Điều khiển hệ thống dry gas seal của máy nén khí trên giàn nén khí trung tâm

Mục tiêu của đề tài Thử nghiệm và đánh giá được mức độ thích hợp, hiệu quả một số phương pháp điều khiển áp dụng cho hệ thống Dry Gas Seal của máy nén khí trên giàn nén khí trung tâm X

NGUYỄN MINH ĐỨC

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG DRY GAS SEAL CỦA MÁY NÉN KHÍ TRÊN GIÀN NÉN KHÍ

TRUNG TÂM

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ

TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HOÀNG MINH SƠN

Đầu tiên, tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa học Đặc biệt là cô Phan Xuân Minh và thầy Hoàng Minh Sơn đã chỉ dẫn và giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp Tôi xin cảm ơn Ba Mẹ, Vợ, Con gái, Chị, Em tôi Những người luôn ủng hộ tôi, động viên tôi Gia đình, đó chính là động lực và sức sống của tôi

Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp ở Trường Đào Tạo Nhân Lực Dầu Khí, Giàn nén khí trung tâm đã luôn giúp đỡ tôi trong quá trình làm việc cũng như quá trình thực hiện đề tài Đặc biệt là bạn Nguyễn Gia Nghiêm, người

đã giúp tôi trong việc thu thập số liệu của hệ thống Dry Gas Seal tại Giàn nén khí trung tâm

Được học cao học, được làm luận văn tốt nghiệp là một vinh dự nhưng cũng

là trách nhiệm rất lớn đối với tôi Trong quá trình thực hiện đề tài, mặc dù luôn cố gắng ở mức cao nhất có thể nhưng do hạn hẹp về thời gian và còn những hạn chế về kiến thức nên luận văn của tôi không thể tránh khỏi những sai sót và khiếm khuyết Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự góp ý và phê bình của mọi người

Vũng Tàu, 10/04/2008 Nguyễn Minh Đức

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 5

1 Giới thiệu đề tài 5

2 Tên đề tài 6

3 Mục tiêu của đề tài 6

4 Nhiệm vụ của đề tài 6

5 Phương pháp thực hiện 6

PHẦN I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG 7

1 Giới thiệu về Giàn nén khí trung tâm 7

2 Giới thiệu về hệ thống máy nén khí (Gas Compressor System) 20

2.2 Cấu tạo cơ bản của máy nén khí 22

2.2.1 Vỏ máy (Casing) 22

2.2.2 Cánh công tác (Impeller) 23

2.2.3 Màng ngăn (Diaphragm) 23

2.2.4 Cánh dẫn hướng (Guide Vane) 24

2.2.5 Vòng đệm trục (Seal) 24

2.2.6 Vòng đệm khuất khúc (Labyrinth Seal) 25

2.3 Nguyên lý hoạt động của một máy nén khí điển hình 26

PHẦN II: HỆ THỐNG GAS SEAL VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐÃ THỰC HIỆN 27

1 Giới thiệu về hệ thống Dry Gas Seal của máy nén ly tâm 27

2 Các thông số cơ bản của hệ thống Dry Gas Seal – Giàn nén khí trung tâm 29

3 Hệ thống điều khiển Dry Gas Seal 29

3.1 Mục đích của hệ thống điều khiển Dry Gas Seal 29

3.2 Các bộ điều khiển Dry Gas Seal đã thực hiện cho máy nén ở Giàn nén khí trung tâm 29 4 Cơ sở lý thuyết 30

4.1 Bộ điều khiển khuếch đại tỉ lệ (Proportional Controller) 30

4.2 Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân (Proportional – Integral Controller) 31

4.3 Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân – vi phân (Proportional – Intergral – Derivative Controller) 33

5 Giải pháp điều khiển sử dụng bộ PDIC khí nén 34

5.1 Giới thiệu về giải pháp sử dụng bộ điều khiển PDIC-505 (4194HBFE) 36

5.2 Giới thiệu về bộ điều khiển 4194HBFE 38

5.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển 4194 HBFE 39

5.2.1.1 Cấu tạo của bộ điều khiển 4194 HBFE 39 5.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển 4194 HBFE 40

5.3 Vận hành bộ điều khiển 4194HBFE 41

5.4 Những tồn tại của phương pháp điều khiển sử dụng bộ PDIC khí nén 42

5.4.1 Vấn đề hiệu chỉnh bộ chỉ thị (Process Indicator) 42

5.4.2 Vấn đề hiệu chỉnh cho bộ chống bão hòa tích phân (anti reset windup) 43

5.4.3 Vấn đề điều chỉnh vị trí của flapper 43

5.4.4 Vấn đề điều chỉnh hệ số tỉ lệ bằng Proportional Band 43

6 Giải pháp điều khiển sử dụng bộ PID của PLC 43

6.1 Giới thiệu giải pháp 44

6.2 Các thiết bị trong của hệ thống điều khiển sử dụng bộ PID của PLC 46

6.2.1 Transmitter áp suất chênh DPT-505 47

6.2.2 Bộ chuyển đổi dòng điện khí nén - I/P Converter 48

6.2.3 Van điều khiển PCV-505 48

6.3 Phân tích chương trình điều khiển hệ thống Dry Gas Seal bằng PLC 49

6.4 Phân tích chương trình điều khiển hệ thống Dry Gas Seal bằng PLC 50

6.4.1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID của PLC-5 Allen Bradley 52

6.4.2 Phân tích chương trình hiện nay điều khiển hệ thống Dry Gas Seal 54

6.5 Kỹ thuật chuyển trơn tru “bumpless transfer” 55

6.6 Phân tích những ưu và nhược điểm của giải pháp hiện tại 56

6.6.1 Ưu điểm 56

6.6.2 Nhược điểm 57

PHẦN III: GIẢI PHÁP CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HIỆN NAY 58

1 Giới thiệu 58

2 Tổng quan về mô hình quá trình 58

2.1 Mô hình và vai trò của mô hình hóa 58

2.2 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học 59

2.3 Lựa chọn phương pháp mô hình hóa cho hệ thống Dry Gas Seal 61

3 Nhận dạng đối tượng hệ thống Dry Gas Seal 61

3.1 Các phương pháp nhận dạng 61

3.2 Nhận dạng đối tượng hệ thống Dry Gas Seal 62

3.3 Phương pháp nhận dạng đối tượng 63

3.3.1 Trường hợp đáp ứng của hệ thống là dao động kéo dài (Underdamped) 66

3.3.2 Trường hợp đáp ứng của hệ thống là dao động tắt nhanh (Mildly Underdamped) 66 3.3.3 Trường hợp đáp ứng của hệ thống là không dao động (Overdamped) 67

3.4 Xây dựng chương trình trên PLC và RSView32 để thu thập dữ liệu 67

3.4.1 Cải tiến chương trình trên PLC 68

3.4.2 Xây dựng chương trình trên RSView32 69

3.5 Xây dựng chương trình trên Matlab để tìm mô hình của đối tượng 71

3.5.1 Trường hợp đáp ứng là dao động kéo dài (Underdamped) 72

3.5.2 Trường hợp đáp ứng là dao động tắt nhanh (Mildly Underdamped) 72

3.5.3 Trường hợp đáp ứng là không dao động (Overdamped) 73

3.5.4 Tìm các thông số cho hàm truyền đối tượng G m (s) 74

3.5.5 Một số ví dụ minh họa các giải thuật 74

3.6 Nhận dạng hệ thống Dry Gas Seal của Giàn nén khí trung tâm 78

3.7 Chỉnh định thông số PID cho hệ thống điều khiển Dry Gas Seal 82

3.7.1 Chỉnh định theo phương pháp “Minimum ITAE” của Wang (1995) 82

3.7.2 Chỉnh định theo phương pháp “Modified Minimum ITAE” của Smith (2003) 83

3.7.3 Chỉnh định theo phương pháp “Minimum ITAE” của Sadeghi & Tych (2003) 84

3.7.4 Phương pháp chỉnh định bằng công cụ của Simulink trên Matlab 86

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 91

1 Kết luận 91

2 Hướng phát triển của đề tài 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình I-1: Toàn cảnh giàn nén khí trung tâm 7

