NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG SẢN PHẨM VÀ HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA THÁP CHưNG CẤT TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU MỎ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT





ĐẶNG VĂN CHÍ





NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ NÂNG CAO
CHẤT LƢỢNG SẢN PHẨM VÀ HIỆU SUẤT LÀM VIỆC
CỦA THÁP CHƢNG CẤT TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU MỎ






Chuyên ngành: Điện khí hoá mỏ
Mã số: 62.52.52.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT






HÀ NỘI - 2012



Công trình đƣợc hoàn thành tại: Bộ môn Điện khí hóa Mỏ, Khoa Cơ
điện, Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Thái Duy Thức, Trƣờng ĐH Mỏ - Địa chất
2. TS. Trần Bá Đề, Trƣờng ĐH Mỏ - Địa chất


Phản biện 1: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn
Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng

Phản biện 2: GS.TSKH Cao Tiến Huỳnh
Viện Tự động hóa

Phản biện 3: PGS.TS Phan Xuân Minh
Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận án sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc hội đồng đánh giá luận án cấp trƣờng, họp tại
Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội vào hồi giờ
…. ngày …. tháng …. năm 2012


Có thể tìm hiểu luận án tại:
1. Thƣ viện quốc gia, Hà Nội
2. Thƣ viện Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất
1


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nguồn cung dầu và khí cho các nhà máy chế biến, xử lý khí đƣợc thu
gom từ các mỏ dầu khác nhau phân bố rải rác ở thềm lục địa Việt Nam. Do
vậy tính chất và thành phần hỗn hợp khí dầu mỏ thƣờng không ổn định.
Trong khi sản xuất yêu cầu chất lƣợng của sản phẩm là không đổi.
Thực tế hiện nay các tháp chƣng cất rất khó khăn trong việc giám sát và
điều khiển nồng độ thành phần, mặt khác chất lƣợng sản phẩm không thể
đo đƣợc nhanh và đảm bảo độ tin cậy. Ở nƣớc ta việc đo nồng độ này đƣợc
thực hiện rời rạc bằng cách phân tích các mẫu đo theo từng thời gian nhất
định, hoặc xác định nồng độ các chất thông qua việc ổn định nhiệt độ, áp
suất ở đỉnh và đáy tháp. Do đó sản phẩm thu đƣợc chƣa đƣợc nhƣ mong
muốn, chƣa tận thu đƣợc các sản phẩm có chất lƣợng và giá trị cao.
Luận án đã sử dụng cảm biến mềm xác định trực tiếp nồng độ thành
phần để điều chỉnh liên tục nồng độ các chất sao cho nồng độ sản phẩm gần
với nồng độ đặt, duy trì sự ổn định chất lƣợng sản phẩm tháp là một đòi hỏi
cấp thiết của các nhà máy lọc dầu và xử lý khí ở nƣớc ta hiện nay.

Việc mô hình hóa, chỉnh định hợp lý các tham số, nghiên cứu giải pháp
đo lƣờng trực tuyến nồng độ, khắc phục những hạn chế còn tồn tại nhằm
nâng cao chất lƣợng điều khiển và chất lƣợng sản phẩm có thể đem lại
những kết quả mong đợi đã làm cho đề tài có tính cấp thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu đặt ra là tìm đƣợc giải pháp sử dụng cảm biến mềm để đo
lƣờng trực tuyến nồng độ sản phẩm, ứng dụng cảm biến này vào vòng điều
khiển trực tiếp nồng độ thành phần trên đỉnh và đáy tháp nhằm nâng cao
chất lƣợng sản phẩm và hiệu suất làm việc của tháp chƣng cất dầu hiện nay.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Các tháp chƣng cất ở các nhà máy lọc dầu và chế biến khí ở Việt Nam.
4. Nội dung nghiên cứu
Tổng quan tháp chƣng cất, cơ sở lý thuyết quá trình chƣng cất, nguyên
lý làm việc, các chế độ vận hành của tháp chƣng cất.
2


Tổng quan về hệ thống điều khiển tháp chƣng cất trong các nhà máy
lọc dầu, nguyên tắc cơ bản và các phƣơng pháp điều khiển .
Xây dựng mô hình toán, thiết lập các phƣơng trình ở chế độ xác lập và
các phƣơng trình động học tháp.
Nghiên cứu ứng dụng các bộ suy luận mờ để xác định các đặc tính tĩnh
và động. Mô phỏng khảo sát sự ảnh hƣởng của các tham số đến quá trình
làm việc. Phân tích đánh giá, lựa chọn giải pháp trong đo lƣờng và điều
khiển.
Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo vào xây dựng bộ cảm biến mềm để đo
lƣờng trực tuyến nồng độ thành phần sản phẩm.
Đề xuất sách lƣợc điều khiển trực tiếp nồng độ thành phần để điều
khiển chất lƣợng sản phẩm mong muốn, góp phần nâng cao chất lƣợng sản
phẩm và hiệu suất làm việc cho tháp chƣng cất.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu phân tích các tài liệu, các công trình đã công bố trong và
ngoài nƣớc nhằm xác định mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra.
Thành lập mô hình toán của tháp chƣng cất, xây dựng các phƣơng trình
mô tả các quá trình cơ bản với tất cả các khâu. Nghiên cứu sự phụ thuộc
hay quan hệ giữa các cửa vào, cửa ra của tháp đối với tất cả các tham số
nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng, mức, nồng độ của các cấu tử…
Sử dụng công cụ mô phỏng hiện đại và đủ mạnh Matlab-Simulink để
thực hiện mô phỏng, xác định các qui luật thay đổi thành phần các chất
nhằm khẳng định các nghiên cứu lý thuyết cũng nhƣ mô hình toán của tháp.
Đánh giá kết quả mô phỏng lý thuyết với số liệu thực tế sản xuất nhằm
mục đích hiệu chỉnh các tham số cho đối tƣợng và đề xuất các giải pháp
trong đo lƣờng và điều khiển hợp lý cho hệ thống.
6. Ý nghĩa khoa học của luận án
Đƣa ra đƣợc giải pháp sử dụng cảm biến mềm để đo trực tiếp nồng độ
thành phần sản phẩm tháp chƣng cất nhằm khắc phục những nhƣợc điểm
của phƣơng pháp đo không liên tục.
3


