CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN BỂ KHỬ KHÍ VÀ TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỂ KHỬ KHÍ
2.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN BỂ KHỬ KHÍ
Vấn đề mô hình hóa cho Bể khử khí trong các nhà máy nhiệt điện, nhà máy lọc dầu hiện nay có nhiều bài báo, tạp chí trên thế giới đƣa ra vấn đề mô hình hóa bể khử khí tại các diễn đàn, hội nghị khoa học trên thế giới.
Bể khử khí DA-3201 có phần chứa nước khử khí (Storage section) bên dưới và
phần gia nhiệt (Heater section) bên trên để gia nhiệt cho bể khử khí. Về công nghệ, có 2 đầu và 2 đầu ra vào đó là:
- Đầu vào nước ngưng tụ (Condensate water)
- Đầu vào hơi thấp áp (LP steam) để gia nhiệt cho bể - Đầu ra nước cấp cho lò hơi (Boiler feed water)
- Đầu ra khí không ngƣng (Exhaust steam) thoát ra khi quyển 2.2.2. Xây dựng mô hình toán cho bể khử khí DA-3201
2.2.2.1. Mô hình công nghệ và các cấu trúc điều khiển
Bể khử khí tại Nhà máy Lọc dầu Dung Quất có mô hình công nghệ và cấu trúc điều khiển nhƣ Hình 2.2
Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ và cấu trúc điều khiển bể khử khí DA-3201 Để mô hình hóa đơn giản ta đƣa ra các giả định sau:
1) Bỏ qua bức xạ nhiệt thoát ra khí quyển.
2) Khối lượng riêng của nước là một hàm của áp suất hoặc nhiệt độ.
3) Chỉ có 20% kim loại của bể khử khí tham gia phản ứng nhiệt [8]
4) Bỏ qua ảnh hưởng của các đường tiêm hóa chất vào bể
2.2.2.2. Xây dựng phương trình cân bằng trong bể khử khí
Phương trình cân bằng khối lượng hơi.
Từ sơ đồ công nghệ Hình 2.2 ta định nghĩa các số liệu công công nghệ nhƣ sau:
Vd là thể tích bể khử khí, là thể tích chế tạo của nhà sản xuất.
Vdw là thể tích nước trong bình khử khí, Vdw là biến thay đổi theo thực tế vận hành, thay đổi Vdw là thay đổi mức nước trong bể
ρs là tỉ trọng hơi bảo hòa, tra theo tiêu chuẩn công nghiệp IAPWS IF97 tại điểm làm việc của bể là 1.5Kg/cm2
Dis1 là lưu lượng hơi làm nóng đi vào phần tháp khử khí, Dis1 là một biến thay đổi theo thực tế vận hành, Dis1 thay đổi tăng hay giảm để đảm bảo giữ cho áp suất trong bể ổn định.
Dv là lượng nước bốc hơi từ mặt thoát của bể lên không gian bên trên, Dv cũng là thông số thay đổi theo vận hành
Dso là lƣợng hơi xả thải, gồm các khí không ngƣng xả ra khí quyến, Dso rất nhỏ, chiếm 0.01% lƣợng hơi đƣa vào bể. Dso cũng là thông số thay đổi theo thực tế vận hành
Dn là lượng hơi ngưng tụ từ hơi nước vào đưa xuống phần bể chứa. Dn cũng thay đổi theo thực tế vận hành, lƣợng hơi vào càng nhiều thì Dn càng lớn
Ta thấy thể tích phần chứa hơi trong không gian bể thay đổi theo thời gian nên ta có:
Phương trình cân bằng khối lượng hơi là:
d[(Vd Vdw)ρs]
d = Dis1 Dv Dn Dso ( )
Phương trình cân bằng khối lượng nước:
Từ sơ đồ công nghệ Hình 2.2 ta định nghĩa các số liệu nhƣ sau:
ρw là tỉ trọng nước của bình khử khí, tra theo tiêu chuẩn công nghiệp IAPWS IF97 tại điểm làm việc của bể với áp suất là 1.5Kg/cm2
Dsi2 là lưu lượng hơi làm nóng đi vào bể chứa nước bên dưới, Dsi2 là một biến thay đổi theo thực tế vận hành tương tự như Dsi1
Dwi là lưu lượng nước đi vào bể. Dwi là một biến thay đổi theo thực tế vận hành
Dwo là lưu lượng nước đầu ra cấp chocác phụ tải tiêu thụ trong nhà máy, Dwo thay đổi theo nhu cầu sử dụng của các phụ tải.
