2 TÌM HIỂU TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS [7]
3.1 Mục đích và vai trò của thiết kế mô phỏng
Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính với các phần mềm chuyên nghiệp.
Mô phỏng là một công cụ cho phép người kỹ sư tiến hành công việc một cách hiệu quả hơn khi thiết kế một quá trình mới hoặc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến một quá trình đang hoạt động trong thực tế.
Tốc độ của công cụ mô phỏng cho phép khảo sát nhiều trường hợp hơn trong cùng một thời gian với độ chính xác cao hơn so với tính toán bằng tay. Hơn nữa chúng ta có thể tự động hóa quá trình tính toán các sơ đồ công nghệ để tránh việc phải thực hiện các phép tính lặp không có cơ sở hoặc mò mẫm. Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng một mô hình mẫu để nghiên cứu sự vận hành của một phân xưởng khi thay đổi nguồn nguyên liệu hoặc các điều kiện vận hành của các thiết bị ảnh hưởng đến hiệu suất thu và chất lượng sản phẩm như thế nào? Điều này đơn giản, nhanh chóng và tiết kiệm hơn nhiều so với thử trên phân xưởng thực tế. Vì rằng cơ sở tính toán các công cụ mô phỏng thường dựa trên các bộ cơ sở dữ liệu chuẩn hóa, nên một khi đã xây dựng một mô hình hợp lý thì bất kỳ một kỹ sư nào cũng có thể sử dụng nó để tính toán và cho kết quả chính xác.
Thiết kế mô phỏng thường được dùng để: • Thiết kế (Designing) một quá trình mới
• Thử lại, kiểm tra lại (Retrofitting) các quá trình đang tồn tại • Hiệu chỉnh (Troubleshooting) các quá trình đang vận hành • Tối ưu hóa (Optimizing) các quá trình vận hành
Để xây dựng một mô hình mô phỏng hiệu quả, chúng ta phải xác định đúng mục tiêu. Bước đầu tiên trong bất cứ quá trình mô phỏng nào là lượng hóa các mục tiêu càng nhiều càng tốt. Các kết quả đạt được thường phụ thuộc vào các yêu cầu đặt ra. Như vậy, trước khi mô phỏng một quá trình nên đặt ra các câu hỏi sau:
• Mục đích sử dụng công cụ mô phỏng trong trường hợp này để làm gì? • Quá trình mô phỏng sẽ thực hiện những việc gì?
• Sự phức tạp có cần thiết không?
3.2.1 Giới thiệu
Pro/II là một trong những sản phẩm của tổ hợp SIMSCI, được thành lập từ năm 1957 chuyên về thiết kế các phần mềm mô phỏng dùng trong công nghệ hóa học, đặc biệt là ngành công nghiệp lọc hóa dầu. Hiện nay sản phẩm của tổ hợp này khá đa dạng, bao gồm các phần mềm thiết kế các thiết bị, đường ống, tính toán kinh tế...
Phần mềm thiết kế mô phỏng Pro/II là sản phẩm đầu tiên của SIMSCI, là kết quả của nhiều lần nâng cấp từ năm 1967 đến năm 1988 và chính thức ra đời với tên gọi Pro/II. Hiện nay phần mềm này vẫn không ngừng nâng cấp và đã có phiên bản Pro/II 8.3 (Trong đồ án này sử dụng phiên bản 8.1).
- Phần mềm này có thể sử dụng vào nhiều quá trình khác nhau: • Xử lí dầu và khí. • Tinh chế. • Hóa dầu. • Polyme. • Dược phẩm. - Các ứng dụng mô phỏng gồm: • Thiết kế mới các quá trình. • Ước tính cấu hình thiết bị.
• Hiện đại hóa và nâng cấp các thiết bị cũ. • Gỡ rối và làm thông suốt hệ thống thiết bị. • Đánh giá vấn đề môi trường của nhà máy.
• Kiểm tra, tối ưu hóa, cải tiến hiệu suất và lợi nhuận của nhà máy.
