Bài giảng Ổn định dầu thô

Ổn định dầu thô (sử dụng công cụ Optimazation) Nội dung Trong bài này, sơ đồ công nghệ đơn giản được sử dụng để phân tách một hỗn hợp dầu khí thành sản phẩm dầu ổn định và khí thương phẩm. Sơ đồ công nghệ này đã được sử dụng tại nhiều nhà nhà máy khí xung quanh vùng Alberta có ít sản phẩm lỏng và không được phép chứa đầy trong tháp chưng cất. Trong công nghệ sử dụng một sơ đồ tách ba cấp đơn giản có gia nhiệt giữa mỗi cấp và mục tiêu của bài tập là lựa chọn áp suất và nhiệt độ giảm dần sao cho chi phí cho sản phẩm ít và đạt được lợi nhuận tối đa. Một công cụ đặc biệt trong hysys, Optimzer sẽ được sử dụng để tìm điều kiện vận hành tối ưu nhất. Mục tiêu Sau khi hoàn thành bài này bạn có thể : Sử dụng công cụ Optimizer trong hysys để tối ưu quy trình sản xuất. Sử dụng bảng tính Spreadsheet để thực hiện các tính toán Yêu cầu Nhập dòng và các thiết bị mô phỏng Biết cách sử dụng bảng tính Spreadsheet Sơ đồ công nghệ Xây dựng mô phỏng Tạo lập cơ sở mô phỏng Trong case này sử dụng phương trình trạng thái Peng Robinson với các cấu tử sau: C1, C2, C3, n-C4, i-C4, n-C5, i-C5, C6, C7, C8 và C9 Biến đổi hệ đơn vị tính Trong bài này chọn đơn vị của dòng khí là m3/d_gas thay cho đơn vị tính mặc định là kgmole/h và đơn vị tính thể tích dòng lỏng là m3/d không sử dụng đơn vị mặc định là m3/h. Từ Tool menu chọn Preferences và vào Units tab Chọn đơn vị SI làm đơn vị mặc định Không thể sửa cài đặt mặc định nhưng bạn có thể copy bằng cách bấm phím Clone Units Set. Đổi tên đơn vị Clone Units Set thành Optimzer Di chuyển con trỏ tới ô Flow Chọn m3/d_gas từ danh sách kéo thả trong Edit Bar Di chuyển chuột tới các ô Liq . Vol .flow Chọn lựa m3/d từ bảng dưới của menu trong Edit Bar Bắt đầu quá trình mô phỏng 1. Nhập các dòng vật chất với các giá trị sau: Quá trình bao mô phỏng bao gồm ba thiết bị phân tách hơi và lỏng . Tại thiết bị phân tách thứ nhất áp suất sẽ được cố định bằng áp suất đầu vào của dòng khí. Áp suất của thiết bị phân tách cuối sẽ được cài đặt theo áp suất dòng hơi ra khỏi thiết bị. Giá trị mặc định độ giảm áp trong thiết bị bằng 0, vì thế bạn phải xóa giá trị mặc định này trong Parameter tab của stage 2 và stage 3 trước khi có thể xác định áp suất dòng ra Mỗi tháp tách có gia nhiệt sơ bộ (preheater) 2. Nhập 3 thiết bị trao đổi nhiệt với các tham số sau: 3. Nhập 3 tháp tách với các tham số sau: 4. Nhập 2 máy nén với các tham số sau: 5. Nhập thiết bị trộn với các tham số sau: 6. Nhập các tham số cần thiết như trong bảng sau đây; Mở Optional10.hsc, trả lời các câu hỏi,và sau đó tiếp tục module Lưu lượng thể tích dòng sản phẩm lỏng là bao nhiêu? Lưu lượng mol dòng sản phẩm khí là bao nhiêu? Kiểm tra áp suất hơi bão hòa RVP Áp suất hơi bão hòa RVP của dòng sản phẩm lỏng khoảng 96.5kPa thỏa mãn các tiêu chuẩn của đường ống Áp suất hơi bão hòa RVP của một dòng đã được xác định trong Cold Properties Utility. Có thể chọn Utilities từ Tools menu hoặc từ Utilities page của Attachments tab của Liquid Product trong Steam Property view. Công cụ Optimizer Trong hysys có công cụ Optimizer đa biến cho mô phỏng tĩnh. Trong một sơ đồ công nghệ đã được xây dựng và đã thu được giải pháp hội tụ, bạn có thể sử dụng Optimizer để tìm điều kiện hoạt động tối ưu cho những giá trị nhỏ nhất hay lớn nhất của hàm mục tiêu. Chính optimizer đã sử dụng Spreadsheet của mình để xác định hàm mục tiêu cũng giống như bất kỳ biểu thức toán học khác đã sử