Phân tích đánh giá hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hóa lỏng khí hiện nay tại Việt Nam

- 1 -
MỞ ðẦU
1. Tính cấp thiết của ñề tài
Tại Việt Nam ngành dầu khí là một ngành công nghiệp rất non
trẻ, ngành công nghiệp lọc dầu là ngành mới bắt ñầu sản xuất ở Việt
nam, hầu hết các thiết bị của ngành ñều là thiết bị nhập ngoại. Việc
khai thác sử dụng các thiết bị ñều phụ thuộc nhiều vào nước ngoài,
ñặc biệt là các thiết bị ñiều khiển, nên giá thành ñắt. Việc nghiên cứu,
nắm vững quy trình công nghệ nhà máy lọc dầu và các hệ thống ñiều
khiển nhằm khai thác có hiệu quả và tìm cách tiếp cận thay thế dần
các thiết bị ñiều khiển trong nước là một vấn ñề cần ñược quan tâm.
Hướng nghiên cứu ứng dụng lý thuyết ñiều khiển hiện ñại ñang góp
phần rất lớn trong việc tự ñộng hoá quá trình sản xuất, khai thác một
cách triệt ñể và tối ưu hoá chất lượng sản phẩm, ñảm bảo an toàn và
hiệu quả trong công nghiệp khai thác và chế biến dầu khí.
2. Mục ñích của ñề tài, ñối tượng nghiên cứu và phạm vi
nghiên cứu
ðề tài nhằm ñánh giá chung về hệ thống ñiều khiển hiện tại của
công nghiệp chế biến khí ở Việt Nam, xây dựng mô hình toán học cho
các tháp lọc và khảo sát ñặc tính của các tháp chưng cất và hoá lỏng
khí. ðối tượng nghiên cứu ñược tiến hành trên tháp chưng cất hỗn hợp
nhiều thành phần. Luận án chú trọng phân tích ñánh giá hệ ñiều khiển
tháp lọc dầu và hoá lỏng khí hiện nay tại Việt Nam. Nghiên cứu
những yếu tố ảnh hưởng ñến chất lượng sản phẩm và khả năng ứng
dụng các bộ ñiều khiển ña biến ñể nâng cao chất lượng các ñặc tính
ñiều khiển. Phạm vi nghiên cứu của ñề tài ñược tập trung vào hệ thống
ñiều khiển tháp chưng cất dùng trong công nghiệp lọc dầu và hóa lỏng
khí.
3. Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên cơ sở nguyên lý hoạt ñộng, công nghệ tách phân ñoạn

của tháp hóa lỏng khí mà các dữ liệu thu thập thống kê ñược từ thực tế
nhà máy ñể thành lập mô hình toán học mô tả hành vi của tháp chưng
cất. Sử dụng phần mềm Matlab ñể mô phỏng và phân tích hệ thống.
Trên cơ sở phân tích ñặc ñiểm công nghệ, các ưu nhược ñiểm của hệ

- 2 -
thống ñiều khiển các tháp lọc dầu và hoá lỏng khí, các chỉ tiêu chất
lượng của sản phẩm ñã ñạt ñược, ñề xuất phương án ứng dụng ñiều
khiển tách kênh hệ ña biến ñể nâng cao chất lượng của quá trình ñiều
khiển nhằm tạo ra sản phẩm dầu khí có chất lượng tốt hơn.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
Các hệ thống ñiều khiển hiện tại ở nhà máy xử lý khí dựa trên cở
sở của quá trình ñiều khiển riêng biệt từng ñại lượng, ít chú ý ñến ảnh
hưởng qua lại của các ñại lượng ñược ñiều khiển trong cùng một ñối
tượng. Vì vậy khi tác ñộng ñiều chỉnh một ñại lượng nào ñó trong tháp
chưng cất thì cũng phải tìm cách ñiều chỉnh các ñại lượng liên quan
trong tháp. ðể khắc phục ñiều ñó tác giả có ý tưởng ứng dụng ñiều
khiển tách kênh vào hệ thống ñiều khiển tháp lọc dầu và hóa lỏng khí.
Việc ứng dụng ñiều khiển tách kênh cho phép khắc phục ñược ảnh
hưởng qua lại của các kênh trong các ñối tượng ñiều khiển ña biến
như tháp chưng cất. Trên thực tế, chưa có nhiều công trình nghiên cứu
về tháp chưng cất ñược công bố ở Việt Nam. Tác giả mong muốn
ñóng góp một phần nghiên cứu khảo sát tháp chưng cất nhằm làm cơ
sở cho việc ứng dụng lý thuyết ñiều khiển tách kênh trong việc nâng
cao chất lượng hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất.
5. Nhưng ñóng góp mới của luận án
Xây dựng mô hình toán học mô phỏng ñặc tính tháp chưng cất
theo hệ ña biến; phân tích ñánh giá ñược chất lượng hệ thống ñiều
khiển tháp chưng cất và ứng dụng ñiều khiển tách kênh vào việc nâng
cao chất lượng hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất và hóa lỏng khí

