tin tức - sự kiện

MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN SỬ DỤNG ĐA THỨC BẬC 2 ĐIỀU KHIỂN SURGE MÁY NÉN CAO ÁP

4/28/2016 11:42:53 PM

Hiện tượng "surge" của máy nén ly tâm ảnh hưởng đến hiệu suất, công suất, chế độ làm việc và an toàn của máy. Hệ thống điều khiển chống "surge" là một trong những hệ thống điều khiển phức tạp nhất của máy nén ly tâm.

Mặc dầu hiện tượng này được phát hiện từ năm 1917, tuy nhiên mãi đến năm 1990, sau hơn 70 năm các chuyên gia trên thế giới mới có tổng quan một cách đầy đủ về hệ thống điều khiển này.

Xí nghiệp Khai thác các công trình Khí hiện đang vận hành 8 máy nén khí cao áp loại ly tâm, được lắp đặt theo các dự án khác nhau trên giàn nén khí trung tâm (CCP, năm 1997 và năm 2015) và giàn nén khí mỏ Rồng (DGCP, năm 2010). Vì vậy, các hệ thống điều khiển chống surge cũng dựa trên các nguyên lý khác nhau, chương trình PLC khác nhau. Các máy làm việc càng lâu, thông số thay đổi càng nhiều và khả năng xuất hiện surge càng lớn, càng khó “vào tải” trong quá trình khởi động máy nén. Do đó, người vận hành máy nén ly tâm cần nắm vững nguyên lý, cấu trúc của chương trình PLC và các thông số ảnh hưởng đến hiện tượng surge để có thể thay đổi chế độ làm việc của máy nén phù hợp với điều kiện công nghệ hiện hữu.

Mô hình giới hạn surge (surge line model) của các máy thế hệ trước (lắp đặt năm 1997, 2010) có dạng đa thức bậc 2 (y = ax² + bx + c). Trong khi đó, các máy thế hệ sau (lắp đặt sau năm 2010) có dạng đa thức nghịch bậc 3 (x = ay³ + by² + cy +d). Mô hình giới hạn surge được xây dựng từ thực nghiệm. Với những giá trị lưu lượng, áp suất, nhiệt độ đo được tại thời điểm xảy ra hiện tượng surge, người ta sử dụng phương pháp sai số tuyệt đối hay sai số bình phương cực tiểu để xác định các hệ số a, b, c, d của mô hình.

Để đánh giá chế độ làm việc, đối với các máy nén thế hệ cũ của CCP và DGCP người ta sử dụng giá trị surge margin; đối với máy nén thế hệ mới (Train F, CCP) thì sử dụng giá trị turndown.

Hình 1: Định nghĩa surge margin và turndown

Bài viết này sẽ tập trung vào phân tích và mô phỏng thuật toán điều khiển sử dụng đa thức bậc 2 trong điều khiển surge của máy nén.

Như mọi người đã biết, PLC điều khiển máy nén trong những năm 1990 là PLC thế hệ cũ, sử dụng các ô nhớ, ý nghĩa của các ô nhớ chỉ thể hiện qua chú thích (description), gây nhiều khó khăn cho người vận hành khi muốn hiểu thấu đáo nội dung, ý nghĩa và mục đích của các lệnh điều khiển. Vì vậy, các bước đã được triển khai cụ thể như sau:

1. Bảng lệnh : Từ chương trình bậc thang (ladder) xây dựng bảng lệnh kèm theo chú thích và ý nghĩa của các lệnh. Ví dụ : LAD 242, RUNG 11 tính nghiệm của phương trình bậc 2 và cũng là giá trị lưu lượng giới hạn surge.

2. Lưu đồ thuật toán. Dưới dạng bảng chúng ta khó có thể hình dung được 1 cách tổng thể, vì vậy người ta thường sử dụng lưu đồ để mô tả thuật toán.

Hình 2 - Một phần của lưu đồ thuật toán tính giá trị tín hiệu điều khiển van surge.

3. Đồ thị mô tả thuật toán.

Để hiểu rõ mối quan hệ giữa thuật toán điều khiển và mô hình giới hạn surge cũng như mô tả chi tiết ý nghĩa hình học của thuật toán, đồ thị của thuật toán được xây dựng như Hình 3 dưới đây.

