Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật nhiệt: Đánh giá hiệu quả sử dụng nhiệt của nhà máy lọc dầu Dung Quất bằng kỹ thuật phân tích Pinch

TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu về ứng dụng kỹ thuật phân tích Pinch nhằm đánh giá hiệu quả sử dụng nhiệt của mạng nhiệt trong nhà máy lọc dầu Dung Quất.. Do đó, việc đánh giá hiệu quả sử dụ

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI

Những nghiên cứu về lý thuyết Pinch

Cơ sở lý thuyết của luận văn này chủ yếu dựa trên tài liệu [2] của Ian C Kemp

Trong tài liệu này, tác giả đã trình bày chi tiết những vấn đề của kỹ thuật Pinch với mục tiêu tăng hiệu quả sử dụng năng lượng khi thiết kế mạng nhiệt Nhìn chung, tài liệu này đã kế thừa những nội dung cơ bản của ấn phẩm đầu tiên của B Linnhoff và các đồng nghiệp đồng thời cập nhật thêm những nghiên cứu mới về mặt lý thuyết và ứng dụng của những nhà khoa học khác trong hơn 20 năm kể từ khi kỹ thuật Pinch được giới thiệu Khi mới được giới thiệu, kỹ thuật Pinch được áp dụng rất hạn chế trong công nghiệp bởi tồn tại những ngờ vực về tính chính xác về mặt lý thuyết

Nhưng theo D.A Sama [3] và B Linnhoff [4] đã tiến hành nghiên cứu mối quan hệ giữa kỹ thuật Pinch và định luật nhiệt động II và nhận ra rằng kỹ thuật Pinch là một hình thức của định luật nhiệt động II khi thiết kế mạng nhiệt Qua những nghiên cứu này đã chứng minh lý thuyết của kỹ thuật Pinch được xây dựng trên một nền tảng lý thuyết vững chắc của nhiệt động lực học kỹ thuật

Không chỉ ứng dụng kỹ thuật Pinch vào tối ưu năng lượng nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu mở rộng lý thuyết này nhằm tối ưu nước và Hydrogen trong quá trình công nghiệp đặc biệt là trong công nghệ hóa dầu Li Zhenmin [5], F Liu và N Zhang

[6] bằng kỹ thuật Pinch Hydrogen (dựa trên kỹ thuật Pinch năng lượng) đã đánh giá mạng Hydrogen của các nhà máy lọc dầu cụ thể từ đó nhận thấy phương pháp luận của kỹ thuật Pinch Hydrogen có khả năng tối ưu Hydrogen trong công nghiệp Tương tự như kỹ thuật Pinch Hydrogen, kỹ thuật Pinch nước cũng được nghiên cứu và ứng dụng trong công nghiệp Dominic Chwan Yee Foo, Zainuddin Abdul Manan, Yin Ling

Tan [7], Y L Tan1, Z A Manan, D C Y Foo [8] đã ứng dụng kỹ thuật Pinch nước

(dựa trên kỹ thuật Pinch năng lượng) nhằm tiết kiệm nước trong thiết kế và đánh giá hệ thống nước của các quy trình công nghệ

Khi nghiên cứu lựa chọn giá trị chênh lệch nhiệt độ tối thiểu trong toàn hệ thống (∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 ) tối ưu với mục tiêu giảm chi phí sản xuất theo kỹ thuật Pinch, M

Akbarnia [9] đã đưa thêm chi phí đường ống vào đồ thị chi phí tổng Kết quả nhận được là giá trị ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 thay đổi Nghiên cứu này đã bổ sung thêm cho lý thuyết kỹ thuật Pinch khi lựa chọn giá trị ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 tối ưu

Kỹ thuật Pinch không chỉ được áp dụng khi thiết kế mạng nhiệt mà còn được dùng để kiểm tra những mạng nhiệt đang hoạt động và từ đó nhận biết những lỗi khi thiết kế Nhằm thuận tiện cho quá trình kiểm tra những lỗi của mạng nhiệt, Gadalla,

M A [10] đã đưa ra phương pháp sử dụng đồ thị nhiệt độ của các thiết bị trao đổi nhiệt để nhận biết các vị trí lỗi trong mạng nhiệt của một phân xưởng chưng cất dầu thô với công suất 85.000 thùng/ngày Từ kết quả đó, tác giả đã đề xuất phương án sửa chữa mạng nhiệt nhằm tiết kiệm 17% năng lượng và 39% nhu cầu nước làm mát

Ngày nay, cùng với sự phát triển của máy tính, kỹ thuật Pinch đã được áp dùng bằng những phần mềm máy tính [11,12] nhằm tránh những sai sót khi tính toán bằng tay đối với những mạng nhiệt tồn tại quá nhiều dòng công nghệ Hon Loong Lam, Jirı

Jaromır Klemes, Zdravko Kravanja và Petar Sabev Varbanov [11] đã tổng hợp và đánh giá một số phần mềm hỗ trợ để tính toán mạng nhiệt Phần lớn những công cụ này được thương mại hóa Angel Martın, Fidel A Mato [12] đã giới thiệu 1 phần mềm giáo dục (miễn phí) của Khoa kỹ thuật hóa học - môi trường, Trường đại học Valladolid - Tây Ban Nha Phần mềm này cũng cho phép người sử dụng không tốn

8 thời gian để tính toán những phép tính cơ bản Đặc biệt phần mềm không che dấu làm thế nào hay tại sao các phép tính được thực hiện.

Những nghiên cứu về ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp

Kỹ thuật Pinch là một lý thuyết đơn giản, dễ sử dụng Do đó, nó được áp dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong hệ thống khử muối bằng phương pháp phun tách ẩm bằng năng lượng mặt trời [13], tác giả đã ứng dụng kỹ thuật Pinch vào phân tích và lựa chọn những thông số tối ưu cho hệ thống như: Nhiệt độ không khí bão hòa, nhiệt độ không khí sau khi phun, nhiệt độ nước giải nhiệt sau khi ra khỏi thiết bị tách ẩm Kết quả cuối cùng là tăng khả năng thu hồi năng lượng giảm năng lượng thải ra và bổ sung Đối với những nhà máy sản xuất thép, nơi tiêu thụ năng lượng rất lớn, đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lượng nhưng hiệu quả chưa thật sự cao Kazuo Matsuda [14] đã áp dụng kỹ thuật Pinch đối với một nhà máy sản xuất thép điển hình Kết quả cuối cùng là tiết kiệm 21,1 MW đối với phần nhiệt lượng dưới 300 o C (mà trước đây thường loại bỏ) Một số tác giả khác như: Cesar Giovani Gutierrez-Arriaga [15], Dongxiang Wang [16], Haoshui Yu [17], Stephanie Barnes [18] đã áp dụng kỹ thuật Pinch nhằm thu hồi nhiệt thải của các quá trình công nghệ để sản xuất điện thông qua chu trình ORC (organic rankine cycles) Hay đối với

Maria Jonsson [19], Weijin Leng, Ali Abbas, Rajab Khalilpour [20] áp dụng kỹ thuật

Pinch cho nhà máy phát điện hoạt động với chu trình Rankin

Vậy: bất kỳ quá trình nào có sự trao đổi nhiệt thì đều có khả năng áp dụng kỹ thuật Pinch nhằm tối ưu hóa nhu cầu sử dụng năng lượng.

