NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG SẢN PHẨM VÀ HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA THÁP CHưNG CẤT TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU MỎ

Thực tế hiện nay các tháp chưng cất rất khó khăn trong việc giám sát và điều khiển nồng độ thành phần, mặt khác chất lượng sản phẩm không thể đo được nhanh và đảm bảo độ tin cậy.. Luận á

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

-

ĐẶNG VĂN CHÍ

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM VÀ HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA THÁP CHƯNG CẤT TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU MỎ

Chuyên ngành: Điện khí hoá mỏ

Mã số: 62.52.52.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2012

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Điện khí hóa Mỏ, Khoa Cơ điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Thái Duy Thức, Trường ĐH Mỏ - Địa chất

2 TS Trần Bá Đề, Trường ĐH Mỏ - Địa chất

Phản biện 1: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn

Trường Đại học dân lập Hải Phòng

Phản biện 2: GS.TSKH Cao Tiến Huỳnh

Viện Tự động hóa

Phản biện 3: PGS.TS Phan Xuân Minh

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận án sẽ được bảo vệ trước hội đồng đánh giá luận án cấp trường, họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội vào hồi giờ

… ngày … tháng … năm 2012

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện quốc gia, Hà Nội

2 Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nguồn cung dầu và khí cho các nhà máy chế biến, xử lý khí được thu gom từ các mỏ dầu khác nhau phân bố rải rác ở thềm lục địa Việt Nam Do vậy tính chất và thành phần hỗn hợp khí dầu mỏ thường không ổn định Trong khi sản xuất yêu cầu chất lượng của sản phẩm là không đổi

Thực tế hiện nay các tháp chưng cất rất khó khăn trong việc giám sát và điều khiển nồng độ thành phần, mặt khác chất lượng sản phẩm không thể

đo được nhanh và đảm bảo độ tin cậy Ở nước ta việc đo nồng độ này được thực hiện rời rạc bằng cách phân tích các mẫu đo theo từng thời gian nhất định, hoặc xác định nồng độ các chất thông qua việc ổn định nhiệt độ, áp suất ở đỉnh và đáy tháp Do đó sản phẩm thu được chưa được như mong muốn, chưa tận thu được các sản phẩm có chất lượng và giá trị cao Luận án đã sử dụng cảm biến mềm xác định trực tiếp nồng độ thành phần để điều chỉnh liên tục nồng độ các chất sao cho nồng độ sản phẩm gần với nồng độ đặt, duy trì sự ổn định chất lượng sản phẩm tháp là một đòi hỏi cấp thiết của các nhà máy lọc dầu và xử lý khí ở nước ta hiện nay Việc mô hình hóa, chỉnh định hợp lý các tham số, nghiên cứu giải pháp

đo lường trực tuyến nồng độ, khắc phục những hạn chế còn tồn tại nhằm nâng cao chất lượng điều khiển và chất lượng sản phẩm có thể đem lại những kết quả mong đợi đã làm cho đề tài có tính cấp thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu đặt ra là tìm được giải pháp sử dụng cảm biến mềm để đo lường trực tuyến nồng độ sản phẩm, ứng dụng cảm biến này vào vòng điều khiển trực tiếp nồng độ thành phần trên đỉnh và đáy tháp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất làm việc của tháp chưng cất dầu hiện nay

3 Đối tượng nghiên cứu

Các tháp chưng cất ở các nhà máy lọc dầu và chế biến khí ở Việt Nam

4 Nội dung nghiên cứu

Tổng quan tháp chưng cất, cơ sở lý thuyết quá trình chưng cất, nguyên

lý làm việc, các chế độ vận hành của tháp chưng cất

Tổng quan về hệ thống điều khiển tháp chưng cất trong các nhà máy lọc dầu, nguyên tắc cơ bản và các phương pháp điều khiển

Xây dựng mô hình toán, thiết lập các phương trình ở chế độ xác lập và các phương trình động học tháp

