Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Tối ưu hóa vận hành hệ thống nước làm mát trong các nhà máy hóa chất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ HOÀI NAM

TỐI ƯU HÓA VẬN HÀNH HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT TRONG CÁC NHÀ MÁY HÓA CHẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 8520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2023

Cán 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

GS.TSKH Lưu Cẩm Lộc

_

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 mô hình toán học của tháp làm mát để sử dụng trong luận văn

- Lập trình giải thuật để giải mô hình toán học của tháp làm mát trong phần mềm mô phỏng hoặc Matlab

- Tìm hiểu sử dụng công cụ tính toán thủy lực và tính toán truyền nhiệt trong phần mềm mô phỏng Aspen Plus / Aspen Hysys

- Thiết lập mô hình hoàn chỉnh cho hệ thống nước làm mát trong nhà máy hóa chất

- Sử dụng mô 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

(Họ tên và chữ ký)

LỜI 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 hoàn 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 công luận văn tốt nghiệp

Bên cạnh đó, em muốn bày tỏ lòng 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 luôn 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 luôn bên cạnh em để khuyến khích và cung cấp cho em tất cả các hỗ trợ để hoàn thành công việc này

Xin trân trọng cảm ơn!

TÓM 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 mô phỏng về hệ thống giải nhiệt bằng nước làm mát, lựa chọn các phương án, mô hình toán học phù hợp và tiến hành tối ưu hóa hệ thống này

Cụ thể nội dung Luận văn bao gồm các quá trình mô phỏng sử dụng phần mềm Aspen Hysys Quá trình mô 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 mô 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 mô hình toán 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 công cụ tính toán Matlab và dữ liệu từ hệ chạy động của công cụ mô phỏng Hysys để tìm ra điều kiện hoạt động tối ưu của hệ thống, cũng như tính toán cụ thể các chi phí cần thiết để vận hành hệ thống

Mô hình hệ thống giải nhiệt sử dụng nước làm mát trên Hysys cho kết quả tốt, hệ nhanh chóng đạt trạng thái ổn định, các thông số vận hành đạt yêu cầu đề ra Mô hình toán học của tháp cũng như giải thuật nhằm tìm điều kiện tối ưu cũng hoạt động rất tốt, cho kết quả nhanh, có độ chính xác cao và tương đồng với các dữ liệu thực nghiệm từ trước Từ đó, có thể áp dụng cho các quá trình tối ưu hóa các hệ thống giải nhiệt dùng nước làm mát trong tương lai

ABSTRACT

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

The cooling system model using water cooling on Hysys gives possitive results, the system quickly reaches a steady state, and the operating parameters meet the set requirements The mathematical model of the tower as well as the algorithm to find the optimal conditions also work very well, giving fast results, high accuracy, and similarity with previous experimental data From there, it can be applied to the future optimization processes of water-cooled cooling systems

LỜI 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

Lê Hoài Nam

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 dòng nóng 14

2.2.2 Lưu lượng dòng nước tuần hoàn 14

2.2.3 Nhiệt độ lượng nước làm mát 16

2.2.4 Nhiệt độ dòng khí đối lưu 16

2.3 Công 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 HOÀN TRONG NHÀ MÁY 22

3.1 Mô tả ví dụ minh họa được sử dụng trong luận văn 22

3.2 Các bước thực hiện 23

3.3 Thiết lập mô hình của “Cooling water network – QHEN” trong phần mềm Aspen

3.5.2 Thiết lập thuật toán 43

4 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 45

4.1 Kết quả mô hình động 45

4.1.1 Sơ đồ quy trình 45

4.1.2 Thông số thiết bị 47

4.1.3 Thông số các dòng lưu chất 47

4.1.4 Thông số điều khiển 50

4.1.5 Kết quả khảo sát mô hình động 54

4.2 Kiểm nghiệm kết quả mô phỏng trên Matlab 55

4.2.1 Kết quả sử dụng mô hình toán 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

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC A: CHƯƠNG TRÌNH TỐI ƯU ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT 72PHỤ LỤC B: CHI TIẾT THÀNH PHẦN CẤU TỬ CÁC DÒNG NÓNG CỦA HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT SỬ DỤNG NƯỚC LÀM MÁT 78

