Tự động hóa trong quá trình chưng tách khí

Ngày nay, trong hầu hết các ngành kinh tế, kĩ thuật, nhất là các ngành công nghiệp đều áp dụng kĩ thuật tự động hoá. Có thể nói, tự động hoá đã làm thay đổi diện mạo tất cả các ngành sản xuất, nhất là trong nền công nghiệp hóa học nơi đòi hỏi cần có sự chính xác cao trong các quá trình điều khiển. Nhờ ứng dụng các phương tiện kỹ thuật tiên tiến, hiện đại như các dụng cụ, các thiết bị và máy điều khiển cho phép thực hiện các quá trình công nghệ theo một chương trình đã được tạo dựng, phù hợp với những tiêu chuẩn cho trước. Có thể nói việc ứng dụng các hệ thống điều khiển trong các thiết bị cũng như toàn bộ hệ thống sản xuất là một bước tiến dài trong sự phát triển làm tăng sự ổn định và hiệu quả sử dụng.

1

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

PHẦN I: MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ 3

1 Thuyết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ 3

PHẦN II: LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN 4

1 Bộ điều khiển PID (proportional–integral–derivative controller) 4

2 Lý thuyết điều khiển PID 5

2.1 Khâu tỉ lệ 6

2.2 Khâu tích phân 7

2.3 Khâu vi phân 8

2.4 Tóm tắt 9

2.5 Dạng PID lý tưởng và tiêu chuẩn 10

PHẦN III: THIẾT LẬP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG DÂY CHUYỀN CHƯNG TÁCH KHÍ 11

1 Thiết lập sơ đồ chức năng đo và điều khiển tự động 11

1.1 Đo và điều khiển nhiệt độ, lưu lượng của tháp chưng DePropanizer 11 1.2 Đo và điều khiển nhiệt độ, áp suất và mức trong tháp chưng DeButanizer 14

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

2

MỞ ĐẦU Ngày nay, trong hầu hết các ngành kinh tế, kĩ thuật, nhất là các ngành công nghiệp đều áp dụng kĩ thuật tự động hoá Có thể nói, tự động hoá đã làm thay đổi diện mạo tất cả các ngành sản xuất, nhất là trong nền công nghiệp hóa học nơi đòi hỏi cần có sự chính xác cao trong các quá trình điều khiển

Nhờ ứng dụng các phương tiện kỹ thuật tiên tiến, hiện đại như các dụng

cụ, các thiết bị và máy điều khiển cho phép thực hiện các quá trình công nghệ theo một chương trình đã được tạo dựng, phù hợp với những tiêu chuẩn cho trước Có thể nói việc ứng dụng các hệ thống điều khiển trong các thiết bị cũng như toàn bộ hệ thống sản xuất là một bước tiến dài trong sự phát triển làm tăng

sự ổn định và hiệu quả sử dụng

Trong bài tiểu luận này em xin trình bày:”Tự động hóa trong dây chuyền phân tách khí”

3

PHẦN I: MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ

1 Thuy ết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ

Dòng nguyên liệu khí tự nhiên hóa lỏng (NGL Feed) áp suất P = 380 kPa

và nhiệt độ 15o

C qua van giảm áp rồi vào tháp tách, dòng lỏng và dòng khí được tách ra theo hai đường ống riêng biệt để đi vào các hệ thống công nghệ tiếp theo

của nhà máy Dòng lỏng từ đáy tháp tách được vận chuyển bằng bơm sau đó qua thiết bị trao đổi nhiệt trước khi đi vào tháp chưng tách propan

DePropanizer Khí từ đỉnh tháp chưng qua thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí

rồi qua tháp tách, sản phẩm khí propan được đưa vào bồn chứa, sản phẩm lỏng

từ tháp tách được đưa quay trở lại tháp chưng tách propan với mục đích làm tăng khả năng tách propan Sản phẩm lỏng từ đáy tháp chưng DePropanizer được đưa qua van giảm áp rồi tiếp tục đưa vào tháp chưng tách butan

DeButanizer Trên đỉnh tháp chưng sản phẩm khí thu được là hỗn hợp khí

butan, sản phẩm lỏng C5+thu được dưới đáy được đưa tới hệ thống bồn bể chứa

4

PHẦN II: LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN

1 B ộ điều khiển PID (proportional–integral–derivative

controller)