Hình I-2: Sơ đồ công nghệ của giàn nén khí trung tâm 9

Hình I-3: Sơ đồ đường đi của khí công nghệ từ đầu vào đến đầu ra trên giàn nén khí trung tâm 10

Hình I-4: Phòng điều khiển của giàn nén khí trung tâm 12

Hình I-5: Sơ đồ hệ thống điều khiển – thông tin của giàn nén khí trung tâm 13

Hình I-6: Hệ thống Process PLC 15

Hình I-7: Hệ thống HP PLC 16

Hình I-8: Sơ đồ tín hiệu analog đầu vào 17

Hình I-9: Sơ đồ tín hiệu analog đầu ra 18

Hình I-10: Sơ đồ tín hiệu digital đầu vào 19

Hình I-11 Sơ đồ tín hiệu digital đầu ra 19

Hình I-12: Một tổ máy Turbine – Compressor của giàn nén khí trung tâm 21

Hình I-13: Tác giả trước tổ máy D (Train D) của giàn nén khí trung tâm 22

Hình I-14: Cấu tạo của màng ngăn (Diaphragm) 23

Hình I-15: Cấu tạo cánh dẫn hướng (Guide Vane) 24

Hình I-16: Cấu tạo của vòng đệm khuất khúc 25

Hình I-17: Cấu tạo của một máy nén khí điển hình 26

Hình II-1: Cấu tạo tổng quát của một hệ thống DGS kiểu Tandem 27

Hình II-2: Sơ đồ kiểu điều khiển áp suất chênh (DP Control) 28

Hình II-3: Sơ đồ kiểu điều khiển lưu lượng (Flow Control) 28

Hình II-4: Một bộ điều khiển P điển hình 30

Hình II-5: Mô tả một bộ điều khiển tích phân I 32

Hình II-6: Bảng điều khiển hệ thống Dry Gas Seal của một tổ máy 35

Hình II-7: Bộ điều khiển 4194 HBFE của hãng FISHER 36

Hình II-8: Sơ đồ điều khiển của hệ thống DGS sử dụng bộ PDC bằng khí nén 37

Hình II-9: Kế nối của bộ điều khiển 4194HBFE 38

Hình II-10: Cấu tạo chi tiết nguyên lý của bộ điều khiển 4194HBFE 41

Hình II-11: Giải pháp điều khiển bằng PI khí nén 44

Hình II-12: Giải pháp điều khiển bằng PID của PLC 45

Hình II-13: Các thiết bị sử dụng trong phương án điều khiển DGS bằng bộ PID của PLC 47 Hình II-14: Bộ chuyển đổi I/P Converter của hãng ABB 48

Hình II-15: Van điều khiển của hãng Masoneilan 49

Hình II-16: Chương trình điều khiển DGS trên họ PLC 5 của Allen Bradley 50

Hình II-17: Bộ điều khiển PID của họ PLC 5 Allen Bradley 52

Hình II-18: Mô tả Dead Band của bộ PID 53

Hình II-19: Các giai đoạn làm việc của bộ PID điều khiển DGS 54

Hình II-20: Kỹ thuật “bumpless transfer” trong chương trình 55

Hình III-1: Mô hình hệ thống điều khiển phản hồi 63

Hình III-2: Các đáp ứng của hệ thống khi thay đổi giá trị đặt 64

Hình III-3: Cải tiến chương trình PLC 68

Hình III-4: Tạo Tag trong RSView32 70

Hình III-5: Biểu diễn một đồ thị trên RSView 70

Hình III-6: Lưu đồ giải thuật nhận dạng đối tượng 71

Hình III-7: Đáp ứng là dao động kéo dài (Underdamped) 75

Hình III-8: Đáp ứng là dao động tắt nhanh (Mildly Underdamped) 76

Hình III-9: Đáp ứng là không dao động (Overdamped) 77

Hình III-10: Đáp ứng của hệ thống Dry Gas Seal 79

Hình III-11: Xác định tần số cắt, tần số tới hạn của hệ thống 80

Hình III-12: Đáp ứng của mô hình nhận dạng được trên Simulink 81

Hình III-13: Mô hình chỉnh định PID trên Simulink 82

Hình III-14: Đáp ứng của mô hình theo phương pháp chỉnh định của Wang (1995) 83

Hình III-15: Đáp ứng của mô hình theo phương pháp chỉnh định của Smith (2003) 84

Hình III-16: Đáp ứng của mô hình theo phương pháp chỉnh định của Wang (1995) 85

Hình III-17: Mô hình hệ thống chỉnh định bằng Simulink Response Constraint 86

Hình III-18: Kết quả chỉnh định tự động bằng Signal Constraint 87

Hình III-19: Kết quả chỉnh định tự động bằng Signal Constraint 88

Hình III-20: Sơ đồ diễn giải của bộ dự báo Smith 89

Hình III-21: Ứng dụng của bộ dự báo Smith vào đối tượng cụ thể 90

Hình III-22: Kết quả thu được khi dùng bộ dự báo Smith 90

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng III-1: Địa chỉ của các tham số của bộ PID 68

Bảng III-2: Địa chỉ của các word được sử dụng để lưu giữ liệu 69

Bảng III-3: Tính năng của các bit trung gian 69

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Giới thiệu đề tài

Cùng với sự phát triển không ngừng của đất nước, Tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam (PETROVIETNAM) ngày càng phát huy vai trò của mình trong nền kinh tế Từ một Tổng công ty nay PETROVIETNAM đã phát triển thành tập đoàn kinh tế lớn với doanh thu năm 2007 là hơn 200 000 tỷ đồng Đóng góp phần lớn trong doanh thu ấy là XNLD VIETSOVPETRO (VSP), một trong những trụ cột của PETROVIETNAM

Được thành lập từ năm 1981, đến nay, XNLD VIETSOVPETRO đã khai thác được cho đất nước khoảng 150 triệu tấn dầu thô và 13 tỷ mét khối khí Lĩnh vực hoạt động chính của VSP là khoan thăm dò, khai thác dầu và khí Tuy nhiên, những năm gần đây VSP đã phát triển mạnh về dịch vụ dầu khí

Hoạt động khai thác dầu và khí của XNLD VIETSOVPETRO tập trung trên hai mỏ Bạch Hổ và Rồng với 13 giàn khoan lớn (MSP) và một giàn nén khí trung tâm (CCP) Giàn nén khí trung tâm có nhiệm vụ thu gom khí đồng hành

từ các giàn khoan, sau đó nén khí lên áp suất cao để đưa vào bờ qua đường ống dẫn khí Đồng thời do sự phát triển của khai thác dầu khí, Giàn nén khí trung tâm còn là trạm trung chuyển khí từ giàn Rạng Đông của công ty dầu khí Việt – Nhật (JVPC) về bờ Mỗi ngày giàn nén khí trung tâm truyền về bờ

từ 5 đến 6 triệu mét khối khí Góp phần quan trọng vào việc cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy điện như Nhà máy điện Bà Rịa, tổ hợp các nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ, nhà máy Đạm Phú Mỹ …, đồng thời là nguồn khí đốt cung cấp cho thị trường

Với nhiệm vụ như trên, trung tâm của giàn nén khí là hệ thống tua-bin

(turbine) và máy nén (gas compressor) Các tua-bin sẽ lái (drive) các máy

nén, làm quay trục của máy nén, nâng áp suất khí từ 10 bar lên gần 125 bar

Là một người đã từng công tác trên giàn nén khí trung tâm trong một khoảng thời gian dài, tác giả đã cùng tham gia với các đồng nghiệp trong một số cải tiến kỹ thuật nhằm nâng cao năng suất và chất lượng Một trong những sáng

kiến đó là “Cải tiến hệ thống điều khiển cho Dry Gas Seal của máy nén khí”

Tuy không còn công tác tại giàn nén khí trung tâm, nhưng đây chính là điều kiện rất thuận lợi để tác giả có cái nhìn sâu sắc hơn và toàn diện hơn về phương pháp điều khiển hiện tại cho hệ thống, đồng thời có thể đưa ra những

