3.1.1 Giới thiệu tổng quan về LPG
LPG ( Liquified petroleum gas) là loại gas hóa lỏng, thành phần gồm có butan (C4H10) và propan (C3H8) tỷ lệ pha trộn tùy theo yêu cầu. LPG chỉ đơn thuần mang tính chất vật lý không có các tính chất hóa học. Đú chớnh là quá trình chuyển dạng lỏng và ngược lại chuyển sang dạng hơi. Khi nằm trong bồn chứa LPG được nén ở áp suất rất cao lớn hơn áp suất hơi bão hòa vì vậy phần lớn LPG sẽ ở trạng thái lỏng. Áp suất hơi bão hòa LPG phụ thuộc vào nhiệt độ, và thành phần butan và propan trong bồn chứa. Khi nhiệt độ tăng thì áp suất hơi bão hòa các chất trong bồn sẽ tăng, chính vì vậy sẽ xảy ra quá trình hóa hơi, lượng LPG lỏng sẽ giảm. Do áp suất hơi bão hòa của propan là cao hơn so với áp suất hơi bão hòa của butan vì vậy lượng propan càng lớn thì khả năng chuyển hơi càng lớn. LPG trong bồn chứa ở 3 trạng thái đó là trạng thái hơi ( áp suất tại đó nhỏ hơn áp suất bão hòa), trạng thái lỏng( áp suất tại đó lớn hơn áp suất bão hòa), trạng thái trung gian ( áp suất tại đó cân bằng với áp suất bão hòa). Xác định mức LPG trong bồn chứa chính là xác định mức LPG lỏng. Do tồn tại thêm lớp trung gian phân cách giữa lớp lỏng và hơi làm cho việc đo mức LPG trở lên khó khăn và cần thiết bị đo hiện đại. Bên cạnh đó, trong bỡnh khí LPG được nén ở dạng lỏng, khi thoát ra ngoài chúng nở ra với thể tích gấp 250 lần. Khi đạt được tỷ lệ về nồng với không khí phù hợp chúng sẽ gây nổ với sức công phá vô cùng lớn và sẽ để lại hậu quả vô cùng nặng nề. Chính vì vậy vấn đề an toàn được đặt ưu tiên lên hàng đầu. Đặc biệt là bồn chứa phải đảm bảo yêu cầu về chịu áp lực cao và chống ăn mòn.
Hệ thống tự động hóa có nhiệm vụ quản lý các hoạt động kho cảng LPG. Đó là quá trình nhập LPG từ tàu vào bồn chứa, quá trình lưu trữ LPG trờn cỏc bồn chứa và quá trình xuất LPG từ bồn chứa ra xe bồn.
Bồn chứa LPG là loại bồn chứa đặc biệt phải đáp ứng mọi yêu cầu khắt khe nhất các tiêu chuẩn an toàn về độ bền, độ chống rò rỉ và chống cháy nổ. Các
thiết bị đo bồn bể và các cơ cấu chấp hành trờn cỏc đường ống công nghệ đều phải đáp ứng đầy đủ về yêu cầu phòng chống cháy nổ.
Chính vì vậy hệ thống tự động hóa kho chứa LPG vừa phải đảm bảo quá trình xuất nhập LPG hiệu quả cao về kinh tế mặt khác luôn phải đảm độ an toàn và tin cậy.
3.1.2. Cấu trúc hệ thống tự động hóa kho cảng LPG
Kho cảng LPG gồm có 2 bồn chứa hình cầu đường kính bồn 18m, mỗi bồn có thể chứa 1500 tấn LPG.
Hệ thống tự động hóa kho cảng LPG bao gồm các hệ thống sau: + Hệ thống giám sát bồn chứa LPG
+ Hệ thống tự động vận hành và xử lý sự cố khi có lỗi. + Hệ thống phũng chỏy và chữa cháy
+ Hệ thống cân
CONTROL PANE L PHÒNG ÐI?U KHI?N TRUNG TÂM
T? BÁO C HÁY T? BÁO RÒ GA FIELD BUS TANK AREA LOAD TRUCK BAY JETTY
2 S TAGE VAVLEESD VAVLE LP G COMPR ESSORLPG PUMPAIR COM PRES SOR L OAD STRUCK
PHÒNG B? O V?
