Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Điều khiển tối ưu quá trình đa biến trong công nghiệp lọc hóa dầu

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:171

Thêm vào BST

Báo xấu

136
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Xây dựng được mô hình toán học cho tháp chưng bao gồm mô hình tuyến tính, mô hình phi tuyến với các cấu hình khác nhau dựa trên phương pháp tiếp cận mới. Từ mô hình thu được, phân tích đánh giá lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp và thiết kế bộ điều khiển nhằm điều khiển tối ưu quá trình chưng cất trong công nghiệp lọc dầu và xử lý khí hóa lỏng để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất làm việc cho tháp chưng cất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Điều khiển tối ưu quá trình đa biến trong công nghiệp lọc hóa dầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT --------------------------- PHẠM THỊ THANH LOAN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN TRONG CÔNG NGHIỆP LỌC HÓA DẦU Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Hoàng Minh Sơn 2. PGS.TS. Nguyễn Đức Khoát HÀ NỘI - 2015
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình khoa học nào. Tác giả luận án Phạm Thị Thanh Loan
i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC……………………………………………………………………. i DANH LỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………………. iv DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………… vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ………………………………………………... vii LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………… x MỞ ĐẦU……………………………………………………………………... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THÁP CHƯNG CẤT………………………… 6 1.1. Khái quát về tháp chưng cất…………….…………………………….. 6 1.2. Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất.……………………………... 6 1.3. Mô hình hóa tháp chưng cất ………………………………….……….. 8 1.3.1. Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp lý thuyết ………. 9 1.3.2. Phương pháp thực nghiệm ………………………………………. 15 1.4. Điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm..…...……………………….... 16 1.4.1. Các cấu hình điều khiển tháp chưng cất ………………………… 16 1.4.1.1. Khái quát về cấu trúc điều khiển tháp chưng cất ..………… 17 1.4.1.2. Cấu hình LV ……………………………………………….. 18 1.4.1.3. Cấu hình DB........................................................................... 19 1.4.1.4. Cấu hình DV........................................................................... 20 1.4.1.5. Các đặc điểm của cấu hình điều khiển ………………..….... 21 1.4.2. Phương pháp điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm...………… 25 1.4.2.1. Cấu trúc điều khiển đơn biến – phi tập trung ……………… 26 1.4.2.2. Cấu trúc điều khiển đa biến-tập trung ……………………... 28 1.5. Hoạt động nghiên cứu, khai thác dầu thô và xử lý khí ở Việt Nam ....... 31 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO THÁP CHƯNG CẤT C-02……………………………………………………….. 34 2.1. Mục đích xây dựng mô hình…………………………………………... 34 2.2. Khái quát về tháp C-02……………….………………………………... 35
ii 2.2.1. Chức năng và nhiệm vụ của tháp C-02…………………………... 35 2.2.2. Nguyên tắc hoạt đông của cụm tháp ổn định C-02………………. 35 2.2.3. Bình tích V-15 (Deethanizer Bottom Buffer Drum)……………... 38 2.2.4. Thiết bị ngưng tụ E-02 (Stabilizer Consender)…….…………..… 38 2.2.5. Bình gia nhiệt E-03 (Stabilizer Reboiler)………………………... 39 2.3. Xây dựng mô hình phi tuyến cho tháp C-02…………………………... 39 2.3.1. Các giả thiết đơn giản hóa……………………………………..… 41 2.3.2. Các phương trình toán động học…………………………………. 43 2.3.3. Thông số của tháp C02…………………………………………... 47 2.3.4. Khảo sát động học của tháp C02………………………………… 57 2.4. Xây dựng mô hình tuyến tính cho tháp C-02………………………….. 