LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Nguyễn Thị Thu Huyền, học viên lớp CHK13-TĐH; tôi xin cam
đoan bản luận văn: “ Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tháp
lọc dầu và hóc lỏng khí cơng nghiệp” là do tôi tự tổng hợp, kết quả trong luận
văn là trung thực và chưa ai từng công bố. Trong luận văn có sử dụng một số
nguồn tài liệu tham khảo rõ ràng như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo.
Thái Nguyên, Ngày
tháng 12 năm 2012
Học viên
Nguyễn Thị Thu Huyền
1
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn PSG. TS VÕ QUANG LẠP đã tận tình hướng
dẫn tơi trong suốt q trình hồn thành nội dung luận văn này. Tơi xin chân thành
cảm ơn Khoa Điện – trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo
điều kiện, giúp đỡ tơi trong q trình học tập và nghiên cứu đề tài. Cuối cùng tôi
xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám hiệu, Phòng quản lý đào tạo sau
đại học - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã cho phép và tạo
điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành bản luận văn này.
2
Mục lục
LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN.........................................................................................................2
Danh mục hình vẽ...................................................................................................5
MỞ ĐẦU................................................................................................................6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ LỌC DẦU VÀ HĨA LỎNG
KHÍ CƠNG NGHIỆP.............................................................................................8
1.1 Giới thiệu chung về chế biến và sử dụng khí tự nhiên............................8
1.1.2. Thành phần và các đặc tính cảu khí tự nhiên .....................................10
1.1.3. Chế biến và sử dụng khí tự nhiên ở Việt Nam....................................11
1.2 Cơng nghệ xử lý khí các nhà máy ...........................................................16
1.2.1 Giới thiệu chung..................................................................................16
1.2.2 Chế độ vận hành cụm thiết bị hoàn toàn tối thiểu (AMF)...................17
1.2.3. Chế độ vận hành cụm thiết bị tối thiểu (MF)......................................17
1.2.4. Chế độ vận hành hoàn chỉnh (GPP)....................................................18
1.3. Tự động hố các q trình lọc hố dầu và chế biến khí.......................19
1.4 Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tháp chưng cất của nhà máy
chế biến khí......................................................................................................23
1.4.1 Hệ thống điều khiển tháp chưng cất C-01...........................................23
1.5 Kết luận .....................................................................................................25
CHƯƠNG II: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT LỌC DẦU VÀ HĨA LỎNG KHÍ.......................26
2.1 Đặt vấn đề..................................................................................................26
2.2 Giới thiệu tháp chưng cất.........................................................................27
2.3 Cơ sở xây dựng mô hình tháp chưng cất và đặc tính............................28
2.3.1 Các kiến thức cơ bản về chưng cất......................................................28
2.3.1.1 Sơ đồ nguyên lý một tháp chưng cất tổng quát................................28
2.3.1.2 Giá trị K............................................................................................31
2.3.1.4 Hệ số bay hơi tương đối....................................................................33
2.3.1.5 Phương trình cân bằng dịng tồn phần............................................34
2.3.1.6 Xác định số đĩa lý thuyết..................................................................36
2.3.1.7 Cân bằng vật chất trong đĩa chưng cất..............................................37
2.3.2Đặc tính tháp chưng cất........................................................................38
2.4 Mơ hình tốn học tháp chưng cất ...........................................................39
2.5 Mơ phỏng sơ đồ tháp chưng cất..............................................................49
2.5.1 Sơ đồ hệ thống tháp chưng cất.............................................................49
2.5.2 Thiết kế bộ điều khiển ........................................................................50
3
2.5.3 Mô phỏng hệ thống tháp chưng cất khi chưa có khối tách kênh.........51
3.1 Lý thuyết điều khiển phân ly...................................................................54
3.1.1 Tách kênh.............................................................................................54
3.2 Xét trường hợp đối tượng điều khiển có 2 đầu vào và 2 đầu ra..............61
3.2.1 Thiết kế bộ tách kênh từ lý thuyết tách kênh tổng quát.......................61
3.2.2 Tương tác giữa các vòng điều khiển....................................................64
3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển tách kênh ........................................................65
3.2.4 Thiết kế bộ điều khiển tách kênh cho tháp chưng cất và hóa lỏng khí
có hai đầu vào và hai đầu ra..........................................................................70
3.2.5 Kết luận ...............................................................................................73
3.3 Mô phỏng hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hóa lỏng khí cơng
nghiệp...............................................................................................................74
3.3.1 Tính thống số.......................................................................................74
3.3.1.1 Khối tách kênh..................................................................................74
3.3.1.2 Bộ điều khiển....................................................................................74
3.3.2 Mô phỏng hệ thống..............................................................................76
3.4 So sánh và đánh giá hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hoá lỏng khi
