Tự động hóa tháp chưng trong dây chuyền sản xuất LPG của nhà máy xử lý khí Dinh Cố

Khí hóa lỏng khí gas hay còn gọi đầy đủ là khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas) có thành phần chính là propan C3H8 và butan C4H10. Bình thường thì propan và butan là các chất ở dạng khí, nhưng để dễ vận chuyển và sử dụng, người ta cho chúng tồn tại ở dạng lỏng. LPG không màu, không mùi (nhưng chúng ta vẫn thấy gas có mùi vì chúng đã được cho thêm chất tạo mùi trước khi cung cấp cho người tiêu dùng để dễ dàng phát hiện ra khi có sự cố rò rỉ gas). Mỗi kg LPG cung cấp khoảng 12.000 kcal năng lượng, tương đương nhiệt năng của 2 kg than củi hay 1,3 lít dầu hỏa hoặc 1,5 lít xăng. Việc sản sinh ra các loại chất khí NOx, khí độc và tạp chất trong quá trình cháy thấp đã làm cho LPG trở thành một trong những nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường.

MỞ ĐẦU

Ngày nay, trong hầu hết các ngành kinh tế, kĩ thuật, nhất là các ngành công nghiệp đều áp dụng tự động hoá vào điều khiển các thiết bị và dây chuyền sản xuât

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

Việc ứng dụng rộng rãi Tự động hóa các quá trình công nghệ đang là một trong các yếu tố then chốt để thúc đẩy tiến bộ kỹ thuật của ngành công nghệ Tự động hóa

là bước phát triển logic của cơ khí hóa sản xuất Nếu cơ khí hóa thay thế lao động

cơ bắp cho con người thì tự động hóa là bước tiếp tục phát triển thay thế các cơ quan cảm giác và logic của con người

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 tháp chưng trong dây chuyền sản xuất LPG của nhà máy xử lý khí Dinh Cô”.

PHẦN II: MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ

1.1 Giới thiệu về khí hóa lỏng LPG

Khí hóa lỏng - khí gas hay còn gọi đầy đủ là khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas) có thành phần chính là propan C3H8 và butan C4H10 Bình thường thì propan và butan là các chất ở dạng khí, nhưng để dễ vận chuyển và

sử dụng, người ta cho chúng tồn tại ở dạng lỏng LPG không màu, không mùi (nhưng chúng ta vẫn thấy gas có mùi vì chúng đã được cho thêm chất tạo mùi trước khi cung cấp cho người tiêu dùng để dễ dàng phát hiện ra khi có sự cố rò rỉ gas) Mỗi kg LPG cung cấp khoảng 12.000 kcal năng lượng, tương đương nhiệt năng của

2 kg than củi hay 1,3 lít dầu hỏa hoặc 1,5 lít xăng Việc sản sinh ra các loại chất khí NOx, khí độc và tạp chất trong quá trình cháy thấp đã làm cho LPG trở thành một trong những nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường

1.2 Cơ sở lý thuyết quá trình sản xuất LPG

LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có thể sản xuất ở các nhà máy lọc dầu Nguyên liệu ban đầu dùng để sản xuất LPG là dòng khí thiên nhiên khai thác từ các mỏ dầu hoặc qua quá trình xử lý dầu thô để thu được LPG Về cơ bản quy trình sản xuất LPG gồm các bước sau:

• Làm sạch khí: loại bỏ các tạp chất bằng phương pháp lắng, lọc Sau khi loại

bỏ các tạp chất, khí nguyên liệu còn lại chủ yếu là các hydrocarbon như etan, propan, butan

• Tách khí: hỗn hợp khí nguyên liệu cần được tách riêng từng khí để sử dụng và

pha trộn cho từng mục đích sử dụng khác nhau Có thể dùng các phương pháp tách khí như phương pháp nén, hấp thụ, làm lạnh từng bậc, làm lạnh bằng giãn nở khí… Qua hệ thống các dây chuyền tách khí có thể thu được propan và butan tương đối tinh khiết với nồng độ từ 96-98%

