Bài giảng Các thiết bị trên đường ống

4-CÁC THIẾT BỊ TRÊN ĐƯỜNG ỐNG 4.1 Mixer .......................................................................................... 2 4.1.1 Design Tab .......................................................................... 2 4.1.2 Rating Tab........................................................................... 4 4.1.3 Worksheet Tab .................................................................... 4 4.1.4 Dynamics Tab ..................................................................... 4 4.1.5 Example .............................................................................. 5 4.2 Pipe Segment............................................................................. 8 4.2.1 Calculation Modes .............................................................. 8 4.2.2 Design Tab ....................................................................... 12 4.2.3 Rating Tab......................................................................... 17 4.2.4 Worksheet Tab ................................................................. 27 4.2.5 Performance Tab............................................................... 27 4.2.6 Dynamics Tab ................................................................... 29 4.2.7 Deposition Tab ................................................................. 29 4.2.8 Pipe Example.................................................................... 40 4.2.9 Modifying the Fittings Database........................................ 42 4.3 Tee ............................................................................................ 45 4.3.1 Design Tab ....................................................................... 45 4.3.2 Ratings Tab ...................................................................... 47 4.3.3 Worksheet Tab ................................................................. 47 4.3.4 Dynamics Tab ................................................................... 47 4.4 Valve ......................................................................................... 48 4.4.1 Design Tab ....................................................................... 48 4.4.2 Ratings Tab ...................................................................... 49 4.4.3 Worksheet Tab ................................................................. 49 4.4.4 Dynamics Tab ................................................................... 50 4.4.5 Valve Example .................................................................. 50 4.5 Relief Valve .............................................................................. 52 4.5.1 Design Tab ....................................................................... 52 4.5.2 Ratings Tab ...................................................................... 53 4.5.3 Worksheet Tab ................................................................. 53 4.5.4 Dynamics Tab ................................................................... 54 4.5.5 Relief Valve Example ....................................................... 54 4.6 References................................................................................ 