MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Theo số liệu nghiên cứu nhiên liệu năm 2016, chi phí năng lượng Nhà máy lọc dầu Dung Quất chiếm 53% tổng chi phí vận hành với quy mô năng lượng 64.162 GJ/giờ. Tiềm năng cải hiện việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả hơn ở đây rất lớn.

Ở HTNN của Nhà máy, nước ngưng ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao cần giải phóng nhiệt để trở về trạng thái có nhiệt độ và áp suất thấp hơn trước khi đưa vào hệ thống xử lý bằng nhựa trao đổi ion. Lượng nhiệt đó cần thu hồi một cách hiệu quả.

Theo thiết kế, hệ thống này sử dụng thiết bị làm mát bằng không khí E-3201. Kết quả tính toán sơ bộ dựa trên thông số vận hành thực tế cho thấy khoảng 3,4 MW nhiệt đang giải phóng ra môi trường bên ngoài, kèm theo điện sử dụng để chạy quạt gió khoảng 57 kW.

Ngoài thiết bị E-3201, hệ thống còn có các thiết bị trao đổi nhiệt làm mát bằng không khí E-3204 và E-3205. Tổng lượng nhiệt giải phóng ra môi trường tại các thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí là rất lớn, cần được nghiên cứu tận dụng.

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 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”.

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu tận dụng ít nhất 50% nhiệt thất thoát ra môi trường ở HTNN 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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

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.

1. 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 HTNN.

Phương pháp nghiên cứu

• • • Phương pháp thống kê, thu thập dữ liệu;
    • Phương pháp mô phỏng: chạy mô phỏng trên phần mềm PetroSim;
    • Phương pháp tính toán: ứng dụng kỹ thuật Pinch, 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.

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 HTNN làm cơ sở xem xét, quyết định chủ trương đầu tư xây dựng tại NMLD Dung Quất.

Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc của luận văn gồm có 3 chương chính:

Chương 1 – Tổng quan: nêu tổng quan về Nhà máy lọc dầu Dung Quất, về HTNN và thực tế vận hành HTNN hiện nay, đồng thời mô hình hóa cụm giải nhiệt HTNN và xác định tiềm năng tối ưu nhiệt ở khu vực này.

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

.

TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT VÀ HỆ THỐNG NƯỚC NGƯNG

Tổng quan về Nhà máy lọc dầu Dung Quất

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.

Khu vực công nghệ

Nhà máy lọc dầu Dung Quất gồm 14 cụm phân xưởng công nghệ, được thiết kế để thực hiện các quá trình lọc tách và chuyển hóa dầu thô thành các sản phẩm thương mại.

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, khí, nước, hơi nước, hóa chất cho các phân xưởng trong các điều kiện làm việc khác nhau và nhu cầu lưu chứa, vận chuyển dầu thô, sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối. HTNN là một trong các phân xưởng/hệ thống phụ trợ đó.

Tổng quan về hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng

Vai trò của hệ thống thu gom và xử lý nươc ngưng

HTNN 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.

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, 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, cụm phun hóa chất và các bơm vận chuyển nước.

Mô tả sơ đồ dòng công nghệ

Các dòng nước ngưng công nghệ trung và cao áp được đưa về thiết bị tách D-3202, hơi được tách ra đưa lên mạng hơi thấp áp còn nước ngưng được đưa sang bình tách D-3201 cùng với dòng nước ngưng thấp áp. Tại D-3201, hơi sinh ra được làm nguội/ngưng tụ ở E-3201 và quay trở lại D-3201.

Nước ngưng thấp áp từ các bình tách D-3203, D-3204 và D-3201 được bơm qua thiết bị E-3202, trao đổi nhiệt với dòng nước ngưng đã qua xử lý rồi đi qua thiết bị E-3204 để ổn định nhiệt xuống 50^oC trước khi đưa vào bể chứa nước ngưng TK-3201. Sau đó được xử lý rồi bơm qua E-3202 để nhận nhiệt rồi đi vào thiết bị tách khí. Các thiết bị tách khí hoạt động ở điều kiện nhiệt độ 111,4^oC, áp suất 0,5 kg/cm²g và sử dụng hơi thấp áp làm hơi tách và để gia nhiệt nâng nhiệt độ của nước ngưng đầu vào lên điều kiện vận hành. Nước sau khi xử lý được dùng làm nước cấp lò hơi ở các cấp cao áp thấp áp và lạnh. Nước lò hơi lại được giải nhiệt bằng không khí tại E-3205.

