LÊ HOÀI NAM
TỐI ƯU HÓA VẬN HÀNH HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT TRONG CÁC NHÀ MÁY HĨA CHẤT
Chun ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 8520301
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thành Duy Quang Chữ kí
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Lưu Xuân Cường Chữ kí
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Nguyễn Tuấn Anh Chữ kí
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 14 tháng 7 năm 2022
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1.Chủ tịch hội đồng: GS.TSKH Lưu Cẩm Lộc2.Phản biện 1: TS Lưu Xuân Cường
3.Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Tuấn Anh 4.Uỷ viên: TS Nguyễn Quốc Thiết
5.Uỷ viên + Thư kí: TS Đào Thị Kim Thoa
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC
Trang 3_
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ HOÀI NAM MSHV: 2070650 Ngày, tháng, năm sinh: 27/08/1998 Nơi sinh: Tp HCM Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số: 8520305
I TÊN ĐỀ TÀI:
Tối ưu hóa vận hành hệ thống nước làm mát trong các nhà máy hóa chất Optimizing operation of cooling water systems in chemical plants
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu về vấn đề tối ưu hóa trong vận hành hệ thống nước làm mát trong các nhà máy hóa chất
- Khảo sát và lựa chọn mơ hình tốn học của tháp làm mát để sử dụng trong luận văn
- Lập trình giải thuật để giải mơ hình tốn học của tháp làm mát trong phần mềm mơ phỏng hoặc Matlab
- Tìm hiểu sử dụng cơng cụ tính tốn thủy lực và tính tốn truyền nhiệt trong phần mềm mơ phỏng Aspen Plus / Aspen Hysys
- Thiết lập mơ hình hoàn chỉnh cho hệ thống nước làm mát trong nhà máy hóa chất
- Sử dụng mơ hình hoàn chỉnh của hệ thống nước làm mát để tối ưu hóa điều kiện vận hành với mục tiêu là giảm thiểu chi phí hoạt động, định hướng áp dụng cho một nhà máy hóa chất ở Việt Nam
II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/ 01 / 2022
III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10 / 06 / 2023
IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Thành Duy Quang
Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn
Ngày tháng năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
TS Nguyễn Thành Duy Quang
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)
TS Phạm Hồ Mỹ Phương
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Sau ba năm theo học cao học tại Khoa Kỹ thuật Hóa học Trường Đại học Bách
Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, em đã lựa chọn đề tài “Ứng dụng công cụ mô phỏng để
tối ưu hóa năng lượng trong hệ thống nước làm mát trong các nhà máy sản xuất” để
nghiên cứu và làm luận văn tốt nghiệp cho bản thân Để có thể nghiên cứu và hồn thành luận văn này, em muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Thành Duy Quang, Bộ môn Kỹ thuật Chế biến Dầu khí Khoa Kỹ thuật Hóa học, là giảng viên phụ trách hướng dẫn và đã có những hỗ trợ quý báu, kịp thời về kiến thức và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học Chính sự hỗ trợ này là nền tảng để em hoàn thiện thành cơng luận văn tốt nghiệp
Bên cạnh đó, em muốn bày tỏ lịng cảm kích sâu sắc đến những người bạn, những anh chị đã và đang cùng tham gia học cao học tại trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh cùng với tất cả các cán bộ giảng dạy Bộ môn Kỹ thuật Chế biến Dầu khí, Khoa Kỹ thuật Hóa học đã ln đồng hành giúp đỡ, truyền đạt những lời khuyên chuẩn xác, kịp thời về cả kiến thức chuyên môn lẫn các kỹ năng mềm, giúp em có điều kiện thuận lợi nhất để hoàn thành luận văn tốt nghiệp
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn tất cả những người thân, gia đình và bạn bè đã ln bên cạnh em để khuyến khích và cung cấp cho em tất cả các hỗ trợ để hồn thành cơng việc này
Trang 5TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hệ thống giải nhiệt là một hệ thống vô cùng quan trọng và đang được sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp hiện nay Việc tối ưu điều kiện vận hành đối với hệ thống này sẽ đóng góp rất lớn trong việc tiết giảm chi phí cho các hệ thống thiết bị giải
nhiệt và giảm thiểu chất thải ra môi trường Trong khuôn khổ Luận văn với đề tài “Tối
Ưu Hóa Vận Hành Hệ Thống Nước Làm Mát Trong Các Nhà Máy Hóa Chất” sẽ có các
bước gồm tìm hiểu và mơ phỏng về hệ thống giải nhiệt bằng nước làm mát, lựa chọn các phương án, mơ hình tốn học phù hợp và tiến hành tối ưu hóa hệ thống này
Cụ thể nội dung Luận văn bao gồm các q trình mơ phỏng sử dụng phần mềm Aspen Hysys Q trình mơ phỏng có các bước như xây dựng và cài đặt thông số cho các thiết bị trao đổi nhiệt, bơm, bộ chia, thiết đặt các dòng lưu chất, van và các hệ thống điều khiển theo mơ hình thực tế Sau đó tiến hành chạy hệ ở trạng thái động với các điều kiện cần khảo sát Tiếp theo là quá trình lựa chọn và xây dựng mơ hình tốn học phù hợp cho tháp làm mát, cũng như một giải thuật nhằm tìm được điểm vận hành tối ưu cho hệ thống thông qua sự hỗ trợ của phần mềm Matlab Cuối cùng kết hợp sử dụng các cơng cụ tính toán Matlab và dữ liệu từ hệ chạy động của cơng cụ mơ phỏng Hysys để tìm ra điều kiện hoạt động tối ưu của hệ thống, cũng như tính tốn cụ thể các chi phí cần thiết để vận hành hệ thống
Trang 6ABSTRACT
The cooling system is a critical system and is being used in many industries today Optimizing operating conditions for this system will greatly contribute to reducing costs for cooling equipment systems and minimizing waste to the environment Within the framework of the thesis with the topic "Optimizing Operation of Cooling Water Systems in Chemical Plants", there will be steps including understanding and simulation of cooling water cooling systems, selection of methods project, appropriate mathematical model, and optimizing this system