Giải pháp và hƣớng nghiên cứu sẽ giúp các kỹ sƣ, cán bộ kỹ thuật trong
các nhà máy xử lý khí, lọc hóa dầu làm chủ công nghệ, hiệu chỉnh các
thông số làm việc phù hợp góp phần duy trì sự làm việc ổn định và nâng
cao chất lƣợng sản phẩm tháp.
7. Ý nghĩa thực tiễn của luận án
Đề tài không đơn thuần nghiên cứu lý thuyết mà còn mang một ý nghĩa
thực tiễn gắn liền với điều kiện sản xuất cụ thể tại các nhà máy lọc dầu và
xử lý khí ở Việt Nam. Các kết quả đạt đƣợc dựa trên quá trình mô phỏng đo
liên tục bằng cảm biến mềm và kết quả điều khiển trực tiếp nồng độ thành
phần đã góp phần duy trì sự làm việc ổn định, tin cậy, đồng thời nâng cao

chất lƣợng sản phẩm và hiệu suất làm việc cho tháp chƣng cất trong ngành
công nghiệp dầu khí còn non trẻ của Việt Nam.
8. Luận điểm bảo vệ
Để nâng cao chất lƣợng sản phẩm và hiệu suất làm việc tháp chƣng cất,
ngoài việc thiết kế, lựa chọn công nghệ tiên tiến phù hợp thì cần phải
1. Lựa chọn các thông số vận hành tháp hợp lý: vị trí cấp liệu, số đĩa lý
thuyết, nhiệt độ đỉnh và đáy tháp, áp suất làm việc, dòng hồi lƣu dựa trên
mô hình toán học đƣợc thành lập.
2. Nâng cao chất lƣợng của các bộ điều khiển, độ chính xác và tin cậy
của các cảm biến đo lƣờng, rút ngắn thời gian kiểm soát chất lƣợng sản
phẩm so với hiện nay.
9. Điểm mới của luận án
1. Đã ứng dụng bộ suy luận mờ fuzzy-logic để xác định hằng số cân
bằng pha của hydrocacbon trong mô hình hóa tháp chƣng cất nhằm xác
định các đặc tính cần thiết.
2. Đã ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo vào xây dựng bộ cảm biến mềm
(đo lƣờng suy luận) để xác định trực tiếp nồng độ thành phần sản phẩm của
tháp chƣng cất dầu mỏ tại Việt Nam.
3. Đã ứng dụng bộ cảm biến mềm vào điều khiển trực tiếp nồng độ
thành phần góp phần kiểm soát và duy trì ổn định chất lƣợng sản phẩm
mong muốn.
4


10. Bố cục của luận án
Nội dung luận án đƣợc trình bày trong 4 chƣơng với 16 bảng biểu và
111 hình vẽ, bao gồm các phần mở đầu, nội dung luận án, kết luận chung và
kiến nghị. Danh mục các công trình nghiên cứu khoa học, tài liệu tham
khảo và các phụ lục.
Chƣơng 1

TỔNG QUAN VỀ CHƢNG CẤT VÀ
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP CHƢNG CẤT
1.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình chƣng cất
Chƣng cất đƣợc xác định nhƣ một quá trình trong đó có sự pha trộn giữa
hai pha lỏng và hơi của hai hay nhiều chất. Chúng sẽ đƣợc tách ra thành các
chất theo một tỉ lệ thành phần tinh khiết nhất định, bằng việc ứng dụng quá
trình trao đổi nhiệt và ngƣng tụ để đƣợc 2 phần: phần nhẹ và phần nặng.
1.2. Cấu tạo, nguyên tắc làm việc và hoạt động của tháp chƣng cất
1.2.1. Giới thiệu về các loại tháp chƣng cất
Có hai loại: Tháp vận hành từng đợt và vận hành liên tục.
1.2.2. Thiết bị chƣng cất cơ bản và quá trình vận hành
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của tháp chƣng cất điển hình gồm một dòng cấp
liệu và hai dòng sản phẩm ra nhƣ hình 1.1.
Cấp liệu
Vùng cất
(Rectification
section)
Vùng chƣng
(Stripping section)
Sản phẩm
đáy tháp
Dòng nhiệt
nóng đi vào
Dòng nhiệt
nóng đi ra
Nồi gia nhiệt
Reboiler
Dòng hồi lƣu
đỉnh tháp
Dòng sản phẩm

