Nghiên cứu tận dụng nhiệt ở hệ thống thu hồi và xử lý nước ngưng unit 32 tại nhà máy lọc dầu dung quất
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.8 MB, 107 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------
NGÔ ĐỨC KHÁNH
NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG NHIỆT
Ở HỆ THỐNG THU HỒI VÀ XỬ LÝ NƯỚC NGƯNG UNIT 32 TẠI NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC
Đà Nẵng – Năm 2019
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------
NGÔ ĐỨC KHÁNH
NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG NHIỆT
Ở HỆ THỐNG THU HỒI VÀ XỬ LÝ NƯỚC NGƯNG UNIT 32 TẠI NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT
Chuyên ngành : KỸ THUẬT HÓA HỌC
Mã số:
8520301
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN ĐÌNH LÂM
Đà Nẵng – Năm 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Tác giả
Ngô Đức Khánh
TÓM TẮT
NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG NHIỆT Ở HỆ THỐNG THU HỒI VÀ XỬ LÝ NƯỚC
NGƯNG – UNIT 32 TẠI NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT
Học viên: Ngô Đức Khánh. Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
Mã số: 8520301. Khóa: K35. Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắt – Hệ thống thu hồi và xử lý nước ngưng của Nhà máy lọc dầu Dung Quất là một
trong những hệ thống phụ trợ quan trọng giúp thu gom nước ngưng từ các hộ tiêu thụ, xử lý và
cung cấp nước trở lại chu trình hơi. Qua số liệu thiết kế và vận hành, chúng tôi nhận định có
thể tận dụng nhiệt bằng cách cho dòng nóng trao đổi nhiệt với các dòng lạnh thay vì làm mát
bằng không khí. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp mô phỏng để kiểm tra lại tính chất của các
dòng công nghệ theo điều kiện thiết kế rồi trích xuất số liệu, sử dụng kỹ thuật pinch để khảo
sát sơ đồ công nghệ hiện có. Kết quả cho thấy có sự làm mát ở vùng phía trên điểm pinch làm
tăng nhu cầu nhiệt 10,64 MW. Với số liệu vận hành thực tế, nhu cầu nhiệt tăng 4,49 MW và có
thể tận dụng. Kết hợp kỹ thuật phân tích mạng các thiết bị trao đổi nhiệt và đánh giá khả năng
điều chỉnh các thiết bị trao đổi nhiệt, chúng tôi đã đưa ra giải pháp kỹ thuật nhằm tận dụng
nhiệt. Giải pháp này khả thi về mặt kinh tế giúp tiết kiệm 720.000 USD/năm và thời gian hoàn
vốn dưới 1 năm. Giải pháp đưa ra đã tính đến phương án lựa chọn tiến bị, bố trí mặt bằng và
đấu nối với hệ thống hiện có.
Từ khóa – nước ngưng; tận dụng nhiệt; pinch; thu hồi nước ngưng; hơi tách; chuyển pha.
WASTE HEAT RECOVERY FROM CONDENSATE RECOVERING AND
TREATING SYSTEM – UNIT 32 IN DUNG QUAT REFINERY
Abstract – Condensate recovering and treating system in Dung Quat refinery is one of the
important utility units, helping recovery of steam condensate, treat and return it to the steam
cycle. Visitting the design and operating data, we initiated the ability of waste heat recovery by
coolling down the hot streams by existing cool streams instead of air. From this, we applied
the simulation method to review properties of the process streams based the design data, then
collected the reasonable data and applied pinch technology to survey the current configuration.
The calculation showed that there is a heating in the area abow pinch point, resulting in an
increase of heating energy demand by 10.64 MW. In consideration of the actual opeating data,
the damand increased by 4.49 MW and recoverable. Together with HEN technology and
apprising the adjustment ability of heat exchangers, we proposed a technical solution to
recover waste heat. The solution is supposed to be economically feasible with merit of 720.000
USD/year and below 1 year return on investment. The solution also took into account the
equipment selection, plot plan and connecting to the existing system.
Key words – water condensate; waste heat recovery; pinch; condensate recovery; flashed
steam; phase transition.
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
TÓM TẮT
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu............................................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................. 3
6. Cấu trúc của luận văn ............................................................................................ 3
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT VÀ HỆ
THỐNG NƯỚC NGƯNG ............................................................................................. 4
1.1. Tổng quan về Nhà máy lọc dầu Dung Quất ............................................................. 4
1.1.1 . Thông tin chung về Nhà máy .........................................................................4
1.1.2 . Khu vực công nghệ ........................................................................................4
1.1.3 . Khu vực phụ trợ và ngoại vi ...........................................................................5
1.2. Tổng quan về hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng .............................................6
1.2.1 . Vai trò của hệ thống thu gom và xử lý nươc ngưng.......................................6
1.2.2 . Các thiết bị chính trong hệ thống ...................................................................6
1.2.3 . Mô tả sơ đồ dòng công nghệ ..........................................................................7
1.3. Thực tế vận hành hệ thống nước ngưng ...................................................................9
1.3.1 . Tắt quạt làm mát ở thiết bị E-3204 ................................................................ 9
1.3.2 . Khả năng chuyển đổi công năng thiết bị E-3206 .........................................10
1.3.3 . Khả năng sử dụng nước khử khoáng làm môi chất lạnh .............................. 11
1.3.4 . Vấn đề mài mòn đường ống nước ngưng .....................................................11
1.3.5 . Tổn thất nhiệt qua các thiết bị làm mát bằng không khí .............................. 11
Chương 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................13
2.1. Thống kê số liệu và khảo sát sơ bộ sơ đồ công nghệ .............................................13
2.2. Mô phỏng công nghệ .............................................................................................. 13
2.2.1 . Giới thiệu phần mềm mô phỏng ...................................................................13
2.2.2 . Mô hình nhiệt động và hệ đơn vị .................................................................14
2.2.3 . Lựa chọn thông số đầu vào mô hình mô phỏng ...........................................15
2.3. Ứng dụng kỹ thuật Pinch ........................................................................................ 17
2.3.1 . Tổng quan về kỹ thuật Pinch ........................................................................17
2.3.2 . Nguyên tắc pinch .......................................................................................... 18
2.3.3 . Lựa chọn thông số đầu vào trong ứng dụng Pinch.......................................19
2.4. Đánh giá khả năng điều chỉnh các thiết bị trao đổi nhiệt .......................................19
2.5. Tính toán hiệu quả kinh tế ......................................................................................19
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ....................................................................21
3.1. Kết quả thống kê và khảo sát sơ bộ sơ đồ công nghệ .............................................21
3.1.1 . Vai trò thiết bị trao đổi nhiệt E-3206 ........................................................... 21
3.1.2 . Công suất thiết bị trao đổi nhiệt E-3202 ......................................................22