Hình 3 - Đồ thị mô tả ý nghĩa hình học của thuật toán.

4. Mô phỏng chương trình PLC bằng phần mềm Matlab.

Hình 4 - Kết quả mô phỏng trên Matlab

So sánh kết quả mô phỏng và thông số thực tế trên màn hình điều khiển cho thấy kết quả hoàn toàn tương tự với góc nghiêng của các đường surge line (màu đỏ), control line (màu vàng), deadband line (màu xanh lá).
Với chương trình mô phỏng trên Matlab như Hình 4, người vận hành có thể khảo sát một cách dễ dàng ảnh hưởng của các thông số công nghệ, thông số điều khiển đến surge margin hay giá trị tín hiệu điều khiển van surge. Thông số đầu vào của chương trình ngoài các thông số công nghệ như áp suất vào/ ra, nhiệt độ vào/ ra và lưu lượng còn có các hệ số của mô hình đa thức bậc 2, control line factor, deadband factor. Kết quả tính toán gồm : surge margin, giá trị setpoint, chênh áp giữa đầu ra và vào, lưu lượng tức thời và giá trị tới hạn surge. Trên màn hình mô phỏng còn thể hiện phương trình bậc 2, mô hình giới hạn surge và điểm làm việc để có thể quan sát được khả năng xẩy ra hiện tượng surge.

Hình 5 - Màn hình điều khiển máy nén (HMI)

5. Đánh giá ảnh hưởng của thông số công nghệ.

Với mô hình toán học sử dụng đa thức bậc 2, xuất phát từ 02 phương trình h₁ và setpoint (SP):

Sau khi thực hiện đạo hàm riêng theo từng thông số và thay giá trị của các thông số khác ta xác định được ảnh hưởng của thông số đó. Vì vậy, phương pháp mô phỏng toán học giúp chúng ta dễ dàng khảo sát ảnh hưởng của các thông số đến những giá trị đặc trưng điều khiển van surge.

a. Áp suất vào / ra (Suction / Discharge Pressure).

Bảng 1 – Tương quan giữa áp suất và surge margin, setpoint

P1 [%]	95%	100%	105%	-5%	5%
Surge Margin	9.18	7.43	5.89	23.55	-20.73
Control Setpoint	2581.90	2450.	2322.90	5.38	-5.19
P2 [%]	95%	100%	105%	-5%	5%
Surge Margin	7.80	7.40	6.90	5.41	-6.76
Control Setpoint	2295.10	2450.00	2599.60	-6.32	6.11

Theo bảng kết quả trên ta thấy khi áp suất vào tăng (các thông số khác không đổi) Surge Margin & Setpoint giảm. Khi áp suất ra tăng, giá trị lưu lượng h₁ tăng. Tuy nhiên giá trị X₁ tăng nhiều hơn nên surge margin giảm.

b. Nhiệt độ đầu vào/ ra (Suction/ Discharge Temprature)

Bảng 2 – Tương quan giữa nhiệt độ và surge margin, setpoint

T1 [%]	95%	100%	105%	-5%	5%
Surge Margin	6.80	6.90	7.00	-1.45	1.45
Control Setpoint	2592.80	2599.60	2606.40	-0.26	0.26
T2 [oC]	110.80	116.60	122.40	-4.97	4.97
Surge Margin	7.70	6.90	6.10	11.59	-11.59
Control Setpoint	2640.90	2599.60	2558.70	1.59	-1.57

Nhiệt độ khí đường vào không ảnh hưởng nhiều đến surge margin. Nhiệt độ khí đường ra tăng sẽ làm tăng giá trị surge margin, tuy nhiên nhiệt độ này bị giới hạn bởi bởi rơ le bảo vệ mức cao.

c. Lưu lượng đầu ra (Discharge Flow h2)

Bảng 3 – Tương quan lưu lượng và surge margin, setpoint

h₂ [%]	95%	100%	105%	-5%	5%
Surge Margin	4.20	6.90	9.50	-39.13	37.68
Control Setpoint	2457.50	2599.60	2732.40	-5.47	5.11

Khi lưu lượng ra chỉ cần tăng 5%, giá trị surge margin đã tăng đáng kể.

d. Tổng hợp ảnh hướng của thông số công nghệ.