Thực tế vận hành hệ thống nước ngưng

Thực tế vận hành HTNN hiện nay cho thấy về cơ bản vẫn đúng theo thiết kế, đáp ứng yêu cầu công nghệ. Tuy nhiên vẫn còn một số vấn đề được ghi nhận:

Tắt quạt làm mát ở thiết bị E-3204

Khả năng chuyển đổi công năng thiết bị E-3206

Do nhiệt độ vận hành của dòng nóng là 35^oC, thấp hơn 15^oC so với thiết kế nên E-3206 được xem là hoạt động kém hiệu quả, có thể cải hoán để sử dụng vào mục đích khác.

Khả năng sử dụng nước khử khoáng làm môi chất lạnh

Nước khử khoáng có nhiệt độ 30^oC từng được đề xuất làm môi chất lạnh để tận dụng nhiệt ở phân xưởng CDU như chưa thể thực hiện do chi phí đầu tư và thời gian hoàn vốn cao. Dòng nước này có thể được sử dụng làm môi chất lạnh trong nghiên cứu cải hoán.

Vấn đề mài mòn đường ống nước ngưng

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 có sự giảm áp, chuyển pha, tăng thể tích và gây mài mòn cơ học, cần lưu ý trong nghiên cứu cải hoán.

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 các thiết bị làm mát bằng không khí E-3201 và E-3205. Chúng tôi nhận thấy có khả năng cải tiến hệ thống thiết bị để tận dụng nhiệt ở đây và nghiên cứu sẽ tập trung đi sâu vào vấn đề này.

Tóm lại, sau khi nghiên cứu tổng quan về NMLD Dung quất và HTNN, chúng tôi nhận thấy rằng việc nghiên cứu tận dụng nhiệt thải ở HTNN nhằm tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải nhiệt và khí nhà kính CO₂, 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.

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.

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 P&ID, 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.

Mô phỏng công nghệ

Mục đích của việc sử dụng phương pháp mô phỏng công nghệ trong nghiên cứu 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 HTNN phục vụ cho quá trình phân tích và tối ưu hóa hệ thống.

Giới thiệu phần mềm mô phỏng

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. 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.

Mô hình nhiệt động và hệ đơn vị

Mô hình nhiệt động là ASME Steam, hệ đơn vị 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.

Thông số đầu vào mô hình mô phỏng

Thông số đầu vào của các thiết bị và dòng công nghệ được xác định gồm chênh áp suất qua thiết bị trao đổi nhiệt, áp suất làm việc các bình tách hơi và thiết bị tách khí, số liệu nhiệt độ, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và thành phần hơi các dòng công nghệ có liên quan.

Ứng dụng kỹ thuật Pinch

Tổng quan về kỹ thuật Pinch

Kỹ thuật pinch được nghiên cứu và đưa ra bởi Linhhoff năm 1978. Đây là một phương pháp phân tích mang tính hệ thống, dựa trên nguyên lý nhiệt động học, tính toán các mục tiêu năng lượng có tính khả thi về mặt nhiệt động (thường là tiêu thụ năng lượng tối thiểu) và đạt được chúng bằng cách tối ưu hóa các hệ thống thu hồi nhiệt, phương pháp cung cấp năng lượng và điều kiện vận hành. Phương pháp này nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong quá trình sản xuất và trở thành phương pháp thiết kế mạng lưới hệ thống trao đổi nhiệt trong các nhà máy. Nó còn được gọi là tích hợp quá trình, tích hợp nhiệt, tích hợp năng lượng hoặc kỹ thuật Pinch.

Nguyên tắc Pinch

Điểm Pinch chia các đường tổ hợp thành 2 vùng phân biệt phía trên và phía dưới. Về nguyên tắc, để không làm tăng chi phí sử dụng năng lượng, cần đảm bảo không có sự truyền nhiệt qua Pinch, gồm:

• • Không truyền nhiệt từ dòng nóng ở phía trên điểm Pinch sang dòng lạnh ở phía dưới điểm Pinch;
  • Không làm lạnh ở vùng phía trên điểm Pinch;
  • Không đun nóng ở vùng phía dưới điểm Pinch.

