Đồ án Hệ thống điều khiển mức trong bình tách

chế các thông số vận hành của bình tách, vì vậy cần thiết phải xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh hoạt động của van LCV-1001, LT-1002, LZT-1001 và chương trình cảnh báo sự cố khẩn cấp, các sự cố về quá mức - áp suất cho vòng điều khiển van. Bình tách này chỉ tách được 2 pha nên chưa đáp ứng được yêu cầu của công nghệ khai thác của giàn khoan SD-A WHP vì khi vào vận hành thì tỷ lệ nước và tạp chất tương đối cao nên phải thiết kế lại bình tách 3 pha hoặc dầu sẽ chuyển thẳng qua FPSO để tách lại đạt tiêu chuẩn và độ tin cậy cao hơn. Hệ thống bảo vệ quá áp trên giàn khoan và bình tách chưa đảm bảo than thiện với môi trường vì không có ngọn đuốc trên sàn cho nên khi qua áp phải xả ra ngoài không khí, ngọn đuốc nằm bên tàu FPSO. Chương III THIẾT BỊ ĐO MỨC SỬ DỤNG TRONG NGÀNH DẦU KHÍ. Giới thiệu chung về thiết bị đo mức. Các cách đo mức chất lỏng và nguyên lý làm việc, nhu cầu về những hệ thống tự động hóa xử lý tinh vi, sự nghiêm ngặt của những quy chuẩn trong điều khiển quá trình, và những yêu cầu ngày càng khắt khe trong môi trường đo mức khiến kỹ sư quá trình phải đi tìm những hệ thống đo mức tin cậy hơn, chính xác hơn. Kết quả đo chính xác cao hơn làm giảm thiểu những khả năng sai lệch trong quá trình xử lý hóa chất (đề cập trong bài viết này là hoá chất ở dạng lỏng), nâng cao chất lượng của sản phẩm đầu ra, giảm chi phí và lãng phí. Những công nghệ đo mức tiên tiến hiện nay có thể giúp các kỹ sư dễ dàng tìm được thiết bị ưng ý, đáp ứng được những yêu cầu nêu trên. Sự giao thời trong công nghệ đo mức. Thiết bị đo mức đơn giản và cổ nhất trong công nghiệp là một loại bình trong suốt. Là phương pháp đo thủ công truyền thống và nó có nhiều hạn chế: vật liệu của thiết bị có thể bị ăn mòn, chịu sự tác động của môi trường; con người phải tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo; có thể xảy ra tình trạng cháy, nổ dễ rò rỉ chất lỏng qua nắp, và cặn của chất lỏng có thể hạn chế tầm nhìn. Do có quá nhiều hạn chế, nên thiết bị này nhanh chóng bị các thiết bị công nghệ tiên tiến hơn thay thế. Một thiết bị đo mức khác dựa vào trọng lực, đó là thước đo kiểu phao. Một chiếc phao đơn giản được thả nổi trên bề mặt chất lưu. Chiếc phao này chịu sự tác động từ lực của chất lưu và không khí phía trên làm nó nổi trên bề mặt và dao động theo mức chất lưu. Bên cạnh đó, một thiết bị khác cũng được sử dụng rộng rãi để xác định mức chất lưu đó là đầu đo thủy tĩnh.Trên đây là những thiết bị đo mức đơn giản, đã quen thuộc với người sử dụng, nhưng khi xuất hiện những nguyên tắc và ứng dụng đo mức trở nên phức tạp hơn, thì đây là lúc ngành công nghiệp đo mức chuyển mình với sự ra đời của những công nghệ mới sử dụng máy tính để tính toán. Khi công nghệ đo mức gắn với công nghệ máy tính thì dữ liệu từ cảm biến truyền về hệ thống điều khiển và giám sát phải ở dạng máy có thể đọc được. Trong đó, những dạng tín hiệu đầu ra hữu dụng là dạng tín hiệu ở dạng điện mạch vòng (current loops), điện áp tương tự (analog voltages), và tín hiệu số (digital signals). Tín hiệu điện áp tương tự là dạng tín hiệu dễ thiết lập và giải mã, tuy nhiên nó lại dễ bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn và yếu tố ngoại vi khác. Tín hiệu điện mạch vòng 4-20 mA là dạng tín hiệu thông dụng ngày nay. Dạng tín hiệu này có thể truyền ở khoảng cách xa mà ít bị suy hao. Dạng tín hiệu số được mã hóa dưới dạng nghi thức bất kỳ (như Foundation Fieldbus, Hart, Honeywell DE, Profibus, and RS-232) là dạng tín hiệu khỏe nhất. Tuy nhiên, đối với những công nghệ cũ như RS-232 thì tín hiệu số chỉ có thể được truyền ở khoảng cách nhất định. Còn đối với công nghệ không dây mới thì tín hiệu dưới dạng số có thể truyền được ở khoảng cách xa hơn nhiều mà hầu như không ảnh hưởng gì đến chất lượng tín hiệu truyền. Khi càng xuất hiện những công nghệ đo tiên tiến (như siêu âm, ra đa, laze) thì dạng tín hiệu mã hóa cũng càng tinh vi hơn, đòi hỏi phải có máy tính số thông minh để định dạng mã tín hiệu. Cùng với đó là nhu cầu liên lạc tiên tiến và hệ thống định dạng số cho chúng ta những lời giải thích về xu hướng tiến tới sử dụng máy tính vi xử lý nhúng trong hầu hết những thiết bị đo mức. So sánh ưu nhược điểm của các loại thiết bị đo mức. Kỹ thuật đo mức: Vật liệu: có bốn loại vật liệu : chất rắn, chất lỏng, chất sệt, mặt cách ly. Phương pháp đo : có nhiều phương pháp đo mức : thổi bọt khí, chênh áp, đo lực căng, phao nổi, công tắc khoảng hở, loadcell, độ dẫn điện, hạt nhân, radar, RF Admittance, siêu âm, sóng viba, …. Kiểu đo: Đo liên tục và đo điểm. Những tác nhân của quá trình đo lường ảnh hưởng đến độ chính xác: áp suất, nhiệt độ, cánh khuấy, chất ăn mòn, bọt nổi, môi trường nguy hiểm và mức độ độc hại của hoá chất. Những tác nhân ảnh hưởng khi thay đổi về vật liệu: Tỷ trọng, thành phần hoá học, vật liệu bám dính, đặc tính về điện,…,Và không có kỹ thuật nào là hoàn hảo cho mọi ứng dụng. Thổi bọt khí: rẻ, đơn giản, dễ lắp. hiển thị mức liên tục, chỉ đo được chất lỏng. Độ dẫn điện: rẻ, đơn giản hơn loại trên, không có bộ phận di chuyển, đo điểm, dùng cho chất lỏng dẫn điện, dễ bị ảnh hưởng bởi lớp vật liệu bám dính trên điện cực. Chênh áp: thông dụng, đo liên tục, giá hợp lý, dễ lắp đặt nhưng thị phần càng ngày càng giảm. Dễ bị ảnh hưởng bởi tỷ trọng của vật liệu, không phù hợp khi đo các chất lỏng có dạng hột, khoảng đo nhỏ rất khó sử dụng, đặc biệt lưu ý đến sự ăn mòn của hoá chất. Hình 3.1: Sử dụng transmitter chênh áp để đo mức Displacer: đo mức liên tục mặt cách ly, giới hạn mức dịch chuyển, rất ít các phần tử dao động. Khi tỷ trọng thay đổi phải hiệu chuẩn lại. Khi bị bám dính phải bù đầu vào, không tốt lắm trong ứng dụng đo mức có cánh khuấy. Khi dải đo tăng lên thì phí đầu tư cũng tăng lên đáng kể. Hình 3.2: Sử dụng phương pháp lực đẩy chiếm chỗ để đo mức Công tắc khoảng hở: cấu trúc đơn giản, dễ lắp, chống được sự ảnh hưởng của bọt khí. chỉ dùng phát hiện mức dạng điểm, giới hạn về mức nhiệt độ. Phao : Phương pháp này không giới hạn về mức cao của bồn, độ chính xác không cao, phí đầu tư thấp nếu không có phần hiển thị từ xa, giới hạn về mức áp suất làm việc. Cho kết quả đo liên tục & đo điểm. Khi đo điểm có thể đo được cả mặt cách ly. Đối với chất lỏng sệt +hột là