Bài giảng Chu trình làm lạnh Propane

Chu trình làm lạnh Propane Giới thiệu chung Hệ thống làm lạnh rất phổ biến trong công nghiệp sản xuất khí tự nhiên và trong những quá trình có liên quan trong công nghệ lọc dầu, hoá dầu và công nghiệp hoá học. Quá trình làm lạnh được sử dụng để hạ nhiệt độ của khí xuống nhiệt độ điểm sương của hydrocarbon và để sản xuất các nhiên liệu lỏng có thể thấy trên thị trường tiêu dùng hàng ngày. Trong bài này, chúng ta sẽ đi vào xây dựng, chạy, phân tích và điều khiển hệ thống mô phỏng chu trình làm lạnh Propane. Sau đó sẽ chuyển bản mô phỏng hoàn chỉnh (Case) sang một mô hình (Template), từ đó nó có thể kết nối với các bản thiết kế mô phỏng khác. Các mục tiêu nghiên cứu Khi hoàn thành phần ày, chúng ta sẽ có thể: Nhập và kết nối các thiết bị thành một lưu trình Sử dụng giao diện đồ họa để điều khiển các lưu trình trong HYSYS Hiểu cách truyền thông tin xuôi-ngược trong HYSYS Chuyển case mô phỏng thành mô hình Các yêu cầu ban đầu Trước khi bắt đầu vào phần này chúng ta phải biết các cách để: Thiết lập một Fluid Package Thiết lập các dòng Sử dụng giao diện bản ghi (workbook) Xây dựng mô phỏng Bước đầu tiên trong xây dựng bất kỳ bản mô phỏng nào là thiết lập Fluid Package. Dưới đây là hướng dẫn sơ lược cách thiết lập 1 Fluid Package và nhập các dòng. Để xem chi tiết hơn, các bạn có thể xem Defining the Simulation Basis, Module 1, phần thiết lập dòng. Thiết lập cơ sở mô phỏng Tạo New case và nhập Fluid Package Nhập các giá trị sau trong các cửa sổ Fluid Package Nhấp chuột vào phím Enter Simulation Environment khi bạn đã hoàn tất việc khai báo và bắt đầu xây dựng mô phỏng. Thiết lập dòng Có nhiều cách để tạo ra các dòng. (xem lại semina 1, phần thiết lập dòng). Nhấp vào phím nóng sẽ xuất hiện bảng trạng thái, tính chất của dòng. Hoặc có thể kích đúp vào biểu tượng Stream (Dòng) trong Object Pallete (bảng các biểu tượng mô phỏng thiết bị). Thiết lập các dòng cần thiết: Nhập một dòng với các giá trị cần thiết sau: Nhập dòng thứ hai với các tính chất sau: Áp suất của dòng 1 là bao nhiêu? Nhập các thiết bị vận hành vào lưu trình Cũng giống như việc thiết lập các dòng, có nhiều cách để nhập các thiết bị vận hành trong HYSYS: Sử dụng Thực hiện thao tác… Menu Bar Từ bảng Flowsheet, chọn Add Operation hoặc nhấn phím nóng , cửa sổ các thiết bị vận hành sẽ xuất hiện. Workbook Mở Workbook và đến trang UnitOps, sau đó nhấp chuột vào phím Add UnitOp, cửa sổ các thiết bị vận hành sẽ xuất hiện. Object Palette Từ bảng Flowssheet, chọn Open Object Palette, hoặc nhấn . Kích đúp vào biểu tượng thiết bị vận hành bạn muốn nhập. PFD/ Object Palette Sử dụng chuột phải, kéo các biểu tượng từ Object Palette sang PFD Chu trình làm lạnh Propane bao gồm 4 thiết bị: Van Chiller Máy nén Thiết bị ngưng tụ Trong bài này, chúng ta sẽ nhập từng thiết bị với các cách thiết lập khác nhau. Nhập van J-T Van J-T được sử dụng mô phỏng cho các van trong HYSYS. Dòng vào van là dòng ra từ thiết bị ngưng tụ. Dòng ra thiết bị ngưng tụ nhiệt độ điểm bọt của nó. Van được nhập bằng cách nhấn phím nóng Nhấp vào phím nóng , cửa sổ UnitOpts sẽ hiển thị: Có thể chọn lọc nhanh hơn Available Unit Operations bằng cách chọn từ Category phù hợp. Trong trường hợp này Piping Equipment sẽ bao gồm Valve Chọn Valve từ bảng Available Unit Operations. Kích vào phím Add. Bảng tính chất của bơm sẽ xuất hiện. Trên trang Connections, cung cấp đường nối dòng vào và dòng ra như biểu diễn ở bảng sau: Các hộp kéo thả như với các dòng nguyên liệu và sản phẩm, chứa danh sách các dòng kết nối với thiết bị được mô phỏng. Nhập Chiller Thiết bị Chiller trong vòng làm lạnh Propane mô phỏng trong HYSYS sử dụng thiết bị gia nhiệt. Dòng ra khỏi thiết bị Chiller ở nhiệt độ điểm sương. Phương pháp này mô tả cách nhập 1 thiết bị gia nhiệt sử dụng trang UnitOps của Workbook Mở Workbook và kích vào tab UnitOps Nhấp vào phím Add UnitOp, cửa sổ UnitOps sẽ xuất hiện Chọn Heat Transfer Equipment từ nhóm Categories Chọn Heater từ danh sách Available Unit Operations Kích vào phím Add, hoặc kích đúp vào Heater. Bảng tính chất của thiết bị gia nhiệt sẽ hiển thị. Trên trang Connections, nhập các thông tin như sau: Chuyển sang trang Parameters. Nhập giá trị Delta P là 7.0 kPa (1psi) và giá trị công suất (Duty) là 1.00e + 06 kJ/h (1.00e+06 Btu/hr) cho Chiller. Trang Parameters chung cho hầu hết các thiết bị và chứa các thông số như độ giảm áp (delta P), Công suất (Duty) và Hiệu suất (Efficiency). Đóng bảng hiển thị tính chất lại Lưu lượng mol của propane là bao nhiêu ? Độ chênh áp qua van J-T là bao nhiêu ? Nhiệt độ dòng ra khỏi van (dòng 2) là bao nhiêu ? Đặt con trỏ chuột vào biểu tượng máy nén trong Object Palette, nhấp đúp và đưa vào sơ đồ PFD Nhập máy nén Máy nén được sử dụng để làm tăng áp suất của dòng khí vào. Phương pháp này mô tả cách nhập máy nén sử dụng Object Palette. Object Palette là bảng chứa toàn bộ các dòng và các thiết bị vận hành sử dụng để mô phỏng trong HYSYS. Nhấp vào phím nóng , bảng Object Palete sẽ xuất hiện. Biểu tượng máy nén Kích đúp vào biểu tượng máy nén, bảng tính chất của máy nén sẽ được hiển thị. Trên trang Conections, nhập các thông tin về dòng biểu diễn trong hình sau Hoàn thành trang Parameter như sau: Nhập thiết bị ngưng tụ Đây là thiết bị cuối cùng trong chu trình làm lạnh Propane. Thiết bị này được đặt giữa Máy nén và van và nó được mô phỏng như 1 thiết bị làm lạnh. Làm việc với biểu diễn đồ họa, bạn có thể xây dưng lưu trình của bạn trong PFD bằng cách sử dụng chuột để thiết lập và kết nối các thiết bị. Phương pháp này mô tả cách nhập và kết nối thiết bị làm lạnh sử dụng kỹ thuật kéo-thả (Drag ‘n’ Drop) trong Object Palete. Biểu tượng thiết bị ngưng tụ (Cooler) Phương pháp kéo-thả (Drag ‘n’ Drop) trong PFD: Nhấn vào biểu tượng Cooler trong Object Palete. Di chuyển con trỏ đến PFD. Con trỏ sẽ chuyển sang 1 dạng con trỏ đặc biệt (là hình 1 chiếc hộp có gắn biểu tượng 1 dấu cộng). Chiếc hộp sẽ xác định kích thước và vị trí của biểu tượng thiết bị làm mát. Nhấp chuột trái để đưa thêm thiết bị làm mát vào PFD. Có 2 cách để kết nối thiết bị với 1 dòng trong PFD : Phương pháp kết nối sử dụng... Thực hiện thao tác... Phím dịch