Trong thực tế hiện nay vòng điều khiển sản phẩm đáy tháp (biến điều khiển V) đang phải vận hành ở chế độ Manual, hiệu quả hoạt động không cao. Chế độ tự động không đảm bảo được chất lượng yêu cầu vì mức trong bình V-15 luôn không ổn định, nghĩa là nhiễu F thay đổi liên tục. Vì vậy tác giả đề xuất phương án cải tiến cấu trúc cho tháp C-02, sử dụng cấu hình L(V/F) với mục đích bù nhiễu lưu lượng nguồn cấp, nâng cao chất lượng điều khiển và đưa chế độ tự động vào thay thế chế độ vận hành bằng tay hiện nay. Trong cấu hình này, biến L và (V/F) được sử dụng để điều khiển nồng độ sản phẩm đỉnh và đáy tháp. Chương trình khảo sát tác động của F đến cấu hình được cho trong phụ lục II.
Đoạn chương trình khảo sát ảnh hưởng của F trong cấu hình L(V/F)
%Đầu vào và nhiễu
LT=19.575; % Lưu lượng hồi lưu
VBB=32.625/16.2; % Tỷ lệ V/F
F=16.2+0.0162; % Lưu lượng nguồn cấp
zF=0.8; % Thành phần nguồn cấp
qF=1; % Tỷ lệ dòng lỏng nguồn cấp
Hình 3.11. Thay đổi của nồng độ sản phẩm đỉnh khi tăng F lên 1%
y
D[ph
a
n mol
Nồng độ sản phẩm đỉnh thay đổi khá lớn (khoảng 0.006) trong cấu hình LV, tuy nhiên nó thay đổi rất ít trong cấu hình L(V/F) (hình 3.11) vì lúc này lượng hơi cấp nhiệt bị giảm xuống, do đó thành phần nhẹ cũng bị giảm xuống bù lại sự tăng của nguồn cấp. Hơn nữa, sự tương tác giữa các vòng điều khiển cũng được giảm xuống trong cấu hình L(V/F).
Hình 3.12, 3.13 là thay đổi của nồng độ sản phẩm tháp khi có hai vòng điều khiển thành phần với tham số cho trong bảng 2.12. Kết quả cho thấy chất lượng điều khiển đã được cải thiện khi thay thế cấu trúc LV bằng cấu trúc L(V/F). Sự thay đổi của sản phẩm đỉnh được giảm đáng kể (từ 1.5e-3 xuống khoảng 6e-4) khi lưu lượng nguồn cấp tăng 1.2%.
Bảng 3.2. Thay đổi của sản phẩm tháp khi tăng F ứng với các cấu hình khác nhau Hình 3.13. Thay đổi của sản phẩm đỉnh khi F tăng 1.2% với cấu hình Hình 3.13. Thay đổi của sản phẩm đỉnh khi F tăng 1.2% với cấu hình
L(V/F)
Hình 3.12. Thay đổi của sản phẩm đỉnh khi F tăng 1.2% với cấu hình LV
Nong do than h p han [ph an mol ] Nong do than h p han [ph an mol ]
Cấu hình
Thay đổi của sản phẩm tháp khi F tăng
1% 5% 10% 20% 50% -20% LV 0.005 0.0055 0.0068 0.007 0.007 0.003 DB 0.0051 0.0055 0.0066 0.007 0.007 0.0032 (L/D)(V/B) 0.0001 0.0001 0.0002 0.0002 0.0004 0.0003 L(V/F) 0.0001 0.00011 0.0002 0.00021 0.0003 0.0004 LB 0.0021 0.0111 0.021 0.043 0.07 0.045 3.1.8. Nhận xét.
Việc lựa chọn cấu trúc điều khiển ngày càng trở nên khó khăn khi các hệ thống hóa học ngày càng được tích hợp chặt chẽ hơn. Cấu trúc điều khiển quyết định chất lượng của một hệ thống điều khiển, vì vậy lựa chọn được một cấu trúc phù hợp là việc quan trọng nhất trong quá trình thiết kế điều khiển.
Trong phần trên, tác giả đã nghiên cứu và phân tích các ưu nhược điểm của các cấu trúc khác nhau sử dụng trong hệ thống điều khiển tháp chưng cất cũng như xem xét các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm như nhiễu lưu lượng nguồn cấp, nhiễu thành phần nguồn cấp, ảnh hưởng của vòng điều khiển mức, tương tác giữa các vòng điều khiển cho từng cấu hình cụ thể từ đó lựa chọn được cấu trúc điều khiển thích hợp nhất cho tháp C-02 là cấu trúc L(V/F).
