Công nghệ chế biến khí chương 7 điều khiển công nghệ và thiết bị điều khiển

Công nghệ chế biến khí chương 7 điều khiển công nghệ và thiết bị điều khiển

CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN KHÍ

TS Nguyễn Mạnh Huấn

2

CÁC CHẾ ĐỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ LÀM THẾ NÀO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH

- Quá trình làm việc trên giàn nén khí trung tâm có quá trình làm việc của các phần tử và các thiết bị điều khiển không cần sự tham gia trực tiếp của con người đó là quá trình điều khiển tự động.

- Mỗi phần tử điều khiển nhận một tín hiệu vào từ một số bộ phận của

hệ thống điều khiển, và tạo nên một tín hiệu ra đưa vào phần tử khác Các tín hiệu có thể là: dòng điện, điện áp, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, vận tốc, gia tốc, vị trí…quĩ đạo của tín hiệu có thể là sóng điện, ống dẫn, liên kết cơ….

Hệ thống hở và hệ thống kín:

- Hệ thống hở là hệ thống không so sánh kết quả thực tế với trị số mong muốn (setpoint) sau tác động điều khiển

- Hệ thống kín là hệ thống tạo nên một tác động đo lường giữa tín hiệu vào (giá trị cần

setpoint) và tín hiệu ra (giá trị thực) Sai lệch giữa hai tín hiệu này được dùng làm tín hiệu vào của cơ cấu điều khiển

Hình 1: hệ thống điều khiển kín

PLC:

Programmable

Logic Controller

- Mạch phản hồi bắt đầu từ tín hiệu ra Y được đo (cảm biến) bởi thiết bị đo lường (Pressure, level,

temperature, flow transmitter ,detector… , qua cơ cấu chuyển đổi (cũng chính là bộ phận của thiết bị đo lường) để biến thành tín hiệu được chuyển đổi Y’ tỉ lệ với Y tín hiệu Y’ được so sánh với tín hiệu vào tạo nên sai lệch (error)

ε= X-Y’ = giá trị cần – giá trị thực

được tính toán qua cơ cấu so sánh (là cơ cấu của bộ điều khiển)

- Thiết bị điều khiển biến đổi ε thành tín hiệu tác động u nhờ cơ cấu điều khiển Tín hiệu tác động là tín hiệu vào của hệ thống được điều khiển Nó sẽ tác động vào cơ cấu tác động, cơ cấu tác động thường có hai phần là bộ chuyển đổi (converter) và phần tử điều khiển (van, quạt, bơm…) làm thay đổi quá trình là một đối tượng điều khiển, nhằm triệt tiêu sai lệch đã hình thành.

- Cơ cấu điều khiển thực hiện các chế độ điều khiển như sau: chế độ điều khiển tỷ lệ (P), chế độ tích phân (I), chế độ đạo hàm (D) Chế độ P có thể sử dụng riêng biệt, hoặc kết hợp với một hoặc hai chế độ khác Chế độ I có thể dùng riêng rẽ nhưng thực tế ít dùng Chế độ D không thể dùng riêng rẽ Các tổ hợp hay dùng là PI, PD, PID.

Hình 2: mối quan hệ giữa tín hiệu vào/ra

(I/O) của phần tử điều khiển

- a: tuyến tính: là mối quan hệ giữa tín hiệu vào/ra (I/O) của phần tử điều khiển hoàn toàn là một đường thẳng

- b: phi tuyến : có thể thay thế gần đúng bằng một đường thẳng, đường này đặt ở vị trí sai

- e: Trễ và chết thể hiện sai lệch lớn nhất của tín hiệu ra ở giới hạn trên và dưới

- f: Bão hoà là giới hạn của một dãy các giá trị tín hiệu ra Y Một phần tử thực đạt đến giới

hạn bão hoà khi tín hiệu vào thay đổi tín hiệu

ra không thay đổi.

Giảm chấn và ổn định

- Độ khuyếch đại của bộ phận điều khiển xác định một đặc tính quan trọng của hệ thống điều khiển là dạng giảm chấn Đặc tính này được hệ thống thể hiện ra như là một đáp ứng dưới tác động của bên ngoài Đáp ứng của hệ thống điều khiển thể hiện theo năm dạng như sau

Khi độ khuyếch đại tăng đáp ứng của hệ thống thay đổi theo các dạng như sau:

a: quá giảm chấn, b: giảm chấn tới hạn, c: giảm chấn tắt dần, d: đáp ứng biên độ không đổi, e: đáp ứng biên độ tăng dần