3.2.2 Tổng quan một mô hình mô phỏng
Pro/II cho phép người dùng có nhiều phương pháp lựu chọn để nhập dữ liệu. Mặc dù Pro/II có những cảnh báo khi dữ liệu bắt buộc bị thiếu. Vì vậy khi xây dựng một sơ đồ công nghệ để mô phỏng thì cần theo các bước sao cho mang tính logic. Dưới đây là một trình tự:
1. Vẽ lưu đồ
2. Lựa chọn hệ đơn vị
3. Xác định các cấu tử cho dự án
4. Chọn các phương pháp nhiệt động học và tính chất vận chuyển 5. Cung cấp các dữ liệu cho dòng
6. Cung cấp các điều kiện làm việc cho quá trình 7. Chạy dự án mô phỏng
Trên đây chỉ là những bước cơ bản để chương trình chạy, thực tế để mô phỏng một lưu trình hay một phân xưởng... thì bước đầu tiên và vô cùng quan trọng là lập mô hình mô phỏng. Ở bước này người dùng phải đơn giản hóa sơ đồ công nghệ thực, bỏ đi những thiết bị không cần thiết, chuyển đổi các mô hình thực thành mô hình lí thuyết.
Sau khi chương trình chạy và có kết quả thì bước cuối cùng là đọc và phân tích kết quả mô phỏng. Vì ngôn ngữ của chương trình là tiếng Anh, nên các báo cáo được trình bày bằng ngôn ngữ này. Tuy nhiên cách trình bày cũng giúp người dùng dễ theo dõi, điều quan trọng là người dùng sẽ khai thác được những gì từ các kết quả đó. Từ đó xem xét số liệu đó có khớp với các số liệu thực không hoặc sai khác thế nào, nếu có sự chênh lệch nhiều phải tìm ra nguyên nhân dẫn đến sai số.
Pro/II là một phần mềm mô phỏng tính toán, các quá trình mô phỏng đều ở trạng thái tĩnh – Mô tả trạng thái hoạt động ổn định của hệ thống. Đó là cân bằng vật chất, các tính chất hóa lí, các tính chất đặc trưng của chất như RVP, điểm vẩn đục, RON... Như vậy Pro/II là phần mềm rất hữu ích, là công cụ đắc lực trong việc mô phỏng một mô hình hệ thống ở trạng thái tĩnh.
Tuy nhiên, Pro/II không có các thiết bị điều khiển và đo lường như ở phần mềm Dynsim. Kết quả mô phỏng ở trạng thái tĩnh không cho phép mô tả các ảnh hưởng của việc thay đổi các thông số điều khiển đến quá trình làm việc của thiết bị. [3
3.3 Mô phỏng hệ thống nén Biogas bằng PRO/II
3.3.1 Nguyên liệu:
Bảng 3.1: Thành phần của khí Biogas sau khi đã xử lý H2S như sau:
Cấu tử (%vol) CH4 73,243 CO2 25,552 H2S 0,027 N2 1,071 H2O 0,107 Total 100,000
Các thông số đầu vào:
• Lưu lượng của khí Biogas: 3 m3/h
• Nhiệt độ của khí Biogas: 30 oC
• Áp suất của khí Biogas: 1 bar
3.3.2 Mô phỏng
Dòng “FEED” có số cấu tử và thành phần cấu tử được xác định trước.
Dòng khí Biogas sau khi đã qua xử lý loại bỏ H2S được đưa vào cụm máy nén để tăng áp nhằm tách loại CO2, đồng thời có thể lưu trữ nhiên liệu Biogas ở trạng thái khí có tỷ lệ đậm đặc. Quá trình nén trên còn có tác dụng làm tăng hệ số kích nổ cho nhiên liệu Biogas.
Các máy nén C1, C2, C3, C4 lần lượt làm việc ở các áp suất 4 bar, 16 bar, 64 bar, 200 bar.
Dòng sản phẩm cuối được nén đến 200 bar để lưu trữ.
Lựa chọn mô hình nhiệt động:
• Với mô hình nhiệt động BK10:
Kết quả tính toán của Pro/II như sau: (nhiệt độ làm lạnh 30oC)
Từ các số liệu trên ta tiến hành thiết lập mô phỏng hệ thống nén Biogas có hồi lưu khí.
Trong sơ đồ công nghệ này gồm có:
• Bảy bình tách sản phẩm lỏng và hơi.
• Một bình trộn hỗn hợp sau khi tách sản phẩm lỏng.
Hình 3.3: mô phỏng hệ thống nén Biogas có hồi lưu khí.
Tiến hành thiết lập mô phỏng hệ thống nén Biogas không có hồi lưu khí. Trong sơ đồ công nghệ này gồm có:
• Bốn máy nén có thiết bị làm lạnh dòng sản phẩm bằng không khí. • Ba bình tách sản phẩm lỏng và hơi.
• Với mô hình nhiệt động NRTL:
So với mô hình nhiệt độngNRTL thì mô hình BK10 hiệu quả kinh tế cho quá trình nén Biogas tốt hơn.