3.2. Thiết kế bộ điều khiển cho tháp C-02
3.2.1. Các yêu cầu và mục đích điều khiển của tháp C-02
Điểm xuất phát của mọi dự án thiết kế là xác định đối tượng và mục đích điều khiển. Đối với tháp chưng cất, có ba khía cạnh chính cần quan tâm là: Điều khiển cân bằng chất, điều khiển chất lượng sản phẩm và điều khiển bảo vệ hệ thống.
- Điều khiển chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu.
- Điều khiển an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố.
- Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường.
Ngoài ra, việc bảo vệ môi trường cũng cần được quan tâm: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu.
Tháp C-02 đóng một vai trò quan trọng trong việc sản xuất khí hóa lỏng cung cấp cho thị trường trong nước. Vì vậy, năng suất và chất lượng sản phẩm được đặt lên hàng đầu. Hệ thống điều khiển hiện tại được thiết kế nhằm đạt được các yêu cầu về năng suất cũng như chất lượng sản phẩm, chỉ tiêu về kinh tế còn chưa được chú trọng. Đã có một số công trình nghiên cứu về điều khiển tháp chưng cho nhà máy nhưng các kết quả vẫn chưa được đầy đủ [3], [4].
3.2.2. Hệ thống điều khiển hiện tại của tháp C-02
Tháp chưng cất là đối tượng đa biến, thông số rải và thường là phi tuyến với các tham số có biến động nhiễu lớn như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng của hỗn hợp các chất lỏng hơi trong tháp. Trong điều kiện như vậy yêu cầu hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ giữ ổn định chất lượng cho sản phẩm đầu ra với hiệu suất làm việc cao nhất.
Hiện nay, ngành công nghiệp chế biến và khai thác dầu khí ở Việt Nam (Nhà máy lọc dầu Dung Quất, Nhà máy xử lý khí Dinh Cố) đang sử dụng bộ điều khiển đa biến có cấu trúc phi tập trung, tách kênh để điều khiển quá trình dựa trên sự kết hợp đơn thuần giữa các nguyên lý điều khiển cơ bản là điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi. Cấu trúc điều khiển hiện tại của tháp C-02 là cấu trúc điều khiển đơn biến phi tập trung với các vòng điều khiển áp suất, lưu lượng, mức, điều khiển thành phần riêng biệt.
Hiện tại, tháp C-02 đang sử dụng cấu trúc LV, nhiệt độ đáy tháp được điều
chỉnh thông qua van cấp nhiệt nóng đáy tháp, thông qua đó điều chỉnh nồng độ sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy tháp. Lưu lượng hồi lưu được sử dụng để điều khiển nồng độ sản phẩm đỉnh. Số liệu vận hành được cho trong bảng 3.3 và bảng 3.4. Bảng 3.3. Nồng độ sản phẩm tháp. Sản phẩm đỉnh (%) Sản phẩm tháp (%) C2 1.2 0 C3 61.4 0.4 C4 36.7 1 C5+ 0.7 98.1
Hình 3.14. Sơ đồ cấu trúc điều khiển tháp C-02
Các vòng điều khiển áp suất (hình 3.15)
Tháp tách C-02 hoạt động theo nguyên tắc như một tháp tách phân đoạn, nhiệm vụ chính của C-02 là tách các hỗn hợp BuPro ra khỏi Condensate, đồng thời ổn định dòng Condensate thương phẩm.
Hệ thống điều khiển áp suất tháp tách C-02 được mô tả trên Hình 3.15. Hai bộ điều khiển PIC-1501A và PIC-1501B có vai trò như nhau, tại một thời điểm chỉ có một thiết bị được sử dụng còn thiết bị còn lại là dự phòng. Thiết bị đo chênh áp PDI-1521 được lắp đặt để phát hiện sự chênh lệch áp suất giữa các đĩa lọc trong tháp do bọt gây ra. Sau quá trình tách phân đoạn trong C-02, phần lỏng ở đáy tháp được lấy ra từ Reboiler E-03 (chủ yếu là C5+ có nhiệt độ 109 OC, sau khi thu gom lại tại bộ trao đổi nhiệt độ E-03A/B, dòng hydrocacbon lỏng sẽ tự chảy đến V-15 bằng trọng lực để tách thêm các hydrocacbon C3,4 ở dạng hơi cho quay lại đáy tháp, phần lỏng ở V-15 được đưa ra bình
Hình 3.15. Sơ đồ điều khiển áp suất tháp C-02
Bộ điều khiển áp suất PIC-1501 được dùng để duy trì áp suất đỉnh tháp C-02 tại giá trị đặt trong khoản 11-12 bar. Bộ điều khiển áp suất PIC-1501 lấy tín hiệu từ thiết bị đo áp suất PI-1501 so sánh với giá trị đặt để điều chỉnh độ mở van PV-1501. Khi áp suất lớn hơn 12 bar thì bộ điều khiển áp suất PIC-1501 sẽ điều khiển van PV-1501 mở xả khí ra đuốc để đốt giảm áp, khi áp suất lớn hơn 15 bar thì PSHH- 1507 kích hoạt đóng các van Shutdown nhập liệu vào tháp và đóng hoàn toàn các TV-1507, trường hợp áp suất lớn hơn 16 bar thì PSV của C-02 sẽ xả để bảo vệ tháp.