Bảng 4 – Tương quan giữa thông số công nghệ và surge margin, setpoint

	Surge Margin	Setpoint	X1	h1
Suction Pressure	-20.73	-5.19	-1.52	-4.32
Discharge Pressure	-6.76	6.11	5.99	4.86
Discharge Flow (h2)	37.68	5.11	0.00	5.03
Suction Temprature	1.45	0.26	0.00	0.31
Discharge Temprature	-11.59	-1.57	0.00	-1.41

Qua kết quả mô phỏng cũng như phân tích nguyên nhân gây surge ta thấy quá trình vận hành cần tránh việc gây sốc đối với áp suất đường vào và ra; thường xuyên kiểm tra các phần tử thứ cấp và nhị cấp của thiết bị đo lưu lượng.

6. Ảnh hưởng của các hệ số điều khiển

a. Chế độ điều khiển

- Control Line Mode: HPCSGCONSP (HPC_KCL*h1+Bias ) ≤ P2-P1

Van Surge mở với các thông số điều khiển KP: KPFAST, KIFAST

- Deadband Hold Mode: HPCSGCONDB (HPC_KDB*h1+Bias) ≥ P2-P1

Van Surge đóng với các thông số điều khiển Kp=KPSLOW, Ki=KISLOW

- Deadband Line Mode: HPCSGCONDB (HPC_KDB*h1+Bias) > P2-P1

Setpoint = CONSP – (P2-P1).

b. Hệ số điều khiển và hệ số trễ (Control & Factor, Dead band Factor).

Bảng 5 – Tương quan giữa hệ số điều khiển và các thông số đặc trưng điều khiển surge

TT	Thông số đặc trưng của hệ thống điều khiển surge	Hệ số điều khiển giảm	Hệ số điều khiển tăng
1	Độ dốc của đường đặc tính điều khiển	Tăng	Giảm
2	Chế độ điều khiển (Control Line Mode)	Tăng	Giảm
3	Chế độ trễ (Dead Band Mode)	Tăng	Giảm
4	Giá trị Setpoint.	Giảm	Tăng
5	Tốc độ đóng van	Giảm	Tăng
6	Giá trị Surge Margin	Không đổi	Không đổi

c. Hệ số khuếch đại & Tích phân (Proportional Factor & Intergal Factor )

CVKp = CV0 + Ki*t*(Error0 + Error1)/2

CVKi = Ki*t*(Error0 + Error1) + CVKi

CV: Surge Valve control value, tín hiệu đóng van.

Giá trị Kp & Ki phụ thuộc vào khả năng cho phép trong quá trình vào tải. Nếu van surge đóng nhanh, tốc độ NPT không đổi sẽ dẫn đến hiện tượng surge. Để chọn được giá trị tối ưu cần kiểm tra đường đặc tính của van surge lắp đặt trong hệ thống theo tài liệu thiết kế van surge của hãng cung cấp (Surge Valve Design)

7. Kết luận.

Với những kết quả nghiên cứu về thuật toán điều khiển surge với mô hình giới hạn surge bậc 2 đang được sử dụng trong 5 máy nén giàn Nén khí trung tâm và mô phỏng bằng phần mềm matlab giúp người vận hành:

- Dễ dàng liên hệ thuật toán và nhiệm vụ của các dòng lệnh trong PLC P5 nhờ đó có thể dễ dàng thay đổi các hệ số trong các dòng lệnh.

- Mô phỏng trạng thái hệ thống trong quá trình khởi động, vào tải để có thể thay đổi các thông số phù hợp để quá trình vào tải được tối ưu.

- Mô phỏng trạng thái hệ thống trước và sau khi xảy ra hiện tượng surge, nhờ vậy có thể xác định nguyên nhân gây surge.

- Trước khi thay đổi trực tuyến các hệ số điều khiển trong PLC, phương pháp mô phỏng có thể xác định được sự biến thiên của các thông số điều khiển và quá trình công nghệ, nhờ đó có thể tiết kiệm được thời gian dừng máy nén và giảm đáng kể số lần khởi động.