Lựa chọn thông số đầu vào trong ứng dụng Pinch

Từ sơ đồ công nghệ chúng tôi xác định có 4 dòng nóng và 3 dòng lạnh như sau:

• • Dòng nóng 1: dòng nước ngưng từ đáy bình tách D-3202 đi vào D-3201, qua E-3202, E-3204 rồi vào TK-3201;
  • Dòng nóng 2: dòng nước ngưng thấp áp đi vào D-3201, qua E-3202, E-3204 rồi vào TK-3201;
  • Dòng nóng 3: dòng nước ngưng từ các bể chứa được bơm vào dòng nóng 1 để qua E-3202, E-3204 rồi vào TK-3201;
  • Dòng nóng 4: dòng nước lạnh cấp lò hơi đi từ DA-3201 A/B đến E3205 trước khi cấp cho các hộ tiêu thụ;
  • Dòng lạnh 1: dòng nước ngưng đã xử lý được bơm qua E-3202 và đi vào DA-3201 A/B;
  • Dòng lạnh 2: dòng nước ngưng đã xử lý đi vào các thiết bị khử khí ở trạm điện.
  • Dòng lạnh 3: dòng nước khử khoáng bổ sung được đưa trực tiếp vào các thiết bị khử khí.

Việc lựa chọn các dòng trên không tính đến các dòng công nghệ của quá trình xử lý ion vì các dòng này khá phức tạp và chênh lệch enthalpy không nhiều.

Đánh giá khả năng điều chỉnh các thiết bị trao đổi nhiệt

Thực chất của việc đánh giá khả năng điều chỉnh các thiết bị trao đổi nhiệt là đánh giá sơ đồ công nghệ nhằm nhận diện các tính chất, đặc trưng và những hạn chế để tìm kiếm và đề xuất các phương án phù hợp bố trí các thiết bị trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt ở hệ thống thu hồi và xử lý nước ngưng. Hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng gồm có 2 thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm E-3202, E-3206 và 3 thiết bị làm mát bằng không khí E-3201, E-3204, E-3205.

Tính toán hiệu quả kinh tế

Hiệu quả kinh tế của phương án đề xuất được thực hiện theo phương pháp hoàn vốn giản đơn trên cơ sở lợi ích mang lại của việc cải tiến quy đổi thành tiền, chi phí vận hành bảo dưỡng và chi phí đầu tư ban đầu. Chi phí đầu tư ban đầu gồm có chi phí thiết kế, mua sắm, lắp đặt và chạy thử thiết bị. Để xác định được chi phí mua sắm thiết bị, cần bóc tách, lựa chọn vật tư và lấy báo giá của các nhà cung cấp và tham khảo trên mạng máy tính. Các chi phí khác được ước lượng theo phương pháp chuyên gia dựa trên khối lượng vật tư, quy mô cải hoán. Theo thông lệ, ở mức độ nghiên cứu khả thi, chi phí phát sinh dự kiến được tính bằng 30% chi phí theo tính toán ban đầu.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Kết quả phân tích pinch trên cơ sở số liệu thiết kế cho thấy nhiệt độ pinch của hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng ở 54^oC trong khi các thiết bị trao đổi nhiệt mát bằng không khí E-3201, E-3204, E-3205 làm việc các nhiệt độ đầu vào/đầu ra ra lần lượt là 100/100^oC, 98/50^oC và 114/60^oC. Theo đó, hệ thống này được thiết kế chưa hợp lý, gây lãng phí năng lượng vì đã làm mát ở vùng phía trên điểm Pinch, không đáp ứng nguyên tắc thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt.

Từ số liệu vận hành thực tế năm 2018, ta tính được lượng nhiệt có thể thu hồi lên đến 4,49 MW. Để thu hồi hết lượng nhiệt này đáp ứng các yêu cầu công nghệ và với chi phí đầu tư thấp nhất, cần nghiên cứu lựa chọn phương án tận dụng nhiệt phù hợp.

