Tài liệu Sự hình thành và quá trình sản xuất khí lpg

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TPHCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN MÔN CHUYÊN NGÀNH TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI SỰ HÌNH THÀNH VÀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT KHÍ LPG Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Thị Chính Sinh viên thực hiện : Hoàng Quốc Bình MSSV : 1751050056 Lớp: TD17B Nhóm 1 TP.Hồ Chí Minh, tháng 8/2021 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................ 4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................... 5 2.1. KHÍ TỰ NHIÊN .................................................................................................. 5 2.1.1. Khái niệm ......................................................................................................... 5 2.1.2. Nguồn gốc ........................................................................................................ 5 2.1.3. Xử lí khí tự nhiên ............................................................................................. 6 2.2. SỰ HÌNH THÀNH KHÍ LPG ............................................................................. 7 2.2.1. Khái niệm khí LPG ........................................................................................... 7 2.2.2. Lịch sử khí LPG ............................................................................................... 7 2.2.3. Đặc tính của khí LPG: ...................................................................................... 8 2.2.4. Nguồn gốc ........................................................................................................ 8 2.3. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT KHÍ LPG .................................................................. 9 2.3.1. Nguyên liệu sản xuất và quá trình sản xuất LPG của Nhà máy Hazira .............. 9 2.3.2. Các chế độ chính trong quá trình sản xuất khí LPG của công ty Hazira .......... 11 2.4. ỨNG DỤNG TỰ ĐỘNG HOÁ ......................................................................... 14 2.4.1. Điều khiển quá trình. ...................................................................................... 14 2.4.2. Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình ............................................ 14 2.4.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình ............................... 14 2.4.4. Cấu tạo hệ thống điều khiển quá trình ............................................................. 15 2.4.5. Các bộ điều khiển tiêu biểu............................................................................. 16 2.4.6. Ứng dụng tự động hoá trong tháp chưng cất (LEF COLUMN) ....................... 20 2.4.7. Hệ thống SCADA trong công nghiệp.............................................................. 22 TỔNG KẾT .................................................................................. 25 Page | 2 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn MỤC LỤC HÌNH Hình 2-1 Khí tự nhiên trong tự nhiên.................................................................................... 6 Hình 2-2 Nhà máy chế biến khí tự nhiên .............................................................................. 7 Hình 2-3 Quy trình sản xuất khí LPG của nhà máy Hazira ................................................. 10 Hình 2-4 HP GAS SECTION ............................................................................................. 11 Hình 2-5 LIQUID SECTION ............................................................................................. 