Các cơ hội tối ưu hóa khu vực sử dụng hơi cuối cùng

Thiết bị sử dụng hơi nước trong công nghiệp rất đa dạng và thậm chí cùng một qui trình công nghệ nhưng lại khác nhau trong các ngành công nghiệp khác nhau. Do đó rất khó khăn để trình bày các thiết bị sử dụng hơi nước trong Tài liệu đào tạo đơn giản này. Tuy nhiên, thiết bị sử dụng  hơi nước là lý do chính để có một hệ thống hơi nước trong một nhà máy công nghiệp và không nên bỏ qua nó. Cần phải nghiên cứu và tìm hiểu nghiêm túc thiết bị sử dụng cuối bởi vì tối ưu hóa hơi nước trong khu vực sử dụng cuối cùng có thể tạo ra lợi ích to lớn kể cả về nhiên liệu và tiết kiệm chi phí cũng như cải tiến sản xuất và năng suất. Nhân viên nhà máy làm việc trong các hệ thống hơi nước công nghiệp cần được đào tạo để hiểu cách thức hơi được sử dụng trong các nhà máy cụ thể của họ. Điều này sẽ cho phép họ thực sự tối ưu hóa hệ thống hơi nước cho hoạt động nhà máy cụ thể của họ.

Tổng quan cân bằng hơi nước

Nhu cầu hơi nước có nhiều hình thức khác nhau trong các nhà máy công nghiệp. Nói chung, hơi nước cung cấp nguồn nhiệt cho qui trình sản xuất. Hầu hết các qui trình công nghiệp sẽ yêu cầu một lưu lượng hơi nhất định tương ứng với tải nhiệt đã cho (kW). Nhưng có một số qui trình công nghiệp đòi hỏi cả lưu lượng khối lượng và lưu lượng thể tích của hơi nước. Đây là những thiết bị điển hình yêu cầu tốc độ hơi nước nhất định để thực hiện các chức năng sử dụng cuối cùng trong nhà máy công nghiệp. Lưu ý tua bin hơi nước không được coi là thiết bị sử dụng hơi nước cuối cùng và không được đề cập trong phần này. Một số loại thiết bị sử dụng cuối hơi nước được liệt kê dưới đây. Đây không phải là một danh sách toàn diện, nhưng là một hướng dẫn chung.

Các thiết bị sử dụng cuối hơi nước được thiết kế dựa trên lưu lượng khối lượng (tải nhiệt) của hơi nước là:

  • Các bộ trao đổi nhiệt
  • Thiết bị sấy
  • Thiết bị bốc hơi
  • Thiết bị tái sinh hơi
  • Thiết bị tái tạo hơi
  • Máy lạnh hấp thụ
  • Thiết bị khử ẩm
  • Bộ phận gia nhiệt sơ bộ/tái nhiệt của dàn xử lý không khí

Các thiết bị sử dụng cuối hơi nước được thiết kế dựa trên lưu lượng khối lượng (tải nhiệt) và lưu  lượng thể tích của hơi nước là:

  • Ejector hơi
  • Cột Stripping
  • Tháp chưng cất
  • Máy nén nhiệt

Đối với bất kỳ phân tích nào đối với tối ưu hóa hệ thống hơi nước, một điều rất quan trọng là tìm hiểu xem mỗi thiết bị sử dụng hơi trong các nhà máy công nghiệp tiêu thụ bao nhiêu hơi nước. Thông tin này có thể thu thập ở mức toàn hệ thống hơi nước (như trong hình 1) hoặc có thể ở mỗi ống góp hơi có áp suất hoặc theo mỗi khu vực trong nhà máy. Thường là khó khăn để tạo ra được cơ cấu tỉ lệ phân phối như vậy bởi vì không có sẵn thiết bị đo tại các thiết bị sử dụng cuối. Khuyến nghị rằng nhân viên nhà máy hiểu các hoạt động cùng với thông tin thiết kế có thể xác định nhu cầu hơi nước (và tải nhiệt) cho thiết bị sử dụng cuối dựa trên điều kiện tải yêu cầu của qui trình công nghệ. Phương pháp này sẽ giúp rất nhiều để xây dựng một cái nhìn tổng quan về thiết bị sử dụng cuối hơi nước và xác định thiết bị chính sử dụng hơi nước để tập trung phân tích trong khi thực hiện tối ưu hóa hệ thống hơi nước công nghiệp. Các ví dụ trong phần này cung cấp một số ý tưởng về xác định lưu lượng hơi nước trong qui trình công nghệ bằng cách sử dụng các nguyên tắc cơ bản của cân bằng vật chất và năng lượng.

