Ðiều khiển feedforward tách kênh cho hệ thống bể khí da 3201 tại nhà máy lọc dầu dung quất

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------

PHAN VĂN CẨN

ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD TÁCH KÊNH
CHO HỆ THỐNG BỂ KHÍ DA-3201
TẠI NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------

PHAN VĂN CẨN

ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD TÁCH KÊNH
CHO HỆ THỐNG BỂ KHÍ DA-3201
TẠI NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN LÊ HÒA

Đà Nẵng – Năm 2018


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa với đề tài
“Điều khiển Feedforward tách kênh cho hệ thống bể khử khí DA-3201 tại Nhà máy
Lọc dầu Dung Quất” là kết quả của q trình cố gắng khơng ngừng của bản thân và
được sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy cô, bạn bè đồng nghiệp và người
thân. Qua trang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ trong
thời gian học tập – nghiên cứu khoa học vừa qua.
Tơi xin tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo TS.Nguyễn Lê
Hòa, Trưởng khoa FAST, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, đã dành nhiều thời gian trực
tiếp tận tình hướng dẫn cũng như giới thiệu tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho
luận văn này.
Tôi vô cùng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, khoa Điện
và Bộ mơn Tự động hóa đã tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu
khoa học của mình.
Tơi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ tơi trong
q trình thực hiện Luận văn đúng kế hoạch./.

Tác giả

Phan Văn Cẩn


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:
Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn trực
tiếp của thầy TS. Nguyễn Lê Hòa.
Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều đƣợc trích dẫn rõ ràng và trung thực
tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm công bố.
Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu
hoàn toàn trách nhiệm.

Ngƣời cam đoan

PHAN VĂN CẨN


1


2

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 10
1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ...................................................................................... 10

2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU. .............................................................................. 11

3.

ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. .................................................. 11

4.

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................... 11

5.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ................................. 12

6.

CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN. ........................................................................ 12

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU, PHÂN XƢỞNG THU
HỒI VÀ XỬ LÝ NƢỚC NGƢNG, BỂ KHỬ KHÍ TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU
DUNG QUẤT ............................................................................................................... 13
1.1.

TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT ............................... 13

1.1.1. Quá trình xây dựng và đƣa vào vận hành Nhà máy ........................................... 13
1.1.2. Giới thiệu quá trình công nghệ của Nhà máy. .................................................... 15
1.1.3. Cơ cấu sản phẩm của Nhà máy Lọc dầu. ........................................................... 16
1.1.4. Các thiết bị liên quan đến hệ thống nƣớc ngƣng tụ và bể khử khí. .................... 17
1.2. TỔNG QUAN VỀ PHÂN XƢỞNG THU HỒI VÀ XỬ LÝ NƢỚC NGƢNG
TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT .......................................................... 18
1.3. GIỚI THIỆU BỂ KHỬ KHÍ, VAI TRỊ CỦA BỂ KHỬ KHÍ TRONG NHÀ
MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT .................................................................................. 19
1.3.1. Sự cần thiết của việc khử khí cho nƣớc ngƣng tụ trong nhà máy ...................... 19

1.3.2. Giới thiệu chung về bể khử khí DA-3201 .......................................................... 20
1.3.3. Cấu tạo và thông số thiết kế của bể khử khí DA-3201. ...................................... 21
1.3.4. Nguyên lý làm việc của bể khử khí .................................................................... 23
1.3.5. Vai trị nhiệm vụ của khử khí đối với vận hành nhà máy .................................. 24
1.3.6. Các dịng cơng nghệ vào ra, các điểm mức làm việc của bể. ............................. 25
1.3.7. Yêu cầu và những vấn đề tồn tại trong điều khiển bể khử khí DA-3201 ........... 26
1.4.

KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ................................................................................... 28

CHƢƠNG 2. MƠ HÌNH TỐN BỂ KHỬ KHÍ VÀ TỔNG QUAN CÁC
PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỂ KHỬ KHÍ ...................................................... 29


3
2.1.

MƠ HÌNH TỔNG QT BỂ KHỬ KHÍ .......................................................... 29

2.2.

XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN BỂ KHỬ KHÍ ................................................ 29

2.2.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 29
2.2.2. Xây dựng mơ hình tốn cho bể khử khí DA-3201 ............................................. 30
2.3.

TÍNH TỐN CÁC THAM SỐ LÀM VIỆC CỦA BỂ KHỬ KHÍ .................... 34

2.3.1. Tính các tham số bảo hịa ................................................................................... 34

2.3.2. Các tham số cơng nghệ của bể khử khí .............................................................. 35
2.4.

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỂ KHỬ KHÍ........ 35

2.5.

KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ................................................................................... 38

CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD ĐIỀU KHIỂN
MỨC VÀ ÁP SUẤT BỂ KHỬ KHÍ ........................................................................... 39
3.1. HIỆN TRẠNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC VÀ ÁP SUẤT BỂ KHỬ KHÍ DA3201 TẠI NHÀ MÁY ................................................................................................... 39
3.1.1. Đặc điểm cơng nghệ và điều khiển ..................................................................... 39
3.1.2. Vấn đề xen kênh, sự thay đổi phụ tải và trong điều khiển bể khử khí .............. 40
3.2.

Ý TƢỞNG THIẾT KẾ ........................................................................................ 41

3.2.1. Cấu trúc hệ thống với 2 bộ điều khiển PI1 và PI2. ............................................. 41
3.2.2. Phƣơng án thiết kế .............................................................................................. 42
3.3.