- Ba loại đầu đặc trưng cho hệ thống ổn định, hai loại sau đặc trưng cho trạng thái không ổn định Kĩ thuật ổn định được dùng để làm tăng độ giảm chấn trong hệ thống, và do đó cho phép đạt được độ khuyếch đại cao

- Ý tưởng chung là tìm một tín hiệu chống lại sự thay đổi đại lượng được điều

khiển Tín hiệu đó là tốc độ thay đổi đại lượng được điều khiển Như ta biết đạo hàm của một biến là tốc độ thay đổi của biến đó và tín hiệu làm ổn định này được coi như đạo hàm của đại lượng được điều khiển

- Độ giảm chấn tăng nếu đạo hàm của đại lượng được điều khiển được trừ ra khỏi tín hiệu sai lệch trước khi vào cơ cấu điều khiển Một tín hiệu làm ổn định khác là đạo hàm của tín hiệu sai lệch, nếu đại lượng điều chỉnh là một hằng, tín hiệu này bằng giá trị âm của đạo hàm đại lượng được điều khiển Giảm chấn tăng nếu đạo hàm độ sai lệch được cộng với tín hiệu sai lệch trước khi vào cơ cấu điều khiển.

Mục tiêu của hệ thống điều khiển:

Hình 4: đáp ứng tải bậc thang

- Làm giảm tối đa giá trị của tín hiệu sai lệch, một số hệ thống sai lệch có thể giảm đến 0, trong khi các hệ thống khác đòi hỏi sai lệch dư ε để bù cho sự thay đổi của phụ tải

- Trong cả hai trường hợp hệ thống điều khiển cần đưa trị số sai lệch về giá trị

ổn định, trị số không thay đổi

- Mục tiêu thứ hai là giảm đến mức tối thiểu thời gian ổn định tô

- Mục tiêu thứ ba là giảm đến mức tối thiểu sai lệch dư ε sau khi đạt được

Đánh giá hệ thống điều khiển :

Cho thay đổi phụ tải theo hàm bậc thang sau đó quan sát đồ thị nếu biên độ của một đỉnh dương bằng ¼ biên độ của đỉnh dương trước nó khi đó dao động là tắt dần hội tụ tốt:

Hình 5: Suy giảm ¼ biên độ khi có tải bậc thang

DCS (Distributed Control System - Hệ thống điều khiển phân tán)

- Hệ thống điều khiển phân tán dựa trên các phần cứng và phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu trên cơ

sở 1 đường truyền thông tin tốc độ cao, các module được phân tán và tổ chức theo 1 cấu trúc nhất định với một chức năng và nhiệm vụ riêng Các thiết bị giao tiếp trên đường truyền tốc độ cao này cho phép ghép nối dễ dàng với các bộ PLC, Controller , các máy tính điều khiển giám sát khác.

- Các chức năng điều khiển được phân bố khắp hệ thống thay vì xử lý tập trung trên một máy tính đơn lẻ Một hệ thống DCS tiêu biểu có các trạm điều khiển hoạt động độc lập và điều khiển từng bộ phận chuyên dụng của nhà máy

- Khả năng xử lý tín hiệu tương tự và chạy các trình tự phức tạp là thế mạnh của hệ thống DCS

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu)

- Có thể hiểu SCADA là hệ thống dùng trong các ứng dụng điều khiển quá trình,công nghiệp hóa chất,

truyền tải điện năng nó dựa trên 1 máy tính xử lý trung tâm (máy chủ) , dữ liệu thu thập từ các cảm biến đặt tại các phân xưởng, các tòa nhà, hay các trạm từ xa được gửi về máy tính trung tâm để quản lý và điều khiển ( với 1 số lượng hạn chế các lệnh điều khiển được định nghĩa trước, gửi tới các cơ cấu chấp

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) hiểu theo nghĩa truyền thống

là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Nhằm hỗ trợ con người

trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa

Programmable Automation Controllers (PACs) Human Machine Interfaces (HMIs)

DCS (Distributed Control System - Hệ thống điều khiển phân tán)

Các ví dụ điều khiển trên giàn nén khí trung tâm:

- hệ thống điều khiển mức bình:

- hệ thống điều khiển áp suất

hệ thống điều khiển lưu lượng:

hệ thống điều khiển nhiệt độ

Chế độ điều khiển tỉ lệ P:

Chế độ điều khiển tỉ lệ tạo nên tín hiệu ra ở bộ điều khiển tỉ lệ với tín hiệu sai lệch ε Chúng có mối quan hệ tuyến tính cố định giữa đại lượng được điều khiển và vị trí của đối tượng điều khiển

u = Pε+ uoqua công thức trên trong hệ thống điều khiển mức các bình tách nếu tăng độ khuyếch đại P thì chỉ cần một sai lệch bé hơn của ε cũng đủ để van mở 100%, nói cách khác độ khuyếch đại lớn đòi hỏi độ sai lệch nhỏ để đạt được vị trí của van cần thiết cho việc cân bằng quá trình tuy nhiên việc tăng độ khuyếch đại này cũng dẫn đến xu hướng tăng dao động của đại lượng được điều khiển cho nên cần chọn phương án dung hoà

- Chế độ này được dùng cho những quá trình có dung lượng nhỏ và thay đổi phụ tải nhanh P cần chọn đủ lớn để tránh dao động

Chế độ điều khiển tích phân I

chế độ điều khiển tích phân làm thay đổi tín hiệu ra u tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch Chế độ này tạo nên một tác động điều khiển làm tăng liên tục tác động điều chỉnh theo thời gian Nếu độ sai lệch εnhỏ chế độ tăng I có tác dụng hiệu chỉnh chậm, nếu độ sai lệch εlớn chế độ I tăng tác dụng hiệu chỉnh nhanh hơn I là tốc độ tích phân (1/s) đặc tính I/O như sau:

Hình 6: đặc tính I/O

của chế độ I

chế độ I hầu như

luôn dùng với P

Chế độ điều khiển đạo hàm D

u = D(dε/dt)

D là hằng số thời gian đạo hàm

Hình 7: Đáp ứng bước và độ dốc của chế độ D lí tưởng

u tỉ lệ với vận tốc thay đổi của ε chính là dε/dt Chế độ D ngăn chặn một sai lệch lớn bằng cách tạo nên một tác động hiệu chỉnh

để chặn lại sự phát triển của nó

- Chế độ D chỉ tác động vào tín hiệu ra của

bộ điều khiển khi tín hiệu sai lệch ε thay đổi

(tín hiệu ra không phụ thuộc vào giá trị của

độ sai lệch) Vì thế chế độ D không sử dụng riêng biệt mà kết hợp với chế độ khác

- Đáp ứng bước và độ dốc của chế độ đạo hàm lí tưởng được minh hoạ ở hình ở bất

cứ thời điểm nào, tín hiệu ra của bộ điều khiển D luôn tỉ lệ với độ dốc, hoặc tốc độ thay đổi của độ sai lệch ε

- Đáp ứng bước chỉ ra nguyên nhân làm cho chế độ D không dùng riêng trong thực tế vì

ở mỗi vị trí thay đổi bước tín hiệu ra u có độ dốc vô cực

Chế độ điều khiển PI

Hình 8: Đặc tính I/O của chế độ PI

- Chế độ PI là tổ hợp của chế độ P và I Ở đây khi thay đổi tín hiệu vào thì ban đầu bộ PI làm việc như khâu tỉ lệ tức là tín hiệu ra u tỉ lệ với sai lệch ε, sau đó chế độ I tạo ra sự thay đổi bổ xung ở tín hiệu ra tức là làm cho nó tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch

Tốc độ tích phân I là số đảo của thời gian cần thiết để chế độ I thích ứng lại sự thay đổi của tín hiệu ra do chế độ P đưa đến

- Chế độ I có xu hướng làm tăng dao động của đại lượng được điều khiển Độ khuyếch đại

P cần phải giảm khi kết hợp chế độ I Điều này làm giảm khả năng của bộ điều khiển để đáp ứng sự thay đổi nhanh của phụ tải Nếu quá trình có thời gian trễ lớn tín hiệu sai lệch không đáp ứng kịp thời sai lệch hiện có trong quá trình, sự trễ này sẽ dẫn đến quá hiệu chỉnh, chế độ I tiếp tục làm thay đổi tín hiệu ra của bộ điều khiển sau khi độ sai lệch đã giảm đến 0

- Chế độ PI thường dùng ở quá trình có thay đổi phụ tải lớn khi một mình chế độ P không

có khả năng giảm dao động và chế độ I tạo nên tác động hiệu chỉnh để triệt tiêu dao động

Chế độ điều khiển PID

Khâu I dùng để triệt tiêu sai lệch tỉ lệ khi thay đổi phụ tải Khâu D giảm dao động và tác động ngăn chặn sự thay đổi tín hiệu sai lệch Vì thế PID được dùng ở quá trình có tải trọng thay đổi đột ngột, mức độ thay đổi lớn

Các bộ PID thực tế có chen hệ số giới hạn đạo hàm α vào khâu PD nên u sẽ là

VAN

Hai loại van thông dụng là van trượt và van

xoay

- Van trượt tiêu biểu là van cầu (globe valve)