Kết quả thống kê và khảo sát sơ bộ sơ đồ công nghệ

Bằng phương pháp thông kê, chúng tôi đã chuẩn bị được bộ số liệu cần thiết, sàng lọc và lựa chọn thông số hợp lý làm thông số đầu vào cho quá trình hiệu đính và nghiên cứu đánh giá, thực hiện các phương pháp nghiên cứu khác. Trong quá trình thống kê số liệu, chúng tôi đồng thời kết hợp sử dụng phương pháp chuyên gia để đưa ra một số nhận xét sơ bộ về các vai trò các thiết bị trao đổi nhiệt E-3204, E-3206, công suất thiết bị trao đổi nhiệt E-3202, dòng tuần hoàn bơm P-3205A/B, tính chất dòng nước ngưng thấp áp, chất lượng nhiệt các dòng nóng lạnh làm và cân bằng mạng hơi thấp áp phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo.

Vai trò thiết bị trao đổi nhiệt E-3206

Công suất vận hành thực tế của E-3206 chỉ đạt 0,146 MW, thấp hơn nhiều so với số liệu thiết kế 1,696 MW. Bên cạnh đó, các dòng lạnh và dòng nóng sau khi trao đổi nhiệt đều được đưa vào các thiết bị khử khí và cần gia nhiệt thêm bằng hơi thấp áp. Vì vậy, sự có mặt của thiết bị này là không cần thiết.

Công suất thiết bị trao đổi nhiệt E-3202

Theo kết quả thống kê, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm E-3202 có khả năng hoạt động dưới công suất thiết kế, tuy vậy, trong nghiên cứu cải tiến, thiết bị có công suất 12,542 MW này vẫn có khả năng mở rộng thêm 20% bằng cách bổ sung thêm các tấm trao đổi nhiệt.

Vai trò thiết bị trao đổi nhiệt E-3204

Vận hành thực tế không sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt E-3204 do điều kiện công nghệ không cần đến.

Dòng tuần hoàn bơm P-3205A/B

Van điều khiển dòng tuần hoàn bơm P-3205A/B về bình tách D-3201 mở khoảng 15%. Chúng tôi đề xuất đóng van này để 13.000 kWh/năm, tương đương 20 triệu VNĐ. Tuy vậy, thao tác thực hiện đơn giản, lợi nhuận không nhiều nên vấn đề này sẽ không được đưa vào khuôn khổ đề tài nghiên cứu.

Nhiệt độ vận hành dòng nước ngưng thấp áp

Theo tài liệu thiết kế, nhiệt độ vận hành dòng nước ngưng thấp áp không hợp lý, chúng tôi sẽ xác định lại tính chất dòng dựa trên phương pháp mô phỏng và sử dụng kết quả mô phỏng đối với dòng nước ngưng thấp áp trong đánh giá và thiết kế cải tiến.

Chất lượng nhiệt các dòng nóng, dòng lạnh

Chất lượng nhiệt các dòng nóng, dòng lạnh, nhìn chung đều thấp. Tuy nhiên, chênh lệch nhiệt độ giữa dòng nóng và dòng lạnh khoảng 50^oC là rất đáng kể, cần được kiểm tra bằng kỹ thuật Pinch.

Cân bằng mạng hơi thấp áp

Trong quá trình vận hành, mạng hơi thấp áp thường không đạt cân bằng, có thể thừa hoặc thiếu hơi. Lúc thừa hơi sẽ xả vent còn lúc thiếu hơi sẽ giảm ôn/giảm áp hơi trung áp xuống để sử dụng.

Hình 3.2: Tiềm năng tận dụng nhiệt và tiềm năng tận dụng nhiệt hiệu quả

Việc tận dụng nhiệt ở HTNN sẽ góp phần làm giảm tiêu thụ LS tại các thiết bị tách khí nên chỉ hiệu quả khi cân bằng thiếu hơi. Khi lượng thiếu nhiều hơn lượng nhiệt có thể tận dụng, tiềm năng tận dụng nhiệt đúng bằng tiềm năng tận dụng nhiệt hiệu quả, còn nếu lượng thiếu thấp hơn thì tiềm năng tận dụng nhiệt hiệu quả cũng thấp hơn do sau khi tận dụng hết nhiệt, sẽ có một lượng hơi dư phải xả vent. Kết quả tính toán tiềm năng tận dụng nhiệt theo số liệu vận hành năm 2018 được thể hiện trên Hình 3.1.

Kết quả mô phỏng hệ thống nước ngưng

Mô hình mô phỏng HTNN của NMLD Dung Quất được xây dựng theo hướng rút gọn sơ đồ công nghệ. Kết quả mô phỏng cho thấy tính chất các dòng công nghệ hầu hết gần giống với thiết kế. Riêng dòng nước ngưng thấp áp được đề cập ở phần 3.1.5 được tính toán lại, khắc phục sự bất cập trong số liệu thiết kế: nhiệt độ tính được là 102,6^oC thay vì 143^oC, lưu lượng hơi/lỏng là 4796/57664 kg/h thay vì 6/62454 kg/h.