Specifically, the thesis includes simulation processes using Aspen Hysys software The simulation process has steps such as building and setting parameters for heat exchangers, pumps, and dividers, and setting up fluid flows, valves, and control systems according to the actual model Then proceed to run the system in a dynamic state with the conditions to be investigated Next is the process of selecting and building a suitable mathematical model for the cooling tower and an algorithm to find the optimal operating point for the system through the support of Matlab software Finally, combining the use of Matlab calculation tools and data from the dynamic running system of the Hysys simulation tool to find the optimal operating conditions of the system, as well as precisely calculate the necessary costs to the operating system
Trang 7LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Tôi xin cam đoan bài luận văn trên đây là kết quả nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của thầy TS Nguyễn Thành Duy Quang Các kết luận được thể hiện trong luận văn là quá trình nghiên cứu, tìm hiểu các tài liệu khoa học có liên quan và được thực hiện một cách chuẩn xác dưới sự cố gắng và nổ lực của bản thân
TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2023 Học viên
Trang 8MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN i
MỤC LỤC v
DANH MỤC HÌNH viii
DANH MỤC BẢNG ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi
DANH MỤC KÝ HIỆU xii
1 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1
1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2
1.3 Ý nghĩa đề tài 4
1.4 Phạm vi nghiên cứu 4
1.5 Tổng hợp các nghiên cứu trước đây về vấn đề tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống nước làm mát 5
2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9
2.1 Hệ thống nước làm mát 9
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống nước làm mát 14
2.2.1 Tổng nhiệt lượng cần lấy ra từ các dịng nóng 14
2.2.2 Lưu lượng dịng nước tuần hồn 14
2.2.3 Nhiệt độ lượng nước làm mát 16
2.2.4 Nhiệt độ dịng khí đối lưu 16
2.3 Cơng cụ phần mềm 17
2.4 Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) 19
3 CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA VẬN HÀNH HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT TUẦN HỒN TRONG NHÀ MÁY 22
3.1 Mơ tả ví dụ minh họa được sử dụng trong luận văn 22
Trang 93.3 Thiết lập mơ hình của “Cooling water network – QHEN” trong phần mềm Aspen
Hysys 27
3.3.1 Thuyết minh quy trình 27
3.3.2 Thơng số các dịng lưu chất 29
3.4 Thiết lập mơ hình cho tháp làm mát dạng ngược chiều (counter-flow) trong phần mềm Matlab 35
3.5 Mơ hình bài tốn tối ưu hóa chi phí hoạt động của hệ thống nước làm mát tuần hoàn 40
3.5.1 Thiết lập hàm mục tiêu 40
3.5.2 Thiết lập thuật toán 43
4 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 45
4.1 Kết quả mơ hình động 45
4.1.1 Sơ đồ quy trình 45
4.1.2 Thơng số thiết bị 47
4.1.3 Thơng số các dịng lưu chất 47
4.1.4 Thơng số điều khiển 50
4.1.5 Kết quả khảo sát mơ hình động 54
4.2 Kiểm nghiệm kết quả mô phỏng trên Matlab 55
4.2.1 Kết quả sử dụng mơ hình tốn học mô phỏng tháp làm mát 55
4.2.2 Kiểm tra hiệu quả của giải thuật di truyền Genetic Algorithm với bài toán kiểm tra (test problem) 61
4.3 Tối ưu điều kiện hoạt động của hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt 63
5 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 67
5.1 Tối ưu chi phí vận hành của hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng nước làm mát 67
5.2 Đề xuất hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai 67
Trang 11DANH MỤC HÌNH
Trang 12DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Các đặc điểm cơ bản của các dòng lưu chất nóng 28
Bảng 3.2 Dữ liệu nhiệt độ đầu vào và đầu ra của các dòng lưu chất trong hệ thống trao đổi nhiệt 29
Bảng 3.3 Thông số các dòng nước làm mát trong hệ thống ở điều kiện tiêu chuẩn 30
Bảng 3.4 Thông số đầu vào các dòng nước trong hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt 30
Bảng 3.5 Thơng số đầu ra các dịng nước trong hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt 31
Bảng 3.6 Thơng số đầu vào các dịng nóng trong hệ thống ở điều kiện tiêu chuẩn 31
Bảng 3.7 Thông số đầu ra các dịng nóng trong hệ thống ở điều kiện tiêu chuẩn 32
Bảng 4.1 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống 47
Bảng 4.2 Thông số các dịng nước làm mát trong hệ thống ở mơ hình động 48
Bảng 4.3 Thơng số đầu vào các dòng nước trong hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt ở mơ hình động 48
Bảng 4.4 Thơng số đầu ra các dòng nước trong hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt ở mơ hình động 49
Bảng 4.5 Thơng số đầu vào các dịng nóng trong điều kiện chuẩn ở mơ hình động 49
Bảng 4.6 Thơng số đầu ra các dịng nóng trong điều kiện chuẩn ở mơ hình động 50
Bảng 4.7 Các thiết bị điều khiển sử dụng trong hệ thống 50
Bảng 4.8 Bảng các cặp biến điều khiển 51
Bảng 4.9 Bảng số liệu nhiệt độ dòng nước ra khỏi hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt QHEN (°C) 54
Bảng 4.10 Số liệu thực nghiệm khi vận hành một tháp làm mát, bởi Simpson và Sherwood [34] 55
Bảng 4.11 So sánh giữa kết quả tính tốn từ mơ hình và kết quả thực nghiệm [29] 56
Bảng 4.12 Thẩm định mơ hình tháp giải nhiệt [36] 58
Bảng 4.13 Ảnh hưởng khi giảm lưu lượng và tăng nhiệt độ đầu vào dòng nước vào tháp làm mát 59
Bảng 4.14 Kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng của tháp làm mát trong ví dụ ứng dụng 60
Trang 14DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
HEN Heat Exchanger Nerwork ‒ Hệ thống trao đổi nhiệt ID Induced draft cooling tower – Tháp giải nhiệt quạt hút
FD Induced draft cooling tower – Tháp giải nhiệt đối lưu cưỡng bức CV Controlled Variable ‒ Biến được điều khiển
MV Manipulated Variable ‒ Biến điều khiển
PID Proportional Integral Derivative ‒ Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PLC/DCS Programmable Logic Controller/ Distributed Control System ‒
Bộ điều khiển logic có thể lập trình/ Hệ thống điều khiển phân tán CDF Control Degrees of Freedom ‒ Bậc tự do điều khiển
GA Genetic Algorithm ‒ Giải thuật Di truyền VGO Vacuum Gas Oil
Trang 15DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký Hiệu Mơ Tả
A Diện tích bề mặt tiếp xúc pha (m2)
Afr Diện tích mặt cắt ngang của lớp đệm (m2)
CWmakeup Chi phí của nước bổ sung ($/hr)