THIẾT KẾ 2 BỘ ĐIỀU KHIỂN PI1 VÀ PI2. .................................................... 42

3.3.1. Cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển PID................................................................. 42
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID cho bể khử khí DA-3201. ....................................... 47
3.3.3. Xác định số Kp, Ki cho các bộ điều khiển ......................................................... 48
3.4.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD ............................................. 48

3.4.1. Phân tích các lƣợng vào ra và xen kênh trong bể khử khí .................................. 48
3.4.2. Thiết kế bộ điều khiển Feedforward ................................................................... 49
3.5.

KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ................................................................................... 50

CHƢƠNG 4. MƠ PHỎNG, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ................. 51
4.1.

MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN DÙNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ....................... 51

4.1.1. Mơ hình hóa đối tƣợng bể khử khí ..................................................................... 51
4.1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển gồm 2 bộ PI cho bể khử khí ....................... 56


4
4.1.3. Kết quả mô phỏng khi sử dụng 2 bộ điều khiển PI ............................................ 57
4.1.4. Khảo sát sự xen kênh giữa mức và áp suất trong bể khử khí ............................. 58
4.2.

SƠ ĐỒ BỘ ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD ................................................... 61

4.2.1. Xây dựng cấu trúc điều khiển Feedforward ....................................................... 61
4.2.2. Mô phỏng cấu trúc điều khiển khi có Feedforward ............................................ 61
4.2.3. Mơ phỏng cấu trúc điều khiển Feedforward khi xét đến độ trể của Van điều
khiển… .......................................................................................................................... 65
4.3.

KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 ................................................................................... 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 69


5

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
FFC:

: Bộ điều khiển feedforward

LIC

: Bộ điều khiển mức

FIC

: Bộ điều khiển lƣu lƣợng

PIC

: Bộ điều khiển áp suất

PID

: Bộ điều khiển tỉ lệ, vi phân, tích phân

PI

: Bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân.

FLC

: Bộ điều khiển logic mờ

SPM

: Phao nhập dầu 1 điểm neo

DA

: Bể khử khí

LIC

: Bộ điều khiển mức nƣớc

PIC

: Bộ điều khiển áp suất

LV

: Van điều khiển mức nƣớc

PV

: Van điều khiển áp suất

LT

: Thiết bị đo và truyền tín hiệu mức nƣớc kiểu chênh lệch áp suất

PT

: Thiết bị đo và truyền tín hiệu áp suất tuyệt đối

FT

: Thiết bị đo và truyền tín hiệu lƣu lƣợng


6

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Bảng cơ cấu sản phẩm của nhà máy Lọc dầu Dung Quất

16

1.2

Thông số kỹ thuật của bể khử khí DA-3201

22

2.1

Các tham số hơi, nƣớc ở trạng thái bảo hịa

34

2.2

Tính fx1 đến fx5 theo phƣơng trình tham số hơi bão hòa

35

2.3

Bảng tham số chế tạo và cơng nghệ của bể khử khí

35

3.1

Tham số Kp, KI của bộ điều khiển mức nƣớc và áp suất bể khử
khí

48

4.1

Qui đổi thể tích nƣớc trong bể ra chiều cao cột nƣớc

54

4.2

Qui đổi thể tỉ trọng hơi bão hòa ra áp suất bể khử khí

55


7

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hình

Tên hình

Trang

1.1.

Tổng quan khu vực xây dựng nhà máy lọc dầu Dung Quất

14

1.2.

Toàn cảnh Phân xƣởng công nghệ Nhà máy lọc dầu Dung Quất

14

1.3

Sơ đồ dây chuyền công nghệ Nhà máy lọc dầu Dung Quất

15

1.4

Mặt bằng khu công nghệ và Phân xƣởng thu hồi nƣớc ngƣngUnit 32 tại nhà máy lọc dầu Dung Quất

18

1.5

Bố trí thiết bị cơng nghệ tại phân xƣởng thu hồi nƣớc ngƣng tụ

19

1.6

Hình ảnh bể Khử khí DA-3201 tại Nhà máy lọc dầu Dung
Quất

20

1.7

Cấu trúc bể Khử khí DA-3201 tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất

21

1.8

Cấu tạo phần Tháp khử khí, các vịi phun của bể khử khí DA3201

21

1.9

Các dịng cơng nghệ vào – ra của bể Khử khí DA-3201

25

1.10

Các mức nƣớc làm việc và cảnh báo của bể Khử khí DA-3201

26

2.1

Mơ hình 2 đầu vào và 2 đầu ra của bể Khử khí DA-3201

29

2.2

Sơ đồ cơng nghệ và cấu trúc điều khiển bể khử khí DA-3201

30

2.3

Mơ hình điều khiển mức nƣớc và áp suất bể khử khí dùng 2 bộ
điều khiển PID độc lập

36

2.4

Điều khiển mức nƣớc và áp suất bể khử khí dùng cấu trúc
mạng PID-Nơ ron tách kênh (PID neural network decoupling
control)

36

2.5

Cấu trúc điều khiển mức nƣớc và áp suất bình khử khí kiểu
tách kênh dùng Soft Computing

37

2.6

Cấu trúc điều khiển bể khử khí sử dụng bộ điều khiển PID mờ
thích nghi

37


8
Số hình

Tên hình

Trang

3.1

Sơ đồ các đƣờng cơng nghệ và cấu trúc điều khiển bể khử khí.