• Pha trộn: các khí thu được riêng biệt lại được pha trộn theo các tỷ lệ thể tích

khác nhau tùy theo yêu cầu Hiện nay trên thị trường Việt Nam có khá nhiều loại LPG khác nhau do các hãng cung cấp với các tỷ lệ propan: butan là 30:70, 40:60, 50:50

1.3 Quá trình sản xuất LPG của nhà máy xử lý khí Dinh Cố.

Quá trình sản xuất LPG có thể được mô tả như sau:

Khí vào nhà máy được tiếp nhận tại Slug Catcher (SC-01/02), dòng lỏng ra có nhiệt độ 25,6oC và áp suất 109bar được đưa tới V-03

Dòng khí ra từ SC qua V-08 để tách nốt phần lỏng còn lại, lượng lỏng tách ra được quay trở lại V-03 để xử lý, dòng khí đi qua V-08 đi vào tháp tách để tách tinh nước Khoảng 2/3 lượng khí ra khỏi tháp tách được chuyển tới phần giãn nở của Turbo-Expander, tại đó khí được giãn từ 109bar xuống 33,5bar và nhiệt độ cũng giảm xuống -18oC, sau đó dòng này được đưa vào tháp tinh lọc Rectifier.

Phần còn lại khoảng 1/3 dòng từ tách được đưa tới thiết bị trao đổi nhiệt E-14 để làm lạnh dòng khí từ 26oC xuống -35oC nhờ dòng khí lạnh ra từ đỉnh tháp tinh

lọc Rectifier có nhiệt độ -42oC Sau đó dòng này lại qua van xả áp (áp suất giảm từ 109bar xuống 47,5bar, nhiệt độ cũng giảm xuống còn -62oC) rồi được đưa vào tháp

tinh lọc Rectifier như một dòng hồi lưu ngoài ở đỉnh tháp.

Tháp tinh lọc làm việc ở áp suất 33,5bar nhiệt độ đỉnh -42oC và nhiệt độ đáy -20oC Khí ra khỏi đỉnh tháp tinh lọc Rectifier có nhiệt độ -42oC được sử dụng làm

tác nhân làm lạnh khí đầu vào thông qua thiết bị trao đổi nhiệt trước khi nén ra dòng khí thương phẩm bằng phần nén của Turbo-Expander

Dòng khí ra từ đỉnh tháp De-Ethaniser được nén từ 29bar tới 47 bar rồi tiếp tục được làm lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt và vào tháp Gas Stripper để tách nước

và các hydrocacbon nhẹ lẫn trong lỏng đến từ V-03

Tháp Gas Stripper làm việc ở áp suất 47,5bar, nhiệt độ đỉnh và đáy lần lượt là

44oC và 40oC Khí sau khi ra khỏi thiết bị Gas Stripper được nén tiếp đến 75bar

nhờ máy nén K-02, rồi được làm lạnh bằng thiết bị trao đổi nhiệt không khí E-19 Dòng này được chộn lẫn với dòng khí ra từ V-03, và được nén tới 109bar bằng máy nén K-03, sau đó được làm lạnh và nhập vào dòng khí nguyên liệu đến V-08

Dòng lỏng ra từ Gas Stripper được đưa tới đĩa 14 của tháp De-Ethaniser, dòng lỏng ra từ Rectifier được đưa tới đĩa thứ 1 của Tháp De-Ethaniser đóng vai trò như dòng hồi lưu ngoài ở đỉnh tháp.Trong chế độ này, Tháp De-Ethaniser làm việc

ở áp suất 29bar, nhiệt độ đỉnh tháp 14oC, đáy tháp 109oC Sản phẩm đáy của

De-Ethaniser chủ yếu chứa C3+ được đưa tới tháp ổn định Stabiliser (làm việc ở áp

suất 11bar, nhiệt độ đỉnh tháp 55oC, đáy tháp 134oC) để tách riêng condensate và LPG (hay Bupro)