12 Hình 2-6 LEF COLUMN và LPG COLUMN ..................................................................... 13 Hình 2-7 Các thành phần cơ bản trong hệ thống điều khiển quá trình ................................. 14 Hình 2-8 Cấu tạo hệ thống điều khiển quá trình.................................................................. 15 Hình 2-9 Hệ thống Condensate Fractionation Unit ............................................................. 20 Hình 2-10 Hệ thống SCADA trong công nghiệp ................................................................ 22 Hình 2-11 Hệ thống SCADA trong nhà máy Hazira ........................................................... 24 Page | 3 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, trong hầu hết các ngành kinh tế, kỹ thuật, nhất là các ngành công nghiệp đều áp dụng tự động hóa vào điều khiển các thiết bị và dây chuyền sản xuất. Có thể nói tự động hóa đã làm thay đổi diện mạo tất cả các ngành sản xuất, nhất là trong nền công nghiệp hóa học nơi đòi hỏi cần có sự chính xác cao trong các quá trình điều khiển. Việc ứng dụng rộng rãi tự động hóa các quá trình công nghệ đang là một trong các yếu tố then chốt để thúc đẩy tiến độ khoa học kỹ thuật của ngành công nghệ. Tự động hóa là bước phát triển logic của cơ khí hóa sản xuất. Nếu cơ khí hóa thay thế lao động cơ bắp cho con người thì tự động hóa là bước tiếp tục phát triển thay thế các cơ quan cảm giác và logic của con người. Nhờ ứng dụng các phương tiện kỹ thuật tiên tiến, hiện đại như các dụng cụ, các thiết bị và máy điều khiển cho phép thực hiện các quá trình công nghệ theo một chương trình đã được tạo dựng, phù hợp với những tiêu chuẩn cho trước. Có thể nói việc ứng dụng các hệ thống điều khiển trong các thiết bị cũng như toàn bộ hệ thống sản xuất là một bước tiến dài trong sự nghiệp phát triển làm tăng sự ổn định và hiệu quả sử dụng. Chính vì thế yêu cầu đặt ra đối với sinh viên ngành Tự động hóa là phải nắm vững kiến thức lý thuyết, phải có thực tế để có thể bắt nhịp với các công nghệ tiên tiến. Để củng cố kiến thức đã được học, chỉ đạo bộ môn đã tạo điều kiện cho sinh viên tìm hiểu kỹ về vấn đề hình thành và sản xuất khí dầu mỏ hóa lỏng – LPG của Nhà máy Hazira. Em xin chân thành cảm ơn Nhà trường, giáo viên hướng dẫn đã giúp em hoàn thành đợt thực tập này. Page | 4 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1. KHÍ TỰ NHIÊN 2.1.1. Khái niệm  Khí tự nhiên là một trong những dạng năng lượng sạch, an toàn và hữu ích trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Khí tự nhiên là một hydrocarbon. Có nghĩa là nó được tạo thành từ các hợp chất của hydro và cacbon. Hydrocarbon đơn giản nhất là mêtan,nó chứa một nguyên tử cacbon và bốn nguyên tử hydro.  Khí tự nhiên có thể được tìm thấy chính nó hoặc kết hợp với dầu. Nó không màu và không mùi và thực sự là một hỗn hợp các hydrocarbon. Trong khi chủ yếu là khí mê-tan. Các hydrocarbon khác bao gồm ethane, propan và butan. Nước, dầu, lưu huỳnh, carbon dioxide, nitơ và các tạp chất khác có thể được trộn với khí khi đi ra khỏi mặt đất. Những tạp chất này được loại bỏ trước khi khí tự nhiên được đưa đến khách hàng sử dụng và các doanh nghiệp thương mại.  Thực tế khí tự nhiên dễ bay hơi. Nó dễ cháy hơn các nguồn năng lượng khác. Điều đó giúp củng cố vị trí của nó. Coi như là một trong những nguồn năng lượng được sử dụng nhiều nhất. 2.1.2. Nguồn gốc  Khí tự nhiên là một nhiên liệu hóa thạch. Điều này có nghĩa nó bắt nguồn từ phần còn lại của thực vật và động vật sống cách đây hàng triệu năm. Những sinh vật này đã bị chôn vùi và bị phơi nhiễm với nhiệt. Do nén sâu bên dưới hàng ngàn mét đất và đá. Những lực này biến đổi một sinh vật sống thành khí tự nhiên.  