BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM THỊ THANH LOAN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN TRONG CÔNG NGHIỆP LỌC HÓA DẦU Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 62.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2015 Công trình hoàn thành tại: Bộ môn Tự động hóa, Khoa Cơ - Điện, trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Minh Sơn PGS.TS Nguyễn Đức Khoát Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Doãn Phước – Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Đào Văn Tân – Đại học Thành Đô Hà Nội Phản biện 3: TS Phạm Trung Phước – Hội Khoa học Công nghệ Mỏ Việt Nam Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp Trường đại học Mỏ - Địa chất vào hồi… giờ… ngày… tháng… năm… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN Phạm Thị Thanh Loan, Thiết kế cấu trúc điều khiển cho trình đa biến, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số 91, tháng - 2008 Phạm Thị Thanh Loan, Phan Thị Mai Phương, Điều khiển tách kênh hệ đa biến, Báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 19, Trường Đại học Mỏ - Địa chất năm 2010 Phạm Thị Thanh Loan, Nguyễn Thanh Lịch, Xây dựng toán điều khiển tối ưu ứng dụng công nghiệp, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở, đề tài hỗ trợ nghiên cứu sinh năm 2010, Mã số: N2010-38 Phạm Thị Thanh Loan, Điều khiển dự báo theo mô hình mẫu, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số 136, tháng 4-2012 Phạm Thị Thanh Loan, Nguyễn Thanh Lịch, Điều khiển dự báo theo mô hình mẫu tháp chưng cất, Báo cáo hội nghị Khoa học lần thứ 20, Trường Đại học Mỏ-Địa chất năm 2012 Nguyễn Thanh Lịch, Phạm Thị Thanh Loan, Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển tháp chưng cất, Tạp chí công nghiệp Mỏ, số – 2013 Phạm Thị Thanh Loan, Phan Thị Mai Phương, Nghiên cứu nâng cao hiệu tháp chưng cất với điều khiển dự báo, Tạp chí công nghiệp Mỏ, số 4-2013 Hoàng Minh Sơn, Phạm Thị Thanh Loan, Nghiên cứu xây dựng mô hình tháp chưng cất, Tạp chí công nghiệp Mỏ, số 3-2015 Nguyễn Đức Khoát, Phạm Thị Thanh Loan, Nghiên cứu khảo sát động học tháp chưng cất dầu khí, Tạp chí công nghiệp Mỏ, số 3-2015 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Việc nâng cao chất lượng sản phẩm giảm thiểu chi phí vận hành cho tháp chưng cất quan tâm hàng đầu nhà máy lọc dầu, xử lý khí Các tiêu chí đạt thông qua việc thiết kế tối ưu xây dựng hệ thống điều khiển thích hợp cho tháp chưng cất Thực tế Việt Nam hệ thống điều khiển chủ yếu có cấu trúc điều khiển vòng đơn, có kết hợp điều khiển tầng Độ tin cậy chất lượng sản phẩm, tính ổn định hệ thống không cao tồn tương tác chéo vòng điều khiển, tính kháng nhiễu Hơn nữa, nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất điều kiện Việt Nam chưa đầy đủ Trước tình hình này, việc xây dựng mô hình toán, lựa chọn cấu trúc điều khiển xây dựng điều khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng hiệu kinh tế cho tháp C-02 nói riêng tháp khác có chức tương tự mang tính cấp thiết thời Mục đích nghiên cứu luận án - Xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng bao gồm mô hình tuyến tính, mô hình phi tuyến với cấu hình khác dựa phương pháp tiếp cận Từ mô hình thu được, phân tích đánh giá lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp thiết kế điều khiển nhằm điều khiển tối ưu trình chưng cất công nghiệp lọc hóa dầu xử lý khí để nâng cao chất lượng sản phẩm hiệu suất cho tháp chưng Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu luận án * Đối tượng nghiên cứu: Tháp C-02 nhà máy xử lý khí Dinh Cố * Phạm vi nghiên cứu: Chất lượng sản phẩm tiêu vận hành an toàn chưng cất khí hóa lỏng Nội dung nghiên cứu - Tổng quan tháp chưng cất, sở lý thuyết trình chưng cất, phương pháp xây dựng mô hình tháp chưng cất, cấu trúc điều khiển phương pháp điều khiển tháp chưng cất - Xây dựng mô hình toán cho tháp C-02 dựa phương pháp lý thuyết kết hợp số liệu mô số liệu vận hành tháp, kiểm chứng mô hình với số liệu thực tế - Nghiên cứu cấu trúc điều khiển, lựa chọn cấu trúc phù hợp cho tháp C-02 Mô với số liệu vận hành tháp 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 cấu trúc đa biến-tập trung Phương pháp nghiên cứu - Phân tích, tổng hợp tài liệu, công trình công bố nước để xác định mục tiêu luận án - Sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp số liệu mô số liệu vận hành để xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng cất C02 Sử dụng Matlab Aspen để mô hệ thống, lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng sản phẩm tháp Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài * Ý nghĩa khoa học: - Đưa cách tiếp cận phù hợp việc xây dựng mô hình toán học cho trình đa biến, kết hợp sử dụng phương pháp lý thuyết, phần mềm mô số liệu thực nghiệm - Phát triển phương pháp tính toán cấu trúc điều khiển tối ưu, xác định cặp biến vào/ra cho trình đa biến áp dụng cho đối tượng cụ thể tháp chưng cất C-02 * Ý nghĩa thực tiễn: - Việc xây dựng mô hình cho tháp chưng cất dựa phương pháp tiếp cận cho phép rút ngắn thời gian nghiên cứu tối thiểu chi phí cho hoạt động Cải tiến cấu trúc điều khiển, áp dụng đưa chế độ điều khiển tự động vào thay chế độ tay - Đưa 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 đề tài - Giải pháp hướng nghiên cứu giúp kỹ sư, cán kỹ thuật nhà máy xử lý khí, lọc dầu làm chủ công nghệ, hiệu chỉnh tham số làm việc phù hợp góp phần nâng cao tính ổn định, chất lượng sản phẩm cho nhà máy Những kết - Xây dựng mô hình cho tháp chưng cất C-02 sở cách tiếp cận kết hợp phương pháp lý thuyết, công cụ mô số liệu thực tế Mô hình cho phép tiến hành nghiên cứu chế độ động, tĩnh cấu trúc tháp nhằm rút ngắn thời gian nghiên cứu tối thiểu chi phí cho hoạt động thiết kế điều khiển tháp chưng - Xác định cấu trúc điều khiển thích hợp cho tháp C-02 sở kháng nhiễu thông qua kiểm nghiệm thực tế phân tích lý thuyết với xem xét yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm - Xác định biến vào/ra từ mô hình thu phép phân tích giá trị suy biến, cải tiến cấu trúc điều khiển với mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm cho tháp C-02 - Áp dụng phương pháp điều khiển đại: điều khiển dự báo theo mô hình vào điều khiển tháp chưng cất để nâng cao chất lượng cho tháp C-02 Những luận điểm bảo vệ - Xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng sở phương pháp tiếp cận kết hợp phương pháp lý thuyết, công cụ mô số liệu thực tế Mô hình có ý nghĩa quan trọng, cho phép tiến hành nghiên cứu cấu trúc điều khiển nhằm rút ngắn thời gian giảm thiểu chi phí - Cấu trúc điều khiển thích hợp cho tháp C-02 xác định thông qua trình phân tích dựa lý thuyết số liệu thực tế, cấu trúc đảm bảo chất lượng sở bù nhiễu - Bài toán nâng cao chất lượng sản phẩm cho tháp chưng cất giải hiệu sở thiết kế lại cấu trúc điều khiển phương pháp điều khiển đại – điều khiển dự báo theo mô hình mẫu Kết cấu luận án Nội dung luận án trình bày chương với 11 bảng biểu 62 hình vẽ bao gồm phần mở đầu, nội dung luận án, kết luận