DANH MỤC HÌNH

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 thống thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước làm mát 5Hình 2.1 Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên và tháp giải nhiệt đối lưu cơ học 11Hình 2.2 Sơ đồ đơn giản của tháp giải nhiệt đối lưu cơ học: đối lưu quạt hút (A) và đối lưu cưỡng bức (B) [14] 11Hình 2.3 Các thành phần của hệ thống nước làm mát tuần hoàn lại điển hình 12Hình 2.4 Bố trí song song của các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước giải nhiệt 13Hình 2.5 Bố trí kết hợp song song và nối tiếp của các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước giải nhiệt 13Hình 2.6 Tương quan giữa nhiệt độ và lưu lượng nước đầu vào đến hiệu suất của tháp làm mát [9] 16Hình 2.7 Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ không khí và chi phí vận hành của hệ thống làm mát [2] 17Hình 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]) 24Hình 3.2 Sơ đồ các bước tiến hành mô phỏng trong phần mềm Aspen Hysys 25Hình 3.3 Sơ đồ các bước tiến hành trong phần mềm Matlab 26Hình 3.4 Cụm thiết bị chưng cất dầu thô sử dụng tháp chưng cất khí quyển và tháp chưng cất chân không để chưng cất phân đoạn dầu thô 28Hình 3.5 Các thiết bị được điều khiển trong hệ thống giải nhiệt sử dụng nước làm mát 34Hình 3.6 Hình minh họa một đơn vị vi thể tích trong tháp làm mát 35Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống làm mát bằng nước 46Hình 4.2 Hình minh họa hệ thống máy nén 3 cấp, giải nhiệt trung gian với nhiệt độ sau khi giải nhiệt bằng nhiệt độ đầu vào T1 61Hình 4.3 Giá trị tối ưu hàm chi phí bằng thuật toán di truyền 64

DANH 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 Thông số đầu ra các dòng nước trong hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt 31

Bảng 3.6 Thông số đầu vào các dòng nóng trong hệ thống ở điều kiện tiêu chuẩn 31

Bảng 3.7 Thông số đầu ra các dòng 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 dòng nước làm mát trong hệ thống ở mô hình động 48

Bảng 4.3 Thông số đầu vào các dòng nước trong hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt ở mô hình động 48

Bảng 4.4 Thông số đầu ra các dòng nước trong hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt ở mô hình động 49

Bảng 4.5 Thông số đầu vào các dòng nóng trong điều kiện chuẩn ở mô hình động 49

Bảng 4.6 Thông số đầu ra các dòng nóng trong điều kiện chuẩn ở mô 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 toán từ mô hình và kết quả thực nghiệm [29] 56

Bảng 4.12 Thẩm định mô 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

Bảng 4.15 Kết quả các thông số từ giải thuật di truyền trong phần mềm Matlab 63

Bảng 4.16 Kết quả tính chi phí vận hành ở những điều kiện chi phí tiện ích khác nhau 66

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

VGO PA Vacuum Gas Oil Pumparound ATPA Atmospheric Top Pumparound

DANH MỤC KÝ HIỆU

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 không khí = 1.006 (kJ/kg.°C) Cpv Nhiệt dung riêng của hơi nước = 1.86 (kJ/kg.°C)

G Lưu lượng dòng không khí khô (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 không khí – hơi nước (kJ/kg) Hfgwo Enthalpy tạo thành của hơi nước ở nhiệt độ 0 °C (kJ/kg)

Has Enthalpy của hỗn hợp không khí – hơi nước ở trạng thái bảo hòa (kJ/kg)

K*afi Thông 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 dòng nước thải ra

Ws* Độ ẩm không khí ở trạng thái bão hòa (kg nước/kg không khí khô) v Thể tích riêng của không khí (m3/kg không khí khô)

W Độ ẩm của không khí ẩm (kg nước/kg không khí khô) Wsat Độ ẩm (kg nước/kg không khí khô)

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 không 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 dòng 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)

TCop Tổng chi phí vận hành của hệ thống nước làm mát ($/hr)

