- 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

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

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

- 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

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):


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)

*
[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

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


(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
=

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

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

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