Những nghiên cứu về ứng dụng kỹ thuật Pinch trong hóa dầu

Kỹ thuật Pinch được áp dụng nhiều nhất trong kỹ thuật hóa học Do đó số lượng các nghiên cứu trong lĩnh vực này rất đa dạng Các công trình nghiên cứu [21, 22, 23, 24] tập trung vào nhà máy sản xuất khí đốt, hydrogen, ethylbenzene và axit acrylic Kamel Singh và Raymond Crosbie [21] đã tiến hành nghiên cứu mạng nhiệt của nhà máy sản xuất khí đốt với 1 dòng nóng và 4 dòng lạnh bằng phần mềm Aspen Energy Analyser Kết quả thu được về mặt năng lượng tiết kiệm 239,9 kW, về mặt

9 kinh tế với số tiền đầu tư 0,3 triệu USD thì sau 10 năm lợi nhuận thu được 1,74 triệu USD Wei Wu, Yan-Chi Liou và Hsiao-Tung Yang [22] tiến hành thiết kế mạng nhiệt của nhà máy sản xuất hydrogen điển hình với 8 dòng nóng và 4 dòng lạnh bằng kỹ thuật Pinch với mục tiêu thiết bị trao đổi nhiệt ít nhất Mạng nhiệt của nhà máy bao gồm: 8 thiết bị trao đổi nhiệt giữa các dòng công nghệ, 5 thiết bị trao đổi nhiệt với dòng bổ sung nhiệt lạnh và 3 thiết bị trao đổi nhiệt với dòng bổ sung nhiệt nóng Kết quả của việc áp dụng kỹ thuật Pinch vào thiết kế mạng nhiệt làm giảm 82,3% dòng bổ sung nhiệt nóng và 80,8% dòng bổ sung nhiệt lạnh Sung-Geun Yoon, Jeongseok

Lee, Sunwon Park [23] đã áp dụng kỹ thuật Pinch để kiểm tra mạng nhiệt nhà máy sản xuất ethylbenzene đang hoạt động Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đề xuất thêm 1 thiết bị trao đổi nhiệt vào mạng nhiệt của nhà máy và thay đổi một số điều kiện hoạt động Với đề xuất này, chi phí năng lượng của nhà máy giảm 5,6%/năm Đối với nhà máy sản xuất Axit Acrylic, K.Nagamalleswara Rao [24] chia nghiên cứu của mình thành 2 phần: phần đầu, tác giả sử dụng phần mềm Aspen Plus V8.8 để thiết kế sơ đồ công nghệ của nhà máy; phần sau, tác giả sử dụng Aspen Energy Analyzer để kiểm tra mạng nhiệt và bổ sung thêm 2 thiết bị trao đổi nhiệt Từ đó giảm 1.120 (kW) dòng bổ sung nhiệt nóng với thời gian hoàn vốn là 0,3254 năm

Trong nhà máy lọc dầu dòng công nghệ rất nhiều, các quá trình trao đổi nhiệt diễn ra trong hầu hết các phân xưởng công nghệ Vì vậy, kỹ thuật Pinch được áp dụng rất hiệu quả Một số nhà khoa học trong và ngoài nước đã tập trung nghiên cứu các phân xưởng quan trọng của các nhà máy lọc dầu có công xuất lớn trên thế giới Al-

Riyami, Badr Abdullah, Jiri Klemes, và Simon Perry [25] đã áp dụng phần mềm Sprint nhằm tối ưu hóa năng lượng sử dụng của phân xưởng cracking xúc tác (FCC) của nhà máy lọc dầu Bằng việc giảm giá trị ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 từ 24 o C xuống còn 11,5 o C chi phí năng lượng giảm 27% với thời gian hoàn vốn là 1,5 năm Vishal G Bokan, M.U.Pople [26] đã ứng dụng kỹ thuật pinch để thiết kế mạng nhiệt của phân xưởng chưng chất vinyl chloride monomer (VCM) bằng phần mềm Aspen energy analyzer V8.0 với mục tiêu tối ưu tổng chi phí Kết quả cuối cùng tiết kiệm 15,3764% dòng bổ sung nhiệt nóng và 47,52% dòng bổ sung nhiệt lạnh Qua đó, giảm 18,333% chi phí vận

10 hành trong năm so với nhà máy hiện tại Adrian L Querzoli, Andrew F A Hoadley và Tony E S Dyson [27] đã sử dụng kỹ thuật Pinch để xem xét 2 phân xưởng CDU và RCU của nhà máy lọc dầu và nhận thấy khả năng tiết kiệm năng lượng cho phân xưởng CDU là 40% và RCU là 35% Đồng thời nhóm tác giả cũng phân tích đến tác động kinh tế tại thời điểm hiện tại khi trang bị thêm các thiết bị trao đổi nhiệt đến dự án Đối với nhà máy lọc dầu Dung Quất, Nguyễn Đình Lâm, Nguyễn Thanh Nghị, Nguyễn Thanh Sang [28] đã mô phỏng lại phân xưởng chưng cất khí quyển (CDU) và ứng dụng kỹ thuật Pinch đánh giá mạng nhiệt của phân xưởng Từ đó, nhóm tác giả đã đề xuất bổ sung thêm 4 thiết bị trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nguồn nhiệt của dòng hồi lưu tuần hoàn đỉnh và dòng đáy tháp nhằm gia nhiệt cho dòng dầu thô trước khi đi vào thiết bị tách muối và lò đốt Từ đó, năng lượng tiêu thụ của toàn phân xưởng giảm 10% và tổng chi phí hằng năm của toàn phân xưởng giảm 4%

Tóm lại: Qua việc tìm hiểu các công trình nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật Pinch, chúng ta có thể rút ra kết luận sau:

- Những nghiên cứu [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12] tập trung chứng minh, củng cố và phát triển kỹ thuật Pinch về mặt lý luận

- Những nghiên cứu [13,14,15,15,17,18,19,20] tập trung nghiên cứu những trường hợp ứng dụng kỹ thuật Pinch nhằm tiết kiệm năng lượng trong các lĩnh vực công nghiệp

- Những nghiên cứu [21,22,23,24] tập trung nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật Pinch vào các nhà máy sản xuất trong lĩnh vực hóa học

- Những nghiên cứu [25,26,27,28] là những ứng dụng kỹ thuật Pinch nhằm thiết kế, kiểm tra mạng nhiệt của các phân xưởng có mức tiêu thụ năng lượng lớn của các nhà máy lọc dầu

Như vậy kỹ thuật phân tích Pinch là một lý thuyết đã vững chắc về mặt lý luận

Nó đã được áp dụng và đạt được những kết quả khả quan trong nhiều lĩnh vực, ngành nghề khác nhau Đặt biệt trong những nhà máy lọc dầu, nơi tồn tại nhiều quá trình trao đổi nhiệt (gia nhiệt và làm lạnh), hiệu quả của việc áp dụng kỹ thuật Pinch càng

11 thể hiện rõ Thế nhưng, trong lý thuyết của kỹ thuật Pinch đã khẳng định hiệu quả của việc tối ưu năng lượng mạng nhiệt phụ thuộc vào việc lựa chọn giá trị ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 Mà giá trị này lại phụ thuộc vào chi phí năng lượng và chi phí đầu tư, có nghĩa là phụ thuộc vào thị trường Hơn nữa, trong những nghiên cứu trên khi tối ưu hóa mạng nhiệt của nhà máy lọc dầu các tác giả chỉ tối ưu cục bộ từng phân xưởng Do đó, tồn tại 1 phần năng lượng không được tận dụng làm cho nhu cầu năng lượng của toàn nhà máy tăng lên Đây chính là lý do tôi chọn đề tài này

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT PINCH

Giới thiệu

Vào những năm 70, những dự án lọc hóa dầu đối mặt với một thách thức khó giải quyết đó là việc mở rộng quy mô nhà máy nhưng lại vướng mắc về 2 vấn đề: chi phí năng lượng và không gian lắp đặt trong nhà máy Nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện nhằm giải quyết bài toán trên “Kỹ thuật Pinch” lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1979 bởi B Linnhoff [2] “Kỹ thuật Pinch” là phương pháp phân tích hệ thống giúp đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho một hệ thống quy trình công nghệ

Kỹ thuật Pinch đơn giản và dễ sử dụng hơn so với những phương pháp toán học trước đó Phương pháp này dựa trên định luật nhiệt động thứ II: “nhiệt chỉ truyền từ nguồn nóng sang nguồn lạnh, đồng thời luôn kèm theo một lượng tổn thất tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ    T của hai nguồn nóng và lạnh” Cụ thể trong thiết bị trao đổi nhiệt, muốn giảm sự tổn thất năng lượng cần giảm chênh lệch nhiệt độ của hai dòng nóng và lạnh

Mục tiêu của “Kỹ thuật Pinch” là tối ưu mạng lưới nhiệt của quy trình công nghệ sản xuất Từ đó giảm thiểu nhu cầu bổ sung năng lượng cho hệ thống Để đạt được những điều này, chênh lệch nhiệt độ tối thiểu trong toàn hệ thống  T min đóng vai trò rất quan trọng trong khi kỹ thuật Pinch Giá trị   T min được xác định thông qua việc tối ưu chi phí đầu tư và chi phí vận hành Vậy, mục tiêu chính của kỹ thuật phân tích Pinch là để đạt được tiết kiệm tài chính cho quy trình công nghệ.