39

3.2

Sơ đồ cấu trúc điều khiển bể khử khí với 2 bộ điều khiển PID

42

3.3

Cấu trúc bộ điều khiển PID

43

3.4

Cấu trúc bộ điều khiển PI

44

3.5

Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số)

44

3.6

Đồ thị PV theo thời gian, tƣơng ứng với 3 giá trị Ki (Kpvà
Kd không đổi)

45

3.7

Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp and Ki khơng
đổi)

46

3.8
3.9

Sơ đồ cân bằng các dịng cơng nghệ vào ra của bể khử khí
Cấu trúc feedforward cho điều khiển mức nƣớc và áp suất bể

khử khí

48
50

4.1

Mơ phỏng sự biến thiên của thể tích nƣớc trong bể khử khí

51

4.2

Mơ phỏng sự biến thiên của tỉ trọng hơi trong bể khử khí

52

4.3

Cấu trúc mơ phỏng đối tƣợng bể khử khí DA-3201

53

4.4

Hàm hồi qui thể tích và mức nƣớc bể khử khí

55

4.5

Hàm hồi qui tỉ trọng và áp suất bể khử khí

56

4.6

Cấu trúc điều khiển cho đối tƣợng bể khử khí

56

4.7

Đáp ứng mức nƣớc bể khử khí khi sử dụng bộ điều khiển PI

57

4.8

Đáp ứng áp suất bể khử khí khi sử dụng bộ điều khiển PI

58

4.9a

Ảnh hƣởng xen kênh mức nƣớc lên áp suất trong bể khi tăng
lƣu lƣợng nƣớc đầu ra cấp cho phụ tải

59

4.9b

Ảnh hƣởng xen kênh mức nƣớc lên áp suất trong bể khi giảm
lƣu lƣợng nƣớc đầu ra cấp cho phụ tải

60


9
Số hình

Tên hình

Trang

4.10

Cấu trúc bộ Feedforward FFC1 cho bộ điều khiển mức nƣớc

61

4.11

Cấu trúc bộ Feedforward FFC2 cho bộ điều khiển áp suất

61

4.12

Cấu trúc điều khiển Bể khử khí khi có bộ Feedforward

62

4.13

Cấu trúc điều khiển PI và Feedforward cho bể khử khí

63

4.14a

Đáp ứng mức nƣớc và áp suất bể khử khí khi tăng lƣu lƣợng có
sự tham gia của feedforward.

64

4.14b

Đáp ứng mức nƣớc và áp suất bể khử khí khi giảm lƣu lƣợng
có sự tham gia của feedforward.

64

4.15

Cấu trúc điều khiển PI và Feedforward cho bể khử khí có xét
đến ảnh hƣởng của thiết bị chấp hành.

65

4.16a

Đáp ứng mức nƣớc và áp suất khi có feedforward khi tăng lƣu
lƣợng có xét đến ảnh hƣởng của cơ cấu chấp hành

66

4.16b

Đáp ứng mức nƣớc và áp suất khi có feedforward khi giảm lƣu
lƣợng có xét đến ảnh hƣởng của cơ cấu chấp hành

66


10

MỞ ĐẦU
1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nhà máy lọc dầu Dung Quất là cơng trình trọng điểm quốc gia về dầu khí, có ý
nghĩa to lớn đối với việc phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Quảng Ngãi và các tỉnh,
thành phố trong khu vực miền trung nói riêng và cả nƣớc nói chung, góp phần vào việc
đẩy mạnh quá trình cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nƣớc. Với công suất thiết kế
6.5 triệu tấn dầu thô mỗi năm, các sản phẩm của Nhà máy lọc dầu Dung Quất đang
đáp ứng đƣợc khoảng 30% nhu cầu sử dụng xăng dầu trong nƣớc, đảm bảo từng bƣớc
về an ninh năng lƣợng quốc gia, giảm bớt sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp xăng dầu
từ nƣớc ngồi. Vì vậy an tồn sản xuất của nhà đóng vai trị cực kỳ quan trọng đối với

nền kinh tế quốc gia.
Một trong những thiết bị đóng vai trị cực kỳ quan trọng trong phân xƣởng thu
hồi và xử lý nƣớc ngƣng là Bể khử khí tại Nhà máy Lọc dầu Dung Quất: Bể khử khí
DA3201, nó đƣợc thiết kế để loại O2, CO2,...các khí khơng ngƣng khác ra khỏi nƣớc
cấp cho Lị hơi và các thiết bị công nghệ nhằm tránh sự ăn mịn gây hƣ hỏng thiết bị.
Việc kiểm sốt mức nƣớc và áp suất trong bể chứa này là rất quan trọng, ảnh hƣởng
trƣc tiếp đến an toàn sản xuất của nhà máy.
Qua thời gian chạy thử và đƣa vào vận hành từ năm 2009 đến nay, bể khử khí
DA-3201 tại Nhà máy Lọc dầu Dung Quất có số tồn tại trong việc điều khiển mức
nƣớc và áp suất của Bể khử khí, mức nƣớc chƣa đƣợc khống chế để hoạt động trong
phạm vi tối ƣu. Các tồn tại này chƣa đƣợc khắc phục triệt để. Có thể xem xét các
nguyên nhân sau:


Do đầu ra của bể khử khí là các lị hơi và các phân xƣởng cơng nghệ, chạy các
bơm, máy nén lớn, bộ gia nhiệt,...nên thƣờng xuyên thay đổi công suất và chế độ
vận hành của kết cấu hệ thống cơng nghệ đầu ra, vì vậy đơi lúc bộ điều khiển PID
điều khiển mức nƣớc bể khử khí hiện tại ở Nhà máy lọc dầu Dung Quất chƣa đáp
ứng thật tốt đƣợc yêu cầu đặt ra.