không phù hợp, cánh khuấy cũng ảnh hưởng đến độ chính xác. Hạt nhân: đo không tiếp xúc, lắp bên ngoài bồn cần đo mức. Phù hợp với môi trường nhiệt độ áp suất cao, vật liệu ăn mòn. Giá cực cao, khi sử dụng phải có giấy phép sử dụng, chứng nhận và kiểm tra. Khả năng rò rỉ phóng xạ cũng là điều người sử dụng rất e ngại. Hình 3.3: Thiết bị sử dụng nguồn phóng xạ để đo mức Siêu âm: Kỹ thuật đo liên tục không tiếp xúc, không có phần tử dịch chuyển. Nhạy cảm về vị trí hơn các kỹ thuật khác. Ảnh hưởng bởi hơi nước, bọt khí, dải nhiệt độ và áp suất làm việc không cao cũng như cấu trúc bên trong bồn bể. Không thể hoạt động trong môi trường chân không. Radar: đo mức liên tục với độ chính xác cao. bỏ qua hơi nước. Điều kiện làm việc giới hạn bởi dải áp suất làm việc thấp. Có thể đo được mức mặt cách ly. Hình 3.4: Thiết bị đo mức giao diện của chất lỏng Nguyên lý làm việc của các loại thiết bị đo mức. Nguyên lý đo bằng phao: Phao có nguyên lý làm việc rất đơn giản, phao là một vật nổi đặt trên mặt nước do trọng lực của chất lỏng và không khí phía trên tác động. Để theo dõi mức độ dao động của chất lỏng, ta gắn một thiết bị cơ khí với phao. Những hệ thống phao đầu tiên sử dụng các thiết bị cơ khí như dây cáp, thước dây, ròng rọc và bánh răng để theo dõi mức dao động của chất lỏng. Những kiểu đo này cho độ chính xác không cao. Ngày nay, một loại phao phổ dụng đó là phao từ. Những bộ phát tín hiệu mức đầu tiên đi kèm với phao là những thiết bị cho tín hiệu tương tự hoặc rời rạc sử dụng một mạng thiết bị điện trở và bộ chuyển mạch nhiều lưỡi gà. Do cho giá trị đo rời rạc, nên giá trị đo giữa các bước tín hiệu bị bỏ qua. Hình 3.5: Thiết bị đo chất lỏng bằng phao Thiết bị thủy tĩnh. Ống thủy, phương pháp đo bằng bong bóng và bộ phát tín hiệu áp suất vi sai đều được gọi là thiết bị đo thủy tĩnh. Ống thủy tĩnh hoạt động dựa trên định luật ác-si-mét, ống thủy được nhúng trong chất lưu. Chất lưu trong ống thủy đậm đặc hơn ở ngoài bình chứa. Khi chất lưu trong bình chứa dâng thì chất lưu trong ống thủy cũng dâng tương ứng. Mức chất lưu trong ống thủy thay đổi sẽ tạo ra một áp lực, và một bộ chuyển đổi nối với bộ phát tín hiệu làm nhiệm vụ kiểm soát sự thay đổi áp lực đó. Qua đó ta biết được sự thay đổi mức chất lưu trong bình chứa. Cảm biến mức kiểu bong bóng: Hhead = H*S.Gf (3.1) H chiều cao cột chất lỏng S.G là tỷ trọng của chất lỏng/tỷ trọng của nước. Hình 3.6: Phương pháp đo mức dạng bọt Có 1 ống dẫn khí xuống đáy bình chứa để tạo bong bóng. Khi khí được dẫn vào, áp suất trong ống sẽ tăng cho đến khi thắng được áp suất của chất lỏng trong bình. Một bộ chuyển đổi được nối với ống dẫn khí để giám sát sự tăng áp trong ống. Từ áp suất đo được sẽ tính ra mức chất lỏng trong bình chứa. Cảm biến áp suất vi sai: Loại cảm biến này đo mức bằng cách đo độ chênh lệch áp suất tổng ở đáy bình chứa và áp suất tĩnh hay còn gọi là áp suất của khoảng không khí trong bình chứa để tính ra mức của chất lỏng. Loại cảm biến này lấy không khí bên ngoài làm tham chiếu. Như trong hình vẽ ta thấy, trên nóc bình chứa có một lỗ thông khí nhằm cân bằng không khí trong bình chứa và không khí môi trường bên ngoài. Không giống như cảm biến đo mức bằng bong bóng khí, cảm biến áp suất vi sai có thể sử dụng trong môi trường nén áp. Loadcell (cầu điện trở đo áp lực). Loadcell hay thước đo độ biến dạng/cầu điện trở đo áp lực là một loại giá đỡ cơ khí được trang bị một hay nhiều cảm biến đo độ lệch/nghiêng của giá đỡ. Khi lực tác động vào loadcell thay đổi làm cho giá đỡ cũng thay đổi theo và tạo ra tín hiệu đầu ra tương ứng. Các loadcell được thiết kế phù hợp với mọi kích cỡ thiết bị (từ thiết bị nhỏ có trọng lượng vài gam đến thiết bị có trong lượng tính bằng tấn). Loadcell đo mức bằng cách chuyển đổi trọng lực của chất lỏng tác động nên nó thành tín hiệu có thể đọc được. Khi mức chất lỏng trong bình chứa tăng, thì lực tác động lên loadcell cũng tăng và ngược lại. Lợi thế của loadcell là đo không tiếp xúc với chất lỏng nên nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, nhưng nhược điểm của nó là giá thành cao và tính năng bị giảm nhanh chóng theo thời gian. Thước đo mức từ tính. Thước đo mức từ tính được lấy làm vật thay thế cho phương pháp đo bằng bình trong suốt. Thước đo từ tính có nguyên lý đo giống như phao, nhưng có điểm khác là chúng xác định mức bằng từ tính. Một chiếc phao từ tính đặt trong ống phụ gắn thông 2 đầu với bình chứa. Do vậy, khi mức chất lỏng trong bình chứa tăng thì mức chất lỏng trong ống phụ cũng sẽ tăng tương ứng hoặc ngược lại. Và phao từ tính trong ống phụ cũng dâng lên hoặc hạ xuống tương ứng theo mức chất lỏng trong ống phụ. Một con thoi/màn hình hiển thị chuyển động theo phao từ tính, do vậy ta xác định được mức chất lỏng. Thước đo từ tính chỉ hoạt động được khi ống phụ được làm bằng vật liệu không hấp thụ từ tính. Thước đo từ tính có thể được sử dụng ở những nơi có nhiệt độ, áp suất cao, hay trong những chất lỏng ăn mòn. Cảm biến đo mức bằng điện dung: Cảm biến mức điện dung hoạt động dựa trên sự khác biệt hằng số điện môi giữa chất lưu và không khí. Điều kiện cần thiết để áp dụng phương pháp này là hằng số điện môi của chất lưu phải lớn hơn hằng số điện môi của không khí, thường là gấp đôi. Hằng số điện môi của không khí là khoảng 1.0; dầu có hằng số điện môi từ 1,8 đến 5; nước có hằng số điện môi ở giữa khoảng 50 đến 80. Khi mức chất lưu thay đổi thì hằng số điện môi cũng thay đổi tương ứng. Một loại tụ điện được gọi là cầu điện dung đo toàn bộ điện dung và cho tín hiệu đo liên tục. C=KE0.Ad ( 3.2 ) K là hằng số chất điện môi của vật liệu E0 Hằng số điện môi của chân không A Diện tích bản cực ( que dò) d Khoảng cách giữa 2 bản cực. Hình 3.7: Phương pháp đo mức dạng điện dung Thiết bị đo mức mới: Có lẽ sự khác biệt lớn nhất giữa công nghệ đo mức tín hiệu liên tục trước đây và bây giờ đó là thời gian cho kết quả tín hiệu đo. Những thiết bị đo mới được trang bị công nghệ hiện đại ngày nay cho kết quả đo bằng cách đo khoảng cách giữa chất lưu và điểm đặt cảm biến hoặc bộ truyền tín hiệu tại nóc bình chứa. Những thiết bị này phát ra một sóng xung xuyên qua lớp không khí hoặc chất dẫn trong bình, gặp bề mặt chất lưu và dội ngược trở lại cảm biến. Một mạch điện định thời trong cảm biến đo tổng thời gian sóng xung phải di chuyển, chia đôi, và sau đó tính ra mức của chất lưu. Những công nghệ mới đã qua thử nghiệm và được chấp nhận rộng rãi là sóng siêu âm, sóng vi ba (ra-đa) và ánh sáng. Cảm biến mức từ giảo. Từ giảo là công nghệ đã qua thực tế kiểm nghiệm và được công nhận là phương pháp đọc vị trí phao có độ chính xác cao. Không giống như thiết bị cơ khí, bộ truyền tín hiệu từ giảo lấy tốc độ của dạng sóng xoắn chạy dọc theo dây dẫn để phát hiện ra vị trí của phao. Trong cấu trúc của một cảm biến mức từ giảo, một chiếc phao có gắn các thanh nam châm vĩnh cửu. Dây cảm biến được nối với một cảm biến màng gốm áp điện, ống dẫn của cảm biến chạy xuyên qua lỗ của phao.  