Cpa Nhiệt dung riêng của khơng khí = 1.006 (kJ/kg.°C) Cpv Nhiệt dung riêng của hơi nước = 1.86 (kJ/kg.°C)
G Lưu lượng dịng khơng khí khơ (kg/s)= maHv Nhiệt hóa hơi của nước (kJ/kg)
h Hệ số truyền nhiệt đối lưu (kJ/s.m2.°C)
Ha Enthalpy của hỗn hợp khơng khí – hơi nước (kJ/kg) Hfgwo Enthalpy tạo thành của hơi nước ở nhiệt độ 0 °C (kJ/kg)
Has Enthalpy của hỗn hợp khơng khí – hơi nước ở trạng thái bảo hịa (kJ/kg)
K*afi Thơng số đặc trưng cho tháp làm mát (kg/s.m3)
Le Chuẩn số Lewis
L Lưu lượng dòng nước (kg/s) = mwmw Lưu lượng dòng nước (kg/s)
ncycles Tỷ lệ của nồng độ chất rắn hòa tan trong dịng nước thải ra
Ws* Độ ẩm khơng khí ở trạng thái bão hịa (kg nước/kg khơng khí khơ) v Thể tích riêng của khơng khí (m3/kg khơng khí khơ)
W Độ ẩm của khơng khí ẩm (kg nước/kg khơng khí khơ) Wsat Độ ẩm (kg nước/kg khơng khí khơ)
Wmakeup Lượng nước cần bổ sung (kg/s) Wmakeup Lượng nước cần bổ sung (kg/s)
Wevap Lượng nước hóa hơi trong tháp làm mát (kg/s) Độ ẩm tương đối (%)
Pws Áp suất hơi bảo hòa của nước ở nhiệt độ Tw (Pa)
Ptot Áp suất tổng cộng của khơng khí ẩm (kPa)
Pvs Áp suất hơi bảo hòa của nước ở nhiệt độ bầu khô t (kPa) Pf Công suất tiêu thụ của quạt (W)
Pp Công suất tiêu thụ của bơm (W) t* Nhiệt độ bầu ướt (°C)
t Nhiệt độ bầu khô (°C)
Tinterface Nhiệt độ ở bề mặt tiếp xúc pha (°C)
Ta Nhiệt độ dịng khí lưu chuyển trong tháp (°C)
Tmakeup Nhiệt độ của dòng nước bổ sung (°C)
TiHEX Nhiệt độ dòng nước khi lưu chuyển vào hệ thống trao đổi nhiệt (°C) ToCT Nhiệt độ của dòng nước ra khỏi tháp làm mát (°C)
Trang 161 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề
Quá trình phát triển liên tục của kinh tế - xã hội, sự tăng trưởng trong quy mô sản xuất công nghiệp trong nước những thập kỷ gần đây đã dẫn đến sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng từ sinh hoạt dân dụng đến sản xuất công nghiệp Với gia gia tăng nhu cầu trên, việc tìm kiếm các giải pháp nhằm tối ưu, tiết giảm năng lượng tiêu thụ cho các quy trình sản xuất ngày càng có vai trị quan trọng và đóng góp vai trò đáng kể trong gia tăng lợi nhuận doanh nghiệp Ngoài ra, năng lượng cũng là một nguồn lực phát triển đất nước trong mọi lĩnh vực rất quý giá và cần sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả Điều then chốt để kiểm soát tốt việc sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng là quản lý năng lượng (Energy management) Quản lý năng lượng là công việc nhằm đảm bảo rằng tất cả các quy trình được thực hiện với tiêu thụ năng lượng tối thiểu, điều này giúp giảm chi phí và tăng lợi nhuận cho nhà máy Quản lý năng lượng mang lại không chỉ những lợi ích về kinh tế mà cịn đóng góp quan trọng cho việc bảo vệ mơi trường Việc sử dụng các nguồn năng lượng hiệu quả làm giảm thiểu sự phát sinh chất, trong đó đặc biệt có khí thải nhà kính
Trang 17cũng đã được nghiên cứu, đó là thiết kế tháp giải nhiệt [3], điều khiển và vận hành tháp [4-6]; mơ hình hóa và mơ phỏng hiệu suất nhiệt [7] Tuy nhiên, trong khuôn khổ đề tài luận văn, chưa thấy có các nghiên cứu ứng dụng các cơng cụ mơ phỏng vào các q trình tối ưu điều kiện vận hành của hệ thống này
Mục tiêu trong khuôn khổ luận văn hiện tại là xây dựng và khảo sát phát triển một mơ hình tích hợp để giảm thiểu chi phí vận hành của hệ thống nước làm mát Hệ thống bao gồm một tháp giải nhiệt cũng như một mạng lưới các bộ trao đổi nhiệt Một số yếu tố trong hệ thống được nghiên cứu với mục tiêu xác định điều kiện hoạt động tối ưu và giảm thiểu những xáo trộn về nhu cầu nhiệt của q trình, bao gồm: tăng tốc độ dịng nước tuần hồn, tăng tốc độ dịng khí và cuối cùng là loại bỏ cưỡng bức một phần tốc độ dòng nước đi vào tháp giải nhiệt và tốc độ dòng nước bổ sung tương ứng
Các phần mềm mô phỏng và tính tốn hiện nay mang nhiều ưu điểm từ đó có thể hỗ trợ đắc lực trong việc thiết kế, quan sát, thử nghiệm và đưa ra các quyết định nhằm tối ưu hóa các hệ thống cơng nghiệp Ứng dụng các lợi thế của các công cụ mô phỏng và tính tốn này vào một nhà máy thực tế ở quy mơ cơng nghiệp để phân tích, đánh giá việc sử dụng năng lượng hiện tại hệ thống làm mát tại nhà máy đồng thời từ đó đưa ra đưa ra các điều kiện nhằm tối ưu năng lượng sử dụng cho hệ thống này trong trường hợp việc sử dụng năng lượng hiện tại là chưa hiệu quả
Nghiên cứu này được hi vọng sẽ đóng góp vào lĩnh vực quản lý năng lượng và vận hành của hệ thống trao đổi nhiệt, đồng thời khuyến khích việc sử dụng năng lượng một cách hợp lý và hiệu quả hơn
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu này xem xét đầy đủ 3 thành phần thuộc hệ thống nước làm mát: i) tháp làm mát, ii) hệ thống bơm và đường ống vận chuyển nước làm mát, iii) hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước làm mát
Trang 18hình cho các thiết bị trao đổi nhiệt thơng dụng Phần mềm mơ phỏng Aspen Hysys có các chức năng này và sẽ được sử dụng trong luận văn Nhiệm vụ còn lại là thiết lập và đề xuất phương pháp giải mơ hình tốn học cho tháp làm mát loại ngược chiều (counter-flow) và kết hợp với mơ hình cho hệ thống bơm và đường ống vận chuyển nước làm mát và hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt trong Aspen Hysys / Aspen Plus để tạo thành một mơ hình tính tốn hồn chỉnh cho cả hệ thống nước làm mát Ở đây, do mơ hình tháp làm mát là phức tạp, do đó cần thực hiện việc lập trình giải mơ hình tháp làm mát trong phần mềm Matlab, sau đó sử dụng các kết quả của mơ hình hệ thống bơm và đường ống vận chuyển nước làm mát và hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt trong Aspen Hysys để làm nguồn dữ liệu cho phần mềm Matlab để giải mơ hình tính tốn hồn chỉnh cho cả hệ thống nước làm mát
Khi việc thiết lập mơ hình tính tốn hồn chỉnh cho cả hệ thống nước làm mát đã hoàn tất, bước tiếp theo là tối ưu hóa điều kiện vận hành với hàm mục tiêu là chi phí vận hành của hệ thống và các thơng số tối ưu hóa là tốc độ vịng quay của quạt hút khí trong tháp làm mát, lưu lượng dòng nước bổ sung “Makeup water”, và lưu lượng dịng nước tuần hồn Kết quả của bước tối ưu hóa này là điều kiện vận hành tối ưu và chi phí vận hành tối thiểu của hệ thống