3.1.3 . Vai trò thiết bị trao đổi nhiệt E-3204 ........................................................... 22
3.1.4 . Dòng tuần hoàn bơm P-3205A/B .................................................................22
3.1.5 . Tính chất dòng nước ngưng thấp áp ............................................................. 23
3.1.6 . Chất lượng nhiệt các dòng nóng, dòng lạnh.................................................24
3.1.7 . Cân bằng mạng hơi thấp áp ..........................................................................25
3.2. Kết quả mô phỏng hệ thống nước ngưng ............................................................... 26
3.3. Kết quả ứng dụng kỹ thuật Pinch ...........................................................................27
3.3.1 . Khảo sát sơ đồ công nghệ hiện có ................................................................ 27
3.3.2 . Xác định tiềm năng tận dụng nhiệt .............................................................. 31
3.3.3 . Cải tiến sơ đồ hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt ........................................32
3.4. Kết quả đánh giá khả năng điều chỉnh các thiết bị trao đổi nhiệt .......................... 35
3.4.1 . Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm E-3202 ......................................................35
3.4.2 . Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm E-3206 ......................................................35
3.4.3 . Thiết bị làm mát bằng không khí E-3201.....................................................37
3.4.4 . Thiết bị làm mát bằng không khí E-3204.....................................................42
3.4.5 . Thiết bị làm mát bằng không khí E-3205.....................................................42
3.5. Nghiên cứu phương án tận dụng nhiệt ...................................................................42
3.6. Xây dựng giải pháp tận dụng nhiệt .........................................................................44
3.6.1 . Mô tả công nghệ sau khi cải tiến ..................................................................44
3.6.2 . Lựa chọn các thiết bị để thực hiện giải pháp................................................46
3.6.3 . Lựa chọn và bố trí các thiết bị điện, điều khiển ...........................................47
3.6.4 . Phương án bố trí mặt bằng ...........................................................................47
3.6.5 . Phương án đấu nối thiết bị với hệ thống hiện có..........................................48
3.7. Hiệu quả kinh tế của phương án .............................................................................48
3.7.1 . Lợi ích mang lại từ việc tận dụng nhiệt ....................................................... 48
3.7.2 . Chi phí đầu tư ban đầu .................................................................................49
3.7.3 . Thời gian hoàn vốn ......................................................................................50
3.8. Tác động của việc áp dụng phương án đến vận hành công nghệ ........................... 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................51
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................52
PHỤ LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BSR:
CDU:
C. BFW:
Công ty Lọc hóa dầu Bình Sơn.
Phân xưởng chưng cất dầu thô (Crude Disstilation Unit).
Nước cấp lò hơi lạnh (Cold Boiler Feed Water).
Tmin:
Chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất của hai đường tổ hợp nóng và lạnh.
HC:
Nước ngưng cao áp (High Pressure Condensate).
HHP BFW: Nước cấp lò hơi siêu cao áp (High High Pressure Boiler Feed Water).
HP BFW:
Nước cấp lò hơi cao áp (High Pressure Boiler Feed Water).
HTNN:
KBC:
Hệ thống thu hồi và xử lý nước ngưng – Unit 32 tại Nhà máy Lọc dầu
Dung Quất.
Là một công ty tư vấn dựa trên công nghệ trong ngành công nghiệp năng
LC:
LGO:
LMTD:
lượng và hóa học, thuộc tập đoàn Yokogawa, KBC là viết tắt tên của 3
nhà sáng lập Krikor Krikorian, John Brice và Peter Close.
Nước ngưng thấp áp (Low Pressure Condensate).
Light Gas Oil.
Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (Logarithmic Mean Temperature
LP BFW:
LS, LPS:
Difference).
Nước cấp lò hơi thấp áp (Low Pressure Boiler Feed Water).
Hơi thấp áp (Low Pressure Steam)pvn.
MC:
MNLD:
PC:
MOC:
Nước ngưng trung áp (Medium Pressure Condensate).
Nhà máy lọc dầu.
Nước ngưng công nghệ (Process Condensate).
Quy trình quản lý sự thay đổi của BSR (Management Of Change).
P&ID:
PFD:
SGS:
VC:
Sơ đồ đường ống thiết bị (Pipping and Instrument Diagram).
Sơ đồ công nghệ (Process Flow Diagram).
Công ty Shell Global Solutions.
Nước ngưng chân không (Vacuum Condensate).
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
Tên bảng
bảng
Trang
1.1:
Cơ cấu sản phẩm của Nhà máy
4
1.2:
Lưu lượng nước ngưng ứng với các kịch bản vận hành Nhà
máy
9
1.3:
1.4:
Chênh lệch nhiệt độ nước khi ra khỏi E-3202 và tại bể chứa
TK-3201
Điều kiện thiết kế và vận hành các dòng công nghệ đi qua E3206
10
10
2.1:
Số liệu đầu vào các dòng công nghệ sử dụng xây dựng mô
hình
15
2.2:
Số liệu vận hành thực tế
16
3.1:
Số liệu thiết kế dòng nước ngưng thấp áp ở các kịch bản chạy
máy
23
3.2:
So sánh nhiệt độ vận hành với nhiệt độ thiết kế ở một số dòng
công nghệ
24
3.3:
Tính chất của dòng nước ngưng công nghệ thấp áp
27
3.4:
Công suất các thiết bị trao đổi nhiệt
27
3.5:
3.6:
Tính chất các dòng nóng và dòng lạnh trong hệ thống nước
ngưng
Thay đổi enthalpy của các dòng nóng và lạnh trên mỗi khoảng
nhiệt độ
28
28
3.7:
Dòng nhiệt thực và dòng nhiệt dương
29
3.8:
Giá trị tích lũy chênh lệch enthalpy các dòng nóng và dòng
lạnh
29
3.9:
Tính chất các dòng theo thực tế vận hành
31
3.10:
Dòng nhiệt thực theo thực tế vận hành
32
3.11:
So sánh các phương án kỹ thuật
40
3.12:
Bảng kê các thiết bị chính và giá dự kiến
49
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
Tên hình
hình
1.1:
Sơ đồ công nghệ NMLD Dung Quất với nhà bản quyền của
các phân xưởng công nghệ chính
Trang
5
1.2:
Sơ đồ công nghệ hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng
8
2.1:
Biểu đồ phân tích Pinch
18
3.1:
3.2:
Số ngày theo khoảng mở van tuần hoàn bơm P-3205A/B
trong năm 2018
Tiềm năng tận dụng nhiệt và tiềm năng tận dụng nhiệt hiệu
quả
23
26
3.3:
Sơ đồ mô phỏng hệ thống nước ngưng NMLD Dung Quất
26
3.4:
Đường cong tổ hợp dòng nóng và dòng lạnh
30
3.5:
Gia tăng nhu cầu nhiệt khi truyền nhiệt qua pinch
31
3.6:
Sơ đồ hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt hiện có
34
3.7:
Sơ đồ cải tiến hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt
35
3.8:
Mối quan hệ giữa LMTD và công suất thiết bị E-3206
37
3.9:
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của E-3201
37
3.10:
3.11:
Sơ đồ biễu diễn mối quan hệ giữa các bình tách và thiết bị
tách khí
Sơ đồ công nghệ hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng sau
khi cải hoán
38
45
3.12:
Sơ đồ đường ống thiết bị bổ sung khi thực hiện cải hoán
46
3.13:
Vị trí bố trí mặt bằng thiết bị trao đổi nhiệt bổ sung HX1
48
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Năng lượng đóng vai trò rất lớn trong việc vận hành các nhà máy công nghiệp
nói chung các nhà máy lọc hóa dầu nói riêng. Trong nhà máy lọc dầu, chi phí năng
lượng cho các quá trình xử lý dầu thô để tạo ra các sản phẩm thương mại rất lớn. Theo
số liệu thống kê năm 2016, chi phí năng lượng Nhà máy lọc dầu Dung Quất chiếm
53% tổng chi phí vận hành (chưa bao gồm dầu thô) với quy mô năng lượng 64.162
GJ/giờ [5]. Vì thế, các hoạt động tối ưu hóa năng lượng như cắt giảm tiêu thụ năng
lượng, điều chỉnh/cải tiến nâng cao hiệu suất năng lượng của các hệ thống thiết bị, thu
hồi nhiệt thải,… đều góp phần quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất kinh
doanh của Công ty.