trong ñiều kiện Việt Nam. Việc ứng dụng ñiều khiển tách kênh trong
công nghiệp dầu khí cho phép cải thiện chất lượng các sản phẩm của
các tháp lọc dầu và hóa lỏng khí.
6. Cấu trúc luận án
Ngoài phần mở ñầu và kết luận, luận án gồm 4 chương. Chương 1
trình bày tổng quan về công nghệ lọc hóa dầu và chế biến khí ở Việt
Nam và trên thế giới. Trong chương này cũng trình bày các hệ thống
ñiều khiển ñang ñược áp dụng trong công nghiệp lọc hóa dầu và chế
biến khí, qua ñó rút ra kết luận về vai trò của tháp chưng cất và hệ

- 3 -
thống ñiều khiển các tháp chưng cất, một trong những ñối tượng ñiều
khiển quan trong ñược áp dụng trong công nghiệp chế biến khí.
Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết ñể xây dựng mô hình toán học cho
tháp chưng cất ñể làm cơ sở cho việc khảo sát ñánh giá chất lượng hệ
thống ñiều khiển tháp. Căn cứ mô hình toán học và kết quả khảo sát
các hệ thống ñiều khiển hiện tại ñể ñánh giá tổng quát về hệ thống
ñiều khiển tháp chưng cất. Chương 3 ñưa ra giải pháp nâng cao chất
lượng hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất bằng cách áp dụng lý thuyết
ñiều khiển ña biến. Trong chương này cũng ñưa ra ñược kết quả khảng
ñịnh việc áp dụng ñiều khiển tách kênh sẽ cải thiện ñược chất lượng
của hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất hiện nay. Chương 4 là kết quả
thực nghiệm áp dụng lý thuyết ñiều khiển tách kênh cho tháp chưng
cất khảo sát bằng Matlab ở các chế ñộ làm việc khác nhau. Kết quả
thực nghiệm ñã minh chứng cho phần lý thuyết ở chương 3.
Chương 1 TỔNG QUAN
ðiều khiển quá trình lọc dầu và chế biến khí là một bài toán phức
tạp với khối lượng tính toán lớn. Giải bài toán này là nhằm ñáp ứng
các chỉ tiêu ñặt ra cho các hoạt ñộng sản xuất kinh tế. ðiều quan trọng
là các chỉ tiêu của các hoạt ñộng nhà máy thay ñổi dần theo thời gian

ñối với việc ñiều khiển các quá trình. Vì vậy cần phân tích và ñánh giá
hệ thống trong trạng thái ñộng. Mô hình toán học của các quá trình
chế biến sản xuất dầu, khí rất phức tạp. Các hệ thống ñiều khiển tự
ñộng ñược ñưa vào nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và ñảm bảo
sự hoạt ñộng an toàn, hiệu quả của nhà máy. Qua việc phân tích công
nghệ chế biến khí ta thấy các tháp dùng trong nhà máy chế biến khí
chủ yếu là các tháp hình trụ nhiều ñĩa. Hệ thống ñiều khiển các tháp
sử dụng các sách lược ñiều khiển phản hồi và ñiều khiển truyền thẳng.
Các bộ ñiều khiển dùng các bộ P, PI kinh ñiển. Hệ thống ñiều khiển
các tháp của nhà máy ñã duy trì ñược các chỉ tiêu, chất lượng theo yêu
cầu. Tuy nhiên trong quá trình vận hành, khi thay ñổi dòng hồi lưu ñể
duy trì giá trị ñặt của sản phẩm ñỉnh thì ñồng thời nó cũng ảnh hưởng
ñến chất lượng sản phẩm ñỉnh, do ñó làm ảnh hưởng ñến chất lượng
sản phẩm nhà máy. Hay nói cách khác, các tháp sử dụng trong nhà

