ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN TRONG CÔNG NGHIỆP LỌC HÓA DẦU

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 tr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

-

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Hoàng Minh Sơn

2 PGS.TS Nguyễn Đức Khoát

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

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

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………

2.2.3 Bình tích V-15 (Deethanizer Bottom Buffer Drum)………

35 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

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

D Lưu lượng sản phẩm đỉnh kmol/s

LAHH Cảnh báo mức quá cao PAHH Cảnh báo áp suất quá cao LALL Cảnh báo mức quá thấp

n F Chỉ số đĩa cấp liệu tại đĩa f

α j,k Độ bay hơi tương đối của cấu tử j so với cấu tử k

DANH MỤC BẢNG

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 nhau……… 93

3.3 Nồng độ sản phẩm tháp……… 96

3.4 Yêu cầu về chất lượng sản phẩm……… 104

DANH MỤC HÌNH VẼ

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 (C5+)……… 50

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 khiển PID……… 58

2.18 Phân bố nồng độ sản phẩm tháp theo chiều cao tháp……… 59

2.19 Động học dòng lỏng……… 59

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 L(V/F)……… 93

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

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

3.20 Đáp ứng của sản phẩm tháp khi thay đổi giá trị đặt yD từ 0.9931 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; Nu = 1 112

3.25 Đáp ứng sản phẩm đỉnh, đáy và tín hiệu điều khiển với Ny = 3; λ = 0.1 113

3.26 Đáp ứng sản phẩm đỉnh, đáy và tín hiệu điều khiển với Ny = 3; Nu = 5……… 113

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 = 10……… 115

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

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

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-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

- 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

- 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

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

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

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

- 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

Các loại mô hình được sử dụng chủ yếu cho tháp chưng cất là mô hình vật lý và

mô hình toán học:

- Mô hình vật lý: Các thiết bị của hệ thống được đơn giản hóa và thu nhỏ với một tỷ lệ nhất định Việc xây dựng mô hình loại này mất rất nhiều thời gian và kinh phí, thường khó khả thi trong các nhà máy, dự án nhỏ

- Mô hình toán học: Là một mô hình trừu tượng ở đó đặc tính của hệ thống thực được phản ánh qua các phương trình toán học Mô hình được sử dụng để điều khiển các quá trình liên tục, phân tích các đặc tính động học của quá trình, thiết kế tối ưu cho hệ thống hay tính toán các điều kiện làm việc tối ưu Mô hình có thể được xây dựng bằng phương pháp lý thuyết, phương pháp thực nghiệm hoặc kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm, có tính linh hoạt cao và sẽ được đề cập tới trong luận án

1.3.1 Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp lý thuyết

Phương pháp lý thuyết xây dựng mô hình dựa trên các định luật vật lý, hóa học

cơ bản kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được

là một hệ phương trình vi phân và phương trình đại số Mô hình lý thuyết xuất phát

từ các phương trình cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng Cân bằng khối lượng có thể được cụ thể hóa bằng phương trình cân bằng tổng khối lượng hoặc cân bằng thành phần [6], [35], [65], [67] Ivar J Halvorsen và Sigurd Skogestad; William L.Luyben; Page S Buckley; K.W Mathisen, M Morari và rất nhiều tác giả khác đã công bố kết quả xây dựng mô hình tháp chưng cất bằng phương pháp này Phương pháp lý thuyết phụ thuộc nhiều vào quá trình cụ thể, đòi hỏi nhiều kinh nghiệm thực tế

Chưng cất là một quá trình động trong đó một hỗn hợp được phân tách, trữ lượng tháp và nồng độ thành phần của các cấu tử thay đổi liên tục, vì thế mô hình toán học của quá trình phải là động, bao gồm cả phương trình đại số và phương trình vi phân Một mô hình chi tiết cho tháp chưng cất bao gồm các phương trình cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, trên mỗi đĩa, cân bằng nồng độ thành phần,

động học của các đĩa (thay đổi trữ lượng dòng lỏng), động học áp suất, mô hình của bình ngưng và thiết bị gia nhiệt [36] Tuy nhiên, cho đến nay các mô hình đã có đều được đơn giản hóa với nhiều giả thiết như bỏ qua ảnh hưởng của cấu trúc tháp đến cân bằng năng lượng, bỏ qua động học dòng lỏng, bỏ qua động học áp suất… Các bước xây dựng mô hình:

- Thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng vật chất,

- Xây dựng 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, lựa chọn phương pháp giải hệ phương trình

Xây dựng một mô hình ở trạng thái xác lập hay một mô hình động cho tháp chưng cất thường khá đơn giản Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, kết quả nhận được là một số lượng lớn các phương trình vi phân và phương trình đại số Việc giải hệ phương trình này là một thách thức trong những năm đầu của mô hình hóa tháp chưng Mô hình tháp chưng đầu tiên được thiết lập vào những năm 1920 dựa trên phương pháp đồ họa (McCabe and Thiele) [35], được đơn giản hóa tối đa

và chỉ dừng lại với mô hình ở trạng thái xác lập Mô hình này dựa trên cơ sở các giả thiết khá hạn chế, nhưng lại có chứa thông tin quan trọng về trạng thái xác lập của tháp chưng cất