Để cung cấp năng lượng đến tận các ngõ ngách của thiết bị, mặt bằng công
nghệ, Nhà máy được trang bị các hệ thống điện và hơi. Hơi sau khi được ngưng tụ ở
các thiết bị trao đổi nhiệt sẽ được đưa về xử lý tại khu vực xử lý nước ngưng. Tuy
nhiên, ở áp suất và nhiệt cao, dòng nước ngưng mang năng lượng khá lớn. Năng lượng
này cần giải phóng để trở về trạng thái áp suất và nhiệt độ thấp hơn trước khi đưa vào
hệ thống xử lý bằng nhựa trao đổi ion. Nếu thu hồi triệt để, lượng nhiệt cần giải phóng
này sẽ được hấp thụ và đi vào chu trình/công đoạn khác của quá trình xử lý. Nếu hấp
thụ không hết, lượng nhiệt này cần xả ra môi trường bên ngoài.
Ở Nhà máy Lọc dầu Dung Quất, các dòng nước ngưng cao áp và trung áp được
giải nhiệt sơ bộ tại bình tách D-3202 hoạt động ở nhiệt độ 148oC và áp suất 3,6
kg/cm2g thông qua hiệu ứng bay hơi giảm nhiệt của quá trình chuyển pha. Lượng hơi
sinh ra được thu hồi và đưa lên mạng hơi thấp áp của Nhà máy. Lượng nước ngưng
còn lại được nhập cùng với dòng nước ngưng thấp áp để đưa vào bình tách D-3201
hoạt động ở nhiệt độ 103oC và áp suất 0,1 kg/cm2g để tiếp tục được giải nhiệt. Tuy
nhiên, lượng hơi tách ra ở D-3201 chỉ được làm mát để thu hồi nước mà không được
thu hồi nhiệt. Lượng hơi này được làm mát bằng thiết bị trao đổi nhiệt với không khí
E-3201 hoạt động cưỡng bức (sử dụng quạt gió) để chuyển pha tạo thành trạng thái
lỏng, quay tuần hoàn để cùng với lượng nước trong bình tách D-3201 đi đến thiết bị
trao đổi nhiệt tiếp theo. Toàn bộ lượng nhiệt giải phóng ở E-3201 đều được thải ra
ngoài không khí. Theo tính toán sơ bộ, lượng nhiệt từ dòng nước ngưng cần giải phóng
ra môi trường bên ngoài theo thực tế vận hành hiện nay khoảng 3,4 MW, điện sử dụng
để chạy quạt gió khoảng 57 kW.
Ngoài ra, lượng nhiệt giải phóng ở các thiết bị trao đổi nhiệt làm mát bằng
không khí E-3204 và E-3205 cũng rất đáng kể. Tổng lượng nhiệt giải phóng ra môi
2
trường tại các thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí là rất lớn, cần được nghiên cứu tận
dụng để thay thế cho các nguồn nhiệt khác nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt trong Nhà
máy, giúp tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh của Công ty.
Trong khi các cơ hội tận dụng nhiệt trong Nhà máy khá nhiều, cách tiếp cận vấn
đề vẫn còn mang tính chất kinh nghiệm, thiếu cơ sở khoa học vững chắc. Để góp phần
thúc đẩy thực hiện Chương trình Quốc gia về tiết kiệm năng lượng [1] nói chung và
thực hiện tốt hơn công tác sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả trong Nhà máy
nói riêng cần phải có một nghiên cứu đầy đủ để làm tài liệu tham khảo triển khai các
giải pháp năng lượng khác.
Từ những phân tích ở trên, chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tận dụng
nhiệt ở Hệ thống thu hồi và xử lý nước ngưng – Unit 32 tại Nhà máy Lọc dầu Dung
Quất”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu tận dụng ít nhất 50% nhiệt thất thoát ra môi trường ở hệ thống thu
gom và xử lý nước ngưng của Nhà máy lọc dầu Dung Quất nhằm giảm thiểu nhiên
liệu sử dụng, giảm phát thải nhiệt và khí nhà kính CO2 ra môi trường bên ngoài, giúp
cải thiện hiệu quả sản xuất kinh doanh và bảo vệ môi trường.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu các thông số nhiệt độ, áp suất, enthalpy của các dòng công
nghệ để tính toán khả năng tiết kiệm và lựa chọn phương án thu hồi;
Nghiên cứu sơ đồ công nghệ để sắp xếp, bố trí thiết bị hợp lý;
Nghiên cứu mặt bằng để xác định vị trí đặt thiết bị, đề xuất phương án đấu
nối thiết bị với hệ thống hiện có.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện dựa trên tài liệu thiết kế và số liệu vận hành trong
vòng 1 năm, từ 1/2018-12/2018 của hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng - Unit 32,
khu vực phụ trợ nóng, Nhà máy lọc dầu Dung Quất.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp thống kê, thu thập dữ liệu;
Phương pháp mô phỏng: chạy mô phỏng trên PetroSim;
Phương pháp tính toán: ứng dụng kỹ thuật Pinch và dựa trên công thức
tính toán để phân tích, đánh giá và kết luận;
Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm: nghiên cứu và xem xét lại
những thành quả thực tiễn trong quá khứ để rút ra kết luận.