Khí tự nhiên được tìm thấy trong các hồ chứa bên dưới bề mặt trái đất. Các lớp đá lớn bẫy khí tự nhiên khi nó trôi nổi lên bề mặt. Mặc dù các khu vực mà khí bị bẫy được gọi là hồ bơi. Các phân tử khí tự nhiên thực sự được giữ trong các lỗ nhỏ và vết nứt trong suốt quá trình hình thành đá. Page | 5 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn Hình 2-1 Khí tự nhiên trong tự nhiên 2.1.3. Xử lí khí tự nhiên  Khi khí thiên nhiên được khai thác khỏi mặt đất, nó được vận chuyển bằng đường ống dẫn khí đến một nhà máy tinh lọc và xử lý, nơi nó được chế biến.  Khí thiên nhiên được chế biến bằng các thiết bị tách lọc khí để loại bỏ các hợp chất không phải là hydrocarbon, đặc biệt là hydro sulfide cacbon dioxide. Hai quá trình sử dụng cho mục đích này là hấp thụ và hút bám (absorption and adsorption).  Quá trình hấp thụ sử dụng một chất lỏng hấp thụ khí tự nhiên và các tạp chất và phân tán chúng trong chất lỏng này. Trong một quá trình được gọi là hấp thụ hóa học, các tạp chất phản ứng với chất lỏng hấp thụ. Khí thiên nhiên sau đó thoát ra khỏi chất hấp thụ còn chất hấp thụ còn tạp chất ở lại trong chất lỏng. Các chất lỏng hấp thụ thường được sử dụng là nước, các dung dịch amin nước (aqueous amine) và cacbonat natri.  Quá trình hút bám là một quá trình cô đặc khí tự nhiên trên bề mặt một chất rắn hoặc một chất lỏng để loại bỏ tạp chất. Một chất thường được sử dụng cho mục đích này là cacbon (than), là chất có diện tích bề mặt trên đơn vị trọng lượng rộng. Ví dụ, các hợp chất lưu huỳnh trong phí tự nhiên được bề mặt hấp thụ của cacbon giữ lấy. Các hợp chất lưu huỳnh được kết hợp với hydro và oxi để tạo thành axit sulfuric và có thể loại bỏ.  Sau khi các tạp chất đã được loại bỏ trong các thiết bị tách lọc, khí thiên nhiên được vận chuyển đến các nhà máy chế biến nơi các hợp chất như etan, butan và các chất khác được tách ra để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Các chất êtan, propan, và butan được sử dụng rộng rãi trong ngành hóa dầu. Page | 6 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn Hình 2-2 Nhà máy chế biến khí tự nhiên 2.2. SỰ HÌNH THÀNH KHÍ LPG 2.2.1. Khái niệm khí LPG  Khí ga dầu mỏ (LPG) hay khí tự động là tên được gọi chung cho hỗn hợp của hidrocacbon (là sự kết hợp của 70% butan (C4H10), 30%(C3H8)) mà nó tồn tại ở dạng khí trong điều kiện bình thường và chuyển sang dạng lỏng bằng cách áp dụng áp suất vừa phải.  Khi lưu trữ dưới áp suất nó sẽ trở thành 1 chất lỏng đậm đặc cho phép 1 lượng lớn khí có thể được lưu trữ trong 1 khoảng không gian nhỏ. Hàm lượng năng lượng tương tự như xăng.  Vốn dĩ có đặc tính đốt sạch, LPG được biết đến trên toàn thế giới như là khí tự động, nó cho bạn 1 cuốc sống mới bởi vì nó mang lại nhiều lợi ích. Khí tự động có độ phổ biến đứng thứ 3 trong nguyên liệu ô tô và là nguyên liệu có thể thay thế sạch đứng thứ 1 trên thế giới 2.2.2. Lịch sử khí LPG  Khí dầu mỏ hoá lỏng được tìm thấy vào năm 1912 khi Dr. Walter Snelling, 1 nhà khoa học người Mỹ, nhận ra rằng khí có thể chuyển thành dạng lỏng và được lưu trữ dưới áp suất vừa phải. Từ 1912 đến 1920, việc sử dụng khí LPG được phát triển. Đầu tiên bếp ga LPG được sản xuất vào năm 1912, và nguyên liệu LPG cho ô tô được phát tiển vào năm 1913. Nền công nghiệp khí LPG bắt đầu vào khoảng trước chiến tranh thế giới I . Vào thời điểm đó, 1 vấn đề trong quá trình phân phối khí ga Page | 7 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn đã xuất hiện. Dần dần các cơ sở được tạo ra để làm mát và nén khí để có thể chuyển nó về dạng lỏng (bao gồm propan C3H8 và butan C4H10).LPG được bán thương mại vào 1920 2.2.3. Đặc tính của khí LPG:  Dễ cháy và nặng hơn không khí  Năng lượng nhiên liệu cao  Lưu trữ dưới áp suất dạng chất lỏng  Tỉ lệ hơi trên chất lỏng lớn  Nó dưới dạng khí ở điều kiện môi trường  Khi đặt trong xylanh, nó được lưu trữ ở dạng chất lỏng  Nó rất nhẹ  Không ăn mòn  Nó giống như nước và được tích tự ở nơi sâu hơn trong mặt đất hoặc ở chỗ khác Lưu ý :  có hai lưu ý khi sử dụng khí LPG.  