Một trong những mô hình động đầu tiên được xây dựng bởi Marshall và Pigford,sử dụng các phương trình tuyến tính đơn giản và giải chúng bằng phép biến đổi Laplace

Sự ra đời của máy tính số vào những năm 1975 cho phép giải quyết nhiều mô hình phức tạp hơn Rosenbrock [69] đã xây dựng mô hình động, phi tuyến mặc dù còn khá đơn giản, cho tháp chưng hai cấu tử bằng máy tính số Mô hình đã được tác giả sử dụng trong việc phân tích chế độ động, thiết kế điều khiển tháp chưng hai thành phần, lựa chọn cấu trúc điều khiển và phân tích tương tác giữa các vòng điều khiển Trong những năm tiếp theo, sự phát triển của máy tính số cho phép giải các

hệ phương trình đại số và phi tuyến phức tạp, nhiều bài báo đã công bố kết quả

nghiên cứu xây dựng mô hình tháp chưng động và ở trạng thái xác lập trong 40 năm qua

Buckley và cộng sự [75] đã xây dựng mô hình lý thuyết cho tháp chưng cất trong đó động học dòng lỏng đã được đề cập đến Mô hình được sử dụng để thiết kế

bộ điều khiển mức, áp suất cho tháp nhưng vấn đề điều khiển thành phần (lựa chọn cấu hình điều khiển) chưa được thảo luận tới

Động học thành phần của tháp chưng tương đối chậm Tuy nhiên nó rất quan trọng đối với các nghiên cứu điều khiển phản hồi để tập trung không chỉ vào trạng thái động mà còn kết hợp hiệu ứng động học nhanh Các hiệu ứng có thể bao gồm khâu lưu giữ bậc không – ZOH và khâu chậm trễ gây ra bởi động học của dòng lỏng Skogestad và cộng sự [66] đã chỉ ra tầm quan trong của sự trễ gây ra bởi động học của pha lỏng đối với đặc tính điều khiển phản hồi của tháp chưng cất

Skogestad [68] trình bày phương pháp xây dựng mô hình đơn giản cho trạng thái xác lập và quá trình động của tháp chưng cất Với điều khiển phản hồi, một mô hình chính xác của đối tượng thường không cần thiết Thay vào đó, nên sử dụng một mô hình đơn giản (tốt nhất là một mô hình tuyến tính) trong đó bao gồm các yếu tố quan trọng nhất cho điều khiển phản hồi (đáp ứng ngược, hiệu ứng đa biến,

độ nhạy mô hình) Phân tích cho thấy mô hình ở trạng thái xác lập dự báo một cách chính xác đáp ứng của đối tượng ở các chế độ động và tĩnh

Trạng thái động của tháp chưng có thể được xấp xỉ với mô hình hai hằng số thời gian bằng cách xem xét sự khác biệt cơ bản giữa các dòng chảy nội và dòng bên ngoài Các phân tích về mô hình của Skogestad [73] cho thấy có rất nhiều khả năng để giữ cho sản phẩm có độ tinh khiết cao với độ hồi lưu lớn Một ưu điểm của

mô hình là nó mô tả được trạng thái của tháp ở cả tần số thấp và cao, cung cấp thông tin, dự đoán của các phản ứng ban đầu, hiệu ứng tuyến tính hóa của các thành phần Chất lượng điều khiển có thể không được như mong muốn nếu chỉ sử dụng thông tin ở trạng thái xác lập Tuy nhiên, trong trường hợp này kết quả thực nghiệm cho thấy cả hai sản phẩm của tháp đều có độ tinh khiết cao

Mặc dù các mô hình hai hằng số thời gian thường đơn giản, phù hợp với đáp ứng động của một lớp lớn các tháp chưng cất nhưng nó không được áp dụng thường xuyên vì: Có một số lượng lớn tháp chưng cất yêu cầu về độ tinh khiết thấp với độ hồi lưu nhỏ thì một mô hình một hằng số thời gian là thỏa đáng; Mô hình này là không phù hợp cho một số tháp có độ tinh khiết thấp, có sự khác biệt lớn trong thời gian đáp ứng của đỉnh và đáy

Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến cho tháp chưng, mô hình vòng hở

cũng như mô hình tháp với các cấu trúc LV, DV, L/D-V/B được Skogestad xây dựng

năm 1997 [68] Mô hình này tương tự với một mô hình được đưa ra trong cuốn sách của Morari và Zafiriou [52] ngoại trừ việc động học của các dòng lỏng, thông tin quan trọng trong điều khiển phản hồi đã được xem xét tới trong mô hình Mô hình

đã được sử dụng trong một số bài báo về điều khiển và động học tháp chưng [67], [68], [69]

Các giả thiết được sử dụng khi xây dựng mô hình: hỗn hợp nhị phân, áp suất không đổi, biến động tương đối liên tục, ngưng tụ toàn phần; lưu lượng mol không đổi, không có trữ lượng hơi trên các đĩa, động học chất lỏng được tuyến tính hóa,

hạn chế, nhưng chúng chứa các thông tin quan trọng đối với động học và điều khiển Một số giả thiết đã được các tác giả sử dụng trong nghiên cứu của mình:

Bỏ qua trữ lượng hơi trên mỗi đĩa

Thông thường trữ lượng pha hơi trên mỗi đĩa là không đáng kể và thường bị bỏ

qua (M iV = 0) Với giả thiết này, sự thay đổi trong lưu lượng hơi ở đáy tháp sẽ ngay lập tức làm thay đổi lưu lượng hơi trên đỉnh tháp Giả thiết này sẽ gây tác động xấu cho các cấu tử dễ bay hơi, tháp có áp suất cao hoặc tỷ trọng pha lỏng thấp [73] Choe và Luyben đã chứng minh trữ lượng hơi trên mỗi đĩa chỉ cần thiết được đề cập tới khi nó chiếm hơn 20% so với trữ lượng pha lỏng trong tháp

Áp suất không đổi và bỏ qua trữ lượng hơi trên mỗi đĩa

Đây là một giả thiết rất phổ biến vì áp suất ở các tháp chưng cất thường được điều khiển chặt Vì áp suất không đổi nên thông tin lấy được từ mỗi đĩa sẽ ít hơn,

nhưng vẫn bao gồm nồng độ thành phần (x ij ), trữ lượng pha lỏng (M i ) và áp suất (p i)

(Critsis [73]) Từ x ij , p i Doukas, Luyben và Howard đã tính được y ij , T i và h i , L i

Áp suất không đổi nhưng trữ lượng hơi trên mỗi đĩa thay đổi

Choe và Luyben [67] đã chứng minh giả thiết này có tác động gần tương tự như trường hợp bỏ qua trữ lượng hơi trên mỗi đĩa

Năng lượng trên mỗi đĩa là không đổi

 i Li/ 0

Giả thiết này thường được sử dụng khi cần có phương trình cân bằng năng lượng là một phương trình đại số Tuy nhiên, trừ trường hợp d M h i Li/dtthực sự bằng không, giả thiết này thường sai và không được sử dụng

Enthalpy pha lỏng không đổi

có thay đổi lớn về áp suất tháp

Lưu lượng mol không đổi

Dòng hơi đi lên trong tháp là bằng nhau tại mỗi đĩa Với các giả thiết về năng lượng và áp suất tháp không đổi thì phương trình cân bằng năng lượng có thể được đơn giản hóa hơn với giả thiết hLi  Phương trình cân bằng năng lượng trở thành: 0

Bỏ qua động học dòng lỏng

Giả thiết trữ lượng dòng lỏng tại mỗi đĩa là không đổi, nghĩa là dM / dti  0Đây là giả thiết khá phổ biến vì động học thành phần chậm hơn nhiều so với động học dòng lỏng và gần như không bị ảnh hưởng gì bởi động học dòng lỏng (Levy và cộng sự [73]) Tuy nhiên, đối với mục đích điều khiển, các đáp ứng ban đầu rất quan trọng vì thế buộc phải xem xét tới sự thay đổi của dòng lỏng trong tháp

Tuyến tính hóa động học dòng lỏng

Giả thiết này thường được chấp nhận trong trường hợp hệ thống sử dụng bộ

điều khiển phản hồi Rademaker et al [73] tuyến tính hóa phương trình cân bằng vật

Lựa chọn các giả thiết để xây dựng mô hình

Với tất cả các giả thiết có thể để xây dựng mô hình tháp chưng cất, có 3 loại mô hình thường được sử dụng [73]:

- Loại 1: Mô hình bao gồm các phương trình cân bằng năng lượng, vật chất, thành phần Các giả thiết: bỏ qua trữ lượng hơi và áp suất không đổi

- Loại 2: Bao gồm các phương trình cân bằng năng lượng, vật chất, thành phần Các giả thiết: bỏ qua trữ lượng hơi; áp suất không đổi, lưu lượng mol không đổi

- Loại 3: Bao gồm các phương trình cân bằng năng lượng, vật chất, thành phần Các giả thiết: bỏ qua trữ lượng hơi; áp suất không đổi, lưu lượng mol không đổi, bỏ qua động học dòng lỏng Đối với mục đích điều khiển thì mô hình này không được

sử dụng

Với mô hình loại 2, Skogestad đã công bố các kết quả quan trọng trong nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm về động học và điều khiển tháp chưng Bao gồm điểm làm việc xác lập, khảo sát đáp ứng động, phân tích lựa chọn cấu trúc điều khiển và bộ điều khiển cho tháp chưng cất [61], [63], [68] Petter Lundstrom [61] sử dụng mô hình để phân tích ưu điểm của bộ điều khiển đa biến tập trung so với bộ điều khiển đơn biến phi tập trung Một ưu điểm nổi bật là việc xử lý các ràng buộc

tự động không thể thực hiện bởi một bộ điều khiển tuyến tính cố định nhưng có thể được thực hiện dựa trên quá trình tối ưu hóa trực tuyến (ví dụ bộ điều khiển MPC) Henrik Manum [34] sử dụng mô hình để triển khai các giải pháp điều khiển đơn giản cho bài toán điều khiển tối ưu tháp chưng cất

