LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô

giáo trường Đại học Mỏ - Địa chất , các thầy cô giáo trong bộ môn Lọc Hóa Dầu khoa

Dầu khí .Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến giáo viên hướng dẫn –TS Nguyễn Anh

Dũng đã tận tình giúp đỡ em tiến hành thực hiện và thu thập số liệu cần thiết để em hoàn

thành bản đồ án này.

Cuối cùng ,em xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ và những người thân trong gia

đình,những người đã luôn động viên em về mặt tinh thần để em có thể hoàn thành bản đồ

án này.

Trong quá trình thực hiện đồ án,mặc dù em đã hết sức cố gắng nhưng do kiến thức và

kinh nghiệm tiếp xúc thực tế còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót

trong quá trình làm đồ án . Vì vậy, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô, ý

kiến đóng góp của các bạn trong lớp để đồ án này hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội , ngày 21 tháng 11 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Bạch Văn Nam

1

MỤC LỤC

NỘI DUNG

LỜI CẢM ƠN...................................................................................................................iii

MỤC LỤC.........................................................................................................................vi

DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................................................x

MỞ ĐẦU.............................................................................................................................1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT.....................................3

1.1.Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất....................................................................3

1.2.Nguyên liệu dầu thô của quá trình chưng cất............................................................3

1.2.1.Thành phần hóa học của dầu thô........................................................................3

1.2.2.Các đặc tính quan trọng của dầu thô...................................................................4

1.3.Các sản phẩm của quá trình chưng cất......................................................................6

1.3.1.Phân đoạn khí hydrocacbon................................................................................6

1.3.2.Phân đoạn xăng..................................................................................................6

1.3.3.Phân đoạn kerosen..............................................................................................7

1.3.4.Phân đoạn gasoil nhẹ..........................................................................................7

1.3.5.Phân đoạn gasoil nặng........................................................................................7

1.3.6.Phân đoạn cặn dầu mỏ (cặn gurdon)...................................................................8

1.4.Phân loại các quá trình chưng cất.............................................................................9

1.4.1.Chưng cất đơn giản.............................................................................................9

1.4.2.Chưng cất phức tạp...........................................................................................12

2

1.4.3.Chưng cất chân không và chưng cất bằng hơi nước.........................................15

1.5.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất.......................................................16

1.5.1.Chế độ nhiệt của tháp chưng luyện...................................................................16

1.5.2.Áp suất của tháp chưng luyện...........................................................................17

1.5.3.Những điểm cần chú ý khi điều chỉnh, khống chế chế độ làm việc của tháp

chưng cất...................................................................................................................18

1.6.Các điều kiện cần thiết để đảm bảo cho việc chưng cất..........................................19

1.7.Cân bằng vật chất cho tháp chưng cất.....................................................................19

CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG.................................................22

2.1.Khái quát chung về điều khiển................................................................................22

2.1.1.Các khái niệm cơ bản.......................................................................................22

2.1.2.Phân loại hệ thống điều chỉnh tự động..............................................................23

2.2.Cơ sở về điều khiển quá trình.................................................................................24

2.2.1.Khái niệm.........................................................................................................24

2.2.2. Phân loại quá trình..........................................................................................26

2.2.3.Mục đích và chức năng điều khiển quá trình....................................................27

2.2.4.Các thành phần cơ bản của hệ thống.................................................................28

2.2.5.Mô tả chức năng hệ thống................................................................................30

2.3.Các sách lược điều khiển cơ sở...............................................................................31

2.3.1.Điều khiển truyền thẳng...................................................................................31

2.3.2.Điều khiển phản hồi..........................................................................................34

2.3.3.Điều khiển tỉ lệ.................................................................................................38

2.3.4 Ðiều khiển tầng................................................................................................40

3

2.3.5.Điều khiển suy diễn..........................................................................................44

2.3.6.Điều khiển lựa chọn..........................................................................................45

2.3.7.Điều khiển phân vùng.......................................................................................47

2.4.Đánh giá các sách lược điều khiển..........................................................................47

2.5.Các khí cụ đo thường được sử dụng........................................................................49

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THÁP CHƯNG

CẤT...................................................................................................................................50

3.1.Mô tả bài toán điều khiển........................................................................................50

3.1.1.Mục đích điều khiển.........................................................................................50

3.1.2.Phân biệt các biến quá trình..............................................................................50

3.1.3.Mô hình đơn giản.............................................................................................51

3.2.Sách lược điều khiển...............................................................................................52

3.2.1.Mô tả sơ đồ P&ID............................................................................................52

3.2.2.1.Sơ đồ điều khiển đơn giản.............................................................................52

3.2.2.2.Sơ đồ điều khiển kết hợp...............................................................................53

3.3. Một số sơ đồ điều khiển nhiệt độ tháp chưng cất thực tế.......................................56

3.4.Đánh giá cấu trúc và các sách lược điều khiển được áp dụng.................................58

TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................61

4

DANH MỤC HÌNH VẼ

STT Tên Nội dung Trang

1 Hình 1.1 Sơ đồ tháp chưng cất bay hơi dần dần 7

2 Hình 1.2 Sơ đồ chưng cất bay hơi một lần 8

3 Hình 1.3 Sơ đồ tháp chưng cất bay hơi nhiều lần 9

4 Hình 1.4 Sơ đồ tháp chưng cất có hồi lưu 11

5 Hình 1.5 Sơ đồ tháp chưng cất tinh luyện 12

6 Hình 1.6 Sơ đồ khối phân xưởng CDU 17

7 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 19

8 Hình 2.2 Quá trình kỹ thuật nhìn từ quan điểm hệ thống 22

9 Hình 2.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 25

10 Hình 2.4 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển quá trình 25

11 Hình 2.5 Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng 27

12 Hình 2.6 Cấu hình song song của điều khiển truyền thẳng 28

13 Hình 2.7 Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi 30

14 Hình 2.8 Hai cấu hình của điều khiển tỉ lệ 34

15 Hình 2.9 Hai cấu trúc điều khiển tầng 36

16 Hình 2.10 Điều khiển lấn át 40

17 Hình 2.11 Điều khiển giới hạn 40

18 Hình 2.12 Cấu trúc điều khiển phân vùng 41

19 Hình 3.1 Mô hình đơn giản hóa cho quá trình nhiệt ở dòng sản phẩm

đỉnh

45

20 Hình 3.2 Điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất 46

21 Hình 3.3 Sơ đồ P&ID cho hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp 47

22 Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ và lưu lượng hồi

lưu dòng sản phẩm đỉnh

48

23 Hình 3.5 Sơ đồ đo và điểu khiển quá trình chưng cất dầu thô ở áp 51

5

suất khí quyể

6

MỞ ĐẦU

Trong công nghiệp nói chung và ngành dầu khí nói riêng, người ta cần phải đo và kiểm

tra thường xuyên các đại lượng như: áp suất, nhiệt độ, nồng độ, lưu lượng….Đó là những

quá trình đo liên tục. Các tín hiệu đo từ các cảm biến được gửi về các trung tâm xử lý số

liệu. Do đó đảm bảo chính xác các thông số này có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sản

suất và chế biến dầu khí.

Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới, nhưng luôn chiếm vị trí quan

trọng hàng đầu trong tự động hóa công ngiệp. Ngày nay các nhà máy xí nghiệp đã và

đang được trang bị các hệ thống điều khiển tự động ở mức độ cao với các thiết bị tiên

tiến. Bất cứ một nhà máy lọc dầu nào đều không thể vận hành được nếu thiếu hệ thống

điều khiển tự động. Hệ thống điều khiển tự động đảm bảo cho sựu hoạt động của quy

trình công nghệ đạt được kết quả mong muốn.

Việc ứng dụng rộng rãi tự động hóa điều khiển quá trình các quá trình công nghệ đang

là một trong các yếu tố then chốt để thúc đẩy tiến bộ kỹ thuật của ngành công nghệ. Tại

Việt Nam ngành dầu khí là một ngành công nghệ rất non trẻ, ngành công nghệ lọc dầu là

ngành mớ bắt đầu sản xuất ở Việt Nam, hầu hết các thiết bị của ngành đều là các thiết bị

nhập ngoại. Việc khai thác sử dụng các thiết bị đều phụ thuộc nhiều vào nước ngoài, đặc

biệt là các thiết bị điều khiển, nên giá thành đắt. Việc nghiên cứu, nắm vững quy trình

công nghệ nhà máy lọc dầu và các hệ thống điều khiển nhằm khai thác có hiệu quả và tìm

cách tiếp cận thay thế dần các thiết bị điều khiển trong nước là một vấn đề cần được quan

tâm. Hướng nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại đang góp phần rất lớn

trong việc tự động hóa quá trình sản xuất, khai thác một cách triệt để và tối ưu hóa chất

lượng sản phẩm, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong công nghiệp khai thác và chế biến

dầu khí.

1

Do đó với bản đồ án tốt nghiệp “Bước đầu tìm hiểu hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh

tháp chưng cất đơn giản” mà em được giao. Em hy vọng mình sẽ nắm bắt, bổ sung thêm

kiến thức và hiểu rõ hơn về hệ thống điều khiển quá trình.

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT

1.1.Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất

Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử

riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp, trong đó vật

chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại.

Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm khác nhau và thường có bao nhiêu cấu

tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Quá trình chưng cất dầu là một quá trình vật lý

phân chia dầu thô thành các phân đoạn khác nhau. Quá trình này được thực hiện bằng

các biện pháp khác nhau nhằm tách các thành phần dầu theo nhiệt độ sôi của các cấu

tử có trong dầu mà không làm phân hủy chúng. Hơi nhẹ bay lên ngưng tụ thành phần

lỏng.

1.2.Nguyên liệu dầu thô của quá trình chưng cất

1.2.1.Thành phần hóa học của dầu thô

Trong dầu thô có chứa tới hàng trăm tạp chất khác nhau,nhưng nguyên tố cơ bản

chứa trong dầu khí phần lớn là cacbon C và hydro H (C chiếm 84-87%, H chiếm 11-

14%), ngoài ra các nguyên tố cơ bản trên còn có các nguyên tố khác như lưu huỳnh S

chiếm đến 5%, nitơ chiếm đến 1%, oxy chiếm đến 1% và một lượng rất nhỏ các nguyên

tố khác.

Các hợp chất hydrocacbon phổ biến nhất trong dầu khí có thể trình bày như sau:

Hydrocacbon parafin RHp: Các hydrocacbon parafin có công thức tổng quát

là CnH2n+2, trong đó năng lượng là số nguyên tử cacbon trong mạch.

Hydrocacbon naphtenic RHn (hay còn gọi là cycloparafin): Loại hợp chất

này có công thức tổng quát là CnH2n.

Hydrocacbon thơm RHa (hydrocacbon aromatic): hydrocacbon thơm có

công thức tổng quát CnH2n-6.

3

Các hợp chất phi hydrocacbon: Thường gặp nhất là những hợp chất của lưu

huỳnh, nitơ, oxy, các chất nhựa, asphanten và kim loại. Nói chung các hợp chất phi

hydrocacbon đều có hại cho dầu mỏ trong quá trình chưng cất nên chúng cần được loại

bỏ.

1.2.2.Các đặc tính quan trọng của dầu thô

1.2.2.1Tỷ trọng

Tỷ trọng là khối lượng của dầu so với khối lượng của nước ở cùng một nhiệt độ

và thể tích. Tỷ trọng của dầu thô dao động trong khoảng rộng tùy thuộc vào từng loại

dầu, thông thường nó có giá trị từ 0,8 đến 0,99. Tỷ trọng của dầu là một tính chất vô cùng

quan trọng trong việc đánh giá chất lượng của dầu thô và giá của nó trên thị trường thế

giới.

1.2.2.2.Độ nhớt của dầu và sản phẩm dầu

Độ nhớt đặc trưng cho tính lưu biến của dầu cũng như ma sát nội tại của dầu. Do

vậy, độ nhớt cho phép đánh giá khả năng bơm vận chuyển và chế biến dầu, đánh giá khả

năng bôi trơn, tạo sương mù khi bơm vào động cơ, lò đốt.

Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng, độ nhớt giảm. có 2 loại độ

nhớt:

Độ nhớt động học (St hay cSt)

Độ nhớt quy ước (độ nhớt biểu kiến) còn gọi là độ nhớt Engler

1.2.2.3.Nhiệt độ sôi trung bình

Nhiệt độ sôi trung bình của dầu thô và các phân đoạn dầu có quan hệ với các tính

chất vật lý khác nhau như tỷ trọng, độ nhớt, hàm nhiệt và trọng lượng phân tử của dầu.

Do vậy nó là một thông số quan trọng được sử dụng trong đánh giá và tính toán công

nghệ chế biến dầu. Từ đường cong chưng cất ta dễ dàng xác định được nhiệt độ sôi trung

bình thể tích hay trọng lượng bằng các đồ thị chuyển đổi, ta có thể xác định được nhiệt độ

sôi trung bình mol,nhiệt độ sôi trung bình.

1.2.2.4. Hệ số đặc trưng K

4

Được sử dụng để phân loại dầu thô, tính toán thiết kế hay lựa chọn công nghệ chế

biến thích hợp, K có quan hệ với tỷ trọng , trọng lượng phân tử và cả trị số octan hay

xetan của các sản phẩm dầu, K được tính theo công thức sau :

K=

Trong đó :

Ts :là nhiệt độ sôi trung bình tính theo độ Rankine (˚R)

d :là tỷ khối của dầu ở 60 so với nước ở 60

K : là hệ số đặc trưng watson

Dầu thô Việt nam thuộc họ dầu parafinic trong số các mỏ dầu đang khai thác hiện

nay ở Việt nam, thông qua các nghiên cứu về dầu mỏ Bạch Hổ và Ðại Hùng ta có thể rút

ra những tính chất đặc trưng quan trọng :

Dầu thô Việt nam thuộc loại nhẹ vừa phải, có tỷ trọng nằm trong giới hạn

0,830 – 0,850. Đặc tính này quyết định tổng hiệu suất sản phẩm trắng (xăng, diesel,

kerosen) trong dầu thô cao hay thấp. Dầu càng nhẹ tổng hiệu suất càng cao và dầu đó

càng có giá trị. Đối với dầu thô Việt nam, tổng hiệu suất sản phẩm trắng từ 50%-60%

khối lượng dầu thô.