Khái niệm cơ bản

Để ứng dụng kỹ thuật Pinch, chúng ta cần định nghĩa một số khái niệm sau:

 Dòng công nghệ (process stream): những dòng vật chất trong quy trình công nghệ có nhu cầu thay đổi hàm nhiệt

 Dòng nóng (hot stream): những dòng công nghệ cần được giải nhiệt, nghĩa là có xu hướng giảm hàm nhiệt

 Dòng lạnh (cold stream): những dòng công nghệ cần được gia nhiệt, nghĩa là có xu hướng tăng hàm nhiệt

 Dòng phụ trợ (utilily stream): những dòng bổ sung dùng để gia nhiệt hoặc giải nhiệt cho dòng công nghệ

 Dòng bổ sung nhiệt nóng (hot utility): dòng phụ trợ dùng để gia nhiệt: hơi nước, khói lò, dầu nóng…

 Dòng bổ sung nhiệt lạnh (cold utility): dòng phụ trợ dùng để giải nhiệt: nước giải nhiệt, không khí lạnh, môi chất lạnh…

 Nhiệt độ đầu vào (supply temperature, T [ C] S o ): nhiệt độ của dòng công nghệ trước khi vào thiết bị trao đổi nhiệt

 Nhiệt độ đầu ra (target temperature, T [ C] T o ): nhiệt độ của dòng công nghệ khi đi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt

 Nhiệt dung (heat capacity flowrate, CP[kW o ]

C ): là tích số của nhiệt dung riêng   C P và lưu lượng khối lượng (m) của dòng công nghệ

 Chênh lệch nhiệt độ tối thiểu (minimum temperature difference, o

   chênh lệch nhiệt độ tối thiểu cho toàn hệ thống quy trình công nghệ

 Điểm Pinch (Pinch point): nhiệt độ tại đó chênh lệch nhiệt độ giữa dòng nóng và dòng lạnh đạt tối thiểu

 Nhiệt nóng bổ sung tối thiểu (minimum hot utility, Q H min  kW ): công suất nhiệt nóng tối thiểu (lý thuyết) cần bổ sung vào quy trình công nghệ thông qua dòng bổ sung nhiệt nóng

 Nhiệt lạnh bổ sung tối thiểu (minimum cold utility, Q C min  kW ): công suất nhiệt lạnh tối thiểu (lý thuyết) cần bổ sung vào quy trình công nghệ thông qua dòng bổ sung nhiệt lạnh

 Nhiệt thu hồi (heat recovery, Q rec  kW ): công suất nhiệt thu hồi lớn nhất giữa các dòng công nghệ thông qua sự trao đổi nhiệt giữa các dòng nóng và dòng lạnh

 Đường cong tổ hợp (composite curve): đường cong biểu diễn kết hợp nhiều dòng công nghệ cùng loại

 Đường cong tổ hợp nóng (hot composite curve): là đường cong biểu diễn kết hợp tất cả các dòng nóng

 Đường cong tổ hợp lạnh (cold composite curve): là đường cong biểu diễn kết hợp tất cả các dòng lạnh

 Đường cong nhiệt tổng (grand composite curve): đường cong biểu diễn sự thay đổi của dòng nhiệt tổng (của toàn hệ thống) theo nhiệt độ

 Sơ đồ mạng lưới nhiệt (grid diagram): sơ đồ lưới biểu diễn tất cả các thiết bị trao đổi nhiệt cho toàn bộ hệ thống quy trình công nghệ

 Nguyên lý thiết kế Pinch (Pinch rules): những quy tắc thiết kế mạng lưới nhiệt khi sử dụng kỹ thuật Pinch Để đơn giản, các tính toán trong kỹ thuật Pinch thường kèm theo giả thiết sau:

 Nhiệt dung riêng (C ) không đổi trong khoảng nhiệt độ hẹp P

 Bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường và tổn thất áp suất trong thiết bị trao đổi nhiệt

 Biến thiên hàm nhiệt của các dòng tuân theo phương trình nhiệt:

Các bước phân tích Pinch

Để trình bày quy trình phân tích Pinch được rõ ràng chúng ta xét một ví dụ cụ thể với các thông số sau:

Bảng 3.1: Thông số của dòng công nghệ và phụ trợ

Dòng bổ sung nhiệt nóng 325 325 Dòng bổ sung nhiệt lạnh 25 40

Bước 1: Thu thập số liệu

Việc thu thập số liệu là công việc hết sức quan trọng trong kỹ thuật Pinch Nó ảnh hưởng đến độ tin cậy của kết quả và những quyết định khi thiết kế mạng lưới nhiệt Để thực hiện kỹ thuật Pinch, số liệu bao gồm dữ liệu về nhiệt động và kinh tế

Những thông số về nhiệt động bao gồm: nhiệt độ đầu vào, nhiệt độ đầu ra, lưu lượng khối lượng, nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt hóa hơi của những dòng có biến đổi pha

Ngoài ra còn có hệ số truyền nhiệt, dạng thiết bị trao đổi nhiệt, diện tích trao đổi nhiệt… Thông thường, những thông số này có được từ hồ sơ thiết kế, hoặc những phương trình cân bằng vật chất và năng lượng

Những thông số về kinh tế bao gồm: chi phí đầu tư thiết bị trao đổi nhiệt, chi phí hơi, nước giải nhiệt, lãi suất vốn đầu tư, thời gian hoàn vốn được xác định tại thời điểm tiến hành kiểm toán năng lượng phụ thuộc vào thị trường

 Chi phí đầu tư thiết bị trao đổi nhiệt ($⁄năm): 15.000 30A 0,8 (với A là diện tích trao đổi nhiệt)

 Chi phí đầu tư lò đốt ($⁄năm): 15.000 60A 0,8

 Đơn giá của hot utility ($⁄kW năm): 110

 Đơn giá của cold utility ($⁄kW năm): 10

Bước 2: Xây dựng đường cong tổ hợp

Các đường cong tổ hợp bao gồm đường cong tổ hợp nóng và đường cong tổ hợp lạnh được biểu diễn trên đồ thị T-H Khi tổ hợp nhiều dòng công nghệ 𝑖 cùng loại (nóng hay lạnh) thì nhiệt độ bị chia nhỏ thành nhiều khoảng T j khác nhau như Hình 3.1; Hình 3.2 và đường cong tổ hợp được vẽ nối tiếp trên các khoảng nhiệt độ

16 đó Trong từng khoảng nhiệt độ T j , giá trị CP j tương ứng bằng tổng các giá trị CP j của các dòng công nghệ i chứa khoảng nhiệt độ đó

Trên cùng một đồ thị T-H, các đường cong tổ hợp nóng và đường cong tổ hợp lạnh cách nhau một khoảng  T min  10 C o cho trước như Hình 3.3, khi đó các giá trị