Dòng ra từ đỉnh tháp ổn định Stabilisier là hỗn hợp LPG (hay Bupro) được tiến

hành ngưng tụ hoàn toàn ở nhiệt độ 43oC qua hệ thống quạt làm mát bằng không khí E-02, sau đó được đưa tới bình hồi lưu có dạng nằm ngang Một phần Bupro được

bơm trở lại Tháp Stabiliser nhờ bơm Phần LPG (Bupro) còn lại được gia nhiệt tới

60oC trong thiết bị gia nhiệt E-17 trước khi cấp cho Tháp Spliiter bằng chất lỏng nóng từ đáy tháp Tháp Spliiter Sản phẩm đáy của Tháp Spliiter chính là

condensate thương phẩm được đưa ra bồn chứa hoặc dẫn ra đường ống vận chuyển

về Kho Cảng Thị Vải

Sản phẩm ra từ đỉnh tháp Tháp Spliiter là hơi Propan được ngưng tụ hoàn toàn

ở nhiệt 46oC trong thiết bị E-11 được lắp tại đỉnh của Tháp Spliiter có dạng làm

mát bằng không khí và được đưa tới thiết bị chứa hồi lưu nằm ngang Sản phẩm propan lỏng này được bơm ra bằng các máy bơm, một phần propan thương phẩm được tách ra bằng thiết bị điều khiển mức và được dẫn tới V-21A Phần còn lại đưa

trở lại tháp Tháp Spliiter như một dòng hồi lưu ngoài đỉnh tháp.

Tại đáy Tháp Spliiter, thiết bị trao đổi nhiệt E-10 được lắp đặt để cấp nhiệt đun

sôi lại băng dầu nóng tới nhiệt độ 97oC Nhiệt độ của nó được điều khiển bởi van đặt trên đường ống dẫn dầu nóng Butan còn lại đưa ra bồn chứa hoặc đưa đến KCTV sau khi giảm nhiệt độ đến 60oC bằng thiết bị trao đổi nhiệt E-17 và đến

45oC nhờ thiết bị trao đổi nhiệt E-12

Nhà máy có 5 tháp chính: tháp tách Ethane De-Ethaniser, Tháp ổn định

Stabiliser, Tháp Spliiter, Tháp Gas Stripper, Tháp Rectifier.

Trong tiểu luận này em xin trình bày về quá trình tự động hóa và điều khiển tháp chưng Stabiliser (Tháp ổn định).

PHẦN II TỰ ĐỘNG HÓA THÁP ỔN ĐỊNH STABITISER.

I Điều khiển quá trình.

Điều khiển là quá trình tác động vào đối tượng công nghệ thông qua các cơ cấu

chấp hành nhằm đảm bảo các thông số công nghệ nằm trong giới hạn yêu cầu

Hệ thống điều chỉnh tự động là thiết bị, mà hoạt động của nó phụ thuộc vào các tác động bên ngoài Khi có sự thay đổi tác động từ bên ngoài, hệ thống điều chỉnh

tự động sẽ đưa ra những phản ứng thích hợp để duy trì các thông số điều chỉnh

I.1 Các khái niệm cơ bản trong điều khiển.

I.1.1 Đối tượng điều chỉnh (ĐTĐC) và thiết bị điều chỉnh (TBĐC)

Trong hệ thống điều khiển luôn tồn tại hai thành phần cơ bản là ĐTĐC và TBĐC ĐTĐC là một thiết bị công nghệ trong đó có một số thông số cần giữ cố định hay thay đổi theo một chương trình mong muốn Thông số công nghệ này được gọi là đại lượng cần điều chỉnh TBĐC là một hệ thống bao gồm các thiết bị

có khả năng tác động lên ĐTĐC nhằm đạt được mục đích điều khiển

Ví dụ: mô hình khiển mức chất lỏng

ĐTĐC là bình chứa, đại lượng điều chỉnh là mức chất lỏng, TBĐC bao gồm

bộ điều khiển LC và van đường ra

Nói một cách tổng quát, TBĐC sẽ nhận tín hiệu từ sự thay đổi của đại lượng cần điều chỉnh, từ đó đưa ra một tín hiệu đến cơ cấu chấp hành (ví dụ như van) Sự thay đổi của cơ cấu chấp hành sẽ làm thay đổi biến cần điều chỉnh về giá trị mong muốn

I.1.2 Giá trị đặt, biến điều khiển , tín hiệu điều khiển, nhiễu.