Các ưu điểm của mô hình toán học xây dựng bằng phương pháp lý thuyết là rất

rõ ràng Tuy nhiên, độ chính xác của mô hình phụ thuộc rất lớn vào các tham số ban đầu của mỗi tháp chưng cất Cho đến nay, trong tất cả các công trình đã công bố liên quan đến mô hình tháp đều coi như các tham số này đã có sẵn hoặc phải thu thập từ thực nghiệm [78] Vấn đề xác định tham số phục vụ việc xây dựng mô hình

sẽ được giải quyết trong luận án với đối tượng cụ thể là tháp chưng cất C-02 của nhà máy xử lý khí Dinh Cố

1.3.2 Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng quá trình) ước lượng mô hình dựa trên

cơ sở số liệu vào/ra thực nghiệm [5], [6], [7] Phương pháp này đã được ứng dụng thành công trong nhiều ngành công nghiệp từ những năm 1970

Các yếu tố cơ bản của nhận dạng bao gồm: Số liệu vào/ra thực nghiệm; dạng

mô hình, cấu trúc mô hình; chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô hình; thuật toán xác định tham số Nhận dạng quá trình được tiến hành qua các bước:

- Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình

- Lựa chọn phương pháp nhận dạng; lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra

Xây dựng mô hình tháp chưng bằng phương pháp nhận dạng là một giải pháp hợp lý và đã được công bố nhiều trên thế giới [68] Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện tại chưa có công trình nghiên cứu nào xây dựng mô hình tháp chưng thông qua phương pháp này Lý do chính là việc can thiệp vào hệ thống thực, thu thập dữ liệu vào/ra là việc vô cùng khó khăn vì một sơ suất nhỏ cũng sẽ ảnh hưởng rất lớn tới nhà máy về mặt kinh tế cũng như an toàn sản xuất

1.4 Điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm

Sau khi xác định được mô hình đối tượng, điều khiển tháp chưng cất được tiến hành theo hai bước: Xác định cấu hình điều khiển và xây dựng bộ điều khiển cho tháp chưng cất

1.4.1 Các cấu hình điều khiển tháp chưng cất

Một nhiệm vụ quan trọng trong việc thiết kế hệ thống điều khiển là xác định cấu trúc điều khiển Thiết kế cấu trúc điều khiển đề cập tới tất cả các quyết định về cấu trúc bao gồm: lựa chọn biến vào/ra, biến đo, cấu hình điều khiển, bộ điều khiển Skogestad và Postlethwaite [75] tóm tắt các bước trong thiết kế cấu trúc điều khiển:

1 Lựa chọn các biến đầu ra (một tập hợp các biến được điều khiển để đạt được các mục tiêu cụ thể)

2 Lựa chọn các biến vào và các biến đo (các biến điều khiển và biến đo cho mục đích điều khiển)

3 Lựa chọn một cấu hình điều khiển (một cấu trúc kết nối giữa các biến đo, biến điều khiển, biến được điều khiển )

4 Lựa chọn loại bộ điều khiển (PID, tách kênh, )

Có thể dễ dàng nhận ra rằng việc thiết kế một cấu trúc điều khiển phức tạp hơn nhiệm vụ tổng hợp một bộ điều khiển cho một tập nhất định các biến đo và cơ cấu chấp hành Với một số lượng lớn các phép đo, các biến vào/ra sẽ tạo ra một số lượng lớn các tổ hợp giữa chúng, do đó việc phân tích khả năng điều khiển và thiết

kế thiết kế bộ điều khiển cho mỗi sự kết hợp có thể tốn rất nhiều thời gian Công

việc thiết kế cấu trúc điều khiển trong luận án này chủ yếu là xem xét bước 3) với biến vào/ra cơ bản đã được lựa chọn

1.4.1.1 Khái quát về cấu trúc điều khiển tháp chưng cất

Sơ đồ đặc tả điều khiển cho tháp chưng cất hai sản phẩm được cho trên hình 1.2

TC

SP

PC

AC LC

Hình 1.2 Sơ đồ đặc tả các bài toán điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩmHầu hết các tháp chưng cất đều được xem xét như một đối tượng 5 x 5 [73]

dy s( )G5 5 ( )s du s( ) trong đó các đầu vào u và đầu ra y:

x V

Trong hầu hết các trường hợp, V và V T được điều khiển gián tiếp thông qua bình

ngưng và thiết bị gia nhiệt Áp suất được giả thiết được điều khiển chặt bởi V T Do

đó mức M D , M B sẽ được điều khiển bởi tổ hợp của các biến L, V, D, B Hai biến đầu

ra còn lại là thành phần sản phẩm sẽ được điều khiển bởi hai biến điều khiển còn lại Sự kết hợp giữa chúng sẽ cho các cấu hình điều khiển khác nhau của tháp chưng cất