Như đã được đề cập, để khảo sát hệ thống cần tiến hành khảo sát sự thay đổi của hàm mục tiêu theo các biến tối ưu hóa, kết hợp dữ liệu từ Aspen Hysys và khả năng tính tốn của Matlab:
Như vậy, nội dung nghiên cứu của luận văn này như sau:
1) Khảo sát các mơ hình tốn học cho tháp làm mát loại ngược chiều từ các bài báo nghiên cứu đã được xuất bản, lựa chọn mơ hình phù hợp để sử dụng trong luận văn này;
2) Lập trình giải mơ hình tốn học cho tháp làm mát loại ngược chiều trực tiếp trong phần mềm mô phỏng hoặc phần mềm tính tốn chun dụng như Matlab;
3) Kiểm chứng mơ hình tháp làm mát bằng cách so sánh số liệu tính tốn và số liệu thực nghiệm lấy từ bài báo;
Trang 195) Thiết lập mô phỏng bằng Aspen Hysys cho hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước làm mát “Cooling water network – QHEN” (bao gồm hệ thống bơm và đường ống dẫn) của một hệ thống nước làm mát lấy nguồn từ bài báo khoa học của Castro và các cộng sự [8];
6) Thiết lập mơ hình cho hệ thống nước làm mát có sự kết nối giữa phần mềm mô phỏng Aspen Hysys và Matlab;
7) Sử dụng mơ hình của hệ thống nước làm mát để tối ưu hóa điều kiện hoạt động nhằm mục tiêu giảm thiểu chi phí vận hành
1.3 Ý nghĩa đề tài
- Phương pháp nghiên cứu có tính tương thích và ứng dụng rộng rãi, thích hợp để tiến hành nghiên cứu trên mọi hệ thống giải nhiệt sử dụng nước làm mát
- Luận văn ứng dụng các cơng cụ mơ phỏng, cơng cụ tốn học để phân tích, đánh giá việc sử dụng năng lượng hiện tại hệ thống làm mát tại nhà máy Điều này cho phép dự đoán, đánh giá trước các khả năng cải tiến hệ thống, giảm thiểu, tăng tính hiệu quả cho sự đầu tư cơ sở vật chất trong thực nghiệm thực tế
- Việc nghiên cứu thành công mở ra khả năng ứng dụng thực tế tại các nhà máy, là tiền đề tham khảo cho các công trình nghiên cứu, tối ưu về các hệ thống giải nhiệt sử dụng nước làm mát trong tương lai
1.4 Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu tiến hành mô phỏng hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt và xây dự mơ hình tốn học cho tháp làm mát Sau xây dựng xong sẽ tiến hành khảo sát các điều kiện vận hành nhằm đánh giá hiệu quả hoạt động, đưa ra điều kiện tối ưu - Các thông số thiết bị trong hệ thống được thu thập từ số liệu của các cơng trình
nghiên cứu và các bài báo khoa học
Trang 201.5 Tổng hợp các nghiên cứu trước đây về vấn đề tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống nước làm mát
Tháp làm mát được sử dụng phổ biến trong ngành cơng nghiệp hóa chất, trong nhà máy phát điện, trong hệ thống làm mát, điều hòa nhiệt độ cho các tòa nhà văn phòng Tuy nhiên, chỉ ở trong các nhà máy hóa chất, tháp làm mát là một thành phần thuộc hệ thống lớn là hệ thống nước làm mát; do đó cần một cách tiếp cận mang tính hệ thống, xem xét tồn thể hệ thống nước làm mát chứ không xem xét riêng lẻ từng thành phần khi cần tối ưu hóa hệ thống này
Các thành phần thuộc hệ thống nước làm mát trong nhà máy hóa chất được thể
hiện ở Hình 1.1
Hình 1.1 Các thành phần trong hệ thống nước làm mát trong nhà máy hóa chất bao gồm: i) tháp làm mát, ii) hệ thống bơm và đường ống vận chuyển nước làm mát, iii) hệ
Trang 21Như vậy, khi mơ hình hóa hệ thống nước làm mát cho mục đích tối ưu hóa thiết kế và vận hành, cần thiết lập mơ hình cho 3 thành phần: i) tháp làm mát, ii) hệ thống bơm và đường ống vận chuyển nước làm mát (bài tốn tính tốn thủy lực), iii) hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước làm mát (bài tốn tính tốn truyền nhiệt) Vì nước làm mát lưu chuyển tuần hoàn qua các thiết bị thuộc hệ thống, sự tương tác giữa các thành phần này cần phải được xem xét / mơ hình hóa Ví dụ, việc giảm lưu lượng nước tuần hoàn sẽ dẫn đến các kết quả sau:
- Bố trí lưu lượng nước làm mát đi trong các nhánh đến các thiết bị trao đổi nhiệt có sự thay đổi Một số nhánh có sử dụng van điều khiển để điều chỉnh lưu lượng nước làm mát trong nhánh đó để ổn định nhiệt độ đầu ra của dịng nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt => nếu nhiệt tải (heat duty) trong thiết bị trao đổi nhiệt khơng đổi thì xem như lưu lượng nước làm mát trong nhánh này không đổi Khi đó, lưu lượng nước làm mát đi trong các nhánh khơng có sử dụng van điều khiển sẽ thay đổi => nhiệt tải (heat duty) trong thiết bị trao đổi nhiệt thay đổi và nhiệt độ đầu ra của dịng nóng thay đổi
- Nhiệt độ nước ra khỏi hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt và quay trở về tháp làm mát thay đổi
- Nhiệt độ nước ra khỏi tháp làm mát thay đổi (lượng nhiệt dịng nước truyền cho dịng khí đối lưu trong tháp làm mát cũng thay đổi)
Như vậy, do hệ thống nước làm mát có thể xem như một thơng số tuần hồn kín (lưu lượng các dòng vào / ra khỏi hệ thống như dòng “Blowndown water”, dòng “Makeup water”, lượng nước bay hơi “Evaporated water” là nhỏ so với lưu lượng dòng nước tuần hoàn), một sự thay đổi trong vận hành của bất kỳ thành phần nào trong 3 thành phần kể trên cũng dẫn đến sự thay đổi trong vận hành (thơng số đầu ra) của hai yếu tố cịn lại Do vậy, việc thiết kế, tối ưu hóa bằng cách thiết lập và giải mơ hình tốn học của hệ thống nước làm mát này là một thách thức
Trang 22mát, trong số đó, các bài báo nghiên cứu vấn đề cải tiến thiết kế, cải thiện điều kiện vận
hành của hệ thống nước làm mát có sẵn nhằm mục tiêu tiết kiệm lượng nước sử dụng
và tiết kiệm năng lượng được liệt kê dưới đây (các bài báo nghiên cứu về thiết kế mới hệ thống nước làm mát sẽ không được đề cập đến vì nằm ngồi phạm vi nghiên cứu của luận văn)
- Castro và các cộng sự [8] nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện vận hành của hệ thống nước làm mát có sẵn Mục tiêu tối ưu hóa nhằm giảm thiểu chi phí vận hành Chi phí vận hành bao gồm chi phí điện năng tiêu thụ ở bơm trên hệ thống đường ống vận chuyển và quạt hút hoặc thổi khí ở tháp làm mát và chi phí của dịng nước bổ sung “Makeup water” Nhược điểm của nghiên cứu này là các mơ hình toán học của ba thành phần trên hệ thống đều nằm ở dạng mơ hình đơn giản hóa / mơ hình gần đúng