công nghiệp......................................................................................................80
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................85
4.1. Kết luận.....................................................................................................85
4.2.Kiến nghị....................................................................................................86
Tài liệu tham khảo................................................................................................87
4
Danh mục hình vẽ
Hình
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
Tên hình
Sơ đồ tổng quát chế biến khí đồng hành
Sơ đồ tháp chưng - bay hơi
Sơ đồ CNT có hai đường đưa nguyên liệu vào tháp
Sơ đồ điều khiển phản hồi tổng quát
Sơ đồ điều khiển bù nhiễu tổng quát
Sơ đồ hệ thống điều khiển tháp chưng cất C-01
Trang
11
15
16
21
23
25
2.1
2.2
2.3
2.4
2.4a
2.4b
2.5
2.6
2.7
Sơ đồ tổng quát một tháp chưng cất
Sơ đồ tháp chưng cất
Sơ đồ tháp chưng cất với cấu hình điều khiển LV
Cấu trúc hệ 2 biến
Cấu trúc hệ hai biến hình P
Cấu trúc hệ hai biến hình V
Sơ đồ mô phỏng hệ thống tháp chưng cất
Nồng độ sản phẩm đỉnh tháp
Nồng độ sản phảm đáy tháp
29
29
31
49
49
49
52
53
54
3.1
3.2
3.3a
3.3b
3.4
3.5
Sơ đồ tổng quát hệ có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra
sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển tách kênh
Sơ đồ cấu trúc hệ 3*3 với bộ bù các tương tác bên trong
Sơ đồ cấu trúc hệ n*n với bộ bù các tương tác bên trong
Mơ hình cấu trúc hệ hai biến
Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tách kênh
56
57
61
62
63
66
3.6
3.7
3.8
3.9
Hệ thống điều khiển tách kênh
Sơ đồ điều khiển tách kênh
Mô hình tốn học của hai tín hiệu vào và ra
Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tháp chưng cất với hai
67
69
71
74
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
biến vào và hai biến ra
Sơ đồ mô phỏng tháp chưng cất
Sơ đồ mô phỏng 2 bộ điều khiển tách kênh
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PI
Sơ đồ tổng quát mô phỏng điều khiển tháp chưng cất
Nồng độ sản phẩm đỉnh tháp khi có bộ tách kênh
Nồng độ sản phẩm đáy tháp khi có bộ tách kênh
77
77
78
78
79
79
5
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
Sơ đồ tổng quát mô phỏng sự so sánh giữa hai phương pháp
Sự thay đổi sản phẩm đỉnh tháp
Sự thay đổi sản phẩm đáy tháp
Sai lệch hai tín hiệu đỉnh
Sai lệch hai tín hiệu đáy
80
81
82
83
84
MỞ ĐẦU
Cơng nghệ chế biến dầu phát triển mạnh là nhờ là các đặc tính quý riêng của
nguyên liệu dầu mỏ thuận tiện cho quá trình tự động hố dễ khống chế cấc điều
kiện cơng nghiệp và công xuất chế biến lớn, sản phẩm thu được có chất lượng
cao, ít tạp chất và dễ tinh chế, dễ tạo ra nhiều chủng loại sản phẩm đáp ứng mọi
nhu cầu của ngành kinh tế Quốc dân. Việc nghiên cứu nắm vững quy trình cơng
nghệ nhà máy lọc dầu và các hệ thống điều khiển nhằm khai thác có hiệu quả.
Hướng nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại đang góp phần rất lớn
trong việc tự động hố q trình sản xuất, khai thác một cách triệt để và tối ưu
6
hố chất lượng sản phẩm, đảm bảo an tồn và hiệu quả trong công nghiệp khai
thác và chế biến dầu khí. Luận văn chú trọng phân tích đánh giá hệ điều khiển lọc
dầu và hố lỏng khí, nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản
phẩm và khả năng ứng dụng các bộ phận điều khiển để nâng cao chất lượng các
đặc tính điều khiển.
Vì vậy, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tháp lọc dầu
và hố lỏng khí cơng nghiệp là cần thiết và cần được tập trung nghiên cứu.
- Đề tài nhằm đánh giá chung về hệ thống điều khiển hiện tại của cơng nghiệp
chế biến khí ở Việt Nam.
- Xây dựng mơ hình tốn học cho các tháp lọc dầu và khảo sát đặc tính của
các tháp chưng cất và hố lỏng khí.
- Đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống đều khiển tháp lọc dầu
và hoá lỏng khí.
Nội dung luận văn gồm 4 chương.
Chương I Tổng quan về cơng nghệ lọc dầu và hố lỏng khí cơng nghiệp
1.1 Giới thiệu chung về chế biến và sử dụng khí tự nhiên
1.2 Cơng nghệ xử lý khí ở nhà máy
1.3 Tự động hoa q trình lọc dầu và hố lỏng khí.
1.4 Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tháp chưng cất của nhà máy chế
biến khí
1.5 Kết luận
Chương II: Khảo sát đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tháp chưng
cất lọc dầu hố khí
2.1 Đặt vấn đề
2.2. Giới thiệu tháp chưng cất
2.3 Cơ sở xây dựng mô hìh tháp chưng cất và đặc tính
2.4 Mơ hình hốn học tháp chưng cất
2.5 Bài toán điều kiện tháp chưng cất, khảo sát và đánh giá hệ thống điều
khiển tháp lọc dầu và hố lỏng khí cơng nghiệp
7
Chương III. Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hố
lỏng khí cơng nghiệp
3.1 Lý thuyết điều khiển phân ly
3.2 Ứng dụng lý thuyết điều khiển phân ly dể tách kênh trong tháp chưng
cất
3.3 Mô phỏng hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hoá lỏng khí cơng
nghiệp
3.4 So sánh và đánh giá hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hố lỏng khi
cơng nghiệp.
3.5 Kết luận
Chương IV: Kết luận và kiến nghị
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ LỌC DẦU VÀ HĨA LỎNG
KHÍ CƠNG NGHIỆP
1.1 Giới thiệu chung về chế biến và sử dụng khí tự nhiên
1.1.1 Giới thiệu chung
Trên thế giới ngành dầu khí đã phát triển từ lâu, rất nhiều nước hiện nay đã áp
dụng các thành tựu công nghệ thông tin và các lý thuyết điều khiển hiện đại vào
việc điều khiển các q trình trong cơng nghiệp lọc dầu.
Với tiềm năng về khí khá phong phú, nước ta có điều kiện phát triển cơng
nghiệp dầu khí trên tồn lãnh thổ. Khai thác và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên
thiên nhiên quý giá này, trong tương lai ngành công nghiệp dầu khí sẽ là một
ngành cơng nghiệp phát triển mạnh, đóng góp đáng kể vào sự phát triển của đất
8
nước. Thực tế ở nước ta hiện nay ngành công nghiệp rất non trẻ, ngành công
nghiệp lọc dầu là ngành mới bắt đầu sản xuất thử ở Việt Nam, hầu hết các thiết bị
của ngành đều là thiết bị nhập ngoại. Vì vậy việc nghiên cứu, nắm vững quy trình
cơng nghệ nhà máy lọc dầu và các hệ thống điều khiển nhằm khai thác có hiệu
quả và tìm cách tiếp cận thay thế dần các thiết bị điều khiển trong nước là một
vấn đề cần được quan tâm.