đỉnh
Thiết bị ngƣng tụ
Bình hồi
lƣu đỉnh

Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một tháp chƣng cất
5


1.2.3. Các thiết bị bên trong tháp chƣng cất
Bao gồm một hệ thống đĩa lọc, trong tháp dòng hơi sẽ đƣợc thoát lên
trên qua khe lỗ xuyên qua dòng lỏng trên đĩa. Hai dòng này giao lƣu với
nhau tạo khả năng phân tách chất tinh khiết.
1.2.4. Thiết bị gia nhiệt
Đáp ứng yêu cầu truyền đủ năng lƣợng nhiệt cho dòng lỏng dƣới đáy
tháp để làm sôi.
1.2.5. Nguyên lý chƣng cất
Quá trình tách các chất từ hỗn hợp lỏng qua chƣng cất phụ thuộc vào sự
khác biệt về điểm sôi của từng cấu tử thành phần.
1.2.6. Cân bằng lỏng – hơi
Mô tả sự cân bằng thành phần lỏng – hơi ở một số điểm áp suất cố định.
1.2.7. Những yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt động của tháp chƣng cất
+ Các điều kiện về dòng cấp liệu
+ Các điều kiện về dòng hồi lƣu.
+ Các điều kiện về dòng hơi
+ Sự tạo bọt
+ Sự lôi cuốn của các chất theo dòng hơi
+ Hiện tƣợng đọng sƣơng - ngƣng tụ
+ Hiện tƣợng ngập lụt
1.3. Các tham số công nghệ ảnh hƣởng đến quá trình chƣng cất.

Chế độ nhiệt của tháp:
Nhiệt độ là thông số quan trọng nhất của tháp chƣng cất. Thay đổi chế
độ nhiệt, sẽ điều chỉnh đƣợc chất lƣợng sản phẩm và hiệu suất làm việc.
Chế độ nhiệt của tháp gồm nhiệt độ dòng nguyên liệu đầu vào, nhiệt độ
đỉnh, nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ đáy tháp.
Áp suất của tháp:
Khi điều chỉnh áp suất trong tháp sẽ làm thay đổi điểm sôi của chất
lỏng. Ở mỗi phân đoạn sƣờn lấy sản phẩm ra, áp suất cũng khác nhau,
chúng phụ thuộc vào việc tăng, giảm nhiệt độ sản phẩm lấy ra khỏi tháp. Sự
làm việc ổn định của tháp phụ thuộc nhiều vào áp suất làm việc tháp.
6


1.4. Tổng quan hệ thống điều khiển tháp chƣng cất
1.4.1. Các nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển
Điều khiển đóng mở ON-OFF, phƣơng pháp điều khiển của loại này là
logic, với cổng OR, AND, NAND Cách đây 40 năm bộ điều khiển loại
này là một hệ thống rơle và rơle thời gian đặt trong tủ bảng.
Điều khiển quá trình: Trong các nhà máy lọc hóa dầu và chế biến khí,
ngƣời ta sử dụng chủ yếu loại điều khiển này. Quá trình sản xuất là liên tục,
các thông số điều khiển bao gồm nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng, lƣu
lƣợng, độ pH, nồng độ vv
1.4.2. Hệ thống điều khiển phân tán DCS trong các nhà máy lọc dầu.
Những lợi thế mà hệ thống điều khiển phân tán DCS mang lại:
+ Đảm bảo an toàn cao trong quá trình hoạt động.
+ Lƣu trữ các thông tin trong quá trình hoạt động phục vụ cho công tác
thống kê, nghiên cứu, hoạch định chiến lƣợc.
+ Cung cấp cái nhìn tổng quát nhất về hoạt động của nhà máy.
+ Các module tính toán cho phép triển khai các chiến lƣợc điều khiển
nhằm mục đích tối ƣu hiệu quả công nghệ và hiệu quả kinh tế.

Đƣa ra cấu trúc các sơ đồ điều khiển, phân tích ƣu nhƣợc điểm các hệ thống
điều khiển thƣờng ứng dụng trong các nhà máy lọc dầu:
+ Điều khiển phản hồi (Feed back control)
+ Điều khiển tầng (Cascade control
+ Điều khiển truyền thẳng (Feed forward control)
+ Điều khiển kết hợp giữa Feed back và Feed forward
+ Kỹ thuật điều khiển có lựa chọn Override Control
1.4.3. Hệ thống điều khiển tháp chƣng cất ở Nhà máy khí Dinh Cố
Giới thiệu các vòng điều khiển nhiệt độ đỉnh, đáy tháp, ồn định mức và
ổn định lƣu lƣợng.
1.4.4. Hệ thống điều khiển tháp chƣng cất nhà máy lọc dầu Dung Quất
1.4.4.1. Hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp chƣng cất
7