56 4.1 Mixer Trộn hỗn hợp là sự kết hợp hai hay nhiều dòng vật chất thành một. Cân bằng nhiệt và cân bằng vật chất đạt được nhờ có sự trộn hỗn hợp. Như vậy, giá trị nhiệt độ chưa biết trong số các thông số nhiệt độ dòng vào và dòng ra luôn luôn được tính toán một cách chặt chẽ. Nếu các tính chất của dòng vào đã biết (nhiệt độ, áp suất, thành phần), thì tính chất dòng ra sẽ được tính toán một cách tự động dựa trên thành phần, nhiệt độ và entanpi đã biết của dòng đó. Nhiệt độ của dòng sau MIXER hoàn toàn khác các dòng ban đầu do hiệu ứng trộn hỗn hợp. Áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp thường chưa biết. Tuy nhiên, Mixer sẽ tự động tính toán ngược lại và xác định nhiệt độ của một trong những dòng vào nếu như dòng ra đã hoàn toàn xác định. Trong trường hợp này, áp suất của tất cả các dòng phải được xác định đầy đủ. MIXER sẽ tính nhanh dòng ra sử dụng enthalpy tổ hợp cuae các dòng ban đầu. Chú ý rằng khi dòng vào đã biết hoàn toàn, không cần cung cấp thêm thông tin nào cả để biết được dòng ra. Vấn đề là ở chỗ cần xác định đầy đủ thông tin của các dòng vào, không còn lại bậc tự do nào. Để bỏ qua Mixer trong quá trình tính toán, kích hoạt hộp chọn Ignored. HYSYS sẽ bỏ qua cho đến khi xóa dấu kích hoạt hộp chọn. Để cài đặt MIXER, bấm phím F12 và chọn Mixer hoặc chọn biểu tượng Mixer trong Object Palette. 4.1.1 Design Tab Giao diện này có 4 page: Connections - kết nối, Parameters - tham số, User Variables - biến số của người sử dụng, và Notes page – ghi chú. Conections Page Trên giao diện này, ghi rõ tên của tất cả các dòng vào Mixer và dòng ra. Parameters Page Trong Parameters Page, hiển thị Automatic Pressure Assignment HYSYS sử dụng tính toán với các dòng gắn với Mixer. Thiết lập mặc định là Set Outlet to Lowest Inlet, trong trường hợp này phải biết một giá trị áp suất của một trong các dòng. HYSYS sẽ gán giá trị áp suất dòng vào thấp nhất cho áp suất dòng ra. Nếu chọn Equalize All HYSYS sẽ mặc định tất cả các dòng có cùng một áp suất khi đã biết áp suất của một trong các dòng vào. Nếu chọn Equalize All và hai hoặc nhiều dòng không có cùng áp suất, nói chung sẽ gặp lỗi inconsistency error (lỗi không nhất quán). Nếu muốn chọn tất cả dòng vào cùng một áp suất, trước hết cần chắc chắn rằng tất cả áp suất đã được xác định trước khi thiết lập Mixer, sau đó chọn Set Outlet to Lowest Inlet. Trong trường hợp này HYSYS sẽ không tự động gán giá trị áp suất, mà tất cả áp suất đã biết từ đầu. Nếu không chắc chắn với giá trị áp suất sử dụng, chọn Set Outlet to Lowest Inlet. Chỉ sử dụng Equalize All nếu biết chắc chắn tất cả các dòng vào đều có cùng một áp suất. Trong khi giá trị áp suất được gán cho từ bên ngoài, đặc biệt quan trọng khi sử dụng Mixer để mô phỏng các điểm nối phức tạp giao nhau của hệ thống đường ống dẫn. Lưu ý rằng nếu chọn Equalize All và hai hay nhiều các dòng có áp suất khác nhau, sẽ xuất hiện một thông báo pressure inconsistency (áp suất không đồng nhất). Trong trường hợp này, bạn phải xóa bỏ toàn bộ chỉ để lại một giá trị áp suất cho tất cả các dòng hoặc chọn Set Outlet to Lowest Inlet. Nếu bạn chọn Set Outlet to Lowest Inlet bạn vẫn có thể đặt áp suất cho tất cả các dòng. User Variables Page Trang này cho phép người sử dụng tạo ra và thực hiện các biến số trong mô phỏng HYSYS. Để biết thêm thông tin về việc lựa chọn các biến số, xem thông tin ở chương User Variables trong Customization Guide. Notes Page Trong Note page cho phép soạn thảo dạng văn bản, ghi chép hoặc chú thích về Mixer hoặc về mô phỏng nói chung. 