Giá trị đặt SP (Set Point) là giá trị mà quá trình điều khiển cần đạt tới Đây là

giá trị mà người điều khiển mong muốn, là giá trị để cho quá trình công nghệ hoạt động ổn định

Biến điều khiển PV (Process Variable): chính là thông số cần điều chỉnh, PV

này có thể là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…Mục đích chính của quá trình điều khiển

là đưa giá trị của PV bằng giá trị của SP hoặc thay đổi xung quanh giá trị của SP

Tín hiệu điều khiển OP : là tín hiệu mà bộ điều khiển đưa tới cơ cấu chấp hành

để thực hiện quá trình điều khiển, tín hiệu này phụ thuộc vào SP và PV

Nhiễu (Disturbance): là những quá trình không mong muốn tác động đến quá

trình công nghệ làm giá trị của PV sai khác so với SP Quá trình điều khiển cũng được coi là quá trình khử nhiễu Tín hiệu nhiễu có nhiều dạng, phát sinh ra từ nhiều nguồn và sẽ tác động lên nhiều thông số quá trình

I.2 Đặc tính của tín hiệu điều khiển

L C

H5.1.Mô hình điều khiển

mức chất lỏng

Ở đây, đề cập đến thiết bị điều khiển cho phương thức điều khiển theo sai lệch (Feedback Control)

Như xét ở trên, điều khiển theo sai lệch là quá trình điều khiển mà phản ứng của thiết bị điều khiển là phản ứng thụ động Tín hiệu điều khiển OP được hình thành nhờ sự sai lệch giữa PV và SP

khi đó OP(t) = f(e(t))

Có 4 đạng phương trình của OP(t)

I.2.1 Dạng đóng mở (Digital On/Off)

Đây là dạng cổ điển nhất, nguyên lý hoạt động của chúng chỉ là đóng và mở khi giá trị PV vượt qua một giá trị SP

Khi đó xảy ra hai trường hợp

OP(t) = 0 nếu PV > SP và OP(t) = 100 % nếu PV < SP;

Cũng có thể thiết lập OP(t) = 0% nếu PV<SP và OP(t) = 100% nếu PV>SP Điều khiển đóng mở tuy không phổ biến nhưng cũng là không thể thiếu và có vai trò quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng start up, shutdown, an toàn nhà máy

Tín hiệu dạng On-Off

I.2.2 Dạng tuyến tính (P- only)

Khác với dạng đóng mở, dạng tuyến tính sẽ bắt đầu giảm sự dao động của biến điều khiển quá trình do tác động của nhiễu, khi đó OP của dạng này được định nghĩa như sau:

OP(t) = OPss + Kpe(t) (1)

OPss là giá trị mà tại đó e(t) = 0, tức là khi PV bằng SP OPss còn được gọi là OP tĩnh

Kp hệ số tuyến tính

Từ phương trình (1) thấy rằng giá trị e(t) bằng 0 khi OP(t) bằng OPss, hoặc Kp vô cùng lớn Tuy nhiên Kp không thể lớn vô cùng vì Kp quá lớn sẽ dẫn đến những dao động mạnh làm quá trình hoạt động không bền vững

Ưu điểm: Quá trình phản ứng với các tác động của biến nhiễu nhanh, nguyên lý hoạt động đơn giản