1 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 trò 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 còn đóng góp quan trọng cho việc bảo vệ môi 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

Trong các nhà máy công nghiệp, công dụng chính của các tháp giải nhiệt là loại bỏ nhiệt hấp thụ trong hệ thống nước làm mát tuần hoàn được sử dụng trong các quá trình sản xuất, dựa trên sự bay hơi của nước điều hòa được chuyển đến thiết bị trao đổi nhiệt và sau đó quay trở lại tháp giải nhiệt để khôi phục nhiệt độ thích hợp để tiếp tục vòng lặp chu trình làm mát Hiệu suất nhiệt của tháp giải nhiệt và hệ thống nước làm mát là rất quan trọng đối với các nhà máy công nghiệp và những sai lệch nhỏ so với điều kiện thiết kế có thể gây ra sự mất ổn định nghiêm trọng đến quá trình hoạt động và tính kinh tế của hệ thống Các yếu tố gây nhiễu từ bên ngoài như sự thay đổi nhu cầu nhiệt của quá trình hoặc dao động trong điều kiện khí quyển có thể được triệt tiêu theo nhiều cách [1] Tuy nhiên, các giải pháp như vậy hầu như không được áp dụng trong các hoạt động công nghiệp do tính phức tạp khi hệ thống có nhiều bộ phận và tiện ích (Utilites) khác nhau Độ phức tạp của hoạt động tăng lên theo sự tương tác mạnh mẽ giữa các biến quy trình [2] Do sự quan trọng của hệ thống này trong ngành công nghiệp, đã có nhiều công trình nghiên cứu đề cập đến hệ thống nước làm mát Hơn nữa, các khía cạnh cụ thể

cũng đã được nghiên cứu, đó là thiết kế tháp giải nhiệt [3], điều khiển và vận hành tháp [4-6]; mô hình hóa và mô phỏng hiệu suất nhiệt [7] Tuy nhiên, trong khuôn khổ đề tài luận văn, chưa thấy có các nghiên cứu ứng dụng các công cụ mô phỏng vào các quá 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 mô 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 quá trình, bao gồm: tăng tốc độ dòng nước tuần hoàn, tăng tốc độ dòng 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 toán 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 công nghiệp Ứng dụng các lợi thế của các công cụ mô phỏng và tính toán này vào một nhà máy thực tế ở quy mô công 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

Bởi vì trong thực tế, loại tháp được sử dụng phổ biến là loại ngược chiều flow), và bố trí thiết bị là dạng song song Việc thiết lập mô hình toán học cho hệ thống bơm và đường ống vận chuyển nước làm mát và hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt khi bố trí thiết bị ở dạng song song là phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian và công sức Do đó, để có thể thực hiện đề tài này trong thời gian dự kiến là 6 tháng, cách tiếp cận hợp lý là sử dụng phần mềm mô phỏng có khả năng tính toán thủy lực cũng như là có sẵn các mô

(counter-hình cho các thiết bị trao đổi nhiệt thông dụng Phần mềm mô 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 mô hình toán học cho tháp làm mát loại ngược chiều (counter-flow) và kết hợp với mô 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 mô hình tính toán hoàn chỉnh cho cả hệ thống nước làm mát Ở đây, do mô hình tháp làm mát là phức tạp, do đó cần thực hiện việc lập trình giải mô hình tháp làm mát trong phần mềm Matlab, sau đó sử dụng các kết quả của mô 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 mô hình tính toán hoàn chỉnh cho cả hệ thống nước làm mát

Khi việc thiết lập mô hình tính toán hoàn 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 thông số tối ưu hóa là tốc độ vòng quay của quạt hút khí trong tháp làm mát, lưu lượng dòng nước bổ sung “Makeup water”, và lưu lượng dòng nước tuần hoàn 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 toán của Matlab:

Như vậy, nội dung nghiên cứu của luận văn này như sau:

1) Khảo sát các mô hình toán học cho tháp làm mát loại ngược chiều từ các bài báo nghiên cứu đã được xuất bản, lựa chọn mô hình phù hợp để sử dụng trong luận văn này;