- Kim và Smith [9] nghiên cứu vấn đề cải tiến thiết kế hệ thống nước làm mát có sẵn với mục tiêu là thu được thiết kế được cải tiến thỏa mãn các ràng buộc về mặt vận hành của quy trình đồng thời có tổn thất áp suất là tối thiểu Các loại cải tiến, sửa đổi được xem xét trong mơ hình là đáng kể, bao gồm việc thay đổi kích thước cánh quạt (impeller) sử dụng trong bơm Nhược điểm của nghiên cứu này là mơ hình bài tốn tối ưu hóa trong cơng trình nghiên cứu này là phức tạp, và không phù hợp sử dụng nếu mục tiêu ban đầu là giữ nguyên cấu hình hệ thống nước làm mát, chỉ xem xét thay đổi điều kiện vận hành
Trang 23trao đổi nhiệt là bố trí song song, iii) phương pháp tìm nghiệm là đơn giản: khảo sát sự thay đổi của hàm mục tiêu (chi phí vận hành) theo các thơng số tối ưu hóa từ đó tìm ra nghiệm tối ưu
Trang 242 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ thống nước làm mát
Hầu hết các quy trình cơng nghiệp u cầu một bộ tản nhiệt bên ngồi để loại bỏ nhiệt và kiểm soát nhiệt độ Hệ thống nước làm mát là một giải pháp để giải nhiệt cho các thiết bị và q trình cơng nghiệp Các hệ thống nước làm mát thường có hai dạng là kín hay hở, và nước làm mát có thể được sử dụng một lần hoặc tuần hoàn Thiết kế và trang thiết bị của các hệ thống nước làm mát có sự khác nhau rất lớn tùy thuộc vào ứng dụng Hệ thống nước làm mát thường bao gồm các bộ phận như thiết bị truyền nhiệt, ống dẫn, bơm, các bộ phận của tháp làm mát và các loại van [10] Khi việc sử dụng nước từ các nguồn thiên nhiên bị hạn chế hoặc các quy định về môi trường không cho phép thải nhiệt ra sông, hồ, kênh, rạch và biển thì phải sử dụng hệ thống làm mát bằng khơng khí hoặc nước làm mát tuần hoàn Làm mát tuần hoàn cho đến nay là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để thải nhiệt ra mơi trường [11]
Hình 1.1 minh họa các tính năng cơ bản của hệ thống nước làm mát tuần hoàn
Nước giải nhiệt từ tháp giải nhiệt được bơm đến các bộ trao đổi nhiệt, nơi các dòng nóng thải nhiệt thải ra ngồi Nước làm mát lần lượt được làm nóng trong mạng lưới trao đổi nhiệt và được đưa trở lại tháp giải nhiệt Nước nóng quay trở lại tháp giải nhiệt chảy xuống lớp đệm và được tiếp xúc ngược dòng hoặc theo dòng chéo với khơng khí Lớp đệm phải cung cấp một diện tích bề mặt lớn để truyền nhiệt và khối lượng giữa khơng khí và nước Khơng khí được làm ẩm và nóng lên, và bốc lên qua lớp đệm Nước được làm mát chủ yếu bằng cách bay hơi khi chảy xuống lớp đệm Việc làm mát thể hiện qua lượng nước bay hơi ra khỏi đỉnh tháp giải nhiệt Một phần lượng nước cũng sẽ bị mất trong quá trình bị cuốn trơi (drift) Drift là những giọt nước cuốn theo khơng khí rời khỏi đỉnh tháp và cần được giảm thiểu vì nó gây lãng phí nước và cũng có thể gây ố màu cho các tịa nhà, v.v., những nơi nằm gần tháp giải nhiệt Tổn thất này vào khoảng 0,1 đến
0,3% lượng lưu thông nước Bên cạnh đó, việc xả đáy như thể hiện trong Hình 1.1 là
cần thiết để ngăn ngừa sự tích tụ ơ nhiễm trong tuần hồn Nước bổ sung là cần thiết để
bù đắp lượng nước mất đi do bay hơi và trơi và q trình xả đáy Nước bổ sung chứa
Trang 25mòn và sự phát triển của vi sinh vật cần được kiểm soát bằng các thêm các chất ức chế
vào hệ thống tuần hồn Trong Hình 1.1, xả đáy được thể hiện từ bể chứa tháp giải nhiệt Nó được gọi là xả đáy lạnh, như trong Hình 1.1 Ngồi ra, nước có thể được lấy từ nước
tuần hồn nóng trước khi nó được đưa trở lại tháp giải nhiệt dưới dạng xả đáy nóng Xử lý xả đáy nóng có thể hữu ích trong việc tăng khả năng thải nhiệt từ hệ thống làm mát nhưng có thể khơng được chấp nhận về mặt môi trường theo quan điểm dẫn đến việc tăng nhiệt độ nước thải Có nhiều kiểu dáng tháp giải nhiệt khác nhau Chúng có thể được chia thành hai lớp lớn như sau:
1 Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên bao gồm một
vỏ rỗng, thường được xây dựng bằng bê tông Phần trên rỗng của vỏ chỉ phục vụ để tăng lượng gió lùa vào Phần dưới được lắp các lớp đệm Gió được tạo ra bởi sự khác biệt về mật độ giữa không khí nóng ẩm trong tháp và khơng khí xung quanh dày đặc hơn Vì làm mát dựa trên sự đối lưu tự nhiên, chiều cao của tháp thường cần đạt khoảng 100 đến 200 m để đạt được yêu cầu làm mát ưu tiên; rất cao so với tháp giải nhiệt đối lưu cơ khí (~10–50 m) Do đó, chi phí vốn của tháp nháp tự nhiên nhiều hơn 60% so với tháp nháp cơ học [12] Tuy nhiên, ưu điểm của tháp tự nhiên nằm ở việc không cần bảo trì thường xun cũng như khơng cần điện năng tiêu thụ cho việc vận hành quạt;
2 Tháp giải nhiệt đối lưu cơ học Tháp giải nhiệt cơ khí sử dụng quạt để di chuyển
Trang 26khơng khí này Điều này làm giảm hiệu quả tháp của tháp dựa trên FD [13] Tháp giải nhiệt cơ khí có cơng suất lớn thường bao gồm một loạt các ơ hình chữ nhật được kết cấu với nhau, nhưng hoạt động song song, mỗi tháp có một quạt riêng
Hình 2.1 Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên và tháp giải nhiệt đối lưu cơ học
Trang 27Trong tháp làm mát, loại lớp đệm được sử dụng có thể đơn giản như thanh mảnh nhưng thường là có hình thức tương tự như lớp đệm trong tháp chưng cất và hấp thụ Giới hạn nhiệt độ của lớp đệm cần được chú ý cẩn thận Lớp đệm nhựa có những hạn chế nghiêm trọng về nhiệt độ, liên quan đến nhiệt độ hồi lưu của nước làm mát Nếu nhiệt độ quá cao, lớp đệm nhựa sẽ bị biến dạng và điều này sẽ làm giảm hiệu suất của tháp giải nhiệt Polyvinylclorua được giới hạn ở nhiệt độ tối đa khoảng 50 °C Các loại lớp đệm nhựa khác có thể chịu được nhiệt độ lên đến khoảng 70 °C Hóa chất được thêm vào hệ thống tuần hồn để chống bám bẩn Chất phân tán được thêm vào để ngăn chặn sự lắng đọng của chất rắn, chất ức chế ăn mòn để ngăn chặn sự ăn mòn và chất diệt khuẩn để ức chế sự phát triển sinh học
Hình 2.3 Các thành phần của hệ thống nước làm mát tuần hồn lại điển hình
Ở phía sử dụng nước làm mát / nước giải nhiệt cho mục đích giải nhiệt các dịng
nóng (Cooling Water Network – QHEN trong Hình 2.3): nước làm mát được sử dụng
để giải nhiệt cho các dịng nóng trong các thiết bị trao đổi nhiệt thường được bố trí song
Trang 28Hình 2.4 Bố trí song song của các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước giải nhiệt
