CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU, PHÂN XƯỞNG THU HỒI VÀ XỬ LÝ NƯỚC NGƯNG, BỂ KHỬ KHÍ TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU
1.3. GIỚI THIỆU BỂ KHỬ KHÍ, VAI TRÒ CỦA BỂ KHỬ KHÍ TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT
1.3.1. Sự cần thiết của việc khử khí cho nước ngưng tụ trong nhà máy
Các khí hòa tan có trong nước gây ra nhiều vấn đề về ăn mòn. Oxy hòa tan trong nước sẽ gây rỗ bề mặt, khí cacbonic thường gây ăn mòn ở hệ thống ngưng tụ, đặc biệt tại đây khí cacbonic kết hợp với nước tạo thành axit cacbonic gây ăn mòn sắt trong các đường ống. Khi quay lại nồi hơi chất này sẽ tạo kết tủa, tạo cặn bám nồi hơi
và đường ống. Nước có chứa amoni, đặc biệt là oxy sẽ tấn công làm oxy hóa đồng và các hợp kim của đồng. Kết quả của sự ăn mòn này dẫn đến sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiêt nồi hơi và làm giảm hiệu suất cũng nhƣ tốn nhiều năng lƣợng. Vì vậy việc khử khí cho nước cấp cho lò hơi, thiết bị trao đổi nhiệt trong nhà máy nhiệt điện nói chung và nhà máy Lọc dầu nói chung là hết sức cần thiết để duy trì hoạt động ổn định liên tục của thiết bị.
1.3.2. Giới thiệu chung về bể khử khí DA-3201
Bể khử khí DA-3201 là hệ thống gồm 2 bể khử khí DA-3201A và DA-3201B giống nhau hoàn toàn đƣợc thiết kế theo nguyên tắc một bể hoạt động, một bể dự phòng. Bể được lắp đặt tại Phân xưởng thu hồi và xử lý nước nước thuộc Unit 32. Vì là hai hệ thống hoàn toàn giống nhau nên trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn sẽ xét đến 1 hệ thống bể khử khí chung gọi là DA-3201.
Bể khử khí DA-3201 tại nhà máy lọc dầu Dung Quất đƣợc tập đoàn TERMOCHIMICA IMPIANTI - Italy sản xuất theo đơn đặt hàng số: 8474L-500-PO- 0845-001-53025 do tổ hợp Nhà thầu Technip mua sắm và cung cấp cho dự án Nhà máy Lọc dầu Dung Quất. Bể đƣợc lắp đặt trên hệ thống khung sàn công nghệ cao khoảng 20 mét so với mặt đất để đảm bảo độ cao đầu hút yêu cầu của bơm cấp nước.
Bể khử khí DA-3201 đƣợc đặt ngoài trời trên khung đỡ bằng bê tông cốt thép nhƣ Hình 1.6
Hình 1.6: Hình ảnh bể Khử khí DA-3201 tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất
1.3.3. Cấu tạo và thông số thiết kế của bể khử khí DA-3201.
Bể khử khí đƣợc cấu tạo gồm 2 phần chính:
Phần bể chứa nước (Storage Section): Nước sau khi được trao đổi nhiệt với hơi được chạy xuống bể chứa bên dưới. Phía đáy bể chứa có 3 ống đầu ra cấp nước cho phụ tải, bể cần được duy trì mức nước ổn định để cung cấp cho lò lơi và các thiết bị khác trong nhà máy. Phần chứa nước được lắp đặt thiết bị đo mức kiểu chênh áp để đo mức nước trong bể, thiết bị đo áp suất tuyệt đối của bể để đưa tín hiệu về hệ thống điều khiển DCS nhà máy để việc giám sát, điều khiển. Cấu trúc bể khử khí nhƣ Hình 1.7
Hình 1.7: Cấu trúc bể Khử khí DA-3201 tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất [13]
Phần tháp khử khí (Heater Section): đặt phía trên, nước ngưng tụ đưa vào bể từ phía trên cao với hệ thống vòi phun để phun chia nhỏ tia nước, hơi thấp áp được đưa vào bể ở phía dưới đi lên. Chi tiết như Hình 1.8
Hình 1.8: Cấu tạo phần Tháp khử khí, các vòi phun của bể khử khí DA-3201[13]
Quá trình 2 dòng công nghệ ngƣợc nhau giúp trao đổi nhiệt giữa hơi nóng và nước được thuận lợi. Bể khử khí được bọc lớp cách nhiệt toàn bộ thân bể để tránh mất nhiệt tản ra môi trường không khí.
Các thông số kỹ thuật của bể khử khí DA-3201 đƣợc nhà sản xuất cho ở Bảng 1.2.
Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của bể khử khí DA-3201 [13]
Thông số kỹ thuật Giá trị/đơn vị
Dung tích chứa 384.68 m³
Kiểu khử khí Spray- Tray
Áp lực làm viêc/Operating pressure 0.53 kg/cm2
Áp lực thiết kế/Design pressure 3.5 kg/cm2 and full vacuum Nhiệt độ làm việc/Operating temperature 112°C
Nhiệt độ thiết kế/Design temperature 230°C Phần bể chứa nước (Storage Section)
Kích thước (Dài x Rộng x Cao) 15102 x 4496 x 5047mm
Dung tích thiết kế 386.681 m³
Công suất thiết kế 400 Tấn/giờ
Trọng lƣợng 31815 kg
Đường kính trong/Int. diameter 3700 mm Độ dày thành bình/Shell thickness 16 mm Dung tích làm việc/Operating capacity 154.5 m³ Phần tháp khử khí (Heater Section)
Kích thước: LxWxH 8193x2710x3352mm
Dung tích thiết kế 74.424 m³
Trọng lƣợng 12810 kg
Đường kính trong/Int. diameter 2400 mm
Độ dày thành bình/Shell thickness 12 mm Dung tích làm việc/Operating capacity 31 m³
Số đầu van phun/Number of Spray Valves 52 1.3.4. Nguyên lý làm việc của bể khử khí
Không khí hòa tan trong nước ngưng, nước cấp và nước bổ sung có chứa khí xâm thực (O2, CO2 ) gây ăn mòn thiết bị và đường ống dẫn trong Nhà máy. Để bảo vệ chúng khỏi sự ăn mòn của khí trong nước, người ta áp dụng biện pháp tách khí hòa tan ra khỏi nước – gọi là khử khí cho nước. Khả năng hòa tan của chất khí bất kỳ trong một chất lỏng tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của khí ở bề mặt chất lỏng. Độ tan của chất khí trong một chất lỏng giảm khi tăng nhiệt độ chất lỏng. Nhƣ vậy có thể khử khí bằng cách tăng nhiệt độ, quá trình này dựa trên cơ sở sau:
Theo định luật Henri thì lượng khí hòa tan trong nước (nồng độ khối lượng của nó) ở nhiệt độ đã cho tỉ lệ với áp suất của khí trên bề mặt thoáng của nước.
Theo định luật Henri – Đantơn thì lƣợng khí Gj có trong hỗn hợp khí và hòa tan trong nước ở nhiệt độ không đổi, tỉ lệ với phần áp suất của nó pj trên bề mặt thoáng của nước:
Gj = Kjpj
Ở đây Kj là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào loại khí, áp suất và nhiệt độ của nó.
Theo định luật này thì thành phần tương đối của các chất khí có trong không khí hòa tan trong nước sẽ khác với thành phần của chúng trong không khí.
Chẳng hạn, ở nhiệt độ 0 °C và áp suất khí quyển, nước chứa (tính theo thể tích) 34.9% oxy (trong không khí là 21%); 2.5% CO2 (trong không khí là 0.04%); 62.6%
nitơ và các khí khác (trong không khí là 78.96%).
Gây ăn mòn chính cho kim loại chế tạo thiết bị và đường ống là ôxy. Nó có nhiều trong không khí và hòa tan nhiều trong nước.
4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 Hệ số ăn mòn của Ôxy:
KÔxy=
=
= 2.34
Đặc biệt khi có CO2 thì tác động ăn mòn của ôxy tăng lên rất nhiều:
Fe + 2CO2 + 2H2O = Fe(HCO3)2 + H2 4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 + 8CO2
Lúc này:
KÔxy =
= = 7
Bởi vậy CO2 được xem là chất xúc tác ăn mòn của ôxy đối với kim loại vì cường độ ăn mòn của chính bản thân CO2 đối với kim loại rất nhỏ.
KCO2 =
=
= 0.64
Rõ ràng rằng khi có CO2, cường độ ăn mòn của ôxy với kim loại tăng lên 3 lần.
Khi gia nhiệt cho nước ở áp suất không đổi p = const, khí hòa tan trong nước dần dần được thoát ra. Khi nâng nước tới nhiệt độ bão hòa, phân áp suất (áp suất riêng phần) của hơi nước trên bề mặt thoáng của nước đạt tới áp suất toàn phần. Còn phần áp suất và hàm lượng các chất khí tương ứng trong nước hạ tới không. Nước đã được khử các chất khí hòa tan trong chúng.
Nếu nước không được gia nhiệt tới giá trị bão hòa (ở áp suất đã cho) thì hàm lượng các chất khí còn lại trong nước sẽ tăng lên (đặc biệt là ôxy).