4.1.2 Rating Tab Không sử dụng tab này trong mô phỏng tĩnh. 4.1.3 Worksheet Tab Worksheet Tab chứa tất cả các thông tin chi tiết về các tính chất của các dòng liên kết với Mixer. Các trang Conditions (điều kiện), Properties (đặc tính), Composition (thành phần) trong Worksheet Tab chứa các thông tin tương ứng của các dòng. PF Specs page chứa các thông tin của các dòng trong Dynamics Tab. 4.1.4 Dynamic Tab Nếu đang thực hiện mô phỏng tĩnh, không cần phải quan tâm đến các thông tin trong trang này. Để biết thêm thông tin về hoạt động của Mixer trong Dynamics mode, xem chỉ dẫn ở Dynamic Modeling guide để biết thêm chi tiết. 4.1.5 Example Có 2 dòng là dòng 1 và dòng 2, trộn hỗn hợp tạo dòng ra là dòng 3. Biết các thông số của 2 dòng ban đầu ở bảng sau, sử dụng Peng Robinson EOS. Khi thiết lập MIXER, cần chắc chắn rằng chế độ Automatic Pressure Assignment chọn Set Outlet to Lowest Inlet trong Parameter page của Design tab. Ban đầu vào File → New → Case Sau đó tiến hành chọn các biến số cho Mixer Trong Fluid Pkgs → Add → Sour PR, sau đó đóng giao diện. Bấm phím Enter Simulation Environment Bấm phím F12 → Piping Equipment → Mixer→ Add → Close Trong bảng Design Connections đặt tên cho các biến số của dòng vào (dòng 1 và dòng 2) và dòng ra (dòng 3): Trong Worksheet Conditions chọn các thông số của dòng ra: ví dụ như nhiệt độ áp suất, thành phần.... Tiếp tục chọn thành phần cho mỗi cấu tử thuộc từng dòng vào: Dòng 1: Dòng 2: Kết quả có được thông số dòng ra (dòng 3) như sau: 4.2 Các đoạn ống (Pipe Segment) Các đoạn ống (pipe sigement) được sử dụng để mô phỏng các hệ thống ống dẫn từ những ống dẫn một pha hay nhiều pha trong các nhà máy trong đó sự thay đổi nhiệt là rất khắc nghiệt cho tới các vấn đề về các vòng ống. Có hai phương pháp hiệu chỉnh độ giảm áp: trong đó một phương pháp được phát triển bởi Gregory, Aziz và Mandhane, phương pháp thứ hai là của Beggs và Brill. Còn có một lựa chọn thứ 3, OLGAS, cũng có thể sử dụng như phương pháp gradien. Bốn mức độ phức tạp trong việc dự đoán truyền nhiệt cho phép tìm ra giải pháp đáp ứng với những yêu cầu khắt khe cho những vấn đề đã biết. pipe sigement đưa ra 3 kiểu tính toán: độ giảm áp, lượng dòng, và chiều dài ống. Kiểu tính toán phù hợp sẽ được tự động lựa chọn phụ thuộc vào các thông tin được cung cấp. Khi tính toán cho mỗi đoạn ống thì cần phải cung cấp đầy đủ thông tin để đảm bảo xác lập cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng. Để bỏ qua các đoạn ống trong quá trình tính toán cần đánh dấu vào hộp chọn Ignored. HYSYS sẽ bỏ qua cho tới khi xóa bỏ đánh dấu trong hộp chọn. Để cài đặt pipe sigement bấm phím F12, chọn pipe sigement từ Unit Ops hoặc chọn pipe segment ở giữa trong Object Palette. Trước khi nhập các thông tin vào các trang của pipe segment, cần phải xác định rõ kiểu tính toán (Calculation Modes) và phương pháp tính cân bằng vật liệu, cân bằng năng lượng. 