Khái niệm về khí dầu mỏ được hiểu là tất cả các khí thu được từ quá trình
khai thác và chế biến dầu mỏ. Đó là khí đồng hành thu được khi khai thác chế
biến sơ bộ dầu mỏ. Khí thu được từ các nhà máy dầu là tất cả các phân đoạn khí
gồm chủ yếu các hydrocacbon bay ra từ thiết bị tách các hỗn hợp sản phẩm của
các quá trình chế biến hoá học dầu mỏ, và các phân đoạn, các bán sản phẩm dầu
mỏ. Đó là crasking, khí reforming, khí hydrocracking, khí của q trình cốc hố,
vv… Phân đoạn khí ra từ các tháp chưng cất dầu thô cũng là khí nhà máy dầu.
Lọc dầu là q trình chế biến để tách các hợp chất lỏng và khí có trong dầu mỏ
nhằm thu được các sản phẩm dầu khí có chất lượng cao. Sản phẩm của các quá
trình chế biến hoá học dầu mỏ, và các phân đoạn, các bán sản phẩm dầu mỏ là
khí hydrocracking, khí của q trình cốc hoá, vv…
Tuy chứa nhiều chất nhưng nhờ nhiệt độ sôi của các chất hydrocacbon rất
khác nhau nên để nâng cao hiệu quả và tính tiện dụng người ta thường chế biến
khí dầu mỏ thành ba sản phẩm năng lượng chính xăng nhẹ, khí hố lỏng (LPG)
và khí đốt. Xăng nhẹ thu được từ khí đồng hành cịn có tên là xăng tự nhiên hay
là xăng hoang hoặc condensat. Hợp phần chính của xăng nhẹ là pentan và hexan.
trong xăng nhẹ cịn có C+7 với hàm lượng bé hơn nhiều. Khí hố lỏng (LPG) có
thể là C3 lỏng, là C4 lỏng hay hỗ hợp Bupro của chúng. Khí đốt chủ yếu là CH4,
C2H6. Các khí nặng hơn có ít trong khí đốt, nên khí đốt thực chất là khí gầy.
Trong khí dầu mỏ thường có những có những trường hợp chất phi hydrocacbon
có hại: N2, khí trơ, CO2, H2S, H2O, CS2, có, RSH…, các chất rắn hoặc ở dạng như
rắn, bụi vô cơ, ụi chất xúc tác, bụi đất đá, asphalten…, cho nên việc chế biến khí
dầu mỏ bao gồm việc loại bỏ những chất có hại và tách phân đoạn.
9
Hình1.1 Sơ đồ tổng qt chế biến khí đồng hành
Trong sơ đồ này khơng có giai đoạn loại bụi, nghĩa là ta coi khí cần chế biến
đã được lọc bụi rồi. Thiết bị (1) có thể là một bình tách đơn giản nhưng thường là
một hệ thống các thiết bị tách với khả năng tách khơng cao, cịn phận đoạn nặng
ra khí (1) chủ yếu bao gồm từ condensat. Thiết bị loại nước (2) chỉ cần trong
trường hợp nhiệt độ ở (3) thấp đến mức có thể tạo hydrat trên đường ống dẫn khí.
Các thiết bị (4), (7) sẽ khơng cần thiết nếu khí ngun liệu khơng chua. Cũng có
thể loại khí axit trước khi tách phân đoạn, nghĩa là các thiết bị (4), (7) đặt
trước(2), (6).
1.1.2. Thành phần và các đặc tính cảu khí tự nhiên
Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là: metan, etan,
propan,butan (normal và izo). Khí tự nhiên được khai thác từ các mỏ khí, cịn khí
đồng hành được khai thác từ các mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu
mỏ. Trong khí tự nhiên thành phần chủ yếu là metan (chiếm đến 98% theo thể
tích). Các mỏ khí tự nhiên là các túi khí nằm sâu dưới lịng mặt đất.
Người ta cịn phân loại khí theo hàm hượng hydrocacbon tính từ propan
trở lên. Khí giàu propan, butan và hydrocacbon nặng (trên 150g/m 3) được gọi là
10
khí béo (hoặc khí dầu). Từ khí này người ta chế được xăng khí, khí hố lỏng
(LPG) và các hydrocacbon cho cơng nghệ tổng hợp hữu cơ. Cịn khí chứa ít
hydrocacbon nặng (từ propan trở lên, dưới mức 50g/m 3) gọi là khí khơ (hoặc khí
gầy), được sử dụng ngun liệu cho công nghệp và đời sống, làm nguyên liệu
cho công nghệ tổng hợp hữu cơ nguyên liễu sẵn cho sản xuất phân đạm, sản xuất
etylen, etanol…
1.1.3. Chế biến và sử dụng khí tự nhiên ở Việt Nam
Cho đến nay Việt Nam đang khai thác 6 mỏ dầu và 1 mỏ khí, hình thành 4
cụm khai thác dầu khí quan trọng.
Cụm mở thứ nhất nằm ở vùng đồng bằg Bắc Bộ, gồm nhiều mỏ khí nhỏ,
trong đó có Tiền Hải –“C”.
Cụm mở thứ 2 thuộc vùng biển Cửu Long, gồm 4 mỏ dầu; Bạch Hổ, Rồng,
Rạng Đông, Ru Bi, là cụm quan trọng nhất hiện nay, cung cấp trên 96% sản
lượng dầu tồn qc. Hiện nay ở mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng đã có 21 giàn khoan
khai thác lớn nhỏ đang hoạt động với hơn 100 giếng khoan khai thác và bơm ép.
Khi đồng hành từ đó được thu gom và đưa vào bờ bằng đường ống dẫn dài
110km.