3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả đề tài là cơ sở khoa học để xác định sự cần thiết, tính khả thi về mặt kỹ
thuật và hiệu quả kinh tế của việc đầu tư dự án Tận dụng nhiệt ở Hệ thống thu hồi và
xử lý nước ngưng làm cơ sở xem xét, quyết định chủ trương đầu tư xây dựng tại Nhà
máy lọc dầu Dung Quất.
6. Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc của luận văn gồm có 3 chương chính:
Chương 1 - Tổng quan về Nhà máy lọc dầu Dung Quất và hệ thống nước
ngưng: nêu tổng quan về Nhà máy lọc dầu Dung Quất, về hệ thống thu gom và xử lý
nước ngưng trong Nhà máy và thực tế vận hành hệ thống thu gom và xử lý nước
ngưng hiện nay.
Chuơng 2 - Các phương pháp nghiên cứu: Giới thiệu các phương pháp nghiên
cứu được sử dụng trong quá trình nghiên cứu như thống kê, mô phỏng công nghệ, ứng
dụng kỹ thuật Pinch, đánh giá khả năng điều chỉnh các thiết bị trao đổi nhiệt, tính toán
hiệu quả kinh tế, đồng thời lựa chọn các thông số đầu vào phục vụ trong quá trình thực
hiên các phương pháp nghiên cứu.
Chương 3 - Kết quả và bàn luận: Tóm tắt kết quả nghiên cứu, đề xuất phương
án tận dụng nhiệt và đánh giá tác động của việc áp dụng phương án đến vận hành công
nghệ.
4
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT VÀ
HỆ THỐNG NƯỚC NGƯNG
1.1 . Tổng quan về Nhà máy lọc dầu Dung Quất
1.1.1 . Thông tin chung về Nhà máy
Nhà máy lọc dầu Dung Quất là công trình trọng điểm quốc gia có tổng vốn đầu
tư trên 3 tỷ USD, công suất chế biến 6,5 triệu tấn dầu thô/năm. Đơn vị chủ quản là
Công ty Cổ phần Lọc - Hóa Dầu Bình Sơn (BSR) được thành lập vào tháng
4/2017[11].
- Địa điểm: Khu kinh tế Dung Quất, thuộc địa bàn các xã Bình Thuận và Bình
Trị, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi.
- Diện tích sử dụng: Khoảng 956 ha (bao gồm cả 140 ha mở rộng trong tương
lai) trong đó có 485 ha mặt đất và 471 ha mặt biển.
- Công suất chế biến: 6,5 triệu tấn dầu thô/năm (tương đương 148.000
thùng/ngày), nâng cấp mở rộng trong tương lai: 8,5 triệu tấn dầu thô/năm.
- Nguyên liệu: Giai đoạn 1 chế biến 100% dầu thô Bạch Hổ - Việt Nam (hoặc
dầu thô tương đương), giai đoạn 2 chế biến dầu chua.
- Cơ cấu sản phẩm: Nhà máy sản xuất các loại sản phẩm với công suất như
được trình bày trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1: Cơ cấu sản phẩm của Nhà máy
Tên sản phẩm
STT
Nghìn tấn/năm
1.
Propylene
136 - 150
2.
Khí hóa lỏng (LPG)
400 - 420
3.
Xăng RON 92
4.
Xăng RON A95
600 - 700
5.
Dầu hỏa/nhiên liệu bay Jet A1
80 - 400
6.
Dầu động cơ Diesel ôtô
7.
Dầu nhiên liệu (FO)
60 - 100
8.
Polypropylene
135 - 150
1.400 - 1.800
2.900 - 3.200
1.1.2 . Khu vực công nghệ
Nhà máy lọc dầu Dung Quất gồm 14 cụm phân xưởng công nghệ được mô tả
trên Hình 1.1 [7], được thiết kế để thực hiện các quá trình lọc tách và chuyển hóa dầu
thô thành các sản phẩm thương mại:
5
1) Phân xưởng chưng cất dầu thô (CDU - unit 11);
2) Phân xưởng xử lý naphtha bằng hydro (NHT - unit 12);
3) Phân xưởng reforming xúc tác tái sinh liên tục (CCR - unit 13);
4) Phân xưởng xử lý kerosen (KTU - unit 14);
5) Phân xưởng cracking xúc tác nguyên liệu cặn (RFCC - unit 15);
6) Phân xưởng xử lý LPG (LTU - unit 16);
7) Phân xưởng xử lý Naphtha từ RFCC (NTU - unit 17);
8) Phân xưởng xử lý nước chua (SWS - unit 18);
9) Phân xưởng tái sinh amine (ARU - unit 19);
10) Phân xưởng trung hòa xút thải (CNU - unit 20);
11) Phân xưởng thu hồi Propylene (PRU - unit 21);
12) Phân xưởng thu hồi lưu huỳnh (SRU - unit 22);
13) Phân xưởng đồng phân hóa phân đoạn nhẹ (ISOM - unit 23);
14) Phân xưởng xử lý LCO từ RFCC bằng Hydro (LCO-HDT - unit 24).
Hình 1.1: Sơ đồ công nghệ NMLD Dung Quất với nhà bản quyền của các phân xưởng
công nghệ chính
1.1.3 . Khu vực phụ trợ và ngoại vi
Ngoài các phân xưởng công nghệ, Nhà máy còn có các phân xưởng/hệ thống
phụ trợ và các công trình ngoại vi đảm bảo cung cấp đầy đủ nhu cầu năng lượng điện,
6
khí, nước, hơi nước, hóa chất cho các phân xưởng trong các điều kiện làm việc khác
nhau. Hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng - Unit 32 là một trong các phân
xưởng/hệ thống phụ trợ đó [8]:
1) Hệ thống nước khử khoáng (Unit 31);
2) Hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng (Unit 32);
3) Hệ thống nước làm mát tuần hoàn (Unit 33);
4) Hệ thống nước biển làm mát (Unit 34);
5) Hệ thống khí nén, khí điều khiển (Unit 35);
6) Hệ thống sản xuất và phân phối nitơ (Unit 36);
7) Hệ thống khí nhiên liệu (Unit 37);
8) Hệ thống dầu nhiên liệu (Unit 38);
9) Hệ thống kiềm (Unit 39);
10)
11)
12)
13)
Hệ thống điện hơi (Unit 40);
Hệ thống xử lý nước thô (RO - Reverse Osmosis - Unit 100)
Hệ thống bể chứa trung gian (Unit 51);
Hệ thống bể chứa sản phẩm (Unit 52);
14) Hệ thống pha trộn sản phẩm (Unit 54);
15) Hệ thống bể chứa dầu thô (Unit 60) và một số hệ thống khác.
1.2 . Tổng quan về hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng
1.2.1 . Vai trò của hệ thống thu gom và xử lý nươc ngưng
Hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất được
thiết kế để thu gom, xử lý nước ngưng, cấp nước cho các lò hơi công nghệ và cấp nước
đã xử lý sang thiết bị khử khí ở trạm điện.