Dầu thô Việt Nam, là loại dầu sạch, chứa ít các độc tố, rất ít lưu huỳnh,

nitơ, kim loại nặng. Mỏ Bạch Hổ chứa 0.03% -0,05% lưu huỳnh, dầu thô Đại Hùng chứa

0,08%. Những loại dầu thô ít lưu huỳnh như vậy trên thế giới rất hiếm.

1.2.2.5. Thành phần phân đoạn

Trong dầu thô có nhiều phân đoạn khác nhau, dựa vào tên chế biến sản phẩm dầu

thô được chia thành các phân đoạn như sau :

Phân đoạn khí: bao gồm các hydrocacbon từ C1 đến C4.

Phân đoạn xăng: gồm các hợp chất có nhiệt độ sôi vào khoảng từ 30˚C tới

180˚C.

Phân đoạn kerosen: gồm các hợp chất có khoảng nhiệt độ sôi từ 180˚C tới

250˚C.

Phân đoạn gasoil: gồm các hợp chất có nhiệt độ sôi từ 250˚C tới 350˚C.

5

Cặn chưng cất áp suất thường hay còn gọi là mazut có nhiệt độ sôi trên

350˚C.

Phân đoạn dầu nhờn (hay là gasoil nặng ): gồm các hợp chất có nhiệt độ sôi

từ 350˚C tới 500˚C.

Phân đoạn gurdon, bitum có nhiệt độ sôi trên 500˚C.

1.3.Các sản phẩm của quá trình chưng cất

Khi tiến hành chưng cất dầu mỏ chúng ta nhận được nhiều phân đoạn và sản phẩn

dầu. chúng được phân biệt với nhau bởi giới hạn nhiệt độ sôi (hay khoảng nhiệt độ

chưng), bởi thành phần hydrocacbon, độ nhớt, nhiệt độ chớp cháy, nhiệt độ đông đặc, bởi

nhiều tính chất có liên quan đến việc sử dụng chúng.

1.3.1.Phân đoạn khí hydrocacbon

Phân đoạn khí bao gồm các hydrocacbon từ C1÷ C4 và một lượng ít C5÷ C6. Khí

thu được chủ yếu là C3, C4. Tùy thuộc vào công nghệ chưng cất, mà phân đoạn C3, C4

thu được ở thể khí hay đã được nén hóa lỏng.

Phân đoạn này thường được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình phân tách khí

để nhận các khí riêng biệt cho các quá trình chế biến tiếp thành những hóa chất cơ bản.

1.3.2.Phân đoạn xăng

Với khoảng nhiệt độ sôi dưới 1800C phân đoạn xăng bao gồm cac hydrocacbon từ

C5÷ C10, C11 đó là các parafin, naphten và aromatic.Tuy nhiên thành phần và số lượng

giữa thì khác nhau phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô ban đầu.

Ngoài hydrocacbon, trong phân đoạn xăng còn có các hợp chất của lưu huỳnh,

nitơ, oxy,…

Xăng được sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ xăng. Ngoài ra, xăng còn được

dùng trong các ngành công nghiệp như sơn, cao su, keo dán, hương liệu, dược liệu,…

Đặc biệt, xăng sử dụng làm nguyên liệu tổng hợp hóa dầu hay còn còn gọi là phân

đoạn naphtha. Từ phân đoạn này người ta sản xuất được các hydrocacbon thơm khác như

benzen,tuloen,…

6

1.3.3.Phân đoạn kerosen

Phân đoạn này được gọi là dầu lửa, có nhiệt độ sôi từ 180 ÷ 250˚C, bao gồm các

hydrocacbon có số cacbon từ C11 ÷ C15,C16.

Thành phần chủ yếu là các n-parafin và rất ít iso-parafin. Các hydrocacbon

naphten và thơm, ngoài loại có cấu trúc một vòng và nhiều nhánh phụ, còn có mặt của

hợp chất hai hoặc ba vòng. Trong kerosen bắt đầu có sự hiện diện của hydrocacbon có

cấu trúc hỗn hợp giữa vòng thơm và vòng naphten như tetralin và đồng đẳng của nó. Các

hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ, oxy tăng dần.

Phân đoạn kerosen được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho đông cơ phản lực và

dầu hỏa dân dụng trong đó làm nhiên liệu cho phản lực là ứng dụng chính.

1.3.4.Phân đoạn gasoil nhẹ.

Phân đoạn gasoil nhẹ hay còn gọi là phân đoạn dầu diesel, có khoảng nhiệt độ sôi

từ 250 ÷ 350˚C và chứa các hydrocacbon có số cacbon từ C16 ÷ C21.

Trong phân đoạn này, phần lớn các n-parafin và iso-parafin, còn hydrocacbon

thơm rất ít. Ngoài naphten và thơm hai vòng là chủ yếu, những chất có ba vòng bắt đầu

tăng lên còn có các hợp chất với cấu trúc hỗn hợp (giữa naphten và thơm). Hàm lượng

lưu huỳnh, nitơ, oxy tăng nhanh.

Phân đoạn gasoil của dầu mỏ được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho động cơ

diesl, đây là một loại nhiên liệu động cơ hiện nay được sử dụng khá phổ biến trên thế

giới.

1.3.5.Phân đoạn gasoil nặng.

Với khoảng sôi từ 350 ÷ 500˚C, phân đoạn gasoil năng bao gồm các hydrocacbon

từ C21÷ C35, hoặc có thể lên tới C40.

Do có phân tử lượng lớn nên thành phần hóa học của phân đoạn này khá phức tạp,

bao gồm một ít các n-và iso-parafin, lượng naphten và thơm nhiều. Ở phân đọan gasoil

nặng, hàm lượng của lưu huỳnh, nitơ, oxy tăng mạnh, hơn 50% lượng lưu huỳnh có trong

dầu mỏ tập trung ở phân đoạn này, gồm các dạng như disunfua, thiophen, sunfua vòng,

….Các chất nitơ thường ở dạng đồng đẳng của piridin, pyrol và cacbazol. Các hợp chất

7

của oxy ở dạng các axít. Các kim loại nặng như V, Ni, Cu, Pb,…các chất nhựa, asphanten

cũng có mặt trong phân đoạn này.

Ứng dụng chủ yếu của phân đoạn gasoil nặng là sản xuất dầu nhờn. Ngoài ra, nó

còn được dùng để sản xuất các sản phẩm trắng, đây là tên gọi của ba loại nhiên liệu, đó

là: xăng, kerosen, diesel. Để làm tăng số lượng các nhiên liệu này, người ta tiến hành

phân hủy gasoil nặng bằng phương pháp cracking hoặc hydrocracking. Với cách này, có

thể biến các cấu tử nặng C21+C40 thành xăng (C5+C11), kerosen (C11+C16), diesl (C16+C20).

Nhờ vậy mà nâng cao được hiệu quả sử dụng dầu mỏ.

1.3.6.Phân đoạn cặn dầu mỏ (cặn gurdon)

Gurdon là phần còn lại sau khi đã tách các phân đoạn ở trên, có nhiệt độ sôi lớn

hơn 500˚C, gồm các hydrrocacbon có số nguyên tử cacbon lớn hơn C41 và có thể lên đến

C80.Thành phần hóa học của phân đoạn này khá phức tạp và có thể phân thành ba nhóm

sau :

Nhóm chất dầu (chiếm khoảng 45 ÷ 46%): bao gồm các hydro cacbon có

phân tử lượng lớn, tập trung nhiều các hợp chất thơm, có độ ngưng tụ cao, cấu trúc hỗn

hợp nhiều vòng giữa thơm và naphten, đây là nhóm hợp chất nhẹ nhất, có tỉ trọng gần

bằng 1, hòa tan trong xăng , n-pentan,…nhưng không hòa tan trong cồn .

Nhóm chất nhựa (chiếm khoảng 11÷16%): ở dạng keo quánh gồm thành

phần trung tính gồm thành phần axít.Các chất trung tính có màu đen hoặc nâu, nhiệt độ

hóa mềm nhỏ hơn 100˚C. Tỉ trọng lớn hơn 1, dễ hòa tan trong xăng và naphtha. Các chất

axít là chất có nhóm –COOH, có màu nâu sẫm, tỉ trọng lớn hơn 1, dễ hòa tan trong

clorofom và rượu etylic

Nhóm asphanten: là nhóm chất rắn có màu đen cấu tạo tinh thể , tỉ trọng lớn

hơn1, chứa phần lớn các hợp chất dị vòng và có khả năng hòa tan mạnh trong cacbon

disunfua. Khi đun ở nhiệt độ 300˚C không bị nóng chảy mà cháy thành cho.

Ngoài những nhóm này, trong cặn gurdon còn có các hợp chất của kim loại nặng.

Cặn gurdon được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như sản xuất bitum, than

cốc, bồ hóng, nhiên liệu đốt lò, trong sản xuất bitum là chủ yếu.

8

1.4.Phân loại các quá trình chưng cất

Tùy theo các biện pháp tiến hành chưng cất mà người ta phân chia các quá trình

chưng cất thành các quá trình như: chưng đơn giản, chưng phức tạp, chưng cất nhờ cấu

tử bay hơi, chưng cất trong chân không.

1.4.1.Chưng cất đơn giản

Chưng cất đơn giản là quá trình chưng cất được tiến hành bằng cách bay hơi

dần dần, một lần hay nhiều lần không có hồi lưu. Phương pháp này áp dụng để tách

các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau, tách sơ bộ và làm sạch các

cấu tử khỏi tạp chất.

Chưng bay hơi dần dần

Hình 1.1 : Sơ đồ tháp chưng cất bay hơi dần dần

Trong đó :

1.Bình chưng

2.Thiết bị đun sôi

3.Thiết bị ngưng tụ

4.Bình thu sản phẩm

Nguyên tắc hoạt động : Thiết bị (2) đốt nóng liên tục hỗn hợp chất lỏng trong

bình chưng (1), từ nhiệt độ thấp tới nhiệt độ sôi cuối khi liên tục tách hơi sản phẩm và

ngưng tụ hơi bay ra trong thiết bị ngưng tụ (3) và thu được sản phẩm lỏng trong bể

chứa (4).

Phương pháp này thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm.

Chưng cất bay hơi một lần: Còn được gọi là bay hơi cân bằng. Nguyên

liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ và áp suất nhất định. Pha lỏng – hơi được tạo thành và

9

đạt đến trạng thái cân bằng thì cho vào tháp. Pha hơi qua thiết bị ngưng tụ sau đó lấy

sản phẩm hơi đem ngưng tụ ta thu được chất có nhiệt độ sôi thấp nhất.

Hình 1.2 : Sơ đồ chưng cất bay hơi một lần

Trong đó :

1. Tháp chưng

2. Thiết bị đun sôi

3. Thiết bị ngưng tụ

4. Bể chứa

I. Nhiên liệu ban đầu

II. Phần cất

III. Phần cặn

Nguyên lý hoạt động: Hỗn hợp chất lỏng được cho liên tục vào thiết bị đun sôi

(2), ở đây hỗn hợp được đun nóng đến nhiệt độ xác định và áp suất P cho trước. Pha

lỏng - hơi được tạo thành và đạt đến trạng thái cân bằng, ở điều kiện đó lại được cho

vào thiết bị phân chia một lần trong thiết bị đoạn nhiệt (1). Pha hơi qua thiết bị ngưng

tụ (3) rồi vào bể chứa (4), từ đó ta nhận được phần cất. Phía dưới thiết bị (1) là pha

lỏng được tách ra liên tục và ta nhận được phần cặn.

Tỷ lệ giữa lượng hơi được tạo thành khi bay hơi một lần với lượng chất lỏng

nguyên liệu chưng ban đầu được gọi là phần chưng cất.

10

Chưng cất một lần như vậy sẽ cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so

với bay hơi dần dần ở cùng một điều kiện nhiệt độ và áp suất.

Ưu điểm: Quá trình chưng cất này cho phép áp dụng trong thực tế để chưng cất

dầu. Tuy với nhiệt độ chưng bị giới hạn, nhưng vẫn cho phép nhận một phần cất lớn

hơn.

Chưng cất bay hơi nhiều lần: Là quá trình gồm nhiều quá trình bay hơi

một lần nối tiếp nhau ở nhiệt độ tăng cao dần lên (hay áp suất thấp hơn). Sản phẩm đáy

của chưng lần một là nguyên liệu cho chưng lần hai.

Hình 1.3: Sơ đồ tháp chưng cất bay hơi nhiều lần

Trong đó :

1. Tháp chưng nhiệt độ thấp

2. Tháp chưng nhiệt độ cao

3. Thiết bị gia nhiệt

4. Thiết bị ngưng tụ

5. Bình chứa sản phẩm

I. Nhiên liệu

II. Phần cất nhẹ

III. Cặn chưng cất ở nhiệt độ thấp

IV. Phần cắt nặng

V. Cặn chưng cất ở nhiệt độ cao

11

Nguyên tắc hoạt động: Nhiên liệu (I) được cho qua thiết bi gia nhiệt (3) và được

làm nóng đến nhiệt độ cần thiết, sau đó cho vào tháp chưng đoạn nhiệt (1).

Ở đây phần nhẹ được bay hơn trên đỉnh và qua thiết bị làm lạnh (4), sau đó vào

bể chứa (5). Phần nặng ở đáy tháp (1) được gia nhiệt ở thiết bị gia nhiệt (3) và dẫn vào

tháp chưng đoạn nhiệt (2). Tháp chưng này có áp suất thấp hơn áp suất tháp chưng (1)

và phần nhẹ bay hơi lên đỉnh, qua thiết bị ngưng tụ (4) và sau đó vào bể (5). Ta thu

được sản phẩm nặng (IV). Ở đáy tháp (2) ta thu được phần cặn của quá trình chưng

(V).