chuyển Attach Mode Nhấp vào phím dịch chuyển Attach Mode. Đặt con trỏ lên trên thiết bị. Điểm kết nối dòng nguyên liệu được đánh dấu bằng màu xanh đậm. Dịch chuyển con trỏ đến dòng mà ta muốn kết nối Nhấp và giữ chuột trái. Dịch chuyển con trỏ đến biểu tượng thiết bị và nhả chuột. Phím Nhấp và giữ phím và dịch chuyển con trỏ đến thiết bị vận hành. Đặt con trỏ đến dòng mà chúng ta muốn kết nối. Nhấp và giữ chuột trái. Dịch chuyển con trỏ đến biểu tượng thiết bị, nhả chuột và phím . Từ PFD, kết nối dòng 4 với dòng vào thiết bị ngưng tụ và kết nối dòng ra thiết bị ngưng tụ với dòng 1. Kích đúp vào thiết bị ngưng tụ. Trên trang Parameter, nhập giá trị Delta p là 35 kPa (5 psi). Công suất máy nén là bao nhiêu hp? Lưu Case vừa hoàn thành Điều chỉnh PFD PFD được thiết kế bằng cách sử dụng chuột và bàn phím. Có rất nhiều các trường hợp mà cả chuột hay bàn phím đều có thể sử dụng để thực hiện cùng 1 chức năng. Nhưng có 1 chức năng PFD rất quan trọng mà bàn phím không thể sử dụng được, đó là kiểm tra đối tượng (Object Inspection). Chúng ta ó thể sử dụng rất nhiều các thao tác và thủ thuật trên các biểu tượng trong PFD bằng cách sử dụng kiểm tra đối tượng (Object Inspection). Đặt con trỏ chuột trên biểu tượng mà bạn muốn kiểm tra và nhấp chuột phải. Khi đó sẽ hiển thị các bảng tương ứng phụ thuộc vào biểu tượng mà bạn lựa chọn (như dòng, thiết bị phản ứng, tháp...). Một danh sách các đối tượng mà ta có thể kiểm tra được cho dưới đây với các danh mục tương đương : Tùy chỉnh PFD bằng cách thực hiện : Nhập Title, Propane Refrigeration Loop. Nhập Workbook Table cho các dòng vật liệu trong mô phỏng. Nhập Table cho dòng 4 Lưu bản mô phỏng (Case) thành mô hình (Template) Một tính năng khá hữu ích nữa của HYSYS là khả năng lưu lại thành các mô hình (Template). Một cách cơ bản, một mô hình là một lưu trình hoàn chỉnh mà có thể lưu trữ vào đĩa với các thông tin bổ sung . Các thông tin này gắn liền với việc đính kèm vào lưu trình như việc vận hành một lưu trình con. Một mô hình đại diện cho một module quá trình của nhà máy hay một phần của một module. Mô hình được lưu trữ có thể được đọc từ đĩa sau đó và được cài đặt hiệu quả như một lưu trình con hoàn chỉnh có thể vận hành nhiều lần với nhiều quá trình mô phỏng khác nhau. Một vài lợi ích của việc sử dụng các mô hình là : Cung cấp công cụ mà nhờ đó 2 hay nhiều case có thể được kết nối với nhau. Có thể sử dụng nhiều hệ nhiệt động khác nhau trong một case mô phỏng chính. Cung cấp một phương pháp thuận tiện trong việc chia nhỏ một bản mô phỏng lớn thành các phần nỏ hơn và dễ dàng quản lý các cấu tử. Có thể chỉ cần tạo một lần và có thể sử dụng nhiều lần cho nhiều case khác nhau. Trước khi chuyển case thành template thì case đó cần phải được làm đồng nhất để nó có thể được sử dụng trong nhiều nhà máy chế biến khí với các các lưu lượng khác nhau. Trong phần này, công suất của Chiller điều chỉnh lưu lượng của Propane được yêu cầu. Xóa giá trị công suất của Chiller. Từ bảng Simulation chọn Main Properties Nhấp vào phím Convert to Template Nhấp phím Yes để chuyển Case mô phỏng sang Template. Trả lời No với câu hỏi “Do you want to save the simulation case”. Lưu Template thành file C3Loop.tpl. Phân tích kết quả Phần này mô tả cách lấy ra và in các kết quả của thiết bị vận hành. In các bản dữ liệu kỹ thuật cho các thiết bị vận hành Trong HYSYS có thể in kết quả bằng: Để cài đặt máy in, chọn Printer Setup từ File Menu, sau đó hoặc Graphic Printer hoặc Report Printer. Menu Bar Object Inspection of Unit Operations Report Manager * Sử dụng Menu Bar: Chọn một trong những lựa chọn sau từ File menu Chọn lệnh in khi PFD đang hiển thị sẽ in bản PFD, không có các bản số liệu kèm theo. Print – các danh sách của các dữ liệu kỹ thuật hiển thị đối với thiết bị vâng hành hiện tại. Chúng ta có thể đánh dấu 1 dữ liệu kỹ thuật và có thể xem hoặc in dữ liệu đó. Print Snapshot – in ảnh nhị phân (bitmap) của cửa sổ HYSYS đang hiển thị. * Sử dụng Object Inspection: Nhấp chuột phải vào thiết bị vận hành, hiển thị bảng tính chất, lựa chọn Print Datasheet. 1 danh sách các Datablock được hiển thị cho đối tượng. * Sử dụng Report Manager: Từ Menu Bar, chọn Tools, rồi nhấp vào Report để truy nhập vào bảng Report Manger Nhấp vào phím Creat và nhập 1 Report mới và mở Report Builder. Kích vào phím Insert Datasheet để nhập các dữ liệu vaò báo cáo. Chúng ta có thể nhập dữ liệu của nhiều hay 1 thiết bị vận hành vào 1 báo cáo: Nhập thông tin thiết bị vận hành vào Workbook Mỗi Workbook có 1 trang UnitOps mặc định mà nó hiển thị tất cả các thiết bị vận hành và các kết nối của chúng với mô phỏng. Chúng ta có thể nhập các trang bổ sung cho các thiết bị vận hành riêng vào trong Workbook. Ví dụ, ta có thể nhập 1 trang vào Workbook mà chỉ chứa các máy nén trong mô phỏng. Cách nhập 1 Unit Operation tab vào Workbook: Mở Workbook Từ Menu Bar, chọn Workbook, sau đó nhấp vào Set up Trong cửa sổ Set up, nhấp vào phím Add trong nhóm Workbook Tabs. Từ giao diện New Object Type chọn Rotating Equipment và mở rộng danh sách này, chọn Compressor. Nhấp OK. Trang mới, Compressor chỉ chứa thông tin của máy nén đã được nhập vào workbook. Đóng cửa sổ này lại để thoát khỏi Setup Nhắp đúp vào các dòng có dấu “+”sẽ mở rộng để chọn thiết bị cụ thể Nhập thông tin thiết bị vận hành vào PFD Ghi nhớ rằng bạn có thể thao tác Object Inspect bằng cách chọn object và sau đó nhắp phím chuột phải. Với mỗi thiết bị vận hành, ta có thể hiển thị một bảng tính chất (Property Table) trên PFD. Bảng tính chất chứa các thông tin mặc định đã biết về thiết bị vận hành. Cách nhập thông tin thiết bị vận hành vào PFD Mở PFD. Chọn thiết bị vận hành mà bạn muốn nhập bảng tính chất. Kích chuột phải vào thiết bị vận hành. Chọn Show Table menu Sau khi bảng được nhập, ta có thể di chuyển nó bằng cách chọn nó rồi kéo bằng chuột. Nếu nhấp chuột phải vào Table, ta có thể thay đổi các tính chất của nó và sự xuất hiện. ta cũng có thể chỉ rõ bảng có thể chỉ ra biến số nào. Mô phỏng nâng cao Một trong các hướng thiết kế “chìa khóa” của HYSYS là làm thế nào để kết hợp các modul vận hành với giải pháp thuật toán không tuần tự. Không chỉ xử lý các thông tin mà bạn cung cấp