Nhược điểm: Do quá trình hoạt động là liên tục, luôn có sự tác động của các biến nhiễu, nên OP không thể bằng OPss điều đó cũng có nghĩa rằng giá trị e(t) bao giờ cũng khác 0 Khi đó tồn tại một khoảng giá trị giữa SP và PV, và được gọi Steady State Error

Dạng tuyến tính

Chính vì nhược điểm trên mà tín hiệu điều khiển dạng tuyến tính chỉ phù hợp khi sự sai lệch giữa PV và SP không quan trọng , có thể sai lệch ở mức cho phép

I.2.3 Dạng tuyến tính tích phân PI ( Proportional Integral)

Để cải thiện tính sai lệch của dạng tuyến tính người ta đưa thêm vào phương trình một số hạng tích phân, tăng khả năng khử nhiễu Khi đó OP được xác định như sau

∫ +

T

K t e K t OP

i

p

) (

Mặc dù thành phần tích phân làm cho giá trị e(t) có thể đạt tới 0 nhưng nó lại làm tăng tính dao động của tín hiệu điều khiển, đồng thời làm chậm sự phản ứng của quá trình điều khiển tới đối tượng điều khiển

Ti gọi là hằng số thời gian tích phân (integral time)

Ti có mối quan hệ tương hỗ với khả năng kích hoạt của hàm tích phân Giảm Ti

sẽ làm tăng thời gian phản ứng điều khiển quá trình, làm cho quá trình trở lên khó bền vững, nếu tăng Ti sẽ làm giảm khả năng kích hoạt của hàm tích phân, giảm khả năng ảnh hưởng của hàm tích phân tới OP Do vậy phải chọn Ti một cách phù hợp với từng loại biến điều khiển Đồng thời nên chọn lại giá trị Kp thấp hơn trong trường hợp có thêm thành phần tích phân

Dạng PI là dạng tín hiệu điều khiển chính trong công nghệ hóa học vì nó vừa kết hợp được tính hội tụ tới SP vừa có thời gian phản ứng đủ nhanh

Dạng tuyến tính – tích phân

I.2.4 Dạng tuyến tính – tích phân- vi phân (Proportional Integral

Derivative)

Đây là dạng đầy đủ của phương trình OP(t), khi đó phương trình có thêm thành phần vi phân :

dt

t de T K dt t e T

K t e K t

i

p p

) ( )

( )

( )

Td : hằng số vi phân

Thành phần vi phân thêm vào có tác dụng tăng tốc độ thay đổi của e(t) để tiến tới 0, có nghĩa là thời gian hội tụ của quá trình điều khiển sẽ giảm

Tuy nhiên dạng điều khiển này không phù hợp với nguồn tín hiệu vào quá nhiễu

vì khi đó thành phần vi phân sẽ không có tác dụng với quá trình Lúc đó dạng tín hiệu PI sẽ phù hợp hơn

Dạng tuyến tính – tích phân- vi phân

I.2.5 Lựa chọn các thông số điều khiển trong công nghệ hóa học

Việc lựa chọn các hằng số Kp, Ti, Td là rất quan trọng, đây là ba tham số cơ bản của bộ điều khiển, quyết định đến khả năng bền vững của mô hình, cũng như ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của hệ thống đối với các tác động nhiễu

Trong công nghệ hóa học có một số thông số thường được điều khiển là: điều khiển dòng (FIC), điều khiển áp suất (PIC), điều khiển mức chất lỏng (LIC) và điều khiển nhiệt độ (TIC)

Bảng 6.1 Giá trị các hằng số K p , T i , T d

Mức chất lỏng

( ) là giá trị hay sử dụng trong nhiều trường hợp

Các tác động điều chỉnh chủ yếu của tháp chưng thường được chọn là lưu lượng hơi V và lưu lượng hồi lưu N