Nước được thu gom từ các nguồn:
Nước ngưng công nghệ cao, trung và thấp áp;
Nước ngưng thấp áp từ các các bể chứa trong Nhà máy;
Nước ngưng chân không đến từ các turbine hơi máy phát điện, các
turbine hơi dẫn động máy nén công nghệ.
Sau khi được thu gom, nước ngưng được xử lý bằng cách cho đi qua các hệ
thống xử lý ion nhằm loại bỏ các gốc ion tự do trong nước, đảm bảo tiêu chuẩn nước
cấp nồi hơi. Sau đó, nước được bơm đến thiết bị khử khí nhằm loại bỏ oxy dư hòa tan.
Từ đây, nước được bơm cấp cho các lò hơi theo các cấp áp suất khác nhau.
-
1.2.2 . Các thiết bị chính trong hệ thống
Hệ thống gồm có các thiết bị công nghệ chính:
- Các bình tách hơi D-3201, D3202, D3203, D3204;
- Các bể chứa TK-3201, TK-3202, TK-3203, TK-3204;
7
-
Các thiết bị làm mát bằng không khí E-3201, E3204, E3205;
Các thiết bị trao đổi nhiệt E-3202, E3206;
-
Các cụm thiết bị xử lý ion A3201, A3202;
Cụm phun hóa chất A3203;
Các bơm vận chuyển nước P-3201A/B, P-3202A/B, P-3203A/B, P3204A/B, P-3205A/B, P-3206A/B, P-3207A/B, P-3208A/B, P-3209A/B,
P-3210A/B.
1.2.3 . Mô tả sơ đồ dòng công nghệ
Sơ đồ công nghệ của hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng được mô tả chi tiết
trên Hình 1.2. Các dòng nước ngưng công nghệ trung và cao áp được đưa về thiết bị
tách D-3202. Tại đây, ở nhiệt độ bão hòa 148oC và áp suất 3,6 kg/cm2g, hơi thấp áp
được tách ra và đưa lên mạng hơi còn nước ngưng được đưa sang D-3201 cùng với
dòng nước ngưng thấp áp. Tại D-3201, nước được làm nguội xuống 103oC nhờ hóa
hơi một phần trong điều kiện áp suất thấp, 0,1 kg/cm2g. Toàn bộ lượng hơi sinh ra
được làm nguội/ngưng tụ ở E-3201 và quay trở lại D-3201. Việc làm nguội được thực
hiện thông qua hệ thống thiết bị làm mát bằng không khí E-3201 có 4 quạt làm mát với
công suất tiêu thụ điện mỗi quạt là 14,4 kW (tổng tiêu thụ điện là 57,6 kW).
Các dòng nước ngưng thấp áp từ các bể chứa trong Nhà máy có nhiệt độ
khoảng 80-85oC và áp suất thấp được thu gom ở các bình tách D-3203 và D-3204 hoạt
động gần bằng áp suất môi trường rồi được bơm qua E-3202 cùng với dòng nước
ngưng đến từ D-3201. Các dòng nước ngưng chưa xử lý kết hợp với nhau và trao đổi
nhiệt với dòng nước ngưng đã qua xử lý tại E-3202, sau đó đi qua thiết bị làm mát E3204 để ổn định nhiệt xuống 50oC trước khi đưa vào bể chứa nước ngưng TK-3201.
Nước ngưng chân không đến từ các turbine hơi dẫn động máy nén công nghệ có
nhiệt độ 50oC và áp suất 0,5 kg/cm2g được đưa trực tiếp vào bể chứa TK-3201. Nước
từ TK-3201 được bơm đi xử lý ion ở A-3201 rồi đưa vào bể chứa TK-3202, sau đó
tiếp tục được bơm qua E-3202 để hấp thụ nhiệt từ dòng nước ngưng chưa xử lý kết
hợp để nâng nhiệt độ lên 82oC rồi đi vào thiết bị tách khí DA-3201A/B. Ở thiết bị tách
khí, nước tiếp tục được nâng lên nhiệt độ bão hòa 111,4oC và áp suất 0,5 kg/cm2g bằng
cách hấp thụ nhiệt từ dòng hơi thấp áp.
Nước sau khi khử khí sẽ được bổ sung hóa chất khử oxy dư rồi được bơm đi
làm nước cấp nồi hơi ở các cấp áp suất cao áp (60 kg/cm2g), thấp áp (22 kg/cm2g) và
lạnh (7,8 kg/cm2g). Riêng nước cấp lò hơi lạnh được bơm qua thiết bị làm mát bằng
không khí E-3205 trước khi chuyển đi.
Nước ngưng chân không đến từ các turbine hơi máy phát điện có nhiệt độ 53 oC,
áp suất 2,3 kg/cm2g được trao đổi nhiệt với dòng nước khử khoáng dùng bù hao hụt
8
nước cho chu trình hơi có nhiệt độ 30oC và áp suất 4,0 kg/cm2g rồi đi vào bể chứa TK3202. Nước từ TK-3203 được bơm đi xử lý ion ở A-3202 rồi đưa vào bể chứa TK3204, sau đó tiếp tục được bơm vào các thiết bị tách khí DA-4031/32 của trạm điện.
Tương tự ở DA-3201A/B, tại thiết bị tách khí DA-4031/32 của trạm điện, nước tiếp
tục được nâng lên nhiệt độ bão hòa 111,4oC và áp suất 0,5 kg/cm2g bằng cách hấp thụ
nhiệt từ dòng hơi thấp áp. Dòng nước khử khoáng dùng bù hao hụt nước cho chu trình
hơi được đưa trực tiếp vào các thiết bị khử khí.
Trong trường hợp A-3201 không xử lý hết lượng nước ngưng thu hồi, nước từ
TK-3201 có thể chuyển sang TK-3203 để xử lý ở A-3203 và nếu bể chứa TK-3202
đầy, có thể chuyển sang bể TK-3204.
Hình 1.2: Sơ đồ công nghệ hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng
Hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng được thiết kế cho 4 kịch bản vận hành
khác nhau với lưu lượng nước ngưng được mô tả trên Bảng 1.2. Tối đa distillate khi xử
lý dầu hỗn hợp, tối đa xăng khi xử lý dầu hỗn hợp, tối đa distillate khi xử lý dầu Bạch
9
Hổ và tối đa xăng khi xử lý dầu Bạch Hổ. Trong đó, lượng nước ngưng công nghệ cần
xử lý trong kịch bản tối đa xăng khi xử lý dầu Bạch Hổ là lớn nhất với 31,2 t/h nước
ngưng công nghệ cao áp, 113,4 t/h nước ngưng công nghệ trung áp và 56,96 t/h nước
ngưng công nghệ thấp áp. Vì kịch bản có lưu lượng lớn nhất cho phép lựa chọn thiết bị
đảm bảo vận hành cho các kịch bản còn lại về mặt thiết kế nên đây sẽ là kịch bản được
tham khảo để thiết kế và lựa chọn thiết bị bổ sung/thay thế phục vụ công tác cải hoán
thu hồi nhiệt thải ở chương 3 của tài liệu này.