Kết quả mô phỏng cũng cho thấy đối với việc sử dụng hơi thấp áp gia nhiệt tại các thiết bị tách khí, mỗi tấn/giờ hơi thấp áp gia nhiệt được khoảng 0,64 MW cho dòng nước có nhiệt độ thấp hơn. Tiêu thụ hơi ở DA-3201A/B là 22,7 tấn/giờ tương đương 14,6 MW và ở DA-4031/31 là 59,2 tấn/giờ tương đương 38,4 MW.

Kết quả ứng dụng kỹ thuật Pinch

Khảo sát sơ đồ công nghệ hiện có

Từ các số liệu thu thập được trên tài liệu thiết kế, các bản vẽ PFD và PID, chúng tôi đã thiết lập sơ đồ mô phỏng hồi nhiệt của HTNN bằng phần mềm PetroSim. Từ kết quả mô phỏng, các dữ liệu của hệ thống thu hồi nhiệt như nhiệt độ, lưu lượng, dòng nhiệt, nhiệt lượng đã được trích xuất và đánh giá. Số liệu các đường cong tổ hợp nóng và lạnh của hệ thống xử lý nước ngưng đã được sử dụng để xác định được nhu cầu năng lượng cần thiết cho gia nhiệt và làm lạnh khi thay đổi giá trị Tmin. Kết quả nghiên cứu xác định được 4 dòng nóng và 3 dòng lạnh có các tính chất trên Bảng 3.1.

Bảng 3.5: Tính chất các dòng nóng và dòng lạnh

Ở đây ta thấy xuất hiện 7 khoảng nhiệt độ (148,3-111,4), (111,4-102,6), (102,6-81), (81-60), (60-50), (50-48) và (48-30) [^oC]. Kỹ thuật pinch giúp chúng tôi xác định được hệ các dòng nhiệt này chỉ cần đun nóng mà không cần làm lạnh và xây dựng được đường cong tổng hợp các dòng nóng và dòng lạnh như Hình .

Hình 3.4: Đường cong tổng hợp dòng nóng và dòng lạnh

Nhiệt độ đầu vào/đầu ra của các thiết bị làm mát bằng không khí E-3201, E-3204 và E-3205 lần lượt là 102,6/102,6^oC, 75,0/50,0^oC và 111,4/60,0^oC cao hơn nhiệt độ pinch 54,0^oC. Điều đó cho thấy có sự làm lạnh ở vùng phía trên điểm pinch, vi phạm nguyên tắc pinch và làm tăng chi phí sử dụng năng lượng.

Xác định tiềm năng tận dụng nhiệt

Tiềm năng tận dụng nhiệt được xác định dựa trên số liệu vận hành thực tế, về cơ bản giống với tính toán dựa trên bộ số liệu thiết kế trong mục 3.2 và 3.3.1. Điều này có nghĩa là phải chạy lại mô hình mô phỏng để hoàn thiện bộ số liệu và tính toán lại pinch theo số liệu thực tế để xác định lượng nhiệt có thể thu hồi.

Kết quả mô phỏng cho thấy tổng công suất làm mát của các thiết bị E-3201 và E-3205 là 4,49 MW và có thể tận dụng. Thiết bị E-3204 ngừng hoạt động nên không xét đến. Lượng nhiệt cần cung cấp bởi hơi thấp áp là 32,77 MW.

Cải tiến sơ đồ hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt

Việc nghiên cứu cải tiến hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt được thực hiện trên sơ đồ HEN. Đây là sơ đồ biểu diễn mối quan hệ giữa các dòng công nghệ cùng với các thiết bị trao đổi nhiệt. Các đường trên cùng và dưới cùng biểu diễn các dòng phụ trợ của các tác nhân lạnh và nóng được sử dụng cho quá trình; các dòng còn lại là các dòng công nghệ sử dụng trong các thiết bị trao đổi nhiệt của hệ thống nhằm mục đích thu hồi nhiệt. Thiết bị trao đổi nhiệt được biểu diễn bằng một đường thẳng đứng liên kết giữa các đường nằm ngang. Các dòng Nóng 1, Nóng 2, Nóng 3, Nóng 4, Lạnh 1, Lạnh 2, Lạnh 3 được ký hiệu lần lượt là H1, H2, H3, H4, C1, C2, và C3.