Để xác định vị trí của phao, bộ truyền tín hiệu phát đi một xung điện ngắn dọc theo dây cảm biến tạo nên một môi trường điện từ bao quanh chiều dài dây dẫn. Đồng thời mạch điện định thời cũng được kích hoạt cùng lúc. Từ trường của dây dẫn ngay lập tức tương tác với từ trường do nam châm gắn trên phao sinh ra. Kết quả là một lực xoắn được sinh ra dọc theo dây dẫn. Lực này bị dội ngược trở lại cảm biến màng gốm áp điện. Khi cảm biến cảm nhận được lực này, sẽ sinh ra một tín hiệu điện dừng hoạt động của mạch điện định thời. Mạch điện định thời đo khoảng thời gian từ lúc phát tín hiệu xung điện cho tới lúc cảm biến nhận được tín hiệu phản hồi. Từ những thông tin thu được, vị trí của phao được xác định chính xác và được hiển thị dưới dạng tín hiệu mức. Lợi ích của công nghệ này là tốc độ tín hiệu xác định được và bất biến trong những ứng dụng đo như nhiệt độ và áp suất. Ngoài ra, tín hiệu của công nghệ này không bị ảnh hưởng bởi bọt bong bóng, các chùm tia sáng hay âm thanh. Một lợi ích khác là chỉ có phao là thiết bị duy nhất phải chuyển động tương ứng với bề mặt chất lưu. Cảm biến mức sóng siêu âm. Có nguyên lý đo gần giống như cảm biến từ giảo, cảm biến mức sóng siêu âm xác định mức bằng cách đo khoảng thời gian từ lúc truyền sóng tới lúc nhận được sóng phản hồi. Khác với cảm biến từ giảo, cảm biến mức sóng siêu âm sử dụng sóng ở dải tần số 10 KHz. Tốc độ truyền của sóng (340m/giây trong không khí ở 15 độ C) phụ thuộc vào loại khí và nhiệt độ của khí bên trong bình chứa. Cảm biến mức tia laze. Được thiết kế đo dòng chất rắn, dung dịch đục như dầu nhớt, sữa... cảm biến mức tia laze có nguyên lý hoạt động đơn giản, tương tự nguyên lý hoạt động của cảm biến đo mức sóng siêu âm. Nhưng thay vì dùng tốc độ của âm thanh để xác định mức chất lưu, loại cảm biến này dùng tốc độ của ánh sáng để xác định mức. Hình 3.8: Phương pháp đo mức sử dụng tia laze Cảm biến laze được đặt trên nóc bình chứa phát một tia laze xuống bề mặt chất lưu. Tia này bị dội ngược lại tới bộ phát hiện của cảm biến. Mạch điện định thời đo thời gian đi của tia sáng và tính toán ra mức của chất lưu. Lợi thế của tia laze là không bị phân tán, không bị ảnh hưởng bởi âm thanh và được truyền thẳng qua không khí. Phương pháp đo bằng tia laze có độ chính xác cao, ngay cả trong điều kiện môi trường hơi nước hay bọt bóng, và có khoảng cách đo lên đến 450m. Đây là phương pháp lý tưởng trong những bình chứa có nhiều vật cản. Đối với những ứng dụng có áp suất và nhiệt độ cao như trong lò phản ứng hạt nhân thì laze là phương pháp lựa chọn hàng đầu. Cảm biến mức rađa. Cảm biến mức rađa sử dụng ăng ten đặt trên nóc bình chứa phát ra những chùm sóng viba xuống bề mặt chất lưu, và mạch điện định thời làm nhiệm vụ tính toán khoảng cách từ đầu ăng ten tới bề mặt chất lưu dựa vào thời gian di chuyển của sóng viba từ lúc phát đi tới lúc nhận được. ở phương pháp này, nếu hằng số điện môi của chất lưu thấp có thể ảnh hưởng tới chất lượng của kết quả đo, vì lượng năng lượng sóng phản hồi phụ thuộc vào hằng số điện môi của chất lưu. Nếu hằng số điện môi thấp, sóng viba (rađa) sẽ bị hấp thụ vào dung dịch hoặc đi xuyên qua. Hình 3.9: Tthiết bị đo mức bằng song Rada Sóng viba (rađa) cũng bị phân tán giống như sóng siêu âm trong cảm biến sóng siêu âm. Thành bình chứa, cặn bám vào ăng ten, hay các vật cản cũng có thể gây ra tín hiệu sai lệch cho cảm biến. Để khắc phục nhược điểm này, những thuật toán phức tạp sử dụng logic mờ được tích hợp cho bộ phát tín hiệu. Nhưng nếu như vậy lại xảy ra một khó khăn khác đó là việc lập trình trở nên phức tạp và phải thay đổi theo từng môi trường. Một giải pháp được coi là câu trả lời cho những khó khăn trên đó là một loại cảm biến rađa dẫn sóng. Một ống dẫn sóng làm bằng vật liệu cứng hay một dây ăng ten làm thiết bị dẫn sóng viba từ nóc bình chứa xuống bề mặt chất lưu và đưa tín hiệu về bộ nhận. Phương pháp này tỏ ra hiệu quả hơn nhiều so với phương pháp trước. Sóng viba không bị ảnh hưởng bởi vật cản, nhiệt độ hay áp suất. Ngoài ra, nó còn linh hoạt trong lắp đặt, có thể lắp đặt theo chiều ngang hay dọc đều được. Thay lời kết. Chúng ta vừa điểm qua các cách đo mức từ đơn giản đến hiện đại. Qua đó cho thấy được xu hướng phát triển của cảm biến đo mức. Công nghệ số đang tiếp sức cho cảm biến đo mức nói riêng và cảm biến nói chung, làm cho chúng trở nên thân thiện hơn, dễ lắp đặt hơn và có chi phí thấp hơn. Những giao diện liên lạc tiên tiến giúp truyền tải dữ liệu của cảm biến tới hệ điều khiển và/hoặc hệ thống thông tin tại công ty trở nên đơn giản hơn. Cảm biến mức ngày này được làm từ nhiều loại vật liệu chịu đựng trong những môi trường khắc nghiệt như dầu, axít, nhiệt độ và áp suất cao. Những vật liệu mới giúp cảm biến mức có thể thâm nhập vào hầu hết mọi ứng dụng.Xu hướng ngày nay là thay thế những thiết bị cơ khí và áp suất bằng những thiết bị đo khoảng cách tới bề mặt chất lưu bằng phương pháp đo định thời. Cảm biến từ giảo, sóng siêu âm, rađa và laze là những công nghệ đa năng đang tạo nên sự chuyển mình mạnh mẽ trong công nghệ đo mức. Hình 3.10: Một số thiết bị đo mức thông dụng nhất. Khái niệm Chiều cao mức của các chất là một đại lượng đo có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định kích thước hình học của bình tách, lượng vật chất hiện có trong bình tách. Trong công nghiệp hóa, việc đo mức dùng để thông báo lượng vật chất có trong bình tách để có thể bổ xung hay hạn chế việc cung cấp nguyên liệu cho bình tách. Thông qua phép đo mức chất lỏng trong bình tách, người ta có thể biết được tiến triển của quá trình tách, từ đó đưa ra cách xử lý đúng đắn, đảm bảo yêu cầu của sản xuất. Trong bình tách ổn định mức để đảm bảo quá trình tách đạt hiệu quả cao. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mức Sơ đồ khối của hệ thông điều khiển mức được thể hiện trên hình 3.8 Từ nguyên lý của hệ thống công nghệ, theo góc độ của hệ thống tự động hóa ta nhận thấy: hệ thống điều khiển mức bình tách là một hệ thống điều khiển kín, nhiều và phi tuyến. các phần công nghệ trong hệ thống được phân thành: đối tượng điều khiển: bình tách. Đại lượng điểu khiển: mức lỏng . Tín hiệu vào: giá trị người vận hành đặt trước qua bộ điều khiển. Tác động nhiễu: lưu lượng vào của dầu khí từ các giếng qua đường thu gom. Bộ cảm biến: thiết bị biến đối mức và áp suất. Thiết bị chấp hành: van điều khiển. Thiết bị điều khiển: PLC hoặc bộ điều khiển số. sơ đồ khối của hệ thống điều khiển Hình 3.11: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mức Bộ biến đổi mức. Bộ biến đổi mức trong sơ đồ cấu trúc giữ chức năng là mạch hồi tiếp. trong sơ đồ cấu trúc bộ biến đồi mức của bình tách được ký hiệu là Kh1 và Kh2. Dựa theo nguyên lý cảu bộ biến đổi mức, ta thấy rằng để đảm bảo an toàn khi vận hành thì chiều cao nhỏ nhất là 0.2m chiều cao lớn nhất là 0.8m Do vậy, tín hiệu là h = 0.2÷ 0.8m và tín hiệu ra dòng I = 4÷2 mA. Theo số liệu trên thì bộ phận biến đổi mức là một khâu khuếch đại. Bộ biến đổi dòng điện sang áp suất khí (IP). a. Cấu tạo: Thiết bị gồm phần điện tử và phần cơ khí. Phần điện tử gồm mạch điện từ, lõi từ và đầu cảm biến áp suấtđầu ra. Phần cơ khí bao gồm vỏ bọc, các đường dẫn khí, vòi phun, thanh chắn, các lớp màng cao su và dây ty van. Nguyên lý hoạt động Tùy thuộc vào tín hiệu dòng điện điều khiển, phần vòi phun, khi đó nguồn khí điều khiển sẽ thay đổi. Nguồn khí điều khiển này cho phép cây tỳ van mở nhiều hay ít. Do đó khi đầu ra sẽ thay đổi tín hiệu dòng điện. Đầu cảm biến áp suất đầu ra cảm nhận và đưa tín hiệu về mạch ổn định áp suất để chống dao động và chống nhiễm. Dòng điện điều khiển: 4 ÷ 20 mA. Khí đầu tương ứng: 3 ÷ 30(psi) K= 27/16 (psi/mA). Đặc tính tĩnh: Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn đặc tính mA và psi tương ứng Phương trình: Bộ biến đổi mức Bộ biến đổi mức trong sơ đồ cấu trúc giữ chức năng là mạch hồi tiếp, để đảm bảo an toàn thì chiều cao nhỏ nhất của mức chất lỏng là 250 mm, chiều cao lớn nhất là 1600 mm. Do vậy tín hiệu vào là từ 250 mm tới 1600 mm, tín hiệu ra là từ 4-20 mA, đây là bộ biến đổi mức khuếch đại. Đặc tính tĩnh: I(mA) 20 4 h (mm) 250 1600 Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ giữa dòng điện và mức trong bình tách Phương trình: Khâu PID Sơ đồ khối hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển số được thể hiện trên hình 3.12 Hình 3.12 : Sơ đồ hệ thống điều khiển số Hình 3.13 : Sơ đồ hệ thống điều khiển PID Bộ điều khiển số hiện nay được sử dụng các bộ vi xử lý Hình 3.9 sơ đồ khối hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển số + đối tượng điều khiển là một hệ số liên tục A/D (Analog/Digial): bộ biến đổi tương tự/ số A/D (Analog/Digial): bộ biến đổi số/tương tự Tín hiệu vào của đối tượng điều khiển là một hệ liên tục còn tín hiệu vào, ra cảu máy tính số( bộ điều khiển PID số) là tín hiệu rời rạc (tín hiệu số). hệ thống điều khiển có mặt phản hồi muốn đưa vào vi xử lý phải qua bộ chuyển đổi tương tự số A/D. các tín hiệu truyền đạt trong hệ có tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc. Việc biến đổi liên tục thành tín hiệu rời rạc ta gọi là quá trình cắt mẫu. Trong hệ thống điều khiển mức áp suất bình tách thì bộ PID được thực hiện bởi một bộ PLC, có tín hiệu vào ra là tín hiệu rời rạc. Bộ biến đổi mức là phản hồi muốn đưa vào bộ điều khiển PID thì phải qua bộ chuyển đổi tương tự - số(A/D), còn tín hiệu ra của bộ điều khiển đối tượng thường qua bộ biến đổi D/A (số- tương tự). Hệ thống xử lý sự cố mức. Sơ đồ hệ thống điều khiển mức được thể hiện trên hình vẽ 3.14 Hình 3.14: Sơ đồ hệ thống điều khiển mức được thể hiện trên Mức của bình tách phụ thuộc vào lưu lượng dầu vào từ đường thu gom và lưu lượng ra qua van điều khiển LCV-1001. Tín hiệu của của LT-1002 và trị số mức cao LSH-1001. Nếu vượt quá các trị số này, hệ thống sẽ cho các thông báo mức thấp LAL-1002.Tín hiệu ra cuả bộ điều khiển LIC-1002 thông qua bộ biến đổi dòng áp LY-1002. Để nâng cao độ tin cậy trong hệ thống còn sử dụng báo mức thấp LSLL-1001 và báo mức cao LSHH-1001. Khi một trong hai giá trị tác động sẽ xuất hiện tín hiệu PSD. Nếu LSLL-1001 tác động van LCV-1002 mất đện, khí nuôi ở bộ biến đổi ở bộ dòng áp mất, van LCV-1002 đóng hoàn toàn. Khi LSHH-1001 tác động dừng công nghệ, PSD tác động đến van sự cố đầu vào SDV-1002 của bình tách. Người vận hành theo dõi mức tại bình tắt nhờ thiết bị chỉ thị mức LG-1003 và tại phòng điều khiển trung tâm nhờ tín hiệu LIC-1002. Dầu và khí từ đường thu gom qua van sự cố vào bình tách. Van sự cố đóng lại khi có sự cố khẩn cấp hoặc tín hiệu đóng công nghệ. Tín hiệu đóng khẩn cấp có thể tự động cài từ hệ thống báo cháy hoặc nhấn nút đóng khẩn cấp. Dầu và khí sau khi tách ra, được đưa ra ngoài có thể dùng trong khai thác Gaslift, một phần được đưa vào bờ để chạy các nhà máy nhiệt điện, phần còn lại không dùng hết đưa ra Flare để đốt hoặc Ventboom để xả. Bộ biến đổi áp suất. Bộ biến đổi áp suất có thể coi là một khâu tỷ lệ, vì hằng số thời gian của phần tử điện tử rất nhỏ so với hằng số thời gian của các khâu khác trong hệ thống. tín hiệu của bộ biến đổi áp suất và tín hiệu ra dòng 4÷20mA. Đối với bình áp suất cao từ 0÷25at và bình tích 0÷5at. Hệ thống xử lý áp suất trên bình tách 01V-1020. Sơ đồ hệ thống điều khiển áp suất được thể hiện trên hình trên 3.14 Áp suất của bình tách phụ thuộc vào lượng tách ra từ dầu. lượng khí đi qua van điều khiển hệ thống thu gom khí và thể tích chứa khí trong binh PT-1010(pressure transimitter) là bộ phận cảm biến áp trong bình tách. Tín hiệu ra được so sánh với các ngưỡng đặt trước là PSL-1010 và PSH-1010. Nếu áp suất vượt quá các giá trị này sẽ xuất hiệu tín hiệu báo động áp suất cao PAH-1010 và áp suất thấp PSL-1010. Tín hiệu từ PT-1010 còn đưa vào bộ phận điều khiển PIC, tín hiệu ra của bộ điều khiển tác động vào bộ biến đổi dòng điện áp PY-1001 để điều khiển van PVC-1001, nếu áp suất cao van PCV-1010 sẽ mở