Vòng điều khiển nhiệt sử dụng sách lƣợc điều khiển phản hồi. Bộ điều
khiển dựa vào các tín hiệu chênh nhiệt độ dòng hồi lƣu trƣớc và sau khi đi
qua bộ trao đổi nhiệt để tính toán và so sánh với giá trị đặt.
1.4.4.2. Hệ thống điều khiển mức đáy tháp
Hệ thống điều khiển mức đáy tháp sử dụng sách lƣợc điều khiển tầng
với LIC007 là bộ điều khiển sơ cấp, trong khi các bộ điều khiển lƣu lƣợng
là các bộ điều khiển thứ cấp.
1.5. Nhận xét
Tháp chƣng cất là một đối tƣợng điều khiển phi tuyến phức tạp. Việc
điều chỉnh một thông số của tháp sẽ làm ảnh hƣởng và tác động nhiễu tới
các biến khác, tác động tới hiệu suất làm việc cũng nhƣ chất lƣợng sản
phẩm đầu ra.
Ở trong nƣớc và trên thế giới cũng đã có các đề tài nghiên cứu về tháp
chƣng cất, tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu trƣớc đây tập trung chủ yếu
vào điều khiển tách kênh, điều khiển cascade control…tập trung vào mục

đích duy trì nhiệt độ đỉnh, nhiệt độ đáy tháp, ổn định áp suất làm việc tháp.
Việc giám sát chất lƣợng hiện nay vẫn phụ thuộc vào việc lấy mẫu và
phân tích thí nghiệm. Tác giả đề nghị giải pháp xây dựng một bộ cảm biến
mềm để đo trực tuyến nồng độ thành phần để có thể tác động, can thiệp kịp
thời trong điều chỉnh và điều khiển ổn định chất lƣợng sản phẩm ra tháp.
Chƣơng 2
MÔ HÌNH HÓA THÁP CHƢNG CẤT DẦU MỎ
2.1. Nghiên cứu xây dựng mô hình toán cho tháp chƣng cất
2.1.1. Mục đích của việc xây dựng mô hình toán
+ Biểu diễn những hiểu biết về chƣng cất bằng các phƣơng trình toán học. +
+ Phân biệt đƣợc bản chất và làm rõ các hiện tƣợng xảy ra trong tháp
+ Xây dựng qui luật cho các tháp chƣng cất khác với chức năng tƣơng tự.
+ Tối ƣu hóa thiết kế công nghệ, đƣa ra những tham số hiệu chỉnh cho tháp
trong các điều kiện vận hành khác nhau.
+ Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển.
8


2.1.2. Các điều kiện cần thiết để xây dựng một mô hình toán
+ Có những hiểu biết cơ bản về bản chất hóa học, về tính chất hóa lý kỹ
thuật của dầu mỏ và của các phân đoạn chƣng cất.
+ Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý làm việc của tháp và các thiết bị phụ trợ
nhƣ nồi tái đun, bình ngƣng, hệ thống điều khiển các tham số tháp…
+ Các biểu đồ, đồ thị về hằng số cân bằng pha, nhiệt dung của hydrocacbon,
về entalpy của các phân đoạn dầu mỏ.
+ Ccó đƣợc tất cả các số liệu đo đối với dòng cấp liệu nhƣ : lƣu lƣợng, nồng
độ %mol các cấu tử, tỉ lệ lỏng – hơi của hỗn hợp, nhiệt độ, áp suất,
entalpy…, cũng nhƣ yêu cầu về độ tinh khiết, chất lƣợng sản phẩm đỉnh và
đáy tháp.
2.1.3. Phƣơng pháp xây dựng mô hình

- Tạo ra một mô hình lý thuyết bằng cách nghiên cứu các quy luật hóa lý
- Xây dựng các công thức của quá trình nghiên cứu, sử dụng sự phụ thuộc
hay quan hệ giữa các cửa vào, ra của tháp.
- Thành lập các phƣơng trình mô tả các quá trình cơ bản đối với tất cả các
khâu, phƣơng trình liên hệ giữa các khâu.
- Xây dựng mô hình, thiết lập thuật toán và thực hiện mô phỏng bằng phần
mềm Simulink Matlab.
2.1.4. Mô hình toán học tháp chƣng cất
2.1.4.1. Một số giả thiết khi xây dựng mô hình toán
1. Các đĩa lọc trong tháp làm việc với hiệu suất đạt 100 %.
2. Lƣợng lỏng trên đĩa không thay đổi trong chế độ quá độ.
3. Chất lỏng trong tháp ở nhiệt độ sôi, hơi ở trạng thái bão hòa.
4. Tốc độ bay hơi và tốc độ ngƣng tụ là bằng nhau.
5. Chƣng cất đƣợc thực hiện trong điều kiện cân bằng pha lỏng – hơi….
2.1.4.2. Phƣơng trình toán ở trạng thái xác lập
9


+ Ở trạng thái cân bằng pha, nồng độ thành phần đƣợc cân bằng trong cả
pha hơi và pha lỏng (2.4).

jjjTj
PxPy


(2.4)
+ Hằng số cân bằng pha K
j
của hydrocacbon, K
j

phụ thuộc vào nhiệt độ,
thành phần và áp suất.

T
jj
j
j
j
P
P
x
y
K


(2.6)
+ Nhiệt độ ở đáy của bất kỳ một tháp chƣng cất nào là nhiệt độ ở đó chúng
thỏa mãn phƣơng trình (2.7).