Một số vấn đề tƣơng tác giữa áp suất hơi đƣa vào gia nhiệt cho bể và mức nƣớc
trong bình khử khí có ảnh hƣởng trong quá trình điều khiển chƣa đƣợc xét đến
trong thiết kế bộ điều khiển bể khử khí, hai bộ điều khiển áp suất và mức nƣớc
trong bể là 2 bộ điều khiển độc lập, chƣa đáp ứng tốt khi phụ tải có dao động lớn.

Ngày nay với sự phát triển của lý thuyết điều khiển hiện đại, có nhiều phƣơng
pháp điều khiển đƣợc ra sẽ phù hợp với đặc điểm phi tuyến và thay đổi nhanh các
thông số của hệ thống, đảm bảo nâng cao chất lƣợng của bộ điều khiển. Sau khi tham

khảo, tìm hiểu các phƣơng pháp điều khiển cho bể khử khí tại các nhà máy nhiệt điện
đƣợc giới thiệu trên các tạp chí khoa học thế giới, tôi mạnh dạn lựa chọn hƣớng nghiên


11
cứu của đề tài là: “Điều khiển Feedforward tách kênh cho hệ thống bể khử khí DA3201 tại Nhà máy Lọc dầu Dung Quất”
2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU.

Mục tiêu chính: Thiết kế bộ điều khiển Feedforward tách kênh để điều khiển
điều khiển mức nƣớc và áp suất của bể khử khí DA-3201 tại Nhà máy Lọc dầu Dung
Quất, nhằm cải thiện chất lƣợng bộ điều khiển, độ tin cậy của thiết bị so với bộ điều
khiển hiện hữu.
Có đƣợc kiến thức, kỹ năng xây dựng mơ hình tốn cho đối tƣợng bể khử khí
DA-3201, tìm hiểu, phân tích đánh giá chỉ ra những tồn tại hạn chế của phƣơng pháp
điều khiển mức bể khử khí hiện tại.
Tìm hiểu các phƣơng pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho bể khử khí từ các bài
báo, tạp chí khoa học trên thế giới. Có kỹ năng thiết kế bộ điều khiển đáp ứng tốt các
yêu cầu, có thể ứng dụng vào thực tiễn
Kỹ năng mô phỏng một mô phỏng một trên Matlab simulik một mơ hình, hệ
thống điều khiển, phân tích, đánh giá.
3.

ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.

Đối tƣợng nghiên cứu: Đối tƣợng nghiên cứu là bể khử khí DA-3201 tại phân
xƣởng Thu hồi và Xử lý Nƣớc ngƣng, Nhà máy lọc dầu Dung Quất.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài:


Nghiên cứu mơ hình hệ thống cơng nghệ, thiết bị điều khiển, phƣơng pháp điều
khiển đang sử dụng



Tìm hiểu sự tƣơng tác giữa điều khiển mức nƣớc và điều khiển áp suất trong bể
khử khí trong hệ thống.



Thiết kế bộ điều khiển điều khiển mức nƣớc và áp suất, áp dụng kỹ thuật
Feedforward tách kênh để khử tƣơng tác và nâng cao chất lƣợng điều khiển cho
bể khử khí DA-3201 tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất.

4.

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phƣơng pháp lý thuyết:



Nghiên cứu tƣ liệu: nghiên cứu tài liệu, giáo trình, các bài báo khoa học và tài
liệu thiết kế của nhà sản xuất.



Mơ hình hóa: xây dựng mơ hình tốn của đối tƣợng dựa trên các khái niệm, định
luật vật lý, định lí tốn tốn học và các số liệu thiết kế của nhà sản xuất đối với
thiết bị bể khử khí DA-3201 tại Nhà máy Lọc dầu Dung Quất.

12
Phƣơng pháp thực nghiệm: Dùng phƣơng pháp thực nghiệm với mơ hình trên
Matlab Simulink thay thế việc thực nghiệm trên đối tƣợng thực.
5.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Ứng dụng đƣợc các lý thuyết điều khiển hiện đại đã học vào thực tế để tăng tính
ổn định hệ thống, nâng cao chất lƣợng của bộ điều khiển mức nƣớc và áp suất của Bể
khử khí tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất. Góp phần nâng cao độ tin cậy, đảm bảo vận
hành an toàn liên tục của Nhà máy lọc dầu Dung Quất.
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hồn thiện một phƣơng pháp điều
khiển mới khắc phục đƣợc một số nhƣợc điểm của các phƣơng pháp điều khiển kinh
điển, từ đó mở ra một tiềm năng áp dụng cài đặt vào các thiết bị điều khiển trong công
nghiệp làm nâng cao hơn nữa chất lƣợng điều khiển cho các mơ hình có sự xen kênh,
thông số thay đổi lớn theo thời gian.
6.

CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN.