lớn để khí đi qua nhiều và ngược lại nếu áp suất thấp van PCV-1001 sẽ được đóng lại. trong trường hợp sự cố van này sẽ mở hoàn toàn. Ngoài PT-1010 còn có PZT-1011A,B,C cài đặt PSLL, PSHH, van an toàn PSV-1011, PSV-1010 có giá trị đặt 7500 kPa. Khi áp suất vượt quá giá trị này, van an toàn mở đưa khí ra đường Flare hoặc ventboom, hệ thống xảy ra sự cố dừng công nghệ nếu bộ chuyển đổi áp suất PSLL-1011A,B,C và áp suất cao PSHH-1011A,B,C tác động. Khi PSHH-1011A,B,C tác động sẽ phát tín hiệu PSD tác động lên van PCV-1001, van PCV-1001 đóng nguồn khí nuôi làm van sự cố đóng lại. Người vận hành theo dõi áp suất tại bình tách chờ bộ chỉ thị tại chổ PG-1010 và tại phòng điều khiển chung chờ tín hiệu PIC-1010. Cảm biến mức. Bộ cảm biền mức dùng để đo mực chất lỏng trong các thiết bị như: bồn chứa, bình tách… cấu tạo của bộ biến cảm biến mức gồm. 1: bộ chuyển đổi chênh áp (hiệu áp suất ΔP) 2: bộ chuyển đổi chênh áp- điện trở. 3: bộ chuyển đổi điện trở- dòng điện Hình 3.15: Cấu tạo bộ cảm biến đo mức. Nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến mức do làm việc trong môi trường đặc biệt (dễ cháy nổ), các thiết bị như: bồn chứa, bình tách… đều kín không thông với khí quyển nên chiều cao của mức chất lỏng nhờ hiệu điện áp xuất tĩnh. Khi chiều cao h thay đổi điện trở thay đổi do đó dòng điện đầu ra Ir của bộ cảm biến mức sẽ thay đổi theo. Cảm biến áp suất: sử dụng thiết bị đo chênh áp suất trong lòng ống và suất môi trường. sự chênh áp này làm thay đổi điện trở và được khuếch đại và đưa bằng áp qua MTL và Computer Metering. Bộ cảm biến áp suất dùng để đo áp suất dùng để đo áp suất chất,lỏng và khí trong ống dẫn. Cấu tạo của bộ cảm biến áp suất gồm: + lò xo điều chỉnh (1) + ống xếp (2) + con trượt (3) + điện trở thay đổi (4) + bộ xử lý tín hiệu (5) Hình 3.16: Cấu tạo bộ cảm biến đo áp suất. Nguyên lý làm việc của cảm biến áp suất điện trở thay đổi như sau. Khi áp suất thay đổi, ống xếp đàn hồi di động làm con trượt thay đổi vị trí dẫn đến điện trở thay đổi. Gía trị điện trở thay đổi dẫn tới sự thay đổi dòng điện trong bộ chuyển đổi. Bộ chuyển đổi này sẽ tạo ra tín hiệu đầu ra là dòng điện Ir = 4÷ 20 miliampe. cảm biến lưu lượng. Cấu tạo cảu cảm biến lưu lượng được thể hiện trên hình vẽ 3.14 Thiết bị do dựa trên nguyên lý do chênh lệch áp suất cảu dòng chảy khi chảy qua một ống thu hẹp (tấm gỗ), sau đó chênh áp này được biến đổi thành điện. Để tăng độ chính xác của phép đo, mỗi nhánh đo được đặt hai bộ cảm biến đo lưu lượng như sau: Một bộ đo ổ dòng < 20 mA. Một bộ đo ổ dòng < 20 mA. Với lưu động dòng khí nhỏ tương ứng với dòng điện qua cảm biến >20mA. Metering sẽ tự động chuyển sang đọc ở thiết bị cảm biến 2. Bộ cảm biến lưu lượng dùng để đo lưu lượng dòng chất lỏng, khí. - Đĩa có lỗ (1) - Màng đàn hồi (2) - Bộ chuyển đổi hiệu áp suất (3) - Tay đòn (4) - Điểm tựa (5 - Bộ chuyển đổi lực – điện trở (6) - Bộ chuyển đổi điện – lực (7) 8 I C P P 1 3 2 5 4 6 7 - Bộ xử lý tín hiệu điện (8) Hình 3.17: Cấu tạo bộ cảm biến đo lưu lượng. Nguyên lý hoạt động của bộ đo lưu lượng dựa vào công thức sau: Q= K K= Trong đó Q : lưu lượng chất lỏng, khí A : Tiết diện lỗ đĩa : khối lượng riêng của chất lỏng, khí. : hệ số chảy phụ thuộc kết cấu của đĩa : hiệu áp suất đầu ra, đầu vào của đĩa g : gia tốc trọng trường dòng chảy (khí, lỏng) đi qua đĩa tạo nên sự chênh áp 1- 2. màng đàn hồi biến đổi điện áp thành một lực di động một đầu tay đòn quanh điểm tựa.Một đầu kia của tay đòn chuyển lực của tay đòn dẫn tới sự thay đổi của điện trở. Bộ xử lý tín hiệu sẽ cho ra tín hiệu là dòng điện thay đổi 4÷20 mA. Bộ chuyển đổi dòng điện – lực sẽ giữ đòn bẩy ở thế cân bằng. Cảm biến nhiệt độ. Cảm biến nhiệt độ là thiết bị nhiệt điện trở được gắn vào đường ống khi nhiệt độ càng cao thì điệt trở nhiệt có trị số càng giảm ( điện trở thay đổi nghich biến với nhiệt độ). Sự thay dổi nhỏ này được đưa vào mạch điện tử để khuếch đại lên. Do vậy dòng điện đi qua bộ phận cảm biến sẽ thay đổi tuyến tính với nhiệt độ dòng chất lưu( ki nhiệt độ tăng thì dòng điện tăng và ngược lại), điện áp nguồn cấp cho bộ cảm biến là 24 VDC từ PMCS hoặc nguồn nuôi. Cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa tên nguyên lý: Điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng, do đó bộ cảm biến nhiệt độ bằng điện trở dung để đo nhiệt độ của thiết bị cấn đo. Cấu tạo của bộ cảm biến nhiệt độ: Phần tử nhạy cảm với nhiệt độ ( 1 ). ống bảo vệ ( 2 ). Bộ xử lý tín hiệu ( 3 ). Nguyên lý hoạt động: Khi đặt điện áp một chiều 24 VDC vào bộ cảm biến nhiệt điện trở, do nhiệt độ thay đổi, điện trở tác dụng thay đổi dẫn đến dòng điện Ir của bộ cảm biến thay đổi. Hình 3.18: Cấu tạo bộ cảm biến đo nhiệt độ. Hệ thống điều khiển nhiệt độ Hệ thống điều khiển nhiệt độ như sau: tại phòng điều khiển trung tâm nhận giá trị nhiệt độ trên đường ống hay trong bình tách sẽ truyền tín hiệu đến bộ điều khiển nhiệt độ. Tại bộ điều khiển nhiệt độ sẽ nhận biết giá trị điện áp từ 4 ÷ 20mA, tương ứng với nhiệt độ đó. Và bộ điều khiển nhiệt độ sẽ tác động đến các bộ điều khiển khác như bộ điều khiển áp suất, lưu lượng hay trực tiếp đến van. Van điều khiển mức và áp suất( PCV, LCV). Chức năng, nhiệm vụ : Van PCV, LCV thường được lắp trên các đường ống công nghệ (dầu, nước, gas, condensade … ) có nhiệm vụ điều chỉnh áp suất, mức chất lỏng trong đường ống hoặc trong bình tách (tuỳ theo mục đích sử dụng). Van được bảo dưỡng định kỳ hàng năm (TP) hoặc khi có hư hỏng bất thường. Bảng 3.1: Tổng hợp cấu tạo van PCV, LCV: Nắp Màng ngăn. 9. Đầu nối ty van. 2-3. Đĩa kim loại. 10. Thân van 4. Đầu vào khí điều khiển. 