- Tháng 4 năm 1995 cung cấp 1 triệu m3 khí/ ngày cho nhà máy điện Bà Rịa.
- Năm 1997 tăng lên 2 triệu, rồi 3 triệu m3 khí/ngày cung cấp cho nhà máy
điện Phú Mỹ 2.1 và Phú Mỹ 2.1 mở rộng.
- Tháng 10 năm 1998 nhà máy xử lý khí Dinh Cố đạt mức thiết kế 4,2 triệu
m3 khí/ngày.
- Tháng 12 năm 1998 nhà máy sản xuất khí hố lỏng (LPG). Hiện nay mỗi
ngày nhà máy Dinh Cố gom, nén, xử lý khí đạt mức 4.6÷4,7 triệu m3/ngày
(khoảng 1,5 tỷ m3/năm) để sản xuất 800 tấn LPG, 350 tấn condensat. Đồng thời
ở khu vực này cũng đã và đang nghiên cứu tăng công xuất chung của hệ thống
lên trên 2 tỷ m2/năm.
11
- Đầu năm 2009 nhà máy lọc dầu Dung Quất lớn nhất nước ta đã được đưa
vào vận hành, tạo nên hệ thống công nghiệp chế biến và sản xuất dầu mỏ nhằm
đáp ứng nhu cầu trong nước.
Cụm mở thứ 3 nằm ở vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ dầu Đại Hùng đang
khai thác và các mỏ khí đã phát hiện ở khu vực xung quanh là Lan Tây, Lan Đỏ,
Hải Thạch, Mộc Tinh và mỏ dầu khí Rồng Đôi Tây …
Cụm mở thứ 4 tại thầm lục đại Tâm Nam bao gồm mỏ Bunga Kekwa-Cái
Nước đang khai thác dầu, mỏ Bunga Orkid, Bunga Parkma, Bunga Raya tại khu
vực thoả thuận thương mại Việt Nam – Malaysia sẽ là khu khai thác và cung cấp
khí lớn thứ 2 và sẽ là cơ sở đảm bảo sự phát triển khu cơng nghiệp dầu khí ở Cần
- Cần Thơ.
Đặc điểm của khí tự nhiên và khí đồng hành ở Việt Nam chứa rất ít H 2S
(0,02g/m3) nên là loại khí sạch, rất thuận lợi cho chế biến, sử dụng an toàn tồn
với thiết bị và khơng gây ơ nhiễm mơi trường.
1.1.4. Phương pháp chế biến khí tự nhiên.
1.1.4.1 Hấp thụ
Người ta thường dùng phương pháp hấp thụ-khử hấp thụ để tách khí nặng.
Ngun lý cơ bản của q trình là do lịng khí đi ngược lại với dịng dầu lỏng
có bản chất từ xăng cho đến gas oil ở 30 0-400C dưới áp suất đủ cao. Các khí tan
vào dầu, khí càng nặng tan càng nhiều, áp xuất càng cao, nhiệt độ càng thấp thì
khí tan càng nhiều. Q trình hấp thụ được thực hiện như sau: dòng dầu được nạp
vào ở đỉnh tháp, khí nạp vào từ đáy tháp, Khí có tên là khí béo, dầu nạp vào
thường được gọi là dầu nghèo (dầu sạch). Khí ra ở đỉnh tháp chứa các khí nhẹ
nhất có tên là khí gầy, cịn dầu chảy ra ở đáy tháp. Ngày nay công nghệ thu hồi
hydrocacbon nặng bằng phương pháp hấp thụ ít được dùng.
1.1.4.2. Phân đoạn khí bằng chưng cất
12
Để thực hiện tách phân đoạn khí ta vẫn hỗn hợp khí lần lượt qua các bình tách
và các tháp chưng cất hoạt động ở áp suất và nhiệt độ thích hợp, tại mỗi thiết bị
đó ta thu được 2 phân đoạn: Phân đoạn nhẹ bay ra ở đỉnh tháp và phân đoạn nặng
chảy ra ở đáy tháp. Áp suất ở các thiết bị thường là cao, nhiệt độ thường thấp.
Việc tách phân đoạn khí đốt phải được thực hiện ở nhiệt độ rất thấp hoặc rất cao
hoặc ở nhiệt độ khá thấp và áp xuất cao.
1.1.4.3 Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất.
Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp (CNT) thực hiện quá trình tách cấu tử định
trước hiệu quả hơn sơ đồ hấp thụ nhiệt độ thấp (HNT) và thiết bị chế tạo cũng
đơn giản hơn. Khác nhau về mặt nguyên lý giữa các sơ đồ CNT và HNT là ở chỗ
nguyên liệu đi vào thiết bị sau khi làm lạnh (tồn bộ một phần dịng khí ngun
liệu) khơng có sự tách sơ bộ mà được đưa thẳng vào tháp chưng, tại đó xảy ra sự
phân tách riêng biệt khí ngun liệu thành khí khơ (thốt ra từ đỉnh tháp) và phân
đoạn các hydrocacbon nặng (lấy ra từ đáy tháp). Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý
của quá trình chưng cất được chia thành tháp chưng-Bay hơi và tháp ngưng thụbay hơi.
Trên hình1.2 mơ tả sơ đồ tháp chưng - bay hơi. Tháp chưng - bay hơi làm
việc như tháp chưng liên tục, dịng khí ngun liệu đã được làm lạnh sơ bộ tại
thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi nhờ dịng khí đã tách benzin được đưa vào phần
giữa của tháp. Khí trên đỉnh tháp được làm lạnh bằng chu trình làm lạnh ngồi,
hỗn hợp khí được ngưng tụ hồi lưu trở về đĩa trên cùng của tháp chưng, khí sản
phẩm đã tách benzin được dẫn theo đường II sau khi đã truyền lạnh cho khí
nguyên liệu tại thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi.
13
Hình 1.2. Sơ đồ tháp chưng-bay hơi.