1yxK
CC
N
1j
jj
N
1j
j




(2.7)
+ Độ bay hơi tƣơng đối để đánh giá khả năng phân tách của các cấu tử. Độ
bay hơi của cấu tử j so với cấu tử k xác định:

kk
jj
jk
x/y
x/y


(2.22)
+ Phƣơng trrình cân bằng về nồng độ thành phần:
  
  

Nc
1j
Nc
1j
j,B
Nc
1j
Nc
1j
j,DFmF2
Nc
1j
F1
xBxDzF zFzF

m21
(2.34)
2.1.4.3. Các phƣơng trình toán động học
- Thành lập phƣơng trình toán ở đĩa cấp liệu, đĩa trên cùng, đĩa thứ i, đĩa
dƣới cùng, tại thiết bị ngƣng tụ, thiết bị gia nhiệt…
- Ví dụ tại thiết bị gia nhiệt ta có các phƣơng trình sau:







Hình 2.9. Mô tả các dòng vật chất tại thiết bị gia nhiệt
Reboiler
Qr
V
B
, y
B
B, x
B
L
1
, x
1
10


+ Phƣơng trình cân bằng khối lƣợng:

BLV
dt
dM
1B
B

(2.75)
+ Cân bằng về nồng độ thành phần:
1N,1jBxxLyV
dt
)xM(d
cj,Bj,11j,BB
j,BB

(2.76)
+ Phƣơng trình cân bằng năng lƣợng:
RB11BB
BB
QBhhLHV
dt
)hM(d

(2.77)
2.1.5. Nhận xét
Trên đây đã nghiên cứu thành lập các phƣơng trình mô tả các quá trình
hoá lý, các mối liên hệ giữa các dòng nguyên liệu của tháp. Các phƣơng
trình ở chế độ xác lập và các phƣơng trình động học của tháp chƣng cất.
2.2. Mô phỏng tháp chƣng cất.
2.2.1. Ý nghĩa của quá trình mô phỏng tháp chƣng cất
+ Dự báo các hành vi và diễn biến của quá trình trong tháp.

+ Thiết kế cấu trúc và xây dựng các thuật toán điều khiển.
2.2.2. Cơ sở dữ liệu mô phỏng
Chọn tháp chƣng cất phân đoạn C-01 đang đƣợc vận hành thực tế tại nhà
máy xử lý khí Dinh Cố.
2.2.3. Mô phỏng các đặc tính tĩnh và động học tháp chƣng cất
2.2.3.1. Khảo sát các đƣờng đặc tính tĩnh.







Hình 2.12. Giao diện chính mô phỏng tháp chƣng
cất
11


Các kết quả mô phỏng: Một số đặc tính tĩnh

2.2.3.2. Khảo sát các đặc tính động học tháp chƣng cất







Hình 2.17. Biểu đồ xác định độ bay hơi tƣơng đối của Butan
Hình 2.13. Biểu đồ xác định nhiệt độ đỉnh tháp chƣng cất

Hình 2.14. Biểu đồ xác định nhiệt độ đáy tháp chƣng cất
Hình 2.32. Kết quả nhận dạng các hằng số K
j.


12


Đặc tính động học.

Hình 2.38. Đặc tính quá độ cấu tử PHA HƠI – VÙNG CHƢNG
2.2.4. Khảo sát xây dựng đặc tính P-T.
Ở đây ta nghiên cứu sự biến động của nhiễu áp suất để có thể điều chỉnh
công suất nhiệt của nồi tái đun cho phù hợp với mục tiêu giữ ổn định chất
lƣợng đầu ra cho tháp chƣng cất








Hình 2.39. Sơ đồ cấu trúc của mô hình dự báo
Hình 2.40. Mô phỏng các đặc tính dự báo.
Nhiễu nhiệt độ
Chỉ tiêu chất lượng
N
N
h
h
i
i
ễ
ễ
u
u

á
á
p
p


s
s
u
u
ấ
ấ
t
t


13








Hình 2.41. Đặc tính P-T
2.2.5. Khảo sát sự ảnh hƣởng của nhiệt độ và áp suất tới đặc tính động
học tháp chƣng cất.
Thực tế vận hành tháp chƣng cất không phải lúc nào dòng cấp liệu cũng

ổn định, nó luôn luôn biến động và đƣợc coi nhƣ một đại lƣợng nhiễu tác
động lên đối tƣợng. Ở đây ta nghiên cứu sự biến động của 2 tham số là
nhiệt độ và áp suất của dòng cấp liệu để thấy đƣợc sự tác động của chúng
tới các đặc tính động học.
Hình 2.43. Các đặc tính quá độ khi thay đổi áp suất và nhiệt độ.
2.3. Nhận xét.
Các kết quả đạt đƣợc trong chƣơng 2
+ Thành lập đƣợc mô hình toán mô tả quá trình chƣng cất.
+ Ứng dụng Simulink_Matlab, kết hợp bộ suy luận mờ để mô phỏng một
tháp chƣng cất thực.
14