11. Đĩa chỉ thị độ đóng mở của van. 5. Lò xo 12. Thang chia. 6. Ty van trên 13. Ty van dưới 7. Đế lò xo. 14. Đai ốc liên kết phần trên và dưới van. 8. Chi tiết điều chỉnh lò xo. 15. Lá van 16. Đai ốc thân van. Van có cấu tạo như hình vẽ 3.19 Hình 3.19: Cấu tạo van điều khiển áp suất. 1 – Ty van 2 – Thân van 3 – Lá van 4 – Đế van 1 – Con chạy 2 – Tấm ép đệm làm kín 3 – Ống lót 4 – Packing set 5 – Đai hãm 6 – Nắp van 7 – Đệm làm kín 8 – Vòng đệm 9 – Lò xo Hình 3.20: Cấu tạo phần van Hình 3.21: Đệm làm kín ty van Hình 3.22: Nguyên lý làm việc của bộ chuyển đổi khí nén. Nguyên lý hoạt động Lá van có thể chuyển động theo phương thẳng đứng dưới tác dụng của cơ cấu dẫn động và làm kín với đế van bằng mặt côn. Đối với van thường mở khi chưa cấp khí màng ngăn nằm ở giới hạn trên, van ở trạng thái mở hoàn toàn. Dưới tác dụng của áp suất khí màng ngăn chuyển động xuống giới hạn dưới kéo theo ty van và lá van cùng chuyển động xuống dưới, lúc này van ở trạng thái đóng. Khi màng ngăn chuyển động đến giới hạn dưới van sẽ o trạng thái đóng hoàn toàn. Trong quá trình màng ngăn chuyển động xuống dưới lò xo bị nén lại, lực đàn hồi của lò xo hướng lên trên khi áp lực của khí nén tác dụng lên bề mặt của màng ngăn nhỏ hơn lực đàn hồi của lò xò, màng ngăn sẽ chuyển động lên giới hạn trên, van sẽ ở trạng thái mở. Đối với van thường đóng hướng của lực tác dụng lên màng ngăn hoàn toàn ngược lại với van thường mở. Khi chưa cấp khí van ở trạng thái đóng hoản toàn nhờ lực đàn hồi của lò xo. Van có thể được điều khiển bằng các cơ cấu dẫn động bằng tay. Lúc này lực tác dụng của khí nén dược thay thế bằng các lực cơ học Các phương pháp bảo dưỡng cơ bản: Kiểm tra tình trạng bên ngoài của van như: lớp sơn bảo vệ, tình trạng bulông-đai ốc có bị gỉ sét, kiểm tra ty van xem có bị cong hay gỉ sét,…nếu có bất kỳ chi tiết nào bất thường cần khắc phục. Mở các đai ốc thân van nâng toàn bộ phần phía trên và lá van ra ngoài, tiến hành kiểm tra tình trạng các chi tiết lá van, đế van: Sử dụng giấy nhám và dầu diezel vệ sinh bề mặt lá van và đế van. Kiểm tra tình trạng các gioăng làm kín, thay mới nếu cần thiết. Kiểm tra sự hoàn hảo của nút xả đáy. Chú ý: Van PCV – LCV thường được lắp trên đường ống có lưu chất có lẫn dầu, nước và áp suất cao nên việc vệ sinh các chi tiết của van là hết sức cẩn thận và tuân thủ đúng kỹ thuật để đảm bảo cho van làm việc hiệu quả . Đặc tuyến của van Một số hỏng hóc thường gặp đối với van PCV-LCV: Stt Tình huống Nguyên nhân Cách khắc phục 1. Van đóng/mở không hết hành trình - Chỉnh sai ty van dưới. - Lá van bị kẹt . - Lò xo bị yếu. - Điều chỉnh lại ty van dưới . - Làm sạch bên trong thân van và lá van. - Thay thế lò xo mới. 2. - Van không đóng/mở được. - Không có hay không đủ áp suất khí nén. - Màng ngăn bị rách. - Lò xo bị yếu hay gãy. - Lá van bị kẹt. - Kiểm tra và tăng áp suất khí nén, kiểm tra bộ positioner. - Thay thế màng ngăn mới. - Thay thế lò xo mới. - Làm sạch bên trong thân van và lá van. 3. - Van không kín - Thân van hoặc lá van bị rỗ - Gioăng làm kín ty van hỏng. - Gioăng làm kín thân van hỏng. - Khắc phục hoặc thay thế chi tiết bị rỗ. - Thay mới gioăng làm kín ty van - Thay mới gioăng làm kín thân van Cấu tạo thiết bị đo mức (level transmitter) model 3095. Hình 3.23: Cấu tạo transmitter đo mức Cấu tạo tổng thể của transmitter đo mức kiểu 3095 Nguyên lý làm việc: Loại transmitter đo mức 3095 đo mức theo nguyên lý chênh áp (DP), đo sau đó tính mức chất lỏng công nghệ. Mức chất lỏng được tính nhờ sensor cảm ứng áp suất chênh truyền tới bộ vi xử lý theo công thức sau: Level = (DP ÷ Density × Gravity) + Transmitter Height Mức=( Độ chênh áp÷Tỷ trọng x trọng lượng riêng)+Chiều cao của transmitter Mức chất lỏng chỉ phụ thuộc vào áp suất chênh và chiều cao lắp đặt của transmitter. Những hỏng hóc, lỗi thường gặp, cách bảo dưỡng: Hỏng hóc do lỗi sensor, phải trim lại sensor hoặc thay thế cái mới. Do tỷ trọng không đúng làm ảnh hưởng tới kết quả phép đo. Lắp đặt sai không đúng kỹ thuật. Bảo dưỡng 1 năm/ 1 lần và hiệu chuẩn lại để kiểm ta độ chính các. Các lỗi thường xảy ra Nguyên nhân, cách khắc phục Cảm biến phần cứng không tương thích Bộ phận sensor điện bị va đập, lỗi phần mềm, thay thế bộ cảm biến, liên hệ với trung tâm sửa chữa chữa của hãng tại khu vực. Phần cảm biến không hoạt động Bộ phận sensor điện bị va đập, lỗi phần mềm, thay thế bộ cảm biến, liên hệ với trung tâm sửa chữa chữa của hãng tại khu vực. Khối cảm biến không cập nhật được thông tin mới Tuột cáp trong bo mạch, thiết bị điện tử đã cũ hoặc lỗi phần mềm, liên hệ với trung tâm sửa chữa chữa của hãng tại khu vực. Khối cảm biến không hoạt động được. Tuột cáp trong bo mạch, thiết bị điện tử đã cũ hoặc lỗi phần mềm, liên hệ với trung tâm sửa chữa chữa của hãng tại khu vực. Khối cảm biến tĩnh bị giới hạn nhỏ Bộ phận sensor điện bị va đập, lỗi phần mềm, thay thế bộ cảm biến, liên hệ với trung tâm sửa chữa chữa của hãng tại khu vực. Lỗi RAM Khởi động và chạy lại thiết bị Lỗi phần tự kiểm tra thiết bị Tín hiệu điện tử ra không hoạt động, thay thế bo điện tử phần ra. Khối cảm biến tĩnh mở quá lớn Giá trị áp suất vượt quá giá trị giới hạn, có 2 nguyên nhân đó là do áp suất quaq cao hoặc sensor hỏng. Kiểm tra áp suất cấp vào thiết bị, thay bộ cảm biến. Bộ cảm biến nhiệt độ không kết nối được Kiểm tra phần kết nối RTD, nối lại cáp RTD Áp suất chênh lớn hơn dải đo trên (URL) và giới hạn dưới ( LRL). Áp suất không được vượt quá 10% thiết kế, do hệ thống quá áp, hoặc sensor hỏng. Kiềm tra áp suất đầu vào bằng thiết bị khác, thay thế bộ cảm biến. Áp suất làm việc cao hơn URL và thấp hơn LRL Áp suất tuyệt đối không được vượt quá 10% thiết kế, do hệ thống quá áp, hoặc sensor hỏng. Kiềm tra áp suất đầu vào bằng thiết bị khác, thay thế bộ cảm biến. Hình 3.24: Sơ đồ điều khiển PID của transmitter đo mức loại 3095. Đo mức theo nguyên lý sóng rada loại VEGAFLEX 61 của dự án SDA. Cấu tạo: Hình 2.25: Cấu tạo thiết bị đo mức sóng rada loại VEGAFLEX 61 1 Reference plane : mặt tham chiếu 2 Probe length : chiều dài que dò 3 Measuring range : dải đo 4 Upper dead band : dải chết trên 5 Lower dead zone (only with cable versions) : dải chết dưới Đặc tính kỹ thuật: Dải đo: 0-1600 mmH2O.