Nghiên cứu sự biến động áp suất và dự
báo giá trị hiệu chỉnh nhiệt độ để ổn
định chất lượng sản phẩm ở cột tháp
chưng cất dầu mỏ
Bộ môn Tự động hóa Mỏ và Dầu khí - Trường Đại học Mỏ Địa chất.
Tóm tắt:
Bài báo đề xuất giải pháp nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ để khảo
sát sự biến động của áp suất nhằm dự báo và hiệu chỉnh tham số nhiệt độ
cho mục tiêu ổn định chất lượng sản phẩm ở cột tháp chưng cất trong công
nghiệp chế biến dầu mỏ.
Đặt vấn đề.
Trong các cột tháp chưng cất dầu mỏ thì đối tượng điều khiển của chúng ta
là cần phải ổn định chất lượng sản phẩm đầu ra với chỉ tiêu cao và duy trì
các phản ứng hóa học, bất chấp có sự thay đổi tỷ lệ các dòng lỏng hơi cũng
như nồng độ các cấu tử và các chất ở dòng cấp liệu. Các trạng thái làm việc
ổn định phụ thuộc vào quan hệ giữa nhiều biến đầu vào. Như thay đổi lưu
lượng, nhiệt độ, áp suất, tỉ lệ dòng lỏng hơi và nồng độ các chất của dòng
cấp liệu…Ngoài ra còn phụ thuộc vào công suất của bộ phận gia nhiệt
(Reboiler), lưu lượng của những dòng hồi lưu với khả năng điều khiển các
biến đầu ra: nhiệt độ trên những đĩa lọc, nồng độ các chất. Những quan hệ
phức tạp đó cần được nghiên cứu đánh giá các trạng thái làm việc bền vững,
xây dựng được đặc tính liên hệ giữa các biến vào - ra.
Quá trình hoạt động và điều khiển phản ứng trong cột tháp chưng cất là rất
phức tạp. Mối liên kết các phản ứng trong quá trình tách của hệ thống có
tính phi tuyến cao người ta khó có thể dự báo được những hành vi trong tháp
khi tồn tại các nhiễu cũng như sự thay đổi các chế độ vận hành khác nhau.
Trong khuôn khổ báo cáo này tác giả chỉ nghiên cứu sự biến động (hay
nhiễu) của áp suất, tổng hợp bộ điều khiển mờ (Fuzzy Controller) nhằm mục
đích dự báo, đề xuất tham số chỉnh định nhiệt độ hợp lý và duy trì chất
lượng sản phẩm cho tháp.
Phương pháp nghiên cứu.
Việc nghiên cứu mô phỏng cột tháp chưng cất dầu mỏ đã được tác giả đề
cập trước đây [1]. Những số liệu vận hành từ thực tế sản xuất đã được tác
giả khảo sát và dùng làm cơ sở dữ liệu cho việc mô phỏng dựa trên mô hình
toán học của tháp. Kết quả mô phỏng các đặc tính tĩnh và động là tập dữ liệu
tin cậy để nghiên cứu và khảo sát. Tuy nhiên mô hình toán học được tác giả
mô phỏng trước đây [1] đã được hạn chế với giả thiết là áp suất làm việc của
tháp tương đối ổn định và dao động trong phạm vi chấp nhận được, đồng
thời trong tháp áp suất đồng đều tại mọi điểm. Mở rộng nghiên cứu mang ý
nghĩa thực tế hơn khi áp suất của tháp là một tham số nhiễu lớn và biến động
trong một giới hạn nào đó trong khi vẫn phải duy trì độ tinh khiết của sản
phẩm. Do đó cần thiết phải xây dựng được một bộ suy luận có thể dự báo
tham số làm việc hợp lý cho nhiệt độ.
Như chúng ta đã biết đối với hệ nhiều chất thì nhiệt độ tại đĩa lấy một pha
lỏng là nhiệt độ thỏa mãn hệ thức :
(1)
Trong đó Xi ,Yi lần lượt là nồng độ phần mol tương ứng ở pha lỏng và pha
hơi của cấu tử i.