Phương pháp chưng cất dầu bằng bay hơi một lần và bay hơi nhiều lần có ý

nghĩa rất lớn trong thực tế công nghiệp chế biến dầu ở các dây chuyền hoạt động liên

tục. Quá trình bay hơi một lần được áp dụng khi đốt nóng dầu trong các thiết bị trao

đổi nhiệt, trong lò ống và tiếp theo quá trình tách pha hơi khỏi pha lỏng ở bộ phận

cung cấp, phân phối của tháp chưng luyện.

Chưng cất đơn giản, nhất là với loại bay hơi một lần, không đạt được độ phân

chia cao khi cần phân chia rõ ràng các cấu tử của hỗn hợp chất lỏng.

1.4.2.Chưng cất phức tạp

Chưng cất có hồi lưu

Chưng cất có hồi lưu là quá trình chưng khi lấy một phần chất lỏng ngưng tụ từ

hơi tách ra cho quay lại tưới vào dòng hơi bay lên. Nhờ có sự tiếp xúc đồng đều và thêm

một lần nữa giữa pha lỏng và pha hơi mà pha hơi khi tách ra khỏi hệ thống lại được làm

giàu thêm cấu tử nhẹ (có nhiệt độ sôi thấp hơn) so với khi không có hồi lưu, nhờ vậy có

độ phân chia cao hơn. Việc hồi lưu lại chất lỏng được khống chế bằng bộ phận đặc biệt

và được bố trí phía trên thiết bị chưng cất.

12

Hình 1.4: Sơ đồ tháp chưng cất có hồi lưu

Trong đó :

1.Tháp chưng

2.Thiết bị đun sôi

3.Bể chứa

I.Nguyên liệu

II.Sản phẩm cất

III.Phần cặn

Nguyên tắc hoạt động: Nguyên liệu (I) qua thiết bị đun nóng (2) rồi đưa vào tháp

chưng (1), phần hơi đi lên đỉnh tháp sau đó qua thiết bị làm lạnh và thu được sản phẩm

(II). Phần đáy được tháo ra là cặn (III) một phần được gia nhiệt hồi lưu trở lại đáy tháp

thực hiện tiếp quá trình chưng cất thu được sản phẩm.

Chưng cất có tinh luyện

Đây là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ

bay hơi có tính chất hòa tan một phần và hòa tan hoàn toàn với nhau. Chưng cất có tinh

luyện được thực hiện trong tháp tinh luỵện. Ngoài đỉnh và đáy, nếu cần ta còn có thể thiết

kế hồi lưu trung gian bằng cách lấy sản phẩm lỏng ở cạnh sườn của tháp cho trao đổi

nhiệt làm lạnh rồi cho quay lại tưới vào tháp. Ta cũng có thể lấy sản phẩm cạnh sườn

của tháp, trang bị thêm các bộ phận tách trung gian. Mỗi bộ phận như vậy thực chất là

một tháp riêng mà nguyên liệu đầu vào lấy từ tháp chính. Sản phẩm đáy của tháp này

13

được lấy ra còn sản phẩm đỉnh cho quay lại tháp chính. Như vậy, ta có tháp kép. Chưng

luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường.

Hình 1.5 : Sơ đồ tháp chưng cất tinh luyện

Chưng cất có tinh luyện cho độ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồi lưu. Cơ sở

quá trình tinh luyện là sự trao đổi chất nhiều lần về cả hai phía giữa pha lỏng và pha hơi

chuyển động ngược chiều nhau. Quá trình này thực hiện trong tháp tinh luyện. Để đảm

bảo sự tiếp xúc hoàn thiện hơn giữa pha lỏng và pha hơi, trong tháp được trang bị các đĩa

hay đệm. Độ phân chia một hỗn hợp các cấu tử trong tháp phụ thuộc vào số lần tiếp xúc

giữa các pha (số đĩa lý thuyết), vào lượng hồi lưu của mỗi đĩa và hồi lưu ở đỉnh tháp.

Các quá trình chưng cất ban đầu của dầu thô dựa vào quá trình chưng cất một lần

và nhiều lần tinh luyện.

Quá trình tinh luyện xảy ra trong tháp chưng cất phân đoạn có bố trí các đĩa hoạt

động của tháp được mô tả như hình 5 ở trên.

Pha hơi Vn bay lên từ đĩa thứ n được tiếp xúc với pha lỏng Ln-1chảy từ đĩa n-1

xuống, còn pha lỏng từ đĩa Ln từ đĩa n chảy xuống đĩa phía dưới n+1 lại tiếp xúc với pha

hơi Vn+1 bay từ dưới lên. Nhờ quá trình tiếp xúc như vậy mà quá trình trao đổi chất xảy ra

tốt hơn. Pha hơi bay lên ngày càng được làm giàu thêm cấu tử nhẹ, còn pha lỏng chảy

xuống phía dưới ngày càng chứa nhiều các cấu tử nặng. Số lần tiếp xúc càng nhiều, quá

14

trình trao đổi chất càng tăng cường và sự phân tách của tháp càng tốt, hay nói cách khác

tháp có độ phân chia cao.

Ngoài đỉnh và đáy ,nếu cần người ta còn thiết kế hồi lưu trung gian bằng cách lấy

sản phẩm lỏng ở cạnh sườn tháp cho qua trao đổi nhiệt làm lạnh rồi quay lại tưới vào

tháp. Còn khi lấy sản phẩm cạnh sườn tháp, người ta trang bị thêm các bộ phận tách trung

gian cạnh sườn tháp. Như vậy theo chiều cao của tháp tinh luyện, ta sẽ nhận được các

phân đoạn có giới hạn sôi khác nhau tùy thuộc vào chế độ công nghệ chưng và nguyên

liệu thô ban đầu.

1.4.3.Chưng cất chân không và chưng cất bằng hơi nước

Chưng cất chân không

Hỗn hợp các cấu tử trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân hủy khi tăng nhiệt

độ. Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân hủy của

chúng, người ta phải dùng chưng cất chân không.

Chưng cất bằng hơi nước

Thường sử dụng để tách hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay

hơi. Khi chưng bằng hơi nước, người ta phun hơi nước qua lớp chất lỏng bằng một bộ

phận phun. Hơi nước có thể là bão hòa hay quá nhiệt. Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi

nước và lớp chất lỏng, cấu tử cần chưng sẽ khuếch tán vào trong hơi. Hỗn hợp hơi nước

và cấu tử bay hơi đó được ngưng tụ và tách thành sản phẩm. Quá trình chưng bằng hơi

nước hợp lý nhất là dùng để tách cấu tử không tan trong nước khỏi tạp chất không bay

hơi. Ưu điểm của quá trình chưng bằng hơi nước là giảm nhiệt độ sôi của hỗn hợp vì còn

hơi nước có tác dụng làm giảm áp suất riêng phần của cấu tử hỗn hợp. Hơi nước được

dùng ngay cả chưng cất khí quyển. Lượng hơi nước có hiệu quả tốt nhất chỉ trong khoảng

2 -3% so với nguyên liệu đem chưng cất. Chưng cất dầu với nước còn tăng cường khuấy

trộn chất lỏng tránh tích nhiệt cục bộ, tăng diện tích bay hơi do tạo thành những tia và

bong bóng.

15

Trong một số trường hợp chẳng hạn như nâng cao nhiệt độ bắt cháy của nhiên liệu

phản lực hay diesel, người ta không dùng chưng cất với hơi nước mà dùng quá trình bay

hơi một lần để tránh tạo thành nhũ tương nước bền trong nhiên liệu.

1.5.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất

Các yếu tố công nghiệp có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chất lượng của

quá trình chưng cất là nhiệt độ, áp suất và phương pháp chưng cất.

Chế độ công nghệ chưng cất phụ thuộc vào chất lượng dầu thô ban đầu, vào mục

đích và yêu cầu của quá trình, vào chủng loại và sản phẩm cần thu và phải có dây truyền

công nghệ hợp lý.

Vì vậy khi thiết kế quá trình chưng cất ta phải xét kĩ và kết hợp đầy đủ tất cả các

yếu tố ảnh hưởng tới các quá trình làm việc của tháp chưng cất.

1.5.1.Chế độ nhiệt của tháp chưng luyện

Nhiệt độ là thông số làm việc quan trọng nhất của tháp chưng cất. Chất lượng và

hiệu suất của các sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất sẽ bị thay đổi khi chế độ nhiệt

của tháp thay đổi. Chế độ nhiệt của tháp bao gồm; nhiệt độ của nguyên liệu vào tháp,

nhiệt độ đỉnh tháp, nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ đáy tháp .

Nhiệt độ của nguyên liệu vào tháp được khống chế tùy theo vào bản chất của dầu

thô, mức độ cần phân tách sản phẩm, áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy

tháp. Tuy nhiên cần chú ý để tránh sự phân hủy nhiệt của nguyên liệu do nhiệt độ quá

cao. Do vậy nhiệt độ của lò gia nhiệt dầu thô phải được khống chế chặt chẽ.

Nhiệt độ đáy tháp phụ thuộc vào phương pháp bay hơi dòng hồi lưu đáy. Nhiệt độ

đáy tháp phải được chọn tối ưu, tránh sự phân hủy nhiệt của các cấu tử nặng nhưng phải

đủ để tách hết cấu tử nhẹ ra khỏi phần cặn đáy.

Nhiệt độ đỉnh tháp được khống chế nhằm đảm bảo được sự bay hơi hoàn toàn sản

phẩm đỉnh mà không gây ra sự lôi cuốn theo các phần nặng khác. Nhiệt độ đỉnh tháp

chưng cất khí quyển dầu thô được duy trì trong khoảng 100-120˚C.Với tháp chưng cất

chân không, áp suất chưng cất trong khoảng 10-70 mmHg, thường nhiệt độ không quá

16

120˚C. Với các mục đích giảm bớt mất mát Gasoil chân không hay mất mát các cấu tử

trong phân đoạn dầu nhờn.

Để đảm bảo chế độ nhiệt của tháp, cũng như đã phân tích ở trên thì phải có hồi

lưu. Các dạng hồi lưu ở đỉnh tháp là: hồi lưu nóng và hồi lưu nguội.

Hồi lưu nóng: Quá trình hồi lưu nóng được thực hiện bằng cách ngưng tụ một

phần hơi sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ sôi của nó. Khi tưới trở lại tháp, chúng chỉ cần

thu nhiệt để bốc hơi. Tác nhân lạnh có thể dùng là nước hay chính sản phẩm lạnh.

Do thiết bị hồi lưu nóng khó lắp ráp và khó cho việc vệ sinh, đặc biệt khi công

suất của tháp lớn nên ít phổ biến và bị hạn chế.

Hồi lưu nguội: Được thực hiện bằng cách làm nguội và ngưng tụ sản phẩm đỉnh

rồi tưới trở lại tháp chưng. Khi đó lượng hồi lưu cần thu lại một lượng nhiệt cần

thiết để đun nóng nó đến nhiệt độ sôi và nhiệt độ cần để hóa hơi.

Hồi lưu nguội được sử dụng rộng rãi vì lượng hồi lưu thường ít, làm tăng rõ ràng

chất lượng mà không giảm nhiều năng suất của tháp chưng.

Hồi lưu trung gian: quá trình hồi lưu trung gian được thực hiện bằng cách lấy

một phần sản phẩm lỏng nằm trên các đĩa có nhiệt độ là t1, đưa ra ngoài làm lạnh

đến to rồi tưới trở lại tháp, khi đó chất lỏng hồi lưu cần thu một lượng nhiệt để đun

nóng từ nhiệt độ to- t2

Người ta thường kết hợp hồi lưu trung gian với hồi lưu lạnh cho phép điều chỉnh

chính xác nhiệt độ chưng dẫn đến đảm bảo được hiệu suất và chất lượng sản phẩm của

quá trình.

1.5.2.Áp suất của tháp chưng luyện

Khi chưng luyện dầu mỏ ở áp suất thường thì áp suất trong toàn tháp và ở một tiết diện

cũng có khác nhau.

Áp suất trong tháp có thể cao hơn một ít hay thấp hơn một ít so với áp suất khí quyển,

tương ứng với việc tăng hay giảm nhiệt độ sản phẩm lấy ra khỏi tháp.

Áp suất trong mỗi tiết diện của tháp chưng luyện phụ thuộc vào trở lực thủy tĩnh khi hơi

qua các đĩa, nghĩa là phụ thuộc vào số đĩa và cấu trúc đĩa, lưu lượng riêng của chất lỏng

17

và hơi. Thông thường từ đĩa này sang đĩa khác, áp suất giảm từ 5-10 mmHg từ dưới lên

khi chưng cất, ở áp suất chân không qua mỗi đĩa áp suất giảm từ 1- 3 mmHg.

Áp suất làm việc của tháp phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất của nguyên liệu và áp suất

riêng phần của từng cấu tử trong tháp. Nếu tháp chưng luyện mà dùng hơi nước trực tiếp

cho vào đáy tháp thì hơi nước làm giảm áp suất riêng phần của hơi sản phẩm đầu, cho

phép chất lỏng bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn. Lượng hơi nước tiêu hao phụ thuộc vào áp

suất chung của tháp và áp suất riêng phần của các sản phẩm đầu.

Lượng hơi nước tiêu hao cho tháp ở áp suất khí quyển khoảng 1,2- 3,5% trọng lượng, đối

với tháp chưng ở áp suất chân không khoảng 5-8% trọng lượng so với nguyên liệu.

1.5.3.Những điểm cần chú ý khi điều chỉnh, khống chế chế độ làm việc của tháp

chưng cất.

Để duy trì chế độ làm việc của tháp chưng cất chúng ta phải đảm bảo và nắm vững

các nguyên tắc sau:

Điều chỉnh áp suất trong tháp sẽ làm thay đổi điểm sôi của chất lỏng

Nếu áp suất riêng tăng lên chất lỏng sôi ở nhiệt độ cao hơn. Nếu áp suất tăng cao

quá lượng chất lỏng trong tháp sẽ nhiều và như vậy sẽ dẫn đến hiện tượng “sặc

tháp”, làm giảm hiệu suất phân tách phân chia.