Q ,Q và Q lần lượt được xác định rec

Hình 3.1 Đường cong tổ hợp nóng

Hình 3.2 Đường cong tổ hợp lạnh

Hình 3.3 Các đường cong tổ hợp và điểm Pinch

Hình 3.4 Giá trị ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 tối ưu

Từ Hình 3.3 cho thấy, khi T min tăng, thì cả Q H min và Q C min đều tăng dẫn đến

Q giảm Ngược lại, khi rec T min giảm, thì cả Q H min và Q C min giảm dẫn đến Q tăng rec Giá trị Q H min và Q C min phản ánh chi phí vận hành Trong khi đó giá trị T min và diện tích trao đổi nhiệt có mối quan hệ nghịch biến Như vậy ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 có quan hệ đồng biến

18 với 𝑄 𝐻𝑚𝑖𝑛 và 𝑄 𝐶𝑚𝑖𝑛 (chi phí vận hành) và nghịch biến với diện tích trao đổi nhiệt (chi phí đầu tư), nên ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 là thông số quan trọng quyết định cả chi phí đầu tư và chi phí vận hành Như đã phân tích ở trên, giá trị T min được xác định từ việc tối ưu chi phí đầu tư và chi phí vận hành như Hình 3.4 Trên thực tế, T min có thể được xác định theo kinh nghiệm sau:

Bảng 3.2: Bảng thống kê giá trị T min tối ưu theo kinh nghiệm [2]

Phân loại theo lĩnh vực công nghiệp

Lọc dầu Hóa dầu Hóa chất Quá trình nhiệt độ thấp

Phân loại theo đặc điểm của lưu chất

Khí – khí Khí – lỏng Lỏng – lỏng

Tóm lại, các đường cong tổ hợp giúp xác định nhu cầu năng lượng tối thiểu cần phải bổ sung cho toàn hệ thống quy trình công nghệ và điểm Pinch Đây chính là mục tiêu năng lượng có thể đạt được trên lý thuyết

Bước 3: Xây dựng đường cong nhiệt tổng

Các đường cong tổ hợp chỉ xác định được mục tiêu năng lượng bổ sung tối thiểu mà không có định hướng thiết kế sử dụng các nguồn phụ trợ như thế nào cho hợp lý Đường cong nhiệt tổng là công cụ giúp thiết kế, lựa chọn tối ưu các nguồn phụ trợ Để xây dựng đường cong nhiệt tổng, cần xác định dòng nhiệt tổng của toàn hệ thống theo nhiệt độ bằng thuật toán Trên Hình 3.5 cho thấy, nếu đường cong tổ hợp nóng tịnh tiến giảm 1 T min

2 và đường cong tổ hợp lạnh tịnh tiến tăng 1 T min

2 thì chúng tiếp xúc nhau, vì thế dòng nhiệt tại điểm Pinch giảm đến 0 Nói cách khác, điểm Pinch có thể hiểu là giá trị nhiệt độ tại đó dòng nhiệt tổng bằng 0

Hình 3.5 Dòng nhiệt tổng bằng 0 tại điểm Pinch

Hình 3.6: Thuật toán tính toán dòng nhiệt tổng

Bằng phương pháp tiếp cận như trên, dòng nhiệt tổng của toàn hệ thống theo nhiệt độ được tính toán dựa vào giá trị nhiệt độ hiệu chỉnh T * (trình bày trên Bảng 3.3), thuật toán được trình bày trên Hình 3.6:

Bảng 3.3 Nhiệt độ hiệu chỉnh của các dòng công nghệ

Với  T min  10 C o cho trước, hệ thống gồm 4 dòng công nghệ như trên đạt điểm Pinch tại T * 145 C o , nghĩa là nhiệt độ Pinch của đường cong tổ hợp nóng là o

T H  150 C và nhiệt độ Pinch của đường cong tổ hợp lạnh là T H  140 C o Thuật toán cũng xác định được nhu cầu nhiệt nóng bổ sung tối thiểu Q H min 7,5kW và nhu cầu nhiệt lạnh bổ sung tối thiểu Q C min 10,0kW Với số liệu tính toán dòng nhiệt tổng thu được từ Hình 3.6, đường cong nhiệt tổng theo nhiệt độ hiệu chỉnh được thể hiện trên đồ thị T * H như Hình 3.7

Hình 3.7: Đường cong nhiệt tổng Đường cong nhiệt tổng không chỉ thể hiện đầy đủ thông tin Q H min , Q C min , Q rec mà còn giúp thiết kế, lựa chọn tối ưu các nguồn phụ trợ nhằm tối thiểu chi phí

Bước 4: Xây dựng sơ đồ mạng lưới nhiệt

Mục tiêu cuối cùng của kỹ thuật Pinch là thiết kế mạng lưới nhiệt bao gồm các thiết bị trao đổi nhiệt kết nối giữa các dòng công nghệ với nhau nhằm đạt được nhu

21 cầu năng lượng bổ sung là nhỏ nhất Để đạt được yêu cầu này, khi thiết kế mạng lưới nhiệt cần phải tuân theo những quy tắc sau:

 Không sử dụng nguồn nhiệt nóng bổ sung cho vùng có nhiệt độ dưới điểm Pinch

 Không sử dụng nguồn nhiệt lạnh bổ sung cho vùng có nhiệt độ trên điểm Pinch

 Không trao đổi nhiệt băng qua điểm Pinch

Vi phạm một trong các quy tắc trên sẽ dẫn đến nhu cầu năng lượng bổ sung cao hơn so với mục tiêu tối thiểu cần đạt đến

Hình 3.8: Quy tắc thiết kế Pinch: (a) nguồn nhiệt nóng bổ sung dưới điểm Pinch;

(b) nguồn nhiệt lạnh bổ sung trên điểm Pinch; (c) trao đổi nhiệt băng qua điểm

Ứng dụng kỹ thuật Pinch

Từ dự án đầu tiên áp dụng công nghệ Pinch trong lĩnh vực hóa dầu, ngày nay công nghệ Pinch được ứng dụng trong rất nhiều ngành nghề, lĩnh vực công nghiệp khác nhau như: sắt thép, thực phẩm, đồ uống, dệt may, giấy, xi măng, hoá chất cơ bản, dầu, và hóa dầu… Nói chung, trong bất kỳ quá trình công nghiệp nào tồn tại những quá trình gia nhiệt và giải nhiệt thì có thể ứng dụng kỹ thuật Pinch

Phương pháp luận của kỹ thuật Pinch trong tối ưu sử dụng nhiệt còn được mở rộng đối với việc tối ưu sử dụng nước với kỹ thuật Pinch Water hay tối ưu sử dụng khí hydro trong nhà máy lọc hóa dầu bằng kỹ thuật Pinch Hydrogen

PHÂN TÍCH MẠNG NHIỆT CỦA NHÀ MÁY

Giới thiệu mạng nhiệt của nhà máy lọc dầu Dung Quất

Sơ đồ bố trí mặt bằng của nhà máy lọc dầu Dung Quất được thể hiện trong hình 4.1 Trong đó bao gồm: 14 phân xưởng công nghệ, 11 phân xưởng phụ trợ, 11 phân xưởng nằm ngoài nhà máy và một số công trình phụ khác

Hình 4.1: Sơ đồ bố trí mặt bằng của nhà máy lọc dầu Dung Quất

Mạng nhiệt của nhà máy lọc dầu Dung Quất tập trung trong 14 phân xưởng công nghệ của nhà máy Tổng quan chức năng, nhiệm vụ của các phân xưởng công nghệ như sau

- Phân xưởng chưng cất dầu thô: CDU - Crude Distillation Unit (Unit 011)

Phân xưởng chưng cất dầu thô có nhiệm vụ gia nhiệt dầu thô nhiên liệu tại các cụm thu hồi nhiệt sau đó được đưa vào tháp chưng cất để tách thành các phân đoạn có nhiệt độ, tỷ trọng và tính chất hóa lý thích hợp cho các quá trình xử lý tiếp theo của nhà máy