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn gồm các chƣơng sau đây:
Chƣơng 1: Chƣơng này giới thiệu tổng quan Nhà máy Lọc dầu, các phân xƣởng,
cơ cấu sản phẩm của nhà máy, giới thiệu phân xƣởng thu hồi và xử lý nƣớc ngƣng.
Phần trọng tâm chƣơng này đi sâu vào giới thiệu về cấu tạo, ngun lý làm việc và q
trình cơng nghệ trong bể khử khí, nêu rõ vai trị của bể khử khí trong Nhà máy. Trong
chƣơng này cũng phân tích các chế độ làm việc và những vấn đề tồn tại trong điều
khiển mức nƣớc và áp suất bể khử khí tại Nhà máy Lọc dầu Dung Quất
Chƣơng 2: Chƣơng này xây dựng mơ hình tổng qt về cơng nghệ, các đầu vào

ra, các thơng số cơng nghệ. Phân tích q trình động học trong bể khử khí, xây dựng
các phƣơng trình động học, phƣơng trình cân bằng năng lƣợng cho bể, từ đó xây dựng
các phƣơng trình tốn học mơ tả đối tƣợng gọi là mơ hình tốn của đối tƣợng. Mơ hình
tốn cho bể khử khí là cơ sở để phân tích, thiết kế các bộ điều khiển cho bể khử khí
Chƣơng 3: Trong chƣơng này đã tiến hành phân tích sơ đồ cơng nghệ, các
vịng điều khiển, từ đó thiết kế đƣợc cấu trúc 2 bộ điều khiển PI để điều khiển mức
nƣớc và áp suất cho bể. Trong chƣơng này cũng đã tiến hành phân tích các yếu tố xen
kênh, từ đó dựa trên các phƣơng trình cần bằng năng lƣợng và lƣu lƣợng nhằm thiết kế
2 bộ điều khiển Feedforward để khử tƣơng tác cho hệ thống
Chƣơng 4: Chƣơng này tiến hành xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống điều
khiển, trình bày các kết quả mơ phỏng, phân tích, đánh giá các tác động xen kênh của
hệ thống, nhận xét đánh giá kết quả; so sánh và đánh giá chất lƣợng điều khiển khi có
feedforward tách kênh đã thiết kế so với các bộ điều khiển PI kinh điển đang áp dụng
tại nhà máy.


13

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU, PHÂN
XƢỞNG THU HỒI VÀ XỬ LÝ NƢỚC NGƢNG, BỂ KHỬ KHÍ
TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT
1.1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT
1.1.1. Quá trình xây dựng và đưa vào vận hành Nhà máy
Nhà máy lọc dầu Dung Quất là cơng trình trọng điểm quốc gia về dầu khí, tổng
vốn đầu tƣ trên 3 tỷ USD, cơng suất chế biến 6,5 triệu tấn dầu thô/năm. Việc đƣa Nhà
máy lọc dầu Dung Quất vào vận hành mang ý có ý nghĩa to lớn đối với việc phát triển
kinh tế xã hội của tỉnh Quảng Ngãi và các tỉnh, thành phố trong khu vực miền trung
nói riêng và cả nƣớc nói chung, góp phần đẩy mạnh q trình cơng nghiệp hóa và hiện
đại hóa đất nƣớc. Các sản phẩm của Nhà máy lọc dầu Dung Quất đang đáp ứng đƣợc
khoảng 30% nhu cầu sử dụng xăng dầu trong nƣớc, đảm bảo từng bƣớc về an ninh

năng lƣợng quốc gia, giảm bớt sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp xăng dầu từ nƣớc
ngoài
Nhà máy lọc dầu Dung Quất đƣợc xây dựng trên diện tích khoảng 956 ha (bao
gồm cả 140 ha mở rộng trong tƣơng lai) trong đó có 485 ha mặt đất và 471 ha mặt
biển) tại địa bàn hai xã Bình Trị và Bình Thuận, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi
trong quy hoạch của khu kinh tế Dung Quất.
Các gói thầu và khu vực xây dựng nhƣ sau:
Gói thầu số 1: Các phân xƣởng công nghệ, năng lƣợng, phụ trợ
Gói thầu số 2: Khu vực bể chứa sản phẩm trung gian
Gói thầu số 3: Hệ thống ống dẫn dầu và bể chứa sản phẩm
Gói thầu số 4: Phao rót dầu (nhập dầu thô) một điểm neo (SPM) và hệ thống
đƣờng ống ngầm dẫn dầu thơ vào Nhà máy.
Gói thầu số 5A, 5B: Đê chắn sóng và cảng xuất dầu đƣờng biển
Gói thầu số 6: San lấp mặt bằng, xây dựng hàng rào, hạ tầng giao thơng
Gói thầu số 7: Khu nhà hành chính, kho vật tƣ, nhà điều hành.
Nhà máy đƣợc thi công xây dựng bởi tổ hợp nhà thầu TECHNIP thi cơng trong
44 tháng và hồn thành đƣa vào sử dụng với dòng sản phẩm đầu tiên vào ngày
22/9/2009. Với hệ thống cảng biển nƣớc sâu và vịnh kín gió đã tạo nên một vị trí chiến
lƣợc trong vùng kinh tế trọng điểm miền trung, có vai trị hết sức quan trọng đối với an
ninh quốc phòng cũng nhƣ giao lƣu hội nhập kinh tế.
Mặt bằng xây dựng Nhà máy lọc dầu Dung Quất trải dài trên 2 xã Bình trị và
Bình Thạnh, Huyện Bình Sơn. Mặt bằng tổng thể nhƣ Hình 1.1