63 2.4.1. Mô hình với biến đầu ra là nồng độ sản phẩm…………………… 63 2.4.2. Mô hình với đầu ra là nhiệt độ tháp……………………………… 68 2.5. Kết luận……………………………………………………………...… 78 Chương 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT C-02……………………………………………………………….. 80 3.1. Lựa chọn cấu trúc điều khiển cho tháp C-02……….………………..... 80 3.1.1. Ma trận khuếch đại tương đối RGA …………………………..… 82 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của vòng điều khiển mức………………….. 83 3.1.3. Khảo sát đáp ứng động khi thay đổi lưu lượng nguồn cấp ……… 85 3.1.4. Khảo sát đáp ứng tần số với nhiễu……………………………….. 87 3.1.5. So sánh đáp ứng tuyến tính và phi tuyến………………………… 90 3.1.6. So sánh giữa các cấu hình……………………………………….. 91 3.1.7. Cấu hình L(V/F)…………………………………………………. 92 3.1.8. Nhận xét………………………………………………………….. 94 3.2. Thiết kế bộ điều khiển cho tháp C-02…………………………………. 94 3.2.1. Các yêu cầu và mục đích điều khiển ……………………………. 94 3.2.2. Hệ thống điều khiển hiện tại của tháp C-02……………………... 95 3.2.3. Cấu trúc điều khiển đơn biến ………………….……………….... 100
iii 3.2.4. Điều khiển dự báo theo mô hình (MPC)……………………….... 103 3.2.4.1. Tình hình nghiên cứu, áp dụng MPC trong điều khiển tháp chưng…………………………………………………….… 103 3.2.4.2. Xây dựng bộ điều khiển MPC cho tháp chưng cất C-02…... 104 3.3. Kết luận………………………………………………………………... 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… 117 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NCS…………….... 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………...... 120 PHỤ LỤC……………………………………………………………………... 128
iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Mô tả Đơn vị xD Nồng độ mol của pha lỏng trên đỉnh tháp phần mol xB Nồng độ mol của pha lỏng dưới đáy tháp phần mol yD Nồng độ mol của pha hơi trên đỉnh tháp phần mol yB Nồng độ mol của pha hơi dưới đáy tháp phần mol xi,j Nồng độ mol cấu tử j pha lỏng trên đĩa i phần mol yi,j Nồng độ mol cấu tử j pha hơi trên đĩa i phần mol xD,j Nồng độ mol của cấu tử j trong pha lỏng đỉnh tháp phần mol xB,j Nồng độ mol của cấu tử j trong pha lỏng đáy tháp phần mol yD,j Nồng độ mol của cấu tử j trong pha hơi đỉnh tháp phần mol yB,j Nồng độ mol của cấu tử j trong pha hơi đáy tháp phần mol zF Nồng độ phần mol dòng cấp liệu phần mol Hi Enthalpy của dòng hơi tại đĩa thứ i kcal/kmol hi Enthalpy của dòng lỏng tại đĩa thứ i kcal/kmol hD Enthalpy của pha lỏng trong sản phẩm đỉnh kcal/kmol hB Enthalpy của pha lỏng trong sản phẩm đáy kcal/kmol L Lưu lượng hồi lưu đỉnh tháp kmol/s Li Lưu lượng lỏng ở đĩa thứ i kmol/s LR Lưu lượng dòng lỏng chảy trên vùng cất kmol/s LS Lưu lượng dòng lỏng chảy trên vùng chưng kmol/s Mi Lượng chất lỏng trên đĩa thứ i kmol MD Lượng chất lỏng trong bình ngưng ở đỉnh tháp kmol MB Lượng chất lỏng trong nồi tái đun đáy tháp kmol MiV Trữ lượng pha hơi trên đĩa thứ i kmol o Ti Nhiệt độ tại đĩa thứ i C VR Lưu lượng dòng hơi trên vùng cất kmol/s VS Lưu lượng dòng hơi trên vùng chưng kmol/s Vn Dòng hơi đỉnh tháp kmol/s VB Dòng hồi lưu hơi đáy tháp kmol/s B Lưu lượng sản phẩm đáy kmol/s
v D Lưu lượng sản phẩm đỉnh kmol/s F Lưu lượng của dòng cấp liệu kmol/s L Lưu lượng hồi lưu kmol/s V Lưu lượng hơi cấp nhiệt kmol/s N Số lượng các đĩa lọc Đĩa NT Số đĩa lý thuyết Đĩa o T Nhiệt độ tuyệt đối của hệ C Qc Lưu lượng nhiệt thu hồi trong bình ngưng (Condenser) J/s QR Lưu lượng nhiệt cấp cho nồi tái đun (Reboiler) J/s Re Tỉ số dòng hồi lưu đỉnh % FC Bộ điều khiển lưu lượng LC Bộ điều khiển mức LT Bộ chuyển đổi mức FI Hiển thị lưu lượng LI Hiển thị mức PC Bộ điều khiển áp suất PT Bộ chuyển đổi áp suất PI Hiển thị áp suất TC Bộ điều khiển nhiệt độ TT Bộ chuyển đổi nhiệt độ TI Bộ hiển thị nhiệt độ LAHH Cảnh báo mức quá cao PAHH Cảnh báo áp suất quá cao LALL Cảnh báo mức quá thấp GPP Gas Processing Plant MF Minimum Facilities AMF Absolute Minimum Facilities nF Chỉ số đĩa cấp liệu tại đĩa f Nc Số lượng các cấu tử trong hỗn hợp Kj Hằng số cân bằng pha của hydrocacbon NF Vị trí đĩa cấp liệu αj,k Độ bay hơi tương đối của cấu tử j so với cấu tử k
