Tổng quan về hệ thống điều khiển trong nhà máy lọc dầu

Các nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển

Điều khiển đóng mở

Điều khiển đóng mở là hệ thống điều khiển tự động thường được sử dụng cho các nhà máy lắp ráp. Trong ngành công nghiêp hoá học nói chung cũng như trong ngành công nghệ lọc dầu và chế biến khí nói riêng, 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.

Những đầu vào, đầu ra của loại điều khiển này chỉ ở một trong hai trạng thái đóng hay mở (on hay off). Phương pháp điều khiển của loại này là logic, với cổng OR, AND, NAND vv....Cách đây 40 năm bộ điều khiển của loại này là một hệ thống rơle và rơle thời gian đặt trong tủ bảng. Với sự phát triển của ngành điện tử, bộ điều khiển có khả năng lập trình PLC (Programmable Logic Control) ra đời làm cho hệ thống rơle trở nên lỗi thời.

Điều khiển quá trình

Trong các nhà máy lọc dầu, hoá dầu, chế biến khí, người ta sử dụng chủ yếu loại điều khiển này. Quá trình sản xuất là liên tục, các thông số điều khiển bao gồm nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng, lưu lượng, độ pH, nồng độ vv...

Thiết bị đầu vào thường là từ các bộ chuyển đổi tín hiệu cho ra tín hiệu tương tự dạng chuẩn như 4-20 mA hoặc 3-15 psig. Thiết bị đầu ra thông thường là các van điều khiển. Phương pháp điều khiển thường là thuật toán điều khiển tỉ lệ (Proportional), tích phân (Integral) và vi phân (Differential) viết tắt là PID. [3]

Hệ thống điều khiển phân tán DCS trong nhà máy lọc dầu hiện đại

Do đặt thù có nhiều phân xưởng nằm phân tán trong một diện tích lớn và có rất nhiều đầu vào và đầu ra ứng với từng phân xưởng nên hầu hết các nhà máy lọc dầu hiện nay đều sử dụng hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System). Hệ thống được cấu thành bởi nhiều hệ thống nhỏ hơn nằm phân tán ở mỗi phân xưởng, mỗi hệ thống nhỏ này có nhiệm vụ đảm bảo quá trình điều khiển ở phân xưởng mà nó đảm nhiệm, nó chịu sự quản lý của các hệ thống chủ bên trên, có thể nhận hoặc cung cấp tín hiệu với các hệ thống chủ. Bản thân các hệ thống phân tán này sẽ quản lý trực tiếp các thiết bị tại hiện trường như van, cảm biến, mô tơ...

Tập hợp tất cả các dữ liệu từ các hệ thống phân tán ở từng phân xưởng sẽ được gởi lên các hệ thống cấp cao hơn, các hệ thống này thường được tập trung ở phòng điều khiển trung tâm của nhà máy, nơi mà các kỹ sư vận hành và nhà quản lý trực tiếp đưa ra những quyết định về chế độ hoạt động của nhà máy.

Ra đời từ giữa những năm 70, hệ thống điều khiển phân tán DCS đã mang đến một cuộc cách mạng thực sự cho phòng điều khiển trung tâm của các nhà máy lọc dầu bằng cách số hoá những vòng điều khiển và biểu diễn thông tin của quá trình lên màn hình điều khiển.

Mô hình hệ thống điều khiển DCS

Những lợi thế mà DCS mang lại có thể kể ra như: 

• Đảm bảo an toàn cao trong quá trình hoạt động.
• Lưu trữ các thông tin trong quá trình hoạt động phục vụ cho công tác thống kê, nghiên cứu, hoạch định chiến lược.
• Cung cấp cái nhìn tổng quát nhất về hoạt động của nhà máy.
• Các module tính toán cho phép triển khai các chiến lược điều khiển nhằm mục đích tối ưu hiệu quả công nghệ và hiệu quả kinh tế.
• Giao diện thân thiện với người vận hành bằng ngôn ngữ và hình ảnh... [3]

Một số kỹ thuật điều khiển thường dùng trong nhà máy

Điều khiển hồi tiếp Feed back control

Đây là phương pháp truyền thống để điều khiển một quá trình. Nội dung của phương pháp là đo biến quá trình cần điều khiển PV (Process Variable) và so sánh với giá trị đặt SP (Setpoint), căn cứ vào độ sai lệch e = SP - PV, bộ điều khiển sẽ cho ra tín hiệu điều khiển tương ứng làm thay đổi độ mở của van.

