Bài giảng Tối ưu hóa tháp chưng cất dầu thô

Tối ưu hóa tháp chưng cất dầu thô Nội dung Công cụ Optimizer trong HYSYS có thể được sử dụng để tìm max, min của các hàm mục tiêu bất kỳ, các hàm đó có thể nhập và/hoặc tính toán với HYSYS spreadsheet. Ví dụ như tìm lợi nhuận lớn nhất từ tháp chưng khí quyển bằng cách tối ưu hóa lựa chọn dầu thô và nhiệt độ dòng nguyên liệu vào. Mục tiêu Sau khi hoàn thành xong bài này, bạn có thể: Sử dụng công cụ Optimizer trong HYSYS để tối ưu hóa các lưu trình. Sử dụng Spreadsheed để thực hiện các tính toán. Mở rộng lưu trình (Expanding the Flowsheet) Tiếp tục bài tháp chưng chân không. Trong bài này, chúng ta sẽ tối ưu hóa lưu lượng dòng nguyên liệu và lưu lượng sản phẩm để thu được lợi nhuận là tối đa. Trong các bài trước, chỉ sử dụng một hỗn hợp dầu thô; tuy nhiên, bạn có thể thay đổi bằng dầu thô rẻ hơn là dầu nặng và thực hiện mô phỏng, tìm cách tối ưu hóa lưu lượng dòng dầu nặng này. Khởi tạo dòng dầu thô mới Vào Basis Enviroment và truy cập vào Oil Manager. Thêm mẫu dầu thô mới với dữ liệu về TBP như dưới đây: Liquid Volume % TBP (oC) 0 30 10 90 20 160 30 240 50 350 60 430 Nhập giá trị khối lượng riêng của dầu thô là 23 API_60 (bulk density). Thêm một hỗn hợp mới (new Blend) và chia thành 20 điểm cắt. Dòng dầu thô mới đặt tên là Heavy Crude, còn dòng dầu thô “cũ” đã thiết lập từ trước đổi tên là Raw Crude. Trở lại Main Simulation Environment. Thêm dòng dầu thô mới vào tháp chưng Dòng Heavy Crude bây giờ đã được xác định, sẽ kết nối nó vào Mixer, MIX-100. Thêm dòng Heavy Crude vào Mixer, MIX-100 (là Mixer đã kết hợp các dòng Raw Crude và Water). Lưu lượng dòng Raw Crude là 330 m3/h. Dòng ra khỏi Mixer là Feed, với lưu lượng 693 m3/h. Đây là lưu lượng tổng của hỗn hợp dòng dầu và nước. Thay đổi các tham số của tháp Trong ví dụ này, sẽ thay đổi lưu lượng của dòng dầu thô vào tháp. Thay đổi tham số lưu lượng dòng sản phẩm không phải là một ý tưởng tốt trong trường hợp này. Bởi vì các dòng sản phẩm sẽ thay đổi, nên là một ý tưởng hay khi không kích hoạt tháp chưng chân bằng cách bấm vào ô Ignore. Hãy nhớ bấm phím Ignore cho tháp chưng chân không. Đặc tính Cut Point cho tháp chưng khí quyển sẽ được đưa về giá trị mặc định ban đầu. Vì vậy, trong trang Monitor, nhập thông tin sau cho danh sách các đặc tính như sau. Nhớ rằng đây là 95% D86 Cutpoints. In this cell… Enter… Naphtha Cut Point 180oC (355oF) Kerosene Cut Point 245oC (475oF) Diesel Cut Point 320oC (610oF) AGO Cut Point 420oC (790oF) Chỉ những đặc tính được người dùng thiết lập (có màu xanh) được sử dụng như là Primary Variables. Hạn chế của Optimizer: Chỉ tính toán trong mô phỏng tĩnh. Không thể sử dụng Optimizer trong Templates. Những giá trị của điểm cắt (Cut Point) không có nghĩa là xác định giá trị lớn nhất của một điểm cắt nào đó, những giá trị này sẽ cung cấp chất lượng sản phẩm cho mỗi khoảng cắt. Hội tụ lại tháp với những đặc tính giá trị điểm cắt mới. The Optimizer HYSYS có công cụ Optimizer có thể tối ưu hóa đa biến trong mô phỏng tĩnh. Khi lưu trình được xây dựng và đã hội tụ, bạn có thể sử dụng Optimizer để tìm các điều kiện vận hành có hàm mục tiêu là max hay min. Optimizer trong Spreadsheet dùng trong việc xác định hàm mục tiêu cũng như bất kỳ điều kiện rằng buộc nào được sử dụng. Điều đó cho phép bạn xây dựng được hàm mục tiêu để thu được lợi nhuận lớn nhất, hệ thống phụ trợ ít nhất hoặc năng lượng bộ trao đổi nhiệt UA là nhỏ nhất. Primary Variables – là những biến của quá trình mà giá trị của nó được điều khiển để tối ưu hóa hàm mục tiêu (đạt giá trị cực đại hoặc cực tiểu). Bạn có thể thiết lập khoảng biên của biến này, sẽ được dùng để thiết lập khoảng tìm kiếm giá trị tối ưu. Objective Function – đây là hàm sẽ được tối ưu hóa (cực đại hoặc cực tiểu). Hàm này phải được