Header Page of 123 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: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Hoàng Minh Sơn PGS.TS Nguyễn Đức Khoát HÀ NỘI - 2015 Footer Page of 123 Header Page of 123 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết trình bày luận án hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình khoa học Tác giả luận án Phạm Thị Thanh Loan Footer Page of 123 Header Page of 123 i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC…………………………………………………………………… i DANH LỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT……………………… iv DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………… vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……………………………………………… vii LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………… x MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… 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 ………………………………….……… 1.3.1 Xây dựng mô hình toán học phương pháp lý thuyết ……… 1.3.2 Phương pháp thực nghiệm ……………………………………… 15 1.4 Điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm … ……………………… 16 1.4.1 Các cấu hình điều khiển tháp chưng cất ………………………… 16 1.4.1.1 Khái quát cấu trúc điều khiển tháp chưng cất ………… 17 1.4.1.2 Cấu hình LV ……………………………………………… 18 1.4.1.3 Cấu hình DB 19 1.4.1.4 Cấu hình DV 20 1.4.1.5 Các đặc điểm cấu hình điều khiển ……………… … 21 1.4.2 Phương pháp điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm ………… 25 1.4.2.1 Cấu trúc điều khiển đơn biến – phi tập trung ……………… 26 1.4.2.2 Cấu trúc điều khiển đa biến-tập trung …………………… 28 1.5 Hoạt động nghiên cứu, khai thác dầu thô xử lý khí Việt Nam 31 Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO THÁP CHƯNG CẤT C-02……………………………………………………… 34 2.1 Mục đích xây dựng mô hình………………………………………… 34 2.2 Khái quát tháp C-02……………….……………………………… 35 Footer Page of 123 Header Page of 123 ii 2.2.1 Chức nhiệm vụ tháp C-02………………………… 35 2.2.2 Nguyên tắc hoạt đông cụm tháp ổn định C-02……………… 35 2.2.3 Bình tích V-15 (Deethanizer Bottom Buffer Drum)…………… 38 2.2.4 Thiết bị ngưng tụ E-02 (Stabilizer Consender)…….………… … 38 2.2.5 Bình gia nhiệt E-03 (Stabilizer Reboiler)……………………… 39 2.3 Xây dựng mô hình phi tuyến cho tháp C-02………………………… 39 2.3.1 Các giả thiết đơn giản hóa…………………………………… … 41 2.3.2 Các phương trình toán động học………………………………… 43 2.3.3 Thông số tháp C02………………………………………… 47 2.3.4 Khảo sát động học tháp C02………………………………… 57 2.4 Xây dựng mô hình tuyến tính cho tháp C-02………………………… 63 2.4.1 Mô hình với biến đầu nồng độ sản phẩm…………………… 63 2.4.2 Mô hình với đầu nhiệt độ tháp……………………………… 68 2.5 Kết luận…………………………………………………………… … 78 Chương XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT C-02……………………………………………………………… 80 3.1 Lựa chọn cấu trúc điều khiển cho tháp C-02……….