Sơ đồ điều khiển kiểu Feed back

Đa số các vòng điều khiển đơn giản trong công nghiệp đều sử dụng vòng điều khiển này.

• Ưu điểm: Thiết kế đơn giản, chi phí đầu tư rẻ.

Nhược điểm:

• Nhược điểm lớn nhất của vòng điều khiển này là bộ điều khiển chỉ can thiệp vào quá trình sau khi đã có tác động nhiễu ảnh hưởng đến quá trình.
• Chất lượng của quá trình điều khiển không cao.

Điều khiển nối tiếp Cascade control

Điều khiển nối tiếp là kỹ thuật điều khiển sử dụng hai bộ điều khiển bên trong một vòng điều khiển. Một bộ điều khiển được lồng vào trong một bộ điều khiển khác, đầu ra của bộ điều khiển thứ nhất là giá trị đặt SP (Set point) của bộ điều khiển thứ hai. Điều này có nghĩa rằng hai bộ điều khiển là không độc lập nhau mà liên kết cùng nhau nhằm mục đích điều khiển cho biến quá trình PV (Process Variable) đạt đến giá trị mong muốn SP.

Điều khiển nối tiếp có thể cải thiện được tính phản hồi và đạt đến tính dễ điều khiển cho quá trình, đặt biệt là đối với những quá trình mà có thời gian trễ đáng kể, hoặc thời gian đáp ứng của bộ điều khiển thứ nhất rất lớn. Hình bên là một ví dụ về hệ thống điều hòa với TRC trên đĩa nhạy cảm và hệ thống khống chế chất lượng sản phẩm.

Ví dụ về điều khiển Cascade

Các trường hợp sử dụng Cascade control: 

• Cải thiện đáp ứng của hệ thống và tăng tính dễ điều khiển.
• Thời gian chết (deadtime) của vòng điều khiển thứ nhất phải lớn. Nếu điều này không đáp ứng thì điều khiển cascade sẽ không hiệu quả.
• Đồng thời, động lực học toàn bộ của vòng thứ nhì phải nhanh hơn so với vòng thứ nhất.
• Ứng dụng của điều khiển cascade trong lĩnh vực công nghiệp hoá học có thể kể đến như sau
• Điều khiển mức chất lỏng LC thông qua việc điều khiển lưu lượng qua van FC.
• Điều khiển nhiệt độ tại một đĩa trong tháp (thông thường là đĩa nhạy cảm). hoặc  nhiệt độ đỉnh tháp TC thông qua việc điều khiển dòng hồi lưu FC.
• Điều khiển nhiệt độ tại một đĩa trong khu vực đáy tháp (thông thường là đĩa nhạy cảm)  TC thông qua việc điều khiển dòng nhiệt cung cấp FC.
• Điều khiển nhiệt độ trong thiết bị phản ứng TC thông qua việc điều khiển dòng nhiệt đun nóng hoặc làm lạnh...

Điều khiển sớm Feed forward control:

Điều khiển Feed forward còn gọi là kỹ thuật điều khiển sớm, với kỹ thuật này, thiết bị điều khiển sẽ đo sự nhiễu loạn ảnh hưởng đến quá trình và phản ứng lại tương ứng. Điều này có nghĩa là chất lượng của quá trình điều khiển sẽ được cải thiện đáng kể vì biến nhiễu sẽ không gây tác động đến hệ thống, nó đã được đo và điều khiển trước bởi bộ điều khiển.

Trường hợp sử dụng được Feed forward

Mặc dầu có những lợi thế đáng kể là khử được tác động của nhiễu ảnh hưởng đến quá trình, tuy nhiên không phải tất cả các quá trình đều có thể triển khai được kỹ thuật điều khiển Feed forward này.