xác định trong Spreadsheet. Điều này cho phép người sử dụng linh hoạt trong việc xác định hàm. Constraint Functions – các đẳng thức và bất đẳng thức được xác định trong Spreadsheet. Trong quá trình tính toán hàm mục tiêu, Optimizer phải thực hiện các điều kiện rằng buộc do người sử dụng xác định ban đầu. Trong bài này, mục tiêu tối ưu hóa là tổng lợi nhuận đạt lớn nhất, được tối ưu bằng cách lựa chọn nguyên liệu dầu thô và lưu lượng dòng hơi nước hồi lưu. Doanh thu từ tháp chưng khí quyển là các sản phẩm Naphtha, Kerosene, Diesel, AGO và cặn dầu Residual. Trong trường hợp này, chi phí đắt nhất là nhiệt năng condenser, reboiler và giá tiền nguyên liệu dầu thô. Tất nhiên, lợi nhuận là hiệu số giữa doanh thu và chi phí. Lợi nhuận = Doanh thu – Chi phí Lợi nhuận = Các sản phẩm – Chi phí năng lượng – Chi phí nguyên liệu. Optimizer là công cụ tính toán, không phải là thiết bị và không xuất hiện trong PFD. Thiết lập công cụ Optimizer Để có Optimizer, lựa chọn Simulation – Optimizer từ Menu bar hoặc ấn phím nóng . Variables Tab Khi bạn đưa Optimizer ra lần đầu tiên, bạn sẽ thấy Variables Tab. Tại đây, bạn có thể xác định các biến của quá trình (Process Variables) được sử dụng trong tính toán tối ưu hóa. Ấn vào phím Add để thêm hai biến Primary Variables rồi nhập thông tin như trong bảng sau: Giá trị upper và lower là rất quan trọng. Đây là giá trị đạt được từ thiết kế hiện tại của bạn, chú ý đừng đặt giá trị biên lớn nhất cho Steam Heat Flow lớn hơn giá trị xuất hiện trong case của bạn. Object Variable Lower Upper Raw Crude Liquid Volumn Flow 66 m3/hr 660 m3/hr Feed Temperature 220oC 245oC Giá trị của dòng Heavy Crude 594 m3/hr (90,000 bbl/d), lưu lượng dòng Raw Crude cần trong khoảng 66 m3/hr (10,000 bbl/d) và 660 m3/hr (100,000 bbl/d). Xác định Spreadsheet Công cụ Optimizer đòi hỏi phải xác định hàm mục tiêu và các điều kiện rằng buộc giữa chúng. Primary Variable có thể được nhập và hàm xác định trong Optimizer Spreadsheet. Nhập và xuất các biến Bạn có thể nhập bất kì một biến nào trong mô phỏng vào Spreadsheet và xuất các giá trị từ trong ô của Spreadsheet tới bất kì trường đặc tính nào trong mô phỏng của bạn. Giá trị trong các ô của Spreadsheet sẽ thay đổi khi thay đổi biến trong Flowsheet. Biểu tượng của Spreadsheet xuất hiện trong PFD. Object Inspection – kiểm soát mục tiêu (ấn phím trái chuột) vào ô mà bạn muốn xuất hoặc nhập thông tin từ đó. Từ Menu xuất hiện, chọn Import Variable hoặc Export Formula Result. Sau đó, sử dụng Variable Navigator, lựa chọn biến mà bạn muốn xuất hoặc nhập. Connections page Tab – lựa chọn phím Add Import hoặc Add Export, sau đó sử dụng Variable Navigator, lựa chọn biến mà bạn muốn xuất hoặc nhập. Drag’n Drop – sử dụng phím trái chuột, click vào giá trị của biến (từ Workbook hoặc Property View) mà bạn muốn nhập, và thả vào vị trí mong muốn trong Spreadsheet. Nếu bạn muốn nhập biến, kéo từ Spreadsheet tới vị trí bạn muốn nhập. Nhập như các thông tin dưới đây trong Spreadsheet: Kích thước của Spreadsheet có thể được hiệu chỉnh trong Parameters tab. Đặt số dòng là 15. Cell… Object… Variable… B1 Naphtha Liquid Volumn Flow B2 Kerosene B3 Diesel B4 AGO B5 Atm Residue B7 Raw Crude B8 Heavy Crude B10 Cond Duty Heat Flow B11 Trim Duty Bạn có thể thay đổi kiểu biến $ thành không thứ nguyên. Nhập thêm các giá trị như bảng dưới đây vào Spreadsheet: Cell… Value…per day Comment… C1 $220/m3 Naphtha Price C2 $194/m3 Kerosene Price C3 $176/m3 Diesel Price C4 $145/m3 AGO Price C5 $113/m3 Residue Price C7 $151/m3 Raw Crude Price C8 $148/m3 Heavy Crude Price C10 $25/MW-hr Condenser Energy Price C11 $30/MW-hr Btm Steam Energy Price Thêm các công thức tính Các công thức tính toán có thể được thiết lập, sử dụng cú pháp đơn giản để tính toán trong Spreadsheet. Hàm số học, loga và lượng giác có thể được thực hiện trong Spreadsheet. Tất cả các hàm phải có kí tự “+” đi đằng trước. Một số hàm đặc biệt phải có thêm kí tự “@”. Một số hàm như dưới đây: Ấn Function Help để xem các hàm và biểu thức có thể có trong Spreadsheet. Cộng (+) : +A1+A2 Trừ (-): +A1-A2 Nhân (*): +A1*A2 Chia (/): +A1/A2 Bậc (^): +A1^3 Trị tuyệt đối (@ABS): +@ABS(A1) Bình phương (@SQRT): +@SQRT(A1) Loga tự nhiên (@ln): +@ln(A1) Số mũ (@exp): +exp(A1) Ô D13 chứa hàm mục tiêu của bạn. Đây là giá trị bạn muốn tối đa nó. Thêm các công thức sau vào Spreadsheet. Trong ô D10 và D11 không có công thức. Chú ý đặc biệt về đơn vị khi nhập các công thức này: In this cell… Enter… Comments… D1 +B1*C1 Naphtha Revenue D2 +B2*C2 Kerosene Revenue D3 +B3*C3 Diesel Revenue D4 +B4*C4 AGO Revenue D5 +B5*C5 Residue Revenue D6 +D1+D2+D3+D4+D5 Total Revenue D7 +B7*C7 Raw Crude Cost D8 +B8*C8 Heavy Crude Cost D9 +D7+D8 Total Crude Cost D10 Condenser Steam D11 Trim Duty Steam D12 +D10+D11 Total Steam Cost D13 +D6-D9-D12 Profit Công thức nào cần được nhập vào ô D10?............................................... Và ô 11?.................................................................................................... Quan sát đơn vị. Tất cả các đơn vị trong tháp là $/hr hay $/day Giá trị trong ô D13 là hàm mục tiêu. Nếu hệ đơn vị bạn chọn là SI thì giá trị thu được là $/hr, còn nếu bạn chọn Field, giá trị có đơn vị là $/day. Functions Tab Functions tab có chứa hai nhóm là Objective Function và Constraint Functions. Trong vùng Cell của nhóm Objective Function, tạo lập đặc tính của ô Spreadsheet xác định hàm mục tiêu. Sử dụng danh sách thả xuống từ Edit Bar, lựa chọn D13. Ô này có hàm mục tiêu là lợi nhuận. Giá trị hiện tại của hàm mục tiêu sẽ hiển thị trong ô Current Value. Chọn phím Maximize. Thêm các điều kiện rằng buộc khác vào nhóm Constraint Functions Chúng ta sẽ không có các điều kiện ràng buộc khác nào cả. Optimizer sẽ không phá vỡ các giá trị đã được thiết lập cho các thiết bị khác. Ví dụ, Optimizer vẫn giữ đặc tính Cut Point đã thiết lập cho tháp. Giá trị hiện tại của Objective Function............................ Parameters Tab Parameter tab đước sử dụng để lựa chọn cách thức tối ưu hóa. Để có thêm thông tin về cách thức tối ưu hóa, tham khảo bài 17.2 hoặc Help Online. Box – tính toán các bất đẳng thức mà không tính các đẳng thức. Nói chung yêu cầu số bước lặp lớn để hội tụ được giải pháp. SQP – Sequential Quadratic Programming, tính toán cả bất đẳng thức và đẳng thức. Đa số trường hợp sử dụng để tính bài toán tìm giá trị cực tiểu. Mixed – chỉ tính bất đẳng thức. Đây là sự kết hợp của hai phương pháp Box và SQP ở trên. Nó bắt đầu tính bằng giá trị nhỏ nhất với phương pháp Box, sử dụng sai số hội tụ không chặt chẽ. Sau khi hội tụ, phương pháp SQP được sử dụng để tìm ra giải pháp cuối cùng. Để có thêm thông tin chi tiết Optimization Schemes, đọc trong tài liệu hướng dẫn sextion 17.2 hoặc Help on-line. Fletchet Reeves – không tính các biểu thức ràng buộc. Phương pháp hiệu quả cho tìm giá trị min. Quasi – Newton – như Fletcher Reeves nhưng đơn giản hơn. Chọn phương pháp Mixer là cách thức tối ưu hóa. Sử dụng sai số cho phép (Tolerance) và số vòng lặp (Number of Iterations) như mặc định. Các giá trị ràng buộc là dương nếu đó là bất đẳng thức thỏa mãn, là âm nếu bất đẳng thức không thỏa mãn. Monitor tab Monitor tab hiển thị giá trị của Objective Function, Primary Variable và Constraint Function trong suốt quá trình tính toán của Optimizer. Chuyển sang Monitor tab, ấn phím Start để bắt đầu tối ưu hóa. Thường mất vài phút để tối ưu hóa tháp chưng. Giá trị của Objective Function sau khi tối ưu hóa là bao nhiêu?....... Cái gì có thể làm tăng thêm giá trị này?......................................