Nếu các điều kiện trong tháp cố định thì sản phẩm đỉnh, sản phẩm cạnh sườn và

sản phẩm đáy trở nên nhẹ hơn nếu áp suất trong tháp tăng lên.

Nếu nhiệt độ đáy tháp quá lớn thì sản phẩm đáy chứa nhiều phần nhẹ hơn.

Nếu nhiệt cấp liệu và đáy tháp thấp. Lượng hơi trên các khay chứa đĩa sẽ nhỏ như

vậy phần lỏng sẽ nhiều và chúng chảy xuống phía dưới vào bộ phận chưng sẽ càng

nhiều.

Với sơ đồ chưng cất phải sử dụng thiết bị đun sôi lại, nếu nhiệt độ của thiết bị quá

thấp sẽ không tách hết phần nhẹ trong cặn và làm tăng lượng cặn.

Nếu nhiệt độ đỉnh quá cao sản phẩm đỉnh sẽ quá nặng và có nhiều sản phẩm hơn

so với thiết kế và ngược lại nếu nhiệt độ đỉnh quá thấp sản phẩm đỉnh sẽ quá nhẹ

và có ít sản phẩm hơn.

18

Nhiệt độ cần thiết để tách sản phân đoạn dầu thô nặng sẽ cao hơn so với dầu thô

nhẹ.

Chú ý nhất là nhiệt độ đỉnh tháp tránh nhiệt độ cao quá do làm lạnh không đủ dẫn

đến thay đổi chế độ hồi lưu, ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm.

1.6.Các điều kiện cần thiết để đảm bảo cho việc chưng cất

Phải đảm bảo sự tồn tại của pha lỏng chuyển động ngược chiều nhau trên toàn bộ chiều

cao tháp chưng.

Phải tồn tại chênh lệch nhiệt độ giữa hai pha hơi và pha lỏng. phần cột chưng phải đảm

bảo ở phía trên đĩa nạp liệu thực hiện quá trình tăng cường nồng độ các cấu tử nhẹ trong

pha hơi nên gọi là phần tinh luyện.

Phần cột chưng ở phía dưới đĩa nạp liệu thực hiện các quá trình tách các cấu tử nhẹ ra

khỏi phần lỏng nên gọi là phần chưng. Vì vậy phần đáy tháp phải đưa thêm các tác nhân

bay hơi. Mức độ phân chia tốt hay xấu còn phụ thuộc vào số đĩa và lượng hồi lưu.

1.7.Cân bằng vật chất cho tháp chưng cất

Xác định đường TBP và API

TBP ở các phân đoạn khác nhau được tính theo %LV như sau:

TBP (R )=¿ (11)

API được tính theo công thức :

API = -0,0004(LV%)3 + 0,05(LV%)2 – 2,4(LV%) + 80 (12)

Cân bằng vật liệu trong tháp chưng cất dầu thô nhằm xác định lưu lượng ,tính chất

dòng sản phẩm tại khác phân đoạn khác nhau , làm nguyên liệu cho các quá trình tiếp

theo.

19

Hình 1.6 . Sơ đồ khối phân xưởng CDU

Ta có phương trình cân bằng vật liệu: giả sử không có sự mất mát .

Qin = Qoutó QFeed + QSteam = QGas + Qxăng + QKerosen + QGO + QResidue

Trong đó: QFeed là lượng nguyên liệu

QSteam là lượng hơi nước steam

QGas là lượng sản phẩm khí

Qxăng là lượng sản phẩm xăng

QKerosen là lượng sản phẩm Kerosen

QGO là lượng sản phẩm GO

QResidue là lượng cặn

Từ phương trình trên ta có thể xác định được lưu lượng các dòng sản phẩm các phân

đoạn, đồng thời xác định được tính chất của các dòng.

Việc xác định được lưu lượng và tính chất các dòng sản phẩm các phân đoạn là điều

cực kỳ quan trong cho quá trình tính toán các phân xưởng sau này.

Trong chưng cất dầu thô, hàm lượng lưu huỳnh chiếm tỷ trọng khá lớn. có thể xác định

được hàm lượng lưu huỳnh dựa vào các công thức

20

Nếu M < 200

wt% S = 177,448 – 170,946Ri + 0,2258m + 4,054SG (13)

Nếu M> 200 :

wt% S = -58,02 + 38,463Ri - 0,023m + 22,4SG (14)

Trong đó : M là khối lượng phân tử trung bình phân đoạn

SG là tỷ khối của phân đoạn

Ri là điểm khúc xạ

m là tham số

21

CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

2.1.Khái quát chung về điều khiển

2.1.1.Các khái niệm cơ bản

Trong hoạt động của con người bao giờ cũng có một mục đích nhất định. Để đạt được

mục đích của hoạt động, con người bao giờ cũng phải đánh giá được kết quả của hoạt

động và điều khiển các hoạt động của mình để đạt được mục đích đề ra. Như vậy, bất cứ

một hoạt động nào đều bao gồm các tác động được chia thành ba chức năng khác nhau:

chức năng công nghệ, chức năng đo lường - kiểm tra và chức năng điều khiển. chức năng

công nghệ là những tác động đáp ứng được vai trò công nghệ của hoạt động. chức năng

đo lường – kiểm tra sẽ đẩm bảo cho chức năng điều khiển tổ chức các tác động công nghệ

theo một trình tự nhất định để đạt được mục đích mong muốn của hoạt động.

Như vậy có thể nói, điều khiển là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức nhằm

đạt được mục đích mong muốn của hoạt động. Bất cứ một hoạt động có mục đích nào

đều là sự hòa quyện của các tác động với các chức năng khác nhau: chức năng công nghệ,

chức năng đo lường – kiểm tra và chức năng điều khiển. Tuy nhiên nếu thiếu một trong

hai chức năng đo lường – kiểm tra và điều khiển thì hoạt động công nghệ không bao giờ

đạt được mục đích mong muốn.

Hệ thống điều khiển nói chung bao gồm hai thành phần cơ bản: đối tượng điều khiển

(ĐTĐK) và chủ thể điều khiển (CTĐK) mà sơ đồ khối của nó như hình sau:

22

Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

ĐTĐK là thiết bị công nghệ hoặc quy trình công nghệ bắt buộc phải hoạt động theo

đúng mục đích nhất định của hoạt động công nghệ dưới sự tác động của các tác nhân điều

khiển u được phát ra từ CTĐK. Đại lượng y biểu thị kết quả hoạt động của ĐTĐK dưới

sự tác động của u được gọi là đại lượng cần điều khiển. Đại lượng z từ bên ngoài tác

động lên ĐTĐK làm cho sự hoạt động của nó khác với mục đích mong muốn được gọi là

nhiễu. Sơ khai ban đầu CTĐK là con người và hệ thống điều khiển được gọi là hệ thống

người điều khiển hay hệ thống điều khiển bằng tay. Do nhu cầu về chất lượng của hệ

thống điều khiển và dựa trên sự phát triển của khoa học – kỹ thuật, con người đã chế tạo

ra thiết bị để thay thế chức năng CTĐK của mình trong hệ thống điều khiển. Thiết bị

đóng vai trò CTĐK của con người trong hệ thống điều khiển được gọi là thiết bị điều

khiển (TBĐK). Hệ thống điều khiển không có sự tham gia trực tiếp của con người như

CTĐK được gọi là hệ thống điều khiển tự động (ĐKTĐ).

2.1.2.Phân loại hệ thống điều chỉnh tự động

Điều chỉnh là khái niệm hẹp của điều khiển. Mục đích của điều chỉnh là giữ cho một

thông số nào đó cố định hay thay đổi theo một nhu cầu cần thiết. Như vậy hệ thống điều

chỉnh tự động chỉ có một đại lượng cần điều chỉnh. Hệ thống điều khiển có thể có một

hoặc nhiều đại lượng cần điều chỉnh. Có rất nhiều phương pháp để phân loại hệ thống

điều chỉnh tự động:

Theo đại lượng cần điều chỉnh: hệ thống điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống điều chỉnh

áp suất, hệ thống điều chỉnh tôc độ…..

Theo trạng thái xác lập: hệ thống có sai lệch tinhxvaf hệ thống không có sai lệch.

23

CTĐK ĐTĐKx u

z

y

Theo trạng thái quá độ: hệ thống dao động và hệ thống không dao động…

Tuy nhiên để nghiên cứu hệ thống dựa trên phương diện lý thuyết ta phân loại theo đặc

tính mô hình toán học của nó: hệ thống tuyến tính và hệ thống phi tuyến tính. Hệ thống

mà tất cả các phần tử của nó tuyến tính được gọi là hệ thống tuyến tính. Nếu trong cấu

trúc của hệ thống tồn tại phần tử phi tuyến tính thì hệ thống được gọi là hệ thống phi

tuyến tính. Do đó đặc thù tuyến tính và phi tuyến tính rất khác nhau vì vậy tồn tại lý

thuyết điều khiển hệ tuyến tính và lý thuyết điều khiển hệ phi tuyến tính. Cấu trúc hệ phi

tuyến được phân thành hai thành phần: thành phần tuyến tính và thành phần phi tuyến

tính. Lý thuyết hệ phi tuyến tính cũng được phát triển trên cơ sở hệ tuyến tính.

Lý thuyết điều khiển tự động được phân thành bốn phần: lý thuyết hệ tuyến tính liên tục

thông thường, lý thuyết hệ tuyến tính xung – số, lý thuyết hệ phi tuyến tính và lý thuyết

hệ đặc biệt. Lý thuyết điều khiển hệ thống thông thường là phần lý thuyết cơ bản nhất của

lý thuyết điều khiển tự động. Nhiệm cụ của lý thuyết điều khiển tự động bao gồm:

Nghiên cứu các phương pháp xây dựng mô tả toán học của hệ thống điều khiển tự

động.

Nghiên cứu các phương pháp khảo sát chất lượng của hệ thống điều khiển tự động

bao gồm khảo sát ổn định và khảo sát chất lượng quá trình điều khiển

2.2.Cơ sở về điều khiển quá trình

2.2.1.Khái niệm

Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thưật điều khiển tự động trong điều khiển, vận

hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả

sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường.

Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý ,hóa học hoặc sinh học trong đó vật chất,

năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.

Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi ,vận chuyển hoặc lưu trữ

vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản

24

xuất năng lượng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu, trao

đổi nhiệt, trộn sản phẩm , nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng,

tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi, tuabin,…

Bất kỳ một hệ thống điều khiển quá trình nào cũng không thể thiếu các biến quá trình.

Biến quá trình thể hiện trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình. Biến quá

trình bao gồm các biến vào và biến ra. Biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện

phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình. Biến ra là một đại lượng hoặc một điều

kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài .

Hình 2.2. Quá trình kỹ thuật nhìn từ quan điểm hệ thống

Ngoài ra, bên cạnh các biến vào và biến ra, ta cũng cần quan tâm tới các biến trạng

thái. Các biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình. Đôi khi một

biến trạng thái cũng có thể được coi là một biến ra.

Do đó, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá

trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thõa mãn các chỉ tiêu cho trước ,đồng thời

giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình công nghệ đối với con người và môi trường

xung quanh.

25

Trong hình 2 ta thấy có sự xuất hiện của biến cần điều khiển, biến điều khiển và

nhiễu.Vậy cụ thể chúng là những biến gì?

Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình dược điều

khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo

một biến chủ đạo. Các biến cần điều khiển liên quan tới sự vận hành ổn định, an toàn của

hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm .

Biến điều khiển là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài,

qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến

điều khiển tiêu biểu nhất.

Những biến còn lại không can thiệp một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá

trình được gọi là nhiễu. Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế

cần có những biện pháp nhằm loại bỏ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể chia ra

làm hai loại , đó là: nhiễu quá trình và nhiễu đo. Nhiễu quá trình là những biến vào tác

động lên quá trình công nghệ một cách không mong muốn nhưng không can thiệp được.

Còn nhiễu đo là nhiễu tác động lên phép đo, gây sai số trong giá trị đo được.

2.2.2. Phân loại quá trình

Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau. Có thể

dựa vào số lượng các biến vào và biến ra. Một quá trình chỉ có một biến ra được gọi là

quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là quá trình đa biến. Một quá

trình một vào - một ra được gọi là SISO, còn quá trình có nhiều biến vào – nhiều biến ra

được gọi là MIMO. Có thể nói rằng, hầu hết các quá trình công nghệ đều là quá trình đa

biến.

Dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng ta cũng có thể phân loại các quá trình

thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ. Trong quá

trình liên tục, các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi

một cách liên tục. Một quá trình gián đoạn có bản chất giống như quá trình liên tục, tuy

nhiên các biến vào chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định. Trong

26

một quá trình rời rạc, các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một số thời điểm

nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hợp hữu hạn cho trước tạo nên

trạng thái rời rạc của quá trình.Quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp bao gồm cả quá

trình liên tục và quá trình rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác cho

trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với mẻ .

Có thể thấy rằng, quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các nghành công

nghiệp chế biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các nghành công nghiệp chế

tạo và lắp ráp. Do đó, trong điều khiển quá trình ta chỉ quan tâm đến các quá trình liên tục

và quá trình mẻ. Tuy nhiên, ngay cả trong những nhà máy chế biến cũng tồn tại một số

quá trình rời rạc như quá trình nhập xuất hàng, vận chuyển, đống bao, khởi động/dừng

thiết bị,…

2.2.3.Mục đích và chức năng điều khiển quá trình

Nhiêm vụ điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn , hiệu quả và

kinh tế cho quá trình công nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều

khiển quá trình, người kỹ sư cần phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ

thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài toán và đi đến xây

dựng một giải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân

tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan

trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình.

Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp

xếp nhằm phục vụ mục đích cơ bản sau đây:

Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru nghĩa là giữ cho hệ thống ổn định tại

điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện

theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện.