Bố trí song song như được thể hiện ở Hình 2.4 là cách bố trí được sử dụng phổ
biến trong thực tế Tuy nhiên, cách bố trí kết hợp giữa song song và nối tiếp cũng được sử dụng trong thực tế, một số ví dụ về cách bố trí kết hợp giữa song song và nối tiếp
được thể hiện ở Hình 2.5
(a) Bố trí kết hợp giữa song song và nối tiếp – Ví dụ 1
(b) Bố trí kết hợp giữa song song và nối tiếp – Ví dụ 2
Hình 2.5 Bố trí kết hợp song song và nối tiếp của các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước giải nhiệt
Trang 292.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống nước làm mát
2.2.1 Tổng nhiệt lượng cần lấy ra từ các dịng nóng
Nhiệt lượng của nước làm mát được biểu thị thông qua phương trình truyền nhiệt tiêu chuẩn:
Qt = mCp∆T Trong đó:
- Qt là nhiệt tải tính bằng kJ/s
- m là lưu lượng khối lượng của nước làm mát kg/s - Cp là nhiệt dung riêng của nước kJ/kg.K
- ∆T là chênh lệch nhiệt độ đầu vào / đầu ra ºC
Trong các bài báo nghiên cứu về hệ thống nước làm mát, Qt được gọi là thermal loads Qt là yếu tố quan trọng quyết định vấn đề thiết kế và vận hành của tháp làm mát Qt (nhiệt lượng nước giải nhiệt nhận vào từ các dịng nóng) sẽ được thải bỏ ra môi trường trong tháp làm mát (nước giải nhiệt “nóng” sẽ truyền nhiệt cho dịng khơng khí đối lưu trong tháp làm mát và trở thành dòng nước giải nhiệt “lạnh” và hồi lưu về Cooling Water Network – QHEN để tiếp tục giải nhiệt) Giá trị Qt thiết kế được dùng để xác định kích cỡ tháp làm mát, cũng như lưu lượng dịng nước và dịng khí đối lưu trong thác làm mát Trong q trình vận hành, khi Qt thay đổi, có thể phải thay đổi lưu lượng dịng nước tuần hồn và dịng khí đối lưu trong tháp làm mát bằng cách thay đổi tốc độ quay của quạt thổi (hoặc hút) trong tháp làm mát
2.2.2 Lưu lượng dòng nước tuần hồn
Lưu lượng dịng nước tuần hồn là một thông số rất quan trọng khi thiết kế hệ thống nước làm mát Sử dụng lưu lượng dòng nước tuần hồn lớn có các ích lợi sau đây: - Phù hợp sử dụng cấu hình bố trí song song của các thiết bị trao đổi nhiệt có sử dụng nước làm mát, là cấu hình dễ điều khiển và vận hành hơn cấu hình kết hợp - Khi lưu lượng nước tăng, chênh lệch nhiệt độ trung bình log (log mean temperature difference LMTD) trong các thiết bị trao đổi nhiệt có sử dụng nước làm mát tăng => giảm diện tích bề mặt truyền nhiệt
Trang 30- Tăng kích cỡ và tăng chi phí vận hành của bơm sử dụng để vận chuyển dòng nước làm mát
Giảm lưu lượng dòng nước tuần hoàn sẽ hạn chế nhược điểm nhưng cũng làm mất đi những lợi ích của việc sử lưu lượng dịng nước tuần hồn lớn Ngồi ra, giảm lưu lượng dịng nước tuần hồn có một thuận lợi liên quan đến hoạt động của tháp làm mát, đó là nó làm tăng hiệu quả hoạt động của tháp làm mát Cụ thể hơn, khi giảm lưu lượng dòng nước tuần hồn thì nhiệt độ nước giải nhiệt quay trở lại tháp làm mát tăng lên (theo phương trình Qt = mCp∆T khi Qt khơng đổi, m giảm thì ∆T tăng, do đó nhiệt độ nước làm mát ra khỏi QHEN = nhiệt độ nước làm mát quay về tháp làm mát tăng lên) Khi nhiệt độ nước làm mát đi vào tháp làm mát tăng lên thì động lực quá trình (chênh lệch nhiệt độ giữa dịng nước và dịng khí đối lưu trong tháp làm mát) tăng lên, làm cho hiệu quả truyền nhiệt trong tháp tăng lên Kết quả này đã được chứng minh trong nghiên cứu của Kim và Sminh [9], trong đó các tác giả định nghĩa thông số e “hiệu suất của tháp giải nhiệt” như là tỷ số giữa nhiệt loại bỏ thực tế và nhiệt loại bỏ tối đa có thể đạt được:
𝑒 = 𝑄𝐴𝐶𝑇𝑄𝑀𝐴𝑋
Hình 2.6 (từ nghiên cứu của Kim và Smith [9]) thể hiện sự phụ thuộc của hiệu
suất của tháp giải nhiệt vào lưu lượng dòng nước làm mát và nhiệt độ nước làm mát khi đi vào tháp Hiệu suất càng cao thể hiện khả năng làm mát càng tốt loại bỏ càng nhiều
nhiệt Hình 2.6 cho thấy rằng khi nước làm mát đầu vào có điều kiện nhiệt độ cao và lưu
Trang 31Hình 2.6 Tương quan giữa nhiệt độ và lưu lượng nước đầu vào đến hiệu suất của tháp làm mát [9]
2.2.3 Nhiệt độ lượng nước làm mát
Trong quá trình hoạt động, do các quá trình cơ học như việc bay hơi, lôi cuốn nước làm mát mà một lượng nước bị thất thoát tại tháp giải nhiệt Bên cạnh đó, việc xả đáy cũng để loại bỏ các chất rắn trong nước của hệ thống cũng làm thất thoát một phần lượng nước làm mát Việc bổ sung nước vào tháp giải nhiệt là cần thiết để thay thế quá trình truyền tải cơ học trên là cần thiết để duy trì sự tích tụ chất rắn được kiểm soát Nước bổ sung thường được thêm vào bồn tháp giải nhiệt [16] Lượng nước thông thường tối đa cho hệ thống tháp giải nhiệt là 0,6 gpm / tấn, hoặc khoảng 2% lưu lượng của tháp Sự gia tăng nhiệt đơ của lượng nước này địi hỏi phải loại bỏ nhiều nhiệt hơn khỏi tháp giải nhiệt để đạt được yêu cầu tải nhiệt nhất định, do đó dẫn đến với chi phí tổng thể cao hơn
2.2.4 Nhiệt độ dịng khí đối lưu
Trang 32độ bầu ướt và do đó nhiệt độ tiếp cận thấp hơn, gây cản trở hiệu suất của tháp giải nhiệt
và tăng chi phí vận hành (xem Hình 2.7)
Hình 2.7 cho thấy mối quan hệ tuyến tính của nhiệt độ khơng khí và tổng chi phí,
cũng như cách tiếp cận tháp giải nhiệt và tốc độ dịng chảy loại bỏ nước nóng Nhiệt độ khơng khí tăng 1 °C địi hỏi một bổ sung 0,15 m3 / h tốc độ dòng chảy loại bỏ nước nóng
Hình 2.7 Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ khơng khí và chi phí vận hành của hệ thống làm mát [2]
2.3 Cơng cụ phần mềm
• Phần mềm MATLAB
MATLAB (viết tắt của Matrix Laboratory) là một ngơn ngữ phần mềm lập trình cung cấp mơi trường tính tốn số học đa mơ hình, được phát triển bởi công ty MathWorks MATLAB cho phép tính tốn số với ma trận, lập đồ thị của các hàm và dữ liệu, thực hiện các thuật toán, tạo ra các giao diện người dùng và giao tiếp với các chương trình được viết bằng các ngôn ngữ khác
MATLAB cung cấp các công cụ giải thuật để giải mô hình hệ thống làm mát bằng nước trong đề tài này bao gồma công cụ giải thuật di truyền (Genetic algorithm solver) trong bộ công cụ tối ưu (Global Optimization Toolbox) MATLAB sở hữ các điểm mạnh như [17]:
Trang 33- Khả năng trực quan hóa dữ liệu, định dạng dễ đọc trong đó dữ liệu được trình bày cả trước và sau khi phân tích cho phép người kiểm sốt chặt chẽ cách thức mà dữ liệu được trình bày