2) Lập trình giải mô hình toán học cho tháp làm mát loại ngược chiều trực tiếp trong phần mềm mô phỏng hoặc phần mềm tính toán chuyên dụng như Matlab;

3) Kiểm chứng mô hình tháp làm mát bằng cách so sánh số liệu tính toán và số liệu thực nghiệm lấy từ bài báo;

4) Tìm hiểu về tính năng tính toán thủy lực, tính toán truyền nhiệt trong Aspen Hysys / Aspen Plus;

5) 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 mô hình cho hệ thống nước làm mát có sự kết nối giữa phần mềm mô phỏng Aspen Hysys và Matlab;

7) Sử dụng mô hình của hệ thống nước làm mát để tối ưu hóa điều kiện hoạt động nhằm mục tiêu giảm thiểu chi phí vận hành

- 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 mô hình toán 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 công trình

nghiên cứu và các bài báo khoa học

- Trong quá trình khảo sát để cải tiến, tối ưu hóa điều kiện vận hành của hệ thống nước làm mát có sẵn nhằm mục tiêu tiết kiệm lượng nước và năng lượng tiêu thụ trong hệ thống, việc thay đổi thiết kế của hệ thống nước làm mát có sẵn không được xem xét.

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

Tháp làm mát được sử dụng phổ biến trong ngành công 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 toàn 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

Như vậy, khi mô hình hóa hệ thống nước làm mát cho mục đích tối ưu hóa thiết kế và vận hành, cần thiết lập mô hình cho 3 thành phần: i) tháp làm mát, ii) hệ thống bơm và đường ống vận chuyển nước làm mát (bài toán tính toán thủy lực), iii) hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước làm mát (bài toán tính toán 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 / mô 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 dòng nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt => nếu nhiệt tải (heat duty) trong thiết bị trao đổi nhiệt không 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 không 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 dòng 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 dòng nước truyền cho dòng khí đối lưu trong tháp làm mát cũng thay đổi)

Như vậy, do hệ thống nước làm mát có thể xem như một thông số tuần hoàn 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 (thông số đầu ra) của hai yếu tố còn lại Do vậy, việc thiết kế, tối ưu hóa bằng cách thiết lập và giải mô hình toán học của hệ thống nước làm mát này là một thách thức

Có nhiều bài báo nghiên cứu tập trung vào thiết kế tối ưu của một thành phần riêng lẻ thuộc hệ thống nước làm mát này, cụ thể là tháp làm mát và hệ thống nước làm mát sử dụng trong các thiết bị trao đổi nhiệt “Cooling water network – QHEN” Chỉ có một số ít bài báo xem xét một cách hoàn chỉnh 3 thành phần thuộc hệ thống nước làm

mát, 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 ngoài 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 dòng nước bổ sung “Makeup water” Nhược điểm của nghiên cứu này là các mô hình toán học của ba thành phần trên hệ thống đều nằm ở dạng mô hình đơn giản hóa / mô 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 mô 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 mô hình bài toán tối ưu hóa trong công 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

- Cortinovis và các cộng sự [2] nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện vận hành của hệ thống nước làm mát có sẵn nhằm mục tiêu tối thiểu hóa chi phí vận hành Các biến được tối ưu hóa là tốc độ vòng quay của quạt hút / thổi khí trong tháp làm mát, lưu lượng dòng nước lấy ra khỏi dòng nước tuần hoàn trước khi vào tháp làm mát trong trường hợp tháp làm mát không thể đáp ứng đủ nhu cầu giải nhiệt (lượng nước lấy ra này quyết định lượng nước cần bổ sung lại), và độ mở của van trong các nhánh (độ mở của van quyết định tổn thất áp suất và lưu lượng nước làm mát đi trong các nhánh) Nhược điểm của nghiên cứu này bao gồm: i) tháp làm mát không mang tính tổng quát hay phổ biến, cụ thể là loại tháp “cross-flow” (chế độ chảy vuông góc giữa dòng nước là dòng khí trong tháp) ít được sử dụng hơn loại tháp ngược chiều (counter-flow), ii) chỉ xem xét một loại bố trí thiết bị

trao 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 thông số tối ưu hóa từ đó tìm ra nghiệm tối ưu