4.2.1 Kiểu tính toán Có 3 cách thức tính toán: theo độ giảm áp, theo lưu lượng dòng, theo chiều dài ống. Cách thức tính toán sẽ được ấn định tuỳ thuộc vào những thông tin cung cấp. Bất kể sử dụng kiểu tính toán nào, bạn cũng phải xác định rõ ràng số lượng các đoạn ống có kích thước và độ cao khác nhau. Quá trình tính toán sẽ được tiến hành với mỗi đoạn ống, ví dụ: xác định độ giảm áp, cân bằng năng lượng, cân bằng khối lượng được thực hiện cho mỗi đoạn ống, áp suất tại đầu ra của đoạn ống này sẽ là áp suất đầu vào cho đoạn ống tiếp theo. Tiếp tục như vậy theo chiều dài toàn tuyến ống cho đến khi áp suất ra cuối cùng được xác định. Những tuyến ống có thể tính toán theo các hướng khác nhau. Nói chung, thường được tiến hành từ đầu mà tại đó nhiệt độ đã biết (nhiệt độ thường chỉ biết tại một đầu mà không biết ở cả hai đầu của tuyến ống). Sau đó HYSYS từng bước dọc theo tuyến ống từ điểm đầu này, sử dụng những áp suất khác nhau đã được cung cấp hay từ giá trị ước tính ban đầu. Nếu điểm bắt đầu là đầu cuối cùng của toàn tuyến ống, thì HYSYS sẽ tính ngược lại qua toàn bộ tuyến ống. Tại đầu cuối của toàn tuyến ống HYSYS so sánh các kết quả tính toán từ những tham số và các thông tin đã biết khác, và nếu cần thiết sẽ khởi động lại quá trình với những giá trị ước tính mới. Một số đặc tính của các cách thức tính toán được đưa ra dưới đây: Tính toán theo Độ giảm áp Giả sử nguồn nguyên liệu, sản phẩm và dòng năng lượng đã được liên kết với tuyến ống với các thông tin sau đây : Lưu lượng dòng Chiều dài, đường kính ống và sự thay đổi độ cao Thông tin về truyền nhiệt Có ít nhất nhiệt độ của một dòng và một giá trị áp suất Delta P phương pháp 1: 1.Tại một đầu đã biết T và P, tính giá trị T và P ở đầu ra của đoạn ống đầu tiên. 2.Chuyển sang đoạn ống tiếp theo, sử dụng giá trị đầu ra của đoạn ống trước đó làm giá trị đầu vào để tính toán tiếp. 3.Tiếp tục dọc theo toàn tuyến ống cho đến khi toàn tuyến ống được tính toán xong. Có 2 phương pháp khác nhau để tính toán theo độ giảm áp : Phương pháp thứ nhất: Nếu xác định được nhiệt độ và áp suất tại cùng một đầu của đường ống, thì sau đó tính cân bằng năng lượng và cân bằng khối lượng cho mỗi đoạn ống, giá trị nhiệt độ và áp suất của dòng tại đầu kia của đường ống được xác định. Phương pháp thứ hai: Nếu biết giá trị nhiệt độ của một dòng và áp suất của dòng khác, cần có một vòng lặp để tính toán cho quá trình : Trước hết ước tính giá trị áp suất cho dòng đã biết nhiệt độ. Delta P phương pháp 2: 1. Ước tính giá trị P cho dòng tại đầu đã biết T. 2. Tính giá trị T và P ở đầu ra của đoạn ống đầu tiên. 3. Chuyển sang đoạn ống tiếp theo, sử dụng giá trị đầu ra của đoạn ống trước đó làm giá trị đầu vào để tính toán tiếp. 4. Tiếp tục dọc theo toàn tuyến ống. 5. Nếu giá trị P tính khác với giá trị P ước tính, lặp lại từ bước 1. Tiếp theo giá trị áp suất và nhiệt độ tại đầu kia của tuyến ống được xác định từ tính cân bằng năng lượng và cân bằng khối lượng như phương pháp thứ nhất. Nếu kết quả tính áp suất nhận được khác với áp suất ước tính thì phải ước tính một giá trị áp suất mới và tính lại cân bằng năng lượng và cân bằng khối lượng. Tiếp tục cho tới khi giá trị P tính toán và P ước tính đạt được sự sai khác trong giới hạn cho phép. Phương pháp này được áp dụng tính toán độ giảm áp cho những chỗ nối, các hiệu ứng ma sát, thuỷ tĩnh. Tính toán theo Chiều dài Tính theo chiều dài: 1.