Hình 3.6: Sơ đồ hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt hiện có

Hình 3.7: Sơ đồ cải tiến hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt

Từ các giả định và dựa vào số liệu vận hành thực tế và số liệu mô phỏng, chúng tôi xây dựng được sơ đồ hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt hiện có như Hình 3.3. Nhìn sơ đồ Hình 3.3 có thể thấy (1) các dòng H1, H2 có nhiệt độ cao được làm mát bằng không khí, (2) các dòng C2, C3 có nhiệt độ thấp được gia nhiệt bằng hơi thấp áp và (3) công suất các thiết bị làm mát thấp hơn nhiều so với công suất các thiết bị gia nhiệt.

Sau khi phân tích và đánh giá lại chất lượng nhiệt, khả năng trao đổi giữa các dòng, chúng tôi đề xuất thay thế 2 thiết bị trao đổi nhiệt E-3201 và E-3205 sử dụng dòng lạnh C3 như Hình 3.4. Thiết bị E-3204 ngừng hoạt động nên không đưa vào sơ đồ cải tiến.

Kết quả đánh giá khả năng điều chỉnh các thiết bị trao đổi nhiệt

Việc đánh giá khả năng điều chỉnh các thiết bị trao đổi nhiệt được thực hiện trên 2 thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm E-3202, E-3206 và 3 thiết bị làm mát bằng không khí E-3201, E-3204, E-3205.

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm E-3202

Thiết bị này có thể mở rộng công suất lên 120% Tuy nhiên với điều kiện vận hành hiện tại chưa cần điều chỉnh gì thêm.

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm E-3206

Thiết bị này hoạt động không hiệu quả, có thể chuyển đổi mục đích sử dụng. Công suất thiết bị có thể được mở rộng bằng cách lắp thêm các tấm trao đổi nhiệt (lên đến 120%) và/hoặc sử dụng với các dòng nóng và dòng lạnh có LMTD cao hơn.

Thiết bị làm mát bằng không khí E-3201

Nhiệt phát thải ra môi trường ở thiết bị làm mát E-3201 lên đến 3,65 MW. Kết quả phân tích sơ đồ dòng cho thấy có 4 phương án kỹ thuật đưa ra để tận dụng nhiệt. Chúng tôi đã nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của từng phương án để lựa chọn.

Thiết bị làm mát bằng không khí E-3204

Thiết bị E-3204 đã ngừng hoạt động, tuy nhiên về nguyên tắc, lượng nhiệt trao đổi ở thiết bị làn mát ở thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí có thể lên đến 30% nhờ đối lưu không khí tự nhiên. Theo đó, ở E4304 vẫn còn một lượng nhiệt thất thoát ra môi trường. chúng tôi đề xuất nối tắt thiết bị này để tiết kiệm năng lượng.

Thiết bị làm mát bằng không khí E-3205

Lượng nhiệt giải phóng ra môi trường ở E-3205 khoảng 0,84 MW có thể thu hồi bằng cách lắp song song với E-3205 một thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm, sử dụng nước khử khoáng có nhiệt độ thấp (nằm gần E-3205) làm môi chất lạnh. Kích thước thiết bị bổ sung nhỏ gọn và khối lượng nhẹ (khoảng 140 kg) cho phép bố trí thiết bị này trên tầng 3 giàn công nghệ, ngay dưới thiết bị E-3205 hiện có.

Nghiên cứu phương án tận dụng nhiệt

Từ sơ đồ cải tiến hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt ở mục 2.3.4 và nội dung đánh giá khả năng điều chỉnh các thiết bị trao đổi nhiệt ở mục 2.4, ta thấy rằng để thu hồi được 4,49 MW từ hệ thống thu hồi và xử lý nước ngưng cần tập trung chủ yếu vào điều chỉnh các thiết bị E-3201, E-3204 và E-3205.