14

Hình 1.1: Tổng quan khu vực xây dựng nhà máy lọc dầu Dung Quất
Năm 2009-2010 Nhà máy tiếp tục xây dựng phân xƣởng sản xuất hạt nhựa
Polypropylene, cung ứng cho thị trƣờng trong nƣớc và xuất khẩu, góp phần đa dạng
hóa sản phẩm, tăng danh thu và lợi nhuận cho Nhà máy. Cho đến nay Nhà máy đã đi

vào hoạt động đƣợc 9 năm liên tục với công suất đạt 100-105% công suất thiết kế. Nhà
máy đã trải qua 3 lần dừng để bảo dƣỡng tổng thể. Toàn cảnh phân xƣởng cơng nghệ
đƣợc xây dựng tại xã Bình Trị nhƣ Hình 1.2

Hình 1.2: Tồn cảnh Phân xưởng cơng nghệ Nhà máy lọc dầu Dung Quất


15
Việc xây dựng và đƣa vào vận hành Nhà máy lọc dầu Dung Quất khẳng định sự
trƣởng thành vƣợt bậc của ngành dầu khí Việt Nam, hồn chỉnh chuỗi các hoạt động từ
thăm dò, khai thác đến chế biến các sản phẩm Dầu khí.
Chính vì vai trị, vị trí quan trọng, sự phức tạp về mặt công nghệ nêu trên dẫn
đến việc vận hành, khai thác an toàn, liên tục và hiệu quả Nhà máy lọc dầu Dung Quất
là một thách thức lớn, là nhiệm vụ quan trọng nhất đối với đội ngũ kỹ sƣ, công nhân
của Nhà máy, trong đó lĩnh vực đo lƣờng, điều khiển đóng vai trị trung tâm.
1.1.2. Giới thiệu q trình cơng nghệ của Nhà máy.
Nhà máy lọc dầu Dung Quất bao gồm 15 phân xƣởng công nghệ (bao gồm cả
phân xƣởng sản xuất hạt nhựa polypropylene) và 10 phân xƣởng năng, phụ trợ với
công nghệ tiên tiến, hệ thống thiết bị vô cùng hiện đại và phức tạp với mức độ tự động
hóa cao. Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ Nhà máy nhƣ Hình 1.3

Hình 1.3: Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ Nhà máy lọc dầu Dung Quất
 Các phân xƣởng công nghệ gồm:






Phân xƣởng chƣng cất thô, U-011 (CDU)

Phân xƣởng Naphtha Hydrotreater, U-012 (NHT)
Phân xƣởng Reforming, U-013 (Continuous Catalytic Reformer –CCR)
Phân xƣởng Isome hóa, U-023 (ISOM)
Phân xƣởng xử lý Kerosene, U-014 (KTU)


16











Phân xƣởng Cracking xúc tác tầng sôi, U-015 RFCC)
Phân xƣởng xử lý LPG, U-016 (LTU)
Phân xƣởng xử lý Naphtha từ RFCC, U-017 (NTU)
Phân xƣởng xử lý nƣớc chua, U-018 (SWS)
Phân xƣởng tái sinh amine, U-019 (ARU)
Phân xƣởng trung hòa kiềm thải, U-020 (CNU)
Phân xƣởng thu hồi Propylene, U-021 (PRU)
Phân xƣởng thu hồi lƣu huỳnh, U-022 (SRU)
Phân xƣởng xử lý LCO bằng Hydro, U-024 (LCO HDT)
Phân xƣởng sản xuất hạt nhựa polypropylene, U91 (PP)

 Các phân xƣởng năng lƣợng và phụ trợ:













Hệ thống cấp nƣớc (nƣớc uống, nƣớc công nghệ và nƣớc khử khoáng), U-31
Hệ thống hơi nƣớc và nƣớc ngƣng, U-032 (Steam and condensate Unit)
Phân xƣởng nƣớc làm mát, U-033 (Cooling Water)
Hệ thống lấy nƣớc biển, U-034 (Seawater Intake)
Phân xƣởng khí điều khiển và khí cơng nghệ,
U-035(Instrument and Plant Air)
Phân xƣởng sản xuất Nitơ, U-036 (Nitrogen System)
Phân xƣởng Khí nhiên liệu, U-037.
Hệ thống dầu nhiên liệu của Nhà máy, U-038
Phân xƣởng cung cấp kiềm, U-039
Nhà máy điện, U-040.

1.1.3. Cơ cấu sản phẩm của Nhà máy Lọc dầu.
Nhà máy Lọc dầu Dung Quất có 8 sản phẩm chính, cơ cấu sản phẩm của Nhà
máy lọc dầu đƣợc liệt kê nhƣ trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1: Cơ cấu sản phẩm của Nhà máy Lọc dầu
Tên sản phẩm

Nghìn tấn/năm

Propylene

136 - 150

Khí hóa lỏng (LPG)

400 - 420

Xăng RON 92

1.400 - 1.800

Xăng RON A95

600 - 700


17
Dầu hỏa/nhiên liệu bay Jet A1

80 - 400

Dầu động cơ Diesel ôtô

2.900 - 3.200

Dầu nhiên liệu (FO)

60 - 100

Hạt nhựa Polypropylene

135 - 150

1.1.4. Các thiết bị liên quan đến hệ thống nước ngưng tụ và bể khử khí.


Nồi hơi: Nhà máy có 4 nồi hơi chính, áp suất hơi 104 Kg/cm2, công suất mỗi nồi
hơi là 196 tấn/h. Nguyên liệu đốt lị là dầu FO, khí thừa trong q trình chƣng cất
dầu. Ngồi ra có một số lị hơi vệ tinh có cơng suất nhỏ tại các phân xƣởng cơng
nghệ.