chung kiến nghị, danh mục công trình nghiên cứu khoa học, tài liệu tham khảo phụ lục Chương 1: Tổng quan tháp chưng cất Chương 2: Xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng cất C-02 Chương 3: Xây dựng hệ thống điều khiển tháp chưng cất C-02 Chương TỔNG QUAN VỀ THÁP CHƯNG CẤT 1.1 Khái quát tháp chưng cất 1.2 Nguyên lý hoạt động tháp chưng cất 1.3 Mô hình hóa tháp chưng cất Phân loại Các loại mô hình sử dụng chủ yếu cho tháp chưng cất mô hình vật lý mô hình toán học Với nhiều ưu điểm, mô hình toán học sử dụng rộng rãi nghiên cứu khảo sát chế độ làm việc thiết kế hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất Phương pháp xây dựng mô hình toán học Phương pháp lý thuyết, phương pháp thực nghiệm, kết hợp lý thuyết thực nghiệm phương pháp lý thuyết nhiều tác giả công bố [35], [36], [67], [68], [69], [73], [75] Mô hình thiết lập thông qua phương trình cân lượng, cân vật chất cân nồng độ thành phần Mô hình sử dụng việc: - Phân tích chế độ tĩnh, động khảo sát ảnh hưởng dòng tháp đến chất lượng sản phẩm - Xây dựng cấu trúc điều khiển điều khiển Các kết đạt lý thuyết thực nghiệm cho thấy sản phẩm tháp có độ tinh khiết cao Vấn đề tồn Vấn đề việc xây dựng mô hình phương pháp lý thuyết độ xác mô hình phụ thuộc lớn vào tham số ban đầu tháp Cho đến nay, tất công trình công bố liên quan đến mô hình tháp coi tham số có sẵn phải thu thập từ thực nghiệm [78] 1.4 Điều khiển tháp chưng cất 1.4.1 Các cấu hình điều khiển tháp chưng cất 1.4.1.1 Khái quát cấu trúc điều khiển tháp chưng cất Các tháp chưng cất xem xét đối tượng x [73] dy ( s )  G 55 ( s )du ( s ) u, y đầu vào đầu Thông thường, áp suất giả thiết điều khiển chặt VT Tổ hợp hai biến (L, V, D, B) sử dụng để điều khiển thành phần sản phẩm đỉnh đáy Sự kết hợp chúng cho cấu hình điều khiển khác tháp chưng cất [24], [56], [66], [81] Birky et al [56] nghiên cứu tìm cấu hình tốt số 18 cấu hình đề xuất Đó cấu hình LV, DV DB  yD  L      x V B     u   D ; y   M D      B M  B   V  p   T   Hình 1.2 Sơ đồ đặc tả toán điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm 1.4.1.5 Các đặc điểm cấu hình điều khiển Sự khác biệt cấu hình thể qua: Tính kháng nhiễu, tương tác vòng điều khiển, giải pháp điều khiển Tính kháng nhiễu Nguồn nhiễu bao gồm: Lưu lượng nguồn cấp, thành phần nguồn cấp, Enthalpy nguồn cấp (tỷ lệ hơi/lỏng, nhiệt độ), áp suất nhiệt độ nước làm lạnh Sự khác biệt tính kháng nhiễu cấu hình Skogestad et al [73] Waller [81] phân tích cách chặt chẽ thông qua đặc tính tần số hệ số khuếch đại nhiễu vòng kín (Closed-loop disturbance gains CLDG ) trường hợp điều khiển hai điểm Tính tương tác vòng điều khiển Một khác biệt quan trọng khác cấu hình tương tác vòng điều khiển sử dụng vòng điều khiển đơn tính nhạy cảm với thay đổi đầu vào sử dụng phương án tách kênh cho điều khiển hai điểm [81] Hệ số khuếch đại tương đối ma trận khuếch đại tương đối (Relative Gain Array - RGA) có ứng dụng quan trọng việc phân tích thiết kế cấu trúc điều khiển phi tập trung 10 Bảng 2.1 Các thông số sản phẩm tháp [8] T (0C) P (Bar) Nguồn cấp 68 SP đỉnh SP đáy Hỗn hợp phần trăm C2H6 C3H8 C4H10 C5+ 29 49.2 29.7 20 43 11 1.2 61.4 36.7 0.7 154 11 0.4 98.1 Bảng 2.2 Các thông số tháp [8] Chiều cao tháp: 24m Đường kính: 2.14m Số đĩa Lý thuyết: Nhiệt độ thiết kế: 23 Chế độ MF: 600C đỉnh 1420C đáy Chế độ GPP: 430C đỉnh 1540C đáy Áp suất thiết kế 12.5Bar Áp suất làm việc: 11Bar Thể tích: 83m3 Sử dụng phần mềm Aspen [48], [85] để phân tích tính toán giá trị , MB, MD, M Hình 2.8 Mô hình mô