COMPRESSOR – MÁY NÉN

1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay máy nén được ứng dụng rộng rãi trong mọi ngành kinh tế quốc dân. Kể từ ngày máy nén xuất hiện đến nay, chúng không ngừng được phát triển và hoàn thiện, đặc biệt là vào những thập niên cuối của thế kỉ 20. Trong ngành công nghệ hóa học, máy nén là thiết bị được sử dụng trong các quy trình như tách khí, làm lạnh, vận chuyển chất khí, … Mục tiêu của báo cáo là phân tích ứng dụng của thiết bị máy nén bằng chương trình mô phỏng PROII để từ đó đề ra phương pháp lựa chọn và sử dụng thiết bị trong thực tế. 2. TÓM TẮT LÝ THUYẾT 2.1. Giới thiệu chung Compressor – máy nén trong PROII được dùng để mô phỏng quá trình nén đẳng entropy một cấp. Điều kiện đầu ra và những yêu cầu về công suất có thể được xác định bằng cách sử dụng năng suất đoạn nhiệt hoặc đa biến. Nhập liệu dạng bảng tùy ý có thể được sử dụng để xác định hiệu suất từ các dòng cung cấp về áp suất ra hay tỷ lệ áp suất, nhiệt, công suất, và hoặc năng suất. Ngoài ra còn có lựa chọn tính toán sau làm lạnh “ftercooler ...”. Những tính toán về cân bằng lỏnghơi, lỏnglỏnghơi cũng được hỗ trợ. Máy nén nhiều cấp có thể được mô hình hóa bằng cách liên kết các máy nén một cấp lại với nhau. 2.2. Cơ sở lý thuyết Đối với quá trình nén, áp suất (P) quan hệ với thể tích (V) theo công thức: (1) Trong đó: n – số mũ, được xác định như sau: ‒ n = 1: quá trình nén đẳng nhiệt. ‒ n = k: Quá trình nén đoạn nhiệt của khí lý tưởng. Đối với khí lý tưởng trải qua quá trình nén đoạn nhiệt, n là tỷ số giữa nhiệt dung riêng đẳng áp (cp) và nhiệt dung riêng đẳng tích (cv). (2) Trong đó k – hệ số đẳng entropy của khí lý tưởng. ‒ n > k : đối với khí thực. • Đồ thị Mollier : biểu diễn sự thay đổi áp suất (P) theo enthalpy (H), cũng như entropy (S) theo nhiệt độ (T). Đồ thị được sử dụng để tính toán các thông số đầu ra cho máy nén như sau:

COMPRESSOR – MÁY NÉN

1 ĐẶT VẤN ĐÊ

Ngày nay máy nén được ứng dụng rộng rãi trong mọi ngành kinh tế quốc dân Kể tưngày máy nén xuất hiện đến nay, chúng không ngưng được phát triển và hoàn thiện, đặc biệtlà vào những thập niên cuối của thế kỉ 20 Trong ngành công nghệ hóa học, máy nén là thiếtbị được sử dụng trong các quy trình như tách khí, làm lạnh, vận chuyển chất khí, …

Mục tiêu của báo cáo là phân tích ứng dụng của thiết bị máy nén bằng chương trình

mô phỏng PRO/II để tư đó đề ra phương pháp lựa chọn và sử dụng thiết bị trong thực tế

2 TÓM TẮT LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu chung

Compressor – máy nén trong PRO/II được dùng để mô phỏng quá trình nén đẳngentropy một cấp Điều kiện đầu ra và những yêu cầu về công suất có thể được xác định bằngcách sử dụng năng suất đoạn nhiệt hoặc đa biến Nhập liệu dạng bảng tùy ý có thể được sửdụng để xác định hiệu suất tư các dòng cung cấp về áp suất ra hay tỷ lệ áp suất, nhiệt, công

suất, và/ hoặc năng suất Ngoài ra còn có lựa chọn tính toán sau làm lạnh “ftercooler ”.