Máy phát điện: Nhà máy có 4 máy phát dẫn động bằng tuốc bin hơi trích hơi,
cơng suất mỗi máy 27MW, điện áp 6.6KV, nối lƣới điện quốc gia ở cấp 22KV
qua 2 MBA 22/6.6KV, mỗi máy 25MW. Máy phát điện dự phòng 1.6MW, điện
áp 6.6KV dẫn động bằng động cơ diesel.



Tuốc bin hơi: Tại Unit 40 có 4 tuốc bin hơi kiểu trích hơi dẫn động 4 máy phát
điện 27MW, tốc độ tuốc bin 4000v/phút. Ngồi ra cịn có 2 tuốc bin dẫn động
bơm cấp nƣớc chính cho lị hơi, công suất mỗi tuốc bin là 1.5MW, 4 tuốc bin hơi
dẫn động cho máy nén khí, cơng suất mỗi tuốc bin là 2.2MW.



Nƣớc khử khoáng: Nƣớc từ Nhà máy nƣớc cấp vào cho Nhà máy Lọc dầu sử
dụng cho lò hơi cần đƣợc khử khoán chất để làm mềm nƣớc nhằm tranh đóng cặn
trong thiết bị. Nƣớc khử khống nƣớc đƣợc bổ sung nhằm bù vào sự thiếu hụt
nƣớc ngƣng tụ trong quá trình thu hồi, đảm bảo cấp đủ nƣớc cho các lò hơi.



Thu hồi và xử lý nƣớc ngƣng: Nƣớc ngƣng từ các tuốc bin hơi, thiết bị trao đổi
nhiệt, q trình cơng nghệ đƣợc thu hồi và đƣa về bể chứa nƣớc ngƣng, sau đó xử
lý khử ion xong đƣợc vào bể trung gian sau đó bơm đến cấp cho 2 hệ thống bể
khử khí:
 Bể khử khí DA-3201A/B có nhiệm vụ khử khí trong nƣớc ngƣng tụ thu hồi
từ các phân xƣởng sử dụng hơi nƣớc. Nƣớc khử khí từ bể khử khí cung cấp
cho các lị hơi vệ tinh, q trình cơng nghệ khác. Hệ thống này gồm 2 bể
đƣợc thiết kế 1 bể làm việc, một bể dự phòng, gọi chung là DA-3201.
 Bể khử khí DA-4031A/B có nhiệm vụ khử khí trong nƣớc ngƣng tụ thu hồi
từ các tuốc bin hơi. Hệ thống này cung cấp cho 4 lị hơi chính, chúng gồm 2
bể đƣợc thiết kế 1 bể làm việc, một bể dự phòng, gọi chung là DA-4031.


18
1.2. TỔNG QUAN VỀ PHÂN XƢỞNG THU HỒI VÀ XỬ LÝ NƢỚC NGƢNG
TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT
Một trong những phân xƣởng phụ trợ quan trọng bậc nhất trong Nhà máy là phân
xƣởng Thu hồi và Xử lý nƣớc ngƣng tụ thuộc Unit 32. Chức năng của phân xƣởng này
là hơi cao áp, trung áp và thấp áp sau khi đƣợc sử dụng từ tất cả các phân xƣởng công
nghệ, từ tuốc bin hơi của Nhà máy điện đƣợc thu hồi đƣa về phân xƣởng này, nƣớc
ngƣng tụ đƣợc xử lý để tiếp tục đi cấp trở lại cho các phân xƣởng cơng nghệ và lị hơi
của Nhà máy điện dƣới dạng nƣớc cấp lò hơi. Việc đảm bảo cung cấp liên tục, đủ về
số lƣợng, đúng về chất lƣợng và ổn định về các thông số kỹ thuật của mạng nƣớc cấp

lị hơi đóng vai trị sống cịn của sự vận hành liên tục và ổn định của toàn bộ Nhà máy
lọc dầu Dung Quất.
Phân xƣởng thu hồi và xử lý nƣớc ngƣng tụ tại Unit 32 thuộc ngƣng thuộc khu
vực phụ trợ nhƣ Hình 1.4

Hình 1.4: Mặt bằng phân xưởng thu hồi nước ngưng thuộc Unit 32 tại nhà máy lọc
dầu Dung Quất [12]
Phân xƣởng thu hồi và xử lý nƣớc ngƣng tụ gồm các bể chứa nƣớc ngƣng tụ,
các bể khử khí và bể chứa nƣớc khử khí, hệ thống các bơm cấp nƣớc,… Chúng đƣợc
bố trí liền kề với phân xƣởng sản suất điện-hơi tại Units 40. Hệ thống công nghệ của
phân xƣởng này đƣợc bố trí nhƣ Hình 1.5