tháp C02 11 Các kết thu sau mô bao gồm: độ bay tương đối, trữ lượng đỉnh tháp, trữ lượng đáy tháp, lưu lượng sản phẩm đỉnh, đáy, lưu lượng hồi lưu, lưu lượng cấp nhiệt, khối lượng phân tử trung bình, enthalpy pha lỏng, pha đĩa Các thông số sử dụng cho việc xác định mô hình toán học cho tháp C-02 2.3.4 Khảo sát động học tháp C02 Hình 2.15 Sơ đồ mô tháp Đáp ứng nồng độ sản phẩm tháp Hình 2.16 Đáp ứng sản phẩm đỉnh tháp yD với số liệu vận hành Kết mô tháp với cấu hình LV số liệu vận hành cho thấy: sản phẩm đỉnh đạt giá trị xác lập khoảng 0.993 sau thời gian xấp xỉ 150 phút yD[phan mol] 12 Hình 2.17 Thay đổi yD F tăng 1% với điều khiển PID Khi thành phần sản phẩm đỉnh đáy tháp điều khiển hai vòng điều khiển đơn PID (bảng 2.12) nồng độ sản phẩm đỉnh tăng giá trị 0.001 đạt giá trị đặt sau khoảng 50 phút (hình 2.17) Xác định giá trị xác lập (hình 2.18) yD[phan mol] Hình 2.18 Phân bố nồng độ sản phẩm tháp theo chiều cao tháp Giá trị nồng độ sản phẩm đỉnh thu từ kết mô mô hình giá trị thực tế trạng thái xác lập gần khác biệt [phụ lục I] Ảnh hưởng dòng (hình 2.21) Tại trạng thái tĩnh tăng L lên 0.1% yD tăng từ 0.9931 lên khoảng 0.9945 xB tăng thêm khoảng 1.5e-5 Khi tăng V ảnh hưởng lên thành phần sản phẩm gần tương tự theo chiều ngược lại Đáp ứng sản phẩm tháp thu từ mô hình so với kết từ Aspen [phụ lục I] gần khác biệt yD[phan mol] 13 Nong phan[phan mol] Hình 2.21 Đáp ứng sản phẩm đỉnh thay đổi L V riêng biệt Ảnh hưởng dòng (hình 2.22) Ảnh hưởng lên nồng độ thành phần thay đổi L nhỏ khoảng 100 lần Đồng thời tăng L V khoảng 10%L Cả hai sản phẩm tinh khiết động học nhanh (khoảng 2.54 phút) Hình 2.22 Ảnh hưởng dòng trong: tăng L V giá trị 10% L Đáp ứng nhiệt độ tháp (hình 2.23) Nhiệt độ đáy tháp đạt giá trị xác lập khoảng 409.320K sau thời gian xấp xỉ 50 phút Hình 2.23 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp 14 Hình 2.24 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp F tăng 3% Khi lưu lượng nguồn cấp F tăng 3% nhiệt độ đáy tháp giảm gần 50C Bảng 2.7 So sánh kết với số liệu thực tế F thay đổi [phụ lục I] %F Mô hình Số liệu TT %F Mô hình Số liệu TT Thay đổi nhiệt độ tháp (0C) F tăng (%) -0.5 -0.45 -0.42 -0.36 -0.3 -0.22 0.93 0.83 0.78 0.64 0.55 0.48 0.93 0.81 0.78 0.63 0.56 0.48 0.2 0.31 0.35 0.4 0.45 0.48 -0.51 -0.67 -0.72 -0.74 -0.77 -0.81 -0.51 -0.68 -0.71 -0.74 -0.76 -0.82 -0.2 0.41 0.42 0.5 -0.9 -0.9 2.4 Xây dựng mô hình tuyến tính cho tháp C-02 2.4.1 Mô hình với biến đầu nồng độ sản phẩm  dx   Ax+Bu+Ed Mô hình không gian trạng thái:  dt  y=Cx Với đầu vào L, V; đầu yD, xB nhiễu F, zF (2.29) d x (2.30)  Ax  Bu  E d dt  0.0761 0.0761 Mô hình tĩnh: G LV   A1  B E    (2.52)  0.0011  0.001   2.4.2 Mô hình với biến đầu nhiệt độ tháp Việc xác định cặp đôi biến vào/ra thực thông qua phép phân tích SVD (singular value decomposition) [7], [67] Kết phép phân tích SVD cho đĩa phần đỉnh đáy tháp cho thấy phần tử lớn ma trận U ứng với đĩa thứ đĩa thứ 21 (từ Tuyến tính hóa: 15 lên) Như vậy, biến L V dùng để điều khiển nhiệt độ đĩa thứ 10 đĩa đáy tháp tương ứng Mô hình tĩnh: Nhiệt độ đỉnh [0K] 29.0264   -5.2385  -25.0548  G ; G   C * A * E ; G  d d   -20.1011   -0.1287 298.9948   Kết mô cho hệ thống với hai vòng điều khiển nhiệt độ Nhiệt độ đáy[ K] Hình 2.27 Đáp ứng nhiệt độ đỉnh tháp với điều khiển PID Hình 2.28 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp với điều khiển PID 2.5 Kết luận Mô hình toán học gồm mô hình phi tuyến mô hình tuyến tính với cấu trúc khác cho tháp C-02 xây dựng phương