Đối với E-3201, kết quả phân tích các lợi ích, mặt hạn chế của 4 phương án đưa ra cho thấy phương án hấp thụ bớt nhiệt dòng nước ngưng từ D-3202 là ưu việt hơn cả nhờ khả năng tận dụng nhiệt tối đa, không ảnh hưởng đến chế độ vận hành bình thường đến các thiết bị/hệ thống có liên quan và có thể tận dụng lại thiết bị E-3206. Dòng vào D-3201 vào sẽ được hấp thụ năng lượng bằng nước khử khoáng, không cho bay hơi ở D-3201, qua đó vô hiệu quá vai trò giải nhiệt của E-3201. Bằng cách này, ta có thể tiết kiệm được 3,65 MW, tương đương 5,7 tấn/giờ hơi thấp áp và 57,4 MW điện.

Đối với E-3204, mặc dù đã tắt quạt nhưng trên nguyên tắc ở thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí có thể đạt 30% công suất thiết kế nhờ đối lưu không khí tự nhiên. Để tận dụng nhiệt triệt để, chúng tôi đề xuất lắp van đường gần nối tắt thiết bị này để tiết kiệm năng lượng. Việc bố trí đường gần không giúp tận dụng thêm nhiệt nhưng nó đảm bảo cho quá trình tận dụng nhiệt thải được triệt để, nhất là những lúc dòng nước ngưng đi ra khỏi E-3202 có nhiệt độ cao.

Đối với E-3205, chúng tôi đề xuất thay thế thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí hiện có bằng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (kiểu gioăng) nhỏ gọn, sử dụng nước khử khoáng (đi vào hệ thống ngang qua E-3205) làm môi chất lạnh. Việc thay thế này còn giúp tiết kiệm khoảng 17,7 MW điện.

Xây dựng giải pháp tận dụng nhiệt

Mô tả công nghệ sau khi cải tiến

Lựa chọn các thiết bị để thực hiện giải pháp

Các thiết bị để thực hiện giải pháp gồm có thiết bị trao đổi nhiệt, van chính, van xả drain/vent, đường ống, đồng hồ đo nhiệt độ, các bích nối, được bố trí như Hình. Trong đó, thiết bị trao đổi nhiệt HX1 được tận dụng từ E-3206. Đường ống bố trí trên hệ thống kết cấu, giá đỡ hiện hữu, và bố trí sao cho giảm thiểu chiều dài ống, phụ kiện và tổn thất áp suất. Vật liệu chọn phù hợp với đặc tính kỹ thuật đường ống cho từng cấp áp suất khác nhau, mức độ ăn mòn nằm trong giới hạn cho phép.

Hình 3.12: Sơ đồ đường ống thiết bị bổ sung khi thực hiện cải hoán

Lựa chọn và bố trí các thiết bị điện, điều khiển

Vì thiết bị bổ sung đơn giản nên không yêu cầu bổ sung các thiết bị điện, điều khiển. Điện chiếu sáng có thể dùng chung hệ thống hiện có.

Phương án bố trí mặt bằng

Sau khi xem xét các chỉ tiêu công nghệ, thiết kế và vận hành bảo dưỡng, chúng tôi đề xuất lắp đặt thiết HX1 bị tại vị trí gần E-3202 và lắp đặt thiết bị HX2 tại vị trí trên tầng 3 giàn công nghệ, nằm ngay dưới thiết bị làm mát bằng không khí E-3205.

Phương án đấu nối thiết bị với hệ thống hiện có

Việc đấu nối với hệ thống hiện có sẽ được tiến hành trong giai đoạn ngừng máy sửa chữa với nhân sự BSR hoặc trong thời gian hoạt động bình thường bằng phương pháp “hot tapping”.

Hiệu quả kinh tế của phương án

Lợi ích mang lại từ việc tận dụng nhiệt

Lợi ích của việc tận dụng nhiệt ở hệ thống thu hồi và xử lý nước ngưng chủ yếu do tác động làm giảm tiêu thụ hơi thấp áp (LS) ở các thiết bị tách khí mang lại. Giá hơi thấp áp là 15 USD/tấn. Theo tính toán mô phỏng, để đun nóng 1 MW cho nước ở các thiết bị tách khí, cần dùng đến 1,56 tấn/giờ LS. Việc tận dụng 4,49 MW nhiệt tương đương mỗi năm tận dụng 61.320 tấn LS, trong đó 45.700 tấn LS được tận dụng hiệu quả, giúp tiết kiệm 45.700 x 15 = 685.500 USD. Ngoài ra còn có thể tiết kiệm thêm được 45.500 USD tiền điện nhờ tắt quạt làm mát. Tổng dòng tiền tiết kiệm được 731.000 USD/năm.