……………… 80 3.1.1 Ma trận khuếch đại tương đối RGA ………………………… … 82 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng vòng điều khiển mức………………… 83 3.1.3 Khảo sát đáp ứng động thay đổi lưu lượng nguồn cấp ……… 85 3.1.4 Khảo sát đáp ứng tần số với nhiễu……………………………… 87 3.1.5 So sánh đáp ứng tuyến tính phi tuyến………………………… 90 3.1.6 So sánh cấu hình……………………………………… 91 3.1.7 Cấu hình L(V/F)………………………………………………… 92 3.1.8 Nhận xét………………………………………………………… 94 3.2 Thiết kế điều khiển cho tháp C-02………………………………… 94 3.2.1 Các yêu cầu mục đích điều khiển …………………………… 94 3.2.2 Hệ thống điều khiển tháp C-02…………………… 95 3.2.3 Cấu trúc điều khiển đơn biến ………………….……………… 100 Footer Page of 123 Header Page of 123 iii 3.2.4 Điều khiển dự báo theo mô hình (MPC)……………………… 103 3.2.4.1 Tình hình nghiên cứu, áp dụng MPC điều khiển tháp chưng…………………………………………………….… 103 3.2.4.2 Xây dựng điều khiển MPC cho tháp chưng cất C-02… 104 3.3 Kết luận……………………………………………………………… 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… 117 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NCS…………… 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 120 PHỤ LỤC…………………………………………………………………… 128 Footer Page of 123 Header Page of 123 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Mô tả Đơn vị xD Nồng độ mol pha lỏng đỉnh tháp phần mol xB Nồng độ mol pha lỏng đáy tháp phần mol yD Nồng độ mol pha đỉnh tháp phần mol yB Nồng độ mol pha đáy tháp phần mol xi,j Nồng độ mol cấu tử j pha lỏng đĩa i phần mol yi,j Nồng độ mol cấu tử j pha đĩa i phần mol xD,j Nồng độ mol cấu tử j pha lỏng đỉnh tháp phần mol xB,j Nồng độ mol cấu tử j pha lỏng đáy tháp phần mol yD,j Nồng độ mol cấu tử j pha đỉnh tháp phần mol yB,j Nồng độ mol cấu tử j pha đáy tháp phần mol zF Nồng độ phần mol dòng cấp liệu phần mol Hi Enthalpy dòng đĩa thứ i kcal/kmol hi Enthalpy dòng lỏng đĩa thứ i kcal/kmol hD Enthalpy pha lỏng sản phẩm đỉnh kcal/kmol hB Enthalpy pha lỏng sản phẩm đáy kcal/kmol L Lưu lượng hồi lưu đỉnh tháp kmol/s Li Lưu lượng lỏng đĩa thứ i kmol/s LR Lưu lượng dòng lỏng chảy vùng cất kmol/s LS Lưu lượng dòng lỏng chảy vùng chưng kmol/s Mi Lượng chất lỏng đĩa thứ i Lượng chất lỏng bình ngưng đỉnh tháp kmol Lượng chất lỏng nồi tái đun đáy tháp kmol Trữ lượng pha đĩa thứ i kmol MD MB MiV kmol o Ti Nhiệt độ đĩa thứ i VR Lưu lượng dòng vùng cất kmol/s VS Lưu lượng dòng vùng chưng kmol/s Vn Dòng đỉnh tháp kmol/s VB Dòng hồi lưu đáy tháp kmol/s B Lưu lượng sản phẩm đáy kmol/s Footer Page of 123 C Header Page of 123 v D Lưu lượng sản phẩm đỉnh kmol/s F Lưu lượng dòng cấp liệu kmol/s L Lưu lượng hồi lưu kmol/s V Lưu lượng cấp nhiệt kmol/s N Số lượng đĩa lọc Đĩa NT Số đĩa lý thuyết Đĩa T Nhiệt độ tuyệt đối hệ o Qc Lưu lượng nhiệt thu hồi bình ngưng (Condenser) J/s QR Lưu lượng nhiệt cấp cho nồi tái đun (Reboiler) J/s Re Tỉ số dòng hồi lưu đỉnh % FC Bộ điều khiển lưu lượng LC Bộ điều khiển mức LT Bộ chuyển đổi mức FI Hiển thị lưu lượng LI Hiển thị mức PC Bộ điều khiển áp suất PT Bộ chuyển đổi áp suất PI Hiển thị áp suất TC Bộ điều khiển nhiệt độ TT Bộ chuyển đổi nhiệt độ TI Bộ hiển thị nhiệt độ LAHH Cảnh báo mức cao PAHH Cảnh báo áp suất cao LALL Cảnh báo mức thấp GPP Gas Processing Plant MF Minimum Facilities AMF Absolute Minimum Facilities nF Chỉ số đĩa cấp liệu đĩa f Nc Số lượng cấu tử hỗn hợp Kj Hằng số cân pha hydrocacbon NF Vị trí đĩa cấp liệu αj,k Độ bay tương đối cấu tử j so với cấu tử k Footer Page of 123 C Header Page of 123 vi DANH MỤC BẢNG Bảng Trang 2.1 Các thông số sản phẩm tháp C-02…………………………… 38 2.2 Số liệu vận hành tháp C02……………………………………….