Các cấu hình chuẩn, được sử dụng bởi Shinskey [66] bao gồm các lưu lượng L,

V, D, B và tỷ số giữa chúng Các biến được điều khiển này có ưu điểm là tương đối

dễ thực hiện và dễ hiểu để vận hành Thông thường sử dụng L và D cho đỉnh tháp

và V, B cho đáy tháp

Không có một cấu hình đơn nào phù hợp với tất cả các tháp chưng vì không thể đưa ra được một hệ thống điều khiển giải quyết được các bài toán điều khiển cho chúng [66] Với một số lượng lớn cấu hình có thể cho một tháp chưng, rõ ràng cần phải có một công cụ giúp các kỹ sư lựa chọn được một cấu hình tốt nhất cho tháp của mình Luyben [41] nhấn mạnh về sự đa dạng của tháp chưng, các quá trình và các nhà máy và nghi ngờ về khả năng tìm được một công cụ lựa chọn cấu trúc điều khiển Tuy nhiên, Birky et al đã so sánh các luật của Page Buckley và Greg Shinskey trên một tập hợp lớn các tháp chưng đã nghiên cứu và tìm ra 3 trong số 18

cấu trúc đề xuất Đó là cấu hình LV, DV và DB

Các bài báo khác đề cập tới lựa chọn cấu trúc như: Waller [81]; Skogestad [56];

Haver [24] Cấu hình (L/V)(D/B) có nhiều ưu điểm về kháng nhiễu nhưng lại khó

thực hiện trong thực tế

1.4.1.2 Cấu hình LV

Đây là cấu hình thông dụng nhất trong công nghiệp [75] Ưu điểm chính của nó

là các biến điều khiển ảnh hưởng trực tiếp tới nồng độ thành phần sản phẩm đỉnh và đáy tháp, và hầu như nó độc lập với vòng điều chỉnh mức Nó cũng hoạt động tốt

trong trường hợp điều khiển một điểm

TC TT

LC LT

FC

FC

TC TT

sẽ gây ra thay đổi lớn trong dòng trong (L và V) mà không ảnh hưởng đến dòng ngoài (D và B), khi đó giá trị của biến điều khiển sẽ không bao giờ biết được một

cách chính xác Skogestad [73] thiết kế bộ điều khiển PID với hằng số thời gian vòng kín nhỏ hơn 10 phút và thấy chúng làm việc tốt miễn là thời gian trễ đo không quá lớn (1 đến 2 phút) Hiệu suất sẽ xấu đi đáng kể nếu các vòng điều khiển vì lý do nào đó không được điều chỉnh vì tính tương tác mạnh ở tần số thấp

Cấu hình LV có thể là lựa chọn tốt nhất vì nó đơn giản Tuy nhiên, nếu bộ điều

khiển không đủ nhanh và có tương tác mạnh giữa đỉnh và đáy tháp (điều khiển mức

sử dụng D và B trở nên khó khăn) thì nên chọn một cấu hình khác

Hình 1.4 Cấu hình DB

Một ví dụ minh họa cho việc RGA ở trạng thái xác lập không thực sự đáng tin

cậy là cấu hình DB Đây là sách lược điều khiển gần như không thể sử dụng, được

chứng minh bởi Perry và Chilton; McCune và Gallier; Shinskey [66]; Skogestad [73]; Häggblom và Waller [81] vì nó gần như vi phạm cân bằng vật chất ở trạng thái tĩnh và vì RGA là vô hạn ở trạng thái xác lập Tuy nhiên, Fishers [21] và Skogestad đã sử dụng cấu trúc này trong cả mô phỏng và ứng dụng thực tế vì giá trị

của RGA đã tiến về 1 tại tần số thấp hơn nhiều cấu trúc LV đối với tháp chưng cất

hai sản phẩm có độ tinh khiết cao Với các tháp như vậy thì dòng trong thường lớn,

vì vậy sử dụng L và V để điều khiển mức là hợp lý Nhược điểm của cấu hình DB là

nó chỉ hoạt động khi cả hai vòng điều khiển thành phần đều được đóng

1.4.1.4 Cấu hình DV

Trong cấu hình này, L và B được sử dụng để điều khiển mức

TC TT

LC LT

FC

FC

TC TT

PC

PT

FC

LC LT

SP VT

Cấu hình này có thể tốt hơn cấu hình LV trong điều khiển một điểm với độ hồi

lưu lớn vì điều khiển mức đỉnh đơn giản hơn [75] Với điều khiển hai điểm thì cấu hình này tương đối khó thực hiện khi sản phẩm đáy không tinh khiết hơn sản phẩm đỉnh, nhưng tốt hơn khi sản phẩm đáy tinh khiết Nhược điểm: bị ảnh hưởng bởi vòng điều khiển mức

1.4.1.5 Các đặc điểm của cấu hình điều khiển

Vì L và V có ảnh hưởng trực tiếp đến nồng độ thành phần sản phẩm đỉnh và đáy tháp trong khi D và B chỉ có ảnh hưởng gián tiếp thông qua L và V, vì thế từ đầu có

vẻ như không có khác biệt gì nhiều trong điều khiển khi sử dụng các cấu trúc khác nhau Cách đơn giản nhất để nhận thấy sự khác nhau giữa chúng là xem xét tác

động của nhiễu lên các đầu ra Ví dụ, khi tăng lưu lượng nguồn cấp, cấu hình LV sẽ làm tăng D, cấu hình DV làm tăng B, với cấu hình (L/D, V/B) làm tăng cả D và B, cấu hình DB thì cả D và B đều không đổi

- Enthalpy nguồn cấp (tỷ lệ hơi/lỏng, nhiệt độ)