( 4-20 mA), điện nguồn 24 Vdc. Đường kính que dò 6 mm. Cấp chính xác ± 0.05%. Độ phân giải 16 µA. Hằng số điện môi ≥ 1.6. Dải không hoạt động của que dò đường kính 6 mm. Trên đỉnh: 80 mm. Dưới đáy: 0 mm. Nguyên lý làm việc: Đo mức theo nguyên lý sóng rada loại VEGAFLEX 61 phát xung dạng vi sóng theo hướng dọc trục que dò, khi chạm bề mặt chất lỏng thì sóng sẽ phản hồi về. Thời gian sóng phản hồi sẽ được tính bởi thiết bị tự động tính toán có cài đặt trước và chuyển thành tín hiệu ra tương ứng và cho khảng cách chính xác. Ưu điểm: Dễ lắp đặt, độ chính xác tương đối cao trong môi trướng đồng nhất. Thích hợp với môi trường hóa chất gây mài mòn, thay thế que dò khi bị hư hỏng hay bị ăn mòn bởi hóa chất. Bảo dưỡng và sửa chữa: Tắt điện cung cấp cho thiết bị, cô lập tín hiệu để tránh báo lỗi sự cố. Kiểm tra tình trạng hoạt động của các bo mạch điện tử, đo lại độ cách điện. Kiểm tra que dò, lau chùi sạch sẽ, đo lại đường kính que dò. Hiệu chuẩn lại thiết bị để đánh giá sai số và cấp chính xác của thiết bị. Hình 3.26:Kích thước mặt bích kết nối và chiều dài sensor loại VEGAFLEX 61 Hình 3.27: Bảo dưỡng và thay thế sensor loại VEGAFLEX 61 Hình 3.28: Kết nối cáp với bộ điều khiển loại VEGAFLEX 61 Hình 3.29: Kết nối cáp với bộ điều khiển loại VEGAFLEX 61 Hình 3.30: Kết nối loại VEGAFLEX 61với máy tính. Nhận xét Qua nghiên cứu hệ thống điều khiển của bình tách 01V-1020 ta thấy bình tách 01V-1020 có hệ thống các thiết bị gồm các van an toàn, van bi, van điều khiển áp suất, van điều khiển mức, các cảm biến mức, áp suất, nhiệt độ rất phù hợp với việc điều khiển hoạt động của bình tách một cách tự động. Người điều khiển có thể quan sát, điều khiển hoạt động của chúng trên các hệ thống điều khiển giám sát SCADA, DCS/PLC, PMCS,... Chương IV HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC CỦA BÌNH TÁCH 01V-1020. 4.1 Yêu cầu điều khiển. Khi có tín hiệu khởi động (cho phép từ hệ thống). Các khâu điều khiển áp suất, điều khiển mức nhận tín hiệu đo từ các thiết bị PT-1010, PZT-1011A,B,C và LT-1002, LZT-1001. Tính toán và gởi tín hiệu điều khiển cho các van PCV-1001 và LCV-1001. Các bộ giám sát và cảnh báo được đưa vào trạng thái sẵn sàng hoạt động. Các tín hiệu PALL, PAHH, LAHH, LALL dùng để điều khiển tạo các báo động khi vận hành. Các mức trong bình tách: LAHH + 750 mm : mức cao báo động LAH + 600 mm : Mức cao NLL + 500 mm : Mức ổn định LAL + 400 mm : Mức thấp LALL + 250 mm : mức thấp báo động Nếu LAHH-1002 có tín hiệu báo mức chất lỏng trong bình quá cao (LAHH +750 mm) thì hệ thống phải báo sự cố về phòng điều khiển trung tâm, bật đèn sự cố và đóng van đầu vào SDV-1003, ngừng cấp nguyên liệu và mở hoàn toàn van LCV-1001, nhằm bảo đảm an toàn cháy nổ cho toàn hệ thống. Nếu LALL-1002 có tín hiệu báo mức chất lỏng trong bình quá thấp (LALL+250 mm) thì hệ thống phải báo sự cố về phòng điều khiển trung tâm, bật đèn sự cố, đóng hoàn toàn van đầu ra LCV-1001 và mở hoàn toàn van đầu vào SDV-1003. Nếu PAHH-1011 có tín hiệu báo áp suất cao thì phải báo sự cố về phòng điều khiển trung tâm bật đèn sự cố mở hoàn toàn van đầu ra PCV-1001, nhờ tín hiệu PT-1010 (Pressure transmitter) được tính toán để tạo tín hiệu điều khiển van PCV-1001. Nếu áp suất đường Gas – lift quá cao. Khi đó hệ thống, PMSC, DCS, SCADA sẽ nhận tín hiệu PAHH-1011 để điều chỉnh áp suất cao đồng thời mở hoàn toàn van PCV-1001 và đóng Shutdown van SDV Nếu PALL-1011 có tín hiệu báo áp suất thấp thì phải báo sự cố về phòng điều khiển trung tâm, bật đèn báo sự cố, đóng van đầu ra PCV-1001 nhờ tín hiệu PT-1010 được tính toán để tạo tín hiệu điều khiển van PCV-1001. Nếu áp suất đường Gas – lift quá thấp. Khi đó hệ thống PMSC, DCS, SCADA sẽ tạo ra tín hiệu PALL-1011 để điều chỉnh áp suất thấp đồng thời đóng hoàn toàn van PCV-1001 và đóng PSD. Khi có tín hiệu dừng khẩn cấp nhận được 2 trong 3 thiết bị PZT-1011A,B,C báo động mức thấp hoặc mức cao thì đóng tất cả các van đầu vào và ra. Khi có tín hiệu dừng thì đóng van đầu vào và mở 2 van PCV-1001 và LV-1001 như lúc mức và áp suất trong bình ổn định. 4.1.1. Các tín hiệu vào/ra Bảng 4.1: Ký hiệu các tín hiệu vào ra của dự án SDA. TT Tín hiệu Chức năng Ghi chú 1 AO (4-20mA) Tín hiệu mở van PCV-1001 Tín hiệu ra 2 AO (4-20mA) Tín hiệu mở van LCV-1001 Tín hiệu ra 3 AI(4-20mA) Tín hiệu đo mức của LT-1001 Tín hiệu vào 4 AI(4-20mA) Tín hiệu đo áp suất của PT-1010 Tín hiệu vào 5 DI(ON/OFF) Start/Stop bơm, đóng/mở công tắc 6 DI Tín hiệu trip/shutdown 4.2 Công nghệ điều khiển 4.2.1 Lựa chọn thiết bị điều khiển Với số lượng tín hiệu đầu vào và đầu ra như trên ta nên lựa chọn thiết bị điều khiển PLC S7-400 của hãng Siemens và chọn CPU để điều khiển. S7-400 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens, có cấu trúc theo kiểu Module và có các Modul mở rộng. Các Module này được sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Tùy theo yêu cầu cụ thể của quá trình điều khiển nguồn sử dụng có thể chọn CPU khác nhau. Dựa vào số lượng đầu vào ra đã nêu ở trên nên chọn CPU là loại CPU 224 và Module EM231 AI 4x12bit, EM232 AQ 2x12bit. Lập trình có cấu trúc. PLC gồm có 4 loại khối cơ bản: Khối OB(Organization Block): là khối tổ chức và quản lý chương trình điều khiển. khối FC (Program block): là khối chương trình với những tính năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có biến hình thức). Khối FB(Function block): là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác. khối DB (data block): là khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình. lập trình có cấu trúc là kỹ thuật cài đặt thuật toán điều khiển bằng cách chia nhỏ thành các khối chương trình con FC hay FB, toàn bộ các khối chương trình con này lại được quản lý bởi khối OB1. 4.2.2 Xác định giá trị đặt cho mức Mức trong bình tách thì PLC không thể hiểu được do đó ta phải chuyển đổi giá trị đặt cho PLC. Mức chiều cao tối đa trong mức của bình tách là 1600 mm qua các bộ chuyển đổi ta được giá trị đặt trong PLC là 12bít (215 = 4099). Thiết bị đo mức ( 0-1600 mm ) AD PLC 4-20 mA 819-4099 Dựa vào sơ đồ chuyển đổi ta được giá trị các mức cảnh báo tương ứng với giá trị số trong PLC là: Quan hệ giữa L – I theo hàm: XL = (XI -4) Quan hệ giữa PLC – I theo hàm: XPLC = (XI-4) Bảng 4.2: Mối quan hệ giữa L – I – PLC L (mm) I (mA) PLC 0 4 819 400 8 1639 800 12 2459 1200 16 3279 1600 20 4099 4.2.3 Xác định giá trị đặt cho áp suất Áp suất thiết kế của bình tách 7500 kPa. Áp suất làm việc của bình tách: 6000 kPa. Thiết bị đo áp suất ( 0-6000 kPa ) AD PLC 4-20 mA 819-4099 Để điều khiển ổn định áp suất cho bình tách 01V-1020 cần phải giữ áp suất đỉnh bình tách là khoảng 6000 kPa ± 5% tương ứng (5700-6300) kPa. Giá trị cao cho phép là 7500 kPa giá trị thấp cho phép là 0 kPa. Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa P-I Quan hệ giữa P– I được xác định theo hàm theo hàm: XP = (XI-4) Quan hệ giữa PLC – I được xác định theo hàm: XPLC = (XI - 4) Bảng 4.3: Mối quan hệ giữa P-I - PLC P (kPa) I (mA) PLC 0 4 819 2500 8 1639 5000 12 2459 7500 16 3279 10000 20 4099 4.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển. 4.3.