Đảm bảo năng xuất và chất lượng sản phẩm nghĩa là đảm bảo lưu lượng sản phẩm

theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm

trong phạm vi yêu cầu.

27

Đảm bảo vận hành hệ thống vận hành an toàn, giảm thiểu các nguy cơ gây ra sự cố

cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp

xảy ra sự cố.

Giảm ô nhiễm môi trường thông qua việc giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm

lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nguyên

nhiên liệu.

Đảm bảo năng xuất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công,

nguyên nhiên liệu thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường nhằm nâng

cao hiệu quả kinh tế.

2.2.4.Các thành phần cơ bản của hệ thống

Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa mà các hệ thống điều khiển quá trình

công nghiệp có thể từ đơn giản đến phức tạp. Tuy nhiên chúng đều dựa trên ba thành

phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển. Chức năng của mỗi

thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một cách trực quan qua cấu

trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình bất kỳ hình 3.2 và sơ đồ khối của nó

Hình 3.3.

Hình 2.3. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

Hình 2.4.Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển quá trình

28

Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều

khiển, là thành phần quan trọng của một hệ thống điều khiển công nghiệp.Một bộ điều

khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ, một khối phần mềm được cài đặt

trong thiết bị điều khiển chia sẻ hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ.

Trên cơ sở các tiến hiệu đo từ các thiết bị đo và các sách lược điều khiển được lựa chọn,

bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khuển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can

thiệp trở lại quá trình công nghệ thông qua các thiết bị chấp hành. Tùy theo dạng tín hiệu

vào ra và phương pháp thể hiện thuật toán điều khiển ,một thiết bị điều khiển có thể là

thiết bị điều khiển tương tự ,thiết bị điều khiển logic hay một thiết bị điều khiển số.

Thiết bị đo

Chức năng của một thiêt bị đo bất kỳ là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ với đại lượng đo.

Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến và thiết bị chuyển đổi đo. Một

cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng cần đo của quá trình công

nghệ và chuyển đổi thành một tín hiệu. Để tín hiệu này có thể được truyền đi xa và sử

dụng được trang thiết bị điều khiển nó phải được chuyển đổi sang một dạng thích hợp.

Một bộ chuyển đổi đo chuẩn là một bộ chuyển đổi đo mà đầu ra của nó là một tín hiệu

chuẩn (ví dụ 1-10V,0-20mA,4-20mA,..). Trong hệ thống điều khiển quá trình thì tín hiệu

4-20mA là thông dụng và được sử dụng nhiều nhất.

Thiết bị chấp hành

Một thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ thiết bị điều khiển và thực hiện tác động can

thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong điều khiển quá trình là

các van điều khiển, động cơ, bơm, quạt gió. Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ

thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình công nghệ.

29

Một thiết bị chấp hành bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành và phần tử

điều khiển. Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng,

trong khi phần tử tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển.

2.2.5.Mô tả chức năng hệ thống

Mô tả chức năng hệ thống là một công việc không thể thiếu được trong thiết kế, xây

dựng và phát triển một hệ thống điều khiển quá trình. Qua các tài liệu mô tả chức năng hệ

thống, các kỹ sư điều khiển và các nhà công nghệ có một ngôn ngữ chung để bàn bạc trao

đổi trước khi tiến hành triển khai một dự án. Cũng qua việc mô tả hệ thống, bản thân các

kỹ sư điều khiển cũng đã xây dựng được các tài liệu kỹ thuật chi tiết cho việc thiết kế cấu

hình phần cứng, phát triển ứng dụng điều khiển và giao diện người máy.

Các tài liệu mô tả đồ họa sau đây được xem như quan trọng nhất trong mỗi tập thiết kế

hệ thống điều khiển quá trình:

Lưu đồ công nghệ (process flow diagram) miêu tả quá trình công nghệ, không

chứa thông tin chi tiết về các thiết bị đo lường và điều khiển. Thông thường, lưu

đồ công nghệ do các nhà công nghiệp xây dựng.

Lưu đồ ống dẫn và thiết bị (piping and intrumentation diagram, P&ID) miêu tả

chi tiết quá trình công nghệ kèm theo chức năng tiêu biểu của một hệ thống điều

khiển quá trình cùng các đường liên hệ giữa các thành phần. Đây là tài liệu quan

trọng nhất đối với thiết kế toàn bộ hệ thống điều khiển

Sơ đồ khóa liên động (interlock diagram) để miêu tả các thuật toán điều khiển

logic phục vụ điều khiển khóa liên động.

Biểu đồ trình tự (sequence diagram hay sequential function chart) biểu diễn các

bước thực hiện chức năng của quy trình công nghệ. Tài liệu hình thành phục vụ

bài toán điều khiển trình tự cũng như hướng dẫn quy trình vận hành

2.3.Các sách lược điều khiển cơ sở

Sau khi xây dựng và phân tích mô hình toán học của quá trình để làm rõ bài toán

điều khiển, bước tiếp theo là thiết kế điều khiển. Công việc thiết kế điều khiển đuoẹc

30

tiến hành theo hai bước cơ bản là thiết kế cấu trúc điều khiển và thiết kế bộ điều

khiển. Cấu trúc điều khiển hay còn gọi là sách lược điều khiển thể hiện quan hệ về

mặt cấu trúc giữa các biến chủ đạo (giá trị đặt), biến đo và biến điều khiển thông qua

các bộ điều khiển và các phần tử cấu hình hệ thống khác. Kết quả của công việc thiết

kế cấu trúc điều khiển là bản vẽ mô tả chi tiết cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng

lưu đồ P&ID hoặc sơ đồ khối. Trên cơ sở cấu trức điều khiển đã được thiết kế, ta mới

có thể lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển và xác định các tham số của bộ điều khiển

2.3.1.Điều khiển truyền thẳng

2.3.1.1 Cấu trúc cơ bản của điều khiển truyền thẳng

Cấu trúc cơ bản của điều khiển truyền thẳng được minh họa trên hình 3.5. Đặc điểm cơ

bản của điều khiển truyền thẳng là số biến nhiễu quá trình được đo và được đưa tới bộ

điều khiển. Dựa trên các giá trị đo được và giá trị đặt cho bộ điều khiển,bộ điều khiển sẽ

tính toán và đưa ra giá trị cho biến điều khiển.Nếu đặc tính đáp ứng của quá trình với

biến điều khiển cũng như với nhiễu biết trước, bộ điều khiển có thể thực hiện thuật toán

bù trước sao cho giá trị biến điều khiển đúng bằng giá trị đặt.

Hình 2.5.Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng

2.3.1.2 Các tính chất của điều khiển truyền thẳng

31

Hình 2.6.Cấu hình song song của điều khiển truyền thẳng

Ưu điểm của điều khiển truyền thẳng là khả năng loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh

hưởng xấu đến quá trình . Tuy nhiên,nhược điểm của điều khiển truyền thẳng là ta phải

biết rõ thông tin về quá trình và ảnh hưởng của nhiễu..Khi mô hình quá trình hoàn toàn

chính xác , bộ điều khiển truyền thẳng lý tưởng sẽ cho biến ra cần điều khiển bám chặt

giá trị đặt . Thực tế là,mô hình quá trình và mô hình nhiễu không bao giờ chính

xác,nghĩa là không phải nhiễu nào ta cũng đo được nên bao giờ sai lệch tĩnh bao giờ cũng

tồn tại và bộ điều khiển lý tưởng không bao giờ có tính khả thi. Tóm lại,một bộ điều

khiển truyền thẳng không có khả năng ổn định một quá trình không ổn định.

Sai lệch mô hình

Bộ điều khiển truyền thẳng tính tóan dựa trên mô hình quá trình.Một mô hình quá trình

bao giờ cũng là xấp xỉ của đối tượng thực . Giả sử hàm truyền đạt của đối tượng là : G *=

G+ G với là sai lệch của mô hình và bộ điều khiển truyền thẳng là lý tưởng thì đáp

ứng ra của quá trình với biến chủ đạo là :

y = G*u=(G + G)G-1r= r + GG-1r (3.6)

Ở đây,ta thấy sai lệch điều khiển sẽ là e = GG-1r tỉ lệ với giá trị đặt và sai lệch của mô

hình.

Tương tự ,giả sử hàm truyền đạt thực từ nhiễu tới đầu ra là

32

G*d =Gd + G,đáp ứng ra của quá trình sẽ là:

y=GG-1(r-Gdd)+(Gd+ Gd)d=r+ Gdd (*)

phương trình (*) cho thấy bộ điều khiển không có khả năng làm giảm ảnh hưởng của

sai lệch mô hình đối tượng cũng như sai lệch mô hình nhiễu tới chất lượng điều khiển .

Ðiều này cũng đúng với bộ điều khiển không phải dạng lý tưởng . Tóm lại,bộ điều khiển

khá nhạy cảm với sai lệch mô hình.

Nhiễu không đo được

Một nhược điểm nữa của điều khiển truyền thẳng là khả năng bị ảnh hưởng của nhiễu

không đo được .Trong thực tế ,bất kỳ một quá trình nào cũng tồn tại nhiều nguồn

nhiễu.Ngay khi các biến nhiễu được xem xét đến thì không phải biến nhiễu nào cũng đo

được.Ảnh hưởng của chúng được thể hiện ở đáp ứng đầu ra như sau :

y= Gu +Gdd+Gd2d2 = r + Gd2d2 (3.8)

với d2 là nhiễu không đo được và Gd2 là hàm truyền đạt từ d2 tới y.Do đó,sai lệch điều

khiển sẽ vẫn tồn tại ngay cả khi G và Gd đều chính xác.

Tính ổn định của bộ điều khiển

Một trường hợp khác là khi đối tượng có đặc tính đáp ứng ngược ,tức là khi G điểm

không nằm bên phải trục ảo .Những điểm không này sẽ trở thành điểm cực không ổn định

của khâu ngịch đảo G1.Khi đó bộ điều khiển lý tưởng ngay cả thực thi được thì tính ổn

định nội của hệ thống không còn được đảm bảo .Ðể biến cần điều khiển bám theo giá trị

đặt ,tín hiệu điều khiển sẽ phải tăng hoặc giảm không có giới hạn , điều này không thể

chấp nhận trong thực tế.

Ðối tượng không ổn định

Một bộ điều khiển truyền thẳng không có khả năng ổn định một quá trình không ổn

định. Ngay cả khi tồn tại bộ điều khiển lý tưởng với hàm truyền đạt G -1(s) khả thi thì

33

cũng chỉ có tác dụng triệt tiêu điểm cực không ổn định của G(s) nhưng không đảm bảo

được tính ổn định nội của hệ thống . Chỉ cần nhiễu đầu vào du rất nhỏ cũng đủ đáp ứng

đầu ra tiến tới vô cùng .

y= G(u+du) + Gdd =Gdu (3.9)

2.3.1.3 Ứng dụng của điều khiển truyền thẳng

Mặc dù có nhiều nhược điểm nhý đã phân tích ở trên ,sách lược điều khiển truyền thẳng

vẫn được sử dụng rộng rãi bởi vì điều khiển truyền thẳng tác động nhanh,cho phép loại

bỏ đáng kể ảnh hưởng của nhiễu đo được trước nhiễu này kịp tác động xấu đến hệ thống,

cũng như giúp hệ thống đáp ứng nhanh với giá trị đặt thay đổi. Bên cạnh đó, điều khiển

truyền thẳng tuy không có khả năng ổn định một quá trình không ổn định nhưng nó

không làm mất tính ổn định của một quá trình ổn định, chính vì thế điều khiển truyền

thẳng thường được sử dụng kết hợp với điều khiển phản hồi hay điều khiển tỉ lệ.

2.3.2.Điều khiển phản hồi

Điều khiển phản hồi dựa trên nguyên tắc đo liên tục giá trị biến được điều khiển và

phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển. Vì cấu

trúc được khép kín nên điều khiển phản hồi còn được gọi là điều khiển vòng kín. Trong

hệ thống điều khiển quá trình, sách lược điều khiển phản hồi đóng vai trò quan trọng so

với các sách lược điều khiển khác.

2.3.2.1. Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi

Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi được minh họa trên hình 3.4

34

Hình 2.7.Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi

Trong đó :

r-tín hiệu đặt, giá trị đặt G- mô hình đối tượng

y-tín hiệu ra được điều khiển Gd- mô hình nhiễu

u- tín hiệu điều khiển K- khâu điều chỉnh

d- nhiễu quá trình (không đo được được) P- khâu lọc trước

n-nhiễu đo

ym- tín hiệu đo, tín hiệu phản hồi

Trong cấu trúc điều khiển ở trên bộ điều khiển thực hiện luật điều khiển dựa trên sai

lệch giữa giá trị quan sát được của biến được điều khiển với giá trị đặt. Nếu bộ điều

khiển sử dụng thuật toán điều khiển PID thì luật tỉ lệ trong thuật toán đưa ra giá trị biến

điều khiển tỉ lệ với sai lệch điều khiển, luật tích phân dựa trên gía trị tích phân và luật vi

phân dự trên đạo hàm của sai lệch điều khiển. Bộ điều khiển chỉ tính toán đầu ra của nó

dựa vào sai lệch mà không phân biệt được sai lệch đó là do nhiễu quá trình hay do thay

đổi giá trị đặt gây ra.

2.3.2.2 Vai trò của điều khiển phản hồi

35

Như trên đã nói, điều khiển phản hồi là sách lược điều khiển cơ bản nhất, không thể

thiếu trong hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình.

Từ sơ đồ minh họa cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi ở trên ta có :

y(s) =G(s).u(s) + Gd(s).d(s) (3.1)

=G(s).K(s).(r(s).P(s)-y(s)-n(s))+Gd(s).d(s)

→(1+G(s).K(s).y(s)=G(s).K(s).(r(s).P(s)-n(s)+Gd(s).d(s) (3.2)

Hay y = d.d (3.3)

Biểu thức (3.3) này thể hiện mối quan hệ trong hệ thống điều khiển phản

hồi.