pháp tiếp cận đóng góp kết sau: - Tiết kiệm thời gian chi phí cho việc thu thập số liệu vận hành - Cung cấp thông tin quan trọng đối tượng: chế độ hoạt động, chế độ xác lập, chế độ động, đáp ứng động, ảnh hưởng dòng dòng đến nhiệt độ sản phẩm tháp, dự báo mối quan hệ hệ thống thực từ mô hình Kết so sánh giá trị thu từ mô hình giá trị thực tế cho thấy việc sử dụng mô hình hoàn toàn có sở Mô hình tác giả sử dụng phần luận án để phân tích lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp xây dựng điều khiển cho tháp C-02 16 Chương XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP C-02 3.1 Lựa chọn cấu trúc điều khiển cho tháp C-02 Cấu trúc điều khiển tháp C-02 lựa chọn dựa yếu tố: Tính tương tác vòng điều khiển; Ảnh hưởng vòng điều khiển mức; Tính kháng nhiễu 3.1.1 Ma trận khuếch đại tương đối RGA Hàm truyền chế độ xác lập cấu hình đề cập trên: yD[phan mol]  0.0761 0.0761 G   A1  B E  ; G LV    ; 11  11; 0.0011  0.001    0.075 0.0751  G DV    ; 11  0.47  0.0011  0.001    0.0175 0.0307  G ( L / D )(V / B )    ; 11  2.56  0.0149  0.043   3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng vòng điều khiển mức Ảnh hưởng vòng điều khiển mức cấu hình LV (hình 3.2) Hình 3.2 Đáp ứng sản phẩm Hình 3.3 Đáp ứng sản phẩm tháp tăng V lên 1% tháp F tăng 1% Cấu hình LV không phụ thuộc vào điều chỉnh mức Ở cấu hình DV, trường hợp tác động điều khiển mức chậm, nồng độ sản phẩm đỉnh có đáp ứng ngược tăng V, nồng độ sản phẩm đáy có điều chỉnh gây khó khăn điều khiển 17 yD[phan mol] 3.1.3 Khảo sát đáp ứng động thay đổi lưu lượng nguồn cấp Hình 3.4 Thay đổi sản phẩm đỉnh tăng F 1% Cấu hình (L/D)(V/B) cho đáp ứng tốt với nhiễu lưu lượng nguồn cấp tăng F làm tăng tỷ lệ tất dòng tháp, sản phẩm không thay đổi 3.1.4 Khảo sát đáp ứng tần số với nhiễu [67] Khảo sát đặc tính kháng nhiễu bốn cấu hình tăng lưu lượng nguồn cấp F lên 10% (16.2 + 1.62 [kmol/min]) tăng thành phần nguồn cấp zF lên 10% (0.8 + 0.08) Giả thiết nhiễu tín hiệu dạng hình sin với tần số ω Tại tần số cho, thay đổi lớn F (+10%) gây thay đổi lớn yD 0.007 (trong thực tế) Hệ số khuếch đại nhiễu vòng kín (CLDG) sử dụng để phân tích khả điều khiển (đáp ứng điều khiển với thay đổi nhiễu tương tác vòng điều khiển) [74] Hình 3.6 Ảnh hưởng F lên sản phẩm đỉnh Hình 3.7 Ảnh hưởng zF lên sản phẩm đỉnh 18 Với cấu trúc LV: g d lớn khoảng 0.2 [rad/min] (hình 3.6), nghĩa để có khả điều khiển thời gian đáp ứng vòng kín vòng điều khiển sản phẩm đỉnh xấp xỉ 1/0.2 = phút Tương tự thế, hình 3.7 thời gian xấp xỉ 1/0.1 = 10 phút 3.1.6 So sánh cấu hình Bảng 3.1 Ảnh hưởng yếu tố tới việc lựa chọn cấu hình Cấu hình LV DV DB (L/D) (V/B) 2.56 λ11 11 0.47 Đáp ứng với F (phút) 11.23 10 Đáp ứng với zF (phút) 10 11.8 12.51 13.3 Nhiễu F (+1%) (không điều 0.0051 0.013 0.007 0.0005 Thay khiển mức) đổi Nhiễu F (+1%) (Có điều yD 0.005 0.0051 0.002 0.0001 khiển mức) Kết thu cho thấy: cấu hình LV phù hợp với đối tượng tháp C-02 vì: - Không chịu tác động vòng điều khiển mức - Tương tác vòng điều khiển nằm giới hạn cho phép - Thời gian đáp ứng điều khiển giải với việc sử dụng vòng điều khiển nhiệt độ thay cho điều khiển thành phần [73], [68] 3.1.7 Cấu hình L(V/F) Trong thực tế vòng điều khiển sản phẩm đáy tháp yD[phan mol] phải vận hành chế độ Manual mức bình V-15 không ổn định Hình 3.11 Thay đổi nồng độ sản phẩm đỉnh tăng 19 yD[phan mol] Tác giả đề xuất phương án sử dụng cấu hình L(V/F) với mục đích bù nhiễu lưu lượng nguồn cấp để nâng cao chất lượng điều khiển yD[phan mol] Hình 3.12 Thay đổi