Thứ nhất là có thể nổ nếu hỗn hợp khí LPG và không khí không đúng và nếu ở đó có nguồn lửa.  Thứ hai là ngạt thở do LPG đẩy không khí ra, điều này làm giảm khí oxy.  Ngoài ra, một chất tạo mùi được trộn với LPG dùng trong mục đích nhiên liệu có thể tìm ra dễ dàng chỗ rò rỉ. Số lượng lớn khí LPG có thể được lưu trữ trong bình và có thể chôn dưới mặt đất 2.2.4. Nguồn gốc  LPG là sản phẩm của 2 ngành công nghiệp năng lượng lớn : chế biến khí tự nhiên và lọc dầu thô  Trong chế biến khí tự nhiên : Khi khí tự nhiên được hút từ trái đất, nó là 1 hỗn hợp của 1 vài khí và dung dịch. Metan, nó được bán bởi các công ty khí đốt dưới dạng "khí tự nhiên", chiếm khoảng 90% trong hỗn hợp. 10% còn lại , 5% là propan và 5% là những khí khác như butan và etan  Trong tinh chế dầu thô : LPG là sản phẩm đầu tiên được sản xuất để chế tạo nhiên liệu nặng như diesel, nhiên liệu máy bay, dầu, xăng. Khoảng 3% 1 thùng dầu thô điển hình được tinh chế thành LPG, mặc dù có tới 40% những thùng dầu có thể chuển thành LPG. Trên toàn thế giới, lọc dầu thô là nguồn cung cấp khoảng 40% nguồn cung cấp LPG Page | 8 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn 2.3. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT KHÍ LPG  Về cơ bản quy trình sản xuấ t LPG gồ m các bước sau:  Làm sạch khí: loại bỏ các tạp chất bằng phương pháp lắng, lọc... Sau khi loại bỏ các tạp chất, khí nguyên liệu còn lại chủ yếu là các hydrocarbon như etan, propan, butan  Tách khí: hỗn hợp khí nguyên liệu cần được tách riêng từng khí để sử dụng và pha trộn cho từng mục đích sử dụng khác nhau. Có thể dùng các phương pháp tách khí như phương pháp nén, hấp thụ, làm lạnh từng bậc, làm lạnh bằng giãn nở khí…Qua hệ thống các dây chuyền tách khí có thể thu được propan và butan tương đối tinh khiết với nồ ng đô ̣ từ 96-98%  Pha trộn: các khí thu được riêng biệt lại được pha trộn theo các tỷ lệ thể tích khác nhau tùy theo yêu cầu. Hiện nay trên thị trường Việt Nam có khá nhiều loại LPG khác nhau do các hãng cung cấp với các tỷ lệ propan: butan là 30:70, 40:60, 50:50..  Sau đây em xin sử dụng quá trình sản xuất khí của Nhà máy Hazira 2.3.1. Nguyên liệu sản xuất và quá trình sản xuất LPG của Nhà máy Hazira 2.3.1.1. Nguyên liệu đầu vào  Khí ngọt (sweet gas) từ hệ thống GSU (Gas Sweetening Unit) :  Khí ngọt là khí tự nhiên có chứa rất ít hoặc không chứa hydro sunfua. H2S là không mong muốn do độc tính của nó ngoài việc ăn mòn tất cả các kim loại được sử dụng trong thiết bị xử lý, xử lý và vận chuyển khí. Việc không có H2S ăn mòn làm cho khí ngọt thân thiện với môi trường hơn, ngoài ra chi phí sản xuất đường ống và thiết bị đi kèm cũng thấp hơn cũng như chi phí lắp đặt và bảo trì thấp hơn.  