- Áp suất hơi và nhiệt độ nước làm lạnh

Có một sự khác biệt lớn về tính kháng nhiễu giữa các cấu hình trong trường hợp các vòng điều khiển thành phần đều hở Sự khác nhau này có thể được phân tích một cách chặt chẽ thông qua đặc tính tần số của hệ số khuếch đại nhiễu Skogestad et al [73]; Waller [81]

Các kết luận trên đều liên quan tới đặc tính tự chỉnh khi không sử dụng điều khiển phản hồi Tuy nhiên, chúng có thể sẽ không còn chính xác khi sử dụng điều khiển phản hồi Skogestad và Hovd [73] đã giới thiệu phương pháp khảo sát tần số cho hệ số khuếch đại nhiễu vòng kín (Closed-loop disturbance gains CLDG ) trong trường hợp điều khiển hai điểm Với trường hợp điều khiển một điểm (ở đây sản phẩm không được điều khiển không nhạy với nhiễu), Luyben và cộng sự [41] sử dụng “ratin curves ” ở trạng thái tĩnh để chỉ ra cách điều chỉnh các dòng lỏng để giữ cho thành phần không đổi Lưu lượng được đề nghị điều chỉnh bằng tay với một lượng nhỏ khi sử dụng điều khiển một điểm Skogestad đã khảo sát hệ số khuếch

đại tĩnh trong trường hợp điều khiển một điểm cho sản phẩm đáy, L được điều

chỉnh bằng tay nếu (y D z F)L xB, nhỏ Dựa trên kết quả áp dụng cho một vài tháp

điển hình họ kết luận cấu hình LV dường như là lựa chọn tốt nhất cho điều khiển

một điểm Waller đã chỉ ra sự tương quan giữa các đặc tính của điều khiển một điểm với các tham số nhiễu vòng hở của chúng, K T Tuy nhiên, điều này không

phải luôn đúng, ví dụ cấu hình LV thường nhạy với nhiễu hơi cấp khi không có

vòng điều khiển kín nhưng lại không nhạy với điều khiển một điểm

Tính tương tác giữa các vòng điều khiển

Tương tác giữa các vòng điều khiển là yếu tố cần được xem xét khi lựa chọn sách lược điều khiển Một sự tương tác không mong muốn là trạng thái động của một vòng điều khiển bị ảnh hưởng mạnh bởi một vòng điều khiển khác

Sự tương tác có thể tồn tại ngay cả khi chất lượng sản phẩm của đỉnh và đáy đều được điều chỉnh Nếu chất lượng sản phẩm của chỉ một cấu tử được điều khiển thì sự tương tác không gây ra vấn đề gì Nếu cả hai vòng điều khiển chất lượng đều

là bộ điều khiển phản hồi vòng đơn, sự điều khiển của một vòng sẽ tác động tới vòng kia và ngược lại Ví dụ tác động hóa hơi của bình gia nhiệt tới việc điều khiển chất lượng sản phẩm đáy sẽ ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm đỉnh Tương tác giữa các vòng điều khiển đơn có thể dẫn tới sự suy thoái đáng kể trong tác động của

hệ thống điều khiển tháp chưng, do đó cần phải giảm thiểu sự tương tác này Một khác biệt quan trọng khác giữa các cấu hình là tương tác giữa các vòng điều khiển khi sử dụng các vòng điều khiển đơn và tính nhạy cảm với thay đổi đầu vào khi sử dụng phương án tách kênh cho điều khiển hai điểm [81] Hệ số khuếch đại tương đối và ma trận khuếch đại tương đối có ứng dụng quan trọng trong việc phân tích và thiết kế cấu trúc điều khiển phi tập trung

Ma trận khuếch đại tương đối được giới thiệu lần đầu tiên bởi Bristol ở trạng thái xác lập như một tỷ số của hệ số khuếch đại vòng hở và vòng kín giữa đầu vào

thứ j và đầu ra thứ i khi tất cả các đầu ra khác y l i được điều khiển hoàn toàn sử dụng các đầu vào u m j

Công thức này cũng được sử dụng khi RGA là một hàm của tần số [75] Trong cấu

hình LV, Skogestad và Morari [73] đưa ra công thức xấp xỉ ở trạng thái tĩnh”

(2 ) ( 1)( LV)

N L L G

Giá trị này sẽ gần bằng 1 với tháp có sản phẩm đáy có độ tinh khiết cao và gần

bằng 0 nếu sản phẩm đỉnh có độ tinh khiết cao RGA cho cấu hình (L/D)(V/B) bị giảm xuống tương đối so với cấu hình LV khi dòng trong lớn vì:

Các công trình của Shinskey về tính toán RGA ở trạng thái xác lập cho các cấu trúc khác nhau là một bước trong một thủ tục có hệ thống [66] Luật của ông là lựa chọn ra cấu trúc mà giá trị các thành phần đường chéo của RGA nằm trong khoảng

từ 0.9 đến 4 Mặc dù RGA ở trạng thái xác lập không chứa thông tin về nhiễu và chế độ động nhưng nó vẫn hữu ích vì nó được áp dụng cho hầu hết các cấu hình có tương quan tốt RGA ở tần số cao và vì nó cũng tương quan với tính nhạy nhiễu vòng hở