đề xuất để làm cho hệ thống tốt hơn Đó cũng chính là lý do mà tác giả chọn

đề tài này

2 Tên đề tài

Đề tài có tên là “Điều khiển hệ thống Dry Gas Seal của máy nén khí trên

giàn nén khí trung tâm”

3 Mục tiêu của đề tài

Thử nghiệm và đánh giá được mức độ thích hợp, hiệu quả một số phương

pháp điều khiển áp dụng cho hệ thống Dry Gas Seal của máy nén khí trên

giàn nén khí trung tâm XNLD VIETSOVPETRO (VSP)

4 Nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu sơ đồ công nghệ và bài toán điều khiển Dry Gas Seal của máy nén khí

- Xây dựng mô hình đối tượng (bằng phương pháp lý thuyết hoặc thực nghiệm)

- Xây dựng sách lược điều khiển phù hợp

- Thiết kế các bộ điều khiển, mô phỏng kiểm chứng kết quả

5 Phương pháp thực hiện

- Nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật liên quan tới máy nén khí

- Tìm hiểu phương pháp xây dựng mô hình lý thuyết, áp dụng cho máy nén khí (hoặc phương pháp nhận dạng, nếu có điều kiện tiến hành thực nghiệm)

- Tìm hiểu các sách lược điều khiển quá trình để chọn lựa sách lược phù hợp cho máy nén khí

- Sử dụng công cụ MATLAB/Simulink để thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển, trên cơ sở các mô hình thu được

- Nếu có điều kiện thực nghiệm, áp dụng và kiểm chứng thực tế

PHẦN I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG

1 Giới thiệu về Giàn nén khí trung tâm

1.1 Tổng quan về giàn nén khí trung tâm

Giàn nén khí trung tâm (Central Compression Platform – CCP) là một trong những giàn hiện đại nhất của mỏ Bạch Hổ trực thuộc XNLD VIETSOVPETRO Giàn được xây dựng từ năm 1996, đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam, với những nhiệm vụ:

Hình I-1: Toàn cảnh giàn nén khí trung tâm

‰ Thu gom khí đồng hành từ các giàn khoan của mỏ Bạch Hổ (mỏ có trữ lượng khai thác dầu khí lớn nhất Việt Nam hiện nay) của XNLD Vietsovpetro

‰ Nhận khí từ giàn Rạng Đông thuộc công ty JVPC (Công ty dầu khí Việt Nhật)

‰ Cung cấp khí nhiên liệu (Fuel Gas) cho các giàn công nghệ thuộc mỏ

Bạch Hổ, ví dụ: Giàn ép vỉa 40000 (PPD-40000), Giàn trung tâm số 2 (CPP-2)

‰ Nén khí đầu vào từ áp suất khoảng 10 bar lên đến gần 125 bar để phục vụ các mục đích:

- Chuyển khí về bờ cung cấp cho Công ty PVGas, lượng khí chuyển về bờ 2

tỷ m3/năm, chiếm khoảng 50% sản lượng khí của ngành dầu khí Việt Nam (thống kê năm 2004)

- Làm khí Gaslift để phục vụ công nghệ khai thác dầu trên các Giàn của mỏ Bạch Hổ

Hình I-2: Sơ đồ công nghệ của giàn nén khí trung tâm

Hình I-3: Sơ đồ đường đi của khí công nghệ từ đầu vào đến đầu ra trên giàn nén khí trung tâm

Bình tách đầu vào 3 pha: nước, dầu và khí

Nén cấp 1

Bình tách nước và condensate đen

Nén cấp 2

Bình tách condensate trắng

Bình tách condensate

và nước

Tách nước bằng Glycol

1.2 Các hệ thống của giàn nén khí trung tâm

Để đáp ứng được yêu cầu về công nghệ của một Giàn nén khí hiện đại, Giàn bao gồm các hệ thống chính sau:

‰ Hệ thống công nghệ:

Là hệ thống điều khiển liên qua đến công nghệ của Giàn, bao gồm các van, các bình tách, các khối chức năng,…

‰ Hệ thống TC (Turbine – Compressor):

Đây được xem là “trái tim” của Giàn nén khí Nhiệm vụ chính của hệ thống

này chính là nhiệm vụ của Giàn Hệ thống gồm có 5 bộ Turbine-Compressor,

có vai trò như nhau, được thiết kế với 4 máy chạy và 1 máy dự phòng Hệ

thống này sử dụng tua-bin để “lái” (drive) máy nén khí (Compressor), nén khí đầu vào (Inlet Gas) với áp suất khoảng 10 bar lên áp suất khoảng 125 bar ở đầu ra (Outlet Gas) Máy nén khí gồm có 2 cấp (stage) được thể hiện như trên

sơ đồ hệ thống

‰ Hệ thống phát điện TG (Turbine – Generator):

Là hệ thống có nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện cho toàn Giàn Hệ thống

gồm có 3 bộ Turbine-Generator, với thiết kế 2 máy chạy và 1 máy dự phòng

Công suất của mỗi máy khoảng 2.8 MW Do Giàn chỉ tiêu thụ một lượng điện nhất định nên hệ thống còn cung cấp cho các giàn lân cận như Giàn trung tâm

số 2, Giàn PPD,…

‰ Hệ thống báo cháy, chữa cháy (Fire – Gas System):

Là một Giàn nén khí trung tâm, với yêu cầu cao về an toàn cháy nổ, hệ thống báo cháy và chữa cháy tự động đóng một vai trò rất quan trọng Hệ thống bao

gồm các đầu dò khói (Smoke Detector), đầu dò nhiệt (Heat Detector), đầu dò Gas (Gas Detector), đầu dò lửa (Fire Detector),… Các đầu dò sẽ có nhiệm vụ

phát hiện ra các nguy cơ về cháy nổ, phát tín hiệu về trung tâm điều khiển Tùy theo mức độ mà hệ thống điều khiển của Giàn sẽ có các cấp độ báo động

khác nhau và cấp cao nhất là dừng hoạt động của toàn Giàn (shutdown)

‰ Hệ thống HVAC (Heatting Ventilating Air Conditioning):

Đây là hệ thống có nhiệm vụ điều hòa không khí cho các phòng làm việc trên giàn và các phòng chức năng Hệ thống này rất quan trọng bởi vì các hoạt động trên giàn tiềm ẩn các nguy cơ độc hại cao, không khí trong các phòng phải bảo đảm không bị nhiễm độc, áp suất ở trong phòng luôn được duy trì cao hơn áp suất ngoài môi trường Hơn nữa, các phòng chức năng như phòng điều khiển gồm các tủ điều khiển hoạt động liên tục 24/24 vì vậy hệ thống

HVAC phải duy trì một nhiệt độ khoảng 20-240C để có thể đảm bảo độ bền

của các board mạch

‰ Hệ thống đo lường (Mettering):

Đây là hệ thống đóng vai trò trong việc xác định lượng khí ở đầu vào, đầu ra của Giàn nén khí trung tâm Hệ thống này do hãng Daniel cung cấp, gồm các cảm biến, transmitter và bộ xử lí có độ chính xác cao Hệ thống sẽ cung cấp thông tin cho hệ thống điều khiển trung tâm của Giàn để người vận hành có thể theo dõi và điều khiển

‰ Các hệ thống khác:

Ngoài các hệ thống chính ở trên còn có một số hệ thống phụ trợ khác như hệ

thống xử lí nước thải, hệ thống cấp nước, hệ thống cung cấp khí (instrument

Để có thể đáp ứng được những yêu cầu của Giàn, hệ thống điều khiển phải là một hệ thống đủ mạnh, tốc độ cao để có thể xử lí các thông tin đưa về theo thời gian thực Vì vậy, hệ SCADA/PLC đã được chọn

PLC của trung tâm điều khiển chủ yếu là PLC 5/40 của hãng Allen Bradley Đây là một trong những hãng có tên tuổi và uy tín trong lĩnh vực Tự động hoá

SCADA của hệ thống sử dụng phần mềm FIX-DMAC của hãng Intellution, là một trong những phần mềm thông dụng, có độ linh hoạt cao với rất nhiều chuẩn truyền thông như Modbus, Profibus, DH+, TCP/IP, v.v