19

Hình 1.5: Bố trí thiết bị cơng nghệ tại phân xưởng thu hồi nước ngưng tụ [12]
Nƣớc cấp lò hơi đƣợc sử dụng tại các lò hơi để sản xuất hơi phục vụ cho việc
chạy các máy phát điện, chạy các bơm, máy nén khí, bộ gia nhiệt và các thiết bị quan
trọng trong toàn bộ Nhà máy lọc dầu. Việc đảm bảo cung cấp liên tục, đủ về số lƣợng,
đúng về chất lƣợng và ổn định về các thông số kỹ thuật của mạng nƣớc cấp lị hơi
đóng vai trò sống còn của sự vận hành liên tục và ổn định của toàn bộ Nhà máy lọc
dầu Dung Quất. Nếu vì một lý do nào đó, lƣợng nƣớc cấp lị hơi khơng đƣợc duy trì
liên tục sẽ gây dừng các bơm nƣớc cấp cho các thiết bị quan trọng nhƣ lị hơi, dừng
các lị hơi, dừng tồn bộ Nhà máy điện, mất điện toàn Nhà máy và gây dừng hoạt động
toàn bộ Nhà máy.
Việc dừng Nhà máy lọc dầu không những ngay lập tức gây ra thiệt hại về tài
chính hàng triệu đơ la mỗi ngày cho doanh nghiệp mà còn ảnh hƣởng sâu rộng đến các
hoạt động về kinh tế xã hội khác vì Nhà máy hiện đang cung cấp hơn 30% về các sản
phẩm xăng dầu cho nhu cầu sử dụng trong nƣớc. Chính vì vậy Nhà máy lọc dầu Dung
Quất đƣợc chính phủ đƣa vào danh mục các cơng trình quan trọng liên quan đến an

ninh quốc gia.
1.3. GIỚI THIỆU BỂ KHỬ KHÍ, VAI TRỊ CỦA BỂ KHỬ KHÍ TRONG NHÀ
MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT
1.3.1. Sự cần thiết của việc khử khí cho nước ngưng tụ trong nhà máy
Các khí hịa tan có trong nƣớc gây ra nhiều vấn đề về ăn mòn. Oxy hòa tan
trong nƣớc sẽ gây rỗ bề mặt, khí cacbonic thƣờng gây ăn mòn ở hệ thống ngƣng tụ,
đặc biệt tại đây khí cacbonic kết hợp với nƣớc tạo thành axit cacbonic gây ăn mòn sắt
trong các đƣờng ống. Khi quay lại nồi hơi chất này sẽ tạo kết tủa, tạo cặn bám nồi hơi


20
và đƣờng ống. Nƣớc có chứa amoni, đặc biệt là oxy sẽ tấn cơng làm oxy hóa đồng
và các hợp kim của đồng. Kết quả của sự ăn mòn này dẫn đến sự đóng cặn trên bề mặt
truyền nhiêt nồi hơi và làm giảm hiệu suất cũng nhƣ tốn nhiều năng lƣợng. Vì vậy việc
khử khí cho nƣớc cấp cho lò hơi, thiết bị trao đổi nhiệt trong nhà máy nhiệt điện nói
chung và nhà máy Lọc dầu nói chung là hết sức cần thiết để duy trì hoạt động ổn định
liên tục của thiết bị.
1.3.2. Giới thiệu chung về bể khử khí DA-3201
Bể khử khí DA-3201 là hệ thống gồm 2 bể khử khí DA-3201A và DA-3201B
giống nhau hồn toàn đƣợc thiết kế theo nguyên tắc một bể hoạt động, một bể dự
phòng. Bể đƣợc lắp đặt tại Phân xƣởng thu hồi và xử lý nƣớc nƣớc thuộc Unit 32. Vì
là hai hệ thống hồn tồn giống nhau nên trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn sẽ
xét đến 1 hệ thống bể khử khí chung gọi là DA-3201.
Bể khử khí DA-3201 tại nhà máy lọc dầu Dung Quất đƣợc tập đoàn
TERMOCHIMICA IMPIANTI - Italy sản xuất theo đơn đặt hàng số: 8474L-500-PO0845-001-53025 do tổ hợp Nhà thầu Technip mua sắm và cung cấp cho dự án Nhà
máy Lọc dầu Dung Quất. Bể đƣợc lắp đặt trên hệ thống khung sàn công nghệ cao
khoảng 20 mét so với mặt đất để đảm bảo độ cao đầu hút yêu cầu của bơm cấp nƣớc.
Bể khử khí DA-3201 đƣợc đặt ngồi trời trên khung đỡ bằng bê tơng cốt thép nhƣ
Hình 1.6

Hình 1.6: Hình ảnh bể Khử khí DA-3201 tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất


21
1.3.3. Cấu tạo và thông số thiết kế của bể khử khí DA-3201.
Bể khử khí đƣợc cấu tạo gồm 2 phần chính:
Phần bể chứa nƣớc (Storage Section): Nƣớc sau khi đƣợc trao đổi nhiệt với hơi
đƣợc chạy xuống bể chứa bên dƣới. Phía đáy bể chứa có 3 ống đầu ra cấp nƣớc cho
phụ tải, bể cần đƣợc duy trì mức nƣớc ổn định để cung cấp cho lò lơi và các thiết bị
khác trong nhà máy. Phần chứa nƣớc đƣợc lắp đặt thiết bị đo mức kiểu chênh áp để đo
mức nƣớc trong bể, thiết bị đo áp suất tuyệt đối của bể để đƣa tín hiệu về hệ thống
điều khiển DCS nhà máy để việc giám sát, điều khiển. Cấu trúc bể khử khí nhƣ Hình
1.7

Hình 1.7: Cấu trúc bể Khử khí DA-3201 tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất [13]
Phần tháp khử khí (Heater Section): đặt phía trên, nƣớc ngƣng tụ đƣa vào bể
từ phía trên cao với hệ thống vòi phun để phun chia nhỏ tia nƣớc, hơi thấp áp đƣợc đƣa
vào bể ở phía dƣới đi lên. Chi tiết nhƣ Hình 1.8

Hình 1.8: Cấu tạo phần Tháp khử khí, các vịi phun của bể khử khí DA-3201[13]