- Các kết quả và đồ thị được thiết kế tối ưu cho việc tương tác - Các cơng cụ phần mềm lập trình được có dung lượng thấp
• Phần mềm Aspen HYSYS
Mơ phỏng các q trình cơng nghệ hóa học và cơng nghệ chế biến dầu khí, cơng nghệ tổng hợp hóa dầu có thể được thực hiện bằng nhiều phần mềm mơ phỏng khác nhau Trong đó, phần mềm Aspen Hysys (hay gọi đơn giản là Hysys) là một trong các phần mềm phổ biến nhất
Hysys là một phần mềm mơ phỏng q trình được sử dụng để mơ phỏng tốn học các quy trình hóa học, được ứng dụng từ các thiết bị vận hành riêng lẻ đến toàn bộ nhà máy hóa chất và nhà máy lọc hóa dầu trong ngành công nghiệp năng lượng Hysys thực hiện nhiều tính tốn quan trọng của kỹ thuật hóa học, bao gồm cân bằng khối lượng, cân bằng năng lượng, cân bằng lỏng - hơi, truyền nhiệt, truyền khối, động hóa học, chưng cất và giảm áp [18]
Hysys được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và học thuật để mô phỏng cả trạng thái động và ổn định, thiết kế nhà máy và tối ưu hóa, phân tích kinh tế trên tồn nhà máy để tăng lợi nhuận, mơ hình hóa thiết bị và phân tích kinh tế và tối ưu hóa hiệu quả năng lượng Phiên bản Hysys được sử dụng trong đề tài này là phiên bản V10
Là một công cụ mô phỏng mạnh mẽ, phần mềm Hysys có các ưu điểm: - Có khả năng tính tốn đa dạng
- Cho kết quả có độ chính xác cao, cung cấp nhiều thuật tốn sử dụng, trợ giúp trong q trình tính tốn cơng nghệ, khảo sát các thơng số trong q trình thiết kế các nhà máy
- Ngồi thư viện có sẵn, Hysys cho phép người sử dụng tạo các thư viện riêng rất thuận tiện cho việc sử dụng
- Có khả năng tự động tính tốn các thơng số cịn lại nếu thiết lập đủ thơng tin - Giao diện thân thiện, tương thích với nhiều hệ điều hành, giúp người dùng dễ đọc
Trang 34Aspen Hysys có sẵn mơ hình cho đường ống và van, bơm và thiết bị truyền nhiệt (cho phép tính tốn tổn thất áp suất cũng như cân bằng momentum ở các điểm nối ống và chia nhánh), từ đó cho phép tính tốn thủy lực và tính toán truyền nhiệt trong hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước làm mát
2.4 Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm)
Giải thuật di truyền (GAs) là một kỹ thuật tối ưu phỏng theo sự tiến hóa sinh học Bài tốn GAs là tìm kiếm trên khơng gian các giả thuyết ứng cử để xác định giả thuyết
tốt nhất [maximize f(x)] Trong GAs “giả thuyết tốt nhất" được định nghĩa như là một
giả thuyết tối ưu hóa một đại lượng số được định nghĩa trước cho bài tốn, được gọi là độ thích nghi của giả thuyết [19, 20]
Mặc dù các thuật giải di truyền được thực hiện khác nhau theo bài toán cụ thể, chúng mang một cấu trúc tiêu biểu chung sau: giải thuật hoạt động bằng cách cập nhật liên tục tập quần thể Ở mỗi lần lặp, tất cả các cá thể trong quần thể được đánh giá với hàm thích nghi Rồi quần thể mới được tạo ra bằng cách lựa chọn có xác suất các cá thể thích nghi tốt nhất từ quần thể hiện tại Một số trong những cá thể được chọn được đưa nguyên vẹn vào quần thể kế tiếp Những cá thể khác được dùng làm cơ sở để tạo ra các cá thể con bằng cách áp dụng các hoạt động sinh sản như lai ghép và đột biến Giải thuật di truyền được trình bày bằng cách xác định các bước khác nhau
• Mã hóa và giải mã các biến
Mỗi biến được biểu diễn dưới dạng một số nhị phân, chẳng hạn như m bit Điều
này được thực hiện bằng cách chia khoảng khả thi của biến xi thành các khoảng 2m −1 Trong luận văn này, với m = 24, số khoảng sẽ là N = 224 −1 Khi đó, mỗi biến xi có thể được biểu diễn bằng bất kỳ cách biểu diễn rời rạc nào
000000000000000000000000,000000000000000000000001,000000000000000000000010, 000000000000000000000011, , 000000000000111111111111
Ví dụ: số nhị phân 110110000000000000000000 có thể được giải mã thành
Trang 35trong đó si là bước khoảng cho biến xi, được cho bởi 242 1iiiuls −=− (40)
• Khởi tạo quần thể ban đầu
Mỗi thành viên của quần thể là một chuỗi kích thước m bit ở dạng nhị phân đính
kèm sát nhau như sau:
member 1 101 .101⏟ 𝑥1101 .001⏟ 𝑥2001 .010⏟ 𝑥3⋯ 101 .111⏟ 𝑥𝑛member 2 100 .101⏟ 𝑥1101 .000⏟ 𝑥2001 .010⏟ 𝑥3⋯ 101 .101⏟ 𝑥𝑛member z 001 .101⏟ 𝑥1100 .001⏟ 𝑥2101 .010⏟ 𝑥3⋯ 111 .110⏟ 𝑥𝑛
Trong đó dân số z xác định số lượng thành viên Trong luận văn này dân số quần
thể được giả định là 60 Tác giả đi liên tiếp từ vị trí 1 đến vị trí 24n trong việc tạo ra
từng thành viên Một số ngẫu nhiên r trong khoảng từ 0 đến 1 được tạo ra Nếu số được tạo ra ≤ 0,5, chúng ta đặt số 0 vào vị trí và 1 nếu nó > 0,5
• Đánh giá
Trong giai đoạn đánh giá, các giá trị của các biến cho từng thành viên được trích
xuất Bộ số nhị phân được đọc và giải mã được thực hiện bằng phương trình 40 Từ
phương trình hàm mục tiêu 38 tính được các giá trị f1, f2, , fz Các giá trị này được gọi là giá trị thích nghi trong ngơn ngữ GA Giá trị thích nghi trung bình 𝑓̅ được tính tốn
• Lai ghép
Thao tác lai chéo liên quan đến việc chọn hai thành viên và một số nguyên k ngẫu nhiên trong phạm vi từ 1 đến nm −1 Trong đó tại vị trí k của bố mẹ hoán đổi để sinh ra
2 thế hệ con:
Bố mẹ 1 101101⏟ 100100
Bố mẹ 2 110100⏟ 011011
Trang 36Hoạt động chéo được thực hiện với xác suất bằng một
• Đột biến
Đột biến là một hoạt động ngẫu nhiên được thực hiện để thay đổi thể lực dự kiến
Xác suất hoán vị bit mp 0,06 được sử dụng Một số ngẫu nhiên rand được tạo trong phạm vi từ 0 đến 1 Nếu rand < mp, một bit được đổi thành 0 nếu là 1 và 1 nếu là 0
• Tạo quần thể cho thế hệ tiếp theo
Quá trình sinh sản thực hiện các bước tạo nhóm giao phối, sinh sản và đột biến Giai đoạn sinh sản liên quan đến việc tạo ra một nhóm giao phối Ở đây, các thành viên yếu hơn được thay thế bằng những thành viên mạnh hơn dựa trên các giá trị thích nghi
Quy trình lựa chọn cơ hội được sử dụng trong luận văn là chọn lọc Roulette wheel
Bước đầu tiên trong quy trình này là có tất cả các giá trị hàm dưới dạng thực thể dương Ở đây có thể bỏ qua do các giá trị đầu vào của quá trình khảo sát đều dương Tổng các giá trị thích nghi đã được chia tỷ lệ S được tính bằng cách sử dụng:
𝑆 = ∑𝑧𝑖=1𝑓𝑖 (41)
Chọn lọc Roulette wheel được sử dụng để tạo bản sao của các thành viên phù hợp