Giải pháp điều khiển

Để hệ thống làm việc tốt thì áp suất và mức của tháp chưng cần được điều khiển chặt đồng thời phải điều khiển cả hai thành phần sản phẩm đỉnh và đáy hoặc ít nhất một biến có liên quan tới chất lượng sản phẩm vì mục đích của tháp chưng là phân tách hỗn hợp trong nguồn cấp thành hai sản phẩm với nồng độ khác nhau Tuy

nhiên, trong thực tế thường có 3 trường hợp điều khiển nồng độ thành phần tháp chưng cất [30], [61], [66], [68], [73]:

1 Vòng hở: không có bộ điều khiển thành phần

2 Điều khiển một điểm: Chỉ một vòng điều khiển được khép kín (đóng)

3 Điều khiển hai điểm: cả hai vòng điều khiển đều được đóng Trường hợp 1: với nhiễu thành phần nguồn cấp, giả thiết lưu lượng mol không đổi nên thay đổi trong thành phần nguồn cấp không làm thay đổi lưu lượng, và không được phát hiện bởi bộ điều khiển mức do đó hệ thống gần như không ổn định, lúc này thành phần sản phẩm cần được giám sát liên tục để duy trì tính ổn định cho hoạt động của tháp chưng cất

Trường hợp 2 (thông thường sản phẩm đáy được điều khiển) [73]: Trong cấu

hình DV và DB, D được giữ không đổi do đó nhiễu sẽ có ảnh hưởng lớn đến sản

phẩm đỉnh đặc biệt ở tần số thấp Do đó, cần phải đóng một vòng điều khiển liên quan tới yD để có được bộ điều khiển chấp nhận được cho cấu hình này Tuy nhiên,

ở cấu hình LV, khi xB được điều chỉnh thì ảnh hưởng của nhiễu sẽ giảm xuống đáng

kể (đặc biệt với nhiễu thành phần nguồn cấp) vì thành phần đỉnh và đáy liên quan chặt chẽ đến nhau

Trường hợp 3: Điều khiển hai điểm là trường hợp hoạt động kinh tế nhất của tháp chưng Với điều khiển hai điểm, ảnh hưởng của nhiễu sẽ nhỏ ở tần số thấp

Tuy nhiên, thông thường có một vài tương tác giữa các vòng điều khiển (giá trị g12

và g21 khác 0) có thể gây khó khăn trong điều khiển Cấu hình LV được sử dụng

trong trường hợp này với điều kiện vòng điều khiển thành phần cả đỉnh và đáy phải đáp ứng đủ nhanh để chống lại ảnh hưởng của nhiễu nguồn cấp Skogestad và

M.Morari [75] đã chứng minh hoạt động hiệu quả của cấu hình LV trong trường hợp

này với các vòng điều khiển nhiệt độ đỉnh và đáy tháp thay cho điều khiển thành phần tháp

1.4.2 Phương pháp điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm

Mặc dù đã được nghiên cứu hơn 30 năm qua nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết trong điều khiển tháp chưng cất [68] vì:

- Điều khiển tháp chưng cất là một vấn đề khó, ít nhất là trong việc tìm ra hệ thống điều khiển phù hợp cho từng tháp

- Hầu hết các công trình nghiên cứu về điều khiển tháp chưng đều bắt đầu với một phương pháp điều khiển cho trước và sử dụng tháp chưng như một ví dụ áp dụng Rất ít công trình nghiên cứu bắt đầu từ một tháp chưng và so sánh các phương pháp điều khiển để đưa ra phương án tối ưu

Hai cấu trúc điều khiển được sử dụng cho tháp chưng cất là cấu trúc đơn biến phi tập trung và cấu trúc đa biến tập trung Trong thực tế, rất nhiều tháp chưng cất của các nhà máy lọc dầu, xử lý khí hiện nay đều có hệ thống điều khiển với cấu trúc phi tập trung (hai vòng điều khiển đơn cho sản phẩm đỉnh và đáy tháp) [68] Lý do quan trọng nhất cho sự lựa chọn này là người vận hành dễ hiểu và dễ dàng thay đổi các tham số của bộ điều khiển hoặc chuyển sang chế độ vận hành bằng tay để phù hợp với thay đổi trong nhà máy cũng như thay đổi của môi trường

1.4.2.1 Cấu trúc điều khiển đơn biến – phi tập trung

Với cấu trúc này, các yếu tố gây khó khăn trong điều khiển bao gồm: đối tượng phi tuyến mạnh, đáp ứng chậm, nhiễu ảnh hưởng lớn đến sản phẩm, tương tác mạnh giữa các vòng điều khiển Một số phương án đã được sử dụng như:

- Điều khiển bền vững: Tháp chưng với sản phẩm có độ tinh khiết cao luôn tồn tại những điều kiện ngặt nghèo và nhạy cảm với sai lệch mô hình Skogestad et al [63] sử dụng mô hình tháp chưng được đơn giản hóa để nghiên cứu với cấu trúc LV

và DV Skogestad, Morari, Lundstrom công bố kết quả qua việc sử dụng các mô hình thực tế [61] McDonald et al tập trung vào mô hình phi tuyến, nhưng chỉ mang tính ước lượng