1.3.2 Chi tiết các thành phần của hệ thống thông tin đo lường và điều khiển

Hình I-5: Sơ đồ hệ thống điều khiển – thông tin của giàn nén khí trung tâm

1.3.2.1 Hệ thống SCADA

Như đã đề cập ở trên, hệ thống SCADA của trung tâm điều khiển sử dụng phần mềm FIX-DMAC của hãng Intellution chạy trên hệ điều hành Microsoft WinNT 4.0 Các máy chủ (Server) và WorkStation do hãng HP cung cấp Đây là hệ thống có nhiệm vụ thu thập dữ liệu, hiển thị dữ liệu, điều khiển quá trình, cảnh báo các điều kiện công nghệ, và các nguy cơ cháy nổ,… theo thời gian thực Hệ thống gồm 2 Server là SCADA1 và SCADA2 chạy song song,

3 WorkStation là WS1, WS2, WS3 có nhiệm vụ giao tiếp với người vận hành (Human Machine Interface – HMI) Hệ thống này liên kết với nhau qua Switch và sử dụng giao thức TCP/IP để truyền nhận dữ liệu

Hệ thống SCADA giao tiếp với hệ thống PLC bằng đường DH+ thông qua card giao tiếp do hãng Allend Bradley cung cấp Tín hiệu từ các PLC này sẽ được chuyển đến IO Driver của FIX, sau đó được lưu trong bộ nhớ và được

sử dụng để phân tích, theo dõi, cảnh báo,… Ngoài ra hệ thống còn giao tiếp bằng chuẩn RS232 với PLC S5 của Siemens qua cổng COM

1.3.2.2 Hệ thống PLC

Hệ thống PLC có “vị trí” thấp hơn hệ thống SCADA trong sơ đồ của hệ thống điều khiển, và là hệ thống trung gian giữa SCADA và hiện trường (field) Nó nhận lệnh điều khiển, đồng thời cung cấp thông tin cho SCADA Đối với hệ thống hiện trường, nó ra lệnh và nhận tín hiệu từ các thiết bị hiện trường

Hệ thống PLC được phân chia dựa theo yêu cầu về sản xuất của Giàn, gồm có

6 hệ thống PLC đó là:

‰ Process PLC:

Đây là PLC phụ trách hệ thống công nghệ của Giàn Các tín hiệu liên quan đến việc điều khiển van, các quá trình công nghệ được đưa về và xử lí trên PLC này Do tính chất quan trọng của nó nên hệ thống PLC này thực chất gồm 2 CPU hoạt động theo chế độ Redundancy Các ngõ vào ra có thể được

mở rộng thông qua bộ chuyển đổi trung gian (Remote I/O Adapter Module –

1771 ASB) PLC này kết nối với hệ thống chung của giàn bằng đường DH+

Hình I-6: Hệ thống Process PLC

‰ SSD PLC:

SSD (Safety Shutdown) PLC phụ trách một phần của hệ thống công nghệ giàn, đồng thời điểu khiển hệ thống báo cháy tự động… Các tín hiệu của nó chủ yếu liên quan đến việc dừng hệ thống công nghệ Đây cũng là một trong những PLC có tính quyết định đến hoạt động của Giàn vì vậy nó hoạt động theo chế độ Redundancy Các ngõ vào ra cũng có thể mở rộng tương tự như Process PLC Hệ thống chung của giàn kết nối với PLC này bằng đường DH+

‰ HP PLC:

Đây là PLC để điều khiển hệ thống TC (Turbine – Compressor) Do hệ thống này cố định nên khi thiết kế, người ta không sử dụng phương án mở rộng Khác với hệ thống Process và SSD PLC, hệ thống này còn có thêm một số module để điều khiển hoạt động của Tua-bin và máy nén, ví dụ: Vibration Module của hãng Bently Nevada,…

Vì hệ thống TC gồm có 5 máy với 4 máy chạy và 1 máy dự phòng nên PLC không cần chế độ Redundancy PLC này liên kết với hệ thống chung của giàn thông qua đường DH+

Hình I-7: Hệ thống HP PLC

‰ TG PLC:

Đây là hệ thống PLC để điều khiển hệ thống tuabin – máy phát (Turbine – Generator) Hệ thống này gồm 3 máy, trong đó 2 máy chạy và 1 máy dự phòng Nó cũng tương tự như hệ thống HP PLC nhưng về quy mô thì nhỏ hơn, số lượng đầu vào và đầu ra ít hơn

‰ LP PLC:

LP PLC là PLC điều khiển hệ thống LP Compressor Đây là một hệ thống nhỏ vì vậy PLC được sử dụng chỉ là S5 của hãng Siemens PLC này kết nối với SCADA Server trực tiếp bằng RS232 qua cổng COM

‰ SLC:

Đây là PLC loại “nhỏ” của hãng Allen Bradley, được sử dụng với mục đích điều khiển hệ thống HVAC của Giàn Do tính chất của hệ thống HVAC không liên quan đến công nghệ của Giàn nên nó không nối trực tiếp với hệ

thống qua đường DH+ mà chỉ có một số thông số của hệ thống HVAC được đưa trực tiếp vào Process PLC

1.3.2.3 Hệ thống hiện trường

Đây là hệ thống “thấp” nhất trong sơ đồ điều khiển Nó trực tiếp tác động đến

các thành phần công nghệ của Giàn, bao gồm van điều khiển, van shutdown,

solenoid, cảm biến, transmitter,…

Các tín hiệu của hệ thống hiện trường đều đưa về các PLC chức năng của trung tâm điều khiển, sau đó trung tâm điều khiển sẽ phát lệnh thông qua các PLC để điều khiển các cơ cấu chấp hành của hệ thống hiện trường

Ngoài ra trong hệ thống hiện trường thực tế còn có thể có thêm một cấp điều

khiển nữa đó là Machine Control Đây là các hệ thống điều khiển cho các máy chuyên biệt, ví dụ như hệ thống cung cấp khí điều khiển (instrument air)

Cấp điều khiển này cũng nhận tín hiệu trực tiếp và truyền tín hiệu về các PLC chức năng

1.3.2.4 Các chuẩn tín hiệu sử dụng

Trong hệ thống điều khiển của giàn nén khí trung tâm có rất nhiều chuẩn tín hiệu được sử dụng Các chuẩn này liên quan mật thiết đến phương thức điều khiển và hoạt động của các thiết bị Người ta chia làm 2 chuẩn tín hiệu chính

đó là tín hiệu tương tự (analog) và tín hiệu số (digital)

ƒ Tín hiệu tương tự (analog signal)

Đây là các tín hiệu thể hiện các thông số quá trình ví dụ áp suất, nhiệt độ, mức chất lỏng,… Đây là các thông số rất thông dụng trong công nghệ của Giàn nén khí trung tâm

Đối hệ thống, người ta chia tín hiệu tương tự làm 2 loại: tín hiệu tương tự

(analog input) vào và tín hiệu tương tự ra (analog output)

1 Analog input:

Hình I-8: Sơ đồ tín hiệu analog đầu vào

Tín hiệu từ cảm biến qua transmitter được chuyển đổi chuẩn hoá thành các tín

hiệu điện Có 2 kiểu tín hiệu điện, đó là kiểu dòng điện và kiểu áp:

• Dòng điện: 4÷20 mA, 0÷20 mA

Cảm biến Transmitter Analog Input Module PLC

Tín hiệu kiểu dòng điện có ưu điểm là truyền xa, chống nhiễu tốt, có thể sử dụng rộng rãi với nhiều thiết bị Chuẩn được sử dụng chủ yếu trong hệ thống của Giàn nén khí trung tâm là 4÷20 mA

• Điện áp: 1÷5V, 0÷5V, 0÷10mV, 0÷10V, -5÷5V,…

Tín hiệu kiểu điện áp ít được sử dụng hơn vì khoảng cách truyền không xa, khả năng chống nhiễu kém Tín hiệu này chủ yếu được sử dụng trong hệ thống kiểm soát độ rung của hệ thống TC

Để đưa tín hiệu từ transmitter về PLC ta phải thông qua một module gọi là

Analog Input Module của hãng Allen Bradley Module thường được sử dụng

trong hệ thống là 1771-IFE Module này nhận được cả 2 loại tín hiệu điện áp

và dòng điện với các chế độ đơn (single) và vi sai (differential) Các module này được cắm vào các khe (slot) của các rack trong hệ thống