Ki là hằng số cân bằng pha của các hydrocacbon.
Mô hình nhận dạng hằng số Ki .
Mô hình dự báo được thiết kế dựa trên bộ suy luận mờ Fuzzy trong Matlab
với cấu trúc như hình 1 với các thông số như sau:
Các tham số đầu vào:
+ Giả thiết miền dao động của áp suất từ 25 bar đến 35 bar.
+ Dải làm việc nhiệt độ được chọn từ 0oC đến 120oC.
Suy luận đầu ra: Các hằng số cân bằng pha Ki của các
hydrocacbon.
Mô hình dự báo.
Thiết kế mô hình dự báo được
tác giả mô phỏng trên
Simulink của Matlab và sử
dụng các dữ liệu sau:
1. Sử dụng bộ suy luận mờ được thiết kế ở trên để xác định hằng số Ki.
2. Căn cứ vào chỉ tiêu chất lượng sản phẩm của cột tháp chưng cất [theo
(1)], cụ thể là nồng độ phần mol của các chất ở đỉnh và đáy tháp chưng cất.
Bảng 1
Chất CH4 C2H6 C3H8 n-C4H10 C5+
Nồng độ mol 0.0 0.01 0.492 0.294 0.2
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc cho mô hình suy luận
Hình 3: Mô phỏng các đặc tính dự báo
3. Căn cứ vào các số liệu vận hành thực tế sản xuất của cột tháp.
Trên hình 12 là kết quả quá trình dự báo được mô phỏng từ số liệu thực tế
của tháp chưng cất C01 tại Nhà máy xử lý khí Dinh Cố. Trên sơ đồ cấu trúc
hình 11, các chỉ tiêu xác định chất lượng sản phẩm được chọn theo nồng độ
các cấu tử ở đáy tháp chưng cất, ở đây cấu tử chìa khóa chính là Propan
C3H8 bởi vì chúng chiếm nồng độ lớn nhất của sản phẩm đáy và có mặt
không đáng kể ở sản phẩm đỉnh. Chỉ tiêu chất lượng được đánh giá ở bảng 1
và được tham khảo từ số liệu vận hành thực tế của tháp.
Xây dựng đặc tính P-T.
Quan hệ áp suất - nhiệt độ được lấy mẫu từ kết quả mô phỏng trên hình 12.
Tại các điểm giao cắt giữa đường màu xanh lá cây với đường y=50 ta thu
thập được các số liệu và đường đặc tính P-T được thể hiện như hình ...
Kết luận.
Bài báo đã ứng dụng hệ mờ trong Matlab để thiết kế và xây dựng bộ điều
khiển suy luận trong dự báo, hiệu chỉnh nhiệt độ đặt của tháp khi xuất hiện
các nhiễu áp suất trong điều kiện cần phải duy trì sự ổn định chất lượng sản
phẩm đầu ra cho cột tháp chưng cất.
Đã xây dựng được quan hệ P-T, các kết quả mô phỏng trên cơ sở số liệu
tháp chưng cất C-01 của Nhà máy xử lý khí Dinh Cố cho kết quả phù hợp.
Xây dựng mô hình dự báo sẽ cho chúng ta một công cụ trong việc hiệu chỉnh
tham số nhiệt độ các tháp chưng cất trong thực tế vận hành sản xuất.
Tháp chưng cất dầu mỏ là một đối tượng điều khiển có nhiều biến vào - ra,
chúng có những quan hệ phi tuyến rất phức tạp. Mô hình dự báo sẽ được tác
giả tiếp tục mở rộng và nghiên cứu đối với nhiều biến khác để được hoàn
thiện hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Đặng Văn Chí. 2004. Nghiên cứu mô phỏng tháp tách Etan C-01 nhà
máy xử lý khí Dinh Cố.