+ Xây dựng các đặc tính tĩnh và động của tháp nhằm xác định các tham số
làm việc hợp lý.
+ Xác định đặc tính hiệu chỉnh P-T với các nhiễu dòng cấp liệu.
+ Khảo sát sự ảnh hƣởng của P và T trên dòng cấp liệu tới các đặc tính
động học tháp.
Chƣơng 3
ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO ĐỂ DỰ BÁO NỒNG ĐỘ
THÀNH PHẦN SẢN PHẨM THÁP CHƢNG CẤT

3.1. Mở đầu
Trong hệ thống điều khiển, giám sát tháp chƣng cất. Khó khăn phải đối
mặt là duy trì ổn định chất lƣợng sản phẩm tháp. Việc đo lƣờng chính xác
nồng độ các chất trở nên cấp thiết. Một số phƣơng pháp phổ biến vẫn đƣợc
áp dụng là lấy mẫu thực tế, sau đó quá trình phân tích đƣợc thực hiện trong
phòng thí nghiệm, nhƣ vậy thời gian đáp ứng có thể phải mất nhiều giờ.
Từ bất cập trên, một giải pháp đƣợc đề nghị là nghiên cứu xây dựng một
bộ cảm biến mềm (soft-sensor) trên cơ sở mạng nơron nhân tạo. Kết quả đạt

đƣợc có thể là một sự lựa chọn hợp lý áp dụng vào trong hệ thống điều
khiển hiện tại với mục tiêu duy trì chất lƣợng sản phẩm, nâng cao hiệu suất
của quá trình chƣng cất.
3.2. Những nội dung cần nghiên cứu
Mục tiêu của chƣơng này là phát triển một mạng nơron chính xác và bền
vững bằng việc huấn luyện sử dụng thuật lan truyền ngƣợc. Thực hiện chẩn
đoán suy luận để theo dõi giám sát nồng độ sản phẩm, có thể ứng dụng cho
việc điều khiển nồng độ thành phần cho tháp chƣng cất.
3.3. Tổng quan về mạng nơron nhân tạo
3.3.1. Giới thiệu chung
Mô hình ANN là một công cụ mạnh cho phép thực hiện tính toán công
nghệ phức tạp. Trong những thập kỷ gần đây,mạng ANN ngày càng đƣợc
nhiều các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.
3.3.2. Mạng nơron nhân tạo
15


Giới thiệu các nội dung: Các phần tử cơ bản của mạng nơron, cấu trúc
mạng, huấn luyện và đánh giá mạng.
3.4. Luật học lan truyền ngƣợc
Giới thiệu thuật toán huấn luyện dựa theo luật lan truyền ngƣợc.
3.5. Thiết lập bộ dữ liệu vào – ra cho mạng nơron
3.5.1. Lựa chọn các biến vào – ra
Đo lƣờng dự báo là phƣơng pháp đo rất hiệu quả, cho phép chất lƣợng
sản phẩm đƣợc suy ra từ các biến quá trình khác.

Hình 3.5 Sơ đồ bố trí các cảm biến đo lƣờng thứ cấp
Sơ đồ đặt các cảm biến cứng: xem hình 3.5
 Các biến vào của mạng nơron:
1. Nhiệt độ trên đỉnh tháp: T
d

2. Áp suất trên đỉnh tháp: P
d

3. Nhiệt độ đáy tháp: T
b

4. Áp suất đáy tháp: P
b

5. Nhiệt độ dòng cấp liệu: T
F

n
n -1
R
P

b
T
b
T
d
P
d
V
n
,y
n
Q
c
M
D
,h
D
D
x
D
P
F
Q
F








T
F










Noron Network
( C?m bi?n m?m)
Vùng c?t
Vùng
c?p
li?u
Vùng chung
M
B
,h
B
B
x
B
L
1
,x

1
f
1
Y
D
X
B
M
i
,H
i
,h
i
i
F
z
q
16


6. Áp suất dòng cấp liệu: P
F

7. Lƣu lƣợng dòng cấp liệu: Q
F

 Các biến đầu ra của mạng nơron:
1. Nồng độ thành phần Ethan trong sản phẩm cất
2. Nồng độ thành phần Propan trong sản phẩm chƣng
3.5.2. Nguyên tắc đo các biến thứ cấp

Hành vi của bất kỳ một quá trình nào đều đƣợc thể hiện bởi trạng thái
của các biến đầu ra. Những biến của quá trình nhƣ lƣu lƣợng, nhiệt độ, áp
suất là những biến quan trọng đƣợc chọn làm đầu vào cho mạng nơron. Đầu
ra là hai cấu tử chìa khoá đại diện cho các chất ở vùng cất và vùng chƣng.
3.5.3. Mô phỏng động học thiết lập bộ dữ liệu vào – ra cho mạng nơron
Thực hiện mô phỏng động học một tháp chƣng cất đa cấu tử ở chƣơng 2,
các đáp ứng động học với nhiễu nhiệt độ, lƣu lƣợng, áp suất dao động trong
khoảng ±20%, bao gồm:
+ Giữ áp suất không đổi, các biến còn lại thay đổi.
+ Giữ nhiệt độ đỉnh và đáy không đổi, các biến còn lại thay đổi
+ Dòng cấp liệu ổn định, các biến còn lại thay đổi.
+ Nhiệt độ, áp suất làm việc của tháp ổn định, dòng cấp liệu thay đổi vv
Bộ dữ liệu đo đƣợc ghi lại trong Workspace in Matlab làm cơ sở dữ liệu
để huấn luyện mạng. Căn cứ vào đáp ứng quá độ của các chất trong vùng
cất và vùng chƣng, chọn thời gian trích mẫu dữ liệu là 200s, thời gian mô
phỏng các đặc tính của tháp là từ 20.000s – 40.000s. Các đặc tính là cơ sở
dữ liệu trong huấn luyện mạng nơron thể hiện trên một số hình sau:






Hình 3.8. Đầu vào của mạng nơron khi tham số cấp liệu nhiễu

17

Hình 3.9. Đáp ứng đầu ra mạng nơron khi cấp liệu F
1
nhiễu
3.6. Thiết kế và huấn luyện mạng nơron
Kết quả huấn luyện khi nhiễu nhiệt độ trên đỉnh tháp:
+ Số lớp trong mạng: 3 lớp 7x16x2.
+ Hàm truyền dạng tansig – purelin – purelin.
+ Sai lệch trong quá trình học của mạng MSE =1.e-4
+ Luật học: Mạng lan truyền ngƣợc.
+ Thực hiện quá trình huấn luyện: 300 epochs
Hình 3.12. Cấu trúc rút gọn 3 lớp của mạng







Hình 3.17. Hiển thị sai lệch trong quá trình huấn luyện mạng
18


Hình 3.18. Các đồ thị vào – ra của quá trình kiểm tra mạng
Hình 3.19. Kết quả chẩn đoán với nồng độ đỉnh
Hình 3.20. Kết quả chẩn đoán với nồng độ đáy
+ Đồ thị kiểm tra mạng cho thấy tập dữ liệu vào - ra của mạng 7x16x2 đều

bám dính theo bộ mẫu tín hiệu vào - ra.
+ Mạng nơron 3 lớp đã học đƣợc bộ mẫu tín hiệu vào ra theo yêu cầu.
+ Mạng nơron đƣợc huấn luyện hoàn toàn có thể sử dụng nhƣ một cảm biến
mềm để thay thế hoặc làm dự phòng cho các cảm biến cứng hiện hành.
3.7. Khảo sát ảnh hƣởng các tham số mạng tới sai lệch của mô hình
3.7.1. Thay đổi số lƣợng tế bào nơ ron trong các lớp
Khi chọn mô hình mạng là 3 lớp, sai lệch MSE=0,00008, có thể chọn
mạng có cấu trúc theo thứ tự:
19


Mạng 20x15x2 {tansig – tansig – tansig}.
Mạng 20x15x2 { tansig – purelin – purelin}.
Mạng 20x15x2 { tansig – tansig – purelin}.
3.7.2. Thay đổi số lớp ẩn trong mạng
Khi chọn mô hình mạng là 4 lớp, sai lệch MSE=0,00007, có thể chọn
mạng có cấu trúc theo thứ tự:
Mạng 7x10x15x2 {tansig – tansig – tansig –tansig}.
Mạng 7x10x15x2 {tansig – purelin – tansig – purelin}.
Mạng 7x10x15x2 {tansig – tansig – tansig – purelin}.
3.8. Các kết quả huấn luyện
Tiến hành huấn luyện với các tập số liệu khác nhau cho các trƣờng hợp
3.8.1. Kết quả huấn luyện cho trƣờng hợp nhiễu cấp liệu
3.8.2. Kết quả huấn luyện cho trƣờng hợp các tham số thay đổi.
3.8.3. Kết quả huấn luyện cho trƣờng hợp tổng quát

Hình 3.29 Kết quả kiểm tra và dự báo mạng có cấu trúc 4 lớp tổng quát
3.9. Nhận xét
+ Nghiên cứu ứng dụng mạng nơron nhân tạo để huấn luyện đƣợc một cảm
biến mềm đo nồng độ sản phẩm.
+ Dữ liệu đầu vào của mạng gồm 1100 mẫu bao trùm lên toàn bộ các điều
kiện vận hành với các nhiễu khác nhau.
20


+ Sai lệch mục tiêu MSE<10
-4
thoả mãn yêu cầu đặt ra.
+ Quá trình huấn luyện mạng thƣờng đạt đƣợc sau 2000 epochs huấn luyện.
+ Xác định đƣợc cấu trúc mạng 3,4 lớp phù hợp với bộ dữ liệu đã cho, hàm
truyền đƣợc đề nghị sử dụng là tansig.
+ Cảm biến mềm có thể làm công cụ đo trực tuyến nồng độ sản phẩm, dễ
thực hiện, có chi phí thấp và có thể đƣợc ứng dụng vào trong các tháp
chƣng cất đa cấu tử.
Chƣơng 4
ỨNG DỤNG CẢM BIẾN MỀM ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP
NỒNG ĐỘ THÀNH PHẦN THÁP CHƢNG CẤT

4.1. Đặt vấn đề.
+ Mục tiêu của quá trình điều khiển tháp chƣng cất là duy trì nồng độ thành
phần sản phẩm mong muốn.
+ Thực tế hiện nay thƣờng giám sát, điều khiển nhiệt độ các đĩa trên đỉnh và
đáy để suy ra nồng độ sản phẩm.
+ Điều khiển nhiệt độ không phải lúc nào cũng đạt hiệu quả, việc giữ ổn
định nhiệt độ cũng không thể đảm bảo duy trì ổn định chất lƣợng sản phẩm.
+ Đo nồng độ sản phẩm hiện nay đều phải qua việc lấy mẫu phân tích trong
phòng thí nghiệm. Hạn chế là thời gian đo bị trễ lớn, chi phí đầu tƣ cao.
+ Một giải pháp thay thế tin cậy, không tốn kém, không có thời gian trễ là
ứng dụng cảm biến mềm vào sơ đồ điều khiển trực tiếp nồng độ.
4.2.Ứng dụng cảm biến mềm trong điều khiển trực tiếp nồng độ.
4.2.1. Điều khiển nồng độ cấu tử.
4.2.2. Thiết kế hệ thống điều khiển.