1. Thiết bị trao đổi nhiệt;
2. Tháp chưng bay hơi;
3. Chu trình làm lạnh ngồi;
4. Thiết bị tách; I. Khí ngun liệu; II. Khí đã tách benzin;III. Ống truyền
nhiệt; IV. Hydrocacbon nặng; V. Hồi lưu
Tháp ngưng tụ-bay hơi khác với tháp chưng-bay hơi ở chỗ hỗn hợp khí
nguyên liệu được trộn với sản phẩm đỉnh tháp, sau khi làm lạnh nhờ chu trình
làm lạnh ngoài bằng propan được đưa vào đĩa trên cùng của tháp chưng.
Trên hình 1.6 là sơ đồ chưng cất có hai đường đường nguyên liệu vào tháp.
Về mặt nhiệt động học sơ đồ này hợp lý hơn. Theo tính tốn sơ đồ này cho
phép tiết kiệm khoảng 10% năng lượng, quá trình thực hiện ở nhiệt độ cao hơn.
Theo sơ đồ của nhà máy chế biến khí Belarut, dịng khí ngun liệu chia làm hai
dịng: Một dịng khơng khí làm lạnh đưa vào phần giữa của tháp, còn dòng thứ
hai sau khi làm lạnh đưa vào phần trên của tháp (trong sơ đồ nhà máy dòng thứ
14
nhất là 60 %, dòng thứ hai là 40% của dòng tổng). Dòng thứ hai được làm lạnh
trong thiết bị trao đổi nhiệt (1) bởi dịng khí đi ra từ đỉnh tháp (5), sau đó được
trộn với sản phẩm đỉnh tháp trong thiết bị bay hơi propan (2) đến nhiệt độ -26 0C,
một phần bị ngưng tụ. Hỗn hợp hai pha từ thiết bị bay hơi propan (2) được dẫn
vào tháp tách (3), tại đây khí được tách khỏi condensate. Khí sau khi truyền phần
lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt (1) được đưa đi sử dụng. Phần lỏng qua bơm (4)
đi vào phần trên của tháp (5). Nhiệt độ của tháp tách (3) được duy trì ở - 27 0C.
Sản phẩm đỉnh tháp chưng (5) được hỗn hợp với dịng khí ngun liệu đã qua
làm lạnh (1).
Hình 1.3. Sơ đồ CNT có hai đường đưa nguyên liệu vào tháp.
1. Thiết bị trao đổi nhiệt.
2. Thiết bị bay hơi propan;
3. Thiết bị tách ba pha;
4. Bơm;
5. Tháp chưng;
6. Thiết bị đun nóng đáy tháp; I. Khí ngun liệu; II. Khí khô; III. Phân
đoạn các Hyrocacbon nặng; IV. Dietylen glycol 75%; V. Dietylen glycol
98-99%; VI. Chất thải nhiệt
15
Nhiệt cung cấp cho đáy tháp (5 do dòng lỏng tuần hồn qua thiết bị đun
nóng (6). Nhiệt độ đáy tháp là 1000C. Từ đáy tháp nhận được phân đoạn chứa các
Hyđrocacbon nặng.
Ngồi ra cịn có phương pháp chưng cất với tháp ngưng tụ- bay hơi và
phương pháp CNT có tuabin giãn nở khí để tách C ≥3. Trong đó phương pháp cất
với tháp ngưng tụ- bay hơi thì sản phẩm đỉnh tháp được trộn với dịng khí ngun
liệu, qua chu trình làm lạnh ngồi có nhiệt độ âm cần thiết, hỗn hợp đưa qua thiết
bị tách, phần khí sản phảm đưa ra theo đường VI, còn phần lỏng được đưa vào
đĩa trên cùng của tháp ngưng thụ - bay hơi.
Lượng Hydrocacbon nặng nhận được từ sơ đồ NNT, CNT có một đầu vào
ít hơn so với sơ đồ CNT có hai đầu vào. Như vậy trong trường hợp yêu cầu nhận
sản phẩm là propan và các hydrocacbon nặng khi chế biến khí béo (hàm lượng
C≥3 cao hơn 400g/m3) thì sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp có hai đầu vào là thích
hợp hơn cả.
1.2 Cơng nghệ xử lý khí các nhà máy
1.2.1 Giới thiệu chung
Để hiểu rõ công nghệ chế biến khí ta tìm hiểu cơng nghê xủ lý khí của nhà
máy Dinh Cố. Nhà máy được thiết kế để xử lý một lượng lớn khoảng 1,5tỷ
m3/năm với thời gian hoạt động là 30 năm. Công việc xây dựng và vận hành nhà
máy được chia theo từng giai đoạn:
Giai đoạn 1: Xây dựng và vận hành cụm thiết bị hoàn toàn tối thiếu AMF
(Absolute Minimum Faccilities) sản phảm cung cấp là khí khơ thương phẩm và
condensate.
Giai đoạn 2: Xây dựng và vận hành cụm thiết bị tối thiểu MF (Minimum
Facilities), sản phẩm cung cấp chủ yếu là khí khơ thương phẩm, condensate và
hỗn hợp khí hố lỏng Bupro.
Giai đoạn 3: Nhà máy đi vào vận hành hoàn chỉnh GPP (Gas Processing
Plant), sản phẩm cung cấp là khí khơ thương phẩm, condensate, Propan và Butan
thương phẩm.
16
Khí hố lỏng do nhà máy cung cấp sẽ thay thế tồn bộ khí hố lỏng nhập
khẩu hiện nay đang sử dụng trong nước cho các loại lò nung Gas cơng nghiệp,
bếp Gas dân dụng. Khí khơ thương phẩm là nhiên liệu cho các nhà máy điện thay
thế dầu DO nhập khẩu.