Do bản chất của điều khiển này là phản ứng chống lại nhiễu trước khi nó tác động đến quá trình nên ta cần phải biết được những thông tin về nhiễu, đó là: 

• Độ lớn của biến nhiễu, nghĩa là biến nhiễu trong trường hợp này phải đo được, biến nhiễu thường gặp nhất là nhiễu nhiệt độ và nhiễu lưu lượng.
• Cách thức mà nhiễu tác động đến quá trình, nghĩa là ta phải biết được mô hình toán học của nó, điều này sẽ giúp bộ điều khiển thiết lập nên thuật toán điều khiển để khử được nhiễu này.

Nếu không có được hai thông tin trên thì kỹ thuật điều khiển Feed forward sẽ không có tác dụng.

Ví dụ dưới đây là hệ thống điều khiển feed forward để điều hòa hoạt động của tháp chưng cất 2 sản phẩm sử dụng TRC trên đĩa nhạy cảm, tác động lên công suất của thiết bị đun sôi lại khi nguyên liệu thay đổi.

Ví dụ về điều khiển Feed forward

Sự kết hợp giữa Feed back và Feed forward

Đây là phương pháp sử dụng phổ biến nhất trong các vòng điều khiển công nghiệp. Để giải thích lợi ích của sự kết hợp này, ta nghiên cứu sơ đồ điều khiển sau cho mục đích điều khiển nồng độ sản phẩm ra.

Mô hình điều kiển kết hợp Feed back và Feed forward

So sánh với sơ đồ Hình 1.4 khi mà không có khâu phản hồi, ta nhận thấy rằng khi có các biến nhiễu như nhiệt độ hoặc nồng độ của dòng nguyên liệu thì chất lượng điều khiển cũng sẽ không cao.Trong trường hợp này, với sự kết hợp của vòng điều khiển Feed back thì chất lượng của việc điều khiển được cải thiện đáng kể, kể cảtrong trường hợp có các tác động nhiễu của nhiệt độ hoặc nồng độ dòng nguyên liệu.

Kỹ thuật điều khiển bằng computer

Đây là một kỹ thuật điều khiển hiện đại nhờ vào sự phát triển của các kỹ thuật tính toán.

Với máy tính, một mô hình mô phỏng toàn bộ quá trình điều khiển có thể được thực hiện. Mô hình này có thể tính toán đầu ra cho các van điều khiển và các thiết bị chấp hành khác.

Kỹ thuật điều khiển có lựa chọn Override control:

Điều khiển có lựa chọn là kỹ thuật điều khiển mà trong đó biến điều chỉnh có thể được điều khiển bởi một trong nhiều biến quá trình khác nhau.

Ví dụ minh hoạ dưới đây cho thấy biến điều chỉnh chính là lưu lượng dòng nhiệt đi qua Reboiler có thể được điều khiển thông qua mức chất lỏng hoặc là nhiệt độ của đáy tháp. Ở đây ta sẽ phân tích kỹ điều này.

Trong thực tế có nhiều trường hợp mà vòng điều khiển tiếp nhận dữ liệu của nhiều biến quá trình.

Ứng dụng phổ biến nhất của kỹ thuật điều khiển này là trong việc startup hoặc shut down nhà máy.

Hiện nay công nghệ điều khiển hiện đại sử dụng để điều khiển quá trình là kỹ thuật APC (Advance Processec Control), tuy nhiên trong phần mềm mô phỏng động Dynsim không sử dụng nên ta không nghiên cứu sâu. [1], [3]

Tài liệu tham khảo:
[1]. William L. Luyben, Pade S. Buckley, Joseph P. Shunta, Design of distillation column control system, 2005.
[2]. TS Nguyễn Đình Lâm. Giáo trình các quá trình phụ trợ trong công nghệ lọc dầu.
[3]. Phạm Văn Hoanh. Đề tài tốt nghiệp. Lớp 01H5

Theo: hiendaihoa