Các tác động nhiễu có thể thuộc nhóm kiểm tra được như lưu lượng vào đĩa tiếp liệu F, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong dịch vào, entanpi riêng phần của hơi cấp nhiệt, lưu lượng nước làm lạnh cấp vào thiết bị ngưng tụ và nhiệt độ nước làm lạnh cấp vào thiết bị ngưng tụ hoặc nhóm các tác động nhiễu không kiểm tra được Nhóm này gồm có nhiệt tổn thất vào môi trường xung quanh, sự thay đổi hiệu suất

của các đĩa, của thiết bị truyền nhiệt và của các thiết bị khác Tuy nhiên trong phần lớn các trường hợp các tác động nhiễu này xuất hiện trong khoảng thời gian dài, chính vì vậy mà khi nghiên cứu các chế độ không ổn định người ta thường bỏ qua Các tác động nhiễu thuộc nhóm kiểm tra được, tuỳ thuộc vào đối tượng cụ thể được thể hiện bằng các kiểu khác nhau Đặc trưng hơn cả trong số các tác động nhiễu này là lưu lượng, nồng độ và nhiệt độ dung dịch vào đĩa tiếp liệu và vận tốc dòng hơi đi trong tháp

Các thông số điều khiển có thể chọn là nhiệt độ, nồng độ pha hơi và nồng độ pha lỏng trong vùng kiểm tra, áp suất, nồng độ sản phẩm đỉnh và đáy, lưu lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, nhiệt độ sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, nhiệt độ nước làm lạnh sau thiết bị ngưng tụ, mức chất lỏng trong tháp

Nghiên cứu mối liên hệ của các thông số trong tháp được tiến hành trên cơ sơ phân tích các tính chất tĩnh học và động học của chúng

Mục đích nghiên cứu các đặc tính tĩnh học thể hiện trong việc tìm ra mối liên hệ giữa các thông số của quá trình ở các chế độ khác nhau và xác định miền biến đổi cho phép của các thông số đảm bảo nhận được sản phẩm với chất lượng cho trước

II Tự động hóa đo và điều khiển quá trình công nghệ tách trong tháp ổn định Stabitiser.

1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động, điều kiện làm việc của tháp ổn định.

Tháp chưng cất Stabitiser làm việc ở áp suất 11 bar nhằm mục đích thực hiện

quá trình phân tách giữa các cấu tử C4 và C5 của dòng lỏng từ V-15 tới để tạo ra hai loại sản phẩm riêng biệt : LPG (Bupro) và Condensate (C5+) LPG ra khỏi đỉnh tháp (ở trạng thái điểm sương) được làm lạnh bằng không khí bởi giàn quạt E-02 để ngưng tụ thành lỏng (trạng thái điểm sôi) tại V-02 Sau đó một phần LPG sẽ được bơm hồi lưu lại tháp nhằm tăng độ tinh cất của tháp, một phần khác được bơm tới V-21A/B/C, kho cảng Thị Vải hay tới tháp C-03 để tách riêng Propan và Butan

Tỷ lệ giữa phần hồi lưu (FI-1501) và phần sản phẩm đỉnh tháp (FI-1601) được gọi là chỉ số hồi lưu (reflux ratio) Chỉ số này càng lớn thì mức độ phân tách càng cao nhưng tổn thất năng lượng để gia nhiệt đáy tháp và làm lạnh đỉnh tháp càng lớn

Ở đây, ta không cần thiết phải đảm bảo độ tách quá cao mà mục đích là cần tối ưu lượng LPG thu được, vì vậy từ thực tế vận hành và tính toán mô phỏng thì chỉ số hồi lưu tối ưu nên vào khoảng 0.5 - 0.6 (không nên nhỏ hơn 0.4)

Tháp ổn định Stabitiser hoạt động ở áp suất 11Bar và được điều chỉnh bằng hệ

thống quạt làm lạnh, van bypass PV-1501A và van điều áp PV-1501B Tháp

Stabitiser gồm 30 đĩa có đường kính là 2.140mm Dòng nhập liệu đi vào đĩa thứ

10 Bình chứa V-05 ở đỉnh tháp, và thiết bị gia nhiệt đáy tháp Reboiler E-03 Trong