Ổn ðịnh hệ kín

Trong cơ sở lý thuyết điều khiển tự động thì điều kiện ổn định của một hệ tuyến tính là

toàn bộ điểm cực của nó phải nằm bên trái trục ảo trên mặt phẳng phức hay nói cách khác

là có phần thực âm. Từ biểu thức (3.3) ta nhận thấy đa thức đặc tính của hệ kín được

quyết định bởi biểu thức 1+GK.Giả sử G và K là các phân thức hữu tỷ,ta có :

G(s) = K =

Và (3.4)

Ða thức mẫu số trong (3.4) chính là đa thức đặc tính của hệ kín.Như vậy nếu

K được tính toánmột cách thích hợp sẽ có tác dụng dời toàn bộ các điểm cực không ổn

định (nếu có) của G sang bên trái trục ảo và hệ kín sẽ trở nên ổn định. Do đó, điều khiển

phản hồi là cách duy nhất để ổn định một quá trình không ổn định.

Loại bỏ nhiễu bất định

36

Biểu thức (3.3) cho thấy bộ điều khiển phản hồi có tác dụng làm giảm ảnh hưởng của

nhiễu d với hệ số (1+GK). Như vậy, chi cần K rất lớn thì ảnh hưởng của nhiễu quá trình

sẽ không đáng kể, không phụ thuộc vào nhiễu quá trình có đo được hay không cũng như

mô hình của nhiễu Gd có biết trước được hay không .

Bền vững với sai lệch mô hình

Một vai trò quan trọng của điều khiển phản hồi là khả năng bền vững với sự sai lệch

của mô hình. Thật vậy, giả sử mô hình đối tượng có sai lệch là G dẫn đến sai lệch của

hàm truyền đạt hệ kín là T với :

T =

Biểu thức (3.5) cho thấy, chỉ cần S rất nhỏ thì mô lệch trong mô hình đối tượng sẽ ảnh

hưởng rất nhỏ đến hàm truyền hệ kín. Do đó, nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển phản

hồi có khả năng triệt tiêu sai lệch điều khiển điều mà các sách lược điều khiển khác

không làm được .

2.3.2.3. Các vấn đề của điều khiển phản hồi

Ngoài những ưu điểm trên, điều khiển phản hồi cũng có những nhược điểm. Ổn định hệ

thống là vấn đề riêng của điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển phản hồi có thể ổn định

một đối tượng không ổn định, song một vòng điều khiển kín chứa một đối tượng ổn định

cũng có thể trở nên mất ổn định .

Ngoài ra, để đạt được chất lượng điều khiển phản hồi tốt thì phép đo đại lượng phản hồi

phải có độ chính xác cần thiết. Bản thân các cảm biến cũng chịu tác động của nhiễu đo

37

nên khi các giá trị đo có sai số lớn thì chất lượng điều khiển không còn được đảm bảo nếu

không có các thuật toán lọc nhiễu thích hợp.

Bên cạnh đó , mặc dù điều khiển phản hồi có thể chấp nhận sự sai lệch của mô hình ở

một mức độ nào đó nhưng nếu không giải quyết được hoàn toàn vấn đề này. Thật vậy,

khó có một bộ điều khiển tốt nếu không có mô hình tốt ,nhất là những mô hình phức tạp.

Một nhược điểm nữa đó là bộ điều khiển phản hồi làm việc theo nguyên tắc phản ứng,

nghĩa là chỉ khi có ảnh hương của nhiễu được thể hiện trong giá trị biến được điều khiển

thì nó mới tác động trở lại, điều này là không thể chấp nhận được đối với những quá trình

có tính đáp ứng chậm(như quá trình nhiệt,quá trình phản ứng). Như vậy, trước khi bộ

điều khiển kịp đưa ra tác động điều chỉnh thì chất lượng sản phẩm đã bị ảnh hưởng.

2.3.3.Điều khiển tỉ lệ

Trong điều khiển quá trình,giá trị của một biến cần điều khiển có quan hệ trực tiếp với

tỉ lệ giữa các giá trị biến vào. Do đó điều khiển tỉ lệ là duy trì tỉ lệ giữa hai biến tại một

giá trị nhằm gián tiếp điều khiển tới một biến khác. Sách lược điều khiển tỉ lệ được áp

dụng trong nhiều bài toán khác nhau.

2.3.3.1. Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ

Trong các bài toán điều khiển tỉ lệ với hai dòng đầu vào thì một dòng có thể điều khiển

được và một dòng xem là nhiễu nhưng lưu lượng của hai dòng đều có thể đo được. Trên

cơ sở đó, sách lược điều khiển tỉ lệ có thể thực hiện theo hai cấu hình sau:

38

Hình 2.8.Hai cấu hình của điều khiển tỉ lệ

Trong cấu hình (a),tỉ lệ lưu lượng của hai dòng được tính tóan và đưa tới bộ điều khiển

tỉ lệ RC để điều chỉnh lại lưu lượng dòng thứ hai(dòng được can thiệp). Trong trường hợp

này, bộ điều khiển đóng vai trò là một bộ điều khiển phản hồi với giá trị là tỉ lệ thực quan

sát được và giá trị đặt (SP) là tỉ lệ mong muốn. Tất nhiên trong thực tế người ta cũng có

thể kết hợp khâu chia với bộ điều khiển RC thành một bộ điều khiển tỉ lệ lưu lương FFC

duy nhất. Như vậy, biến được điều khiển ở đây là tỉ lệ lưu lượng R=u/d,trong đó u và d

lần lượt là biến điều khiển (lưu lượng dòng được can thiệp ) và nhiễu (lưu lượng dòng

không kiểm soát) tính bằng gía trị thực chứ không phải bằng giá trị chênh lệch so với

điểm làm việc. Có thể thấy nhược điểm của cấu hình này là tính phi tuyến mạnh hơn so

với điểm làm việc, tính phi tuyến mạnh trong quan hệ giữa biến điều khiển và biến được

điều khiển.

Trong cấu hình (b), lưu lượng của dòng thứ nhất (dòng không kiểm soát) được nhân với

tỉ lệ đặt mong muốn ,kết quả là giá trị đặt cho bộ điều khiển lưu lượng của dòng thứ

hai(dòng được can thiệp). Ở đây biến được điều khiển và biến điều khiển là cùng lưu

lượng của dòng được can thiệp,vì thế ưu điểm của cấu hình này là tính tuyến tính của đối

tượng. Do đó, ta có thể kết hợp khâu nhân với bộ điều khiển lưu lượng thành một bộ điều

khiển tỉ lệ với một tỉ lệ mong muốn.

39

Qua phân tích hai cấu hình của điều khiển tỉ lệ ta thấy điều khiển tỉ lệ chính là một

dạng đặc biệt của điều khiển truyền thẳng. Lưu lượng của dòng nhiễu được đo và đưa tớ

bộ điều khiển để điều chỉnh lại lưu lượng của dòng được can thiệp theo một tỉ lệ mong

muốn,qua đó duy trì được chất lượng sản phẩm.

2.3.3.2.Bản chất và ý nghĩa của điều khiển tỉ lệ

Theo mục đích điều khiển thì điều khiển tỉ lệ là một trường hợp đặc biệt của điều khiển

truyền thẳng với các biến nhiễu được đo và bù theo nguyên tắc tỉ lệ. Quan hệ giữa biến

được điều khiển và biến cần điều khiển thường là tuyến tính.

Điều khiển tỉ lệ giúp điều khiển hiệu quả các bài toán phi tuyến ,thay vì phải tuyến tính

hóa xấp xỉ mô hình hoặc phải sử dụng các phương pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến

phức tạp.Thực chất, mỗi bộ điều khiển tỉ lệ là một bộ điều khiển phi tuyến đơn giản.

Ngoài ra, điều khiển tỉ lệ giúp cho việc thiết kế cấu trúc điều khiển đơn biến cho một

quá trình đa biến được đơn giản hơn, trong đó sự tương tác chéo giữa các vòng điều

khiển được giảm thiểu.

2.3.3.3 Điều khiển tỉ lệ kết hợp điều khiển phản hồi

Trong hai cấu hình của điều khiển tỉ lệ ta thấy vai trò của điều khiển phản hồi .Tuy nhiên,

nếu xét theo mục đích điều khiển thì điều khiển tỉ lệ vẫn chỉ là một dạng của điều khiển

truyền thẳng. Trong thực tế,người ta thường sử dụng kết hợp giữa điều khiển tỉ lệ và bộ

điều khiển phản hồi. Kết quả là giá trị đặt tỉ lệ được tính toán và điều chỉnh thường xuyên

bởi một bộ điều khiển phản hồi.

2.3.4 Ðiều khiển tầng

Một nhược điểm của điều khiển phản hồi là nhiều khi ảnh hưởng của nhiễu quá trình tới

biến đầu ra cần điều khiển được phát hiện chậm ,điều này làm ảnh hưởng xấu đến chất

lượng của sản phẩm. Ví dụ, trong tháp chưng luyện thì việc thay đổi lưu lượng hoặc

thành phần cấp liệu ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng sản phẩm chưng luyện, nhưng phải

40

sau một khoảng thời gian thì ảnh hưởng này mới quan sát được. Vì thế các vòng điều

khiển phản hồi đơn khó đảm bảo tốc độ đáp ứng nhanh .

Ðiều khiển tầng là một cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi vòng đơn, được sử

dụng nhằm khắc phục những nhược điểm ở trên của điều khiển phản hồi. Ðiều khiển tầng

giúp loại bỏ ảnh hưởng của một số dạng nhiễu và cải thiện rõ rệt đặc tính động học của hệ

thống. Tư tưởng chính của điều khiển tầng là phân cấp điều khiển nhằm loại bỏ ảnh

hưởng của nhiễu ngay tại nơi nó được sinh ra.

Hiện nay, trong hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình đều sử dụng cấu trúc điều

khiển tầng. Trong nhiều trường hợp, cấu trúc điều khiển tầng cũng cho phép kết hợp sử

dụng nhiều sách lược điều khiển khác nhau, chẳng hạn như kết hợp điều khiển phản hồi

với điều khiển tỉ lệ,…

2.3.4.1 Cấu trúc cơ bản của điều khiển tầng

Một cấu trúc điều khiển tầng có thể bao gồm hai hoặc nhiều vòng điều khiển, trong đó

có ít nhất một vòng điều khiển phản hồi. Hai cấu trúc điều khiển tầng được minh họa như

hình 3.10. Trong bất kỳ trýờng hộ nào thì bộ điều khiển thứ cấp cũng phải nhanh hơn

nhiều so với bộ điều khiển sơ cấp.

a)Cấu trúc nối tiếp

41

b)Cấu trúc song song

Hình 2.9.Hai cấu trúc điều khiển tầng

Cấu trúc nối tiếp được ứng dụng nhiều trong thực tế. Ở đây, có hai giá trị phản hồi về

hai bộ điều khiển nhưng chỉ có một biến điều khiển (u2). Tuy nhiên, bậc tự do của hệ

thống không hề tăng, nên hai bộ điều khiển không hoàn toàn độc lập với nhau. Đầu ra

(u1) của bộ điều khiển sư cấp đóng vai trò là giá trị đặt cho bộ điều khiển thứ cấp. Giả sử,

nếu có nhiễu tác động lên quá trình và ảnh hưởng của nó có thể được nhận biết nhanh

hơn qua một biến đo khác (y2), bộ điều khiển thứ cấp sẽ có tác dụng loại trừ hoặc ít ra

cũng giảm đáng kể ảnh hưởng của nó tới biến cần điều khiển thực (y1). Bộ điều khiển sơ

cấp có nhiệm vụ đáp ứng với giá trị đặt thay đổi và loại trừ ảnh hưởng của những nguồn

nhiễu khác nhằm duy trì biến cần điều khiển (y1) theo giá trị đặt (r). Hay nói cách

khác,vòng điều khiển ngoài có nhiệm vụ phản ứng theo giá trị đặt vàvới nhiễu mang tính

toàn cục, trong khi vòng điều khiển ở trong có trách nhiệm với nhiễu cục bộ .

Cấu trúc điều khiển song song có mục đích khống chế giá trị biến điều khiển thứ cấp

(u2)tại giá trị đặt (ru2). Bộ điều khiển thứ cấp có vai trò chủ yếu trong việc duy trì biến cần

điều khiển (y)bám nhanh giá trị đặt, song tín hiệu ra của nó (u2)lại là biến cần điều khiển

của một bộ điều khiển sơ cấp. Do đó, nhiệm vụ của bộ điều khiển sơ cấp là can thiệp sao

cho biến điều khiển (u2) được duy trì gần với giá trị đặt (ru2). Biến điều khiển thứ nhất (u1)

cũng ảnh hưởng tới đầu ra (y), nhưng chậm hơn.

2.3.4.2 Ứng dụng của điều khiển tầng

Qua phân tích hai cấu trúc cơ bản của điều khiển tầng ở trên ta thấy được những ưu

điểm của điều khiển tầng , đó là: Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ, giảm độ quá

42

điều chỉnh, cải thiện tính ổn định của toàn hệ kín và nâng cao tính bền vững của hệ kín.

Do đó, ta chỉ nên áp dụng sách lược điều khiển tầng khi :

Chất lượng của hệ điều khiển vòng đơn thông thường không đáp ứng được yêu

cầu đề ra.

Quá trình có thể phân chia thành hai quá trình con với những nguồn nhiễu tác

động độc lập ,trong đó khâu đứng sau phải chậm hơn nhiều so với khâu đứng

trước .

Sách lược bù nhiễu không áp dụng được hoặc áp dụng nhưng kém hiệu quả hoặc

không giải quyết được triệt để của nhiễu ảnh hưởng cục bộ vào khâu đứng trước.

Vòng điều khiển lưu lượng thứ cấp

Ứng dụng tiêu biểu của điều khiển tầng là sử dụng vòng điều khiển lưu lượng là vòng

thứ cấp . Vòng điều khiển sơ cấp có thể là vòng điều khiển nhiệt độ, nồng độ, hoặc mức.

Vì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình.