Những tính toán về cân bằng lỏng-hơi, lỏng-lỏng-hơi cũng được hỗ trợ

Máy nén nhiều cấp có thể được mô hình hóa bằng cách liên kết các máy nén một cấplại với nhau

2.2 Cơ sở lý thuyết

Đối với quá trình nén, áp suất (P) quan hệ với thể tích (V) theo công thức:

const

Trong đó:

n – số mũ, được xác định như sau:

‒ n = 1: quá trình nén đẳng nhiệt

const

PV =

1

-‒ n = k: Quá trình nén đoạn nhiệt của khí lý tưởng.

Trong đó

k – hệ số đẳng entropy của khí lý tưởng

‒ n > k : đối với khí thực

• Đồ thị Mollier : biểu diễn sự thay đổi áp suất (P) theo enthalpy (H), cũng như entropy(S) theo nhiệt độ (T) Đồ thị được sử dụng để tính toán các thông số đầu ra cho máy nén nhưsau:

Thiết bị Flash được hoạt động ở áp suất P1 (áp suất do dòng nhập liệu tạo nên), vànhiệt độ T1 Theo đồ thị Mollier ta sẽ tra được các điểm S1 và H1 tương ứng với các giá trị T1,P1 cho trước Ta có điểm 1 là giao điểm của giá trị tìm được, cũng là điểm biểu diễn hoạt độngcủa máy nén ở trạng thái ban đầu (đầu vào)

Máy nén hoạt động theo chu trình đẳng entropy nên ứng với giao điểm của P2 (dongười sử dụng khai báo) và đường đẳng entropy S1 ta sẽ có giao điểm 2 Tư điểm 2 ta sẽ trađược các giá trị T2 và H2 tương ứng Điểm 2 miêu tả các đặc điểm nhiệt động với hiệu suấtđoạn nhiệt đạt 100% Sự thay đổi enthalpy đoạn nhiệt được tính như sau:

1

2 H H

-Trong đó:

J – hệ số tương đương năng lượng

Đối với đơn vị mã ngựa (hP), công suất đẳng entropy là:

GHPad = ΔHad * 778 * F/33000 (7)GHPac = ΔHac * 778 * F/ 33000 = GHPad * γad(8)

33000 – hệ số chuyển đổi tư đơn vị ft-lb/min sang đơn vị hP

Các hệ số đẳng entropy và đa biến, hiệu suất đa biến và công đa biến được tính toántheo một trong hai phương pháp: GPSA và ASME

 Phương pháp ASME

Phương pháp ASME tính toán nghiêm ngặt hơn so với phương pháp GPSA, và cho kếtquả tốt hơn với tỉ số nén và thành phần nhập liệu lớn Vì vậy, ASME được xác lập mặc địnhtrong PRO/II khi không có sự khai báo khác (GPSA là phương pháp mặc định trong PRO/IIphiên bản 4.1)

Đối với các khí thực, như đã lưu ý ở trên, giá trị của số mũ đẳng entropy ns (còn gọi làhệ số đẳng entropy) không tương đương với hệ số k Phương pháp ASME phân biệt giữa k và

ns đối với khí thực Việc tính toán ns rất nghiêm ngặt và không liên quan đến các cách tính toánhệ số k

• Hiệu suất đoạn nhiệt

‒ Hệ số đẳng entropy:

)/ln(

/)/ln(P2 P1 V1 V2

−

s s

Hệ số ASME f thường gần bằng 1

Đối với các khí lý tưởng, f = 1và hệ số đoạn nhiệt ns = k

‒ Hệ số đa biến n được xác định:

)/ln(

/)/ln(P2 P1 V1 V3

Trong đó:

V3 – thể tích tại áp suất và trạng thái enthalpy thực tế ở đầu ra

‒ Công đa biến, tức là công thuận nghịch cần thiết để nén khí trong chu trình nén đa biến tưđiều kiện vào đến điều kiện ra được ước tính:

3

-( )