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động hóa
3.1.2.1. Hệ thống quản lý bồn chứa LPG
Hệ thống giám sát bồn chứa LPG là hệ thống quản lý và giám sát 2 bồn chứa với khối lượng 1500 tấn mỗi bồn. Do bởi khối lượng và dung tích bồn chứa rất lớn mà quá trình giám sát đòi hỏi phải đảm bảo tính tin cậy và độ chính xác cao. Các thông số bồn chứa cần phải quản lý giám sát chính là nhiệt độ, áp suất, mức, khối lượng riêng, và khối lượng LPG trong bồn chứa. Các thông số này được đưa về và hiển thị tại phòng trung tâm điều khiển. Chính vì vậy hệ thống bồn chứa bao gồm các thiết bị đo áp suất, nhiệt độ, mức, và thiết bị hiện thị tại chỗ. Các thiết bị này đều tích hợp transmitter có thể truyền xa về trung tâm. Hệ thống mạng kết nối các thiết bị đo và phòng trung tâm điều khiển là mạng fiedbus. Tại trung tâm điều khiển có máy tính đóng vai trò là trạm vận hành thực hiện quá trình giám sát và xuất ra các bản báo cáo theo yêu cầu. Mặt khác hệ thống đo bồn chứa cũng được liên động với hệ thống khác như hệ thống báo cháy để thực hiện đưa ra các cảnh báo và gửi tín hiệu điều khiển đóng ngắt các van xuất nhập.
3.1.2.2. Hệ thống phòng cháy chữa cháy
Hệ thống bao gồm các thiết bị cảm biến bỏo rò gas, bỏo rò lửa, bỏo khúi và các tủ bỏo rò ga và tủ báo cháy. Bên cạnh đó, hệ thống chứa chỏy cũn bao gồm các bơm cứu hỏa, hệ thống máy bơm phun nước chữa cháy, hệ thống dàn phun sương để làm thay đổi nồng độ gas. Khi xảy ra sự cố về rò gas và rò lửa, hệ thống sẽ đưa ra các tín hiệu cảnh báo đồng thời gửi cỏc tớn sự cố tới hệ thống khác và thực hiện quá trình phun nước chữa cháy.
Quá trình phũng chỏy và chữa cháy hết sức quan trọng, chính vì vậy hệ thống này phải hoạt động cực kì đáng tin cậy
3.1.2.3. Hệ thống cân
Trong quá trình xuất LPG ra xe bồn, xe bồn phải thực hiện 2 quá trình cân có tải và cân không tải để xác định được khối lượng LPG có trên xe. Hệ thống cân bao gồm các cảm biến trọng lượng ( Loadcell) xác định khối lượng. Các load cell được đưa tới đầu hiển thị. Từ đầu hiển thị sẽ truyền tín hiệu về phòng bảo vệ. Tại đây nhờ phần mềm tính toán cân sẽ xác định ra được khối lượng LPG cho mỗi cân.
Hệ thống cân tại kho cảng mang tính chất thương mại chính vì vậy hệ thống cân phải cực kì chính xác và tin cậy.
3.1.2.4. Hệ thống camera giám sát và hệ thống thông tin liên lạc
Hệ thống camera được đặt tại những nơi trọng yếu để quan sát. Hệ thống thông tin liên lạc dùng để trao đổi thông tin lẫn nhau giữa những người vận hành hệ thống LPG. Tất các các thiết bị này đều phải được lựa chọn phù hợp với các tiêu chuẩn phòng chống cháy nổ.
Như vậy hệ thống tự động hóa bao gồm các hệ thống con trên phải hoạt động đồng bộ liên động với nhau để đảm báo quá trình lưu trữ và vận hành luôn hiệu quả, tin cậy và an toàn.
3.1.3. Qui trình hoạt của kho cảng LPG
Hệ thống kho cảng LPG bao gồm các chức năng: + Nhập LPG từ cầu cảng vào bồn chứa
+ Giám sát các thông số trong bồn chứa LPG + Xuất LPG từ bồn chứa ra xe bồn
+ Thực hiện các chức năng bảo vệ khi có sự cố
3.1.3.1. Nhập LPG từ cầu cảng về bồn chứa
Qui trình nhập LPG từ tàu vào bồn hoàn toàn tự động. Khi tầu trở LPG cập cảng, LPG sẽ được nhập từ tàu vào bồn chứa nhờ hệ thống ống dẫn gas được xây dựng từ đầu cầu cảng đến bồn chứa. Người vận hành có thể nhập các điều kiện cho phép có thể nhập ga vào từng bồn hoặc cả hai bồn thông qua thực hiện đóng mở các van trên đường ống dẫn ga. Khi thực hiện nhập bồn, các van nhập trên đường ống mở ra, sau đó trên tàu sẽ mở bơm và LPG được bơm vào bồn chứa. Khi bơm vào bồn nếu lượng LPG vượt quá ngưỡng báo đầy ( High) thì phải tự động ngắt bơm và đóng van nhập. Trên đường ống nhập LPG vào bồn chứa còn lắp thờm cỏc bộ đo lưu lượng kế để xác định được khối lượng LPG trong quá trình nhập. Bên cạnh đó do hệ thống phải đảm bảo độ an toàn cao vì vậy trong lúc nhập khi xảy ra các sự cố báo đầy bồn chứa hoặc bỏo rò ga, rò lửa từ hệ thống phũng chỏy bỏo về thì hệ thống phải tự động đóng tất cả các van trong quá trình nhập và thực hiện cắt điện cô lập vùng nguy hiểm.
3.1.3.2. Xuất LPG từ bồn chứa ra xe bồn
Xe bồn có nhiệm vụ chuyên trở LPG để tiêu thụ. Khi xe bồn tới kho cảng, xe phải làm một số thủ tục về giấy tờ liên quan tới quá trình nhập LPG. Sau đó xe bồn được đưa tới trạm xuất. Tại đây sẽ thực hiện quá trình nhập LPG vào xe bồn.
LPG được xuất từ bồn ra xe bồn thông qua các đường ống xuất. Người vận hành có thể nhập các điều kiện cho phép xuất ra từng bồn hoặc xuất ra cả 3 họng
xuất. Khi xuất, các van xuất được mở ra, đồng thời khởi động bơm thực hiện xuất LPG đặt tại nhà xuất . Như vậy LPG sẽ từ bồn chứa được chuyển vào xe bồn. Khi đủ sẽ cắt bơm và đóng van ngừng xuất. Sau đó xe bồn sẽ ra khu cầu cân thực hiện cân để xác định được lượng LPG trên xe. Bên cạnh đó quá trình xuất cũng phải đảm bảo vệ an toàn. Khi xảy ra sự cố về dò gas hay cạn bồn xuất thì phải thực hiện quá trình cắt bơm, đóng van xuất, cắt điện cô lập các vùng nguy hiểm.
3.1.3.3. Giám sát các thông số về LPG
LPG là loại ga hóa lỏng rất dễ nổ và cực kì nguy hiểm, chính vì vậy quá trình giám sát phải được thực hiện hết sức chặt chẽ. Các thiết bị đo phải đảm bảo mọi tiêu chuẩn về an toàn và chống cháy nổ. Các thông số giám sát bao gồm nhiệt độ, áp suất, mức, khối lượng riêng, khối lượng thông qua các thiết bị đo tương ứng.
Các thông số này được theo dõi và cập nhật liên tục trên màn hình vi tính tại phòng điều khiển. Các thông số, trạng thái quá khứ được lưu lại dưới dạng bảng và đồ thị. Các tín hiệu cảnh báo ( Alarm) trên màn hình để thông báo sự cố. Các công thức tính toán, barrem bể, thành phần LPG được người vận hành nhập vào hệ thống để tính được khối lượng LPG trong bồn chứa. Ngoài ra các bản báo cáo được xuất ra bằng excel, html vv… giúp quản lý số liệu dễ dàng.
3.1.3.4. Chức năng bảo vệ khi xảy ra sự cố
Chức năng này được ưu tiên lên trên hang đầu. Hệ thống bảo vệ bao gồm hệ thống chữa cháy liên động với hệ thống ESD( Emergency shut down ). Khi xuất hiện các sự cố về rò ga, quá nhiệt hệ thống bảo vệ đưa ra các cảng báo bằng còi và đốn. Trờn màn hình giám sát tại trung tâm cũng đưa ra các cảng báo, đồng thời ngay lập tức khởi động hệ thống chữa cháy phun nước kịp thời. Ngoài ra, thông báo cho hệ thống ESD để thực hiện ngắt bơm, máy nén LPG, các van trên đường ống và cắt điện khu vực xảy ra sự cố một cách nhanh nhất. Bên cạnh đó, tại
bồn chứa nếu áp suất bồn lớn hay nhiệt độ quá cao hệ thống bảo vệ cũng phải xuất ra các tín hiệu cảnh báo sự cố.
3.2. CÁC YÊU CẦU VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁTKHO CHỨA LPG KHO CHỨA LPG
3.2.1. Yêu cầu chung
- Hệ thống tự động hóa kho cảng thực hiện nhiệm vụ vận hành, quản lý kho cảng bao gồm hai bồn chứa LPG với khối lượng 1500 tấn mỗi bồn.
- Thiết kế hệ thống TĐH bao gồm toàn bộ Transmistters, gauses, flowmeters, control valves, temperature elements, shut-off valve, level instruments, PLC, máy tính PC, máy in, dây tín hiệu và điều khiển nhằm làm tăng độ an toàn, tin cậy trong vận hành kho chứa LPG.
- Đưa các công nghệ hiện đại đang được áp dụng trên thế giới đồng thời phải thích ứng với điều kiện thực tế ở Việt Nam
- Dễ dàng bảo trì, sửa chữa, thay thế, mở rộng, nâng cấp và kết nối với các hệ thống khác.
3.2.2. Yêu cầu hệ thống đo lường
3.2.2.1. Yêu cầu hệ thống đo bồn
- Đo được cả 3 thông số cơ bản ( Mức LPG, nhiệt độ, áp suất). Các thiết bị đo phải đảm bảo được các tiêu chuẩn cho phép về độ chính xác và tiêu chuẩn về cháy nổ.
- Hệ thống đo phải có chức năng hiển thị tại trung tâm và hiển thị tại vị trí ngay bồn chứa.
- Phần mềm có khả năng hiển thị thông số theo thời gian thực, đồ hoạ, có tính năng tiêu chuẩn trong việc quản lý và điều hành hoạt động của một kho LPG.
- Hệ thống có tính mở cao, dễ dàng bổ xung các thiết bị đo bồn mới mà không phải đầu tư thêm nhiều thành phần và đặc biệt không được phá bỏ hệ thống cũ.
- Tích hợp các hệ thống tự động hoỏ khỏc hoặc với phần mềm tin học quản lý kho.
a) Phần mềm hệ thống quản lý tồn chứa
- Phần mềm chạy trên nền tảng thông dụng Microsoft Windows NT/2000/XP dễ dàng tương thích với các phần mềm ứng dụng khác Microsoft Office.
- Được xây dựng trờn cỏc phần mềm chuẩn công nghiệp phổ biến trên thị trường tuỳ theo nhu cầu và sự phù hợp hệ thống có sẵn của khác hàng. Cung cấp các chức năng cho việc quan sát dữ liệu theo thời gian thực. Giao diện thân thiện với người sử dụng dưới dạng đồ hoạ giúp người vận hành dễ dàng quan sát và vận hành.
- Cho phép người vận hành theo dõi dữ liệu dưới dạng đồ thị thời gian thực. Thông thường dữ liệu đo trong quá trình thu thập được hiển thị dưới dạng các bảng số, chỉ thị số, hàm theo thời gian.
- Cung cấp các chức năng cảnh báo: gắn với các quá trình, khi các giá trị vượt quá giá trị cho phép thì xuất cảnh báo.
- Tạo ra các báo cáo theo yêu cầu: Dữ liệu được thu thập, lưu trữ dưới dạng các bảng biểu theo yêu cầu người sử dụng.
- Dữ liệu lịch sử ( Historical) Theo chu kì đặt trước vào cơ sở dữ liệu, tương thích phục vụ công tác phân tích, xử lý theo yêu cầu.
- Kiến trúc mở với OPC serve: Phầm mềm HMI sử dụng giao tiếp với OPC là một giải pháp dựa trên chuẩn công nghiệp mở cho phép loại bỏ sự cần thiết phải tích hợp các phần mềm được customized đắt tiền.
b) Các thông số giám sát thời gian thực
- Chiều cao mức LPG trong bồn - Nhiệt độ trung bình
- Thể tích thực của LPG trong bồn
- Thể tích LPG (qui đổi về thể tích chuẩn tại nhiệt độ 20°C)
- Khối lượng LPG trong bồn (qui đổi về thể tích chuẩn tại nhiệt độ 20°C).
Chức năng cảnh báo
- Báo mức LPG cao,quỏ cao, thấp, quá thấp (H, HH, L, LL) - Báo áp suất trong bồn cao có nguy cơ gõy chỏy nổ
Chức năng tính toán
- Cho phép người sử dụng nạp trước các barem hình học của dạng bể. - Thể tích: dựa trên cơ sở các barem, phần mềm tính toán được thể tích chuẩn.
- Nhiệt độ tại từng điểm được tính toán trung bình.( Chỉ tính từ điểm ngập trong LPG)
- Nạp giá trị về khối lượng riêng và tính toán ra khối lượng LPG trong bồn chứa theo một công thức đã cho.
3.2.2.2. Yêu cầu về thiết bị đo xuất nhập
- Đồng hồ đo lưu lượng, thiết bị đo áp suất, nhiệt độ phải đảm bảo chính xác theo tiêu chuẩn quốc gia và các tiêu chuẩn về an toàn cháy nổ các báo cáo theo yêu cầu.
- Các thông số về lưu lượng phải được hiển thị tại chỗ và truyền về hiện thị tại trung tâm.
- Các bản báo cáo, hóa đơn được xuất tự động theo yêu cầu.
3.2.3. Yêu cầu bài toán công nghệ xuất nhập LPG Quá trình nhập LPG Quá trình nhập LPG
- Nhập LPG từ tàu về xe bồn được thực hiện bằng 2 phương pháp nhập: tự động, bằng tay.
Quá trình xuất LPG
- Xuất LPG từ bồn ra xe bồn được thực hiện bằng 2 phương pháp xuất: Tự động, bằng tay.
3.2.4. Yêu cầu hệ thống điều khiển giám sát xuất nhập LPG
Phần mềm hệ thống xuất hàng tự động
- Người vận hành thực hiện các thao tác giao hàng trên máy tính thông