vi DANH MỤC BẢNG Bảng Trang 2.1 Các thông số sản phẩm của tháp C-02…………………………….... 38 2.2 Số liệu vận hành tháp C02……………………………………….…. 48 2.3 Các thông số của tháp………………………………………………. 48 2.4 Xác định vị trí cấp liệu………………………..…………………….. 50 2.5 Kết quả thông số tháp C-02 thu được từ Aspen……………………. 51 2.6 Kết quả enthalpy của pha lỏng, pha hơi trên từng đĩa……………… 55 2.7 So sánh kết quả với số liệu thực tế khi F thay đổi………………….. 62 2.8 Giá trị thành phần cấu tử nhẹ tại trạng thái xác lập………………… 66 2.9 Giá trị nhiệt độ tháp tại trạng thái xác lập…………………………... 71 2.10 Tỷ số giữa sai lệch của nhiệt độ và L, V tại các đĩa đáy tháp……….. 74 2.11 Tỷ số giữa sai lệch của nhiệt độ và L, V tại các đĩa đỉnh tháp…….... 75 2.12 Tham số của bộ điều khiển PID cho hai vòng điều khiển thành phần 78 3.1 Ảnh hưởng của các yếu tố tới việc lựa chọn cấu hình điều khiển….. 91 3.2 Thay đổi của sản phẩm tháp khi tăng F ứng với các cấu hình khác 93 nhau…………………………………………………………………. 3.3 Nồng độ sản phẩm tháp…………………………………………….. 96 3.4 Yêu cầu về chất lượng sản phẩm………………………………….... 104
vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Trang 1.1 Cấu trúc cơ bản của một tháp chưng cất…………………………. 7 1.2 Sơ đồ đặc tả các bài toán điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm 17 1.3 Cấu hình LV……………………………………………………... 19 1.4 Cấu hình DB……………………………………………………... 20 1.5 Cấu hình DV……………………………………………………... 21 2.1 Sơ đồ công nghệ tháp C-02……………………………………… 37 2.2 Mô tả các dòng vật chất tại thiết bị ngưng………………………. 43 2.3 Mô tả các dòng vật chất tại đĩa n………………………………… 44 2.4 Mô tả các dòng vật chất tại đĩa i…………………………………. 45 2.5 Mô tả các dòng vật chất tại đĩa cấp liệu f………………………... 45 2.6 Mô tả các dòng vật chất đĩa thứ nhất……………………………. 46 2.7 Mô tả các dòng vật chất tại thiết bị gia nhiệt……………………. 47 2.8 Mô hình mô phỏng tháp C02………………….…………………. 48 2.9 Thông số của tháp C-02 ……..…………………………………... 49 2.10 Kết quả khối sản phẩm đỉnh……………………………………... 49 2.11 Kết quả khối sản phẩm đáy……………………………………… 50 2.12 Độ bay hơi tương đối của cấu tử nhẹ (C3H8) so với cấu tử nặng 50 (C5+)……………………………………………………………… 2.13 Lưu đồ thuật toán xác định mô hình tháp C-02…………………… 52 2.14 Lưu đồ thuật toán xác định mô hình tháp C-02, đầu ra là nhiệt độ 56 2.15 Sơ đồ mô phỏng tháp C02…………………………….…………. 58 2.16 Đáp ứng của sản phẩm đỉnh tháp yD với các số liệu vận hành ….. 58 2.17 Thay đổi của sản phẩm đỉnh tháp khi tăng F lên 1% với bộ điều 58 khiển PID………………………………………………………… 2.18 Phân bố nồng độ sản phẩm tháp theo chiều cao tháp…………… 59 2.19 Động học dòng lỏng……………………………………………... 59
viii 2.20 Thay đổi của dòng ngoài: tăng 0.1% L và V riêng biệt………….. 60 2.21 Đáp ứng của sản phẩm đỉnh khi thay đổi L và V riêng biệt……… 61 2.22 Ảnh hưởng của dòng trong: tăng L và V một giá trị 10% L........... 61 2.23 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp..…………………………………….... 62 2.24 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp khi F tăng 3%...................................... 62 2.25 Lưu đồ thuật toán xác định ma trận A, B, E……………………... 67 2.26 Lưu đồ thuật toán xác định các ma trận A’, B’, E’......................... 72 2.27 Đáp ứng của nhiệt độ đỉnh tháp với bộ điều khiển PID…………. 76 2.28 Đáp ứng của nhiệt độ đáy tháp với bộ điều khiển PID………….. 77 2.29 Ảnh hưởng của nhiễu lưu lượng cấp lên nhiệt độ đỉnh tháp…….. 77 2.30 Tương tác giữa hai vòng điều khiển……………………………... 77 3.1 Lưu đồ thuật toán khảo sát ảnh hưởng của bộ điều khiển mức….. 