Nghiên cứu ứng dụng các bộ suy luận mờ để xác định các đặc tính tĩnh

và động Mô phỏng khảo sát sự ảnh hưởng của các tham số đến quá trình làm việc Phân tích đánh giá, lựa chọn giải pháp trong đo lường và điều khiển

Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo vào xây dựng bộ cảm biến mềm để đo lường trực tuyến nồng độ thành phần sản phẩm

Đề xuất sách lược điều khiển trực tiếp nồng độ thành phần để điều khiển chất lượng sản phẩm mong muốn, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất làm việc cho tháp chưng cất

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu phân tích các tài liệu, các công trình đã công bố trong và ngoài nước nhằm xác định mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra

Thành lập mô hình toán của tháp chưng cất, xây dựng các phương trình

mô tả các quá trình cơ bản với tất cả các khâu Nghiên cứu sự phụ thuộc hay quan hệ giữa các cửa vào, cửa ra của tháp đối với tất cả các tham số nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, nồng độ của các cấu tử…

Sử dụng công cụ mô phỏng hiện đại và đủ mạnh Matlab-Simulink để thực hiện mô phỏng, xác định các qui luật thay đổi thành phần các chất nhằm khẳng định các nghiên cứu lý thuyết cũng như mô hình toán của tháp Đánh giá kết quả mô phỏng lý thuyết với số liệu thực tế sản xuất nhằm mục đích hiệu chỉnh các tham số cho đối tượng và đề xuất các giải pháp trong đo lường và điều khiển hợp lý cho hệ thống

6 Ý nghĩa khoa học của luận án

Đưa ra được giải pháp sử dụng cảm biến mềm để đo trực tiếp nồng độ thành phần sản phẩm tháp chưng cất nhằm khắc phục những nhược điểm của phương pháp đo không liên tục

Giải pháp và hướng nghiên cứu sẽ giúp các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật trong các nhà máy xử lý khí, lọc hóa dầu làm chủ công nghệ, hiệu chỉnh các thông số làm việc phù hợp góp phần duy trì sự làm việc ổn định và nâng cao chất lượng sản phẩm tháp

7 Ý nghĩa thực tiễn của luận án

Đề tài không đơn thuần nghiên cứu lý thuyết mà còn mang một ý nghĩa thực tiễn gắn liền với điều kiện sản xuất cụ thể tại các nhà máy lọc dầu và

xử lý khí ở Việt Nam Các kết quả đạt được dựa trên quá trình mô phỏng đo liên tục bằng cảm biến mềm và kết quả điều khiển trực tiếp nồng độ thành phần đã góp phần duy trì sự làm việc ổn định, tin cậy, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất làm việc cho tháp chưng cất trong ngành công nghiệp dầu khí còn non trẻ của Việt Nam

8 Luận điểm bảo vệ

Để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất làm việc tháp chưng cất, ngoài việc thiết kế, lựa chọn công nghệ tiên tiến phù hợp thì cần phải

1 Lựa chọn các thông số vận hành tháp hợp lý: vị trí cấp liệu, số đĩa lý thuyết, nhiệt độ đỉnh và đáy tháp, áp suất làm việc, dòng hồi lưu dựa trên

mô hình toán học được thành lập

2 Nâng cao chất lượng của các bộ điều khiển, độ chính xác và tin cậy của các cảm biến đo lường, rút ngắn thời gian kiểm soát chất lượng sản phẩm so với hiện nay

9 Điểm mới của luận án

1 Đã ứng dụng bộ suy luận mờ fuzzy-logic để xác định hằng số cân bằng pha của hydrocacbon trong mô hình hóa tháp chưng cất nhằm xác định các đặc tính cần thiết

2 Đã ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo vào xây dựng bộ cảm biến mềm (đo lường suy luận) để xác định trực tiếp nồng độ thành phần sản phẩm của tháp chưng cất dầu mỏ tại Việt Nam