Bộ điều khiển áp suất PIC-1505A/B được dùng để duy trì áp suất dòng khí từ V-15 vào C-02 ở giá trị 29 bar. Bộ điều khiển áp suất PIC-1505 A/B lấy tín hiệu từ thiết bị đo áp suất PI-1505 A/B so sánh với giá trị đặt để điều chỉnh độ mở van PV- 1505A/B.
Trong thực tế vận hành, hệ thống điều khiển áp suất của tháp tách C-02 hoạt động khá ổn định ở chế độ tự động. Các dữ liệu thu thập được cho thấy các đại lượng áp suất cần điều khiển bám tương đối tốt giá trị đặt. Riêng vấn đề phải sử dụng van xả để đốt khí dư khi áp suất tăng cao gây lãng phí chưa có giải pháp về mặt công nghệ để khắc phục.
Vòng điều khiển nhiệt độ (hình 3.16)
Hình 3.16. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ tháp C-02
Dòng chất lỏng chảy ở đáy tháp sẽ chảy đến thiết bị tái đun nóng E-03 và được đun sôi bằng dầu nóng lên tới nhiệt độ khoảng 1540C sao cho nó có thể giảm được thành phần Butan trong sản phẩm Condensate (nhỏ hơn 1%), phần Butan được tách ra tại E-03 sẽ được hồi lưu lại tháp và dòng hơi này đi từ đáy tháp lên đỉnh tháp xuyên qua các đĩa.
Dòng Hydrocacbon lỏng còn lại trong E-03 một phần được đưa ngược trở về tháp C-02 làm dòng hồi lưu, một phần qua E-04 giảm nhiệt độ xuống 600C, sau đó qua thiết bị làm mát bằng không khí E-09 giảm nhiệt độ xuống còn 450C và được đưa ra đường ống sản phẩm Condensate.
Vòng điều khiển mức (hình 3.17)
Hình 3.17. Sơ đồ điều khiển mức đáy tháp C-02
Mức Hydrocacbon lỏng trong E-03 được kiểm soát bởi bộ điều khiển LIC- 1051. Khi có tín hiệu từ rơle báo mức thấp LALL-1501 đưa vào bộ biến đổi mức LI- 1501, tín hiệu này chuyển về bộ điều khiển LIC-1501 để so sánh với tín hiệu trước. Bộ điều khiển này sẽ tác động lên van LV-1702, van sẽ đóng để giảm bớt dòng ra đường ống sản phẩm Condensate.
Hầu hết các vòng điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng hay mức đều sử dụng các bộ điều khiển truyền thống PID. Cấu trúc điều khiển đơn biến, phi tập trung có ưu điểm đơn giản, dễ thực hiện và chỉnh định các tham số của bộ điều khiển. Tuy nhiên, trong các trường hợp hệ thống có tính phi tuyến mạnh, tồn tại tương tác lớn giữa các biến, thời gian trễ lớn, tồn tại các ràng buộc cả đầu vào và ra
thì phương án sử dụng các vòng điều khiển đơn cho chất lượng điều khiển không cao. Điều kiện vận hành tối ưu của tháp chưng cất luôn bị giới hạn bởi các ràng buộc. Mỗi ràng buộc là một thành phần phi tuyến mạnh và rất khó có thể được xử lý một cách hiệu quả với cấu trúc phi tập trung. Vấn đề này đã được giải quyết triệt để khi sử dụng cấu trúc điều khiển đa biến - tập trung với phương pháp điều khiển hiện đại: điều khiển dự báo theo mô hình.
Phương pháp điều khiển dự báo được sử dụng rộng rãi trong bài toán điều khiển thành phần ở cấu trúc đa biến – tập trung. Nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đã công bố các kết quả khả quan khi sử dụng bộ điều khiển dự báo cho tháp chưng cất [63], [64], [66], [68], [73], [77].