Hình 1: Một biểu đồ tỉ lệ sử dụng hơi nước trong ngành chế biến thực phẩm và nước giải khát

(Chú ý: giá trị số thể hiện lưu lượng hơi nước, kg/h)

Ví dụ

Một bộ trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ làm nhiệm vụ gia nhiệt lượng nước 600 lít/phút từ 25°C đến 75°C. Hơi bão hòa ở áp suất khí quyển được sử dụng để gia nhiệt. Nước ngưng thoát khỏi bộ trao đổi nhiệt tại nhiệt độ 100°C. Tính tải nhiệt và lượng hơi nước cần thiết cho qui trình trao đổi nhiệt gián tiếp này.

Lượng nhiệt truyền vào nước được tính toán như sau:

Từ việc cân bằng năng lượng, lượng nhiệt này được cung cấp bởi hơi nước và do đó có thể viết là

Trong đó hsteam (2,676 kJ/kg) là entanpy của hơi nước bão hoà tại áp suất khí quyển và hcondensate (419 kJ/kg) là entanpy của nước ngưng tại 100°C (từ các bảng hơi nước).

Hình 2 thể hiện sơ đồ trình bày lượng nhiệt trao đổi, tải nhiệt và lưu lượng hơi và nước.

Hình 2: Trao đổi nhiệt gián tiếp Hơi/Nước

Ví dụ

Hơi nước bão hoà tại áp suất khí quyển được phun trực tiếp vào một bình chứa để gia nhiệt nước từ 25°C lên 75°C. Qui trình công nghệ yêu cầu lưu lượng nước nóng 600 lít/phút. Hãy tính lượng hơi nước cần thiết cho qui trình trao đổi nhiệt trực tiếp này.

Lưu lượng nước vào bình (mwater_in) và lưu lượng hơi (msteam) chưa biết. Phương trình bảo toàn khối lượng có thể viết như sau:

Vì không có công thực hiện trong bình chứa nên công thức bảo toàn năng lượng có thể viết như sau:

Trong đó hsteam (2,676 kJ/kg) là entanpy của hơi bão hoà tại áp suất khí quyển; hwater_in (104.8 kJ/kg) là entanpy của nước đi vào bình chứa tại 25°C; và hwater_out (314 kJ/kg) là entanpy của nước rời khỏi bình chứa tại 75°C (từ bảng hơi nước).

Nhập các giá trị đã biết vào các phương trình và giải đồng thời sẽ cho giá trị các biến như sau:

Hình 3 hiển thị sơ đồ qui trình trao đổi nhiệt trực tiếp và các lưu lượng khác nhau.

Hình 3: Trao đổi nhiệt trực tiếp Nước/Hơi nước

2. Các cơ hội tối ưu hoá thiết bị sử dụng hơi cuối cùng và cách thức vận hành tối ưu

Như đã đề cập trước đó, rất khó để có thể đề cập hết các loại sử dụng hơi cuối cùng rất đa dạng trong các qui trình công nghiệp và các nhà máy. Do đó, các phương pháp chung được mô tả ở đây là để hiểu việc sử dụng hơi nước cuối cùng và xác định các cơ hội tối ưu hóa. Ngoài ra, việc định lượng lợi ích của các cơ hội tối ưu hoá sử dụng cuối cùng hơi nước cũng được trình bày ở đây. Không nghi ngờ rằng thực tế là tích hợp qui trình sẽ dẫn đến tối ưu hóa tổng thể hệ thống năng lượng của nhà máy và các lợi ích có thể đạt được. Phải phân tích kỹ càng, cẩn thận khi thực hiện những cơ hội này bởi vì những cơ hội có thể ảnh hưởng bất lợi đến các thông số của qui trình nếu việc áp dụng không chính xác. Điều không may này đã xảy ra rất nhiều trong các nhà máy công nghiệp và công nghệ bị mang tiếng xấu, mặc dù nó có thể hoàn hảo và đã được chứng minh nhưng nó đã bị áp dụng sai trong các ứng dụng cụ thể.