- Van xoay tiêu biểu là van bướm, van bi

Hình 9 Van điều khiển

Tuỳ thuộc yêu cầu công

nghệ mà người ta dùng van

có đầu xả (plug) khác nhau,

cho biết mỗi loại đầu xả có

khả năng cho môi chất đi

qua tuỳ hành trình tương đối

của van hình 10

Hình 10: Các loại đầu xả của van

Hình 11 : Độ mở và lưu lượng của van-đường đặc tính van

Kích cỡ van :

- Chọn van có kích cỡ đúng là rất quan trọng, nếu van quá nhỏ nó có thể không đáp ứng được yêu cầu cho dòng lưu chất đi qua, nếu quá lớn sẽ lãng phí và làm việc không ổn định.

- Mỗi van điều khiển đều có một hệ số Cv khác nhau phụ thuộc vào kích cỡ và loại van điều khiển.

- Để chọn được đúng van phải biết điều kiện dòng chảy thực tế và phương pháp tính toán Cv yêu cầu.

- Các công thức để tính kích thước van được chuẩn hoá bởi ISA được sử dụng khá rộng rãi đối với chất lỏng dòng bán tới hạn ( khi ΔP < ΔPs *FL2)

28

30

32

34

36

38

Có ba dạng phổ biến sau:

1 Van an toàn dạng không cân bằng

- Đây là dạng van an toàn có cấu tạo đơn giản

nhất, thường được sử dụng khi xả khí và hệ

thống không có áp suất hoặc ra môi trường

- Vì không có cơ cấu cân bằng nên sự hoạt

động của van bị ảnh hưởng rất lớn của áp suất

hệ thống xả (áp suất ngược).

- Khi áp suất hệ thống xả (áp suất ngược) lớn

hơn 10% áp suất đặt van an toàn, van dạng

không cân bằng không được sử dụng.

Hình 13 Van an toàn dạng cân bằng

2 Van an toàn dạng cân bằng

Sự khác biệt giữa van cân bằng và

không cân bằng là ở chỗ van dạng

cân bằng được thiết kế thêm một

pitong hoặc một ống sinphông đặt

phía trên đĩa làm kín nhằm loại trừ sự

tác động của áp suất ngược lên đĩa

làm kín.

3 Van an toàn dạng điều khiển pilot

- Hai dạng van cân bằng và không cân bằng trình bày ở trên đều dùng lực lò xo tác động trực tiếp lên đĩa làm kín, khi áp lực từ dưới thắng được lực lò xo thì van sẽ mở Đối với van

có áp suất lớn và lưu lượng lớn đòi hỏi lò xo phải có kích cỡ lớn tương ứng, do đó sẽ tăng đáng kể kích cỡ của van an toàn

- Điểm ưu việt của van an toàn dạng điều khiển pilot là dùng một “van an toàn nhỏ”-pilot để điều khiển van chính, do đó không cần dùng lò xo tác động trực tiếp lên đĩa làm kín Áp suất nguồn sẽ tác động đồng thời lên bề mặt trên và bề mặt dưói của đĩa làm kín (pitong),

do tiết diện tiếp xúc của mặt trên lớn hơn mặt dưới nên khi làm việc bình thường đĩa làm kín sẽ bị tác động đóng chặt Khi áp suất tăng vượt quá áp suất đặt của van an toàn nhỏ điều khiển (dạng lò xo), phần áp suất phía trên đĩa làm kín sẽ bị xả đi, áp suất phía dưới sẽ đẩy đĩa mở

- Van an toàn dạng điều khiển pilot bị hạn chế sử dụng trong các trường hợp khi môi

Hình 14 Van an toàn dạng điều khiển pilot

44

46

2 Đo lưu lượng kiểu turbine

- Đo lưu lượng kiểu turbine có

ứng dụng rộng rãi, ngoại trừ cho

chất lỏng có độ nhớt cao , khi làm

việc turbine sẽ quay mà tốc độ

quay phụ thuộc vào lưu lượng và

tính chất của môi chất qua nó Xác

định được tốc độ của turbine là

sẽ xác định được lưu lượng Do

đó thiết bị đo lưu lượng bằng

turbine là thiết bị đo tốc độ quay

của turbine.

- Mỗi vòng quay sẽ tương ứng

với một lưu lượng thể tích, được

xác định bằng hệ số turbine

Hình 15 Bộ đo lưu lượng kiểu turbine

50

52

54

tế thành độ dài tương đương để tính toán.

58

60

62

64

NPS: Nominal Pipe Size (inches),

Hình 16

Ống và các

thông số ghi

trên thân

70