2 Analog output:

Hình I-9: Sơ đồ tín hiệu analog đầu ra

Ngược lại với tín hiệu analog input, tín hiệu analog output tương đương với lệnh điều khiển của PLC ra các thiết bị chấp hành ngoài hiện trường

Tuy nhiên, tương tự analog input, analog output cũng sử dụng dòng điện

hoặc điện áp để truyền Kiểu tín hiệu được sử dụng nhiều nhất trong hệ thống cũng là dòng điện từ 4÷20 mA

Tín hiệu điều khiển từ PLC thông qua Analog Output Module và được truyền đến các thiết bị chấp hành, đó có thể là các actuator, I/P converter, van điều khiển,… Analog Output Module thường được sử dụng của hãng Allen

Bradley có số hiệu 1771-OFE

ƒ Tín hiệu rời rạc (discrete signal)

Tín hiệu rời rạc là những tín hiệu về mặt logic chỉ có 2 trạng thái 0 và 1 tương ứng với các giá trị điện áp nhất định

Tương tự như tín hiệu analog, tín hiệu digital cũng chia làm 2 loại: discrete

input và discrete ouput

Thiết bị

chấp hành Analog Output Module PLC

1 Discrete Input:

Hình I-10: Sơ đồ tín hiệu digital đầu vào

Các cảm biến (Sensor) thường là các công tắc (Switch) như là công tắc áp suất (Pressure Switch), công tắc nhiệt độ (Temprature Switch), công tắc mức chất lỏng (Level Switch),…Tín hiệu điện áp (0 hoặc 24 VDC) được truyền từ các công tắc thông qua Digital Input Module sẽ về PLC Digital Input Module

được sử dụng của hãng Allen Bradley có số hiệu 1771-IBN

2 Discrete Output:

Ngược lại với Discrete Input, Discrete Output là tín hiệu điện áp từ PLC qua các Digital Output Module sẽ được đưa đến các thiết bị chấp hành Digital

Output Module được sử dụng của hãng Allen Bradley có số hiệu 1771-OBDS

Các thiết bị chấp hành thường là các solenoid, các relay, các công tắc tơ để

điều khiển động cơ,…

Hình I-11 Sơ đồ tín hiệu digital đầu ra

ƒ Một số tín hiệu khác

Ngoài 2 tín hiệu chuẩn kể trên, hệ thống còn sử dụng một số tín hiệu khác, như:

o Tín hiệu kiểu RTD (Resistance Temperature Detector):

Được sử dụng để đo nhiệt độ của máy nén (Compressor) Tín hiệu này dựa

trên sự tương ứng giữa nhiệt độ và điện trở Tín hiệu từ ngoài hiện trường

được đưa về PLC thông qua RTD input Module

ƒ Chuẩn truyền tin DH+ (Data Highway Plus)

Khác với các chuẩn truyền thông thông dụng RS232 và RS485, chuẩn truyền tin DH+ là một giao thức riêng của hãng Allen Bradley, với các đặc tính:

o Kết nối kiểu ngang hàng (peer-to-peer)

o Giao thức truyền nhận theo kiểu thẻ bài (token-passing)

o Kết nối song song tối đa 64 nốt mà không cần bộ lặp (Repeater)

o Truyền tin nối tiếp song công (Full Duplex)

o Có 3 dây: Transmitt, Receive, Common

o Sử dụng card giao tiếp 1784-KT để giao tiếp với máy tính

2 Giới thiệu về hệ thống máy nén khí (Gas Compressor System)

2.1 Giới thiệu về hệ thống máy nén khí của Giàn nén khí trung tâm

Như đã đề cập ở trên, nhiệm vụ chính của Giàn nén khí trung tâm là nén khí

đầu vào (Inlet Gas) với áp suất khoảng 10 bar lên áp suất gần 125 bar ở đầu ra (Outlet Gas) để đưa về bờ Để tăng được áp suất như trên, Giàn nén khí sử dụng hệ thống máy nén khí (Gas Compressor) của hãng Dresser Rand Hệ

thống gồm có 5 tổ máy, trong đó có 4 tổ máy chạy thường trực và 1 tổ máy

làm nhiệm vụ dự phòng (Stand by)

Mỗi tổ máy gồm một tua-bin (Turbine) có nhiệm vụ lái (drive) máy nén khí

Máy nén khí gồm 2 cấp độc lập được nối trục với nhau

Hình I-12: Một tổ máy Turbine – Compressor của giàn nén khí trung tâm

Máy nén thấp áp (Low Pressure – LP) có ký hiệu là CBF – 642, có nhiệm vụ

nén khí đầu vào khoảng 10 bar lên áp suất khoảng 40 bar ở đầu ra Khí đầu ra

sau khi qua các bình tách sẽ đi vào đầu vào của máy nén cao áp (High

Pressure – HP) có ký hiệu là CBF – 833 Máy nén cao áp có nhiệm vụ đưa áp

suất khoảng 40 bar ở đầu vào lên đến áp suất gần 125 bar ở đầu ra

Do tua-bin lái cả 2 cấp máy nén khí nên để điều khiển hệ thống này người ta

sử dụng chung một PLC – 5 của hãng Allen Bradley (như đã đề cập đến ở phần HP PLC)

Hình I-13: Tác giả trước tổ máy D (Train D) của giàn nén khí trung tâm

2.2 Cấu tạo cơ bản của máy nén khí

2.2.1 Vỏ máy (Casing)

Vỏ máy nén có 2 kiểu cấu tạo:

o Vỏ tháo ngang: Đối với vỏ máy tháo ngang, khi mở nắp máy phía trên ta

có thể thấy được các bộ phận bên trong

o Vỏ tháo dọc: Loại vỏ tháo dọc, sau khi mở nắp, các bộ phận bên trong máy nén phải được kéo ra ngoài

So với loại vỏ máy tháo dọc thì loại vỏ tháo ngang được sử dụng phổ biến hơn do dễ sửa chữa các bộ phận bên trong Tuy nhiên loại vỏ tháo ngang có nhược điểm là vùng có khả năng rò rỉ rộng Nó không phù hợp để nén các khí nhẹ (như H2) ở áp suất cao

2.2.2 Cánh công tác (Impeller)

Là một bộ phận của máy nén ly tâm dùng để tăng vận tốc của khí Có 3 loại cánh là : cánh hở, cánh nửa hở và cánh kín

o Loại cánh hở thường được sử dụng cho máy nén ly tâm chỉ có một cấp

o Loại cánh nửa hở được sử dụng cho dòng lớn, thường sử dụng trong máy nén đơn cấp hay là cấp đầu tiên của máy nén nhiều cấp

o Loại cánh kín được sử dụng chủ yếu trong máy nén nhiều cấp

Dòng khí ít được kiểm soát nhất trong loại cánh hở Trong loại cánh kín, khí được hút vào lỗ hút và đi ra ngoài mép vành của cánh, đồng thời dòng khí phần lớn được kiểm soát

Cánh được liên kết cứng với trục nhờ mối ghép then

2.2.3 Màng ngăn (Diaphragm)

Hình I-14: Cấu tạo của màng ngăn (Diaphragm)

Đó là một tấm kim loại đặt kế sát với cánh quạt, nó đóng vai trò dẫn đường cho khí đi từ miệng đẩy của cấp nén này vào miệng hút của cấp nén tiếp theo Thông thường màng ngăn được chế tạo bằng gang hoặc bằng kim loại cứng,

nó được gắn với vỏ và không quay theo trục của máy nén

Màng ngăn có thể phải được làm nguội Nó cũng đóng vai trò làm nguội khí khi nén

2.2.4 Cánh dẫn hướng (Guide Vane)

Cánh dẫn hướng có thể hoặc cố định hoặc có khả năng di chuyển, thông thường được đặt phía trước lỗ hút của một cánh quạt khác để có tác dụng dẫn dòng khí đi vào lỗ hút của cánh quạt

Hình I-15: Cấu tạo cánh dẫn hướng (Guide Vane)