dụng. Điều này cho phép bạn xây dựng hàm mục tiêu nhằm thu được lợi nhuận tối đa, giảm thiểu những phần phụ trợ hoặc hệ số trao đổi nhiệt UA tối thiểu. Các biến sơ cấp (Primary variables): đây là các biến nhập từ bảng tính mà giá trị của nó được thiết lập để tối giản hoặc tối đa hàm mục tiêu. Bạn phải thiết lập cận trên và cận dưới cho biến cơ sở, sử dụng để thiết lập khoảng tìm kiếm Hàm mục tiêu (Objecive Function): Đây là hàm sẽ được tối thiểu hoặc tối đa. Hàm mục tiêu phải được xác định thông qua Spreadsheet. Điều đó cho phép người thiết kế định nghĩa hàm một cách linh hoạt. Các hàm tương quan (Constraint function): Các đẳng thức và bất đẳng thức của hàm được xác định thông qua Spreadsheet. Trong trong trình tính toán Hàm mục tiêu, Optimizer cũng cần phải có các hàm tương quan do người thiết kế thiết lập. Trong bài này, mục đích tối đa hóa tổng lợi nhuận trong khi mà áp suất hơi bão hòa (RVP) nhận được nhỏ hơn 96.5 kPa. Thu nhập từ nhà máy là sản phẩm khí và sản phẩm lỏng. Các chi phí toàn bộ bao gồm giá của các dòng vào mỗi heater cộng giá nén khí cho mỗi máy nén. Lợi nhuận = doanh thu - chi phí Lợi nhuận = sản phẩm khí + sản phẩm lỏng – chi phí các dòng – chi phí máy nén Các biến nào có thể thay đổi ảnh hưởng đến chi phí các dòng? Chi phí nén khí đo được là bao nhiêu? Các biến nào có thể thay đổi ảnh hưởng đến chi phí nén khí (nhớ rằng áp suất nén khí đầu ra là cố định)? Các biến nào Proccess (Adjusted)Variables sẽ được tối đa? Để vào Optimizer chọn Optimizer từ Simulation trong Menu Bar hoặc bấm phím F5. Công cụ Optimizer không phải là một thiết bị, vì vậy nó sẽ không được hiển thị trong sơ đồ PFD Các biến (Variables Tab) Khi vào Optimizer lần đầu tiên, bạn vào Variables Tab. Tại đây xác định Proccess (Adjusted) Variables sủ dụng trong Optimizer. Bấm phím Add để nhập biến đầu tiên, Stream1, Heat Flow Đặt Low Bound =0 và Hight Bound = 1.0e6 kJ/h (1.0e6 Btu/hr) Hoàn thành danh sách các biến như trong bảng sau Các giá trị Low Bound và Hight Bound hợp lý là rất quan trọng. Đặt các giá trị có thể đạt được trong thiết kế, tức là, không đặt high bound cho Steam Heat Flow thì giá trị đó lớn hơn trong thực tế tại nhà máy. Thiết lập bảng tính (Spreadsheet) Spreadsheet là một bảng tính thực, vì vậy nó sẽ được cập nhật thông tin khi các biến trong Flowsheet thay đổi Trong Optimizer có bảng tính riêng cho chính nó nhằm mục đích xác định các hàm mục tiêu và hàm tương quan. Các biến cơ sở phải được nhập vào và các hàm được định nghĩa trong bảng tính của Optimizer (Optimizer Spreadsheet) có cùng chức năng với bảng tính chính (Main Flowsheet Spreadsheet). Bấm phím Spreadsheet trong Optimizer để mở bảng tính Trong Parameter tab của Spreadsheet tăng số dòng từ 10 lên 15. Chuyển tới Spreadsheet tab. Nhập và xuất các biến (Importing and Exporting Variables) Bạn có thể nhập vào hầu như tất cả các biến mô phỏng vào trong bảng tính (Spreadsheet) và bạn cũng có thể xuất ra giá trị của một ô tới bất kỳ một trường xác định nào trong mô phỏng của bạn Kiểm tra (Object Inspection): nhắp đúp vào ô mà bạn muốn nhập hay xuất thông tin ra sau đó chọn Import Variable hoặc Export Formular Result. Sau đó sử dụng Variable Navigator và chọn Variable mà bạn muốn nhập vào hay xuất ra. Trang liên kết (Connections page tab): Chọn Add Import hoặc Add Export sau đó sử dụng Variable Navigator chọn biến mà bạn muốn đưa vào hoặc xuất ra Danh sách kéo thả (Drag ‘n drop): bấm vào giá trị của biến (từ WorkBook hoặc Property View) mà bạn muốn nhập vào, và kéo nó tới vị trí cần thiết trong Spreadsheet. Nếu bạn muốn xuất giá trị của biến ra, bạn kéo nó từ Spreadsheet tới vị trí cần thiết. Thêm công thức (Adding formulas) Có thể tạo các công thức toán học phức tạp trong Spreadsheet, sử dụng cú pháp giống như bảng tính thông thường. Số học, logarit, hàm lượng giác có thể thực hiện trong Spreadsheet. Tất cả các hàm bình thường đều có kí hiệu + đứng trước. Những hàm đặc biệt phải có kí hiệu @ đứng trước. Một số hàm như sau: Addition (+): + A1+A2 Subtraction (-): +A1-A2 Multiplication (*): +A1*A2 Division (/): +A1/A2 Power (^): +A1^3 Absolute Value (@ABS): @ABS(A1) Square Root (@SQRT): @SQRT(A1) Natural Log (@ln): @ln(A1) Exponential (@exp): @exp(A1) Các biến sau cần phải nhập vào Spreadsheet : Thêm giá trị các hằng số sau vào Spreadsheet: Các hệ số chuyển đổi đơn vị cần thiết : 1 kw-h = 3412 Btu 1 kw-h = 3600 kJ Cũng có thể thêm vào những nhận xét, mặc dù không thực sự cần thiết. Sau khi tất cả những biến cần thiết đã được nhập vào cùng với các công thức được đưa vào, giao diện của Spreadsheet sẽ như hình sau đây: Những ô nào trong Spreadsheet sẽ được định nghĩa hàm mục tiêu? (tức là ô nào bạn muốn tối đa)? Định nghĩa hàm tương quan (RVP<96.5 kPa) tham chiếu các ô trong Spreadsheet. Functions tab Trong Funtions tab có 2 nhóm, Hàm mục tiêu (Objective Function) và Hàm tương quan (Constraint Function). Trong các ô của Objective Function group xác định ô trong Spreadsheet để định nghĩa hàm mục tiêu. Sử dụng menu kéo thả trong Edit Bar để chọn ô phù hợp. Sẽ nhận được Current Value của hàm mục tiêu. Chọn phím Maximinize Trong Constraint Function, bấm phím Add phía dưới để xác định các đại lương liên quan. Parameters tab Sử dụng lựa chọn cho tính toán tối ưu hóa. Box: Điều khiển các quan hệ bất đẳng thức mà không điều khiển đẳng thức. Nói chung cần có số lượng các vòng lặp lớn hơn để đưa ra được giải pháp hội tụ. SQP: Sequential Quadratic Programming - theo tuần tự của chương trình xử lý các vòng lặp và liên kết cân bằng. Phương pháp mang tính hiệu quả nhất trong tính toán cực tiểu. Mixed: chỉ điều khiển các quan hệ bất đẳng thức. Là kết hợp phương pháp Box và phương pháp SQP. Quá trình tính toán bắt đầu tại giá trị nhỏ nhất với phương pháp Box sử dụng sai số quy tụ rất không chính xác. Sau khi hội tụ, phương pháp SQP sẽ đạt tới giá trị cần thiết trong giải pháp cuối cùng. Fletcher Reeves: không điều khiển các liên kết. Phương pháp này có hiệu quả cho giá trị nhỏ nhất nói chung. Quasi Newton: không điều khiển các kết nối cũng giống phương pháp Fletcher Reeves ở trên. Chọn phương pháp SQR từ Scheme. Sử dụng sai số và số vòng lặp mặc định. Monitor tab Xem lại các kết quả trong hàm mục tiêu, biến cơ sở và hàm liên kết trong quá trình tính toán Optimizer. Di chuyển tới Monitor tab và bấm phím Star để bắt đầu quá trình tính toán tối ưu. Save your case Phân tích kết quả Khi quá trình Optimization đã hoàn thành, xem xét các kết quả nhận được và điền vào bảng sau: Khám phá với Mô phỏng Bài tập 1 Có một vấn đề bạn cần chú ý với kết quả nhận được sau khí tối ưu hóa là áp suất hơi của đĩa thứ 3 đã giảm tới 70 kPa (10 psia) nhỏ hơn áp suất khí quyển. Đó không phải là điều kiện được thiết kế cho dòng vào máy nén. Đầu vào của máy nén 2, Comp2, không được nhỏ hơn 125 kPa (19 psia). Lợi ích lớn nhất là gì nếu như bạn làm theo hướng dẫn này.