- 4 -
máy là các ñối tượng ña biến (ñối tượng nhiều ñầu vào nhiều ñầu ra
MIMO). Các hệ thống ñiều khiển ñơn biến không ñáp ứng yêu cầu của
các hệ MIMO này. Ngoài ra ở ñây cũng nhận thấy rằng chưng cất và
các tháp chưng cất ñược dùng khá phổ biến nếu không nói là chủ yếu
trong công nghệ hóa dầu và chế biến khí tự nhiên. Việc nghiên cứu và
hoàn thiện các hệ thống ñiều khiển các tháp chưng cất là vấn ñề hết
sức quan trọng, ñặc biệt ở Việt Nam, khi mà công nghiệp dầu mỏ và
chế biến khí là hoàn toàn mới mẽ. Trong lĩnh vực này ñã có nhiều
công trình ñược công bố. Nhiều nhà khoa học trên thế giới ñã và ñang
có nhiều ñóng góp trong lĩnh vực nghiên cứu ñiều khiển tháp chưng
cất. Ở Việt Nam các công trình nghiên cứu về hệ thống ñiều khiển
tháp lọc dầu, chưng cất còn quá ít. Vì vậy trong luận án sẽ chú trọng
nghiên cứu xây dựng mô hình ñể mô phỏng ñặc tính của tháp và ñề
xuất giải pháp nâng cao chất lượng các hệ thống ñiều khiển các tháp

lọc dầu và hóa lỏng khí ở Việt Nam.
Chương 2. MÔ HÌNH HOÁ, MÔ PHỎNG, KHẢO SÁT VÀ
ðÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN THÁP
CHƯNG CẤT TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ
Người ta tiến hành mô hình hóa tháp chưng cất ñể khảo sát các
ñặc tính của tháp. Các quá trình công nghiệp thường rất phức tạp, vì
vậy dù mô hình tốt ñến mấy cũng chỉ có thể biểu diễn một cách xấp xỉ
các ñặc tính của ñối tượng cần khảo sát. Một mô hình quá phức tạp sẽ
gây nên khó khăn trong quá trình khảo sát, nhưng ngược lại một mô
hình quá ñơn giản lại khó có thể phản ánh chính xác các ñặc tính quan
trong của ñối tượng cần khảo sát. Tuy vậy mô hình tốt nhất là mô hình
ñáp ứng ñược các yêu cầu về tính trung thực theo mục ñích sử dụng
nhất ñịnh nào ñó. Việc cân nhắc lựa chọn mức ñộ chi tiết và chính xác
trong mô hình hoá phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Yêu cầu và mục ñích sử dụng cụ thể của mô hình.
- Chi phí mô hình hoá.
- ðộ tin cậy của thông tin về ñối tượng hay quá trình.
Chưng cất là phương pháp phân tách cơ bản, lâu ñời nhất, nhiều
khi gần như là phương pháp duy nhất ñược sử dụng trong công nghiệp