Tuy nhiên, quá trình thay đổi lưu lượng phải thông qua các cơ cấu chấp hành như van

điều khiển, máy bơm, băng tải,…vì thế cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp của các nguồn

nhiễu liên quan. Quá trình dòng chảy thường có đặc tính động học nhanh hơn nhiều so

với các quá trình liên quan đến nhiệt độ, mức, nồng độ. Do đó, việc đưa một vòng điều

khiển bên trong vào để loại bỏ sớm ảnh hưởng của nhiễu góp phần cải thiện chất lượng

điều khiển và tốc độ đáp ứng của hệ kín.

Điều khiển vị trí van

Một ứng dụng nổi tiếng của cấu trúc điều khiển tầng song song được biết đến với cái

tên điều khiển van. Van điều khiển là thiết bị được sử dụng nhiều nhất trong các ngành

công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp dầu khí. Thông thường van điều khiển là một

hệ hở với đầu vào là tín hiệu điều khiển và đầu ra là độ mở van. Do đặc tính phi tuyến

của cơ cấu chấp hành , độ trễ và độ dịch của van ,ma sát chốt van ,…nên các van thường

có quán tính lớn cũng như độ chính xác không cao. Đặc tính động học của van có thể

được cải thiện một cách rõ rệt nếu sử dụng thêm một vòng điều khiển định vị van . Một

43

bộ định vị là một bộ điều khiển phản hồi với giảtị đặt là độ mở van mong muốn từ tín

hiệu điều khiển và giá trị phản hồi là vị trí cần van. Như vậy, so với vòng điều khiển

chính thì vòng điều khiển định vị van được coi là vòng thứ cấp.

Vòng điều khiển tỉ lệ thứ cấp

Điều khiển tỉ lệ thuần túy thực chất là điều khiển vòng hởnên không có khả năng triệt

tiêu sai lệch tĩnh. Do đó, việc bổ sung một vòng điều khiển phản hồi bên ngoài có tác

dụng lọa bỏ những ảnh hưởng của nhiễu không đo được và sai lệch mô hình nhằm triệt

tiêu sai lệch tĩnh.

2.3.5.Điều khiển suy diễn

Trong bài toán, biến cần điều khiển chưa chắc đã dễ điều khiển trực tiếp bởi một trong

các lý do :

Quan hệ giữa biến điều khiển và biến cần điều khiển có tính phi tuyến mạnh

Phép đo biến cần điều khiển không chính xác hoặc rất chậm so với động học của

quá trình (hoặc so với một phần nào đó của quá trình ).

Bản thân của quà trình đông học rất chậm , ảnh hưởng của nhiễu chậm được phản

ánh trong biến cần điều khiển.

Điều khiển suy diển dựa trên một trong hai phương pháp :

Sử dụng một mô hình toán học hoặc một mô hình suy diễn để tính toán, suy diễn

giá trị biến cần điều khiển từ một số đại lượng đo được khác khâu tính toán suy diễn này

còn gọi la cảm biến mềm (soft sensor ).

Lựa chọn một biến trung gian dễ điều khiển hơn có quan hệ mật thiết với biến cần

điều khiển, sao cho từ giá trị trị biến trung gian này có thể suy ra giá trị gần đúng của

biến cần điều khiển.

44

2.3.6.Điều khiển lựa chọn

Tùy theo đặc thù của bài toán cũng như chức năng của khâu chọn tín hiệu, ta phân biệt

hai dạng hai dạng lựa chọn điều khiển sau đây :

Điều khiển lấn át (override control ): hệ thống co hai hoăc nhiều vòng điều khiển tương

ứng với hai hoăc nhiều biến cần điều khiển, nhưng chỉ có một biến điều khiển (một thiết

bị chấp hành ). Hai hoặc nhiều bộ điều khiển cùng hoạt động, nhưng chỉ đầu ra của một

bộ điều khiển được lựa chọn đưa thiệt bị chấp hành.

Điều khiển giới hạn (limiting control , constraint control ): Hệ thống chỉ có một bộ điều

khiển nhưng hai hoặc nhiều biến cần điều khiển. Khâu chọn tín hiệu quyết định đầu vào

cho bộ điều khiển phụ thuộc vào các giá trị đo được (ví dụ, chọn giá trị nhỏ nhất hay lớn

nhất ).

2.3.6.1 Điều khiển lấn át :

Điều khiển lấn át là một dạng đặc biệt của điều khiển lựa chọn trong đó một biến điều

khiển có thể giành quyền can thiệp vào biến điều khiển của một bộ điều khiển khác khi

co nguy cơ xảy ra tình trạng vượt ngưỡng cũng như vi phạm các điều kiện ràng buộc

của quá trình hoặc thiết bị . Việc chuyển tiếp của các vòng điều khiển cần được thực hiện

một cách trơn tru, không gây ảnh hưởng gián tới quá trình . Cấu trúc với hai vòng điều

khiển được minh họa hình sau đây :

Hình 2.10.Điều khiển lấn át

45

Ứng dụng của điều khiển lấn át như :

+ Tránh tình trạng tràn trong một tháp chưng luyện bằng cách hạn chế lưu lượng

hơi cấp nhiệt hoặc lưu lượng cấp nhiệt .

+Phòng ngừa tình trạng giá trị mức quá cao hoặc quá thấp trong một bình chứa

bằng cách giành quyền can thiệp mạnh vào các van xả hoặc van cấp.

+ Phòng tránh suất hoặc nhiệt độ quá cao trong một thiết bị phản ứng bằng cách

giảm lượng nhiệt cấp .

+ Giảm lương nhiên liệu cấp cho một buồng đốt nhằm tránh tình trạng hàm lượng

oxy quá thấp trong khí thải.

+ Tránh trương hợp áp suất quá cao trong một đường ống (hơi nước hoặc khí )

bằng cách mở van trên đường tránh.

2.3.6.2 Điều khiên giới hạn

Điều khiển giới hạn cũng được ứng dụng chủ yếu cho mục đích an toàn hệ thống ,

được minh họa bằng hình vẽ sau đây:

Hình 2.11.Điều khiển giới hạn

Khác với điều khiển lấn át, ở đây chỉ có một bộ điều khiển. Đầu vào của bộ điều khiển

được xác định từ khâu lựa chọn tín hiệu đo, ví dụ là giá trị nhỏ nhất hoặc lớn nhất đo

được. Thông thường các tín hiệu đo biểu diễn giá trị của cùng một đại lượng, nhưng được

đo từ những vị trí khác nhau. Điều khiển giới hạn được ứng dụng chủ yếu cho mục đích

an toàn hệ thống.

46

2.3.7.Điều khiển phân vùng

Điều khiển phân vùng (split-rage control ) là một sách lược điều khiển được áp dụng

khi hệ thống có một biến cần điều khiển nhưng có nhiều biến điều khiển (hoặc nhiều

phần tử chấp hành ), trong đó mỗi biến điều khiển (hoặc mỗi phân tử chấp hành ) có ảnh

hưởng lớn nhất trong một phạm vi riêng. Ví dụ, việc thay đổi lưu lượng một dòng hơi

nước cũng chỉ có khả năng làm nóng ít hay nhiều chứ không có khả năng làm lạnh một

đối tượng.

Hình minh họa cho điều khiển phân vùng như sau:

Hình 2.12.Cấu trúc điều khiển phân vùng

Cấu trúc điều khiển phân vùng trong hình trên được sử dụng cho trường hợp ba biến

điều khiển. Bộ điều khiển phân vùng đưa ra 3 tín hiệu điều khiển tương ứng là u1, u2 và

u3, nhưng thực chất 3 tín hiệu này không phải hoàn toàn độc lập mà được tính toán dựa

trên một thuật toán điều khiển duy nhất.

Mục đích chính của điều khiển phân vùng là sử dụng phối hợp một cách tối ưu các

thiết bị chấp hành, giảm thiểu chi phí điều khiển, đồng thời góp phần cải tiện tốc độ và

chất lượng đáp ứng của hệ thống.

2.4.Đánh giá các sách lược điều khiển

Với các sách lược đã trình bày ở trên ta có thể hình dung một cách khái quát về một hệ

thống điều khiển quá trình. Các sách lược đều có những ưu điểm và nhược điểm mà ta

cần chú ý và so sánh để lựa chọn ra các sách lược phù hợp với mục đích điều khiển.

Với sách lược truyền thẳng nếu không biết rõ thông tin về quá trình và ảnh hưởng của

nhiều thì việc điều khiển rất khó bám vào giá trị đặt. Mặc dù có những nhược điểm nhưng

47

sách lược điều khiển truyền thẳng vẫn được sử dụng rộng rãi vì điều khiển truyền thẳng

tác động nhanh, cho phép loại bỏ đáng kể ảnh hưởng của nhiễu đo được trước khi nhiễu

này kịp tác động xấu đến hệ thống.

Đối với điều khiển phản hồi thì có khả năng bền vững với sai lệc mô hình, có tác dụng

làm giảm ảnh hưởng của nhiễu nhưng nó lại có nhược điểm là khả năng ổn định hệ thống.

Vì vậy nếu kết hợp điều khiển phản hồi và điều khiển truyền thẳng thì có thể tận dụng

được ưu điểm và khắc phực được nhược điểm của các sách lược.

Điều khiển tỉ lệ là một cấu trúc đặc biệt của điều khiển truyền thẳng do đó nó cũng có

ưu nhược điểm như điều khiển truyền thẳng. Mặt khác điều khiển tầng cũng là cấu trúc

mở rộng của điều khiển phản hồi vòng đơn. Điều khiển tầng giúp loại bỏ một ảnh hưởng

của một số dạng nhiễu và cải thiện rõ rệt đặc tính động học của hệ thống. Đồng thời điều

khiển tầng cũng có những ứng dụng như điều khiển vị trí van, vòng điều khiển lưu lượng

thứ cấp và điều khiển định vị van.

Điều khiển suy diễn là một sách lược được sử dụng khá rộng rãi khi một số biến cần

điều khiển không thể điều khiển trwucj tiếp được mà phải thông qua các biến khác. Điều

khiển suy diễn loại bỏ được các nhiễu quá trình, điều khiển gián tiếp các biến nên tác

động nhanh hơn nhưng lại không được chính xác như điều khiển trực tiếp các biến.

Đối với điều khiển phân vùng và điều khiển lựa chọn áp dụng cho các quá trình có

nhiều biến và nhiều vị trí cần điều khiển.

Qua các phân tích trên về các sách lược điều khiển và áp dụng vào quá trình điều khiển

hệ thống tháp chưng cất ta thấy sách lược điều khiển phản hồi hay được sử dụng cho hệ

thống điều khiển tháp chưng cất. Ngoài ra các sách lược điều khiển khác như điều khiển

phân vùng được sử dụng để điều khiển các vị trí tháp chưng cất, điều khiển suy diễn để

điều khiển gián tiếp các biến tác động chậm tới quá trình, điều khiển tầng được chọn để

điều khiển lưu lượng và vị trí van đồng thời điều khiển truyền thẳng cũng được sử dụng.

Việc kết hợp một cách phù hợp các sách lược điều khiển sẽ giúp chúng ta có thể thiết kế

một hệ thống điều khiển hợp lý và độ chính xác cao.

48

2.5.Các khí cụ đo thường được sử dụng

49

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THÁP CHƯNG

CẤT

3.1.Mô tả bài toán điều khiển

3.1.1.Mục đích điều khiển

Trong tháp chưng cất thì ứng với một dải nhiệt độ ta sẽ thu được thành phần sản phẩm

mong muốn. Do đó, để thu được thành phần sản phẩm đỉnh như mong muốn ta phải duy

trì nhiệt độ tại đỉnh tháp ở một giá trị nhất định. Để thực hiện được điều này, ta trích một

phần dòng sản phẩm đỉnh đi qua một thiết bị trao đổi nhiệt để thu hồi một lượng nhiệt cần

thiết để đảm bảo nhiệt đầu ra tại đỉnh tháp đạt giá trị mong muốn.

3.1.2.Phân biệt các biến quá trình

Vì mục đích điều khiển là giữ cho nhiệt độ đi ra khỏi đỉnh tháp ở một giá trị mong muốn

nên biến cần điều khiển ở đây là nhiệt độ. Nhiệt độ dòng sản phẩm ra khỏi tháp được ký

hiệu là T1. Nhiệt độ dòng sản phẩm hồi lưu trước và sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt

được ký hiệu là T3, T2. Bởi vì việc trao đổi nhiệt ở đây là bằng không khí nên nhiệt độ của

dòng khí vào và ra được ký hiệu Tk1, Tk2. Lưu lượng của dòng sản phẩm và dòng khí làm

mát lần lượt ký hiệu là w1 và w2. Trong đó lưu lượng dòng sản phẩm được cho đi qua và

không đi qua bộ tra đổi nhiệt được ký hiệu là wt1, wt2.

Ta có : wt1 + wt2 = wt

Xét theo quan hệ nhân quả, ta có thể nhận ra trong quá trình trao đổi nhiệt này có các

biến ra là T1, T2, T3, Tk2 và wt. Tuy nhiên, theo yêu cầu công nghệ ta có thể thấy ngay biến

ra cần điều khiển là T1. Bên cạnh đó, một biến nữa mà ta cần phải điều khiển đó là lưu

lượng dòng sản phẩm wt bởi vì khi lưu lượng dòng sản phẩm này thay đổi thì sẽ ảnh

hưởng tới nhiệt độ dòng sản phẩm đi ra khỏi tháp. Nhiệt độ của dòng sản phẩm hồi lưu

trước và sau khi qua bộ trao đổi nhiệt T3, T2 được đo và phản hồi về để sử dụng trong

thuật toán điều khiển.

50

Các biến vào được xác định là Tk1, wk, wt1, và wt2. Ta có thể dễ dàng nhận ra biến điều

khiển chính là lưu lượng dòng quá trình đi qua và không đi qua bộ trao đổi nhiệt w t1, wt2.