21


4.2.3. Mô phỏng xác định các đặc tính của quá trình
+ Phản ứng của đƣờng đặc tính thu đƣợc bằng cách thay đổi một bƣớc đầu
vào với hệ thống hở và ghi lại các giá trị tƣơng ứng đầu ra theo thời gian.
+ Ảnh hƣởng của sự tăng 5% lƣu lƣợng dòng hồi lƣu để xây dựng lên
đƣờng cong của quá trình.
+ Hàm truyền nhận đƣợc chính là quan hệ giữa nồng độ thành phần cấu tử

và lƣu lƣợng dòng hồi lƣu, nhận đƣợc từ xung kiểm tra mô hình động học
khi xét tới sự thay đổi dòng hồi lƣu ngoài trên đỉnh và dòng hồi lƣu trong
của đáy tháp.
Các hàm truyền nhận đƣợc từ nhận dạng các đáp ứng.
Pha lỏng – vùng chƣng
Metan (CH
4
)
s10
M
e
1s12
064.0
)s(G




Etan (C
2
H
6
)
s15
E
e
1s22
54.0
)s(G





Propan (C
3
H
8
)
s40
P
e
1s72
4.7
)s(G




Butan (C
4
H
10
)
s45
B
e
1s140
7.3
)s(G





Condensate (C
5+
)
s65
C
e
1s425
6.4
)s(G




Pha hơi – vùng cất
Metan (CH
4
)
s50
M
e
1s60
2.6
)s(G




Etan (C
2
H
6
)
s45
E
e
1s47
4.5
)s(G




Propan (C
3
H
8
)
s30
P
e
1s28
6.3
)s(G




22


Butan (C
4
H
10
)
s40
B
e
1s45
8.4
)s(G




Condensate (C
5+
)
s36
C
e
1s30
4.6
)s(G




4.2.4. Tính toán các tham số cho bộ điều khiển
Phƣơng pháp tiếp cận phổ biến trong ngành công nghiệp lọc hoá dầu để
tính toán các tham số PID có khâu quán tính bậc 2 hiện nay chủ yếu dựa
theo phƣơng pháp thực nghiệm Cohen-Coon.
4.3. Kết quả mô phỏng, đánh giá chất lƣợng của bộ điều khiển.
4.3.1. Các kết quả mô phỏng.













Hình 4.4. Điều khiển C
2
H
6
pha hơi – cất với các điểm đặt khác nhau

23


Hình 4.7. Điều khiển C

2
H
6
pha hơi – cất với 5% nhiễu đối tƣợng
4.3.2. Đánh giá tham số, chất lƣợng bộ điều khiển trực tiếp nồng độ
Bộ điều khiển PID (Cohen–Coon) đạt yêu cầu về sai lệch tĩnh, trung
bình khoảng 2,5.10
-7
. Đầu ra bám theo điểm đặt nồng độ theo yêu cầu.
Chất lƣợng điều khiển còn đƣợc kiểm tra về sự thay đổi của điểm đặt,
xét tới các tác động của nhiễu.
4.4. Nhận xét
Ý tƣởng điều khiển trực tiếp nồng độ nhằm mục đích điều khiển chính
xác nồng độ thành phần của tháp chƣng cất. Kết quả đạt đƣợc trong nghiên
cứu mô phỏng đã đã góp phần nâng cao chất lƣợng sản phẩm và hiệu suất
làm việc cho tháp chƣng cất dầu hiện nay.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
1. Nghiên cứu xây dựng mô hình toán cho tháp.
2. Ứng dụng logic mờ để xác định hằng số cân bằng pha, xây dựng các đặc
tính. Khảo sát sự tác động tƣơng hỗ các tham số, nhiễu đến đặc tính tháp.
3. Đề xuất ứng dụng mạng ANN để xây dựng cảm biến mềm trong đo
lƣờng trực tuyến, giám sát nồng độ sản phẩm.
4. Ứng dụng cảm biến mềm vào hệ thống điều khiển trực tiếp nồng độ
thành phần cấu tử.
5. Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả trong duy trì ổn định,
nâng cao chất lƣợng sản phẩm, theo dõi điểm đặt, nâng cao đƣợc chất lƣợng
điều khiển, hiệu suất làm việc tháp.
Kiến nghị
1. Để chắc chắn cảm biến làm việc tin cậy, thích nghi trong mọi điều kiện

sản xuất. Đầu tiên gắn cảm biến mềm vào tháp chƣng cất đang hoạt động,