nhất để sinh sản Bây giờ tác giả tạo một nhóm giao phối gồm z thành viên như sau
Roulette wheel được quay z lần (bằng số thành viên trong quần thể) Một số r ngẫu nhiên
trong phạm vi từ 0 đến 1 được tạo ở mỗi lượt Gọi j là chỉ số sao cho:
𝑓1′+ 𝑓2′+ ⋯ + 𝑓𝑗−1′ ≤ 𝑟𝑆 ≤ 𝑓1′+ 𝑓2′+ ⋯ + 𝑓𝑗′ (42)
Thành viên thứ j được sao chép vào nhóm giao phối Bằng cách mô phỏng theo chọn lọc Roulette wheel, cơ hội một thành viên được chọn vào nhóm giao phối tỷ lệ
Trang 373 CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA VẬN HÀNH HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT TUẦN HỒN TRONG NHÀ MÁY
3.1 Mơ tả ví dụ minh họa được sử dụng trong luận văn
Mơ hình được mô phỏng và khảo sát trong khuôn khổ luận văn là mơ hình hệ thống giải nhiệt sử dụng nước với chu trình tuần hồn trong đó dịng nước đi từ tháp làm mát qua hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt và tiến hành giải nhiệt cho các dịng lưu chất nóng Dịng nước sau đó quay trở lại và được giải nhiệt trong tháp làm mát Sơ đồ hệ
thống được thiết lập như Hình 3.1
Để có thể xây dựng hồn chỉnh hệ thống này, cần một nguồn dữ liệu đầy đủ cho các thông số như nhiệt độ, lưu lượng, tính chất của các dịng lưu chất, kích thước, áp suất và các thơng số thiết kế khác của hệ thống bơm, đường ống, thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng trong một hệ thống giải nhiệt khép kín Do khơng có số liệu cụ thể từ một nhà máy thực tế, tác giả sử dụng ví dụ về hệ thống nước làm mát tuần hoàn được miêu tả trong bài báo nghiên cứu của Castro và các cộng sự [8] do đây là nguồn thơng tin đầy đủ nhất có thể tìm được từ các nguồn tài liệu được xuất bản công khai Ví dụ về hệ thống
nước làm mát tuần hồn này ([8]) được thể hiện ở Hình 3.1 cùng với các thông tin về
bơm và đường ống dẫn nước làm mát Dựa vào các số liệu được mô tả trong bài báo của Castro và các cộng sự [8], có thể thiết lập mơ hình cho tháp làm mát và hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt (thông tin công suất bơm, thiết bị trao đổi nhiệt và các dịng nước
làm mát lần luợt được mơ tả trong Bảng 4.1, Bảng 4.2 và Bảng 4.3) Tuy nhiên việc mô
phỏng hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt chưa có thơng tin các dịng lưu chất nóng đi vào các thiết bị trao đổi nhiệt, do đó tác giả lựa chọn phương án là “chế tạo” số liệu cho các dịng nóng này để từ đó có đầy đủ bộ số liệu cho hệ thống nước làm mát tuần hoàn Dựa trên bộ số liệu này, tác giả áp dụng quy trình tính tốn giải bài tốn tối ưu hóa vận hành (được mơ tả ở mục tiếp theo, Mục 3.2) để giảm thiểu chi phí vận hành của hệ thống nước làm mát tuần hồn trong ví dụ minh họa này Có một lưu ý là mặc dù sơ đồ quy
trình hệ thống nước làm mát tuần hồn sử dụng trong luận văn (Hình 3.1) khá đơn giản,
chỉ bao gồm 1 tháp làm mát và 5 thiết bị trao đổi nhiệt bố trí song song, sơ đồ này tương ứng với sơ đồ tiêu biểu của hệ thống nước làm mát tuần hoàn trong nhà máy hóa chất
Trang 38được sử dụng phổ biến) là khi sử dụng nhiều hơn 1 tháp làm mát và / hoặc bố trí kết hợp giữa song song và nối tiếp của các thiết bị trao đổi nhiệt
Như vậy, thơng tin các dịng nóng của hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt được tạo ra dựa trên giả định đây là các dòng cơng nghệ (bao gồm các dịng sản phẩm và dịng pump-around) của một phân xưởng chưng cất dầu thô Cụm chưng cất dầu thơ này được
lấy từ ví dụ ở Chương 26, Sách “Energy management and efficiency for the process
industries” [21, 22] với sơ đồ quy trình cơng nghệ được mơ tả ở Hình 3.4 Đây là các
dịng nóng được giải nhiệt bằng nước làm mát trong cụm chưng cất, bao gồm các dòng Vacuum gas oil pumparound, Atmospheric top pumparound, Kerosene, Diesel, Vacuum gas oil Product Các thơng tin về tính chất các dịng nóng như nhiệt độ sôi, tỉ trọng,
nhiệt dung riêng và thành phần cấu tử được mô tả trong các bảng số liệu bao gồm Bảng
3.1, Bảng 3.2, Bảng 3.6, Bảng 3.7 và Phụ Lục B Lưu lượng của các dịng lưu chất nóng
được giả định nhằm đáp ứng yêu cầu nhiệt độ đầu vào, đầu ra như trong Bảng 3.2 để
phù hợp với hệ thống giải nhiệt đang khảo sát
3.2 Các bước thực hiện
Để thiết lập bài tốn mơ phỏng hệ thống nước làm mát có những thơng tin đầu vào ban đầu như sau:
- Loại tháp được sử dụng phổ biến là loại ngược chiều (counter-flow) và bố trí thiết bị trao đổi nhiệt là dạng song song Sơ đồ hệ thống nước làm mát tuần hồn được
mơ tả trong bài báo của Castro và các cộng sự [8] (Hình 3.1)
- Do tính chất bài toán khá phức tạp, tiến hành sử dụng kết hợp các phần mềm Matlab và Hysys nhằm thiết lập mơ hình tốn học của hệ thống nước làm mát - Các mục khảo sát trong phần mềm Hysys gồm có: ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu
lượng đầu vào của dòng nước làm mát đi vào hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt đến nhiệt độ và lưu lượng đầu ra của dòng nước đi vào tháp làm mát
Trang 39Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống nước làm mát tuần hoàn được sử dụng trong luận văn (tham khảo ví dụ của Castro và các cộng sự [8])
Các bước mô phỏng và tối ưu mơ hình hệ thống nước làm mát bao gồm: 1) Mô phỏng hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt trên phần mềm Aspen Hysys:
Q trình mơ phỏng trên phần mềm Hysys cho hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt với
thông số và vị trí thiết bị được dựa theo Hình 3.1 và được miêu tả như sơ đồ bên dưới:
Trang 40Hình 3.2 Sơ đồ các bước tiến hành mô phỏng trong phần mềm Aspen Hysys
2) Xây dựng mơ hình tốn học tháp làm mát trên phần mềm Matlab:
Q trình xây dựng mơ hình tốn học của tháp làm mát, cùng với giai đoạn tính tốn chi phí vận hành (chưa bao gồm bước kết hợp với giải thuật di truyền) được miêu tả như sơ đồ bên dưới:
Tạo các dịng lưu chất Thơng số các
dòng lưu chất
Tạo bơm, van, thiết bị trao đổi nhiệt Sơ đồ hệ thống,
thông số thiết bị
Kết nối thiết bị với dòng lưu chất để tạo hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt
Tạo hệ thống điều khiển nhiệt độ, lưu lượng
Khảo sát hệ thống trên môi trường động Thay đổi lưu
lượng
Thay đổi nhiệt độ
Dữ liệu nhiệt độ dòng nước ra khỏi hệ thống trao đổi nhiệt Cố định thông