84 3.2 Đáp ứng của sản phẩm tháp khi F tăng 1%…………………..… 85 3.3 Đáp ứng của sản phẩm tháp khi tăng V lên 1%.............................. 85 3.4 Thay đổi trong sản phẩm đỉnh khi tăng F 1%................................ 86 3.5 Lưu đồ thuật toan khảo sát đáp ứng tần số với nhiễu……………. 88 3.6 Ảnh hưởng của lưu lượng cấp lên sản phẩm đỉnh……………..… 89 3.7 Ảnh hưởng của thành phần nguồn cấp lên sản phẩm đỉnh…….… 89 3.8 Ảnh hưởng của lưu lượng cấp lên sản phẩm đáy………………... 89 3.9 Ảnh hưởng của thành phần nguồn cấp lên sản phẩm đáy……….. 89 3.10 Đáp ứng sản phẩm đỉnh (a), logarithm thành phần sản phẩm đỉnh (b) khi tăng L lên 0.1%; 1%; 10%; 50% ………………………… 91 3.11 Thay đổi của nồng độ sản phẩm đỉnh khi tăng F lên 1% ……….. 92 3.12 Thay đổi của sản phẩm đỉnh khi F tăng 1.2% với cấu hình LV …. 93 3.13 Thay đổi của sản phẩm đỉnh khi F tăng 1.2% với cấu hình 93 L(V/F)……………………………………………………………. 3.14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tháp C-02…………………………….. 96 3.15 Sơ đồ điều khiển áp suất tháp C-02 …………………………...… 97 3.16 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ tháp C-02 ……………………………. 98
ix 3.17 Sơ đồ điều khiển mức đáy tháp C-02 …………………………… 99 3.18 Điều khiển hai điểm sử dụng bộ điều khiển PI………………….. 101 3.19 Đáp ứng của sản phẩm tháp khi F tăng 1.25% ở t = 10 và zF giảm 6.25% ở t = 150………...………………………………….. 101 Đáp ứng của sản phẩm tháp khi thay đổi giá trị đặt yD từ 0.9931 3.20 lên 0.996 ở t = 10 ……………………………………………..…. 102 3.21 Sơ đồ mô phỏng cấu hình L(V/F) ……………………………..… 102 3.22 Đáp ứng của sản phẩm tháp khi F tăng 1.25% ở t = 10 ………… 103 3.23 Sơ đồ mô phỏng MPC cho tháp C-02……………………………. 112 3.24 Đáp ứng sản phẩm đỉnh, đáy và tín hiệu điều khiển với λ = 0.1; 112 Nu = 1 ............................................................................................. 3.25 Đáp ứng sản phẩm đỉnh, đáy và tín hiệu điều khiển với Ny = 3; λ 113 = 0.1 ............................................................................................... 3.26 Đáp ứng sản phẩm đỉnh, đáy và tín hiệu điều khiển với Ny = 3; 113 Nu = 5……………………………………………………………. 3.27 Đáp ứng của sản phẩm đỉnh với lưu lượng hồi lưu ....................... 114 3.28 Đáp ứng của sản phẩm đáy với lưu lượng hơi cấp nhiệt ............... 114 3.29 Đáp ứng của sản phẩm đỉnh với mô hình mẫu .............................. 114 3.30 Đáp ứng của sản phẩm đáy với mô hình mẫu ............................... 114 3.31 Đáp ứng sản phẩm tháp và tín hiệu điều khiển với Nu = 3; Ny = 115 10…………………………………………………………………
x LỜI CẢM ƠN Bản luận án của NCS đến nay đã được hoàn thành, trước hết: Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS Thái Duy Thức, PGS.TS Hoàng Minh Sơn, PGS.TS. Nguyễn Đức Khoát đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho NCS trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin cảm ơn TS. Nguyễn Chí Tình và tất cả các Thầy, Cô trong Bộ môn Tự động hóa Mỏ và dầu khí, Phòng đào tạo sau đại học Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho NCS trong thời gian nghiên cứu. Tác giả xin cảm ơn Thầy PGS. TS Đào Văn Tân về sự định hướng và giúp đỡ trong quá trình tìm hiểu về tài liệu có liên quan. Tác giả xin cảm ơn các cán bộ trong bộ môn Quá trình và Thiết bị hóa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội về việc sử dụng phần mềm mô phỏng Aspen. Tác giả xin cảm ơn các cán bộ Phòng Điều khiển trung tâm – Nhà máy xử lý khí Dinh Cố đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình lấy các số liệu thực nghiệm có liên quan. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, các bạn bè đồng nghiệp không ngừng động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho NCS hoàn thành bản luận án này.
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Tháp chưng cất là thành phần quan trọng nhất trong công nghiệp lọc dầu và chế biến khí, được sử dụng để tách một hỗn hợp hóa học thành các dòng sản phẩm tinh khiết hơn dựa trên sự khác nhau về nhiệt độ sôi của từng cấu tử. Các tháp chưng cất chiếm một phần đáng kể trong nguồn vốn đầu tư của các nhà máy hóa chất và lọc dầu [2], [35], [36], đồng thời cũng là một thành phần tiêu tốn nhiều năng lượng. Phần năng lượng này có thể được giảm xuống đáng kể thông qua quá trình tối ưu vận hành tháp chưng, bao gồm việc thiết kế tối ưu, xây dựng bộ điều khiển để duy trì các điều kiện vận hành tối ưu [66]. Đã có rất nhiều tài liệu, công trình nghiên cứu liên quan tới vấn đề điều khiển, vận hành tháp chưng cất được công bố trong những năm qua [3], [4], [35], [36], [73], [75], [81]. Tuy nhiên, việc nghiên cứu xây dựng mô hình và hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất trong điều kiện Việt Nam còn chưa được đầy đủ. 2. Tính cấp thiết của đề tài Sự biến động mạnh của giá xăng dầu và các sản phẩm khí trong những năm gần đây (như năm 2014) đòi hỏi các nhà máy lọc dầu, xử lý khí phải nâng cao hiệu suất hoạt động cũng như cải thiện chất lượng điều khiển để giảm thiểu chi phí và tối ưu lợi nhuận. Thực tế hiện nay hệ thống điều khiển cho các tháp chưng cất ở Việt Nam đang có cấu trúc điều khiển vòng đơn, đôi khi có kết hợp điều khiển tầng. Độ tin cậy về chất lượng sản phẩm, tính ổn định của hệ thống không cao vì tồn tại tương tác chéo giữa các vòng điều khiển, tính kháng nhiễu kém. Hiện tại vòng điều khiển nhiệt độ của tháp chưng cất ở một số nhà máy (như nhà máy xử lý khí Dinh Cố) đang phải vận hành bằng tay càng làm giảm hiệu quả hoạt động của nhà máy. Hơn nữa, hệ thống điều khiển chỉ chú ý tới chỉ tiêu chất lượng sản phẩm và ổn định dòng sản phẩm, chưa chú ý tới mối tương quan giữa chất lượng sản phẩm và công suất cấp nhiệt, do đó lợi nhuận chưa được như mong muốn. Trước thực tế này, các nhà máy
2 lọc dầu và xử lý khí đang đặt ra yêu cầu phải cải tiến hệ thống điều khiển nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như năng suất làm việc của các tháp chưng cất. Cho đến nay, chưa có công trình hay đề tài khoa học nào nghiên cứu đầy đủ và chi tiết về hệ thống điều khiển của tháp chưng cất ở Việt Nam. Việc nghiên cứu xây dựng mô hình toán học, lựa chọn cấu trúc điều khiển và tính toán xây dựng bộ điều khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế cho tháp chưng cất mang tính cấp thiết và thời sự. 3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Xây dựng được mô hình toán học cho tháp chưng bao gồm mô hình tuyến tính, mô hình phi tuyến với các cấu hình khác nhau dựa trên phương pháp tiếp cận mới. Từ mô hình thu được, phân tích đánh giá lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp và thiết kế bộ điều khiển nhằm điều khiển tối ưu quá trình chưng cất trong công nghiệp lọc dầu và xử lý khí hóa lỏng để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất làm việc cho tháp chưng cất. 4. Đối tượng nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu một đối tượng tháp chưng cất điển hình là tháp C- 02 của nhà máy xử lý khí Dinh Cố. Tháp C-02 có cấu tạo và chức năng đặc trưng của một tháp chưng cất phân đoạn tại Việt Nam. Trong nhà máy xử lý khí Dinh Cố, C-02 có vai trò quan trọng trong việc quyết định chất lượng sản phẩm khí hóa lỏng cung cấp cho thị trường trong nước. Hiện tại, hệ thống điều khiển cho tháp có cấu trúc vòng đơn với vòng điều khiển nhiệt độ đáy tháp phải vận hành bằng tay, vì vậy nhà máy cũng đang đặt ra yêu cầu cấp bách trong việc nâng cao chất lượng và năng suất làm việc của tháp. 5. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan tháp chưng cất, cơ sở lý thuyết quá trình chưng cất, các phương pháp xây dựng mô hình tháp chưng cất, các cấu trúc điều khiển và phương pháp điều khiển tháp chưng cất. - Tổng quan về hệ thống điều khiển tháp chưng cất C-02, các nguyên tắc cơ bản và phương pháp điều khiển.