Đối với hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất ở Việt Nam hiện nay, điều khiển dự báo theo mô hình là một khái niệm còn khá mới mẻ vì điều kiện thử nghiệm rất hạn chế. Các công trình nghiên cứu về điều khiển tháp chưng cất còn ít và chưa đầy đủ [3], [4]. Cho đến nay, chưa có một công trình nào nghiên cứu đầy đủ, chi tiết về các phương pháp điều khiển cho tháp C-02 ở nhà máy xử lý khí Dinh Cố. Trong phần tiếp theo, NCS sẽ kiểm nghiệm lại phương án điều khiển đang được sử dụng cho tháp C-02, đề xuất phương án điều khiển đơn biến cải tiến và áp dụng phương pháp điều khiển đa biến cho tháp, so sánh và lựa chọn ra phương án tối ưu thông qua quá trình mô phỏng với mô hình đã được xây dựng trong chương 2.
3.2.3. Cấu trúc điều khiển đơn biến Cấu trúc LV Cấu trúc LV
Hiện tại hệ thống điều khiển cho tháp C-02 là hệ điều khiển phi tập trung, sử dụng hai bộ điều khiển PID cho các vòng điều khiển thành phần với cấu trúc LV, trong đó các tham số của bộ điều khiển được chỉnh định từ bảng 2.12. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển của tháp C-02 được cho trên hình 3.18. L, V được sử dụng để điều khiển nồng độ sản phẩm đỉnh tháp và đáy tháp. Mức đỉnh tháp và đáy tháp được điều khiển bởi lưu lượng đỉnh và đáy tháp với khâu khuếch đại.
Với cấu trúc phi tập trung, sử dụng hai bộ điều khiển PI cho vòng điều khiển thành phần thì khả năng kháng nhiễu lưu lượng cấp là tốt hơn so với nhiễu thành phần nguồn cấp với thời gian đạt tới giá trị xác lập là khoảng 60 phút và 150 phút tương ứng (hình 3.19).
Hình 3.18. Điều khiển hai điểm sử dụng bộ điều khiển PI
Nong do than h p han [ph a n mol ]
Thời gian đạt tới giá trị xác lập khi thay đổi giá trị đặt của sản phẩm đỉnh là khoảng 110 phút. Vì giá trị xác lập của sản phẩm đáy là khá nhỏ, do đó khi thay đổi giá trị đặt yD thì nógần như không ảnh hưởng tới sản phẩm đáy.
Cấu trúc L(V/F) Nong do than h p han [ph an mol ]
Hình 3.20. Đáp ứng của sản phẩm tháp khi thay đổi giá trị đặt yD từ 0.9931 lên 0.996 ở t = 10 lên 0.996 ở t = 10
Sơ đồ cầu trúc điều khiển với cấu hình L(V/F) được cho trên hình 3.21.
Để giảm tác động của nhiễu nguồn cấp lên sản phẩm tháp, biến điều khiển V
được thay bằng biến (V/F). Thành phần sản phẩm đỉnh và đáy được điều khiển bởi hai vòng điều khiển đơn PI cho mô hình phi tuyến.
Rõ ràng, với cấu trúc cải tiến, thay đổi ở lưu lượng nguồn cấp đã không còn ảnh hưởng nhiều tới chất lượng sản phẩm tháp (hình 3.22). Lưu lượng nguồn cấp thay đổi mạnh là nguyên nhân chính cho việc lựa chọn chế độ điều khiển bằng tay hiện tại của nhà máy. Do đó, cấu trúc này hoàn toàn có thể áp dụng để đưa tháp vào hoạt động ở chế độ tự động nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cũng như năng suất cho tháp.
3.2.4. Điều khiển dự báo theo mô hình (MPC)
3.2.4.1. Tình hình nghiên cứu, áp dụng MPC trong điều khiển tháp chưng
Điều khiển dự báo là một phương pháp tương đối mới trong lĩnh vực điều khiển và có thể xếp vào các phương pháp điều khiển hiện đại. Các ưu điểm nổi bật của MPC có thể kể đến: Việc kết hợp mô hình quá trình một cách tường minh vào tính toán đại lượng điều khiển; Thuật toán MPC xét tới hành vi của đối tượng trong một phạm vi tương lai. Do đó tác động của nhiễu có thể được dự đoán và loại bỏ; Bộ điều khiển MPC xem xét các ràng buộc về đầu ra, trạng thái và đầu vào một cách