Bảng 1.2: Lưu lượng nước ngưng ứng với các kịch bản vận hành Nhà máy
STT
Kịch bản vận hành
HC,
t/h
MC,
t/h
LC,
t/h
PC,
t/h
VC,
t/h
1.
Tối đa distillate khi xử lý dầu hỗn hợp
7,8
96,2
58,7
256,4
133,8
2.
Tối đa xăng khi xử lý dầu hỗn hợp
7,8
104,4
62,5
242,6
149,9
3.
Tối đa distillate khi xử lý dầu Bạch Hổ
29,0
108,6
51,0
243,3
122,3
4.
Tối đa xăng khi xử lý dầu Bạch Hổ
31,2
113,4
57,0
242,8
122,3
Ghi chú: HC, MC, LC, PC và VC lần lượt là ký hiệu nước ngưng cao áp, trung
áp, thấp áp, turbine trạm điện và turbine công nghệ.
1.3 . Thực tế vận hành hệ thống nước ngưng
Thực tế vận hành hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng hiện nay cho thấy về
cơ bản vẫn đúng theo thiết kế, đáp ứng yêu cầu công nghệ. Tuy nhiên, đã có một số
thay đổi hoặc đề xuất thay đổi theo hướng sử dụng tiết kiệm năng lượng và hiệu quả
hơn. Bên cạnh đó vấn đề mài mòn thủy kích các đường ống nước ngưng về các bình
tách cũng rất đang quan tâm để kết hợp cải hoán nếu có cơ hội.
1.3.1 . Tắt quạt làm mát ở thiết bị E-3204
Trong đợt bảo dưỡng tổng thể từ tháng 6 đến tháng 8 năm 2017, thiết bị trao
đổi nhiệt E-3202 đã được làm sạch, hiệu quả trao đổi nhiệt tốt hơn. Bên cạnh đó,
chương trình quản lý bẩy hơi, chương trình tối ưu năng lượng sâu rộng cũng làm giảm
lưu lượng nước ngưng đi qua E-3202 làm tăng khả năng trao đổi nhiệt của thiết bị.
Theo đó, nhiệt độ dòng nóng sau khi trao đổi nhiệt này đã giảm khoảng 7oC (tương
ứng từ 58oC giảm xuống 51oC). Điều kiện nhiệt độ khoảng 51oC cho phép đưa trực
tiếp nước vào TK-3201 mà không ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu quả làm việc của
nhựa trao đổi ion tại A-3201. Chênh lệch nhiệt độ nước khi ra khỏi E-3202 và tại bể
chứa TK-3201 qua các năm 2016, 2017, 2018 và 2019 được trình bày chi tiết trong
Bảng Bảng 1.3. trước và sau thơi điểm ngừng máy tổng thể 6/8/2017 - khi không
vận hành quạt làm mát ở E-3204.
10
Bảng 1.3: Chênh lệch nhiệt độ nước khi ra khỏi E-3202 và tại bể chứa TK-3201
Nhiệt độ nước ngưng
Tháng nóng ra khỏi E-3202, oC
Nhiệt độ bể chứa
TK-3201, oC
Chênh lệch nhiệt độ, oC
2016 2017 2018 2019 2016 2017 2018 2019 2016 2017 2018 2019
1
59,2 55,9
49,3 51,9 49,3 47,9 46,4 48,8 9,8
8
2,8
3,1
2
58,9
49,2 52,2 48,2 47,5 46,3 49,7 10,7
7,5
2,9
2,5
3
58,3 56,4
50,4 51,8 48,9 48,6 47,1 49,5 9,4
7,8
3,3
2,3
4
57,2 56,1
51,8 52,0 49,3
48,8 49,9 7,8
7,0
3,0
2,1
5
58,1 56,3
51,9 53,5 50,3 49,9 49,5 51,9 7,8
6,5
2,4
1,6
6
58,3 52,1
51,7 53,9 50,2 38,5 49,4 50,8 8,1
13,6
2,3
3,1
7
59,2 54,4
51,7
50,6 38,9 49,2
8,6
15,5
2,5
8
58,9 52,9
52,7
51,1 49,3 50,5
7,8
3,6
2,2
9
59,4 51,2
51,7
51,1 48,5 49,8
8,3
2,8
2,0
10
59,9 51,2
50,5
49,1 47,9
9,8
2,1
2,6
11
56,6 49,6
50,9
48,8 47,1 47,9
7,8
2,5
3,0
12
54,6 49,9
50,8
7,5
3,4
2,9
51,1 52,5 49,6 46,7 48,4 50,1 8,6
6,7
2,7
55
T.bình 58,2 53,4
50
47
49
46,5
48
3,3
1.3.2 . Khả năng chuyển đổi công năng thiết bị E-3206
Mặc dù thiết bị E-3206 được thiết kế với nhiệt độ nước ngưng chân không đến
từ các turbine hơi máy phát điện có nhiệt độ khoảng 53oC nhưng trên thực tế, nhiệt độ
dòng nước này chỉ ở khoảng 38oC, thấp hơn 15oC so với giá trị thiết kế như được trình
bày trong Bảng 1.4. Vì lý do này thiết bị E-3206 được xem là hoạt động kém hiệu quả
và được đề xuất cải hoán để sử dụng vào mục đích khác, tránh lãng phí. Trên thực tế
thiết bị E-3204 đã không còn hoạt động như đã trình bày ở mục 1.3.1.
Bảng 1.4: Điều kiện thiết kế và vận hành các dòng công nghệ đi qua E-3206
STT
Mô tả
Đơn vị
1.
Lưu lượng nước ngưng từ trạm điện
tấn/h
Thiết kế Thiết kế Thực tế
thiết bị công nghệ vận hành
290,62
243,3
153,2
Nhiệt độ nước ngưng vào
o
53
53
38,3
3.
Nhiệt độ nước ngưng ra
o
C
48
48
37,5
4.
Lưu lượng nước khử khoáng
tấn/h
2.
5.
6.