Ta có phương trình cân bằng khối lượng nước như sau:
d(Vdw ρw)
d = Vdw d ρw
d ρw dVdw
d = Dwi Dsi2 Dn Dv Dwo ( )
Phương trình cân bằng năng lượng:
Để xây dựng phương trình cân bằng năng lượng, các tham số bão hòa tra theo tiêu chuẩn công nghiệp IAPWS IF97 về động lực học của hơi và nươc ở trang thái bảo hòa tại điểm làm việc của bể là 1.5Kg/cm2. Ta có kết quả sau:
Pd là áp suất hơi bão hòa, chính là áp suất trong bể, nó thay đổi tùy thuộc vào điều kiện vận hành
Hs là entanpi hơi bão hòa
Hw là entanpi nước bão hòa
Hsi là entanpi hơi nung nóng
Hwi là entanpi nước đi vào bể
cd là nhiệt dung riêng của kim loại khử khí (bể chế tạo từ thép)
Md là khối lƣợng kim loại chế tạo bình khử khí, số liệu do nhà sản xuất lấy từ hồ sơ chế tạo thiết bị [13].
ts là nhiệt độ hơi bão hòa
A là hệ số chuyển đổi đơn vị.
Dsi = Dsi1+ Dsi2 là số lượng lưu lượng hơi nước nóng đi vào bể. Với Dsi1 là phần hơi đi vào tháp khử khí phía trên, Dsi2 là phần hơi sục vào bể chứa nước bên dưới (trong thực tế bể khử khí DA-3201 không dùng hơi này nên Dsi2=0)
Từ phương trình 2.1 và 2.2 ta có phương trình cân bằng năng lượng như sau:
d[(Vd Vdw)ρsHs dw w w d d s d d]
d Dsi si Dwi wi DsoHs
DwoHw ( )
Tính lượng nước ngưng tụ từ hơi nước Dn và lượng nước bốc hơiDv mặt thoáng.
Hơi nung nóng đi vào bể tác động với nước phun ra từ các hệ thống vòi phun trên tháp khử khí, chúng sẽ giảm nhiệt độ và ngưng tụ thành nước với lượng ngƣng tụ là:
Dn(Hs Hw) Dwi(Hw Hw) si1 ( si Hs) (2.4)
Theo tính chất động lực học của nước và hơi, tại trạng thái bão hòa ta có các phương trình trạng thái tham số bão hòa là [8]:
Phương trình (2.5) chỉ ra rằng các tham số bão hòa liên quan đến tỉ trọng hơi bão hòa ρs. Có thể tính đƣợc fx1 đến fx5 bằng công thức với các tham số bão hòa tra theo tiêu chuẩn công nghiệp IAPWS IF97 đối với các tính chất nhiệt động lực của nước và hơi.
Thay (2.5) vào (2.3), ta đƣợc:
[(Vd Vdw) ρs fx1 d d fx4 (Vd Vdw)ρs fx2 d fx5]dρs
d = si1 ( si Hs) Dsi2( si Hw) Dn(Hs Hw) Dwi( Hw Hwi) Dv(Hs Hw).
(2.6) Đặt:
Fx0
(Vd Vdw) ρs fx1 (Vd Vdw)ρs fx2 d d fx4 d fx5
Hs Hw
Ta có được lượng nước bốc hơi khỏi mặt thoáng bể chứa là:
Dv
Dsi2( si Hw) Hs Hw Fx0
dρs
d ( ) Từ phương trình (2.2) ta có:
dVdw
d 1
ρw Dwi Dsi2 Dn Dwo
Dsi2( si Hw) Hs Hw Fx0
dρs
d w fx3
dρs
d ] ( ) Từ phương trình (2.1) ta có:
dHs dτ
dHs dρs ∙
dρs
dτ fx1 dρs dτ dHw
dτ
dHw
dρs ∙
dρs
dτ fx2
dρs
dτ 𝑑𝜌w
dτ
𝑑𝜌w
dρs ∙ dρs
dτ fx3 dρs dτ dts
dτ dts dρs∙
dρs
dτ fx4 dρs dτ dPd
dτ
dPd dρs ∙
dρs
dτ fx5 dρs dτ
(2.5)
(2.5)
dρs
d
Dis1 Dn Dso ρw ρs
ρw
Dsi2(Hsi Hw) Hs Hw
ρs
ρw(Dwi Dsi2 Dn Dwo ) Vd Vdw Fx0 ρs
ρw (Vdw fx3 Fx0 )
( )
Từ phương trình (2.8) và (2.9), ta có kết luận như sau:
Áp suất hơi trong bể khử khí Pd có liên quan đến tỉ trọng hơi ρ , chúng có thể được tính toán bằng các hàm chức năng nhiệt động lực học hơi nước.
Mức nước trong bể khử khí Ld có liên quan đến Vdw, có Vdw ta có thể xác định được mức nước trong bể từ các công thức hình học.
Hai phương trình (2.8) và (2.9) là 2 phương trình mô tả quá trình động học trong bể khử khí, mô tả đặt tính của đối tượng bể khử khí. Các phương trình này là cơ sở để tính toán, thiết kế các bộ điều khiển và mô phỏng đối tƣợng.