1.2.2 Chế độ vận hành cụm thiết bị hoàn tồn tối thiểu (AMF)
Giai đoạn này chỉ có các thiết bị tối thiểu hoạt động với mục đích cung cấp
khí thương phẩm cho các hộ tiêu thụ và chủ thu hồi tối thiểu condensat. Trong
chế độ vận hành AMF sản phẩm lỏng chủ yếu là condensate ước tính
340tấn/ngày ở áp suất 8 Bar, ở nhiệt độ 45 0C với lưu lượng khí 1,5.109/năm ở áp
suất P=109 Bar, ở nhiệt độ 450C với lưu lượng khí 1,5.109m3/năm ở áp suất P =
109Bar,T = 25,6 0C.
Một số thiết bị được lắp đặt trong giai đoạn AFM gồm.
- Cụm gom chất lỏng Slug Catcher
- Hệ thống bơm hồ dịng EJ – A/B/C (Jet compressor)
- Cụm tháp tách C-01(Deethanize).
- Thiết bị gia nhiệt dầu nóng.
Sau khi nhà máy hồn thành, chế độ vận hành này chỉ dùng làm chế độ vận
hành dự phòng khi nhà máy có sự cố.
1.2.3. Chế độ vận hành cụm thiết bị tối thiểu (MF)
Cụm thiết bị tối thiểu (FM) được phát triển từ AMF với mục đích thu hồi hỗn
hợp thương phẩm bupro. Sau khi hoàn thành giai đoạn GPP, vận hành máy theo
chế độ MF được dùng làm chế độ hoạt động dự phịng cho trường hợp khơng thể
vận hành nhà máy theo chế độ GPP.
Ở chế độ vận hành MF ngoài các thiết bị của AMF người ta bổ sung thêm các
thiết bị khác với mục đích thu hồi hỗn hợp sản phẩm Bupro. Các thiết bị được lắp
đặt trong giai đoạn này bao gồm:
- Cụm tháp ổn định C-02 (Stabilizer).
- Thiết bị trao đổi nhiệt khí lạnh/khí E-14 (Cold gar/Gar Exchanger).
17
- Thiết bị trao đổi nhiệt khí/lỏng lạnh E-20 (Gar Cold Liquid Exchanger).
- Máy nén khí đỉnh tháp tách Etan C-01 (Deethanizer Ocer Head Comprssor).
- Cụm thiết bị hấp thụ làm khơ khí V-06A/B
1.2.4. Chế độ vận hành hồn chỉnh (GPP)
Giai đoạn GPP (Gar Processing Plant): Nhà máy gồm các thiết bị hoàn chỉnh
được phát triển từ cụm MF với mục đích tách và thu hồi condensate, Butan,
Propan. Khi hoạt động ở chế độ GPP, hiệu suất thu hồi sản phẩm lỏng cao hơn so
với các giai đoạn AMF và MF.
Các thiết bị được lắp đặt bổ sung gồm:
- Thiết bị giản nở / nén khí CC - 01 (Turbo Expander/Compressor).
- Cụm tháp tách Propan, Butan C – 03 (C3/ C4 Splitter).
- Tháp chưng cất C – 04 (Gas Stripper).
- Máy nén khí K - 02(Expander Deethanizer Overhead Compressor)
- Máy nén khí K - 03 (2 nd Stage Overhead Gas Compressor).
Có thể tóm tắt sơ đồ cơng nghệ nhà máy như sau:
- Tách sơ bộ các Hydrocacbon nặng nhất, chủ yếu là C5+, và nước.
- Hạ nhiệt độ dịng khí thu được sau khi các Hydrocacbon nặng và nước đã
tách ra đến nhiệt độ rất thấp, khoảng -200C đến -600C. Việc hạ nhiệt độ sâu như
vậy có tác dụng hố lỏng một lượng C3+ lớn nhất, bởi vì vậy cần loại thật hết
nước, do đó phải sử dụng phương pháp hấp thụ để loại nước.
- Sau khi tách khí đốt, các dòng lỏng được nhập lại và được phân tách thành
LPG C3, LPG C4 và condensat.
- Nhà máy hoạt động để tách những lượng tối đa C 3, C4, condensat. Cơng suất
nhà máy 4,5 triệu m3 khí đồng hành/ngày.
Kết luận: Từ phân tích trên ta thấy trong cơng nghệ chế biến khí hố lỏng
người ta dùng nhiều các tháp chưng cất. Việc nghiên cứu kỹ thuật động học tháp
chưng cất và các hệ thống điều khiển chúng sẽ cho phép cải thiện chất lượng sản
phẩm của nhà máy. Nhà máy vừa xây dựng vừa vận hành nhằm thu hồi tối đa các
18
sản phẩm khí phục vụ cho nền kinh tế quốc dân. Khi hồn chỉnh thì các chế độ
vận hành AMF và MF sẽ là chế độ vận hành dự bị khi nhà máy bị sự cố khơng
thể vận hành hồn chỉnh. Hệ thống điều khiển các tháp và cấu trúc điều khiển của
nhà máy khơng có gì khác nhau ở các chế độ vận hành. Điểm khác chủ yếu là
việc duy trì các giá trị đặt ở các chế độ vận hành khác nhau cùng với các thiết bị
được trang bị ở các chế độ vận hành tương ứng.
1.3. Tự động hố các q trình lọc hố dầu và chế biến khí
1.3.1 Đặt vấn đề
Điều khiển q trình lọc dầu và chế biến khí là một bài tốn phức tạp với khối
lượng tính tốn lớn. Giải bài tốn này là nhằm đáp ứng các chỉ tiêu đặt ra cho các
hoạt động sản xuất kinh tế. Điều quan trọng là các chỉ tiêu của các hoạt động nhà
máy thay đổi dần theo thời gian đối với việc điều khiển các quá trình. Vì vậy cần
phân tích và đánh giá hệ thống trong trạng thái động.
Mơ hình tốn học của các q trình chế biến sản xuất dầu, khí rất phức tạp.
Các thuật toán xác định các hành vi của hệ thống bao gồm hàng ngàn thao tác.