C
111,3
112,8
130,4
Nhiệt độ nước khử khoáng vào
o
30
30
34.5
Nhiệt độ nước khử khoáng ra
o
43,14
42
35.5
C
C
11
1.3.3 . Khả năng sử dụng nước khử khoáng làm môi chất lạnh
Báo cáo đánh giá năng lượng năm 2015 tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất do tư
vấn Shell Global Solutions (SGS) thực hiện năm 2015 có đề cập đến việc sử dụng
dòng nước làm mát bổ sung để thu hồi nhiệt của các dòng LGO và Kerosen ở phân
xưởng CDU. Theo đó dòng nước khử khoáng sẽ được đưa đi làm mát các dòng LGO
và Kerosen trước khi bổ sung vào hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng. Tuy nhiên,
các dòng LGO và Kerosen là các dòng hydrocacbon có nhiệt độ cao, yêu cầu vật liệu
cao hơn môi trường nước có nhiệt độ thấp. Thiết bị trao đổi nhiệt phù hợp cho cải hoán
theo SGS đề xuất là loại Compabloc có giá thành cao. Với chi phí đầu tư ban đầu 9,4
triệu USD và dòng tiền thu về từ việc tiết kiệm năng lượng 1,86 triệu USD/năm, thời
gian hoàn vốn lên đến 5 năm nên Công ty Lọc hóa dầu Bình Sơn chưa có chủ trương
thực hiện.
1.3.4 . Vấn đề mài mòn đường ống nước ngưng
Dòng nước ngưng đi qua các đoạn ống thu gom nước ngưng cao áp và trung áp
nằm gần thiết bị tách D-3202 có áp suất làm việc thấp, chỉ 3,6-4 kg/cm2g sẽ giảm áp từ
điều kiện áp suất bão hòa cao. Để đạt trạng thái bão hòa mới tại áp suất thấp hơn, nhiệt
độ sẽ giảm xuống và năng lượng sẽ làm bay hơi một phần nước ngưng, dòng nước
ngưng ở các đoạn ống này trờ thành 2 pha. Việc vận chuyển 2 pha làm cho đường ống
phải đối diện với nguy cơ thủy kích và mài mòn cơ học. Thực tế vận hành đoạn ống
này cho thấy vấn đề thủy kích ít xả ra do thiết kế phù hợp, có van xả khí và có độ cao
thủy tĩnh đáp ứng yêu cầu. Tuy nhiên, vấn đề mài mòn cơ học ở các đoạn ống này diễn
ra nghiêm trọng. Trong trường hợp nghiên cứu cải hoán, nếu điều kiện công nghệ thay
đổi làm tăng tốc độ của lưu chất thì phải xét đến khả năng nâng cấp vật liệu thay thế
các đoạn ống này.
1.3.5 . Tổn thất nhiệt qua các thiết bị làm mát bằng không khí
Thực tế vận hành cho thấy có một lượng lớn nhiệt xả ra môi trường ở E-3201
và E-3205. Thông thường, hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng hoạt động ở điều
kiện nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Việc bố trí các thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí
ở đây cần có sự cân nhắc kỹ càng. Theo thiết kế, hệ thống thu gom và xử lý nước
ngưng có 3 thiết bị làm mát bằng không khí E-3201, E-3204 và E-3205 có nhiệt độ
đầu vào lần lượt là 103oC, 55oC và 111,4oC. Nhiệt độ này cao hơn nhiều so với nhiệt
độ 38oC của nước ngưng turbine đã xử lý hay 30oC của nước khử khoáng được đề cập
ở mục 1.3.3. Vấn đề đặt ra là nhiệt độ và công suất nhiệt của các dòng có phù hợp để
thay thế không khí làm môi chất lạnh và việc thay thế đó có hiệu quả không. Nội dung
nghiên cứu sẽ đi sâu vào vấn đề này.
Tóm lại, sau khi nghiên cứu tổng quan về Nhà máy Lọc dầu Dung quất và Hệ
12
thống xử lý nước ngưng, chúng tôi nhận thấy rằng việc nghiên cứu tận dụng nhiệt thải
ở hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng nhằm tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải
nhiệt và khí nhà kính CO2, đồng thời với việc cải thiện hiệu quả sản xuất kinh doanh là
hoàn toàn có khả năng và là một hướng nghiên cứu ứng dụng đầy tiềm năng.
13
Chương 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nội dung chính của chương này là giới thiệu các các phương pháp được sử
dụng trong quá trình nghiên cứu, đồng thời lựa chọn các thông số đầu vào phục vụ
trong quá trình thực hiện các phương pháp nghiên cứu.
2.1 . Thống kê số liệu và khảo sát sơ bộ sơ đồ công nghệ
Phương pháp thống kê số liệu được sử dụng để nhận định, đưa ra nhận xét sơ bộ
sơ đồ công nghệ và thiết bị và để cung cấp thông tin khi thực hiện các phương pháp
nghiên cứu khác. Việc thống kê số liệu được thực hiện trên các tài liệu thiết kế, các tài
liệu vận hành, các bản vẽ PFD và PID, trên các sổ ghi chép vận hành và hệ thống lưu
trữ dữ liệu vận hành của Nhà máy.
Đối với các số liệu vận hành, chúng tôi đã tiến hành sàng lọc, chỉ lấy các số liệu
đáng tin cậy, đồng thời xem xét các trường hợp vận hành phổ biến và các trường hợp
vận hành cận biên để có các phân tích, đánh giá, nhận xét hợp lý.
2.2 . Mô phỏng công nghệ
Mục đích của việc sử dụng phương pháp mô phỏng công nghệ trong đề tài này
là để xác định tính chất các dòng công nghệ như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, enthalpy
và trạng thái của các dòng vật chất tham gia vào hệ thống trao đổi nhiệt của hệ thống
thu hồi và xử lý nước ngưng phục vụ cho quá trình phân tích và tối ưu hóa hệ thống.
Tính đúng đắn của quá trình mô phỏng được kiểm chứng khi so sánh kết quả mô
phỏng và các số liệu tương ứng của quá trình thiết kế.
2.2.1 . Giới thiệu phần mềm mô phỏng
Mô phỏng các quá trình công nghệ hóa dầu và chế biến dầu khí có thể được
thực hiện bằng các phần mềm như: PRO/II, DYNSIM (Simsci-Esscor), Aspen HYSYS
(AspenTech), PetroSim (Yokogawa/KBC), UniSim Design (Honeywell/UOP), OLGA
(SPT Group), Indiss (RSI)… Ở Việt Nam, các phần mềm mô phỏng được sử dụng
nhiều tại các trường đại học, các viện nghiên cứu và các nhà máy lọc dầu. Phần mềm
PRO/II được đưa vào giảng dạy tại trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, các phần
mềm UniSim Design, Aspen HYSYS đã được đưa vào giảng dạy và sử dụng tại trường
Đại học Bách khoa Hà Nội, trường Đại học Mỏ - Địa chất, Trung tâm Nghiên cứu và
Phát triển Chế biến Dầu khí (PVPro) - Viện Dầu khí Việt Nam. Phần mềm PetroSim
được sử dụng tại Nhà máy Lọc hóa dầu Dung Quất và Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn
trong quá trình đào tạo, thiết kế, vận hành, bảo dưỡng và tối ưu hóa hoạt động của nhà
máy.