Trong việc bố trí cổ điển, chiến lược chính để tối ưu hóa việc sử dụng hơi nước trong qui trình sử dụng cuối cùng là loại bỏ hoặc làm giảm lượng hơi nước được sử dụng bởi qui trình đó. Điều này liên quan đến nâng cao hiệu quả qui trình mà qua đó loại bỏ việc sử dụng hơi nước không thích hợp. Sau đó, chiến lược tối ưu hóa là xem xét việc sử dụng hơi nước tại mức áp suất thấp có thể, điều này cho có thể phép phát điện trong khi làm giảm áp suất. Cuối cùng, chiến lược tối ưu hóa hướng tới mục đích là thay đổi tất cả hoặc một phần của nhu cầu hơi nước bằng một nguồn nhiệt thải. Một bố trí khác của bước cuối cùng này sẽ được xem xét để nâng cấp hơi (hoặc nhiệt thải) có áp suất thấp để cung cấp cho các nhu cầu qui trình yêu  cầu áp suất cao hơn.

Ví dụ

Một qui trình nung yêu cầu lưu lượng không khí 2,000 m3/phút tại 20°C để gia nhiệt lên 80°C. Điều này hiện đang đạt được bằng cách sử dụng hơi nước bão hòa 2 bar. Hình 4 cung cấp thông tin về sơ đồ qui trình. Ước tính cơ hội tiết kiệm năng lượng nếu một nguồn nhiệt thải từ một qui trình liền kề có thể được sử dụng để sấy nóng không khí tới 40°C.

Hình 4: Bộ sấy không khí bằng dàn ống hơi nước (đang hoạt động)

Lượng nhiệt truyền tới không khí được tính như sau:

Trong đó Qair_1 là lượng nhiệt truyền tới không khí từ hơi nước, trong hoạt động hiện tại; Vair là lưu lượng thể tích của không khí; ρair là khối lượng riêng của không khí; Cp là nhiệt dung riêng của không khí và Tout và Tin tương ứng là nhiệt độ ra và vào của không khí.

Trong việc bố trí tối ưu, không khí được làm nóng trước đến 40 °C bằng cách sử dụng một nguồn nhiệt thải từ một qui trình gần đó. Nhiệt được truyền cho không khí từ hơi nước trong bố trí tối ưu hóa này được tính như sau:

Trong đó Qair_2 là nhiệt truyền cho không khí bằng hơi nước trong bố trí tối ưu, nơi không khí được làm nóng trước từ một nguồn nhiệt thải; Vair là lưu lượng thể tích của không khí; ρair là khối lượng riêng của không khí; Cp là nhiệt dung riêng của không khí và Tout và Tin tương ứng là nhiệt độ ra và vào của không khí.

Chú ý rằng lượng nhiệt tiết kiệm được là độ chênh giữa Qair_1 và Qair_2, có giá trị bằng 796 kW. Lượng năng lượng tiết kiệm này có thể chuyển thành lượng hơi nước tiết kiệm như sau:

Trong đó hsteam là entanpy của hơi nước đi vào bộ sấy không khí và hcondensate là entanpy của nước ngưng (tại 2 bar) đi ra bộ sấy không khí.

Lượng chi phí tiết kiệm tương đương có thể tính toán như sau:

Phân tích này cũng có thể được thực hiện với một mô hình hệ thống hơi nước chi tiết như phần mềm SSMT của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Tuy nhiên, điều quan trọng là thực hiện các nghiên cứu ban đầu để xác định thứ tự ưu tiên các cơ hội tối ưu hóa trong khu vực sử dụng cuối cùng. Thông thường, mất khá nhiều công sức trước khi thực hiện các cơ hội tối ưu hóa có liên quan đến tích hợp qui trình công nghệ.

(Ban quản lý dự án – trích từ “Hướng dẫn tối ưu hóa hệ thống hơi công nghiệp” của Dự án hiệu quả năng lượng trong công nghiệp của Tổ chức Phát triển công nghiệp Liên hợp quốc – UNIDO)