Cánh dẫn hướng trong máy nén ly tâm nhiều cấp được đặt ở cuối đường hồi của màng ngăn

Khí sau khi rời khỏi cánh quạt sẽ đi vào vùng khuyếch tán và được dẫn hồi trở lại nhờ cánh dẫn hướng vào cánh quạt tiếp theo

Đường vào cánh dẫn hướng có thể điều chỉnh được

Với cánh có khả năng điều chỉnh, góc của dòng khí vào của cánh quạt có thể được thay đổi hay điều khiển được Góc đó ảnh hưởng đến đặc điểm làm việc của cánh quạt Công suất của máy nén có thể được điều khiển nhờ điều chỉnh cánh dẫn hướng Ở một số máy nén khí, cánh dẫn hướng được thiết kế để tự động điều chỉnh công suất giữ cho máy nén làm việc trong phạm vi công suất của nó

2.2.5 Vòng đệm trục (Seal)

Vì màng ngăn không quay theo trục của máy nén nên giữa chúng phải có một khoảng hở Khí đi qua cánh quạt được tăng áp suất nên chúng có khả năng quay trở lại phía trước miệng hút Vòng đệm trục nhằm mục đích hạn chế khả năng đó

2.2.6 Vòng đệm khuất khúc (Labyrinth Seal)

Đó là bộ các vòng kim loại có hình răng cưa bao quanh trục Các răng này không chạm vào trục Các vòng này thường là kim loại mềm để tránh hư hỏng trục trong trường hợp bị cọ xát với trục Giữa các răng cưa hình thành các không gian rối như minh họa ở hình vẽ

Hình I-16: Cấu tạo của vòng đệm khuất khúc

Khi khí đi vào khoảng không gian rối này chúng sẽ đổi hướng và chậm lại, nhờ đó hạn chế khí rò rỉ ra ngoài Tuy nhiên, vòng đệm này không ngăn được hoàn toàn rò rỉ vì vậy chúng chỉ có thể sử dụng ở những nơi áp suất thấp và chấp nhận một phần khí rò rỉ, chẳng hạn như ở giữa các cấp nén

Nếu dòng khí có vận tốc cao, một lượng khí không thay đổi trực tiếp trong vòng làm kín mà đi thẳng qua đường dẫn giữa răng của vòng đệm khuất khúc

Nếu khí nén trong máy nén là khí độc hại, nguy hiểm thì cần có rãnh để hứng khí rò rỉ, từ đó khí được dẫn tới một nơi an toàn

Cũng với cấu tạo như hình vẽ trên, người ta có thể dẫn tới đó một dòng khí có

áp suất lớn hơn áp suất trong máy nén, rõ ràng khí trong máy nén không thể đi

ra ngoài được Nhưng tất nhiên dòng khí này sẽ rò rỉ ra ngoài và vào trong máy nén

2.3 Nguyên lý hoạt động của một máy nén khí điển hình

Hình I-17: Cấu tạo của một máy nén khí điển hình

Khi cánh quạt quay, các phân tử khí sẽ bị đẩy ra xa tâm nhờ lực ly tâm, kết quả là động năng của các phân tử khí tăng lên Khí sau khi thoát ra khỏi cánh

quạt sẽ tiếp tục đi vào bộ phận khuếch tán (diffuser), tại đây vận tốc bắt đầu

giảm và động năng của khí chuyển thành thế năng (áp suất) Khí tiếp tục đi vào vòng xoắn ốc, tại đây động năng tiếp tục chuyển thành áp suất

Trong nhiều trường hợp, người ta ghép nhiều máy nén ly tâm thành máy nén

ly tâm nhiều cấp

Mỗi cánh quạt gọi là một cấp Sau khi khí đã được nén xong ở cấp thứ nhất,

nó sẽ tiếp tục đi vào cấp thứ 2, cứ thế cho đến khi qua hết tất cả các cấp Hình thức tăng vận tốc của các phân tử khí, chuyển động năng thành áp suất thì cũng tương tự như đối với nguyên lý máy nén một cấp

PHẦN II: HỆ THỐNG GAS SEAL VÀ CÁC GIẢI

PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐÃ THỰC HIỆN

1 Giới thiệu về hệ thống Dry Gas Seal của máy nén ly tâm

Trong một hệ thống máy nén ly tâm (Centrifugal Compressor) đòi hỏi phải có

sự làm kín trục để ngăn chặn khí từ thoát theo trục và ra ngoài môi trường

Có nhiều phương pháp làm kín, ví dụ radial seal, mechanic contact seal, Dry

gas seal - DGS… Trong đó, DGS là một trong những phương pháp phổ biến

nhất hiện nay với hơn 80% máy nén khí kiểu ly tâm được trang bị hệ thống DGS

Hình II-1: Cấu tạo tổng quát của một hệ thống DGS kiểu Tandem

DGS hiện nay có một số cấu hình khác nhau, tuy nhiên, ở đây chỉ đề cập đến kiểu “Tandem”như hình trên bởi vì nó được sử dụng trong các máy nén của

Giàn nén khí trung tâm Với DGS kiểu “Tandem” bao gồm 2 cấp làm kín đó

là làm kín sơ cấp (primary seal) và làm kín thứ cấp (secondary seal) Ở chế

độ hoạt động bình thường, hệ thống làm kín sơ cấp sẽ hấp thu toàn bộ áp suất

và đưa ra hệ thống thoát (vent system), trong khi đó hệ thống làm kín thứ cấp

mang tính dự phòng trong trường hợp làm kín sơ cấp bị hỏng

Để điều khiển hệ thống DGS người ta thường sử dụng hai phương pháp cơ

bản, đó là phương pháp điều khiển chênh áp (Differential Pressure Control)

và phương pháp điều khiển lưu lượng (Flow Control)

Phương pháp điều khiển chênh áp được thể hiện ở hình II-2 Hệ thống điều khiển sẽ cung cấp cho hệ thống làm kín dòng khí chèn được điều chỉnh để áp suất chênh giữa dòng khí chèn và áp suất tham chiếu ở một giá trị đặt trước Tín hiệu từ bộ điều khiển sẽ đưa đến van điều khiển để duy trì áp suất chênh

đó Đây chính là kiểu điều khiển được sử dụng trong máy nén khí của Giàn nén khí trung tâm

Phương pháp điều khiển lưu lượng được trình bày ở hình II-3 Lưu lượng của

dòng khí chèn được tính toán thông qua tấm lỗ (orifice) Và tín hiệu điều

khiển sẽ được đưa đến van điều khiển để duy trì lưu lượng đã đặt

Hình II-2: Sơ đồ kiểu điều khiển áp suất chênh (DP Control)

Hình II-3: Sơ đồ kiểu điều khiển lưu lượng (Flow Control)

2 Các thông số cơ bản của hệ thống Dry Gas Seal – Giàn nén khí trung tâm

• Compressor OEM: Dresser – Rand

• Compressor Model: CBF-642 (LP), CBF-833 (HP)

• Dry Gas Seal Manufacturer: John Crane

• Dry Gas Seal Type: 28AT Tandem Seal (both LP and HP)

3 Hệ thống điều khiển Dry Gas Seal

3.1 Mục đích của hệ thống điều khiển Dry Gas Seal

Hệ thống điều khiển Dry Gas Seal (DGS) được thiết kế nhằm cung cấp khí khô và sạch cho hệ thống làm kín bằng khí (Gas Seal) Thông thường, khí làm kín (khí chèn) được lấy từ đầu ra của máy nén khí (Compressor Discharge)

hay từ những nguồn ngoài khác, miễn là áp suất của nó lớn hơn áp suất cân

bằng Sau đó, khí chèn (Seal Gas) được lọc và điều chỉnh bởi một van điều

khiển chênh áp sao cho áp suất chênh của nó vượt qua áp suất cân bằng Khi

áp suất chênh được duy trì, DGS cho phép khí sạch từ hệ thống DGS vào hệ

thống làm kín sơ cấp (primary seal) và hệ thống đường rối (labyrinth)