Hình 1: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế

phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong

các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ

biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi Một bộ điều khiển PID tính toán

một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt

mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh

giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá

trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất Tuy nhiên, để đạt được kết

quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính

chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải

phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do

đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và

đạo hàm, viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại,

giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân

5

xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này

có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa

vào tốc độ thay đổi hiện tại

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID,

bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều

khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối

ưu hoặc ổn định cho hệ thống

Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống Điều này đạt được bằng cách thiết đặt độ lợi của các đầu ra không mong muốn về 0 Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn

2 Lý thuy ết điều khiển PID

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV) Ta có:

trong đó:

Pout, Iout, và Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, được xác định như dưới đây

6

2.1 Khâu tỉ lệ

Hình 2: Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị K p (K i và K d là hằng số) Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ

với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân

sai số đó với một hằng số K p, được gọi là độ lợi tỉ lệ

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

trong đó

Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra

K p: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

e : sai số = SP − PV

t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh vòng) Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai

số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu

độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

7

2.2 Khâu tích phân

Hình 3: Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị K i (K p và K d không

đổi) Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả

biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh

được xác định bởi độ lợi tích phân, K i

Thừa số tích phân được cho bởi:

trong đó

Iout: thừa số tích phân của đầu ra

K i: độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh

e: sai số = SP − PV

t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại) τ: một biến tích phân trung gian

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy

8

trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác) Để tìm hiểu thêm các đặc điểm của việc điều chỉnh độ lợi tích phân và độ ổn của bộ điều khiển, xin xem phần điều chỉnh vòng lặp

2.3 Khâu vi phân

Hình 4: Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị K d (K p and K i không đổi)

Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân

tốc độ này với độ lợi tỉ lệ K d Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được

gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân,

K d

Thừa số vi phân được cho bởi:

trong đó:

Dout: thừa số vi phân của đầu ra

K d: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

e: Sai số = SP − PV t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

9

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn Chẳng hạn như mạch bù sớm pha

2.4 Tóm tắt

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra

của bộ điều khiển PID Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu

thức cuối cùng của giải thuật PID là:

trong đó các thông số điều chỉnh là:

Độ lợi tỉ lệ, K p: giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn Một giá gị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá trình mất ổn định và dao động

Độ lợi tích phân, K i: giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định

Độ lợi vi phân, K d: giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

10

2.5 Dạng PID lý tưởng và tiêu chuẩn

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển xuất hiện nhiều nhất trong công

nghiệp, và bộ điều khiển thích hợp nhất để điều chỉnh thuật toán là dạng chuẩn Trong dạng này, độ lợi K p được dùng trong khâu Iout, và Dout ,đạt được::

trong đó:

T i : là thời gian tích phân

T d : là thời gian vi phân

Trong dạng song song lý tưởng, được trình bày trong phần lý thuyết bộ điều khiển

các thông số độ lợi được liên kết tới dạng chuẩn thông qua và

Dạng song song này, trong đó các thông số được xử lý như là các

độ lợi đơn giản, là dạng tổng quá và linh hoạt nhất Tuy nhiên, nó cũng là dạng

mà các thông số có sự liên quan vật lý ít nhất và thường được dành riêng cho

việc khảo sát lý thuyết của bộ điều khiển PID Dạng chuẩn, mặc dù ít phức tạp hơn về mặt toán học, nhưng lại phổ biến hơn trong công nghiệp

11

PHẦN III: THIẾT LẬP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ

ĐỘNG DÂY CHUYỀN CHƯNG TÁCH KHÍ

1 Thi ết lập sơ đồ chức năng đo và điều khiển tự động

1.1 Đo và điều khiển nhiệt độ, lưu lượng của tháp chưng

DePropanizer

Hình 5: Sơ đồ điều khiển tháp chưng DePropanizer

Bộ điều khiển nhiệt độ của Reboiler được nối giữa đĩa 23 (Tray 23) của tháp và dòng nhiệt của bộ phận đun sôi đáy tháp (Reboiler) Nhờ bộ điều khiển này mà dòng nhiệt đun sôi đáy tháp được cấp chính xách để duy trì trạng thái hoạt động ổn định của tháp chưng, đảm bảo khả năng phân tách propan đạt hiệu suất cao Khi nhiệt độ trong Reboiler vượt quá mức cho phép thì sẽ làm giảm khả năng phân tách propan (do sản phẩm đỉnh sẽ lẫn thêm một lượng các cấu tử nặng hơn) và khi đó bộ điều khiển nhiệt độ sẽ đưa ra tác động làm giảm lượng nhiệt đun sôi đáy tháp từ đó đưa nhiệt độ tháp trở lại trạng thái ổn định