Hệ thống GSU có mục tiêu chính là loại bỏ khí H2S từ khí chua (Sour gas) để cung cấp khí ngọt cho người dùng và là nguyên liệu cho hệ thống sản xuất LPG  Nước ngưng tụ (Condensate) từ hệ thống DPD (Dew Point Depression Unit)  Khí ngọt và khí khô được xử lý trong hệ thống DPD để làm giảm mực độ sương của khí hydrocacbon đến nhiệt độ mức thấp nhất. Khí cấp đầu tiên sẽ được làm lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt và tiếp tục được làm lạnh tới 5 độ C tại thiết bị làm lạnh. Nước ngưng tụ chứa hydrocacbon sẽ được sau khi tách sẽ được bơm đến nhà máy LPG. Page | 9 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn 2.3.1.2. Quá trình sản xuất khí LPG của Nhà máy Hazira Hình 2-3 Quy trình sản xuất khí LPG của nhà máy Hazira  Mô tả quá trình sản xuất khí LPG:  Hệ thống sản xuất khí LPG của công ty Hazira có các sản phẩm là khí nạc HP (HP Lean Gas), khí nạc LP (LP Lean Gas) , LPG và ARN  Hệ thống có 2 quá trình chính  Quá trình 1 : Xử lí khí ngọt (Sweet Gas) được cung cấp từ GSU. Trong quá trình này, khí ngọt sẽ được đưa đến bộ phận xấy khô (Drying) trước khi được đưa tới hệ thống làm lạnh (Chilling). Ở đây quá trình sẽ sinh ra 2 sản phẩm chính. Sản phẩm đầu tiên là khí nạc HP được làm lạnh và đưa tới nơi dự trữ. Sản phẩm thứ 2 là dòng chất lỏng chứa các khí cần thiết trong quá trình sản xuất khí LPG và được đưa tới tháp chung cất để kết hợp với dòng chất lỏng ở quá trình 2  Quá trình 2: Xử lí dòng chất lỏng ngưng tụ ngọt (Sweet Condensate) từ DPD. Trong quá trình này, dòng chất lỏng ngưng tụ ngọt sẽ được xấy khô và được đưa Page | 10 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn đến Tháp chưng cất. Ở trong tháp chưng cất sẽ sử dụng những hệ thống tách lọc khí để tách khí LPG và ARN. 2.3.2. Các chế độ chính trong quá trình sản xuất khí LPG của công ty Hazira 2.3.2.1. HP gas section Hình 2-4 HP GAS SECTION  Mô tả quá trình sản xuất khí trong HP Gas Section:  Khí ngọt được cung cấp từ GSU với hàm lượng 5 MMSCMD ở nhiệt độ 28 độ C sau khi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt E122 sẽ được chứa trong bồn chứa V101. Một phần khí sẽ được làm lạnh và ngưng tụ hoá lỏng và cung cấp cho chế độ Liquid Section. Phần còn lại sẽ được đưa qua hệ thống sấy khô khí (gas dryer) D101AB.  Khí sau khi được sấy khô sẽ được lọc trong X101A/B trước khi được làm lạnh trong Cold Box tới nhiệt độ -30 độ C và được chứa trong V102. Một phần khí trong bồn V102 sẽ được tách ra và đưa qua bộ Turbo-Expander làm giản nở đẳng hướng đến nhiệt độ -54 độ C và được lưu trữ trong bồn V-103. Các chất khí nặng hơn C3+ trong 2 bồn này sẽ được ngưng tụ thành dạng lỏng và được cung cấp tới chế độ Tháp chưng cất (LEF COLUMN) để sản xuất khí LPG  Ngoài ra sản phẩm trong chế độ này là khí nạc HP (HP Lean Gas) được sản xuất bằng cách trích xuất 1 phần khí ngọt được cung cấp sau đó đi qua hệ thống COMP (compressor), khí được nén lại đẳng hướng, nhiệt độ khí từ 28 độ C tăng Page | 11 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn lên 54 độ C, sau đó đi qua thiết bị làm lạnh và được lưu trữ trong bồn V-104. Khí nạc sẽ được nén tuỳ theo yêu cầu sử dụng của khách hàng 2.3.2.2. LIQUID SECTION Hình 2-5 LIQUID SECTION  Mô tả quá trình sản xuất trong LIQUID SECTION  Nước ngưng tụ được cung cấp từ DPD sẽ được làm lạnh thông qua E115 và kết hợp với khí ngọt đã được làm lạnh và ngưng tụ thành dạng lỏng được đưa vào dự trữ trong V115.  Một phần hỗn hợp trong V115 sẽ được đưa tới người sử dụng thông qua ổng phân phối, phần còn lại sẽ được lọc thông qua X102A/B và X103 và được đưa tới hệ thống sấy dung dịch (LIQUID DRYER). Sau khi sấy dung dịch sẽ được đưa tới tháp chưng cất (LEF COLUMN) để sản xuất khí LPG Page | 12 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn 2.3.2.3. LEF COLUMN và LPG COLUMN Hình 2-6 LEF COLUMN và LPG COLUMN  Mô tả quá trình sản xuất trong LEF COLUMN và LPG COLUMN  Ba dung dịch được cung cấp từ HP SECTION và LIQUID SECTION sẽ được lưu trự tại Tháp chưng cất (LEF COLUMN). Tháp chưng cất sử dụng hệ thống chưng cất (Condensate Fractionation Unit) để tách khí nạc LP (LP lean gas)bằng cách tại điểm cuối của tháp có gắn hệ thống tạo nhiệt. Khi dung dịch được đưa vào tháp và