Các cải tiến theo đề xuất khá đơn giản, chi phí vận hành bảo dưỡng hệ thống mới không đáng kể, chủ yếu tập trung ở công tác duy tu bảo dưỡng cho các van và thiết bị trao đổi nhiệt. Việc vận hành không tiêu tốn thêm nguyên vật liệu, sử dụng nhân công sẵn có. Chi phí vận hành bảo dưỡng dự kiến khoảng 11.000 USD/năm.

Tổng lợi ích mang lại từ phương án tận dụng nhiệt sau khi trừ đi chi phí vận hành bảo dưỡng là 720.000 USD/năm.

Chi phí đầu tư ban đầu

Chi phí đầu tư ban đầu gồm có chi phí thiết kế, mua sắm, lắp đặt và chạy thử thiết bị. Trong đó các khâu thiết kế, lắp đặt và chạy thử thiết bị có thể được BSR tự thực hiện theo quy trình MOC. Trong trường hợp thuê đối tác bên ngoài, cần có đánh giá bổ sung để điều chỉnh chi phí đầu tư. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chỉ tính đến chi phí mua sắm thiết bị và chi phí phát sinh dự kiến bằng 30%. Theo đó, tổng chi phí đầu tư ban đầu khoảng 30.000 USD, tập trung ở chi phí mua sắm thiết bị trao đổi nhiệt, đường ống thiết bị.

Thời gian hoàn vốn

Thời gian hoàn vốn là 30.000/720.000*12= 0,5 tháng.

Tác động của việc áp dụng phương án đến vận hành công nghệ

Nhìn chung, phương án cải hoán thiết bị ở trên khá đơn giản, không ảnh hưởng xấu đến môi trường và không làm thay đổi mức độ an toàn, cháy nổ cũng như qui mô an toàn công nghệ của HTNN. Tuy vậy, phương án cải hoán có tác động trực tiếp lên cân bằng mạng hơi thấp áp và giảm phát thải khí nhà kính. Nếu tận dụng hết 4.49 MW, lượng CO₂ giảm phát thải lên đến 263 kg/h hay 2.300 tấn/năm. Trong trường hợp cân bằng dư hơi, nhiệt tận dụng không hết sẽ xả ra ngoài môi trường.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Việc nghiên cứu tận dụng nhiệt thải ở hệ thống thu hồi và xử lý nước ngưng của luận văn này đã cho phép chúng tôi thiết lập được quy trình phân tích và đánh giá hệ thống trao đổi nhiệt và rút ra các kết luận như sau:

1. Hệ thống thu gom và xử lý nước ngưng tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất được thiết kế có sự làm mát trên điểm pinch, chưa phù phợp với nguyên tắc pinch, làm tiêu tốn năng lượng nhiều hơn so với nhu cầu.
2. Điều kiện vận hành hiện nay cho phép cải tiến hệ thống để tận dụng khoảng 4,49 MW nhiệt đang thải ra môi trường ở các thiết bị làm mát bằng không khí trong khu vực thu hồi và xử lý nước ngưng.
3. Phương án cải tiến hệ thống được đề xuất mang tính khả thi cao với lợi ích thu về lớn, khoảng 720.000 USD/năm và thời gian hoàn vốn ngắn, dưới 1 năm.

Bên cạnh đó, chúng tôi có một số kiến nghị như sau:

1. Sớm triển khai sớm giải pháp tận dụng nhiệt ở hệ thống thu hồi và xử lý nước ngưng để nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh và giảm phát thải môi trường.
2. Bản thuyết minh nghiên cứu được trình bày từ lý thuyết đến thực tiễn, có tính tham khảo cao và hoàn toàn có thể phát triển áp dụng cho các quá trình nghiên cứu cải tiến hiệu quả của hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt.
3. Bên cạnh mang lại hiệu quả thiết thực cho Nhà máy lọc dầu Dung Quất, kết quả nghiên cứu này có thể được áp dụng cho các lĩnh vực công nghiệp khác nhằm góp phần thực hiện Chương trình Quốc gia về tiết kiệm năng lượng.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\KY THUAT HOA HOC\KHOA 35\(R)7. Ngo Duc Khanh – cập nhật\9. Ngo Duc Khanh\TOM TAT