- 5 -
dầu mỏ và chế biến khí tự nhiên. Người ta cần chưng cất không những
dầu thô, khí ñồng hành, khí tự nhiên mà cả hỗn hợp các sản phẩm ra
từ các lò phản ứng hoá học dùng trong các quá trình chế biến dầu mỏ
cũng như trong lĩnh vực hoá dầu. Chưng cất ñược thực hiện trong các
thiết bị chưng cất. Thiết bị chưng cất gồm tháp chưng cất và bình tách
cùng các thiết bị bổ trợ như thiết bị làm lạnh, thiết bị ngưng tụ, lò gia
nhiệt, ... Tháp chưng cất là thiết bị chủ yếu của phân xưởng chưng cất.
Hầu hết các tháp chưng cất dùng trong công nghiệp lọc dầu và chế
biến khí tự nhiên là tháp ñĩa hình trụ. Các tháp chế biến khí tự nhiên

thường có từ 10 ñến 60 ñĩa. ðường kính của tháp chưng cất phụ thuộc
vào lưu lượng nguyên liệu ñể chưng cất. Chiều cao của tháp phụ thuộc
chủ yếu vào số ñĩa lọc. Khoảng cách giữa hai ñĩa liên tiếp khoảng
0,25-0,8m và có thể hơn. Ngoài ra cũng cần một không gian ñáng kể ở
ñỉnh và ñáy tháp.
Hình 2.6 mô tả sơ ñồ tháp chưng cất ñiển hình ñể tạo ra hai sản
phẩm ñược lấy ra ở ñỉnh và ở ñáy tháp. Trên sơ ñồ các ký hiệu biểu thị
ý nghĩa sau:
F - Lưu lượng dòng nạp liệu (kmol/ph)
z
F
- Thành phần nguyên liệu trong dòng nạp ( phần mol của hợp
chất nhẹ)
q
F
- Phần lỏng trong hỗn hợp nạp.
D - Lưu lượng dòng sản phẩm ñỉnh (kmol/ph)
B - Lưu lượng dòng sản phẩm ñáy (kmol/ph)
x
D
- Thành phần (phần mol) sản phẩm ñỉnh (thành phần hợp chất
nhẹ có ở ñỉnh tháp)(%)
x
B
- Thành phần (phần mol) sản phẩm ñáy (thành phần hợp chất
nhẹ có ở ñáy tháp)(%)
L - Lưu lượng dòng hồi lưu(kmol/ph)
V - Lưu lượng dòng ñược gia nhiệt ở ñáy(kmol/ph)
V
N

- Lưu lượng dòng hơi ñỉnh tháp(kmol/ph)
N - Số ñĩa lý thuyết
i - Ký hiệu số thứ tự của ñĩa

- 6 -
x
i
, y
i
- Thành phần (phần mol) của pha lỏng và hơi trên ñĩa thứ i
(thường dùng ñể chỉ thành phần hợp chất nhẹ, hợp chất dễ bay hơi, có
trong pha lỏng và hơi).









Hình 2.6. Sơ ñồ tháp chưng cất với cấu hình ñiều khiển LV
ðể xây dựng mô hình tháp chưng cất ta sử dụng sơ ñồ tháp chưng cất
như hình 2.6. Mô hình toán học của tháp chưng cất ñược xây dựng
dựa trên các công thức mô tả quá trình chưng cất trong các tháp[8,10].
Xét hỗn hợp 2 thành phần A và B cần ñược tách thành 2 dòng
sản phẩm bằng cách dùng phương pháp chưng cất truyền thống. Hỗn
hợp ñược nạp vào tháp dưới dạng chất lỏng tại ñĩa nạp N
f
với lưu

lượng là F (kmol/ph) và phần mol của hỗn hợp nạp (của hợp chất A có
trong hỗn hợp nạp) là z
F
. Phía trên ñỉnh dòng hơi ñược làm lạnh và
ngưng tụ hoàn toàn, sau ñó nó ñược ñưa vào bình chứa hồi lưu. Việc
làm lạnh hơi trên ñỉnh tháp ñược thực hiện bằng nước lạnh. Chất lỏng
từ bình hồi lưu một phần ñược bơm trở lại vào tháp (ở ñĩa trên cùng
N) với lưu lượng L (Dòng hồi lưu) một phần ñược lấy ñi dưới dạng
sản phẩm chưng cất ở ñỉnh với lưu lượng D. M
D
là lượng chất lỏng
lưu lại trong bình hồi lưu. Căn cứ sơ ñồ ta thấy x
D
là thành phần (phần
mol) của cả 2 dòng hồi lưu và chưng cất (thành phần hợp chất A có
trong sản phẩm ñỉnh). Ở ñáy tháp chưng cất, dòng sản phẩm chất lỏng
(sản phẩm ñáy) ñược lấy ra với lưu lượng B và phần mol là x
B
(thành
phần hợp chất A có trong sản phẩm ñáy). Dòng chất lỏng với lưu
lượng V ñược lấy ra từ ñáy tháp và sau ñó ñược gia nhiệt và ñưa trở