3 - Xây dựng mô hình toán cho tháp C-02 dựa trên phương pháp lý thuyết kết hợp số liệu mô phỏng và các số liệu vận hành của tháp, kiểm chứng mô hình với các số liệu thực tế. - Nghiên cứu các cấu trúc điều khiển, lựa chọn cấu trúc phù hợp cho tháp C-02. Mô phỏng với các số liệu của tháp chưng cất thực để khẳng định giải pháp lựa chọn. - Nâng cao chất lượng sản phẩm với cấu trúc mới, sử dụng cấu trúc điều khiển đơn biến-phi tập trung và cấu trúc đa biến-tập trung. 6. Phương pháp nghiên cứu - Phân tích, tổng hợp các tài liệu, các công trình đã công bố trong và ngoài nước để xác định mục tiêu của luận án. - Sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp các số liệu mô phỏng và số liệu vận hành để xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng cất C-02. Sử dụng Matlab và Aspen để mô phỏng hệ thống, lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp và đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng sản phẩm của tháp. 7. Ý nghĩa khoa học của luận án - Đưa ra một cách tiếp cận phù hợp trong việc xây dựng mô hình toán học cho các quá trình đa biến, kết hợp sử dụng phương pháp lý thuyết, phần mềm mô phỏng và số liệu thực nghiệm. - Phát triển phương pháp tính toán cấu trúc điều khiển tối ưu, xác định các cặp biến vào/ra cho quá trình đa biến áp dụng cho một đối tượng cụ thể là tháp chưng cất C-02. - Bộ điều khiển đa biến – điều khiển dự báo theo mô hình đã được áp dụng cho tháp C-02 nhằm nâng cao năng suất làm việc của tháp. 8. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài - Việc xây dựng mô hình cho tháp chưng cất dựa trên phương pháp tiếp cận mới cho phép rút ngắn thời gian nghiên cứu cũng như tối thiểu chi phí cho hoạt động này. Cải tiến cấu trúc điều khiển, nếu áp dụng có thể đưa chế độ điều khiển tự động vào thay thế chế độ bằng tay hiện tại.
4 - Đưa ra giải pháp điều khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm có xem xét đến yếu tố chi phí vận hành ý nghĩa thực tiễn của đề tài. - Việc hiệu chỉnh tham số làm việc phù hợp từ mô hình và cấu trúc thu được góp phần nâng cao tính ổn định, chất lượng sản phẩm và lợi nhuận cho nhà máy. - Kết quả của đề tài có thể phát triển và áp dụng cho các tháp khác trong Nhà máy xử lý khí Dinh Cố và các tháp khác có chức năng tương tự. 9. Luận điểm bảo vệ và điểm mới của đề tài Luận điểm bảo vệ - Xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng trên cơ sở phương pháp tiếp cận mới kết hợp phương pháp lý thuyết, công cụ mô phỏng và số liệu thực tế. Mô hình có ý nghĩa quan trọng, cho phép tiến hành các nghiên cứu trong cấu trúc và điều khiển nhằm rút ngắn thời gian và giảm thiểu chi phí. - Cấu trúc điều khiển thích hợp cho tháp C-02 đã được xác định thông qua quá trình phân tích dựa trên lý thuyết và số liệu thực tế, cấu trúc này đảm bảo chất lượng trên cơ sở bù nhiễu. - Bài toán nâng cao chất lượng sản phẩm cho tháp chưng và nhà máy được giải quyết hiệu quả trên cơ sở thiết kế lại cấu trúc điều khiển hoặc phương pháp điều khiển hiện đại – điều khiển dự báo theo mô hình. Điểm mới của luận án - Xây dựng mô hình cho tháp chưng trên cơ sở cách tiếp cận mới kết hợp phương pháp lý thuyết, công cụ mô phỏng và số liệu thực tế. - Tính toán xác định cấu trúc điều khiển thích hợp cho một tháp C-02 trên cơ sở kháng nhiễu, sử dụng phương pháp phân tích SVD xác định biến vào/ra, đề xuất cấu trúc mới nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm. - Sử dụng bộ khiển dự báo để nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế cho tháp chưng cất C-02. 10. Bố cục luận án