nằm ở đáy tháp, dung dịch sẽ được trích xuất đi qua hệ thống tạo nhiệt để làm bay hơi LP Lean Gas. LP Lean Gas sẽ được đưa lại vào tháp, dung dịch còn lại sẽ đi qua thành tách và được đưa đến tháp LPG (LPG COLUMN)  Khí LP Lean Gas sau khi được đưa trở lại tháp chưng cất (LEF COLUMN) sẽ được ngưng tụ và lưu trữ trong bồn V108 để cung cấp cho người sử dụng  Dung dịch sau khi được đưa vào tháp LPG cũng được làm nóng thông qua E109. Khí LPG sẽ được tách ra khỏi dung dịch và được đưa trở lại tháp LPG. Một phần dung dịch không qua E109 sẽ được phân tách trong tháp LPG và được làm lạnh để lưu trữ được gọi là khí NAPTHA.  Khí LPG sau khi được đưa về tháp LPG sẽ được làm lạnh và ngưng tự thành dạng lỏng và được lưu trữ trong bồn V109. Một phần khí LPG trong bồn V109 sẽ được trích xuất để đưa tới tháp tách Propan, phần còn lại sẽ đưa tới người sử dụng Page | 13 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn 2.4. ỨNG DỤNG TỰ ĐỘNG HOÁ 2.4.1. Điều khiển quá trình.  Điều khiển là quá trình tác động vào đối tượng công nghệ thông qua các cơ cấu chấp hành nhằm đảm bảo các thông số công nghệ nằm trong giới hạn yêu cầu.  Hệ thống điều chỉnh tự động là thiết bị, mà hoạt động của nó phụ thuộc vào các tác động bên ngoài. Khi có sự thay đổi tác động từ bên ngoài, hệ thống điều chỉnh tự động sẽ đưa ra những phản ứng thích hợp để duy trì các thông số điều chỉnh. 2.4.2. Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình  Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghiệp  Toàn bộ chức năng của hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp để phục vụ 5 mục đích chính sau đây:  Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru  Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm  Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn  Bảo vệ môi trường  Nâng cao hiệu quả kinh tế 2.4.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình Hình 2-7 Các thành phần cơ bản trong hệ thống điều khiển quá trình Page | 14 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn  Thiết bị đo : Cung cấp tín hiệu ra tỉ lệ theo 1 nghĩa nào đó với đại lượng đo. Một thiết bị đo gồm 2 thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và thành phần chuyển đổi đo (transducer)  Thiết bị điều khiển : là thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của hệ thống điều khiển công nghiệp. Tuỳ theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic controller), thiết bị điều khiển rời rạc (Digital controller)  Thiết bị chấp hành : Một hệ thống/thiết bị chấp hành nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và thực hiện các tác động can thiệp đến biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm, quạt gió 2.4.4. Cấu tạo hệ thống điều khiển quá trình Hình 2-8 Cấu tạo hệ thống điều khiển quá trình  Các giá trị trong hệ thống điều khiển quá trình  Reference Input (r(t)): tín hiệu vào là giá trị mà quá trình điều khiển cần đạt tới. Đây là giá trị mà người điều khiển mong muốn, là giá trị để cho quá trình công nghệ hoạt động ổn định.  System Output(c(t)) : chính là thông số cần điều chỉnh, có thể là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ…Mục đích chính của quá trình điều khiển là đưa giá trị của c(t) bằng giá trị của r(t) hoặc thay đổi xung quanh giá trị của r(t)  System Input (u(t)) : là tín hiệu điều khiển được đưa tới thiết bị chấp hành để thực hiện. Tín hiệu này phụ thuộc tín hiệu input r(t) và tín hiệu hồi tiếp cht(t)  Measured Ouput (cht(t)) : tín hiệu hồi tiếp là tín hiệu output của hệ thống mà thiết bị đo đã đo được và chuyển đổi với tỉ lệ đo tương ứng.  