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính. Bắt đầu Tín hiệu dừng khẩn cấp - Đóng van SDV-1002 - Đóng van PCV-1001 - Đóng van LCV-1001 Tín hiệu dừng - Đóng van SDV-1002 - Đóng van PCV-1001với i=16 mA - Đóng van LCV-1001với i=12 mA - Gọi chương trình con điều khiển mức - Gọi chương trình con điều khiển áp suất Mend Đ S Đ S Hình 4.1: Sơ đồ vòng quét hệ thống 4.3.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển mức 600< L < 750 500< L < 600 750 < L = 1600 Nhận tín hiệu từ cảm biến và gửi đến LY-1001 để điều khiển LCV-1001 Báo sự cố về trung tâm, bật đèn sự cố, van LCV-1001 mở 100%, van SDV-1002 đóng lại Nhận tín hiệu từ cảm biến và gửi đến LY-1001 để mở 100% van LCV-1001 0< L < 250 250< L< 400 400< L < 500 Báo sự cố về trung tâm, bật đèn sự cố, đóng van đầu ra Nhận tín hiệu từ cảm biến và gửi đến LY-1001 để điều khiển LCV-1001 Nhận tín hiệu từ cảm biến và gửi đến LY-1001 để điều khiển LCV-1001 Đ S Đ S Đ S Đ S S Đ Đ S Hình 4.2 Sơ đồ vòng quét chương trình con điều khiển mức. 4.3.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển áp suất 0< P < 2500 P = 0 2500< P < 5000 5000< P < 7500 7500< P = 10000 Báo sự cố về trung tâm, bật đèn sự cố, mở 100% PCV-1001 Nhận tín hiệu cảm biến từ PT-1010 gửi tới điều khiển van PCV-1001 Báo sự cố về trung tâm, bật đèn sự cố, đóng van đầu ra Nhận tín hiệu cảm biến từ PT-1010 gửi tới PCV-1001 Gửi tín hiệu 8-12 mA đến van PCV-1001 Đ S Đ S Đ Đ S Đ S Đ S Hình 4.3 Sơ đồ vòng quét chương trình con điều khiển áp suất. 4.4 Mô hình điều khiển áp suất trong bình tách. Hình 4.4 là mô hình điều khiển mức bằng khí nén, thiết bị gồm có: Thiết bị cảm biến mức trong bồn, bộ điều khiển khí nén, van điều khiển mức. Nguyên lý làm việc: Khi chất lỏng trong bình tách đầy thì sensor đo mức sẽ nhận được giá trị và gửi tín hiệu về cho bộ điều khiển mức LIC, LIC sẽ so sánh với giá trị đặt và ra lệnh cho van điều khiển mức đóng mở theo tỷ lệ nhất định. Hình 4.4: Hệ thống điều khiển mức Hình 4.5: Đo và điều khiển giá trị về setpoint KẾT LUẬN Ngành công nghiệp dầu khí nước ta đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ trong khu vực đông nam á. Để chứng minh điều này thì chúng ta nhìn lại chặng đường phát triển hiện tại và trong thơi gian tới, hiện tại nhiều nhà máy đang đã đi vào hoạt động như Lọc dầu Dung Quất, nhà máy khí hóa lỏng LPG ở Thị Vải – Dinh Cố, nhiệt điện Bà rịa, đện đạm Phú Mỹ, nhiệt điện Long Phú-Cà Mau, và rất nhiều giàn khoan vừa chế tạo xong và đưa vào sừ dụng,… , trong thời gian tới có nhà máy lọc dầu Nghi Sơn-Thanh Hóa, nhiệt điện ở Sóc Trăng, Nhơn Trạch-Đồng Nai, giàn công nghệ lọc dầu Biển Đông 43 ngàn tấn chuẩn bị được chế tạo ở PTSC M&C, giàn Sư Tử Đen, Hoàng Long, Thăng Long, Topaz, Pearl, Chim Sáo-Dừa đang thi công và chế tạo ở PTSC M&C,…,nhiều khu công nghiệp khác đang hình thành và phát triển. Chính vì lý do đó em đánh giá cao vai trò trách nhiệm của ngành dầu khí Việt Nam, đặc biệt là ngành thiết bị dầu khí. Thiết bị dầu khí có rất nhiều chủng loại, hoạt động ở nhiều môi trường khác nhau nên phải đòi hỏi có sự chính xác cao, an toàn, sự bền và chống cháy nổ cũng như chống ăn mòn cao. Trong rất nhiều loại thiết bị như nhiệt độ, áp suất, báo cháy, bơm, van, thiết bị đo lưu lượng, mức, thông tin liên lạc, … trong các thiết bị nói trên em tâm đắc về thiết bị đo và điều khiển mức chất lỏng nhất nên em chọn đề tài này. Nội dung đồ án tốt nghiệp “Hệ thống điều khiển mức trong bình tách Test Separator của dự án Sông Đốc A do Trường Sơn JOC làm chủ đầu tư” gồm 04 chương: Chương I: TỔNG QUAN VỀ NGHÀNH DẦU KHÍ VIỆT NAM. Chương II: HỆ THỐNG THU GOM VÀ BÌNH TÁCH DẦU TEST SEPARATOR. Chương III: THIẾT BỊ ĐO MỨC SỬ DỤNG TRONG NGÀNH DẦU KHÍ. Chương IV: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC CỦA BÌNH TÁCH 01V-1020. Trên đây là nội dung đồ án, nó được hoàn chỉnh dựa trên cơ sở số liệu chung của dự án SDA, các tài liệu liên quan tới thiết bị đo mức, các loại van điều khiển mức. Sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu nguyên lý hoạt động cũng như hệ thống điều khiển mức trong bình tách, các loại van điều khiển áp suất và mức chất lỏng. Đề tài này đã giúp em thêm hiểu biết về tầm quan trọng của hệ thống điều khiển mức trong ngành dầu khí, đồng thời cũng mang lại cho em những kiến thức rất bổ ích của người kỹ sư thiết bị dầu khí. Do trình độ và bước đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tài liệu chuyên ngành về tiếng việt và tiếng anh còn hạn chế, nên mặc dù bản thân đã cố gắng tìm hiểu nhưng đồ án này cũng không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót. Em rất mong được sự chỉ dẫn cho ý kiến bổ sung của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp. Trong thời gian thực tập tìm hiểu thực tế và thiết kế đồ án, với sự nỗ lực của bản thân và sự hướng dẫn tạn tình của thầy giáo Trần Văn Bản cùng với các thầy cô giáo trong bộ môn em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Hệ thống điều khiển mức trong bình tách Test Separator của dự án Sông Đốc A do Trường Sơn JOC làm chủ đầu tư” Tuy nhiên, do kinh nghiệm nghiên cứu và thiết kế hệ thống tự động còn nhiều hạn chế và thời gian nghiên cứu tương đối ngắn, nên mặc dù được thầy giáo hướng dẫn nhiệt tình cộng với nỗ lực của bản thân nhưng đồ án của em vẫn không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin trân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Trần Văn Bản, các thầy cô giáo trong bộ môn, các thầy cô giáo trong trường Đại Học Mỏ - Địa Chất, các bạn đồng nghiệp và các bạn trong lớp đã giúp em hoàn thành đồ án này. Chúc các Thầy cô giáo trường Đại Học Mỏ - Địa Chất Sức khỏe, thành công và hạnh phúc. Vũng tàu, ngày 10/6/2009 Sinh Viên: Nguyễn Hùng Thịnh TÀI LIỆU THAM KHẢO -------------:------:------:--------------- PGS-TS Đào Văn Tân, TS Nguyễn Chí Tình tự động hóa trong công nghê mỏ và dầu khí. Nhà suất bản Giao Thông Vận Tải – Hà Nội Phan Minh Tạo bài giảng ngôn ngữ lập PLC S7 – 400 Đào Minh Tân 2000 bài giảng lý thuyết tự động điều khiển, ĐH Mỏ Địa Chất Phan Tử Bằng , 2002 giáo trình công nghệ lọc dầu, NXB xây dựng Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa dầu trường đại học bách khoa xuất bản Một số catalogue các van và thiết bị cảm biến / / Trang web tham khảo: