Bài giảng Máy nén/Expander

5 - Rotating Equipment 5.1. Máy nén/ Expander 5.1.1 Theory................................................................................. 3 5.1.2 Design Tab ........................................................................... 7 5.1.3 Rating Tab........................................................................... 10 5.1.4 Worksheet Tab ....................................................................... 13 5.1.5 Performance Tab.................................................................... 13 5.1.6 Dynamics Tab ........................................................................ 14 5.1.7 Compressor Example.............................................................. 14 5.2. Máy nén piston (Reciprocating Compressor) 5.2.1 Theory..................................................................................... 18 5.2.2 Design Tab ............................................................................. 22 5.2.3 Rating Tab............................................................................... 24 5.2.4 Worksheet Tab ....................................................................... 25 5.2.5 Performance Tab.................................................................... 25 5.2.6 Dynamics Tab ........................................................................ 26 5.2.7 Reciprocating Compressor Example....................................... 26 5.3. Máy bơm 5.3.1 Theory..................................................................................... 29 5.3.2 Design Tab .............................................................................. 31 5.3.3 Rating Tab................................................................................. 33 5.3.4 Worksheet Tab ......................................................................... 33 5.3.5 Performance Tab....................................................................... 33 5.3.6 Dynamics Tab .......................................................................... 33 5.3.7 Pump Example.......................................................................... 34 5.1. Máy nén/ Expander Máy nén là thiết bị dùng để tăng áp suất dòng khí vào. Phụ thuộc các thông tin được cho trước, máy nén sẽ tính toán các tính chất khác của dòng (như áp suất hay nhiệt độ) hoặc hiệu suất nén. Epander là thiết bị được sử dụng để làm giảm áp của dòng khí vào có áp suất cao để tạo ra dòng ra với áp suất thấp và vận tốc nhanh. Quá trình giãn nở bao gồm quá trình chuyển nội năng của khí sang động năng và cuối cùng là sang công có ích. Expander sẽ tính toán các tính chất khác của dòng hoặc hiệu suất giãn nở. Có một vài phương pháp để thiết kế, tính toán Máy nén/Expander, phụ thuộc vào các thông tin biết trước hoặc có thể dùng phương pháp đồ thị. Nói chung, phương pháp giải là hàm số của dòng, sự thay đổi áp suất, năng lượng và hiệu suất đặt vào. Công cụ Máy nén/Expander của HYSYS có tính linh hoạt cao với các thông số được cung cấp và những thông số sẽ được tính toán. Cần phải chắc chắn rằng các thao tác thực hiện không kích hoạt quá nhiều các lựa chọn giải pháp hoặc các thao tác đó không thống nhất về kết quả. Các phương pháp giải quyết điển hình: Không dùng đồ thị Dùng đồ thị Lưu lượng dòng và áp suất dòng vào đã biết Định rõ áp suất dòng ra Định rõ hiệu suất đoạn nhiệt và đa hướng HYSYS sẽ tính toán các năng lượng yêu cầu, nhiệt độ dòng ra và các hiệu suất khác Lưu lượng dòng và áp suất dòng vào đã biết Định rõ tốc độ vận hành HYSYS sử dụng đồ thị để xác đinh hiệu suất và áp suất HYSYS tính toán áp suất, nhiệt độ và năng suất đặt vào dòng ra Lưu lượng dòng và áp suất dòng vào đã biết Định rõ hiệu suất và năng suất HYSYS sẽ tính áp suất, nhiệt độ, và các hiệu suất khác của dòng ra Lưu lượng dòng, áp suất dòng vào, và hiệu suất đã biết. HYSYS nội suy đồ thị để xác định tốc độ, và áp suất vận hành. HYSYS tính áp suất, nhiệt độ, và công suất đặt vào dòng ra. Phím máy nén Các định luật nhiệt động điều khiển quá trình hoạt động của Máy nén và Expander là giống nhau, nhưng hướng của dòng năng lượng là ngược nhau. Quá trình nén yêu cầu năng lượng, trong khi quá trình giãn nở giải phóng năng lượng. Phím Expander Để nhập thiết bị Máy nén, bấm phím F12 và chọn Compressor từ bảng UnitOps, hoặc chọn phím Compressor trong Object Palette. Thiết lập thiết bị Expander tương tự như trên. Để bỏ qua Compressor và Expander trong suốt quá trình tính toán, lựa chọn Ignored trong hộp chọn. HYSYS sẽ hoàn toàn bỏ qua thiết bị đó cho đến khi khôi phục trở lại trạng thái hoạt động bằng cách xóa dấu chọn trong hộp chọn vừa rồi. 5.1.1 Nguyên lý Đối với máy nén, hiệu suất đẳng entropy được tính bằng tỷ số của năng lượng đẳng entropy yêu cầu cho quá trình nén với năng lượng yêu cầu thực tế Đối với thiết bị Expander, hiệu suất được cho là tỷ số của năng lượng thực tế được tạo ra trong quá trình giãn với năng lượng tạo ra trong một quá trình giãn đẳng entropy Đối với thiết bị Compressor hay Expander đoạn nhiệt, HYSYS tính toán quá trình nén (hoặc giãn) một cách chặt chẽ theo đường đẳng entropy từ áp suất dòng ra đến dòng vào. Sử dụng enthalpy tại điểm đó, ngay lập tức hiệu suất được xác định, sau đó HYSYS sẽ tính được enthalpy dòng ra thực tế. Từ giá trị này và áp suất dòng ra, nhiệt độ dòng ra sẽ được xác định. Đối với Compressor hay Expander đa hướng, đường dẫn của dòng vừa đoạn nhiệt lại vừa đẳng nhiệt. Với quá trình hiệu suất 100%, chỉ có điều kiện cơ học có tính khả nghịch. Đối với quá trình bất thuận nghịch, hiệu suất đa hướng sẽ nhỏ hơn 100%. Phụ thuộc vào quá trình là giãn hay nén, HYSYS xác định cho quá trình thuận nghịch cơ học là nhân hay chia với một hiệu suất để đưa ra gía trị làm việc thực tế. Biểu thức của hiệu suất đa hướng được cho giống như các phương trình ở trên. Ghi nhớ rằng tất cả các đại lượng nhiệt động học được xác định bằng cách sử dụng hệ nhiệt động phù hợp. Nhìn chung, công của quá trình cơ học thuận nghịch có thể xác định bằng biểu thức: Giống như các thiết bị vận hành khác, các thông tin được tính toán phụ thuộc vào các thông tin mà người sử dụng cung cấp. Trong trường hợp áp suất, nhiệt độ dòng vào và dòng ra của dòng khí được biết trước, năng lượng (đẳng entropy) lý tưởng của thiết bị được tính toán bằng cách sử dụng một trong các phương trình trên, phụ thuộc vào từng loại Máy nén hay Expander. Năng lượng thực tế tương đương với sự khác biệt của dòng nhiệt (Enthalpy) giữa dòng vào và dòng ra. Đối với máy nén: Power Requiredactual = Heat Flowoutlet – Heat Flowinlet Hiệu suất của Máy nén sau đó được xác định bằng tỷ số của năng lượng đẳng Entropy với năng lượng thực tế được yêu cầu đối với quá trình nén. Đối với Expander: Power Producedactual = Heat Flowintlet – Heat Flowoutlet Hiệu suất của Expander được xác dịnh bằng tỷ số của năng lượng thực tế tạo ra bởi dòng khí với năng lượng đẳng Entropy. Trong trường hợp áp suất dòng vào, áp suất dòng ra, nhiệt độ dòng vào và hiệu suất biết trước, năng lượng đẳng Entropy một lần nữa lại được tính bằng cách sử dụng phương trình gần đúng. Năng lượng thực tế được yêu cầu bởi Máy nén (sự khác biệt Enthalpy giữa dòng vào và dòng ra) được tính bằng cách chia năng lượng lý tưởng cho hiệu suất máy nén. Nhiệt độ dòng ra sau đó được xác định một cách chặt chẽ từ Enthalpy dòng ra của khí sử dụng biểu thức enthalpy bắt đầu từ phương pháp đặc tính được sử dụng. Đối với quá trình nén hoặc giãn đẳng entropy (hiệu suất 100%), nhiệt độ dòng ra của khí sẽ luôn luôn thấp hơn nhiệt độ dòng ra cho quá trình nén hay giãn thực tế. Sử dụng các phương trình Nếu Compressor được chọn, các biểu thức của máy nén được sử dụng. Nếu Expander được lựa chọn thì các phương trình expander được sử dụng. Hiệu suất máy nén Các hiệu suất đoạn nhiệt và đa biến được bao gồm trong các phép tính của máy nén. Phép tính nhanh đẳng Entropy (Pin and Entropyin) được biểu diễn bên trong để nhận được các tính chất lý tưởng (đẳng entropy). Hiệu suất Expander Đối với thiết bị Expander, các hiệu suất là một phần của các phép tính toán Expander, và phép tính nhanh đẳng entropy cũng được biểu diễn. Phép tính này được thực hiện ngay trên dòng Expander, và các kết quả không được lưu lại. Áp suất máy nén Các áp suất đoạn nhiệt và đa biến được sử dụng sau khi các phép tính cho máy nén hoàn thành, chỉ khi mà trang “Results” của máy nén được lựa chọn. Công việc yêu cầu (thực tế) là dòng năng lượng máy nén (dòng nhiệt). Áp suất đa biến được tính toán dựa trên phương pháp ASME (“The Polytropic Analysis of Centrifugal Compressors”, Journal of Engineering for Power, J.M. Schultz, January 1962, p. 69-82). Áp suất Expander Các áp suất đoạn nhiệt và đa biến được sử dụng sau khi các phép tính expander được hoàn thành, chỉ khi mà trang “Results” của expander được lựa chọn. Công tạo ra (thực tế) là dòng năng lượng Expander (dòng nhiệt). 5.1.2 Tab thiết kế Trang Conections Trang Conections như được cho ở hình dưới đây, là của Máy nén. Thông tin được yêu cầu trên trang Conections của Expander là tương tự; chỉ có một điểm khác là các biểu tượng expander được biểu diễn nhiều hơn các biểu tượng Máy nén Trên trang Conections, điền tên thiết bị vận hành, tên dòng vào, dòng ra và dòng năng lượng. Parameters Page Trang Parameters của Compressor tương tự với Expander. Chỉ có một điểm khác là các biểu tượng được sử dụng để biểu diễn thiết bị vận hành và khả năng lựa chọn giữa máy nén ly tâm và máy nén piston. Có thể xác định công suất của dòng năng lượng đính kèm trên trang này, hoặc để HYSYS tính toán. Các hiệu suất đoạn nhiệt và đa biến cũng được hiển thị. Chú ý rằng chỉ có thể định trước hiệu suất, hoặc đoạn nhiệt hoặc đa biến. Nếu xác định trước hiệu suất và đã nhận được giải pháp, HYSYS sẽ tính ngược lại các hiệu suất khác sử dụng các công suất được tính toán và các điều kiện của dòng. Links Page Các máy nén và các Expander mẫu trong HYSYS có thể có các trục được kết nối vật lý với thiết bị vận hành. Sự kết nối các máy nén và Expander trong HYSYS có nghĩa là: Tốc độ của mỗi thiết bị được kết nối là giống nhau Tổng của các công suất của mỗi máy nén/expander được kết nối Độ giảm năng lượng tổng cộng bằng 0. Độ giảm năng lượng tổng cộng (The Total Power Loss) nằm trên Links page của Design Tab. Danh sách của các compressors/expanders hiển thị có thể biểu diễn bằng cách kích vào phím thả xuống trong miền Upstream Link hoặc Downstream Link. Trong hầu hết các trường hợp, đặc tính kỹ thuật thêm vào cho bất kỳ thiết bị vận hành được kết nối cho phép mô phỏng để hoàn thành giải pháp. Một cách lý tưởng nên định rõ một trong các giá trị sau cho mỗi thiết bị được kết nối: Công suất (Duty) Tốc độ (Speed) Độ giảm năng lượng tổng cộng (Total Power Loss) Nếu bạn muốn cung cấp năng lượng tổng cộng cửa vào để thiết lập các máy nén/expander được kết nối, năng lượng tổng đầu vào đến thiết bị được kết nối được xác định trong các điều kiện của độ giảm năng lượng tổng. Mối quan hệ được cho bởi biểu thức sau: Total Power Input = - Total Power Loss Nó cũng có khả năng kết nối một Expander với một máy nén và sử dụng Expander để tạo ra động năng để điều khiển máy nén. Nếu chức năng này được lựa chọn, độ giảm năng lượng tổng được xác định quy chuẩn bằng 0. User Variables Page Trang Users Variables cho phép người sử dụng thiết lập và cài đặt các biến trong mô phỏng HYSYS. Để biết thêm thông tin về chức năng User Variables, xem thêm chương User Variables trong Customization Guide. Notes Page Trang Notes để soạn thảo văn bản trong đó có thể ghi lại bất kỳ chú giải hay thông tin nào liên quan đến Máy nén hay Expander, hoặc thuộc về thiết kế mô phỏng của bạn nói chung. 5.1.3 Tab Rating Tab Rating bao gồm 4 trang: Đồ thị (Curves), Giới hạn dòng (Flow Limits), Nozzles, và Inertia. Curves Page Nếu không sử dụng các đồ thị, cung cấp bốn trong số các biến số sau, và giá trị thứ 5 sẽ được tính toán, theo công suất: Nhiệt độ dòng vào Áp suất dòng vào Nhiệt độ dòng ra Áp suất dòng ra Hiệu suất Giả định rằng bạn đã cung cấp các cấu tử và lưu lượng dòng. Để cung cấp dữ kiện cho đồ thị, thực hiện như sau: Chọn hộp Enable Curves. Lựa chọn hiệu suất đoạn nhiệt hay đa biến, sử dụng phím tương ứng. Đây là cơ sở xác định giá trị hiệu suất dòng vào. Bấm vào phím Add Curve để vào giao diện Curve. Trên giao diện hiển thị Curve, bạn có thể nhập các điểm dữ kiện Flow, Head và %Efficiency, cũng như giá trị Speed cho một đồ thị đơn. Với mỗi đồ thị thêm vào, thao tác lại bước 3 và 4. Loại hiệu suất phải thống nhất với tất cả đồ thị đưa vào. HYSYS sẽ sử dụng các đồ thị để xác định hiệu suất gần đúng. Nếu sử dụng vavs đồ thị, chắc chắn rằng giá trị hiệu suất trên trang Parameter phải để trống hoặc sai số phải nhất quán trong quá trình tính toán. Khi đồ thị đã được thiết lập, các phím View Curve, Delete Curve và Plot Curves sẽ trở thành hoạt động. Bằng cách sử dụng hai phím đầu tiên một cách tương ứng, bạn có thể nhập vào bảng Curve hoặc sửa các dữ kiện đầu vào hoặc dễ dàng xóa đồ thị được đánh dấu trong thiết kế. Tuy nhiên, với mỗi đồ thị, một hộp kiểm tra Activate sẽ được biểu diễn. Để loại một đồ thị đã được xác lập khỏi các phép tính, bạn có thể bỏ kích hoạt hộp chọn của đồ thị đó. Trên giao diện của Bảng Curve các giá trị được nhập thông qua phím Add Curve hay View Curve. Bạn có thể cung cấp các thông tin sau cho giao diện của bảng Curve: Dữ kiện đồ thị Mô tả Name (Tên) Tên của đồ thị Tốc độ (Speed) Tốc độ quay của máy nén hay expander. Việc này không bắt buộc nếu bạn chỉ cung cấp một đồ thị. Flow Units/ Head Units Các thiết bị cho dòng và áp suất Flow/ Head/ Efficiency Nhập các giá trị của các điểm dữ liệu của đồ thị Khi bạn chọn phím Erase Selected, dòng hiện thời của bảng (Dòng, Áp suất hay Hiệu suất) sẽ bị xóa. Chọn phím Erase Selected để xóa tất cả dữ liệu Lưu lượng, Áp suất hay Hiệu suất của đồ thị. Single Curve Khi bạn có một đồ thị đơn, các hệ thống sau của dòng vào sẽ cho phép quá trình hoàn thành giải pháp (giả thiết là các cấu tử và nhiệt độ dòng vào đã biết): Áp suất dòng vào và lưu lượng dòng Áp suất dòng vào và công suất Áp suất dòng vào và áp suất dòng ra Áp suất dòng vào và Hiệu suất tương ứng với loại đồ thị (ví dụ: nếu là đồ thì đoạn nhiệt, sẽ cung cấp hiệu suất đoạn nhiệt). Multiple Curves Mỗi đồ thị được đặt tên và có một hộp kiểm tra Activate được liên kết. Bạn có thể tắt hoặc bật từng đồ thị riêng lẻ. Nếu nhiều đồ thị được thiết lập và tốc độ vận hành là riêng trên trang Parameters, thì chỉ đồ thị tương ứng với tốc độ được sử dụng. Chú ý rằng bạn có thể định rõ một tốc độ khác so với các tốc độ cho trong các đồ thị. Ví dụ, nếu bạn cung cấp các đồ thị cho hai tốc độ (1000/min and 2000/min), và bạn định rõ một tốc độ là 1500/min, HYSYS sẽ nội suy giữa 2 dồ thị để nhận được kết quả. Bạn cũng phải cung cấp áp suất dòng vào và lưu lượng dòng, công suất, áp suất dòng ra hay hiệu suất, như giải thích ở trên. HYSYS có thể tính tốc độ gần đúng dựa trên các giá trị của bạn đặt vào. Trong trường hợp này, bạn cần phải cung cấp thành phần nguyên liệu, áp suất và nhiệt độ cũng như hai trong các biến sau: Lưu lượng dòng Công suất Hiệu suất Áp suất dòng ra Khi bạn cung cấp thông tin cần thiết, tốc độ gần đúng sẽ được xác định, và hai biến khác sẽ được tính toán sau đó. Chú ý rằng máy nén cũng có thể được sử dụng để biểu diễn thiết bị bơm khi các phép tính bơm được yêu cầu chặt chẽ hơn. Bơm trong HYSYS giả định rằng chất lỏng là không nén được. Do vậy, nếu bạn muốn bơm một chất lỏng gần điểm tới hạn của nó (tại điểm mà nó có thể bị nén), bạn có thể phải thay bơm bằng một máy nén. Máy nén xét đến tính bị nén của chất lỏng, như vậy nó biểu diễn các phép tính chặt chẽ và chính xác hơn. Flow Limits Page Nếu bạn đang làm việc trong mô phỏng tĩnh, không yêu cầu bạn phải thay đổi bất kỳ thông tin nào trong các trang được truy cập thông qua trang này. Để biết thêm thông tin về hoạt động của Máy nén và Expander trong Dynamic mode, xem thêm thông tin ở Dynamic Modeling guide. Nozzle Page Nếu bạn đang làm việc trong Steady State mode, không yêu cầu bạn phải thay đổi bất kỳ thông tin nào trong các trang được truy cập thông qua trang này. Để biết thêm thông tin về hoạt động của Máy nén và Expander trong Dynamic mode, xem thêm thông tin ở Dynamic Modeling guide. Ineria Page Nếu bạn đang làm việc trong Steady State mode, không yêu cầu bạn phải thay đổi bất kỳ thông tin nào trong các trang được truy cập thông qua trang này. Để biết thêm thông tin về hoạt động của Máy nén và Expander trong Dynamic mode, xem thêm thông tin ở Dynamic Modeling guide. 5.1.4 Tab Worksheet Tab Worksheet chứa một bản tóm tắt của các thông tin có trong bảng hiển thị tính chất dòng cho tất cả các dòng liên kết với thiết bị vận hành. Các trang Conditions, Properties, và Composition chứa các thông tin được lựa chọn từ các trang tương ứng của Tab Worksheet cho bảng hiển thị tính chất dòng. Trang PF Specs chứa bảng tóm tắt của bảng tính chất dòng trong Tab Dynamic. 5.1.5 Tab Performace Results Page Trên trang Results, bạn có thể xem bảng kết quả tính các giá trị cho Máy nén/Expander: Áp suất đoạn nhiệt Áp suất đa biến Hiệu suất đoạn nhiệt Hiệu suất đa biến Công suất Hệ số áp suất đa biến Số mũ đa biến Số mũ đẳng entropy Tốc độ Độ giảm công suất Tổng thể tích dịch chuyển piston có ích Tổng thể tích không gian chết riêng phần Tỷ số áp suất lớn nhất Đầu ra của quá trình nén Đầu vào của quá trình giãn 5.1.6 Tab Dynamics Nếu bạn đang làm việc trong Steady State mode, không yêu cầu bạn phải thay đổi bất kỳ thông tin nào trong các trang được truy cập thông qua trang này. Để biết thêm thông tin về hoạt động của Máy nén và Expander trong Dynamic mode, xem thêm thông tin ở Dynamic Modeling guide. 5.1.7 Ví dụ máy nén Một máy nén được mô phỏng với các đồ thị hiệu suất. Xét khí LP từ nhà máy chế biến dầu làm nguyên liệu đầu vào máy nén. Trong trường hợp này, sẽ xác định đơn giản hiệu suất, dựa trên lưu lượng dòng của dòng nguyên liệu. 1. Thiết lập Fluid Package sử dụng Sour PR và nhập các cấu tử: H2O, H2S, CO2, C1, C2, C3, i-C4, và n-C4. 2. Nhập dòng vào và xác định các tham số như sau: 3. Thiết lập máy nén với các thông tin sau: 4. Trên trang Parameter, xóa giá trị Adiabatic Efficiency mặc định. Cả hiệu suất đoạn nhiệt và đa biến nên để trống để tránh lỗi không đồng nhất hoặc cung cấp thừa đặc tính cho máy nén. 5. Vào tab Rating, và mở trang Curves. 6. Chắc chắn rằng phím đoạn nhiệt (Adiabatic) trong nhóm Efficiency đã được chọn. 7. Chọn hộp Enable Curves, và bấm vào phím Add Curve. 8. Hoàn thành thiết lập đồ thị như trong giao diện sau. Đóng bảng hiển thị Curve và kiểm tra hộp Activate của đồ thị vừa được thiết lập. Các điều kiện của dòng ra có thể được xem ở tab Performance của bảng hiển thị tính chất Compressor và được biểu diễn như ở bảng dưới đây: Tab Performance của bảng tính chất Máy nén được biểu diễn như trong giao diện sau. 5.2. Máy nén pistong Ở phần 5.1 đã đề cập đến máy nén ly tâm, phần tiếp theo đây sẽ đi chi tiết về máy nén pittong. Máy nén pittong là kiểu khác của máy nén, được sử dụng trong những trường hợp yêu cầu áp lực ra cao và lưu lượng dòng thấp hơn cần thiết. Máy nén pistong được coi là cách thay thế thích hợp. Máy nén pistong có thể tích không đổi và có thể thay đổi về đặc tính áp lực đầu ra, ngược lại với máy nén ly tâm, đối với máy máy nén ly tâm thì không có sự thay đổi về đặc tính áp lực đầu ra và có thể tích thay đổi. Trong HYSYS, máy nén ly tâm và máy nén pitong được thực hiện mô phỏng bằng cùng một công cụ máy nén. Tuy nhiên phương pháp tính toán có khác nhau, vì máy nén pistong không không yêu cầu đường cong đặc tuyến của bơm mà lại yêu cầu số liệu về kích thước hình học. Khả năng hiện tại của máy nén pitong trong HYSYS tập trung vào máy nén một cấp với một hoặc hai pitong hoạt động. Phương pháp tính toán điển hình cho máy nén pitong là: Luôn bắt đầu với đầy đủ tham số dòng vào, tức là cần phải khai báo đầy đủ các thông tin áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và thành phần dòng vào. Cung cấp các dữ liệu hình học của máy nén như số xi lanh, loại xilan