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:

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 công 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


1.3.4. Nguyên lý làm việc của bể khử khí .................................................................... 23
1.3.5. Vai trò nhiệm vụ của khử khí đối với vận hành nhà máy .................................. 24
1.3.6. Các dòng công 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. MÔ HÌNH TOÁN BỂ KHỬ KHÍ VÀ TỔNG QUAN CÁC
PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỂ KHỬ KHÍ ...................................................... 29


3
2.1.

MÔ HÌNH TỔNG QUÁT BỂ KHỬ KHÍ .......................................................... 29

2.2.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN BỂ KHỬ KHÍ ................................................ 29

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

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

2.3.1. Tính các tham số bảo hòa ................................................................................... 34
2.3.2. Các tham số công nghệ của bể khử khí .............................................................. 35
2.4.

3.4.2. Thiết kế bộ điều khiển Feedforward ................................................................... 49
3.5.

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

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

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

4.1.1. Mô 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. Mô 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

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


22

2.1

Các tham số hơi, nƣớc ở trạng thái bảo hòa

34

2.2

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

35

2.3

Bảng tham số chế tạo và công 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


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 công 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


30

2.3

Mô 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


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 không
đổi)

46

3.8
3.9

Sơ đồ cân bằng các dòng công nghệ vào ra của bể khử khí
Cấu trúc feedforward cho điều khiển mức nƣớc 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



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


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 không ngƣng khác ra khỏi nƣớc
cấp cho Lò hơi và các thiết bị công nghệ nhằm tránh sự ăn mòn gây hƣ hỏng thiết bị.
Việc kiểm soát 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 lò hơi và các phân xƣởng công 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 công nghệ đầu ra, vì vậy đôi 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

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.



Mô hình hóa: xây dựng mô hình toán của đối tƣợng dựa trên các khái niệm, định
luật vật lý, định lí toán toán 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.



các phƣơng trình toán học mô tả đối tƣợng gọi là mô hình toán của đối tƣợng. Mô hình
toán 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 công nghệ, các
vòng 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 mô hình mô phỏng hệ thống điều
khiển, trình bày các kết quả mô 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 công trình trọng điểm quốc gia về dầu khí, tổng
vốn đầu tƣ trên 3 tỷ USD, công 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 quá trình công 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

đƣợc xây dựng tại xã Bình Trị nhƣ Hình 1.2

Hình 1.2: Toàn cảnh Phân xưởng công 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, hoàn chỉnh chuỗi các hoạt động từ
thăm dò, khai thác đến chế biến các sản phẩm Dầu khí.
Chính vì vai trò, 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 trò trung tâm.
1.1.2. Giới thiệu quá trình công 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 công nghệ Nhà máy nhƣ Hình 1.3

Hình 1.3: Sơ đồ dây chuyền công 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)











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 công 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


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 lò là dầu FO, khí thừa trong quá trình chƣng cất
dầu. Ngoài ra có một số lò hơi vệ tinh có công suất nhỏ tại các phân xƣởng công
nghệ.



Máy phát điện: Nhà máy có 4 máy phát dẫn động bằng tuốc bin hơi trích hơi,
công 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. Ngoài ra còn có 2 tuốc bin dẫn động
bơm cấp nƣớc chính cho lò hơi, công suất mỗi tuốc bin là 1.5MW, 4 tuốc bin hơi
dẫn động cho máy nén khí, công 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

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 công 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 lò 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 lò hơi không đƣợc duy trì
liên tục sẽ gây dừng các bơm nƣớc cấp cho các thiết bị quan trọng nhƣ lò hơi, dừng
các lò hơi, dừng toàn 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 đô 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 công trình quan trọng liên quan đến an
ninh quốc gia.
1.3. GIỚI THIỆU BỂ KHỬ KHÍ, VAI TRÒ CỦA BỂ KHỬ KHÍ TRONG NHÀ


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 vòi phun của bể khử khí DA-3201[13]