Ước tính chiều dài. Tại đầu đã biết T, tính giá trị T và P ở đầu ra của đoạn ống đầu tiên. 2. Chuyển sang đoạn ống tiếp theo, sử dụng giá trị đầu ra của đoạn ống trước đó làm giá trị đầu vào để tính toán tiếp. 3.Tiếp tục dọc theo toàn tuyến ống. 4.Nếu giá trị P tính khác với giá trị P ước tính, lặp lại từ bước 1. Giả sử có dòng nguyên liệu, sản phẩm và dòng năng lượng đã liên kết với đoạn ống, cần cung cấp những thông tin sau : Lưu lượng dòng Thông tin về truyền nhiệt Đường kính ống Áp suất đầu vào và áp suất đầu ra (hoặc một giá trị áp suất và độ giảm áp) Một giá trị nhiệt độ của dòng Ước tính chiều dài ban đầu Với mỗi đoạn ống, ước tính chiều dài, với những tham số dòng đã biết sử dụng để tính toán áp suất và nhiệt độ của những dòng chưa biết. Nếu giá trị tính toán áp suất và áp suất thực tế không bằng nhau (trong khoảng sai số do người sử dụng đặt ra) thì phải ước tính chiều dài mới và tiếp tục tính toán lại. Giá trị ước tính ban đầu mà tốt thì sẽ giảm thời gian các bước tính sau rất nhiều. Tính toán theo lưu lượng dòng Giả sử có dòng nguyên liệu, sản phẩm và dòng năng lượng đã được liên kết với đoạn ống, yêu cầu cung cấp những thông tin sau: Chiều dài và đường kính ống Thông tin về truyền nhiệt Áp suất đầu vào và áp suất đầu ra Nhiệt độ của một dòng Ước tính lưu lượng dòng ban đầu Sử dụng giá trị lưu lượng dòng ước tính ban đầu và các điều kiện đã biết (tại đầu đã biết nhiệt độ), HYSYS sẽ tính toán áp suất ở đầu kia. Nếu áp suất tính toán khác với áp suất thực tế thì sẽ phải ước lượng lại giá trị lưu lượng dòng và tính toán tiếp tục lại từ đầu. Giá trị ước tính ban đầu mà tốt thì sẽ giảm thời gian các bước tính sau rất nhiều. Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng của đoạn ống Các thuật toán tổng cộng bao gồm 3 vòng lặp. Vòng lặp ngoài lặp lại các thông số của các đoạn ống (phương pháp tính theo áp suất, chiều dài hoặc lưu lượngdòng), vòng giữa thực hiện tính toán nhiệt độ và vòng trong cùng tính toán áp suất. Vòng lặp giữa và trong cùng thực hiện phương pháp cát tuyến để nhanh chóng đạt sự hội tụ. Áp suất và nhiệt độ đuợc tính toán theo các bước sau: 1. Nhiệt độ và áp suất đầu vào tham gia vào các quá trình tính cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng 2. Sử dụng giá trị ước lượng ban đầu cho nhiệt độ và gradient áp suất, tính toán nhiệt độ và áp suất đầu ra 3. Các tính chất của dòng được tính toán trên cơ sở các điều kiện đầu vào và ước tính đầu ra. 4. Những tính chất này, cùng với áp suất đầu vào, đã tham gia vào thuật toán gradient áp suất (Beggs - Brill, Gregory - Aziz - Mandhane, hoặc OLGAR). 5. Với gradien áp suất có thể tính toán được áp suất đầu ra. 6. So sánh áp suất tính toán với áp suất ước lượng, nếu sai khác vượt quá giá trị cho phép 0.01 % thì ước lượng lại giá trị áp suất đầu ra, và lặp lại từ các bước 3 đến bước 6. 7. Khi áp suất vòng lặp trong đã hội tụ, giá trị nhiệt độ đầu ra được tính toán như sau: - Nếu U và nhiệt độ môi trường đã xác định, thì nhịêt độ đầu ra đuợc xác định theo biểu thức: Q = UADTLM (4.1) Q = Qin – Qout (4.2) Trong đó : Q là nhiệt lượng trao đổi U là hệ số truyền nhiệt toàn bộ DTLM là log giá trị nhiệt độ trung bình Qin lưu lượng nhiệt dòng vào Q out lưu lượng nhiệt dòng ra - Nếu cả hai giá trị nhiệt độ đầu vào và đầu ra của tuyến ống đã biết, nhiệt độ đầu ra của đoạn ống được tính bằng phép nội suy tuyến tính. Nhiệt lượng của dòng sẽ được tính toán qua cân bằng năng lượng. - Nếu biết nhiệt lượng của dòng, nhiệt độ đầu ra sẽ được tính toán từ Pressur-Enthalpy flash. Khi nhiệt độ và áp suất của đoạn ống đã được tính toán, so sánh với nhiệt độ đầu ra ước tính ban đầu. Nếu giá trị sai khác vượt quá 0.01oC, ước tính giá trị nhiệt độ đầu ra mới và lặp lại tính toán từ bước 3. 