3.2 Các bộ điều khiển Dry Gas Seal đã thực hiện cho máy nén ở Giàn nén khí trung tâm

Giàn nén khí trung tâm (CCP) từ khi đi vào hoạt động cho đến nay đã gần được 10 năm Với khoảng thời gian đó, có rất nhiều những sáng kiến cải tiến

kỹ thuật nhằm mục đích nâng cao năng suất của các hệ thống cũng như của Giàn Bộ điều khiển Dry Gas Seal cũng vậy, nó cũng đã được cải tiến nhằm đơn giản hóa quá trình vận hành và tăng năng suất của máy nén…

Bộ điều khiển Dry Gas Seal cho đến nay có thể chia thành 2 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Bộ điều khiển PDIC khí nén

Đây là thiết kế ban đầu của bộ điều khiển Dry Gas Seal, hoàn toàn bằng khí nén

• Giai đoạn 2: Bộ điều khiển sử dụng PID của PLC

Trong quá trình vận hành, tác giả và đồng nghiệp nhận thấy bộ điều khiển PDIC bộc lộ nhiều nhược điểm, vì vậy đã thay đổi bằng bộ điều khiển PID của PLC Hiện nay phương pháp điều khiển này vẫn đang được sử dụng tại Giàn nén khí trung tâm

Để hiểu rõ hơn về các giai đoạn trên, trước hết ta phân tích một số cơ sở lý thuyết Sau đó tác giả sẽ đi sâu vào từng giai đoạn với các ưu nhược điểm của

các phương pháp điều khiển Và sau cùng, tác giả sẽ trình bày giải pháp nhằm cải tiến bộ điều khiển hiện tại

4 Cơ sở lý thuyết

4.1 Bộ điều khiển khuếch đại tỉ lệ (Proportional Controller)

Bộ điều khiển khuếch đại tỉ lệ (Bộ điều khiển P) là dạng đơn giản nhất thuộc

họ PID Trong bộ điều khiển này, thành phần điều khiển cuối (final control element) được điều chỉnh ở các vị trí khác nhau phù hợp với điều kiện của quá trình Bộ điều khiển sẽ tiến hành trong một dải từ điểm 0% đầu ra cho đến 100% đầu ra, và mỗi giá trị đầu ra của bộ điều khiển thì tỉ lệ với tín hiệu đầu vào Nói một cách khác, quan hệ giữa đầu vào và đầu ra là tuyến tính

Hình II-4: Một bộ điều khiển P điển hình

Hình trên minh họa một bộ điều khiển khuếch đại tỉ lệ điển hình Trong ví dụ này, bộ điều khiển khuếch đại tỉ lệ được sử dụng để điều khiển mức nước (level) của một bể chứa Dễ thấy rằng nhiễu của hệ thống chủ yếu do dòng chảy của nước gây ra Vì vậy, để hạn chế tác động của nhiễu, người ta chỉ điều khiển trong một dải hẹp (0” đến 4”) Hệ thống đòn bẩy và điểm tựa chính

là bộ điều khiển tỉ lệ Độ dài của đòn bẩy ở mỗi bên điểm tựa quyết định hệ số khuếch đại

Thuật toán điều khiển của bộ khuếch đại tỉ lệ được thể hiện bởi công thức:

) ( )

u – đầu ra của bộ điều khiển (tín hiệu điều khiển thực)

u– độ dịch (bias, manual setting)

(t

e – sai lệch điều khiển e(t) =r(t) −y(t)

c

k – hệ số khuếch đại của bộ điều khiển

Thông thường, khi hệ ổn định thì hệ số khuếch đại k c càng lớn thì sai lệch e(t)

hoặc nhiễu càng nhỏ Tuy nhiên, khuếch đại tỉ lệ không bảo đảm e(t) tiến tới

không trong mọi trường hợp

Luật điều khiển khuếch đại tỉ lệ có tác động nhanh và tức thời, vì vậy nó đóng

vai trò quan trọng giai đoạn đầu của quá trình quá độ (Yếu tố này sẽ được

nhắc lại trong phần ứng dụng vào bộ điều khiển thực cho hệ thống DGS của máy nén) Tuy nhiên, hệ số khuếch đại k c càng lớn thì tín hiệu điều khiển u(t)

thay đổi càng mạnh (đôi khi không mong muốn) và hệ thống càng nhạy cảm hơn với các tác động của nhiễu Đôi khi, việc chọn hệ số khuếch đại quá lớn

sẽ làm ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống

Một thông số quan trọng nữa trong điều khiển tỉ lệ đó là dải tỉ lệ PB (proportional band), được định nghĩa như sau:

c k

u u

PB=100%

4.2 Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân (Proportional – Integral Controller)

Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân (Bộ điều khiển PI) là dạng được sử dụng nhiều nhất trong họ PID So với bộ điều khiển tỉ lệ (Bộ điều khiển P), bộ điều khiển

PI được thêm vào thành phần tích phân (thành phần I) với mục đích triệt tiêu sai lệch tĩnh

Khâu tích phân (integrator) có tỉ lệ thay đổi ngõ ra phụ thuộc vào độ lớn của

ngõ vào (ở đây chính là sai lệch e(t)) Đặc biệt, khi thay đổi của ngõ vào càng

nhỏ thì tỉ lệ thay đổi của ngõ ra càng nhỏ Bộ điều khiển tích phân còn được

biết đến với tên gọi là bộ điều khiển kiểu reset (Reset Control – tên gọi này có

liên quan đến thiết bị được sử dụng trong giải pháp điều khiển Gas Seal bằng PDIC cơ khí ở phần sau)

Khâu tích phân cung cấp một ngõ ra với tỉ lệ thay đổi là tuyến tính liên quan đến biên độ của ngõ vào thay đổi kiểu bước nhảy và giá trị hằng (constant) xác định bởi hàm tích phân

Hình II-5: Mô tả một bộ điều khiển tích phân I

Hình trên cho thấy, khi bước nhảy thay đổi độ lớn 10% và hằng số của khâu tích phân sẽ làm cho đầu ra thay đổi 0.2% mỗi giây cho mỗi 1% của đầu vào Khâu tích phân đáp ứng một cách “từ từ” trước sự biến đổi của đầu vào Như

đã thấy, nếu đầu vào giữ nguyên giá trị mỗi 5 giây, đầu ra của khâu tích phân

sẽ tiếp tục tăng trong mỗi 5 giây cho đến khi bão hòa

Ưu điểm lớn nhất của khâu tích phân đó là khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh Tuy nhiên, nhược điểm của nó lại là đáp ứng chậm trước những thay đổi của tín hiệu sai lệch hay nhiễu Vì vậy, người ít khi sử dụng một khâu tích phân độc lập mà thường kết hợp với các bộ điều khiển khác mà điển hình là bộ điều khiển PI

Luật điều khiển PI được biểu diễn bởi hàm:

i

k u t u

0 ( )

1 ) ( )

τ

Trong đó τi là thời gian tích phân (hay còn gọi là reset time) Từ hàm trên cho

thấy chừng nào sai lệch điều khiển chưa tiệm cận về không thì tín hiệu điều khiển còn tiếp tục thay đổi trong một thời gian và hệ thống chưa thể đạt được trạng thái xác lập Thời gian tích phân càng nhỏ thì tác động của khâu tích phân càng lớn, có nghĩa là sai lệch điều khiển nhanh chóng bị triệt tiêu

Bộ điều khiển PI còn được gọi là Proportional Plus Reset (đây chính là tên

gọi của bộ PDIC cơ khí được sử dụng để điều khiển Gas Seal)

Như vậy việc kết hợp giữa bộ điều khiển tỉ lệ và khâu tích phân sẽ làm tăng tốc độ đáp ứng đồng thời sẽ triệt tiêu được sai lệch tĩnh

Một vấn đề mà bất cứ bộ điều khiển nào có thành phần tích phân đó là bão

hòa tích phân (reset windup, integrator windup) Đó là hiện tượng mặc dù sai

lệch điều khiển đã trở về không nhưng đầu ra của bộ điều khiển vẫn tiếp tục tăng quá mức giới hạn do sự tích lũy của thành phần tích phân Vì có đặc điểm cố hữu này mà các bộ điều khiển này thường không thích hợp với các hệ thống thường xuyên shutdown hoặc khởi động Để khắc phục hiện tượng này, người ta đưa ra các giải pháp như sau:

• Khi sai lệch điều khiển bằng 0, sẽ tách bỏ thành phần tích phân trong bộ điều khiển hoặc là xóa trạng thái của thành phần tích phân

• Giảm hệ số khuếch đại để đầu ra của bộ điều khiển nằm trong giới hạn cho phép nhằm tránh việc xảy ra hiện tượng bão hòa tích phân

• Theo dõi giá trị thực của tín hiệu điều khiển đã bị giới hạn, phản hồi về bộ điều khiển để thực hiện thuật toán bù nhằm giảm thành phần tích phân

• Đặt một khâu giới hạn tại đầu ra của bộ điều khiển để mô phỏng đặc tính phi tuyến của thiết bị chấp hành và sử dụng thuật toán bù giống trường hợp trên

Trong 4 giải pháp trên, 2 giải pháp cuối có ưu điểm hơn cả và được sử dụng trong hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp

4.3 Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân – vi phân (Proportional – Intergral – Derivative Controller)

Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân – vi phân (PID) là bộ điều khiển PI có mở rộng thêm thành phần vi phân (Derivative) Luật điều khiển PID lý tưởng được biểu diễn như sau:

i c

) ( )

( 1 ) ( )

(

0 τ τ τ τ

Trong đó:

)

(t

u – đầu ra của bộ điều khiển (tín hiệu điều khiển thực)

u– độ dịch (bias, manual setting)

Như đã biết, khâu vi phân tỉ lệ với sự thay đổi của sai lệch điều khiển e(t), hay đạo hàm của e(t) theo thời gian Đặc điểm của khâu vi phân là đoán trước

chiều hướng và tốc độ thay đổi của biến được điều khiển và đưa ra phản ứng thích hợp, nên nó có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ kín với thay đổi của giá trị đặt hoặc tác động nhiễu của tải Khi hệ thống xác lập, tức là

e(t)=const thì ( =) 0

dt

t

de nên thành phần này không còn tác dụng

Một điểm khác biệt cơ bản giữa khâu vi phân và tích phân đó chính là phạm

vi tần số ảnh hưởng Thành phần tích phân có ảnh hưởng lớn ở phạm vi tần số thấp tức là khi hệ thống ở gần trạng thái xác lập Trong khi đó thành phần vi phân có ảnh hưởng chủ yếu tới phạm vi tần số cao, tức là hệ thống ở trạng thái quá độ Ngoài ra, thành phần vi phân giúp bộ điều khiển có thể ổn định một số quá trình bình thường không ổn định được với các bộ điều khiển P hoặc PI Tuy nhiên, do tính chất đáp ứng nhanh nên thành phần vi phân cũng

có thể nhạy cảm với nhiễu đo

Một trong những vấn đề quan trọng của bộ điều khiển PID ứng dụng trong thực tế đó là chế độ làm việc Thông thường thì các bộ điều khiển này hỗ trợ

cả 2 chế độ điều khiển là bằng tay (manual) và tự động (automatic) Trong chế độ điều khiển bằng tay, tín hiệu điều khiển được người vận hành đưa vào trực tiếp Trong khi đó, ở chế độ điều khiển tự động, tín hiệu điều khiển được tính toán dựa trên các thuật toán phù hợp Thông thường, khi đưa hệ thống vào vận hành người ta sử dụng chế độ điều khiển bằng tay cho đến khi đạt điểm làm việc mới chuyển sang chế độ điều khiển tự động Và khi muốn dừng

hệ thống, người ta chuyển lại chế độ tự động sang chế độ bằng tay Một trong những lý do phải tiến hành như trên vì các bộ điều khiển thường được thiết kế

để làm việc tốt trong phạm vi nào đó, thường là xung quanh điểm làm việc với đặc tính được coi là tuyến tính

5 Giải pháp điều khiển sử dụng bộ PDIC khí nén

Như đã giới thiệu ở phần trên, giải pháp điều khiển Dry Gas Seal sử dụng bộ PDIC khí nén là thiết kế ban đầu của hệ thống PDIC (Pressure Differential

Indicating Controller) là bộ điều khiển chênh áp, có chỉ thị và hoàn toàn bằng

cơ khí Hình II-6 mô tả một bảng các thiết bị điều khiển của hệ thống Gas

Seal (Gas Seal Control Panel) Trên bảng gồm các công tắc áp suất (Pressure Switch), các van điều khiển (Control Valve), các bộ lọc (Filter)… Bộ PDIC-

605 (số 1) sẽ điều khiển van PCV-605 (số 4) được sử dụng cho hệ thống Dry Gas Seal của máy nén cao áp (HP) CBF-833

Hình II-6: Bảng điều khiển hệ thống Dry Gas Seal của một tổ máy

Tương tự như vậy bộ PDIC-505 (số 2) và van điều khiển PCV-505 được sử

dụng cho hệ thống Dry Gas Seal của máy nén thấp áp (LP) CBF-642 Hai bộ

điều khiển này hoàn toàn tương tự nhau như cùng hãng sản xuất, cùng kiểu (model), cùng các thông số vận hành… Vì vậy ta chỉ cần phân tích đặc điểm của một bộ và tương tự cho bộ còn lại Sơ đồ công nghệ của hệ thống điều khiển được trình bày ở hình II-8

Một số thông số cơ bản của bộ PDIC-505 (cũng như 605):

Hình II-7: Bộ điều khiển 4194 HBFE của hãng FISHER

5.1 Giới thiệu về giải pháp sử dụng bộ điều khiển PDIC-505 (4194HBFE)

Sơ đồ công nghệ của hệ thống được mô tả trong hình II-8

Bộ điều khiển PDIC-505 có nhiệm vụ điều khiển áp suất chênh (differential

pressure control) Áp suất chênh được tính giữa áp suất của khí chèn cung

cấp (seal gas supply) và áp suất tham chiếu Áp suất tham chiếu được lấy từ

trong tầng nén của máy nén

Dựa trên giá trị của áp suất chênh, bộ điều khiển tính toán dựa trên các khâu tỉ

lệ và khâu tích phân (PI) Sau đó, tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển dưới dạng

khí nén (pneumatic) được đưa đến van điều khiển PCV-505 để điều khiển áp

suất cấp của khí chèn cung cấp nhằm bảo đảm giá trị áp suất chênh bằng với

giá trị đặt (setpoint)

Khí chèn cung cấp ở trên là khí được lấy từ đầu ra của máy nén (discharge of

gas compressor), sau đó qua các bộ lọc (filters) và được đưa đến van điều

khiển PCV-505

Khí nén cung cấp cho bộ điều khiển PDIC-505 được lấy từ nguồn khí cung

cấp cho toàn giàn (instrument air)

Hình II-8: Sơ đồ điều khiển của hệ thống DGS sử dụng bộ PDC bằng khí nén

5.2 Giới thiệu về bộ điều khiển 4194HBFE

Bộ điều khiển 4194 HBFE là bộ điều khiển khí nén có hình dáng bên ngoài

như hình II-9 Tên gọi đầy đủ của bộ điều khiển này là “4194 HBFE

Propotional – Plus – Reset Controller”, tức là bộ điều khiển tỉ lệ tích phân

(PI)

Hình II-9 mô tả một ứng dụng của bộ điều khiển 4194 HBFE trong điều khiển lưu lượng hoặc áp suất chênh

Hình II-9: Kế nối của bộ điều khiển 4194HBFE

Áp suất chênh hay lưu lượng qua hệ thống được xác định bằng chênh áp ở 2

bên tấm lỗ (orifice plate) Hai đầu áp suất cao và thấp (Low pressure, High

Pressure) được nối đến bộ điều khiển Giá trị đặt cho lưu lượng của hệ thống

chính là áp suất chênh của hai đầu áp suất trên và được thiết lập bằng tay Nếu

áp suất chênh của hệ thống sai lệch với giá trị đặt, hai khâu tỉ lệ (P) và tích

phân (I) sẽ thực hiện việc điều chỉnh tín hiệu ra (Output Signal) Tín hiệu ra

sẽ điều khiển van điều khiển, nhờ đó mà lưu lượng của hệ thống được điều chỉnh phù hợp với điểm đặt