Tự động hố q trình điều khiển nhà máy đã đem lại hiệu quả lớn trong lao
động sản xuất, trong việc tận dụng tối đa khả năng sáng tạo và ưu thế của các
phương tiện kỹ thuật. Đồng thời cũng tạo điều kiện cho các sáng tạo của con
người. Chính vì vậy trong các nhà máy chế biến khí, q trình tự động hố đã
được ứng dụng rộng rãi. Các hệ thống điều khiển tự động được đưa vào nhằm
nâng cao chất lượng sản phẩm và đảm bảo sự hoạt động an toàn, hiệu quả của
nhà máy.
1.3.2. Các hệ thống điều khiển ứng dụng trong cơng nghiệp hố dầu và chế
biến khí
Các hệ thống điều khiển tự động được đưa vào nhằm nâng cao chất lượng sản
phẩm và đảm bảo sự hoạt động an toàn, hiệu quả của nhà máy. Hệ thống điều
khiển các tháp sử dụng các cấu trúc điều khiển phản hồi, điều khiển truyền thẳng,
19
điều khiển suy diễn…Trên thực tế các tháp sử dụng trong nhà máy là các đối
tượng đa biến nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO). Các hệ thống điều khiển
đơn biến không đáp ứng yêu cầu của hệ thống MIMO này. Vì vậy việc nghiên
cứu và hồn thiện hệ thống điều khiển các tháp chưng cất là vấn đề hết sức quan
trọng. Phụ thuộc vào mục đích và đối tượng điều khiển mà người ta có thể ứng
dụng các loại điều hiển khác nhau.
1.3.2.1 Điều khiển phản hồi
Xét quá trình tổng q như hình 1.4 sơ đồ có đầu ra y, đại lượng điều khiển
m. Mục đích điều khiển của ta là giữ giá trị đầu ra y ở mức đặt trước.
Hình 1.4. Sơ đồ điều khiển phản hồi tổng quát
Tác động phản hồi tiến hành theo các bước sau:
1-Đo giá trị đầu ra (lưu lượng, áp suất, mức chất lỏng, nhiệt độ, thành phần).
2-So sánh giá trị ym với giá trị đặt ysp của đầu ra. Sai số e = ysp –ym.
3- Giá trị sai số e được cung cấp cho bộ điều khiển chính. Bộ điều khiển làm
thay đổi giá trị của biến điều khiển m bằng cách giảm độ lớn của sai số e. Thông
thường bộ điều khiển không tác động trực tiếp lên biến điều khiển nhưng lại
thông qua một biến khác(thường là van điều khiển) được xem như là phần tử
điều khiển đầu cuối.
20
Như vậy điều khiển phản hồi là dựa trên nguyên tắc liên tục đo giá trị biến
được điều khiển và phản hồi thơng tin về bộ điều khiển để tính tốn lại giá trị của
biến điều khiển.
Ví dụ về các hệ điều khiển phản hồi:
-
Điều khiển lưu lượng (FC)
-
Điều khiển áp suất(PC)
-
Điều khiển mức chất lỏng(LC)
-
Điều khiển nhiệt độ (TC)
-
Điều khiển thành phần sản phẩm
Như vậy qua các ví dụ trên ta thấy các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
phản hồi trong cơng nghệ chế biến khí bao gồm:
1- Quá trình: là thành phần vật chất với các hoạt động hóa lý xảy ra trong đó
(thùng chứa, thiết bị trao đổi nhiệt, lò phản ứng, thiết bị tách…)
2- Dụng cụ đo hay cảm biến.
3- Đường truyền: được dùng để truyền tín hiệu từ cảm biến đến bộ điều
khiển, tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển đến phần tử cuối (chấp hành).
4- Bộ điều khiển: bao gồm cả chức năng so sánh. Đó là khối logic dùng để
giả quyết việc thay đổi giá trị các biến điều khiển.
5- Phần tử điều khiển cuối: hay được goi là thiết bị chấp hành thường là van
điều khiển hay máy bơm có thể thay đổi được tốc độ. Đó là thiết bị nhận tín hiệu
từ bộ điều khiển.
Các dạng bộ điều khiển phản hồi gồm: Bộ điều khiển tỷ lệ (P), bộ điều khiển
tỷ lệ tích phân (PI), bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân (PID).
Điều khiển phản hồi được dùng khá phổ biến trong hệ thống điều khiển tháp
chưng cất của nhà máy chế biến khí.
1.3.2.2 Điều khiển bù nhiễu.
21
Hình 1.5: Sơ đồ điều khiển bù nhiễu tổng quát.
Như ta đã biết điều khiển phản hồi có những hạn chế riêng như về ổn định
hệ thống là vấn đề riêng của điều khiển phản hồi, bộ điều khiển phản hồi làm
việc theo nguyên tắc phản ứng. Có nghĩa là chỉ khi có ảnh hưởng của nhiễu đã
thể hiện rõ trong giá trị biến được điều khiển thì mới có tác động trở lại. Như
vậy, trước khi bộ điều khiển kịp đưa ra tác động điều chỉnh thì chất lượng sản
phẩm đã bị ảnh hưởng rồi. Vì vậy trong điều khiển phản hồi cần loại bỏ các
nhiễu tác động vào quá trình trước khi nhiễu tác động vào quá trình. Nếu đo được
nhiễu ta có thể gửi tín hiệu này thơng qua thuật tốn điều khiển bù nhiễu để đạt
được thay đổi trong các biến điều khiển gần với giá trị đặt.
Khái niệm cơ bản của điều khiển bù nhiễu là loại bỏ nhiễu khi chúng tác
động vào quá trình và điều khiển sao cho biến đầu ra được giữ không đổi mà
không chờ cho tới khi nhiễu tác động vào hệ thống và làm cho hệ thống bị sai
lệch rồi mới hiệu chỉnh. Nếu có một nhiễu tác động vào q trình thì có thể tạo
nên một tác động tương tự để bù lại ảnh hưởng của nhiễu đó lên quá trình. Điều
khiển bù nhiễu được dùng nhiều trong kỹ thuật hoá dầu hơn so với các ngành kỹ
thuật khác. Các hệ thống hoá dầu thường thay đổi chậm và có tính phi tuyến
mạnh, nhiều biến và tồn tại thời gian trễ. Tất cả các đặc điểm này làm cho bộ
điều khiển phản hồi gặp khó khăn. Các bộ điều khiển bù nhiễu có thể giải quyết
các vấn đề trên một cách dễ dàng .
22
Trong hệ thống điều khiển các tháp chưng cất của nhà máy chế biến khí sử
dụng chủ yếu là điều khiển bù nhiễu và điều khiển phản hồi. Điều khiển bù nhiễu
dùng để điều chỉnh áp suất của tháp. Điều khiển phản hồi dùng để điều khiển lưu
lượng, nồng độ, nhiệt độ ...
1.4 Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tháp chưng cất của nhà máy
chế biến khí
1.4.1 Hệ thống điều khiển tháp chưng cất C-01
Tháp C-01 là tháp khử etan. Nhiệm vụ chính của tháp C-01 là tách các
hydrocacbon nhẹ như metan, etan ra khỏi hỗn hợp khí, đồng thời cung cấp các
khí thương phẩm cho các nhà máy điện, bước đầu ổn định khí hóa lỏng (PLG) để
cho quá trình xử lý tiếp theo.
Sau đây ta khảo sát đánh giá sơ đồ điều khiển tháp C-01. Đây là tháp điển
hình trong nhà máy. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tháp này sẽ cho ta
cái nhìn tương đối tổng quát trong việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển
các tháp chưng cất khác. Hình 1.6 mô tả tổng quát sơ đồ hệ thống điều khiển tháp
chưng cất c-01. Chỉ tiêu chất lượng của hệ thống điều khiển C-01 được đánh giá
thơng qua việc duy trì ổn định các thành phần các sản phẩm đỉnh và đáy tháp.
Ngoài ra để đảm bảo năng suất , người ta đưa vào vòng điều khiển mức ở đỉnh và
đáy tháp. Tháp C-01 có 2 dịng cấp liệu. Một dịng đi từ bình ngưng C-05 đến ở
phần đỉnh tháp đóng vai trò là dong hồi lưu. Một dòng cấp liệu đến từ đáy tháp
C04. Dòng đi vào đỉnh tháp được duy trì ở nhiệt độ -23°C, 95% lỏng với các
thành phần trong hỗn hợp như sau :
- C1 chiếm 22.3%Mol
- C2 chiếm 34,9%Mol
- C3 chiếm 24,5%Mol
- C4 chiếm 12,2%Mol
- C5+ chiếm 6,1%Mol
23
Trọng lượng phân tử là 36,8.
Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển tháp chưng cất C-01.
Đặc tính của dịng cấp liệu đưa vào giữa tháp: nhiệt độ 80°C, 28% lỏng
- C1 chiếm 10%Mol
- C2 chiếm 50%Mol
- C3 chiếm 18,3%Mol
- C4 chiếm 8,2%Mol
- C5 + chiếm 7,5%Mol
24
Trọng lượng phân tử: 41,8. Bằng việc duy trì nhiệt độ ổn định ở đỉnh và
đáy tháp sản phẩm thu được sẽ có độ tinh khiết cao hợn. Sản phẩm thu được ở
đỉnh tháp chủ yếu là khí metan và etan. Thành phần C1+C2 chỉ chiến 1% Mol ở
nhiệt độ 109o C.
Hệ thống điều khiển tháp phải đảm bảo duy trì độ tinh khiết của các sản
phẩm đỉnh và đáy tháp. Hay nói cách khác hệ thống điều khiển sẽ đảm bảo điều
chỉnh và giữ ổn định nhiệt độ của tháp là 109 o C. Trên thực tế các chỉ tiêu trên đã
được duy trì. Bằng việc điều khiển tháp C-01 sử dụng điều khiển phản hồi đối
với vòng điều khiển đỉnh và đáy tháp. Để đảm bảo năng suất người ta sử dụng
hai mạch phản hồi ở đỉnh và đáy tháp để ổn định khối lượng khí ở đỉnh và đáy
tháp. Các vòng điều khiển độc lập nhau, thường dùng các bộ điều khiển kinh điển
P, PI thông dụng. Hệ thống điều khiển chưa chú ý đến tác động qua lại của các
vịng điều khiển.
1.5 Kết luận
Qua phân tích trên ta thấy các tháp dùng trong nhà máy chủ yếu là các tháp
hình trụ nhiều đĩa. Hệ thống điều khiển các tháp sử dụng điều khiển phản hồi và
điều khiển bù nhiễu. Các bộ điều khiển dùng các bộ P,PI kinh điển. Hệ thống
điều khiển các tháp của nhà máy đã duy trì được các chỉ tiêu chất lượng theo yêu
cầu. Tuy nhiên trong quá trình vận hành, khi thay đổi dịng hồi lưu để duy trì giá
trị đặt của sản phẩm đỉnh thì đồng thời nó cũng ảnh hưởng đến chất lượng sản
phẩm đáy tháp, do đó làm ảnh hưởng đến chất lượng nói chung của nhà máy.
Hay nói cách khác, các tháp sử dụng trong nhà máy là đối tượng đa biến, việc
thay đổi tham số ở đầu vào đều ảnh hưởng đến các tham số khác tại đầu ra của
tháp. Các hệ thống điều khiển đơn biến khơng đáp ứng u cầu của các hệ
MIMO này.
Ngồi ra qua khảo sát và phân tích ở trên cũng nhận thấy rằng chưng cất và
các tháp chưng cất được dùng phổ biến trong cơng nghệ lọc hố dầu và chế biến
khí tự nhiên. Việc nghiên cứu và hồn thiện các hệ thống điều khiển các tháp
25