- Phân xưởng xử lý naphtha bằng hydro: NTH - Naphtha Hydro Treating (Unit 012)

Phân xưởng xử lý naphtha bằng hydro có nhiệm vụ khử các tạp chất lưu huỳnh, nitơ, oxy và kim loại có trong phân đoạn xăng tổng từ phân xưởng chưng cất dầu thô bằng thiết bị phản ứng một tầng xúc tác cố định để cho ra sản phẩm naphtha nhẹ, naphtha nặng và khí thải Những sản phẩm của phân xưởng xử lý naphtha được đưa vào các phân xưởng đồng phân hóa, Refoming xúc tác và cracking xúc tác tầng sôi để xử lý tiếp theo

- Phân xưởng refoming xúc tác: CCR - Continuous Catalytic Reforming (Unit1 013)

Phân xưởng refoming xúc tác sử dụng thiết bị phản ứng xúc tác chuyển động để chuyển hóa naphtha nặng từ phân xưởng xử lý naphtha bằng hydro thành hợp chất thơm có chỉ số octane cao làm phối liệu pha trộn xăng

- Phân xưởng xử lý kerosene: KTU - Kerosene Treating Unit (Unit 014)

Phân xưởng xử lý kerosene có nhiệm vụ xử lý kerosene từ phân xưởng chưng cất dầu thô nhằm làm giảm mercaptan, naphthenic acid và tách toàn bộ nước có trong kerosene trước khi đưa vào bể chứa

- Phân xưởng cracking xúc tác tầng sôi: RFCC - Residue Fluidized Catalytic Cracking (Unit 015)

Phân xưởng cracking xúc tác tầng sôi sử dụng thiết bị phản ứng để bẻ gãy các cấu tử mạch dài trong trong cặn chưng cất từ phân xưởng chưng cất dầu thô thành các sản phẩm nhẹ có giá trị cao như naphtha, khí nhiên liệu và hỗn hợp propylene

- Phân xưởng xử lý PLG: LTU - LPG Treating Unit (Unit 016)

Phân xưởng xử lý PLG có nhiệm vụ làm giảm hàm lượng mercaptan, H2S, COS, CO2 trong dòng LPG đến từ phân xưởng Cracking xúc tác tầng sôi bằng kìm

PLG đã xử lý được đưa tới phân xưởng thu hồi propylene

- Phân xưởng xử lý naphtha: NTU - Naphtha Treating Unit (Unit 017)

Phân xưởng xử lý naphtha có nhiệm vụ làm giảm hàm lượng mercaptan, H2S, COS, CO2 trong dòng naphtha đến từ phân xưởng Cracking xúc tác tầng sôi bằng kìm Naphtha đã xử lý được đưa đến bể chứa trung gian để pha trộn xăng

- Phân xưởng thu hồi propylene: PRU - Propylene Recovery Unit (Unit 021)

Phân xưởng thu hồi propylene có nhiệm vụ phân tách và thu hồi propylene trong dòng PLG đến từ phân xưởng xử lý PLG Propylene đã làm sạch được đưa đến bể chứa sản phẩm

- Phân xưởng đồng phân hóa: ISOM - Isomerization Unit (Unit 023)

Phân xưởng đồng phân hóa có nhiệm vụ chuyển hóa dòng naphtha nhẹ từ Phân xưởng xử lý naphtha thành dòng naphtha có chỉ số Octane cao để pha trộn xăng

- Phân xưởng xử lý LCO bằng hydro: LCO HDT - LCO Hydro Treating (Unit 024)

Phân xưởng xử lý LCO bằng hydro sử dụng hydro và xúc tác để làm sạch các tạp chất như lưu huỳnh, nitơ, oxy và kim loại trong LCO từ phân xưởng cracking xúc tác tầng sôi đồng thời no hoá các hợp chất olefin trong nguyên liệu LCO

- Phân xưởng xử lý nước chua: SWS - Sour Water Stripper (Unit 018)

Phân xưởng xử lý nước chua có nhiệm vụ loại bỏ khí H2S và NH3 từ các phân xưởng khác như: phân xưởng chưng cất dầu thô, phân xưởng cracking xúc tác tầng sôi, phân xưởng xử lý naphtha bằng hydro, phân xưởng xử lý LCO bằng hydro và Phân xưởng refoming xúc tác Những sản phẩm khí giàu H2S được đưa đến phân xưởng thu hồi lưu huỳnh để thu hồi lưu huỳnh, sản phẩm khí giàu NH3 được đưa đến phân xưởng thu hồi lưu huỳnh để đốt

- Phân xưởng tái sinh amine: ARU - Amine Regenneration Unit (Unit 019)

Phân xưởng tái sinh amine có nhiệm vụ loại bỏ khí chua ra khỏi dòng amine bẩn từ phân xưởng phân xưởng cracking xúc tác tầng sôi và Phân xưởng xử lý LCO bằng hydro Những sản phẩm khí giàu H2S được đưa đến phân xưởng thu hồi lưu huỳnh để thu hồi lưu huỳnh

- Phân xưởng trung hòa kiềm: CNU - Spent Caustic Neutralization Unit (Unit 020)

Phân xưởng trung hòa kiềm có nhiệm vụ xử lý các dòng kiềm thải ra từ các phân xưởng công nghệ trước khi đưa đến phân xưởng xử lý nước thải

- Phân xưởng thu hồi lưu huỳnh: SRU - Sulphur Recovery Unit (Unit 022)

Phân xưởng thu hồi lưu huỳnh có nhiệm vụ thu hồi lưu huỳnh nguyên tố từ các dòng khí axit của phân xưởng tái sinh amine và phân xưởng xử lý nước chua, đồng thời đốt bỏ các dòng khí thải giàu NH3 từ phân xưởng xử lý nước chua và phân xưởng trung hòa kiềm

Thu thập dữ liệu phục vụ cho kỹ thuật phân tích Pinch

Việc thu thập dữ liệu được trích xuất từ bản vẽ thiết kế của nhà máy ở chế độ sử dụng nguồn dầu thô từ mỏ Bạch Hổ với công suất thiết kế Bằng việc sử dụng trực tiếp các thông số từ bản vẽ và sự hỗ trợ của phần mềm Aspen Hysys 7.3 để xác định các dòng nhiệt như sau:

Dòng lạnh là những dòng có nhiệt độ giảm theo yêu cầu công nghệ của nhà máy lọc dầu Từ bảng vẽ thiết kế của nhà máy, những dòng lạnh được tổng hợp trong bảng 4.1

Bảng 4.1: Dữ liệu nhiệt động của dòng lạnh

[Chi tiết xem phụ lục 2]

(*) Giải thích ký hiệu của dòng: Nhằm thuận tiện cho việc kiểm tra và truy xuất các thông số nhiệt động của các dòng, trong luận văn này trình bày tên của các dòng như sau: ví dụ đối với dòng C 022-001(E-2214): C thể hiện dòng lạnh; 022 thể hiện dòng tại phân xưởng 022; 001 thể hiện bảng vẽ 001 theo bảng vẽ thiết kế của nhà máy; E-2214 thể hiện tên thiết bị trao đổi nhiệt

Dòng nóng là những dòng có nhiệt độ tăng theo yêu cầu công nghệ của nhà máy lọc dầu Từ bảng vẽ thiết kế của nhà máy, những dòng nóng được tổng hợp trong bảng 4.2

Bảng 4.2: Dữ liệu nhiệt động của dòng nóng

(*) Giải thích ký hiệu của dòng: Nhằm thuận tiện cho việc kiểm tra và truy xuất các thông số nhiệt động của các dòng, trong luận văn này trình bày tên của các dòng như sau: ví dụ đối với dòng H 013-001(E-1302): H thể hiện dòng nóng; 013 thể hiện dòng tại phân xưởng 013; 001 thể hiện bảng vẽ 001 theo bảng vẽ thiết kế của nhà máy; E-1302 thể hiện tên thiết bị trao đổi nhiệt.