Chú thích:
Stream Name: Tên dòng
Stream Description : Mô tả dòng Phase: Pha
Vapor: Pha hơi Liquid: Pha lỏng Temperature: Nhiệt độ Pressure: Áp suất Flowrate: Lưu lượng
4 THIẾT KẾ LẮP ĐẶT TRẠM HỆ THỐNG NÉN KHÍ BIOGAS4.1 Sơ đồ hệ thống nén khí 4.1 Sơ đồ hệ thống nén khí
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống nén khí Biogas 1. Hầm chứa khí Biogas 2. Đường ống dẫn khí từ hầm ra 3. Van mở khí đến bơm đẩy khí 4. Bơm đẩy khí 5. Bộ lọc khí Biogas 6. Quạt làm mát 7. Bình tách khí/nước 8. Đường ống nén khí cao áp 9. Đai ốc 10. Co nối 11. Van bi 12. Van ba ngã 13. Đồng hồ đo áp 14. Đầu nối 15. Van đầu bình 16. Bình tích khí nén 17. Giá đỡ cố định bình chứa khí nén 18. Van xả khí/ nước 19. Động cơ điện 20. Động cơ nén
4.2 Khảo sát máy nén cao áp [5]
4.2.1 Giới thiệu máy nén
Máy nén CNG kiểu XF-3 (0,025-250) là một thiết bị tạo áp lực khí tự nhiên được sử dụng để nén khí và đưa vào các thiết bị gia đình sử dụng, khí tự nhiên sử dụng để cung cấp nhiên liệu sạch cho động cơ – ôtô, tức là áp lực sử dụng với áp suất khí tự nhiên từ 200-250 bar với thời gian nén đầy khí từ 3-6 giờ mỗi lần nạp (phụ thuộc vào thể tích bình chứa). Máy nén có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, hiệu suất cao, an toàn và đáng tin cậy trong hoạt động, bền và kinh tế khi sử dụng.
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật chính:
STT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ghi chú
1 Kiểu máy nén piston X 4 Hình sao
2 Kiểu làm mát F Không khí
3 Lưu lượng nén khí Q 3 Nm3/ h (1bar, 00C)
4 Áp suất nạp (đầu vào) p0 0,025 bar
5 Áp suất nén cực đại (đầu ra) p4 250 bar
6 Hành trình máy nén S 14 mm
7 Số cấp máy nén i 4
8 Nhiệt độ khí nạp t 10 0C
9 Áp suất đầu ra cấp 1 p1 4 bar
10 Áp suất đầu ra cấp 2 p2 18 bar
11 Áp suất đầu ra cấp 3 p3 70 bar
12 Áp suất đầu ra cấp 4 p4 210 bar
13 Số vòng quay động cơ điện n 1680 Vg/ph
14 Công suất động cơ điện N 2,2 kW
15 Nguồn điện cung cấp U 220-240 V
16 Tần số của động cơ điện f 60 Hz
17 Cường độ dòng điện I 12 A
18 Độ ồn của máy khí làm việc j 55 dB
19 Trọng lượng máy nén G 115 Kg
20 Dầu yêu cầu GCS 150 (BP)
21 Kích thước tổng thể LxWxH 750 x 550 x 550 mm
22 Tiêu chuẩn khí nạp không chứa lưu huỳnh, nước và các hạt rắn
4.2.2 Đặc điểm kết cấu cơ bản máy nén
Máy nén này chủ yếu bao gồm các thiết bị động cơ nén, thiết bịp điều khiển, quạt làm mát, bộ tách dầu /khí, đường ống, các chi tiết an toàn và khung hình, vv. Đầu tiên khí đi qua đường ống nạp của cấp thứ nhất, khí được nén ở cấp thứ nhất, khí nén ở cấp này được làm mát và đi vào cấp nén thứ hai, cũng như vậy, khí nén lần lượt đi qua cấp nén thư ba và cấp nén thứ 4, áp suất của khí nén tự nhiên sẽ được nâng lên 20MPa-25MPa. Cuối cùng khí nén tự nhiên được thải ra ngoài với áp suất cao qua bình lọc nơi dầu còn sót lại sẽ được lọc và nạp vào đường ống áp lực cao để nạp cho thiết bị tiêu thu. Máy nén có gắn động cơ khởi động và van an toàn áp suất trên đường thải. Nếu khí được nén đến giá trị giới hạn (điều chỉnh rơ le ngắt nguồn điện cung cấp theo áp suất), máy nén sẽ tự động ngừng làm quá trình nén. Ngoài ra, có một van an toàn để ngăn hiện tượng quá áp.