Nghiên cứu của Cortinovis và các cộng sự [2] có mục tiêu và phương pháp nghiên cứu gần nhất với luận văn này Tuy nhiên, do các hạn chế vừa nêu trên, nghiên cứu của Cortinovis và các cộng sự chỉ áp dụng được khi hệ thống thiết bị trong thực tế trùng khớp với thiết bị được mô hình hóa trong bài báo [2] (cụ thể, loại tháp là tháp “cross-flow” và bố trí thiết bị truyền nhiệt là bố trí song song) Trong thực tế, loại tháp được sử dụng phổ biến là loại tháp ngược chiều (counter-flow), và bố trí thiết bị có thể là dạng tổng quát (kết hợp giữa song song và nối tiếp).

2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ thống nước làm mát

Hầu hết các quy trình công nghiệp yêu cầu một bộ tản nhiệt bên ngoài 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 quá trình công 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 không 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 môi 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 ngoài 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 không khí Lớp đệm phải cung cấp một diện tích bề mặt lớn để truyền nhiệt và khối lượng giữa không khí và nước Không 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 trôi (drift) Drift là những giọt nước cuốn theo không 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 tòa 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 ô nhiễm trong tuần hoàn Nước bổ sung là cần thiết để

bù đắp lượng nước mất đi do bay hơi và trôi và quá trình xả đáy Nước bổ sung chứa

các chất rắn tích tụ trong quá trình tuần hoàn do bay hơi Việc xả đáy làm sạch chúng, cùng với chất bẩn hình thành từ của sự ăn mòn và sự phát triển của vi sinh vật Cả sự ăn

mòn và sự phát triển của vi sinh vật cần được kiểm soát bằng các thêm các chất ức chế

vào hệ thống tuần hoàn 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 Ngoài ra, nước có thể được lấy từ nước

tuần hoàn 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 không 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 không 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 xuyên cũng như không 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

không khí qua tháp giải nhiệt Với thiết kế đối lưu cưỡng bức, quạt có nhiệm vụ đẩy không khí vào đáy tháp Tháp giải nhiệt hút gió có một quạt ở đỉnh tháp giải nhiệt để hút không khí qua tháp Chiều cao tháp đối không cần phải vượt quá độ sâu của lớp đệm Lợi thế chính của loại tháp này nằm ở chi phí vốn thấp và khả năng điều chỉnh lưu lượng không khí tùy thuộc vào môi trường xung quanh Tháp giải nhiệt đối lưu cơ học có hai loại, tháp giải nhiệt quạt hút (ID) và tháp giải nhiệt đối lưu cưỡng bức (FD) Trong tháp giải nhiệt quạt hút, quạt được đặt ở đỉnh tháp và không khí được hút vào từ đáy tháp Trong tháp giải nhiệt đối lưu cưỡng bức, quạt được đặt ở dưới cùng của tháp, nơi đẩy không khí vào tháp Trong thời gian gần đây, tháp giải nhiệt quạt hút đã được sử dụng rộng rãi hơn như so với tháp giải nhiệt đối lưu cưỡng bức Mặc dù FD tiêu thụ ít điện năng hơn, tốc độ thoát khí từ đỉnh tháp rất chậm và có thể dẫn đến tái tuần hoàn lượng

không khí này Điều này làm giảm hiệu quả tháp của tháp dựa trên FD [13] Tháp giải nhiệt cơ khí có công suất lớn thường bao gồm một loạt các ô 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

Hình 2.2 Sơ đồ đơn giản của tháp giải nhiệt đối lưu cơ học: đối lưu quạt hút (A) và đối lưu cưỡng bức (B) [14]

Trong 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 hoàn 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 hoàn lại điển hình

Ở phía sử dụng nước làm mát / nước giải nhiệt cho mục đích giải nhiệt các dòng

nóng (Cooling Water Network – QHEN trong Hình 2.3): nước làm mát được sử dụng

để giải nhiệt cho các dòng nóng trong các thiết bị trao đổi nhiệt thường được bố trí song

song như được thể hiện ở Hình 2.4

Hình 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

(ghi chú: Cp là tích số giữa lưu lượng và nhiệt dung riêng của dòng nước giải nhiệt trong các trao đổi nhiệt)