12

B ộ điều khiển nhiệt của Reboiler ( Reboiler Duty Control)

13

Bộ điều khiển mức trong thiết bị đun sôi đáy tháp DePropanizer được nối giữa van của dòng chất lỏng ra ở đáy tháp và Reboiler Nhờ bộ điều khiển này

mà mức chất lỏng ở trong Reboiler luôn ở mức ổn định để duy trì nhiệt cho lượng hơi tuần hoàn lại tháp chưng, nhờ đó mà tháp chưng làm việc ổn định Trong trường hợp cần điều chỉnh thay đổi nhiệt độ tháp chưng, ta chỉ cần tác động để thay đổi mức chất lỏng trong Reboiler, lượng khí quay trở lại tháp từ Reboiler sẽ theo đó mà thay đổi và nhiệt độ tháp cũng thay đổi theo

Hình 7: Sơ đồ và thông số bộ điều khiển mức trong Reboiler

14

1.2 Đo và điều khiển nhiệt độ, áp suất và mức trong tháp chưng

DeButanizer

Bộ điều khiển nhiệt độ và mức của Reboiler có tác dụng tương tự của

tháp chưng DePropanizer là dùng để ổn định nhiệt độ và mức chất lỏng trong

Reboiler đảm bảo cho tháp hoạt động ổn định và đạt hiệu suất chưng tách cao

15

Hình 9: Sơ đồ và thông số bộ điều khiển nhiệt của Reboiler

B ộ điều khiển nhiệt của Reboiler ( Reboiler Duty Control)

16

B ộ điều khiển mức trong Reboiler (Reboiler Level Control)

Ngoài ra, tháp DeButanizer còn có thêm bộ điều khiển áp suất và mức

của thiết bị làm lạnh đỉnh tháp (Condenser) Áp suất và mức của thiết bị ngưng

tụ đỉnh tháp rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến lượng sản phẩm khí lấy ra trên đỉnh tháp và lượng sản phẩm lỏng hồi lưu quay trở lại tháp chưng Khi áp suất của thiết bị ngưng tụ vượt quá mức cho phép tức là lượng hơi trong

17

thiết bị quá lớn sẽ làm lượng sản phẩm lỏng hồi lưu quay trở lại đáy tháp ít làm

giảm khả năng phân tách hay nói cách khác là giảm độ tinh khiết của lượng sản

phẩm đỉnh Mặt khác nếu mức chất lỏng trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều tức là

sẽ làm giảm lượng sản phẩm khí lấy ra trên đỉnh tháp chưng, nghĩa là ko đảm bảo về mặt năng suất của tháp Mặt khác, áp suất nếu tăng quá cao sẽ gây nguy hiểm trong việc vận hành tháp

Hình 11: Sơ đồ và thông số bộ điều khiển áp suất Condenser

18

19

Hình 12: Sơ đồ và thông số bộ điều khiển mức Condenser

B ộ điều khiển mức trong Condenser (Condenser Level Control)

Ngoài ra còn có các bộ điều khiển tháp tách sơ bộ nguyên liệu, nhiệt độ dòng vào tháp DePropanizer, tháp tách propan

20

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 TS Nguyễn Minh Hệ, Tự động hóa các quá trình công nghệ Hóa -

Thực phẩm, Hà Nội, 2009

2 PGS TS Nguyễn Thị Minh Hiền, Công nghệ chế biến khí tự nhiên

và khí đồng hành, NXB Khoa học kỹ thuật, 2002

3 Dynamic Modeling using HYSYS

4 William Luyben, Plantwide Dynamic Simulators in Chemical Processing and Control