Lựa chọn giá trị ∆𝑻𝒎𝒊𝒏

Từ các dữ liệu nhiệt động thu thập được, chúng ta tiến hành lựa chọn giá trị

∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 Giá thị ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 có thể được lựa chọn theo những mục tiêu khác nhau như:

- Tối thiểu số lượng thiết bị trao đổi nhiệt

- Tối thiểu diện tích trao đổi nhiệt

- Tối thiểu chi phí đầu tư

- Tối thiểu chi phí năng lượng

- Tối thiểu chi phí tổng Đối với nhà máy đang hoạt động việc chọn giá trị ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 theo mục tiêu chi phí năng lượng sử dụng nhỏ nhất tỏ ra phù hợp Theo [2] giá trị ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 đối với những nhà máy lọc dầu khoảng (20 − 40) 𝑜 𝐶 Ứng với mục tiêu tối ưu năng lượng sử dụng, do đó giá trị ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 = 20 ( 𝑜 𝐶) đã được lựa chọn.

Xây dựng đường cong tổ hợp và dòng nhiệt

Sau khi đã lựa chọn giá trị ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 , chúng ta tiến hành xây dựng đường cong tổ hợp (Hình 4.2) và dòng nhiệt (Hình 4.3) của các dòng công nghệ

Hình 4.2: Đường cong tổ hợp của dòng công nghệ

Hình 4.3: Dòng nhiệt của các dòng công nghệ

Từ đường cong tổ hợp và dòng nhiệt ta có được:

- Công suất gia nhiệt tối thiểu: 𝑄 𝐻𝑚𝑖𝑛 = 88.760 (𝑘𝑊) - Công suất làm lạnh tối thiểu: 𝑄 𝐶𝑚𝑖𝑛 = 248.249 (𝑘𝑊)

Trong khi đó, từ dữ liệu của nhà máy ta có:

- Tổng công suất của dòng bổ sung nhiệt nóng: 𝑄 𝐻 = 228.734 (𝑘𝑊) - Tổng công suất của dòng bổ sung nhiệt lạnh: 𝑄 𝐶 = 388.222 (𝑘𝑊)

Vậy, mạng nhiệt của nhà máy tồn tại những lỗi khi ghép nối theo kỹ thuật Pinch Do đó, cần phải kiểm tra lại mạng nhiệt của nhà máy.

Kiểm tra hệ thống mạng lưới nhiệt của nhà máy

Như đã đề cập ở trên, ta có QH > QHmin và QC > QCmin Do đó, trong mạng nhiệt của nhà máy tồn tại những sai phạm nguyên tắc thiết kế của kỹ thuật Pinch Từ những dữ liệu dòng và ∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 đã chọn, ta có mạng lưới nhiệt của nhà máy như sau:

Hình 4.4: Sơ đồ mạng lưới nhiệt của nhà máy

Trong sơ đồ mạng lưới nhiệt của nhà máy, điểm Pinch chia mạng lưới nhiệt thành 2 phần riêng biệt: trên điểm Pinch phần bên trái và dưới điểm Pinch bên phải

Thiết bị gia nhiệt cho dòng công nghệ

Thiết bị làm mát cho dòng công nghệ

Thiết bị trao đổi nhiệt giữa các dòng công nghệ

Từ mạng nhiệt thực tế của nhà máy, so sánh với những nguyên tắc thiết kế của kỹ thuật Pinch, ta có thể rút ra kết luận về những thiết bị trao đổi nhiệt mắc lỗi Pinch như sau:

 Sử dụng dòng bổ sung nhiệt lạnh trên điểm Pinch:

Theo quy tắc thiết kế mạng nhiệt của kỹ thuật Pinch, không sử dụng nguồn nhiệt lạnh bổ sung cho dòng nóng ở vùng có nhiệt độ trên điểm Pinch Bởi vì trong

31 vùng trên điểm Pinch, toàn bộ năng lượng của các dòng nóng được sử dụng để trao đổi nhiệt cho dòng lạnh Do đó khi ta sử dụng nguồn nhiệt lạnh bổ sung cho dòng nóng trên điểm Pinch, chúng ta không chỉ tốn phần năng lượng để làm mát cho dòng nóng mà còn tốn thêm đúng phần năng lượng đó để gia nhiệt cho những dòng lạnh ở vùng trên điểm Pinch Trong mạng nhiệt của nhà máy tồn tại những dòng: 85; 87; 90;

112; 122; 138 và 175 đã được sử dụng nguồn nhiệt lạnh bổ sung cho những dòng nóng ở vùng nhiệt độ trên điểm Pinch bằng những thiết bị làm mát

Hình 4.5: Lỗi làm mát cho dòng nóng trên điểm Pinch

Do đó những dòng này đã vi phạm quy tắc Pinch Những lỗi này được tổng hợp trong bảng 4.3

Bảng 4.3: Sử dụng dòng bổ sung nhiệt lạnh trên điểm Pinch

TÊN THIẾT BỊ DÒNG CÔNG SUẤT [kW]

 Sử dụng dòng bổ sung nhiệt nóng dưới điểm Pinch:

Theo quy tắc thiết kế mạng nhiệt của kỹ thuật Pinch, không sử dụng nguồn nhiệt nóng bổ sung cho dòng lạnh ở vùng có nhiệt độ dưới điểm Pinch Bởi vì trong vùng dưới điểm Pinch, toàn bộ năng lượng của các dòng lạnh sẽ được nhận nhiệt lượng của dòng nóng Do đó khi ta sử dụng nguồn nhiệt nóng bổ sung cho dòng lạnh dưới điểm Pinch, chúng ta không chỉ tốn phần năng lượng để gia nhiệt cho dòng lạnh mà còn tốn thêm đúng phần năng lượng đó để làm mát cho những dòng nóng ở vùng dưới điểm Pinch Trong mạng nhiệt của nhà máy tồn tại những dòng: 13; 16; 17; 18;

31 và 60 đã được sử dụng nguồn nhiệt nóng bổ sung cho những dòng lạnh ở vùng nhiệt độ dưới điểm Pinch bằng những thiết bị gia nhiệt

Hình 4.6: Lỗi gia nhiệt cho dòng lạnh dưới điểm Pinch

Do đó những dòng này đã vi phạm quy tắc Pinch Những lỗi này được tổng hợp trong bảng 4.4

Bảng 4.4: Sử dụng dòng bổ sung nhiệt nóng dưới điểm Pinch

 Những thiết bị trao đổi nhiệt băng qua điểm Pinch:

Theo quy tắc thiết kế mạng nhiệt của kỹ thuật Pinch, không sử dụng nguồn nhiệt nóng bổ sung cho vùng có nhiệt độ dưới điểm Pinch và nguồn nhiệt lạnh bổ sung cho vùng có nhiệt độ trên điểm Pinch

Trong mạng nhiệt của nhà máy tồn tại những dòng: 1; 3; 5; và 12 đã sử dụng dòng bổ sung nhiệt nóng cho những dòng lạnh băng qua điểm Pinch Vì vậy, phần công suất dưới điểm Pinch đã vi phạm quy tắc Pinch

Hình 4.7: Lỗi gia nhiệt cho dòng lạnh băng qua điểm Pinch

Trong mạng nhiệt của nhà máy tồn tại những dòng: 83; 88; 94; 109; 115; 117 và 120 đã sử dụng dòng bổ sung nhiệt lạnh cho những dòng nóng băng qua điểm Pinch Vì vậy, phần công suất trên điểm Pinch đã vi phạm quy tắc Pinch