… 48 2.3 Các thông số tháp……………………………………………… 48 2.4 Xác định vị trí cấp liệu……………………… …………………… 50 2.5 Kết thông số tháp C-02 thu từ Aspen…………………… 51 2.6 Kết enthalpy pha lỏng, pha đĩa……………… 55 2.7 So sánh kết với số liệu thực tế F thay đổi………………… 62 2.8 Giá trị thành phần cấu tử nhẹ trạng thái xác lập………………… 66 2.9 Giá trị nhiệt độ tháp trạng thái xác lập………………………… 71 2.10 Tỷ số sai lệch nhiệt độ L, V đĩa đáy tháp……… 74 2.11 Tỷ số sai lệch nhiệt độ L, V đĩa đỉnh tháp…… 75 2.12 Tham số điều khiển PID cho hai vòng điều khiển thành phần 78 3.1 Ảnh hưởng yếu tố tới việc lựa chọn cấu hình điều khiển… 91 3.2 Thay đổi sản phẩm tháp tăng F ứng với cấu hình khác nhau………………………………………………………………… 93 3.3 Nồng độ sản phẩm tháp…………………………………………… 96 3.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm………………………………… 104 Footer Page of 123 Header Page of 123 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Trang 1.1 Cấu trúc tháp chưng cất………………………… 1.2 Sơ đồ đặc tả toán điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm 17 1.3 Cấu hình LV…………………………………………………… 19 1.4 Cấu hình DB…………………………………………………… 20 1.5 Cấu hình DV…………………………………………………… 21 2.1 Sơ đồ công nghệ tháp C-02……………………………………… 37 2.2 Mô tả dòng vật chất thiết bị ngưng……………………… 43 2.3 Mô tả dòng vật chất đĩa n………………………………… 44 2.4 Mô tả dòng vật chất đĩa i………………………………… 45 2.5 Mô tả dòng vật chất đĩa cấp liệu f……………………… 45 2.6 Mô tả dòng vật chất đĩa thứ nhất…………………………… 46 2.7 Mô tả dòng vật chất thiết bị gia nhiệt…………………… 47 2.8 Mô hình mô tháp C02………………….………………… 48 2.9 Thông số tháp C-02 …… ………………………………… 49 2.10 Kết khối sản phẩm đỉnh…………………………………… 49 2.11 Kết khối sản phẩm đáy……………………………………… 50 2.12 Độ bay tương đối cấu tử nhẹ (C3H8) so với cấu tử nặng (C5+)……………………………………………………………… 50 2.13 Lưu đồ thuật toán xác định mô hình tháp C-02…………………… 52 2.14 Lưu đồ thuật toán xác định mô hình tháp C-02, đầu nhiệt độ 56 2.15 Sơ đồ mô tháp C02…………………………….………… 58 2.16 Đáp ứng sản phẩm đỉnh tháp yD với số liệu vận hành … 58 2.17 Thay đổi sản phẩm đỉnh tháp tăng F lên 1% với điều khiển PID………………………………………………………… 58 2.18 Phân bố nồng độ sản phẩm tháp theo chiều cao tháp…………… 59 2.19 Động học dòng lỏng…………………………………………… 59 Footer Page of 123 Header Page 10 of 123 viii 2.20 Thay đổi dòng ngoài: tăng 0.1% L V riêng biệt………… 60 2.21 Đáp ứng sản phẩm đỉnh thay đổi L V riêng biệt……… 61 2.22 Ảnh hưởng dòng trong: tăng L V giá trị 10% L 61 2.23 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp …………………………………… 62 2.24 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp F tăng 3% 62 2.25 Lưu đồ thuật toán xác định ma trận A, B, E…………………… 67 2.26 