Để đuổi hết các khí hòa tan trong nước ra khỏi nước, ngoài giữ nhiệt độ của nước bằng với nhiệt độ bão hòa ứng với áp suất trong bình, còn phải đảm bảo đủ thời gian, đủ bề mặt tiếp xúc giữa hơi và nước và phải đảm bảo việc thoát hơi ra khỏi Bình khử khí. Lượng oxy còn lại trong nước sau khi khử khí bằng nhiệt sẽ được vô hiệu hóa thêm bằng cách kết hợp nó với chất phản ứng hóa học.
1.3.5. Vai trò nhiệm vụ của khử khí đối với vận hành nhà máy
Bể khử khí là một trong những thiết bị đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong phân xưởng thu hồi và xử lý nước ngưng. Ngoài việc giữ nhiệt độ của nước trong bể khử khí ở nhiệt độ bão hòa, bể khử khí còn là nơi cấp nước cho các phân xưởng công nghệ cho các mục đích sau: Cung cấp nước sinh hơi cho lò hơi CO (RFCC) chiếm 40%
lƣợng hơi của nhà máy, các thiết bị sinh hơi Thấp áp, trung áp và cao áp của phân xưởng RFCC như E-1503, E1504, E-1505..., Ngoài ra chúng còn cung cấp nước cho thiết bị sinh hơi cao áp tại SRU và cung cấp nước giảm ôn cho các dòng hơi để điều khiển nhiệt độ, các dòng hơi đi vào các thiết bị quay quan trọng, các bơm, máy nén,…
. Nếu mất nước cấp tại DA-3201 thì các sẽ không cấp nước BFW liên tục cho các phân xưởng công nghệ được, sẽ dẫn đến hầu như dừng toàn bộ các phân xưởng công nghệ liên quan nhƣ RFCC, LTU, NTU, PRU, CCR, NHT, ISOM, LCO-HDT, PP Plant, SRU. Chính vì vậy việc điều khiển để giữ mức nước trong bể khử khí ổn định là một công việc quan trọng sống còn đối với nhà máy, yêu cầu bộ điều khiển có đáp ứng nhanh, ổn định và tin cậy.
1.3.6. Các dòng công nghệ vào ra, các điểm mức làm việc của bể.
1.3.6.1. Các dòng công nghệ vào ra
Các dòng công nghệ vào ra của bể khử khí như Hình 1.8, trong đó dòng nước vào DW, đường hơi thấp áp cấp cho bể SL. Đường tiêm hóa chất bằng bơm định lượng (Chemical dosing) và một số đường công nghệ vào khác có lưu lượng quá nhỏ và bơm không thường xuyên nên hầu như không ảnh hưởng đến quá trình điều khiển các chỉ số mức và áp suất. Các dòng vào – ra của bể nhƣ Hình 1.9.
Hình 1.9: Các dòng vào – ra của bể Khử khí DA-3201
Đầu vào: Bể có 1 đường cấp nước vào chính có lưu lượng lớn nhất đạt 275m3/h (Nước ngưng tụ từ dây chuyền công nghệ đưa về sau khi xử lý xong đưa vào bể này). Đầu vào hơi bão hòa 4Kg/cm2 để nâng nhiệt độ nước cấp và giữ áp suất trong bể khoảng 1.5 Kg/cm2 để quá trình tách khí là tốt nhất.
Đầu ra: Bể có ba đường ra để cung cấp nước cho lò hơi CO (RFCC) với lưu lƣợng chiếm 40% lƣợng hơi của nhà máy, các thiết bị sinh hơi thấp áp, trung áp và cao áp của phân xưởng RFCC và các phân xưởng công nghệ khác,....
1.3.6.2. Các mức nước làm việc của bể khử khí
Chế độ làm việc bình thường: Mức nước làm việc bình thường yêu cầu thường xuyên ở mức NL (Nomal level) =2775mm, tương ứng 75% chiều cao bể. Mục tiêu điều khiển mức nước làm việc ở mức này
Các mức làm việc bình thường và các mức cảnh báo: cao (HL), cực cao (HHL), thấp (LL), cực thấp (LLL) đƣợc thể hiện trên Hình 1.10
Hình 1.10: Các mức nước làm việc và cảnh báo của bể Khử khí DA-3201 [13]
Khi mức nước xuống đến mức LL (LowLow) = 740mm, tương ứng 30% chiều cao bể thì hệ thống báo động và khi thấp ở mức LLL (low low level) = 300mm hệ thống sẽ dừng các bơm đầu ra.