Hình 4.8: Lỗi làm mát cho dòng nóng băng qua điểm Pinch

Những lỗi gia nhiệt và làm mát cho những dòng băng qua điểm Pinch được tổng hợp trong bảng 4.5

Bảng 4.5: Sử dụng dòng phụ trợ băng qua điểm Pinch

 Những thiết bị trao đổi nhiệt có sự truyền nhiệt băng qua điểm Pinch:

Theo quy tắc thiết kế mạng nhiệt của kỹ thuật Pinch, không trao đổi nhiệt băng qua điểm Pinch Nghĩa là không cho phép dòng nóng trên điểm Pinch truyền nhiệt cho dòng lạnh dưới điểm Pinch Bởi vì khi truyền nhiệt như vậy không chỉ tổn thất năng lượng để gia nhiệt cho dòng lạnh trên điểm Pinch mà còn tổn thất thêm đúng phần năng lượng đó để làm mát cho dòng nóng dưới điểm Pinch Trong mạng nhiệt của nhà máy tồn tại những thiết bị trao đổi nhiệt: E-1302; E-1512A/D; E-2307A/B;

E-1801; E-1102; E-1104; E-2312; E-1556; E-1557 và E-1101A/H mà trong đó có sự trao đổi nhiệt của dòng nóng trên điểm Pinch cho dòng lạnh dưới điểm Pinch

Hình 4.9: Lỗi truyền nhiệt băng qua điểm Pinch

Những lỗi truyền nhiệt từ dòng nóng trên điểm Pinch cho dòng lạnh dưới điểm Pinch được tổng hợp trong bảng 4.6

Bảng 4.6: Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt băng qua Pinch

TÊN THIẾT BỊ DÒNG CÔNG

12.180 Băng qua Pinch 178 H 015-104(E-1512A/D) Trên điểm Pinch

3.307 Trên điểm Pinch 121 H 023-003(E-2307A/B) Băng qua Pinch

5.574 Dưới điểm Pinch 147 H 018-001(E-1801) Băng qua Pinch

8.820 Dưới điểm Pinch 165 H 015-104(E-1557) Trên điểm Pinch

123.120 Dưới điểm Pinch 196 H 011-001(E-1101A/H) Băng qua Pinch

Đề xuất các giải pháp kỹ thuật

Với mục tiêu giảm năng lượng sử dụng, một số giải pháp kỹ thuật được đề xuất nhằm sửa những lỗi Pinch cho mạng nhiệt của nhà máy như sau:

- Đối với các dòng lạnh có sử dụng bổ sung nhiệt nóng dưới điểm Pinch: chúng ta cần thay thế các thiết bị gia nhiệt cho dòng lạnh bằng thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nóng phù hợp dưới điểm Pinch

- Đối với các dòng nóng có sử dụng bổ sung nhiệt lạnh trên điểm Pinch: chúng ta cần thay thế các thiết bị làm mát cho dòng nóng bằng thiết bị trao đổi nhiệt với một dòng lạnh phù hợp trên điểm Pinch

- Đối với các dòng lạnh có sử dụng bổ sung nhiệt nóng băng qua điểm Pinch: chúng ta cần tách những dòng này thành 2 phần riêng biệt: Phần dưới điểm Pinch, cho kết nối với dòng nóng dưới diểm Pinch phù hợp nhằm giảm công suất của dòng bổ sung nhiệt nóng cho phần trên điểm Pinch

- Đối với các dòng nóng có sử dụng bổ sung nhiệt lạnh băng qua điểm Pinch: chúng ta cần tách những dòng này thành 2 phần riêng biệt: phần trên điểm Pinch, cho kết nối với dòng lạnh trên điểm Pinch phù hợp nhằm giảm công suất của dòng bổ sung nhiệt lạnh cho phần dưới điểm Pinch

- Đối với các thiết bị trao đổi nhiệt có dòng lạnh băng qua điểm Pinch: chúng ta cần tách dòng lạnh băng qua điểm Pinch thành 2 phần riêng biệt Phần trên điểm Pinch, cho kết nối với các dòng nóng trên điểm Pinch thích hợp Phần dưới điểm Pinch, cho kết hợp với dòng nóng dưới điểm Pinch thích hợp

- Đối với các thiết bị trao đổi nhiệt có dòng nóng băng qua điểm Pinch: chúng ta cần tách dòng nóng băng qua điểm Pinch thành 2 phần riêng biệt Phần trên điểm Pinch, cho kết nối với dòng lạnh trên điểm Pinch thích hợp Phần dưới điểm Pinch, cho kết hợp với các dòng lạnh dưới điểm Pinch thích hợp

NHỮNG GIẢI PHÁP SỬA LỖI MẠNG NHIỆT

Sửa lỗi mạng nhiệt của nhà máy

Từ những lỗi trong mạng nhiệt của nhà máy và những đề xuất giải pháp như đã nêu ở trên, những lỗi trong mạng nhiệt của nhà máy được sửa chữa theo nguyên tắc:

- Đảm bảo yêu cầu công nghệ của nhà máy

- Ít thay đổi quy trình công nghệ của nhà máy

- Các thiết bị trao đổi nhiệt mắc thêm vào mạng nhiệt có dòng nóng truyền nhiệt cho dòng lạnh phải đảm bảo độ chênh lệch nhiệt độ tối thiểu T min

- Ưu tiên ghép nối các dòng trong cùng phân xưởng hoặc những phân xưởng bên cạnh nhằm tránh tổn thất nhiệt trong quá trình di chuyển của dòng công nghệ và chi phí đường ống

- Những lỗi được sửa chữa được chia làm 2 phần riêng biệt: trên điểm Pinch và dưới điểm Pinch

Với những nguyên tắc trên, những dòng công nghệ được lựa chọn để sửa những dòng bị lỗi Pinch trong mạng nhiệt của nhà máy như sau:

- Dòng lạnh trên điểm Pinch: 46; 51; 55; 64; 69 và 70

- Dòng nóng dưới điểm Pinch: 131; 140; 146; 157 và 181

5.1.1 Sửa lỗi mạng nhiệt trên điểm Pinch

Những lỗi trên điểm Pinch được khắc phục bằng cách bổ sung thêm 16 thiết bị trao đổi nhiệt ghép nối các dòng trên điểm Pinch Cụ thể như sau:

 Thiết bị trao đổi nhiệt E1

Thiết bị trao đổi nhiệt E1 ghép nối giữa dòng nóng 122 và dòng lạnh 70 Thông số nhiệt động của thiết bị trao đổi nhiệt E1 được thể hiện trong hình 5.1

Hình 5.1: Thông số nhiệt động của thiết bị E 1

Khi bổ sung thêm thiết bị trao đổi nhiệt E1, chúng ta tiết kiệm được 1.410 (kW) công suất gia nhiệt cho dòng lạnh 70 Đồng thời cũng tiết kiệm 1.410 (kW) công suất làm mát cho dòng 122

Khi bổ sung thêm thiết bị trao đổi nhiệt E2, chúng ta tiết kiệm được 881 (kW) công suất gia nhiệt cho dòng lạnh 70 Đồng thời cũng tiết kiệm 881 (kW) công suất làm mát cho dòng 112

Khi bổ sung thêm thiết bị trao đổi nhiệt E11, chúng ta tiết kiệm được 2.713 (kW) công suất gia nhiệt cho dòng lạnh 55

Khi bổ sung thêm thiết bị trao đổi nhiệt E5, chúng ta tiết kiệm được 3.720 (kW) công suất gia nhiệt cho dòng 70

5.1.2 Sửa lỗi mạng nhiệt dưới điểm Pinch

Những lỗi dưới điểm Pinch được khắc phục bằng cách bổ sung thêm 10 thiết bị trao đổi nhiệt ghép nối các dòng dưới điểm Pinch Cụ thể như sau:

Khi bổ sung thêm thiết bị trao đổi nhiệt E18, chúng ta tiết kiệm được 5.718 (kW) công suất làm mát cho dòng 181