ban đầu, mà cả các kết quả tính toán được tự động truyền đi theo theo toàn bộ lưu trình theo cả chiều xuôi và chiều ngược. Cấu trúc module của các thiết bị vận hành có ý nghĩa rằng ta có thể tính toán trực tiếp, hay cũng có thể tính toán bằng cách sử dụng thông tin từ một dòng ra để tính cho điều kiện của dòng vào. Hướng thiết kế này có thể được minh họa bằng việc sử dụng chu trình làm lạnh Propane Ban đầu, thông tin cấp cho case chỉ là nhiệt độ và phần hơi cho các dòng 1 và 3 và thành phần của dòng 1. Khi nhiệt độ, phần hơi và vị trí của dòng 1 đã biết, HYSYS sẽ sử dụng tự động phương pháp tính nhanh và xác định các tính chất còn lại (như áp suất, enthalpy tự do, khối lượng riêng…), những giá trị phụ thuộc vào dòng. Khi dòng 1 và 2 được liên kết với valve, J-T, đầu tiên HYSYS xác định thông tin đã biết với cả dòng vào và dòng ra. Sau đó nó sẽ gán các giá trị này vào các dòng khác. Trong trường hợp này, khi không có độ chênh áp của valve được xác định, chỉ có thành phần và enthalpy tự do của dòng 1 bằng với các giá trị này của dòng 2. Bằng cách liên kết dòng 2 và dòng 3 vào thiết bị gia nhiệt, Chiller, thành phần của dòng 2 sẽ được đưa đến dòng 3 (100% C3). HYSYS lúc này có thể tính nhanh trên dòng 3 và xác định các tính chất còn lại (những tính chất phụ thuộc vào dòng như áp suất, enthalpy…). Sử dụng áp suất tính toán của dòng 3 và độ giảm áp qua Heater đã biết, HYSYS tính lại áp suất của dòng 2. Sau khi áp suất, thành phần và enthalpy tự do của dòng 2 đã biết, và valve đẳng enthalpy, HYSYS có thể tính nhiệt độ của dòng 2. Ngoài ra, HYSYS sử dụng công suất thiết bị gia nhiệt đã biết và enthalpy tự do của dòng 2 và 3 để tính toán lưu lượng, là đại lượng của cả 3 dòng 1, 2, 3. Sau đó, máy nén được nhập vào mô phỏng. Sau khi tất cả thông tin dòng vào đã biết, máy nén chỉ còn lại 2 bậc tự do. Các giá trị như hiệu suất, công suất, hoặc áp suất cửa ra có thể đáp ứng 1 bậc tự do. Bậc tự do còn lại đến từ thiết bị ngưng tụ. Thiết bị ngưng tụ kết nối dòng ra máy nén với dòng vào Valve (giá trị này đã được xác định hoàn toàn). Người sử dụng cung cấp độ giảm áp của thiết bị ngưng tụ, và HYSYS tính toán áp suất dòng vào, mà đây cũng là giá trị áp suất dòng ra của máy nén (bậc tự do thứ 2 của máy nén). Thực hành mô phỏng BÀI TẬP Bài tập 1: Trong nhà máy, bạn không thể đo đạc hay tính toán chính xác công suất Chiller. Tuy nhiên bạn biết rằng máy nén có định mức là 250hp, chạy ở 90% mức cao nhất với hiệu suất 72%. Vậy công suất Chiller là bao nhiêu? Đồng hồ đo dòng khí vào Chiller cuối cùng đá được kiểm định và bạn có thể xác định công suất của Chiller. Nhà máy quyết định tăng công suất Chiller lên 1,5MMBTU/hr. với máy nén chạy cùng mã lực (250hp), nhiệt độ Chiller tốt nhất mà bạn mong đợi là bao nhiêu? Bài tập 2: Thành phần môi chất làm lạnh Nhà cung cấp propane bán cho nhà máy của bạn hỗn hợp Propane/Ethane (95/5 % mol). Các ảnh hưởng gì sẽ xảy ra nếu có đối với thành phần mới này trong chu trình làm lạnh? Sử dụng case gốc để so sánh: BÀI TẬP Bài tập nâng cao: Làm lạnh hai cấp Thiết lập chu trình lạnh hai cấp