3 Đã ứng dụng bộ cảm biến mềm vào điều khiển trực tiếp nồng độ thành phần góp phần kiểm soát và duy trì ổn định chất lượng sản phẩm

mong muốn

10 Bố cục của luận án

Nội dung luận án được trình bày trong 4 chương với 16 bảng biểu và

111 hình vẽ, bao gồm các 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 TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT VÀ

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT

1.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất

Chưng cất được xác định như một quá trình trong đó có sự pha trộn giữa hai pha lỏng và hơi của hai hay nhiều chất Chúng sẽ được tách ra thành các chất theo một tỉ lệ thành phần tinh khiết nhất định, bằng việc ứng dụng quá trình trao đổi nhiệt và ngưng tụ để được 2 phần: phần nhẹ và phần nặng

1.2 Cấu tạo, nguyên tắc làm việc và hoạt động của tháp chưng cất 1.2.1 Giới thiệu về các loại tháp chưng cất

Có hai loại: Tháp vận hành từng đợt và vận hành liên tục

1.2.2 Thiết bị chưng cất cơ bản và quá trình vận hành

Sơ đồ cấu trúc cơ bản của tháp chưng cất điển hình gồm một dòng cấp

liệu và hai dòng sản phẩm ra như hình 1.1

Cấp liệu

Vùng cất (Rectification section)

Vùng chưng (Stripping section)

Sản phẩm đáy tháp

Dòng nhiệt nóng đi vào

Dòng nhiệt nóng đi ra

Nồi gia nhiệt

Reboiler

Dòng hồi lưu đỉnh tháp

Dòng sản phẩm đỉnh

Thiết bị ngưng tụ

Bình hồi lưu đỉnh

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của một tháp chưng cất

1.2.3 Các thiết bị bên trong tháp chưng cất

Bao gồm một hệ thống đĩa lọc, trong tháp dòng hơi sẽ được thoát lên trên qua khe lỗ xuyên qua dòng lỏng trên đĩa Hai dòng này giao lưu với nhau tạo khả năng phân tách chất tinh khiết

1.2.4 Thiết bị gia nhiệt

Đáp ứng yêu cầu truyền đủ năng lượng nhiệt cho dòng lỏng dưới đáy

Mô tả sự cân bằng thành phần lỏng – hơi ở một số điểm áp suất cố định

1.2.7 Những yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của tháp chưng cất

+ Các điều kiện về dòng cấp liệu

+ Các điều kiện về dòng hồi lưu

+ Các điều kiện về dòng hơi

Nhiệt độ là thông số quan trọng nhất của tháp chưng cất Thay đổi chế

độ nhiệt, sẽ điều chỉnh được chất lượng sản phẩm và hiệu suất làm việc Chế độ nhiệt của tháp gồm nhiệt độ dòng nguyên liệu đầu vào, nhiệt độ đỉnh, nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ đáy tháp

Áp suất của tháp:

Khi điều chỉnh áp suất trong tháp sẽ làm thay đổi điểm sôi của chất lỏng Ở mỗi phân đoạn sườn lấy sản phẩm ra, áp suất cũng khác nhau, chúng phụ thuộc vào việc tăng, giảm nhiệt độ sản phẩm lấy ra khỏi tháp Sự làm việc ổn định của tháp phụ thuộc nhiều vào áp suất làm việc tháp

1.4 Tổng quan hệ thống điều khiển tháp chưng cất

1.4.1 Các nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển

Điều khiển đóng mở ON-OFF, phương pháp điều khiển của loại này là

logic, với cổng OR, AND, NAND Cách đây 40 năm bộ điều khiển loại này là một hệ thống rơle và rơle thời gian đặt trong tủ bảng

Điều khiển quá trình: Trong các nhà máy lọc hóa dầu và chế biến khí, người ta sử dụng chủ yếu loại điều khiển này Quá trình sản xuất là liên tục, các thông số điều khiển bao gồm nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng, lưu lượng, độ pH, nồng độ vv