yD F tăng 1.2% - Cấu hình LV Hình 3.13 Thay đổi yD F tăng 1.2%-cấu hình L(V/F) Bảng 3.2 Thay đổi sản phẩm tháp tăng F Cấu hình Thay đổi sản phẩm tháp F tăng 1% 5% 10% 20% 50% -20% 0.003 LV 0.005 0.0055 0.0068 0.007 0.007 DB 0.0051 0.0055 0.0066 0.007 0.007 0.0032 (L/D)(V/B) 0.0001 0.0001 0.0002 0.0002 0.0004 0.0003 L(V/F) LB 0.0001 0.00011 0.0002 0.00021 0.0003 0.0004 0.0021 0.0111 0.021 0.043 0.07 0.045 3.2 Thiết kế điều khiển cho tháp C-02 3.2.1 Các yêu cầu mục đích điều khiển Yêu cầu điều khiển tháp C-02: điều khiển chất lượng sản phẩm điều khiển bảo vệ hệ thống 3.2.2 Hệ thống điều khiển tháp C-02 20 Cấu trúc điều khiển tháp C-02 cấu trúc điều khiển đơn biến phi tập trung với vòng điều khiển áp suất, lưu lượng, mức, điều khiển thành phần riêng biệt yD[phan mol] 3.2.3 Cấu trúc điều khiển đơn biến Nong phan[phan mol] Hình 3.19 Đáp ứng sản phẩm tháp F tăng 1.2% zF giảm 6.25% với cấu trúc LV lên 1% Hình 3.20 Đáp ứng sản phẩm tháp thay đổi giá trị đặt yD từ 0.9931 lên 0.996 t = 10 Thay đổi lưu lượng nguồn cấp không ảnh hưởng nhiều tới chất lượng sản phẩm tháp (hình 3.11) cấu trúc L(V/F) Do đó, cấu trúc hoàn toàn áp dụng để đưa tháp vào hoạt động chế độ tự động nhằm nâng cao chất lượng điều khiển suất cho tháp 3.2.4 Điều khiển dự báo theo mô hình (MPC) 3.2.4.1 Tình hình nghiên cứu, áp dụng MPC điều khiển tháp chưng Cho đến nhiều công trình công bố kết chất lượng điều khiển tốt sử dụng MPC cho tháp chưng cất [18], [19], [34], [35], [38], [62], [63], [66], [68], [74], Tuy nhiên, nước ta công nghệ 21 MPC chưa áp dụng mẻ kỹ sư Việt Nam 3.2.4.2 Tổng quan điều khiển dự báo 3.2.4.3 Xây dựng điều khiển MPC cho tháp chưng cất C-02 y  F  L  Các biến trình: u    ; y   D  ; d    V  z F  x B  Các ràng buộc: 0.997  y D  1; 0.98  x B  ; 1  u  Ny  N u 1 Hàm mục tiêu: J   r( t  j )  y ( t  j )    u( t  i ) j 1 i 0 Mô hình trạng thái gián đoạn [21], [22],[64]:  xk 1  Аd xk  Bd uk  Ed d k   yk  Cxk Giảm bậc mô hình tuyến tính [67]:  y D   F   L  1  G (0)  G (0)  x    s LV  V    s d  z     F  B c c 2 (3.35) (3.36) c số thời gian 0.0761 0.0761  0.0612 1.2414  GLV (0)   G (0)  ;  d  0  0.0011 0.001   Mô hình tương đương miền trạng thái:   0.03125  0.0625  dx  0.0057  x u   d 0.0057  0.001953 0 dt        0.01382 y x  0.01382  0.0029     0.9979  0.011 0.001   0.2117  Ad   B  E  ; d d   0.0134  0.9979  0.0002      - Khi N u , N y nhỏ trình đáp ứng nhanh Khi tăng N u , N y chất lượng điều khiển tốt Tăng N u ,N y đến giá trị chất lượng điều khiển không thay đổi nhiều lại làm tăng khối lượng 22 tính toán  nhỏ trình nhanh loại bỏ nhiễu trình tốt Hình 3.23 Sơ đồ mô MPC cho tháp C-02 Kết mô hệ thống với cấu trúc điều khiển đa biến Thoi gian [phut] Thoi gian [phut] Hình 3.24 Đáp ứng đầu tín hiệu điều khiển với λ = 0.1; Nu = Trong thời gian khoảng 10 phút đầu tín hiệu điều khiển thay đổi lớn giá trị, ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị chấp hành chi phí lượng Tác giả đề xuất phương án xác định giá trị đặt mẫu để tín hiệu điều khiển bám theo tăng dần giá trị Lựa chọn mô hình mẫu cho quan hệ sản phẩm đỉnh lưu lượng hồi lưu; sản phẩm đáy lưu lượng cấp nhiệt khâu quán tính bậc [67] Giá trị đặt mẫu xác định: r1m  0.076 0.001 u1 ; r2 m  u2 10 s  10 s  23 Khi tính toán lại giá trị đặt tín hiệu điều khiển giảm đáng kể, nghĩa lượng tiêu thụ giảm tương ứng mà không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Thoi gian [phut] Thoi gian [phut] Hình 3.31 Đáp ứng sản phẩm tháp tín hiệu điều khiển với Nu = 3; Ny = 10 3.3 Kết