5 Nội dung luận án được trình bày trong 3 chương với 11 bảng biểu và 62 hình vẽ bao gồm phần mở đầu, nội dung luận án, kết luận chung và kiến nghị, danh mục các công trình nghiên cứu khoa học, tài liệu tham khảo và các phụ lục. Chương 1 trình bày về các thông tin cơ bản cũng như tầm quan trọng của tháp chưng cất trong ngành công nghiệp dầu khí. Bên cạnh đó, tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan đến việc xây dựng mô hình tháp chưng cất, bài toán điều khiển tháp chưng với vấn đề lựa chọn cấu hình điều khiển và thiết kế bộ điều khiển của các tác giả trên thế giới nghiên cứu trong những năm qua cũng được trình bày trong chương này. Chương 2 đi sâu vào bài toán nghiên cứu xây dựng mô hình cho tháp chưng cất. Mô hình toán học thu được bằng phương pháp lý thuyết có nhiều ưu điểm và đã được nhiều tác giả thiết lập và sử dụng. Tuy nhiên, việc xác định các tham số cụ thể của mô hình lý thuyết thường gặp khó khăn tron thực tế. NCS đưa ra phương án xây dựng mô hình cho tháp chưng cất bằng cách sử dụng Aspen - một phần mềm phân tích và thiết kế của công nghiệp hóa dầu kết hợp với các số liệu vận hành thực tế của tháp để đưa ra mô hình. Mô hình được kiểm chứng và sử dụng để khảo sát chế độ làm việc xác lập, chế độ động, cũng như các ảnh hưởng của các dòng trong tháp, đồng thời được sử dụng để xác định cặp đôi biến vào/ra cho tháp C-02. Trên cơ sở mô hình toán học của tháp C02 thu được ở chương 2, cấu hình điều khiển và bộ điều khiển được xây dựng và lựa chọn trong chương 3 nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm tháp. Thông qua việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như nhiễu lưu lượng nguồn cấp, nhiễu thành phần nguồn cấp, tương tác giữa các vòng điều khiển, ảnh hưởng của bộ điều khiển mức cho từng cấu hình dựa trên mô hình thu được trong chương 2, cấu hình phù hợp nhất cho tháp C-02 đã được NCS xác định. Cấu trúc điều khiển tháp chưng cất bao gồm cấu trúc đơn biến-phi tập trung và cấu trúc đa biến-tập trung được áp dụng điều khiển tháp C-02. Chất lượng sản phẩm được cải thiện với đề xuất cải tiến cấu hình điều khiển hiện tại trong cấu trúc đơn biến và áp dụng cấu trúc đa biến sử dụng bộ điều khiển dự báo theo mô hình.
6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÁP CHƯNG CẤT 1.1. Khái quát về tháp chưng cất Tháp chưng cất là thành phần quan trọng nhất trong công nghiệp lọc dầu và chế biến khí, được sử dụng để tách một hỗn hợp hóa học thành các dòng sản phẩm tinh khiết hơn [1], [36]. Được phát minh bởi Alexandrian Chemists vào thế kỷ thứ nhất, tháp chưng cất dạng mẻ (batch distillations columns) được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực sản xuất rượu và dầu ăn. Năm 1860 tháp chưng cất liên tục (continuous distillations columns) được ra đời khi ngành công nghiệp dầu khí đòi hỏi sự cải tiến trong cấu trúc tháp chưng nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của tháp. Loại tháp chưng cất này trở nên ngày càng phổ biến trong các nhà máy hóa chất, lọc dầu và xử lý khí hiện nay. Các tháp chưng cất chiếm một phần đáng kể trong nguồn vốn đầu tư của các nhà máy hóa chất và lọc dầu, thông thường khoảng 40-50% tổng giá trị đầu tư [35], [36]. Chi phí vận hành của chúng chiếm phần lớn trong chi phí vận hành của nhiều quá trình. Tháp chưng cất đồng thời cũng là một thành phần tiêu tốn nhiều năng lượng: tại Mỹ, khoảng 7% năng lượng được tiêu tốn bởi tháp chưng cất. Phần năng lượng này có thể được giảm xuống đáng kể thông qua quá trình tối ưu vận hành tháp chưng cất, bao gồm việc thiết kế tối ưu, xây dựng hệ thống điều khiển để duy trì các điều kiện vận hành tối ưu. Trong đó, điều khiển chặt chẽ cho tháp chưng cất giữ vai trò chính trong việc tiết kiệm chi phí, gia tăng lợi nhuận và nâng cao chất lượng sản phẩm. 1.2. Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất Tháp chưng cất hoạt động theo các nguyên lý nhiệt động học (hình 1.1). Cấp liệu được đưa vào đĩa tiếp liệu, thiết bị đun sôi cung cấp nhiệt cho dòng cấp liệu. Các thành phần trong hỗn hợp có nhiệt độ sôi thấp sẽ hóa hơi, đi từ dưới lên trên đỉnh tháp qua các lỗ của đĩa. Các thành phần có nhiệt độ sôi cao hơn sẽ di chuyển về phía đáy tháp dưới dạng chất lỏng, chảy theo các cạnh của đĩa hay theo ống chảy