1.4.2 Hệ thống điều khiển phân tán DCS trong các nhà máy lọc dầu

Những lợi thế mà hệ thống điều khiển phân tán DCS mang lại:

+ Đảm bảo an toàn cao trong quá trình hoạt động

+ Lưu trữ các thông tin trong quá trình hoạt động phục vụ cho công tác thống kê, nghiên cứu, hoạch định chiến lược

+ Cung cấp cái nhìn tổng quát nhất về hoạt động của nhà máy

+ Các module tính toán cho phép triển khai các chiến lược điều khiển nhằm mục đích tối ưu hiệu quả công nghệ và hiệu quả kinh tế

Đưa ra cấu trúc các sơ đồ điều khiển, phân tích ưu nhược điểm các hệ thống điều khiển thường ứng dụng trong các nhà máy lọc dầu:

+ Điều khiển phản hồi (Feed back control)

+ Điều khiển tầng (Cascade control

+ Điều khiển truyền thẳng (Feed forward control)

+ Điều khiển kết hợp giữa Feed back và Feed forward

+ Kỹ thuật điều khiển có lựa chọn Override Control

1.4.3 Hệ thống điều khiển tháp chưng cất ở Nhà máy khí Dinh Cố Giới thiệu các vòng điều khiển nhiệt độ đỉnh, đáy tháp, ồn định mức và

ổn định lưu lượng

1.4.4 Hệ thống điều khiển tháp chưng cất nhà máy lọc dầu Dung Quất 1.4.4.1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất

Vòng điều khiển nhiệt sử dụng sách lược điều khiển phản hồi Bộ điều khiển dựa vào các tín hiệu chênh nhiệt độ dòng hồi lưu trước và sau khi đi

qua bộ trao đổi nhiệt để tính toán và so sánh với giá trị đặt

1.4.4.2 Hệ thống điều khiển mức đáy tháp

Hệ thống điều khiển mức đáy tháp sử dụng sách lược điều khiển tầng với LIC007 là bộ điều khiển sơ cấp, trong khi các bộ điều khiển lưu lượng

là các bộ điều khiển thứ cấp

1.5 Nhận xét

Tháp chưng cất là một đối tượng điều khiển phi tuyến phức tạp Việc điều chỉnh một thông số của tháp sẽ làm ảnh hưởng và tác động nhiễu tới các biến khác, tác động tới hiệu suất làm việc cũng như chất lượng sản phẩm đầu ra

Ở trong nước và trên thế giới cũng đã có các đề tài nghiên cứu về tháp chưng cất, tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu trước đây tập trung chủ yếu vào điều khiển tách kênh, điều khiển cascade control…tập trung vào mục đích duy trì nhiệt độ đỉnh, nhiệt độ đáy tháp, ổn định áp suất làm việc tháp Việc giám sát chất lượng hiện nay vẫn phụ thuộc vào việc lấy mẫu và phân tích thí nghiệm Tác giả đề nghị giải pháp xây dựng một bộ cảm biến mềm để đo trực tuyến nồng độ thành phần để có thể tác động, can thiệp kịp thời trong điều chỉnh và điều khiển ổn định chất lượng sản phẩm ra tháp

Chương 2

MÔ HÌNH HÓA THÁP CHƯNG CẤT DẦU MỎ

2.1 Nghiên cứu xây dựng mô hình toán cho tháp chưng cất

2.1.1 Mục đích của việc xây dựng mô hình toán

+ Biểu diễn những hiểu biết về chưng cất bằng các phương trình toán học + + Phân biệt được bản chất và làm rõ các hiện tượng xảy ra trong tháp + Xây dựng qui luật cho các tháp chưng cất khác với chức năng tương tự + Tối ưu hóa thiết kế công nghệ, đưa ra những tham số hiệu chỉnh cho tháp trong các điều kiện vận hành khác nhau

+ Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển

2.1.2 Các điều kiện cần thiết để xây dựng một mô hình toán

+ Có những hiểu biết cơ bản về bản chất hóa học, về tính chất hóa lý kỹ thuật của dầu mỏ và của các phân đoạn chưng cất

+ Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý làm việc của tháp và các thiết bị phụ trợ như nồi tái đun, bình ngưng, hệ thống điều khiển các tham số tháp… + Các biểu đồ, đồ thị về hằng số cân bằng pha, nhiệt dung của hydrocacbon,

về entalpy của các phân đoạn dầu mỏ

+ Ccó được tất cả các số liệu đo đối với dòng cấp liệu như : lưu lượng, nồng

độ %mol các cấu tử, tỉ lệ lỏng – hơi của hỗn hợp, nhiệt độ, áp suất, entalpy…, cũng như yêu cầu về độ tinh khiết, chất lượng sản phẩm đỉnh và đáy tháp

2.1.3 Phương pháp xây dựng mô hình

- Tạo ra một mô hình lý thuyết bằng cách nghiên cứu các quy luật hóa lý

- Xây dựng các công thức của quá trình nghiên cứu, sử dụng sự phụ thuộc hay quan hệ giữa các cửa vào, ra của tháp

- Thành lập các phương trình mô tả các quá trình cơ bản đối với tất cả các khâu, phương trình liên hệ giữa các khâu

- Xây dựng mô hình, thiết lập thuật toán và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Simulink Matlab

2.1.4 Mô hình toán học tháp chưng cất

2.1.4.1 Một số giả thiết khi xây dựng mô hình toán

1 Các đĩa lọc trong tháp làm việc với hiệu suất đạt 100 %

2 Lượng lỏng trên đĩa không thay đổi trong chế độ quá độ

3 Chất lỏng trong tháp ở nhiệt độ sôi, hơi ở trạng thái bão hòa

4 Tốc độ bay hơi và tốc độ ngưng tụ là bằng nhau

5 Chưng cất được thực hiện trong điều kiện cân bằng pha lỏng – hơi…

2.1.4.2 Phương trình toán ở trạng thái xác lập

+ Ở trạng thái cân bằng pha, nồng độ thành phần được cân bằng trong cả pha hơi và pha lỏng (2.4)

j j j T

j j

P

P x

K

C

1 j j j

+ Độ bay hơi tương đối để đánh giá khả năng phân tách của các cấu tử Độ

bay hơi của cấu tử j so với cấu tử k xác định:

k k

j j jk

x / y

x / y

Nc

1 j j B Nc

1 j

Nc

1 j j D F

m F

2.1.4.3 Các phương trình toán động học

- Thành lập phương trình toán ở đĩa cấp liệu, đĩa trên cùng, đĩa thứ i, đĩa dưới cùng, tại thiết bị ngưng tụ, thiết bị gia nhiệt…

- Ví dụ tại thiết bị gia nhiệt ta có các phương trình sau:

Hình 2.9 Mô tả các dòng vật chất tại thiết bị gia nhiệt

+ Phương trình cân bằng khối lượng:

B L V

dt

dM

1 B

B    (2.75)

+ Cân bằng về nồng độ thành phần:

1 N , 1 j Bx x

L y V dt

B j 1 1 j B B j

B

+ Phương trình cân bằng năng lượng:

R B 1 1 B B B

2.2 Mô phỏng tháp chưng cất

2.2.1 Ý nghĩa của quá trình mô phỏng tháp chưng cất

+ Dự báo các hành vi và diễn biến của quá trình trong tháp

+ Thiết kế cấu trúc và xây dựng các thuật toán điều khiển

2.2.2 Cơ sở dữ liệu mô phỏng

Chọn tháp chưng cất phân đoạn C-01 đang được vận hành thực tế tại nhà máy xử lý khí Dinh Cố

2.2.3 Mô phỏng các đặc tính tĩnh và động học tháp chưng cất

2.2.3.1 Khảo sát các đường đặc tính tĩnh

Hình 2.12 Giao diện chính mô phỏng tháp chưng cất