Trong khuôn khổ đề tài này, việc mô phỏng công nghệ được chúng tôi thực
hiện trên phần mềm PetroSim đang được sử dụng tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất.
14
Đây là phần mềm mô phỏng công nghệ hàng đầu của KBC, có nền tảng tối ưu hóa
thúc đẩy sự vượt trội hiệu suất của thiết bị công nghệ và năng suất của tổ chức. Cốt lõi
của PetroSim là các mô hình mô phỏng công nghệ nghiêm ngặt, tạo ra kết quả đáng tin
cậy trong một môi trường thông minh và thân thiện với người dùng. Phần mềm này có
thể được ứng dụng để mô phỏng các công nghệ dầu khí thượng nguồn, trung nguồn và
hạ nguồn. Không chỉ là phần mềm mô phỏng công nghệ hàng đầu, PetroSim còn là
công cụ hỗ trợ ra quyết định một cách kỹ lưỡng. Kiến trúc nền tảng mở độc đáo của nó
thúc đẩy các mức độ tích hợp và hợp tác đặc biệt giữa các nhóm dự án; nó cho phép
mô phỏng công nghệ hàng ngày và các kịch bản được phát triển đầy đủ làm thành
công cụ dự đoán và phân tích có hiệu quả; nó giúp đóng vòng lặp giữa giám sát và lập
kế hoạch, cho phép so sánh thời gian thực về kế hoạch, thực tế và mô phỏng.
Đối với thượng nguồn dầu khí, PetroSim là phần mềm mô phỏng công nghệ
được xây dựng có mục đích duy nhất có thể đảm bảo khả năng xử lý của cơ sở đáp
ứng nhu cầu bể chứa dài hạn. Trong lọc dầu và hóa dầu, phần mềm này hoạt động
song song với bộ thiết bị phản ứng SIM hàng đầu thế giới của cùng công ty KBC để
tạo ra trình giả lập duy nhất được chứng minh có khả năng mở rộng từ các đơn vị lò
phản ứng đến toàn bộ các cơ sở. Trong các ngành công nghiệp khác, PetroSim hỗ trợ
các trình nhúng cho các công cụ mô phỏng của bên thứ ba.
Các tính năng chính của PetroSim bao gồm:
Hướng đến từng giai đoạn của cơ sở và vòng đời tài sản.
Tích hợp các công nghệ, đường ống và hệ thống phụ trợ trong một môi
trường duy nhất, bao gồm các mô hình định cỡ và xếp hạng chi tiết cao cho vận hành
phân xưởng.
Được xây dựng để làm việc trong thời gian thực, để theo dõi sức khỏe và lợi
nhuận của phân xưởng.
Cho phép cộng tác và kiểm soát phiên bản vượt trội và khả năng xây dựng
các tiêu chuẩn và kiểm tra thiết kế của riêng bạn.
Chứa tất cả các hạ tầng để kết nối và quản lý dữ liệu trong thế giới thực lộn
xộn, bao gồm các kết nối lịch sử, xác thực và hiệu chỉnh dữ liệu.
Hỗ trợ phân tích dữ liệu và mô hình, với tất cả các tính toán mô phỏng được
lưu trữ trong cơ sở dữ liệu để phân tích lịch sử và cơ sở dữ liệu.
2.2.2 . Mô hình nhiệt động và hệ đơn vị
Để thực hiện chương trình mô phỏng đối với hệ thống nước ngưng, mô hình
nhiệt động ASME Steam được sử dụng. Mô hình nhiệt động này ứng dụng duy nhất
đối với cấu tử nước. Khi áp dụng hệ nhiệt động này, các tính chất của nước đều được
15
tra theo bảng hơi ASME 1967. Giới hạn của hệ nhiệt động này là:
- Áp suất nhỏ hơn 15,000 psia (1054,6 kg/cm2g);
- Nhiệt độ lớn hơn 32°F (0°C) và nhỏ hơn 1,500°F (833oC) [15].
Hệ đơn vị được sử dụng trong quá trình mô phỏng là RefineryMetric có điều chỉnh
đơn vị áp suất từ bar_g sang kg/cm2g và đơn vị dòng nhiệt từ Gcal/h sang MW.
2.2.3 . Lựa chọn thông số đầu vào mô hình mô phỏng
Thông số đầu vào của các thiết bị và dòng công nghệ được xác định như sau:
- Chênh lệch áp suất qua các thiết bị trao đổi nhiệt E-3202, E-3206 là 1 kg/cm2;
-
Chênh lệch áp suất qua thiết bị làm mát bằng không khí E-3201 là 0 kg/cm2.
Chúng tôi chọn giá trị chênh áp này để dễ bố trí công cụ “Recycle” trên phần
mềm mô phỏng; việc lựa chọn giá trị này không ảnh hưởng nhiều đến tính
chất của các dòng/thiết bị cần khảo sát do: (1) thiết bị E-3201 có áp suất đầu
vào thấp, bằng áp suất làm việc khoảng 0,1 kg/cm2g của D-3201, (2) đây là
thiết bị ngưng tụ hơi nhờ trao đổi nhiệt với không khí, nước ngưng được vận
chuyển nhờ áp suất thủy tĩnh thông qua ống venturi và tuần hoàn trở lại D3201.
-
Chênh lệch áp suất qua các thiết bị là mát bằng không khí E-3204, E3205 là
0,5 kg/cm2;
- Áp suất làm việc của D-3202, D-3201 và các thiết bị tách khí (DA) lần lượt là
3,6 kg/cm2g; 0,1 kg/cm2g và 0,5 kg/cm2g.
Các thông số đầu vào các dòng công nghệ cần có để xây dựng mô hình được thể
hiện trên Bảng 2.1. Trong đó, các dòng nước ngưng đi vào bình tách đều có 2 pha,
gồm các dòng nước ngưng công nghệ cao áp và trung áp đi vào D-3202 và dòng nước
ngưng công nghệ thấp áp đi vào D-3201 [9]. Các dòng còn lại chỉ có 1 pha lỏng.
Bảng 2.1: Số liệu đầu vào các dòng công nghệ sử dụng xây dựng mô hình
STT
Dòng công nghệ
Áp suất,
kg/cm2g
Nhiệt độ,
o
C
Lưu
lượng,
tấn/h
Tỷ lệ
hơi
7,8
0,2026
0,0750
1.
Nước ngưng công nghệ cao áp
2.
Nước ngưng công nghệ trung áp
104,4
3.
Nước ngưng công nghệ thấp áp
62,46
4.
Nước ngưng vào D-3201
5.
LC từ các các bể chứa Nhà máy
6.
NN công nghệ về TK-3201
7.
NN đã xử lý vào E-3202
8.
NN đã xử lý ra E-3202
0,0829
3,0
81,0
35,60
50,0
3,5
50,0
76,0
326,2