Error (e(t)) : tín hiệu sai số của tín hiệu input (c(t)) và tín hiệu hồi tiếp (cht(t)) để đưa vào bộ điều khiển với mục đích tính toán giá trị hợp lí cho hệ thống. Page | 15 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn 2.4.5. Các bộ điều khiển tiêu biểu 2.4.5.1. Bộ điều khiển dạng đóng mở (Digital On/Off)  Đây là dạng cổ điển nhất, nguyên lý hoạt động của chúng chỉ là đóng và mở khi giá trị cht(t) vượt qua một giá trị r(t) .  Khi đó xảy ra hai trường hợp  u(t) = 0 nếu cht(t) > r(t) và u(t) = 100 % nếu cht(t) < r(t);  Cũng có thể thiết lập u(t) = 0% nếu cht(t) < r(t) và u(t) = 100% nếu cht(t) > r(t)  Điều khiển đóng mở tuy không phổ biến nhưng cũng là không thể thiếu và có vai trò quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng start up, shutdown, an toàn nhà máy. 2.4.5.2. Bộ điều khiển dạng tuyến tính (P- only)  Khác với dạng đóng mở, dạng tuyến tính sẽ bắt đầu giảm sự dao động của biến điều khiển quá trình do tác động của nhiễu, khi đó OP của dạng này được định nghĩa như sau: u(t)=u+K p e(t) (1)  u là giá trị mà tại đó e(t) = 0, tức là khi cht(t) bằng r(t).  Kp hệ số tuyến tính  Từ phương trình (1) thấy rằng giá trị e(t) bằng 0 khi u(t) bằng u , hoặc Kp vô cùng lớn. Tuy nhiên Kp không thể lớn vô cùng vì Kp quá lớn sẽ dẫn đến những dao động mạnh làm quá trình hoạt động không bền vững.  Ưu điểm: Quá trình phản ứng với các tác động của biến nhiễu nhanh, nguyên lý hoạt động đơn giản.  Nhược điểm: Do quá trình hoạt động là liên tục, luôn có sự tác động của các biến nhiễu, nên u(t) không thể bằng u điều đó cũng có nghĩa rằng giá trị e(t) bao giờ cũng khác 0. Khi đó tồn tại một khoảng giá trị giữa cht(t) và e(t), và được gọi Steady State Error Page | 16 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn Dạng tuyến tính  Chính vì nhược điểm trên mà tín hiệu điều khiển dạng tuyến tính chỉ phù hợp khi sự sai lệch giữa cht(t) và r(t) không quan trọng , có thể sai lệch ở mức cho phép. 2.4.5.3. Bộ điều khiển dạng tuyến tính tích phân PI ( Proportional Integral)  Để cải thiện tính sai lệch của dạng tuyến tính người ta đưa thêm vào phương trình một số hạng tích phân, tăng khả năng khử nhiễu. Khi đó u(t) được xác định như sau u(t)=u+K p .e(t)+ Kp Ti  e(t)dt  Mặc dù thành phần tích phân làm cho giá trị e(t) có thể đạt tới 0 nhưng nó lại làm tăng tính dao động của tín hiệu điều khiển, đồng thời làm chậm sự phản ứng của quá trình điều khiển tới đối tượng điều khiển.  Ti gọi là hằng số thời gian tích phân (integral time).  Ti có mối quan hệ tương hỗ với khả năng kích hoạt của hàm tích phân. Giảm Ti sẽ làm tăng thời gian phản ứng điều khiển quá trình, làm cho quá trình trở lên khó bền vững, nếu tăng Ti sẽ làm giảm khả năng kích hoạt của hàm tích phân, giảm khả năng ảnh hưởng của hàm tích phân tới u(t). Do vậy phải chọn Ti một cách phù hợp với từng loại biến điều khiển. Đồng thời nên chọn lại giá trị Kp thấp hơn trong trường hợp có thêm thành phần tích phân.  Dạng PI là dạng tín hiệu điều khiển chính trong công nghệ hóa học vì nó vừa kết hợp được tính hội tụ tới r(t) vừa có thời gian phản ứng đủ nhanh Page | 17 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn Dạng tuyến tính – tích phân 2.4.5.4. Bộ điều khiển dạng tuyến tính – tích phân- vi phân (Proportional Integral Derivative)  Đây là dạng đầy đủ của phương trình u(t), khi đó phương trình có thêm thành phầ n vi phân : u(t)=u+K p .e(t)+ Kp Ti  e(t)dt+K pTd de(t) dt  Td : hằng số vi phân  Thành phần vi phân thêm vào có tác dụng tăng tốc độ thay đổi của e(t) để tiến tới 0, có nghĩa là thời gian hội tụ của quá trình điều khiển sẽ giảm  Tuy nhiên dạng điều khiển này không phù hợp với nguồn tín hiệu vào quá nhiễu vì khi đó thành phần vi phân sẽ không có tác dụng với quá trình. Lúc đó dạng tín hiệu PI sẽ phù hợp hơn. Dạng tuyến tính – tích phân- vi phân Page | 18 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn 2.4.5.5. Lựa chọn các thông số điều khiển trong công nghệ hóa học  Việc lựa chọn các hằng số Kp, Ti, Td là rất quan trọng, đây là ba tham số cơ bản của bộ điều khiển, quyết định đến khả năng bền vững của mô hình, cũng như ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của hệ thống đối với các tác động nhiễu.  