7 chuyền. Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi theo sự thay đổi của nồng độ. Nguồn cấp của tháp có thể là đa cấu tử hoặc 2 cấu tử với sản phẩm được lấy ra từ trên đỉnh tháp, dưới đáy tháp hoặc bên sườn tháp. Đối tượng tháp chưng hỗn hợp nhị phân, 2 sản phẩm sẽ được nghiên cứu và khảo sát trong luận án. Với đối tượng này, phần hơi trên đỉnh tháp được làm lạnh và ngưng tụ qua quá trình trao đổi nhiệt với chất làm lạnh trong Condenser và được đưa ra đường ống thành dòng sản phẩm đỉnh. Chất lỏng đáy tháp được đưa vào trong bình chứa đệm, một phần được đưa ngược lại tháp chưng gọi là dòng hồi lưu. Trong thời gian sản xuất, tháp chưng cất thường được vận hành theo các cách: - Tỷ số hồi lưu không đổi: Tỷ số giữa lưu lượng sản phẩm và lưu lượng hồi lưu là không đổi trong khi nồng độ thành phần sản phẩm có thể thay đổi. - Nồng độ thành phần không đổi: Lưu lượng hồi lưu đỉnh, đáy tháp được thay đổi để đáp ứng với tác động của nhiễu khi có yêu cầu không đổi về nồng độ thành phần. Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một tháp chưng cất 2 sản phẩm
8 - Tối ưu tỷ số hồi lưu: Tỷ số hồi lưu được xác định dựa trên một số tiêu chí tối ưu. Cả tỷ số hồi lưu và nồng độ thành phần sản phẩm đều có thể thay đổi trong quá trình làm việc của tháp Mặc dù đã được khảo sát, nghiên cứu rất sâu sắc trên nhiều khía cạnh, tháp chưng cất vẫn là một đối tượng nghiên cứu đầy tiềm năng vì: - Tính đa dạng trong vận hành tháp chưng cất [36]: Skogestad và IJ. Halvorsen đã chỉ ra mỗi loại tháp chưng có nhiều khả năng vận hành khác nhau dựa trên chức năng, mục đích và dòng nguyên liệu vào của tháp. Tháp với hai dòng sản phẩm, hỗn hợp lý tưởng (hỗn hợp nhị phân) là loại tháp dễ vận hành và điều khiển nhất. Sự phức tạp trong điều khiển vận hành của tháp sẽ tăng lên khi hỗn hợp không lý tưởng và tháp có liên kết nội với nhiều dòng vào/ra ở đỉnh, đáy hay sườn tháp. Hiểu biết về động học, các chế độ hoạt động của tháp chưng cất cũng bị hạn chế đối với loại tháp này. Vì quá trình là động nên việc tối ưu vận hành sẽ dẫn đến các vấn đề về điều khiển và phương án chung để giải quyết vấn đề này vẫn chưa được thiết lập. - Các sách lược điều khiển tháp chưng cất hiện nay thường khá đơn giản. Skogestad và Postlethwaite I [73] đã nhấn mạnh quan điểm chất lượng điều khiển sẽ không thể được cải thiện nếu thiếu thông tin về mô hình cũng như động học của tháp. Đây là đặc điểm chung của các công ty, nhà máy nhỏ vì họ không được cung cấp đầy đủ các nghiên cứu liên quan. Do đó, cần thiết phải có các phương pháp nghiên cứu tin cậy để phát triển sách lược điều khiển cho tháp chưng cất. - Các nhu cầu về hiệu suất và chất lượng sản phẩm không ngừng tăng lên trong khi bị giới hạn bởi các điều kiện ràng buộc vận hành. Đứng trên quan điểm điều khiển, tất cả các thông tin có sẵn (giá trị đo, mô hình đối tượng, ràng buộc…) nên được sử dụng để xác định tín hiệu điều khiển nhằm giữ giá trị đầu ra gần với giá trị đặt [68]. Tương tác giữa các vòng điều khiển cũng cần được giảm xuống, tránh sự lựa chọn cặp đôi các biến vào/ra cho quá trình đa biến. Vì vậy cần phải có các phương pháp cải tiến để đáp ứng nhu cầu này. 1.3. Mô hình hóa tháp chưng cất