8. Khi cả hai giá trị nhiệt độ và áp suất hội tụ, kết quả tính đầu ra sẽ được sử dụng làm giá trị đầu vào để tính toán cho đoạn ống tiếp theo, cứ như vậy tiếp tục cho đến hết toàn bộ tuyến ống. 4.2.2 Design tab Trong Design tab có 5 trang: Conections, Parameter, Caculations, User variable, và Note page. Conections Page Trong trang này phải xác định các dòng vật chất Feed và Product, có thể thực hiện bằng cách chọn feed và product từ hộp danh sách kéo thả. Có thể tạo ra những dòng mới bằng cách chọn và nhập tên dòng mới trong Edit Bar Ngoài liên kết các dòng vật chất, có thể liên kết dòng năng lượng với Pipe Segment. Có thể thay đổi tên của đoạn ống này nếu cần thiết. Parameter Page Trong nhóm các thông số gradient áp suất, có thể chọn phương pháp gradient sử dụng cho tính toán dòng hai pha (VL). Có những lựa chọn dưới đây : Beggs and Brill Gregory Aziz Mandhane OLGAS Với dòng một pha, phương trình Dancy được dùng để dự doán độ giảm áp. Phương trình này là dạng biến đổi của phương trình năng lượng cơ học, có tính đến sự mất mát do ma sát làm ảnh hưởng đến thế năng. Nhiệt lượng mất mát toàn phần trong đoạn ống được thể hiện trong mục Duty. Toàn bộ nhiệt lượng mất mát có thể tính toán bằng cách sử dụng hệ số truyền nhiệt ước tính hoặc xác định trong Heat Transfer page của trong Rating Tab. Có thể xác định độ giảm áp tổng cộng cho hệ thống. Độ giảm áp bao gồm: mất mát do ma sát, áp suất thuỷ tĩnh, và các đoạn nối. Nếu độ giảm áp tổng cộng không xác định trong Parameter page thì sẽ được HYSYS tính toán theo tất cả các số liệu đã được cung cấp. Gravitational Energy Change (sự thay đổi năng lượng do trọng lực) hiển thị sự thay đổi thế năng của dòng chất lỏng dọc theo chiều dài ống. Nó đước xác định theo toàn bộ sự thay đổi độ cao, dựa vào tổng độ cao của mỗi đoạn ống trong Sizing page của Rating tab. Khi độ giảm áp được xác định, PIPE SEGMENT có thể được dùng để tính toán hoặc chiều dài của các đoạn ống hoặc lưu lượng dòng vật chất dọc theo chiều dài ống. Chú ý rằng kiểu tính toán (theo độ giảm áp, chiều dài, lưu lượng dòng) không phải khai báo, mà tuỳ thuôc vào thông tin được cung cấp HYSYS sẽ tự động xác định phương pháp tính toán. Độ giảm áp tổng cộng có thể được khai báo trước hoặc được HYSYS tính toán, là tổng của độ giảm áp do ma sát, áp suất thuỷ tĩnh và tại các chỗ nối. Khi có dòng hai pha, thể tích tương ứng dựa trên định luật hỗn hợp được thực hiện để tính toán cho một pha lỏng giả. Vì vậy cần cẩn thận với các hệ 3 pha. Độ giảm áp hiện thời có thể thay đổi với các chế độ dòng chảy khác nhau, và với các hệ nhũ tương. Beggs and Brill Pressure Gradient Beggs - Brill là phương pháp dựa trên cơ sở tính toán cho hỗn hợp không khí - nước tại những điều kiện khác nhau, và có thể áp dụng được cho dòng chảy có độ nghiêng. Trong Beggs – Brill, chế độ dòng chảy được xác định qua việc sử dụng chỉ số Foude và hàm lượng dòng lỏng vào. Lưu đồ dòng chảy dựa trên dòng chảy theo phương nằm ngang trong 4 chế độ: dòng phân tầng (segregeted), dòng gián đoạn (intermittent), dòng phân phối (distributed) và dòng quá độ (transition). Khi một chế độ dòng đã được xác định, mức chất lỏng trong các ống được tính toán cho đường ống nằm ngang, sử dụng hiệu chỉnh với các chế độ đó. Hệ số được áp dụng cho mức chất l