Nếu mức nước tăng lên mức HL (hight level) = 2960mm, tương ứng 80% chiều cao bể, hệ thống báo động.
Nếu tiếp tục tăng lên HHL (high thight level) = 3145mm hệ thống sẽ ngừng cấp đầu vào.
1.3.7. Yêu cầu và những vấn đề tồn tại trong điều khiển bể khử khí DA-3201 1.3.7.1.Yêu cầu và mục tiêu điều khiển
Yêu cầu về điều khiển: Theo yêu cầu công nghệ, để bể hoạt động ổn định và hiệu quả thì bể khử khí có 2 thông số cần được kiểm soát đó là mức nước và áp suất trong bể cần kiểm soát trong giới hạn đảm bảo an toàn sản xuất và hiệu quả cao nhất có thể, đây là một công việc quan trọng đòi hỏi hệ thống điều khiển luôn hoạt động tin cậy và hiệu quả. Cụ thể nhƣ sau:
Mức nước trong bể: cần được duy trì ở mức bình thường 75% chiều cao bể, đảm bảo độ dự trữ đủ nước cần thiết để duy trì các hoạt động của lò hơi và các thiết bị công nghệ tại các phân xưởng khi hoạt động bình thường cũng như khi
có biến động lớn hoặc sự cố.
Áp suất trong bể: cần duy trì ở giá trị bão hòa để quá trình tách khí trong bể đạt hiệu quả cao nhất nhằm giảm hàm lượng O2 trong nước xuống 0,005 mg/l.
Đây là mục tiêu công nghệ cần đạt đƣợc
Mức độ quan trọng: Nếu mất nước cấp tại DA-3201 thì các sẽ không cấp nước liên tục cho các phân xưởng công nghệ được, sẽ dẫn đến hầu như dừng toàn bộ các phân xưởng công nghệ liên quan và cuối cùng sẽ dừng toàn bộ nhà máy. Đây là một vấn đề rất quan trọng, nó ảnh hưởng đến an toàn sản xuất của nhà máy cũng nhƣ an ninh năng lƣợng quốc gia.
Mục tiêu điều khiển: Nâng cao độ ổn định mức nước và áp suất trong bể, khử được tương tác xen kênh trong điều khiển nhằm nâng cao chất lượng điều khiển 1.3.7.2. Hệ thống điều khiển bể khử khí DA-3201 hiện nay và những tồn tại
Hệ thống điều khiển cho bể khử khí DA-3201 gồm điều khiển mức nước và áp suất trong bể. Mức nước cần ổn định để đảm an toàn công nghệ trong việc cấp nước cho các lò hơi, áp suất cần giữ ổn định để quá trình công nghệ trong bể đạt hiệu quả khử khí cao nhất
Điều khiển áp suất: Áp suất trong bể đƣợc điều khiển bởi bộ điều khiển PIC- 027. Tín hiệu áp suất hơi đƣa về từ bộ đo áp suất hơi PT-027, bộ điều khiển nhận tín hiệu áp suất đƣa về so sánh với giá trị cái đặt để xuất tín hiệu đến van điều khiển PV- 027 để điều tiết lƣợng hơi vào nhằm ổn định áp suất trong bể.
Điều khiển mức: Mức nước bể khử khí DA-3201 được điều khiển bằng bộ điều khiển mức LIC-011. Mức nước của bể được đo bằng thiết bị đo mức theo nguyên lý chênh lệch áp suất, thiết bị này gởi tín hiệu mức nước về bộ điều khiển LIC-011. Bộ điều khiển LIC-011 so sánh với giá trị đặt xuất tín hiệu van điều khiển LV-011 để điều khiển vào bể khử khí.
Những tồn tại về điều khiển: Mức nước trong bể DA-3201 được điều khiển bằng bộ điều khiển PI có tên là LIC-011 có hệ số Kp, Ki cố định, bộ điều khiển này làm việc tốt khi các thông số mô hình bể nước ổn định. Nếu trong quá trình làm việc, các đầu ra phụ tải Q01, Q02 và Q03 vì một lý do nào đó đóng hoặc mở đột ngột thì mức nước của bể sẽ có sự thay đổi đột ngột và bộ điều khiển này không đáp ứng kịp để giữ mức nước bể ổn định do các hệ số Kp, Ki ban đầu không còn phù hợp với điều kiện làm việc mới của bể. Lúc này nhân viên vận hành phải chuyển bộ điều khiển về chế độ vận hành bằng tay, đóng mở các van tay để giữ mức nước ổn định. Ngoài ra vấn đề tương tác giữa áp suất và mức trong quá trình điều khiển chưa được lưu ý và có biện pháp khắc phục.