1. Đồng hồ đo áp suất khí nạp 2. Cổng đổ dầu bôi trơn 3. Đường khí ra 4. Đường khí nạp 5.Van xả nước 6. Nút khởi động 7. Nút dừng 8. Đồng hồ đo áp suất ở các cấp nén
9. Đường khí tới rowle áp suất 10. Bình tách dầu/khí 11. Quạt làm mát 12. Đường ống dẫn khí giữa các cấp 13. Động cơ điện 14. Van an toàn 15. Đường ống xả nước, khí
16. Dây điện đến thiết bịp điều khiển
17. Thiết bị điện điều khiển 18. Dây đai truyền động 19. Rơ le áp suất.
Hình 4.2: Các bộ phận trong máy nén cao áp.
4.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy nén
18 19 17 1 5 16 1 2 3 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy nén và các phần tử máy nén.
1. Đường khí vào
2. Áp kế đường khí nạp (0-1,5 bar) 3. Van an toàn
4. Áp kế cấp nén 1 (0-10 bar)
5. Ống mềm đặc biệt nối van và áp kế 6. Cấp nén 1
7. Áp kế cấp nén 2 (0-40 bar) 8. Đai ốc nối ống đầu vào khí
13. Áp kế cấp nén 3 (0-160 bar) 14. Cấp nén 3 15. Các te (hợp kim nhôm) 16. Lổ bulông gắn quạt 17. Cấp nén 4 18. Van một chiều 19. Rơ le áp suất
9. Đai ốc nối tới van và áp kế 10. Cấp nén 2
11. Đai ốc nối ống đầu ra khí 12. Ống dẫn khí (bằng đồng)
21. Bình tách dầu/khí 22. Áp kế cấp nén 4 23. Van xả khí/nước
24. Đường ống xả khí/nước
Nguyên lý làm việc của máy nén:
Sau khi nhấn nút xanh khởi động, động cơ điện truyền mô men quay tới trục khuỷu của máy nén qua cơ cấu truyền động puly đai với tỷ số truyền 1:1. Máy nén hoạt động, làm cho dòng khí được nạp theo đường ống 1 đi vào cấp thứ nhất của máy nén. Khí sau khi đi qua cấp đầu tiên, được làm mát bằng không khí (dùng quạt cưởng bức) và được nén tới áp suất nhất định nào đó và khí nén được đi tiếp vào cấp nén thứ hai. Tại đây, khí nén cũng được nén tới áp suất nhất định, được làm mát và đi vào cấp tiếp theo. Cứ như thế khí nén đi vào cấp thứ ba, thứ tư. Khí nén ở áp suất cao, sau khi đi vào bình chứa khí được đi qua bình tách/lọc 21 dầu và khí để khí nén được sạch và tinh khiết hơn khí ban đầu chưa được nén.
Máy nén khí nén khí tới áp suất nhất định 200bar (áp suất này được thiết lập sẵn tùy nhu cầu mà người dùng cần nén) thì rơ le áp suất 19 tác động làm ngắt nguồn điện cung cấp tới động cơ điện làm cho máy nén ngừng làm việc để đảm bảo an toàn cho máy nén và các phần tử trong hệ thống nén.
4.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động các phần tử của máy nén [12]
4.4.1 Rơ le áp suất.
Rơle áp suất thường dùng trong hệ thống khí nén – thủy lực của các máy tự động và bán tự động. Phần tử này được dùng như là một cơ cấu phòng quá tải, tức là có nhiệm vụ đóng hoặc mở các công tắc điện, khi áp suất trong hệ thống vượt quá giới hạn nhất định và do đó làm ngưng hoạt động của hệ thống. Vì đặc điểm đó nên phạm vi sử dụng của rơle áp suất được dùng rất rộng rãi, nhất là trong phạm vi điều khiển. Trong hệ thống điều khiển điện - khí nén, rơle áp suất có thể coi là phần tử chuyển đổi tín hiệu khí nén – điện. Trong thủy lực nó là phần tử chuyển đổi tín hiệu dầu – điện.
1 2 3 4 7 8 6 5 9 10
a) Khi rơ le áp suất chưa làm việc b) Khi rơ le áp suất làm việc
Hình 4.4: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động rơle áp suất.
1 - Hai tiếp điểm nối với công tắc nguồn. 2 - Lò xo hồi vị màng chắn 7. 3 - Nòng. 4 - Lò xo ép piston 6. 5 - Lò xo ép nòng 3. 6 - Piston. 7 - Màng chắn.
8 - Khí nén cao áp tác dụng lên mặt đầu