luận - Cấu hình LV phù hợp với tháp C-02 đơn giản, không chịu tác động vòng điều khiển mức, hệ số khuếch đại không lớn, có tính kháng nhiễu tương đối tốt so với cấu hình lại - Giải pháp cải tiến sử dụng cấu hình L(V/F) cho tháp C-02 với mục đích bù nhiễu lưu lượng nguồn cấp, nâng cao chất lượng điều khiển hoàn toàn hợp lý - Thuật toán MPC xét tới ràng buộc đại lượng cách trực tiếp trình thiết kế, dù tín hiệu điều khiển bị giới hạn chất lượng điều khiển tốt, tương tác đỉnh đáy tháp bị triệt tiêu, thể mối tương quan chất lượng sản phẩm chi phí điều khiển KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kết nghiên cứu luận án đóng góp vấn đề sau: Đã xây dựng mô hình toán học cho tháp C-02 với phương pháp tiếp cận kết hợp từ công cụ mô số liệu thực tế Mô hình cho phép tiến hành nghiên cứu chế độ động, tĩnh cấu trúc 24 tháp nhằm rút ngắn thời gian nghiên cứu tối thiểu chi phí cho hoạt động thiết kế điều khiển tháp chưng Xác định cấu trúc điều khiển thích hợp cho tháp C-02 đảm bảo chất lượng sở kháng nhiễu thông qua kiểm nghiệm thực tế phân tích lý thuyết Tính chọn biến vào/ra từ mô hình thu phép phân tích giá trị suy biến, cải tiến cấu trúc điều khiển với mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm Đã áp dụng phương pháp điều khiển đại (MPC) điều khiển tháp chưng để nâng cao chất lượng điều khiển cho tháp Bộ điều khiển MPC xem xét ràng buộc đầu ra, trạng thái đầu vào cách trực tiếp tính toán tín hiệu điều khiển Giải pháp hướng nghiên cứu giúp kỹ sư, cán kỹ thuật nhà máy xử lý khí, lọc dầu làm chủ công nghệ, thiết kế cấu trúc hệ thống điều khiển tháp chưng góp phần nâng cao tính ổn định, chất lượng sản phẩm lợi nhuận cho nhà máy Kết đề tài phát triển áp dụng cho tháp khác Nhà máy xử lý khí Dinh Cố nhà máy khác lĩnh vực dầu khí Kiến nghị Các giải pháp đưa kết đạt nghiên cứu luận án triển khai thành công Tuy nhiên nỗ lực xây dựng phát triển chủ yếu dựa theo mô hình nghiên cứu lý thuyết Đề xuất ứng dụng kết mô hình tiếp tục đánh giá thiết bị đối tượng thực với liệu thực tế Dữ liệu thực tế tháp chưng cất với biến nhiễu trình cung cấp môi trường thực tế để khẳng định tính đắn giải pháp lựa chọn Ứng dụng phương pháp xây dựng mô hình cho tháp khác có chức tương tự nhằm làm giảm chi phí thời gian cho hoạt động Ứng dụng cấu trúc điều khiển L(V/F) cho tháp C-02, tự động hóa vòng điều khiển đáy tháp để nâng cao chất lượng sản phẩm nhà máy [...]... 0.045 3.2 Thiết kế bộ điều khiển cho tháp C-02 3.2.1 Các yêu cầu và mục đích điều khiển Yêu cầu điều khiển của tháp C-02: điều khiển chất lượng sản phẩm và điều khiển bảo vệ hệ thống 3.2.2 Hệ thống điều khiển hiện tại của tháp C-02 20 Cấu trúc điều khiển hiện tại của tháp C-02 là cấu trúc điều khiển đơn biến phi tập trung với các vòng điều khiển áp suất, lưu lượng, mức, điều khiển thành phần riêng... phương pháp điều khiển hiện đại (MPC) trong điều khiển tháp chưng để nâng cao chất lượng điều khiển cho tháp Bộ điều khiển MPC xem xét các ràng buộc về đầu ra, trạng thái và đầu vào một cách trực tiếp trong tính toán tín hiệu điều khiển Giải pháp và hướng nghiên cứu sẽ giúp các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật trong nhà máy xử lý khí, lọc dầu làm chủ công nghệ, thiết kế cấu trúc và hệ thống điều khiển tháp chưng... vòng điều khiển đơn cho chất lượng điều khiển không cao 1.4.2.2 Cấu trúc điều khiển đa biến- tập trung Phương pháp điều khiển dự báo (Mode Prediction Control-MPC) được sử dụng rộng rãi trong bài toán điều khiển thành phần ở cấu trúc