Biến điều khiển thứ hai có thể là lưu lượng của dòng khí làm mát, tuy nhiên việc điều

khiển lưu lượng khí làm mát wk khó có thể thực hiện được nên ta coi là nhiễu. Trong

phạm vi quá trình trao đổi nhiệt ta cũng không thể can thiệp tới nhiệt độ của dòng khí làm

mát nên những biến này cũng được coi là nhiễu. Do đó, chỉ có lưu lượng của dòng sản

phẩm đi qua và không đi qua thiết bị trao đổi nhiệt wt1, wt2 được chọn là biến điều khiển

tiềm năng.

3.1.3.Mô hình đơn giản

Qua việc phân biệt các biến quá trình ở trên, ta có thể đưa ra một mô hình đơn giản

thực hiện bài toán điều khiển nhiệt độ dòng sản phẩm ở đỉnh tháp như sau:

Hình 3.1. Mô hình đơn giản hóa cho quá trình nhiệt ở dòng sản phẩm đỉnh

51

3.2.Sách lược điều khiển

3.2.1.Mô tả sơ đồ P&ID

3.2.2.1.Sơ đồ điều khiển đơn giản

Sơ đồ P&ID mô tả hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh được thể hiện như

hình 19.

Hình 3.2. Điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất

Hình 19 minh họa cấu trúc điều khiển 3 tầng, trong đó điều khiển thành phần là vòng sơ

cấp, điều khiển nhiệt độ và điều khiển lưu lượng hồi lưu là các vòng thứ cấp. Bộ điều

khiển nhiệt độ TC đóng vai trò là bộ điều khiển suy diễn có khả năng đáp ứng nhanh với

nhiễu. Bên cạnh giá trị nhiệt độ phản hồi, bộ điều khiển nhiệt độ còn sử dụng giá trị đo áp

suất để tính toán chính xác hơn. Tín hiệu ra từ bộ điều khiển nhiệt độ là giá trị đặt cho bộ

điều khiển lưu lượng hồi lưu FC. Lưu lượng hồi lưu thay đổi sẽ dẫn đến nhiệt độ đỉnh

tháp và kéo theo thành phần sản phẩm đỉnh thay đổi. Bộ điều khiển thành phần AC chỉ

52

can thiệp để thay đổi giá trị đặt cho bộ điều khiển nhiệt độ khi thực sự cần thiết, vì thế

phép phân tích thành phần ở đây dù chậm nhưng vẫn chấp nhận được

3.2.2.2.Sơ đồ điều khiển kết hợp

Sơ đồ P&ID mô tả hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh được thể hiện như

hình 20.

Hình 3.3.Sơ đồ P&ID cho hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp.

Bộ điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp căn cứ vào giá trị nhiệt độ đo được từ đỉnh tháp để

đưa ra giá trị nhiệt độ yêu cầu cho bộ điều khiển TIC từ đó đưa thông tin đến bộ điều

khiển UIC. Bộ điều khiển này dựa vào giá trị yêu cầu từ bộ điều khiển TIC, lưu lượng

của dòng sản phẩm đi ra khỏi tháp và sự chênh lệch nhiệt độ giữa dòng sản phẩm đi vào

và dòng sản phẩm đi ra khỏi tháp để cho phép dòng sản phẩm đỉnh đi qua bộ trao đổi

53

nhiệt nhiều hay ít bằng cách đóng lại hay mở thêm các van điều khiển một cách thích hợp

thông qua phương trình cài đặt trong khối tính toán FY.

Bất kỳ một sự gia tăng lưu lượng dòng sản phẩm đi ra khỏi tháp lên giá trị yêu cầu thì

bộ điều khiển FIC sẽ giảm dần giá trị đầu ra để đóng bớt cả 2 van thông qua một giá trị

được tính toán và kết quả là lưu lượng được giảm xuống.

Bất kỳ một sự gia tăng nhiệt độ lên trên giá trị yêu cầu ở bộ điều khiển UIC. Bộ điều

khiển sẽ giảm giá trị đầu ra để đóng bớt các van qua khối tính toán. Kết quả là sẽ có ít

dòng sản phẩm đi qua bộ trao đổi nhiệt E1 do đó nhiệt độ đỉnh tháp sẽ giảm xuống.

Như vậy để điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất ta cần xác định sản phẩm muốn lấy

ra là sản phẩm gì từ đó đưa ra các biện pháp để điều khiển nhiệt độ thông qua việc điều

khiển lưu lượng dòng nóng hay dòng lạnh để từ đó điều khiển độ đóng mở của các van.

Từ sơ đồ P&ID ở trên ta xây dựng được sơ đồ khối như hình 21.

Hình 3.4.Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ và lưu lượng hồi lưu dòng sản

phẩm đỉnh

54

Mục đích điều khiển của vòng điều khiển này là duy trì nhiệt độ của dòng sản phẩm đi

ra khỏi tháp ở một nhiệt độ mong muốn qua đó đảm bảo được chất lượng của thành phần

dòng sản phẩm đỉnh.

Hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh sử dụng cấu trúc điều khiển tầng để

điều khiển nhiệt độ của dòng sản phẩm đỉnh đi ra khỏi tháp chưng cất. Trong đó, vòng

điều khiển nhiệt độ quyết định chất lượng dòng sản phẩm đỉnh. Tuy nhiên do quá trình

nhiệt biến đổi chậm nên việc điều khiển nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh sẽ không đạt được

giá trị mong muốn nếu ta không đưa vào một vòng điều khiển có tác động nhanh hơn.

Thật vậy, giá trị nhiệt độ của dòng sản phẩm đỉnh T1 được đo và phản hồi về bộ điều

khiển TIC, bộ điều khiển này so sánh giữa giá trị phản hồi và giá trị đặt để đưa ra giá trị

chô bộ điều khiển nhiệt lượng UIC. Đây là một bộ điều khiển mà có tác động nhanh đối

với sự thay đổi của nhiệt độ đảm bảo nhiệt độ của dòng sản phẩm đỉnh đi ra khỏi tháp đạt

giá trị mong muốn.

Vòng điều khiển nhiệt lượng sử dụng sách lược điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển này

dựa vào các tín hiệu như: độ chênh lệch nhiệt độ của dòng sản phẩm hồi lưu trước và sau

khi đi qua bộ trao đổi nhiệt cũng như lưu lượng của dòng sản phẩm hồi lưu để tính toán

và so sánh với các giá trị đặt được yêu cầu bởi bộ điều khiển sẽ đưa ra hệ số tỉ lệ tới khâu

nhân để đóng bớt van FC đồng thời mở thêm van FO và ngược lại.

Vòng điều khiển lưu lượng cũng sử dụng sách lược điều khiển phản hồi để điều khiển

lưu lượng dòng sản phẩm hồi lưu qua đó điều khiển được nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh đi

ra khỏi tháp. Thật vậy, lưu lượng của dòng sản phẩm hồi lưu được đo và đưa tới bộ điều

khiển lưu lượng. Dựa vào sai lêch giữa giá trị đặt và lưu lượng đo được bộ điều khiển đưa

ra tín hiệu để đóng hay mở van

Ta thấy có sự tương tác giữa hai vòng điều khiển lưu lượng và điều khiển nhiệt lượng,

bộ điều khiển lưu lượng đưa ra giá trị lưu lượng tổng trong khi bộ điều khiển nhiệt lượng

lại đưa ra hệ số tỉ lệ giữa dòng sản phẩm qua và không đi qua thiết bị trao đổi nhieetk với

dòng sản phẩm hồi lưu.

55

Giả sử, nếu vì một lý do nào đó nhiệt độ dòng sản phẩm đi ra khỏi tháp nhỏ hơn giá trị

đặt, bộ điều khiển TIC sẽ đưa ra một giá trị tương ứng với sựu giảm nhiệt độ của dòng

sản phẩm này tới bộ điều khiển UIC. Bộ điều khiển UIC sẽ đưa ra hệ số tỉ lệ tới khối tính

toán F1 để tăng độ mở của van FC do đó lưu lượng dòng sản phẩm không đi qua bộ trao

đổi nhiệt sẽ tăng lên đồng thời bộ điều khiển UIC cũng sẽ đưa hệ số tỉ lệ đó tới khối tính

toán để giảm độ mở của van FO. Nhiệt độ chênh lệch càng lớn, hệ số tỉ lệ của bộ điều

khiển UIC càng nhỏ. Chừng nào còn sai lệch điều khiển thì lưu lượng dòng sản phẩm đi

qua thiết bị trao đổi nhiệt còn được thay đổi.

Qua phân tích cấu trúc điều khiển tầng trên ta thây bộ điều khiển TIC đóng vai trò bộ

điều khiển sơ cấp còn bộ điều khiển UIC đóng vai tro bộ điều khiển thứ cấp. Bộ điều

khiển thứ cấp nhận tín hiệu từ bộ điều khiển sơ cấp làm giá trị cài đặt cho mình

Tóm lại, trong cấu trúc điều khiển tầng các vòng điều khiển nằm bên trong luôn có tác

động nhanh hơn vòng điều khiển bên ngoài nhằm loại bỏ các nhiễu cục bộ, cải thiện tính

ổn định và nâng cao tính bền vững của hệ thống.

3.3. Một số sơ đồ điều khiển nhiệt độ tháp chưng cất thực tế

56

Hình 3.5.Sơ đồ đo và điểu khiển quá trình chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển

57

Qua các sơ đồ điều khiển nhiệt độ tháp chưng cất thực tế ta thấy việc điều khiển nhiệt

độ tháp chưng cất chia làm các vùng khác nhau đồng thời sử dụng dòng hồi lưu nóng và

lạnh để điều khiển nhiệt độ cho tháp chưng cất. Việc điều khiển nhiệt độ tháp chưng cất

bằng việc đưa ra giá trị đặt cho bộ điều khiển, bộ điều khiển dựa vào giá trị đo được từ

các cảm biến truyền tín hiểu về từ đó tính toán và truyền tín hiệu tới các thiết bị điều

khiển độ đóng mở của van.

Mặt khác chúng ta thấy rằng sơ đồ điều khiển thực tế phức tạp hơn nhiều so với lý

thuyết điều khiển vì phải quan tâm tới nhiều yếu tố hơn như độ an toàn của thiết bị, điều

kiện vận hành, môi trường làm việc và chi phí kinh tế. Do đó để thiết kế được một hệ

thông điều khiển có thể sử dụng trong thực tế cần hiểu cặn kẽ các vấn đề điều khiển đồng

thời phải kết hợp với công nghê, điều kiện làm việc và trang thiết bị đã có

3.4.Đánh giá cấu trúc và các sách lược điều khiển được áp dụng

Hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất là một hệ thống rất phức tạp với nhiều biến

tương tác qua lại lẫn nhau. Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho tháp chưng cất vẫn áp dụng

các phương pháp điều khiển thông dụng được sử dụng nhiều trên thế giới đó là sử dụng

các sách lược điều khiển như: điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi, điều khiển tỷ

lệ,…và các bộ điều khiển sử dụng thuật toán PID để đạt được các mục đích điều khiển

theo yêu cầu bài toán.

Tuy hệ thống điều khiển cho tháp được phân tách ra thành các vòng điều khiển dơn lẻ

nhưng không vì thế mà ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm đầu ra. Bởi vì ứng với

các vòng điều khiển đơn lẻ cũng đã tính đến sự tương tác ở mức độ nhất định từ các vòng

điều khiển khác.

Tuy nhiên qua phân tích cũng nhận thấy một số nhược điểm mà hệ thống cần được cải

thiện là không đề cập đến chất lượng sản phẩm đi ra khỏi tháp bằng cách sử dụng các

thiết bị phân tích dữ liệu từ các sản phẩm để từ đó có các phương pháp điều khiển chính

xác hơn trong khi ở đây chỉ sử dụng một biến điều khiển duy nhất là nhiệt độ để cho ra

các sản phẩm ứng với các dải nhiệt độ nhất định.

58

59

KẾT LUẬN

Với sự phát tiển của kinh tế, khoa học công nghệ,... nhu cầu về nhiên liệu cả về số

lượng và chất lượng ngày càng tăng. Các sản phẩm thu được từ nguồn dầu thô luôn giữ

vai trò quan trọng trong đời sống hàng ngày. Hầu hết các sản phẩm từ dầu thô có thể trở

thành nguyên liệu cho các các động cơ khác đều được tổng hợp từ quá trình chưng cất, và

chưng cất cũng là quá trình công nghệ quan trọng nhất có thể đưa các sản phẩm của dầu

thô sử dụng cho nhu cầu về nhiên liệu của con người.

Qua quá trình thu thập tài liệu, tìm hiểu về quá trình chưng cất bài đồ án này đã trình bày

được các nội dung chủ yếu sau:

Tìm hiểu một cách tổng quan về quá trình chưng cất

- Nguyên liệu của quá trình chưng cất

- Sản phẩm của quá trình chưng cất

- Các loại chưng cất phổ biến

- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất như nhiệt độ, áp suất

- Các điều kiện vận hành tháp chưng cất

Tìm hiểu chung về điều khiển quá trình

- Tìm hiểu về các sách lược điều khiển

- Các sơ đồ điều khiển và mô tả sơ đồ P&ID

Thiết sơ đồ điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất dầu thô

- Nhận biết các biến điều khiển

- Đưa ra sơ đồ điều khiển cụ thể và giải thích sơ đồ

- Đánh giá các sách lược điều khiển nhiệt độ tháp chưng cất

Từ việc nghiên cứu đồ án giúp em hiểu hơn về quá trình chưng cất cũng như việc thiết

lập hệ thống điều khiển tháp chưng cất để có thể thu được sản phẩm mong muốn.

60

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Phan Tử Bằng .Hóa học dầu mỏ và khí tự nhiên .Nhà xuất bản Giao thông vận tải.Hà

Nội-2008

[2].Phan Tử Bằng .Giáo trình Công nghệ lọc dầu . Nhà xuất bản Xây dựng .Hà Nội-2002

[3].Hoàng Minh Sơn.Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình .Nhà xuất bản Bách khoa Hà

Nội,2006

[4].Disign of Distillation Column Control System-page S.Buckley,William L.Luyben ,

Joseph P.Shunta

[5].Fundamentals of Distillation Column Control by Terry Tolliver

61