Trong công nghệ hóa học có một số thông số thường được điều khiển là: điều khiển dòng (FIC), điều khiển áp suất (PIC), điều khiển mức chất lỏng (LIC) và điều khiển nhiệt độ (TIC). Bảng 6.1. Giá trị các hằng số Kp, Ti, Td Biến điều khiển Kp Ti Td Nhiệt độ 1-10 (1) 2-10 (10) 0-5 (0) Áp suất 2-10 (2) 2-10 (2) ít sử dụng 2 ít sử dụng ít sử dụng Mức chất lỏng (dạng PI) 2-10 (2) 1-10 (10) ít sử dụng Lưu lượng 0,1-0,65 (0,1) 0,05-0,25 (0,2) không sử dụng Mức chất lỏng (dạng P- only) ( ) là giá trị hay sử dụng trong nhiều trường hợp  Các tác động điều chỉnh chủ yếu của tháp chưng thường được chọn là lưu lượng hơi V và lưu lượng hồi lưu N.  Các tác động nhiễu có thể thuộc nhóm kiểm tra được như lưu lượng vào đĩa tiếp liệu F, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong dịch vào, entanpi riêng phần của hơi cấp nhiệt, lưu lượng nước làm lạnh cấp vào thiết bị ngưng tụ và nhiệt độ nước làm lạnh cấp vào thiết bị ngưng tụ hoặc nhóm các tác động nhiễu không kiểm tra được. Nhóm này gồm có nhiệt tổn thất vào môi trường xung quanh, sự thay đổi hiệu suất của các đĩa, của thiết bị truyền nhiệt và của các thiết bị khác. Tuy nhiên trong phần lớn các trường hợp các tác động nhiễu này xuất hiện trong khoảng thời gian dài, chính vì vậy mà khi nghiên cứu các chế độ không ổn định người ta thường bỏ qua.  Các tác động nhiễu thuộc nhóm kiểm tra được, tuỳ thuộc vào đối tượng cụ thể được thể hiện bằng các kiểu khác nhau. Đặc trưng hơn cả trong số các tác động nhiễu này là lưu lượng, nồng độ và nhiệt độ dung dịch vào đĩa tiếp liệu và vận tốc dòng hơi đi trong tháp. Page | 19 GVHD: Nguyễn Thị Chính Báo Cáo Thực Tập Chuyên Môn  Các thông số điều khiển có thể chọn là nhiệt độ, nồng độ pha hơi và nồng độ pha lỏng trong vùng kiểm tra, áp suất, nồng độ sản phẩm đỉnh và đáy, lưu lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, nhiệt độ sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, nhiệt độ nước làm lạnh sau thiết bị ngưng tụ, mức chất lỏng trong tháp. 2.4.6. Ứng dụng tự động hoá trong tháp chưng cất (LEF COLUMN)  Tháp chưng cất (LEF COLUMN) sử dụng hệ thống Condensate Fractionation Unit với mục đích tách khí LP Lean Gas ra khỏi hỗn hợp dung dịch khí LPG để đạt được khí LPG có hiệu suất tốt hơn Hình 2-9 Hệ thống Condensate Fractionation Unit  Để đảm bảo hiệu suất thu hồi LPG cao, tháp chưng cất phải đảm bảo các yêu cầu thiết kế một cách chặt chẽ.  Ở tháp chưng cất trong công nghiệp dầu khí sẽ có hình dạng trụ đứng. Vật liệu làm tháp được thiết kế dựa trên độ ăn mòn của nguyên liệu di chuyển bên trong tháp, áp suất , nhiệt độ làm việc, nhiệt độ môi trường. Tuy nhiên, thông thường tháp chưng cấtđược làm bằng thép. Chiều cao tháp được thiết kế dựa trên tổng số đĩa thực tế và khoảng cách giữa chúng. Thường khi đường kính tháp nằm trong khoảng 1 đến 5 m thì chiều cao tháp dao động trong khoảng từ 15 – 38 m. Bên trong tháp là một hệ thống các đĩa (mâm), ngoài ra còn có thêm cửa để có thể quan sát vệ sinh cũng như tiến hành sửa chữa, lắp đặt.  Đường kính: chủ yếu phụ thuộc vào công suất của tháp chưng cất, hay nói cách khác là lưu lượng dòng hơi và dòng lỏng đi vào bên trong tháp. Thông số đường Page | 20