đa biến – tập trung [18], [19], [34], [35], [38], [62], [63], [66], [68], [74] Kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm đã chứng minh được chất lượng tốt của MPC so với bộ điều. .. tháp thay cho điều khiển thành phần tháp Vấn đề tồn tại trong việc lựa chọn cấu hình điều khiển 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] 1.4.2 Phương pháp điều khiển tháp chưng cất 1.4.2.1 Cấu trúc điều khiển đơn biến – phi tập trung Ưu điểm của cấu trúc đơn biến- phi tập trung... N u , N y nhỏ thì quá trình đáp ứng nhanh Khi tăng N u , N y thì chất lượng điều khiển tốt hơn Tăng N u ,N y đến một giá trị nào đó thì chất lượng điều khiển không thay đổi nhiều nhưng lại làm tăng khối lượng 22 tính toán  nhỏ thì quá trình rất nhanh cũng như loại bỏ nhiễu quá trình tốt Hình 3.23 Sơ đồ mô phỏng MPC cho tháp C-02 Kết quả mô phỏng hệ thống với cấu trúc điều khiển đa biến Thoi gian [phut]... động nhằm nâng cao chất lượng điều khiển và năng suất cho tháp 3.2.4 Điều khiển dự báo theo mô hình (MPC) 3.2.4.1 Tình hình nghiên cứu, áp dụng MPC trong điều khiển tháp chưng Cho đến nay rất nhiều công trình đã công bố kết quả chất lượng điều khiển tốt khi sử dụng MPC cho tháp chưng cất [18], [19], [34], [35], [38], [62], [63], [66], [68], [74], Tuy nhiên, ở nước ta công nghệ 21 MPC vẫn chưa được... (không điều 0.0051 0.013 0.007 0.0005 Thay khiển mức) đổi Nhiễu F (+1%) (Có điều của yD 0.005 0.0051 0.002 0.0001 khiển mức) Kết quả thu được cho thấy: cấu hình LV là phù hợp nhất với đối tượng tháp C-02 vì: - Không chịu tác động của vòng điều khiển mức - Tương tác giữa các vòng điều khiển nằm trong giới hạn cho phép - Thời gian đáp ứng của bộ điều khiển được giải quyết với việc sử dụng vòng điều khiển. .. điều khiển không có tương tác hai chiều thì  ij  1 , còn khi hai kênh có tương tác càng mạnh thì  ij càng khác xa giá trị 1 Khi uj và yi không có quan hệ gì thì  ij  0 Giải pháp điều khiển Có 3 trường hợp điều khiển nồng độ thành phần tháp chưng cất [30], [61], [66], [68], [73], [75]: - Vòng hở: không có bộ điều khiển thành phần - Điều khiển một điểm: Chỉ một vòng điều khiển được khép kín - Điều. .. khiển hai điểm: cả hai vòng điều khiển đều được đóng Trong trường hợp 1 hệ thống gần như không ổn định Điều khiển hai điểm là trường hợp hoạt động kinh tế nhất của tháp chưng, tuy nhiên thường tồn tại một vài tương tác giữa các vòng điều khiển 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. .. tháp C-02 của nhà máy xử lý khí Dinh Cố bằng phương pháp lý thuyết - Lựa chọn cấu hình điều khiển phù hợp, lựa chọn cặp biến vào/ra để phục vụ cho hoạt động điều khiển - Đề xuất cấu hình mới cho hệ thống điều khiển phi tập trung; thiết kế bộ điều khiển MPC trong cấu trúc điều khiển đa biến cho tháp C-02 9 Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC THÁP CHƯNG CẤT C-02 2.1 Mục đích xây dựng mô hình Mô hình toán ... thu được, phân tích đánh giá lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp thiết kế điều khiển nhằm điều khiển tối ưu trình chưng cất công nghiệp lọc hóa dầu xử lý khí để nâng cao chất lượng sản phẩm hiệu... [75]: - Vòng hở: điều khiển thành phần - Điều khiển điểm: Chỉ vòng điều khiển khép kín - Điều khiển hai điểm: hai vòng điều khiển đóng Trong trường hợp hệ thống gần không ổn định Điều khiển hai điểm... hình điều khiển phù hợp, lựa chọn cặp biến vào/ra để phục vụ cho hoạt động điều khiển - Đề xuất cấu hình cho hệ thống điều khiển phi tập trung; thiết kế điều khiển MPC cấu trúc điều khiển đa biến