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống nước làm mát

2.2.1 Tổng nhiệt lượng cần lấy ra từ các dòng 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 dòng nóng) sẽ được thải bỏ ra môi trường trong tháp làm mát (nước giải nhiệt “nóng” sẽ truyền nhiệt cho dòng không 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 dòng nước và dòng khí đối lưu trong thác làm mát Trong quá trình vận hành, khi Qt thay đổi, có thể phải thay đổi lưu lượng dòng nước tuần hoàn và dòng 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 hoàn

Lưu lượng dòng nước tuần hoàn là một thông số rất quan trọng khi thiết kế hệ thống nước làm mát Sử dụng lưu lượng dòng nước tuần hoàn 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

Tuy nhiên, lưu lượng dòng nước tuần hoàn lớn cũng gấy ra các vấn đề sau: - Tăng kích cỡ và tăng chi phí đầu tư của hệ thống đường ống dẫn nước làm mát

- 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 dòng nước tuần hoàn lớn Ngoài ra, giảm lưu lượng dòng nước tuần hoàn 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 hoàn thì nhiệt độ nước giải nhiệt quay trở lại tháp làm mát tăng lên (theo phương trình Qt = mCp∆T khi Qt không 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 dòng nước và dòng 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

lượng thấp thì hiệu quả của tháp giải nhiệt cao, tức là tháp giải nhiệt loại bỏ nhiều nhiệt ra khỏi nước hơn Thí nhiệm [15] cũng đã trình bày kết quả thực nghiệm chứng minh rằng hiệu suất của tháp giải nhiệt tăng khi tỷ lệ Lưu chất lỏng / Lưu chất khí giảm Điều này tương đồng với kết quả từ mô hình tháp giải nhiệt Duy trì nhiệt độ cao và lưu lượng thấp của nước làm mát đầu vào là điều quan trọng để nâng cao hiệu suất

Hình 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 đô của lượng nước này đòi 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 dòng khí đối lưu

Một biến số khác của quá trình ảnh hưởng đến hiệu suất của tháp giải nhiệt là nhiệt độ không khí Với giá trị cho độ ẩm tuyệt đối của không khí là 0,0087 kg hơi nước / kg không khí khô trong hộp cơ sở, sự gia tăng nhiệt độ không khí thể hiện sự tăng nhiệt

độ 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 không khí và tổng chi phí,

cũng như cách tiếp cận tháp giải nhiệt và tốc độ dòng chảy loại bỏ nước nóng Nhiệt độ không khí tăng 1 °C đòi 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 không khí và chi phí vận hành của hệ thống làm mát [2]

2.3 Công cụ phần mềm

• Phần mềm MATLAB

MATLAB (viết tắt của Matrix Laboratory) là một ngôn ngữ phần mềm lập trình cung cấp môi trường tính toán số học đa mô hình, được phát triển bởi công ty MathWorks MATLAB cho phép tính toán 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]:

- Dễ sử dụng, lập trình và xây dựng các công cụ phần mềm đa dạng

- 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 soát 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 công cụ phần mềm lập trình được có dung lượng thấp

• Phần mềm Aspen HYSYS

Mô phỏng các quá trình công nghệ hóa học và công nghệ chế biến dầu khí, công nghệ tổng hợp hóa dầu có thể được thực hiện bằng nhiều phần mềm mô 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 mô phỏng quá trình được sử dụng để mô phỏng toán 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 toán 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 toàn nhà máy để tăng lợi nhuận, mô 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 toán đa dạng

- Cho kết quả có độ chính xác cao, cung cấp nhiều thuật toán sử dụng, trợ giúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông số trong quá trình thiết kế các nhà máy

- Ngoài 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 toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin - Giao diện thân thiện, tương thích với nhiều hệ điều hành, giúp người dùng dễ đọc

và dễ phân tích Hysys có nhiều mô hình thiết bị, khả năng tính toán thiết kế cao cùng các mô hình thiết bị điều khiển như LIC

