yêu cầu (347 s), tiêu theo ∫e2dt nhỏ (175) LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 104 Chương V Qua kết chạy khảo sát Matlab ta tìm vùng tối ưu theo tiêu điều khiển điểm đường biên giới theo tiêu chất lượng đoạn từ điểm số đến điểm số 10: Điểm số ta có: Km = 3.6105 Ti = 304 Điểm số ta có: Km = 3.6387 Ti = 360 Điểm số ta có: Km = 3.6344 Ti = 405 Điểm số ta có: Km = 3.6278 Ti = 434 s Điểm số 10 ta có: Km = 3.6184 Ti = 470 s LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 105 Chương V 5.2 Chạy mô cho cấu trúc Gff1, Gc Gp: Chạy mơ cho cấu trúc có Gff1: Chọn Gc: Km = 3.6387, Ti = 360 Mơ hình cấu trúc: Kết cấu trúc điều khiển khơng có Gff1 tham gia: Xung nhiễu Tín hiệu điệu khiển Tín hiệu đặt Tín hiệu đối tượng LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 106 Chương V Kết cấu trúc có Gff1 tham gia: Xung nhiễu Tín hiệu điệu khiển Tín hiệu đặt Tín hiệu đối tượng Nhận xét: Khi khâu Gff1 khơng tham gia vào q trình điều khiển, đáp ứng đầu đối tượng có dao động đáng kể dòng từ C-05 thay đổi Chất lượng điều khiển cải thiện đáng kể Gff1 tham gia vào trình điều khiển LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 107 Chương V 5.3 Chạy mô cho cấu trúc Gff2, Gc Gp: Chạy mơ cho cấu trúc có Gff2 tham gia điều khiển: Chọn Gc: Km = 3.6387, Ti = 360 Mơ hình cấu trúc: Kết Gff2 khơng tham gia vào q trình điều khiển: Xung nhiễu Tín hiệu điệu khiển Tín hiệu đặt Tín hiệu đối tượng LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU Trang 108 Chương V Kết Gff2 tham gia vào trình điều khiển: Xung nhiễu Tín hiệu điệu khiển Tín hiệu đối tượng Nhận xét : Khi khơng có khâu Gff2 tham gia vào trình điều khiển, đáp ứng đầu đối tượng có dao động dịng lỏng từ V-03 thay đổi Chất lượng điều khiển cải thiện có tham gia khâu Gff2 vào trình điều khiển LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU LỜI KẾT LUẬN: Nhận xét chung: Sau thời gian tháng làm luận văn thạc sĩ, nội dung luận văn hoàn thành thu nội dung sau: - Tìm hiểu, phân tích hệ thống điều khiển công nghiệp áp dụng công trình trọng điểm quốc gia, đưa số khiếm khuyết tồn hệ thống điều khiển - Nghiên cứu, đưa cải tiến để xử lý khiếm khuyết từ thực thiết kế điều khiển để khắc phục khiếm khuyết cho hệ thống - Thực chạy mô để đánh giá chi tiêu tiêu khiển cho điều khiển thiết kế, kết chạy mô chấp nhận - Nghiên cứu phần mềm hệ thống điều khiển phấn tán hữu D3 DCS hãng GSE Hoa kỳ, viết chương trình để phục vụ cho việc thực thi điều khiển hệ thống điều khiển hữu - Giải pháp đưa để thực thi điều khiển dựa khối chức số (PID, Dead, Lead/Lag, Calculation) tích hợp hệ thống điều khiển phân tán hữu Giải pháp có tính khả thi cao, khơng cần phải trang bị thêm kỳ phần mềm hay phần cứng mà bổ sung thêm phần cở sở liệu, cấu hình chỉnh lại tham số điều khiển, chạy tiện ích phần mềm để kích hoạt điều khiển Đề xuất hướng tiếp theo: Để đảm bảo chất lượng xử lý sản phẩm giảm tải cho người vận hành, việc áp dụng điều khiển thiết kế cho hệ thống điều khiển nhà máy GPP cần thiết Để thực thi đề tài cần có chấp thuận người có thẩm quyền doanh nghiệp đơn vị chủ quản nhà máy Dự kiến thời gian tới tác giả đề xuất nội dung đề tài lên cấp có thẩm quyền doanh nghiệp để triển khai thực Tác giả LUẬN VĂN CAO HỌC – ĐINH XUÂN DIỆU TÀI LIỆU THAM KHẢO: Tài liệu môn học “Mô thiết kế hệ thống”, PGS TS Phan Xuân Minh Lý thuyết điều khiển tự động, Tác giả: TS Phạm Công Ngô Tài liệu môn học “Điều khiển số” TS Nguyễn Phùng Quang Tài liệu môn học “Tự Động hố q trình cơng nghệ”, TS Nguyễn Văn Hồ Tài liệu mơn học “Điều khiển Nơ ron”, PGS TS Lê Đình Anh Matlab simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Tác giả TS Nguyễn Phùng Quang Tài liệu thiết kế nhà máy xử lý khí Dinh Cố GPP Samsung Engineering Tài liệu D3 Manual hệ thống D3 DCS, Hãng GSE Hoa Kỳ ... 4.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển cho tháp C- 01 64 4.2 Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho tháp C- 01 64 4.2.1 C? ??u tr? ?c điều khiển nhiệt độ đáy tháp C- 01 64 4.2.2 Tính tốn tham số điều khiển 65... tới chế độ hoạt động tháp C- 01 không đáng kể 2.4 C? ?c tồn vai trò điều khiển tháp C- 01: Hiện điều khiển nhiệt độ TIC-1307 cho vùng đáy tháp C- 01 chưa đáp ứng ch? ?c điều khiển theo yêu c? ??u c? ?ng... phần điều khiển nhiệt độ cho tháp C- 01 chưa hoạt động chế độ tự động điều chỉnh, nguyên nhân điều khiển hữu nhà máy số khiếm khuyết Hiện người vận hành phải th? ?c ch? ?c điều chỉnh thay cho điều khiển