- Điều khiển phi tuyến: Có rất ít bài báo về điều khiển phi tuyến Levin và Rouchon sử dụng bộ điều khiển phi tuyến [68] nhưng không phân tích tính bền

vững (như sai lệch khuếch đại đầu vào) và không so sánh với các phương pháp đơn giản (như bộ điều khiển tuyến tính)

- Điều khiển thích nghi: Dahlqvist [89] đạt được kết quả tốt khi sử dụng điều

khiển thích nghi cho tháp chưng với cấu hình LV

- Điều khiển tối ưu, điều khiển ràng buộc: Tran [20] sử dụng bộ điều khiển DMC điều chỉnh giá trị đặt cho nhiệt độ đĩa Điều khiển ràng buộc được thảo luận bởi Maarleveld [43] Lear et al xem xét điều khiển tối ưu sử dụng các vòng đơn Các ứng dụng công nghiệp của DMC được đưa ra bởi Hokanson et al [28] trong việc kết hợp bộ điều khiển mức và điều khiển thành phần

Hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình đều sử dụng các bộ điều khiển truyền thống PID Tuy nhiên, trong các trường hợp hệ thống có tính phi tuyến mạnh, tồn tại tương tác lớn giữa các biến, thời gian trễ lớn, tồn tại các ràng buộc cả đầu vào và

ra thì phương án sử dụng các vòng điều khiển đơn cho chất lượng điều khiển không cao

Những năm gần đây, mạng nơron nhân tạo đã được ứng dụng trong nhận dạng

và điều khiển tháp chưng cất với mục đích loại bỏ trễ phép đo, nâng cao chất lượng sản phẩm [4] Một bộ cảm biến mềm sử dụng mạng nơron nhân tạo cung cấp cho hệ thống các phép đo tin cậy, nhanh chóng đồng thời dự báo và suy luận nồng độ thành phần sản phẩm trong các tháp chưng cất đa cấu tử Các kết quả cho thấy việc ứng dụng cảm biến mềm sử dụng mạng nơron nhân tạo để điều khiển trực tiếp nồng độ thành phần tháp chưng cất là một giải pháp đơn giản, chi phí thấp, giúp giám sát, duy trì sự ổn định cho sản phẩm tháp

Nhu cầu ngày càng tăng cho hoạt động hiệu quả, sử dụng năng lượng và nguyên vật liệu trong các quá trình hóa học đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các trạng thái động và tĩnh của các quá trình để thiết kế các hệ thống điều khiển hiệu quả hơn Các chương trình điều khiển được đòi hỏi phải chặt chẽ hơn để vận hành quá trình càng gần tối ưu càng tốt bất chấp nhiễu và thay đổi môi trường

Điều kiện vận hành tối ưu của các quá trình luôn bị giới hạn bởi các ràng buộc, đặc biệt là trong quá trình chưng cất Mỗi ràng buộc là một thành phần phi tuyến mạnh, và thông thường nó không thể được xử lý một cách hiệu quả với cấu trúc phi tập trung và bộ điều khiển tuyến tính Tuy nhiên, cấu trúc điều khiển đa biến tập trung có thể giải quyết tương đối triệt để vấn đề này

1.4.2.2 Cấu trúc điều khiển đa biến-tập trung

Phương pháp điều khiển dự báo được sử dụng rộng rãi trong bài toán điều khiển thành phần ở cấu trúc đa biến – tập trung Nhiều công trình nghiên cứu đã công bố các kết quả khả quan khi sử dụng bộ điều khiển dự báo cho tháp chưng cất

Ý tưởng điều khiển dự báo (Model Predictive Control-MPC) được Jacques Richalet phát triển trong đầu những năm 1970 và được ứng dụng trong công nghiệp lần đầu tiên năm 1973

Xuất phát từ lý thuyết MPC cổ điển, Cutler và Ramaker; Prett và Gillete Garcia [68] sử dụng mô hình đáp ứng bước nhảy với thuật toán DMC để dự báo đáp ứng đầu ra tương lai nhờ sự bám sát theo giá trị đặt trong phạm vi có thể Đầu vào tối ưu được tính toán giống như giải quyết vấn đề bình phương tối thiểu Thuật toán DMC

được sử dụng thành công trong công nghiệp trong hơn một thập kỷ Lucecke et al

sử dụng Dynamic Matrix Control (DMC) điều khiển tháp chưng Mô hình quá trình được xấp xỉ về mô hình bậc nhất có trễ Tuy nhiên Morari và Skogestad [66] đã chỉ

ra những đặc tính phản hồi của bộ điều khiển DMC bị hạn chế bởi hai giả thiết của thuật toán này đồng thời chứng minh các hạn chế này được khắc phục bằng cách sử dụng một thuật toán mới dựa trên bộ quan sát của Lee et al

McDonald và Georgiou et al [62] đưa ra kết quả mô phỏng sử dụng DMC với cấu trúc LV Patwardhan và Edgar [54] mô tả các ứng dụng thử nghiệm của điều khiển dự báo phi tuyến với ước lượng trực tuyến cho tháp chưng

Lundstrom và Skogestad [63] đã chứng minh chất lượng tốt của MPC thông qua việc mô phỏng tháp chưng, ngay cả khi mô hình không chắc chắn Mặc dù hầu hết các ứng dụng của MPC trong công nghiệp đều sử dụng một mô hình được nhận