Aspen Hysys có sẵn mô hình cho đường ống và van, bơm và thiết bị truyền nhiệt (cho phép tính toán tổn thất áp suất cũng như cân bằng momentum ở các điểm nối ống và chia nhánh), từ đó cho phép tính toán 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 toán GAs là tìm kiếm trên không 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 toán, 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

xi = li + si(1.223 + 1.222 + 0.221 + … + 0.21 + 0.20) = li + 14.155.776si (39)

trong đó si là bước khoảng cho biến xi, được cho bởi

• 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:

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 ngôn ngữ GA Giá trị thích nghi trung bình 𝑓̅ được tính toán

Hoạt 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:

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:

3 CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA VẬN HÀNH HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT TUẦN HOÀN TRONG NHÀ MÁY

3.1 Mô tả ví dụ minh họa được sử dụng trong luận văn

Mô hình được mô phỏng và khảo sát trong khuôn khổ luận văn là mô hình hệ thống giải nhiệt sử dụng nước với chu trình tuần hoàn trong đó dòng nước đi từ tháp làm mát qua hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt và tiến hành giải nhiệt cho các dòng lưu chất nóng Dòng 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 hoàn chỉnh hệ thống này, cần một nguồn dữ liệu đầy đủ cho các thông số như nhiệt độ, lưu lượng, tính chất của các dòng lưu chất, kích thước, áp suất và các thông 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 không 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 thông 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 hoàn 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 mô 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 dòng nước

làm mát lần luợt được mô 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 thông tin các dòng 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 dòng 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 toán giải bài toán tối ưu hóa vận hành (được mô tả ở mục tiếp theo, Mục 3.2) để giảm thiểu chi phí vận hành của hệ thống nước làm mát tuần hoàn trong ví dụ minh họa này Có một lưu ý là mặc dù sơ đồ quy

trình hệ thống nước làm mát tuần hoàn 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

(như được thể hiện ở Hình 2.3 và Hình 2.4) Những trường hợp không tiêu biểu (không

được 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, thông tin các dòng nóng của hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt được tạo ra dựa trên giả định đây là các dòng công nghệ (bao gồm các dòng sản phẩm và dòng pump-around) của một phân xưởng chưng cất dầu thô Cụm chưng cất dầu thô 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 công nghệ được mô tả ở Hình 3.4 Đây là các

dòng 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 thông tin về tính chất các dòng 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 dòng 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

mô 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 mô hình toán 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

- Tối ưu vận hành mô hình thông qua thiết lặp hàm mục tiêu về chi phí vận hành, các thông số tối ưu hóa là lưu lượng dòng khí trong tháp làm mát và lưu lượng dòng nước tuần hoàn Tìm lời giải của bài toán bằng giải thuật di truyền

Hình 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 mô hình hệ thống nước làm mát bao gồm: 1) Mô phỏng hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt trên phần mềm Aspen Hysys:

Quá trình mô 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:

w1=92903 kg/h

w2=23552 kg/hTo=28,85 °C

we=187362 kg/h

wmu=1756 kg/hTamb=23 °C

To5=26,01 °C

w5=23516 kg/hair

Pt,3=40,13 kPa

To4=33,18 °CTwb=21 °C

w'e=187362 kg/h

Pt,1=8,825 kPa

Pt,2=39,99 kPaTe=24,75 °C

Pt,4=40,13 kPawevap

w4=23679 kg/hTo3=34,63 °C

To2=27,54 °C

T'e=24,73 °Cwe=187362 kg/hwair=142032 kg/h

Pt,5=39,99 kPa

To1=27,33 °C

w3=23711 kg/h

Hình 3.2 Sơ đồ các bước tiến hành mô phỏng trong phần mềm Aspen Hysys

2) Xây dựng mô hình toán học tháp làm mát trên phần mềm Matlab:

Quá trình xây dựng mô hình toán học của tháp làm mát, cùng với giai đoạn tính toán 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 dòng lưu chất Thông số các

dòng lưu chất

Tạo bơm, van, thiết bị trao đổi nhiệt Sơ đồ hệ thống,

lượng

Thay đổi nhiệt độ

Dữ liệu nhiệt độ dòng nước ra khỏi hệ thống trao đổi nhiệt Cố định thông

số dòng nóng