- 7 -
lại ñáy tháp. Thành phần (phần mol) của dòng V ñưa trở lại tháp là x
B
.
M
B
là lượng dư chất lỏng ở ñáy tháp. Tháp chứa N ñĩa tính từ ñáy tháp
ñến ñỉnh tháp. Gọi M

i
là lượng chất lỏng ñọng lại trên ñĩa thứ i. ðể
ñơn giản trong việc mô tả thệ thống, ta ñưa ra các giả thiết sau[33,34]:

1. Lượng hơi dư trên mỗi ñĩa ñược bỏ qua.
2. Lượng mol nhiệt hoá hơi của cả hai thành phần A,B gần như
nhau. ðiều này có nghĩa là 1 mol hơi ngưng tụ toả ra lượng nhiệt ñủ
ñể hoá hơi một mol chất lỏng.
3. Tổn thất nhiệt từ tháp ra môi trường xung quanh ñược bỏ qua.
4. ðộ bay hơi tương ñối α của cả hai thành phần ñược xem là
không ñổi trong toàn bộ tháp.
5. Mỗi ñĩa ñược xem là có hiệu suất 100% (có nghĩa là lượng hơi
bay ra khỏi ñĩa cân bằng với chất lỏng ở trên ñĩa).
Ba giả thiết ñầu có nghĩa là V=V
1
=V
2
=…=V
N
và không cần sự cân
bằng năng lượng quanh mỗi ñĩa.
Hai giả thiết cuối có nghĩa là quan hệ cân bằng hai pha hơi-lỏng
có thể ñược dùng ñể tạo nên liên hệ phần mol của cấu tử A trong pha
hơi rời khỏi ñĩa thứ i (y
i
) với phần mol của cấu tử A trong pha lỏng rời
khỏi ñĩa ñó (x
i
) (công thức 2.10):

6. Bỏ qua ñộng học của quá trình ngưng tụ và gia nhiệt.
7. Bỏ qua sự cân bằng ñộng lượng ñối với mỗi ñĩa và giả thiết
rằng lưu lượng mol chất lỏng lấy ñi khỏi mỗi ñĩa liên quan với chất
lỏng dư lại trên ñĩa theo công thức Francis :

λ
λλ
λ
τ
ττ
τ
)(
1,01
0
0 −−
−+
−
+=
ii
L
ii
ii
VV
MM
LL
(2.24)
Trong ñó:
- L
0i

là lưu lượng chất lỏng ñịnh mức ở ñĩa thứ i(kmol/ph);
- M
0i
là giá trị mol ñịnh mức trên ñĩa thứ i(kmol);
- λ là hằng số biểu thị ảnh hưởng của lưu lượng hơi lên lưu lượng
chất lỏng(còn gọi là ảnh hưởng của hệ số K2);
- τ
L
là hằng số thời gian ñộng học trên mỗi ñĩa (phút).
i
i
i
x
x
y
)1(1 −+
=
α
αα
α
α
αα
α

- 8 -
Từ ñây ta triển khai phương trình trạng thái mô tả ñộng học của tháp
chưng cất như sau:
Ta có phương trình cân bằng (từ các công thức 2.20-2.23) mô tả lưu
lượng dòng pha hơi trong tháp như sau:
(2.25)

q
F
là hằng số biểu thị phần lỏng trong hỗn hợp nạp và ñược xác ñịnh
bởi chất lượng nhiệt của dòng nạp. Cụ thể:
Dòng nạp ñã ñược làm lạnh q
F
>1
Dòng nạp là hỗn hợp lỏng bão hòa q
F
=1
Dòng nạp gồm cả pha hơi và lỏng 0< q
F
<1
Dòng nạp là hỗn hợp hơi bão hòa q
F
= 0
Dòng nạp là hỗn hợp hơi quá nhiệt q
F
<0
Lưu lượng dòng pha lỏng trong tháp:

(2.26)



ở ñây M
*
i
là khối lượng ñịnh mức ở ñĩa thứ i (kmol), L

*
[kmol/ph] là
lưu lượng dòng hồi lưu ñịnh mức ở phần ñỉnh tháp; L
*
B
= L
*
+ q
*
F
*

[kmol/ph] là lưu lượng dòng gia nhiệt ñịnh mức ở phần ñáy tháp.
Dòng sản phẩm ñỉnh và ñáy tháp ñược biểu thị qua biểu thức:
D = V
T
- L
T
; B = L
B
-V
B

L
i
và V
i
ký hiệu phần lỏng và phần hơi của chất nhẹ ở ñĩa thứ i trong
tháp. x
i

, y
i
là phần mol của pha lỏng và pha hơi của chất nhẹ ở ñĩa thứ
i; M
i
là khối lượng chất lưu lại trên ñĩa thứ i. ðể mô tả quan hệ cân
bằng giữa 2 pha hơi và lỏng người ta dùng phương trình cân bằng sau:


Trong biểu thức trên α ñược gọi là hệ số bay hơi tương ñối.
Các phương trình cân bằng vật chất toàn phần trên các ñĩa khác nhau
ñược biểu thị qua các phương trình vi phân sau:









≤≤
−
+
<<
−
+
=
=
F

ii
B
F
ii
T
i
Nikhi
MM
L
NiNkhi
MM
L
NikhiL
L
1
*
*
*
*
τ
ττ
τ
τ
ττ
τ
Ni
x
x
y
i

i
i
,...,2,1;
)1(1
.
=
−+
=
α
αα
α
α
αα
α



≤≤
<<−+
=
FB
FFB
i
NikhiV
NiNkhiFqV
V
1
)1(

- 9 -

(2.27)

(2.28)

ñĩa nạp (2.29)

(2.30)

ñĩa gia nhiệt (2.31)

Ở ñây ta có L
N
= L
T
, V
N
= V
T
và M
N
= M
T
ở ñỉnh tháp; L
1
= L
B
, V
1
=

V
B
, M
1
= M
B
ở ñáy tháp. Các phương trình cân bằng vật chất cho từng
thành phần của hỗn hợp trong tháp ñược mô tả như sau:
(2.32)

(2.33)

(2.34)

(2.35)

ñĩa gia nhiệt (2.36)

Từ các phương trình trên ta có :
(2.37)



ðặt các biến trạng thái x=(x
1
, x
2
, ..., M
1
, M

2
,..., M
N
)
T

Các biến vào u = (L
T
, V
B
, B, D)
T
; các biến ra y = (x
D
, x
B
, M
D
, M
B
)
T
Từ ñây ta có mô hình toán học tổng quát của tháp chưng cất như sau:
)(
1
)(
1
111111 iiiiiiii
i
iiiiiiii

i
i
xVxVxLxL
M
yVyVxLxL
Mdt
dx
−+−−−+−=
−+−−++






−=
dt
dM
x
dt
xMd
Mdt
dx
i
i
ii
i
i
)(
1

NNNN
NN
xDLyV
dt
xdM
)(
11
+−=
−−
NiNkhiyVyVxLxL
dt
xdM
Fiiiiiiii
ii
<<−+−=
−−++ 1111
FNNNNNNNN
NN
FxyVyVxLxL
dt
xdM
FFFFFFFF
FF
+−+−=
−−++ 1111
Fiiiiiiii
ii
NiyVyVxLxL
dt
xdM

<<−+−=
−−++
1
1111
11122
11
BxyVxL
dt
xdM
−−=
DLV
dt
dM
NN
N
−−=
−1
NiNkhiVVLL
dt
dM
Fiiii
i
<<−+−=
−+ 11
FVVLL
dt
dM
FFFF
NNNN
F

+−+−=
−+ 11
Fiiii
i
NikhiVVLL
dt
dM
<<−+−=
−+
1
11
BVL
dt
dM
−−=
12
1