Khi bổ sung thêm thiết bị trao đổi nhiệt E24, chúng ta tiết kiệm được 652 (kW) công suất làm mát cho dòng 115

Khi bổ sung thêm thiết bị trao đổi nhiệt E23, chúng ta tiết kiệm được 563 (kW) công suất làm mát cho dòng 131

Xác định các thông số kinh tế

Để tính hiệu quả kinh tế của việc đầu tư nhằm tiết kiệm năng lượng, ta có một số thông số kinh tế như sau:

- Chỉ số CEPCI2016: 650,4 - Số giờ vận hành trong năm: 8.000 (h)

Xác định chi phí đầu tư các thiết bị trao đổi nhiệt

5.3.1 Diện tích các thiết bị trao đổi nhiệt Để ước lượng chi phí đầu tư cho thiết bị trao đổi nhiệt, trước tiên cần xác định diện tích truyền nhiệt (A) của từng thiết bị trao đổi nhiệt, theo [29] ta có:

 Q: Nhiệt lượng trao đổi, kW (Nhiệt lượng trao đổi của các thiết bị trao đổi nhiệt bổ sung tại bảng 5.1)

: Nhiệt độ trung bình logarich, o C

(Giá trị T ; T max  min của các thiết bị trao đổi nhiệt bổ sung trong phần 5.1)

 U: Hệ số truyền nhiệt, 2 kW o m  C (Đối với hệ hydrocacbon ta chọn sơ bộ 2 kW o

5.3.2 Chi phí cơ bản của các thiết bị trao đổi nhiệt

Chi phí cơ bản của các thiết bị trao đổi nhiệt được xác định thông qua diện tích truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt [30]: b

 a, b: Hệ số phụ thuộc vào thiết bị

 x: Thông số của thiết bị

Với thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống, ta có: a = 1.666; b = 0,68 và x là diện tích truyền nhiệt (A) của thiết bị trao đổi nhiệt Do đó, chi phí cơ bản của các thiết bị trao đổi nhiệt bổ sung được xác định bằng:

5.3.3 Chi phí đầu tư các thiết bị trao đổi nhiệt

Chi phí đầu tư các thiết bị trao đổi nhiệt ngoài chi phí cơ bản còn phụ thuộc vào các hệ số như: nhiệt độ môi chất, áp suất môi chất, vật liệu chế tạo, đường ống Do đó, chi phí đầu tư được xác định theo [30]:

    cap P T m d pip B,i erec icon elec eng cont B,i i i i

57 Đối với việc đầu tư thêm các thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống, vật liệu thép carbon, môi chất lỏng ta có các hệ số như sau:

 f P 1 Hệ số xét đến áp suất

 f T 1,4 Hệ số xét đến nhiệt độ

 f m 1 Hệ số xét đến vật liệu

 f d 1 Hệ số xét đến loại thiết kế

 f pip 0,7 Hệ số xét đến chi phí đường ống

 f erec 0,4 Hệ số xét đến chi phí dựng thiết bị

 f icon 0,2 Hệ số xét đến chi phí trang bị và điều khiển

 f elec 0,1 Hệ số xét đến chi phí trang bị điện

 f eng 1 Hệ số xét đến chi phí thiết kế

 f cont 0,4 Hệ số xét đến chi phí cho yếu tố thiên tai

Những hệ số trên được tính tại thời điểm năm 2000 Để ước lượng chi phí đầu tư tại thời điểm năm 2016, chúng ta sử dụng chỉ số CEPCI (Chemical Engineering Plant Cost Index) theo [30]:

Từ (5.1), (5.3), (5.4) và (5.5) và các thông số nhiệt động của các thiết bị trao đổi nhiệt bổ sung, chi phí đầu tư của các thiết bị trao đổi nhiệt bổ sung được xác định trong bảng 5.2:

Bảng 5.2: Chi phí đầu tư các thiết bị trao đổi nhiệt bổ sung

Tính toán các chỉ tiêu kinh tế cho từng giai đoạn đầu tư

Để tiết kiệm được năng lượng thì nhà máy phải tốn chi phí đầu từ thiết bị trao đổi nhiệt Thế nhưng với số lượng thiệt bị trao đổi nhiệt nhiều như đề xuất ở trên thì chi phí đầu tư cũng rất lớn Do đó, dự án tiết kiệm năng lượng có thể chia thành 3 giai đoạn đầu tư

- Thiết bị trao đổi nhiệt:

Trong giai đoạn đầu chúng ta đầu tư 2 thiết bị trao đổi nhiệt E8 và E17 Khi đầu tư 2 thiết bị trao đổi nhiệt này, chúng ta sẽ tiết kiệm được 14.134 kW công suất gia nhiệt và 14.134 kW công suất làm mát Cụ thể như sau:

 Hơi trung áp (MP): 14.134 (kW)

 Làm mát bằng nước: 14.134 (kW) - Tổng chi phí đầu tư trang bị cho giai đoạn 1: 6.627.955 $  

- Lãi do tiết kiệm năng lượng trong 1 năm:

Vậy: Tổng tiền tiết kiệm trong 1 năm: 6.153.764 $

- Chỉ tiêu kinh tế cho giai đoạn 1:

 Thời gian hoàn vốn (PBT)

 Giá trị hiện tại của dòng tiền lãi trong 1 năm:

Vậy: chính xác thời gian hoàn vốn là:

 Giá trị hiện tại thực (NPV)

 Giá trị hiện tại của vốn đầu tư sau 2 năm là:

 Suất thu hồi nội tại (IRR)

Tra phụ lục 3 [1], (Trong dãy 2 năm, PVIFA = 1,0771) ta có: IRRS,38%

Trong giai đoạn tiếp theo chúng ta đầu tư 12 thiết bị trao đổi nhiệt E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E14, E18, E21, E24 và E26 Khi đầu tư 12 thiết bị trao đổi nhiệt này, chúng ta sẽ tiết kiệm được 12.783 kW công suất gia nhiệt và 21.603 kW công suất làm mát

 Hơi trung áp (MP): 12.783 kW  

 Làm mát bằng nước: 12.783 kW  

- Tổng chi phí đầu tư trang bị cho giai đoạn 2: 7.541.286 $   - Lãi do tiết kiệm năng lượng trong 1 năm:

Vậy: Tổng tiền tiết kiệm trong 1 năm: 5.565.566 $  

- Chỉ tiêu kinh tế cho giai đoạn 1:

 Thời gian hoàn vốn (PB)

Vậy: chính xác thời gian hoàn vốn là:

Tra phụ lục 3 [1], (Trong dãy 2 năm, PVIFA = 1,355) ta có: IRR = 30,06 %

Trong giai cuối cùng chúng ta đầu tư 10 thiết bị trao đổi nhiệt E9, E10, E11, E12, E13, E15, E16, E19, E20, E22, E23 và E25 Khi đầu tư 12 thiết bị trao đổi nhiệt này, chúng

62 ta sẽ tiết kiệm được 21.604 kW công suất gia nhiệt và 21.604 kW công suất làm mát

 Hơi cao áp (HP): 19.331 kW  

 Hơi trung áp (MP): 1.060 kW  

 Hơi thấp áp (LP): 1.213 kW  

 Làm mát bằng nước: 21.604 kW  

 Tổng chi phí đầu tư trang bị cho giai đoạn 3: 8.070.650 $  

 Lãi do tiết kiệm năng lượng trong 1 năm:

Vậy Tổng tiền tiết kiệm trong 1 năm: 10.971.670 $  

 Thời gian hoàn vốn (PB)

Vậy: Thời gian hoàn vốn dưới 1 năm Ta tính chính xác thời gian hoàn vốn là:

Tra phụ lục 3 [1], (Trong dãy 1 năm, PVIFA = 0,7356) ta có: IRR = 35,95 %