Lưu đồ thuật toán xác định ma trận A’, B’, E’ 72 2.27 Đáp ứng nhiệt độ đỉnh tháp với điều khiển PID………… 76 2.28 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp với điều khiển PID………… 77 2.29 Ảnh hưởng nhiễu lưu lượng cấp lên nhiệt độ đỉnh tháp…… 77 2.30 Tương tác hai vòng điều khiển…………………………… 77 3.1 Lưu đồ thuật toán khảo sát ảnh hưởng điều khiển mức… 84 3.2 Đáp ứng sản phẩm tháp F tăng 1%………………… … 85 3.3 Đáp ứng sản phẩm tháp tăng V lên 1% 85 3.4 Thay đổi sản phẩm đỉnh tăng F 1% 86 3.5 Lưu đồ thuật toan khảo sát đáp ứng tần số với nhiễu…………… 88 3.6 Ảnh hưởng lưu lượng cấp lên sản phẩm đỉnh…………… … 89 3.7 Ảnh hưởng thành phần nguồn cấp lên sản phẩm đỉnh…….… 89 3.8 Ảnh hưởng lưu lượng cấp lên sản phẩm đáy……………… 89 3.9 Ảnh hưởng thành phần nguồn cấp lên sản phẩm đáy……… 89 3.10 Đáp ứng sản phẩm đỉnh (a), logarithm thành phần sản phẩm đỉnh (b) tăng L lên 0.1%; 1%; 10%; 50% ………………………… 91 3.11 Thay đổi nồng độ sản phẩm đỉnh tăng F lên 1% ……… 92 3.12 Thay đổi sản phẩm đỉnh F tăng 1.2% với cấu hình LV … 93 3.13 Thay đổi sản phẩm đỉnh F tăng 1.2% với cấu hình L(V/F)…………………………………………………………… 93 3.14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tháp C-02…………………………… 96 3.15 Sơ đồ điều khiển áp suất tháp C-02 ………………………… … 97 3.16 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ tháp C-02 …………………………… 98 Footer Page 10 of 123 Header Page 157 of 123 145 subplot(323); plot(u1(:,1),'k-'); hold on; %plot(u2(:,1),'b:'); %hold on; %plot(u3(:,1),'r-'); %hold on; %grid on; ylabel('L'); %Nu=1, Ny=3, Lamda=0.1 %Nu=1, Ny=10, Lamda=0.1 %Nu=1, Ny=20, Lamda=0.1 % Hien thi ket qua mo phong cua tin hieu thu hai vecto tin hieu % y subplot(322); plot(y1(:,2),'k-'); hold on; %plot(y2(:,2),'b:'); %hold on; %plot(y3(:,2),'r-'); %hold on; %grid on; ylabel('xB'); % Hien thi ket qu mo phong cua so gia tin hieu dieu khien thu hai % vecto so gia tin hieu dieu khien delta_u %subplot (324); %plot(delta_u1(:,2),'k '); %hold on; %plot(delta_u2(:,2),'b:'); %hold on; %plot(delta_u3(:,2),'r-'); %hold on; %grid on; %ylabel('delta_u 2'); % Hien thi ket qua mo phong cua tin hieu dieu khhien thu hai vecto % tin hieu dieu khien u subplot(324); plot(u1(:,2),'k-'); hold on; %plot(u2(:,2),'b:'); %hold on; %plot(u3(:,2),'r-'); %hold on; %grid on; ylabel('V'); Footer Page 157 of 123 Header Page 158 of 123 146 function [y1,delta_u1,u1]=Figure(Ac,Bc,Cc,Dc,Ec,Ts,N,M,delta_M,Nu,Ny,L amda) % Gian doan hoa mo hinh trang thai lien tuc [Am,Bm,Cm,Dm,Em]=Discrete(Ac,Bc,Cc,Dc,Ec,Ts) % Xac dinh so tin hieu vao-ra, so bien trang thai [q,n]=size(Cm); % q la so tin hieu ra, n la bien trang thai [n,p]=size(Bm); % p la so tin hieu dieu khien % Thiet ke bo dieu khien [A,B,C,Px,Hx,P,H,Pr,Kx,Ky]=MPC_unconstrained(Am,Bm,Cm,Nu,Ny,L amda); % Tao dang tin hieu dat for k=1:Ny r((k-1)*q+1:k*q,1)=ones(q,1); end % Trang thai ban dau cua he xm=[0.5;0.5]; u=zeros(p,1); % u(0)=0 y=zeros(q,1); d=zeros(q,1); % Mo phong for k=1:N % Nhieu d xuat hien tu thoi diem M den thoi diem M+delta_M if k