[ / 1] { ( / ){ ( ) } 1}

1 2 1

Wp – công đa biến

Đối với khí lý tưởng, hệ số f = 1

‒ Hiệu suất đa biến được tính như sau:

ad S

P

ad S

P

ac

P P

W

W W

W W

W

γγ

Chú ý: Giá trị của hiệu suất đa biến tính theo phương pháp ASME không giống với phương

pháp GPSA, trong đó sử dụng p = {(n-1)/n}/{(k-1)/k}

• Hiệu suất đa biến

Phương pháp tính lặp với sai số trong khoảng cho phép được sử dụng để tính toán hiệusuất đoạn nhiệt của máy nén Chương trình PRO/II sẽ tuần tự thực hiện các bước như sau:

1 Tính hệ số đẳng entropy, công đẳng entropy và hệ số f theo công thức (6), (10), và(11)

2 Sự ước lượng ban đầu đối với hiệu suất đẳng entropy được dùng để tính toán cácthông số đầu ra (tức là H3, V3, …)

3 Hệ số đa biến n được tính theo công thức (12) sử dụng giá trị V3 đã tính được ở trên

4 Sử dụng các giá trị f và n tính được tư bước 1 và 3 để xác định công đa biến theo côngthức (13)

5 Xác định hiệu suất đa biến theo công thức (14)

6 So sánh giá trị hiệu suất tính toán được ở bước 5 với hiệu suất đa biến do người sửdụng khai báo Nếu hai giá trị này không tương đương nhau (với một khoảng sai sốcho phép) thì giá trị hiệu suất đẳng entropy mới sẽ được thay thế

7 Lập lại tư bước 3 tới bước 6 với giá trị hiệu suất đẳng entropy mới cho đến khi giá trịước lượng hiệu suất đa biến tương đương với giá trị khai báo (với khoảng sai số chophép)

 Phương pháp GPSA

Phương pháp GPSA thường được sử dụng trong các quá trình công nghiệp hóa họcnhưng kém nghiêm ngặt hơn so với phương pháp ASME

• Hiệu suất đoạn nhiệt

Trong phương pháp này, áp suất đoạn nhiệt được tính theo công thức (3) và (9) Mỗilần tính toán, hệ số đẳng entropy k sẽ được ước lượng theo phương pháp lặp và sai số theocông thức:

})

/}}{(

/)1/{(

]2/)

z1, z2 – hệ số nén ở điều kiện vào và ra

R – hằng số khí

T1 – nhiệt độ vào

4

-Phương pháp lặp và sai số ước lượng giá trị k cho giá trị không chính xác khi tỷ số nén(z = P2/P1) có giá trị thấp PRO/II cho phép người sử dụng chuyển đổi phương pháp tính hệ số

k nếu tỷ số nén thấp hơn giá trị đặt

Nếu hệ số nén tính toán thấp hơn giá trị đặt của người sử dụng (giá trị mặc định trongPRO/II là 1.15), hay hệ số k không thỏa mãn điều kiện 1.0 < k < 1.66667, hệ số đẳng entropy

k sẽ được tính lặp theo công thức nhiệt:

})/{(

)/( 1 2 1 2 1 ( 1)

k

P P T z z

‒ Áp suất đa biến:

})

/}}{(

/)1/{(

]2/)

−

−

=

k k

n n

• Hiệu suất đa biến

Phương pháp lặp được sử dụng để ước lượng hiệu suất đa biến, các bước thực hiện như sau:

1 Áp suất đoạn nhiệt được tính theo công thức (3) và (9)

2 Xác định hệ số đẳng entropy theo công thức (15) hoặc (16)

3 Kiểm tra điều kiện 1.0 < k < 1.66667, nếu thỏa thì tiếp tục bước 4, nếu không thỏa tínhlại k theo công thức nhiệt (16)

4 Xác định hệ số đa biến n theo công thức (19)

5 Xác định áp suất đa biến theo công thức (17)

6 Xác định hiệu suất đoạn nhiệt theo công thức (18)

3 MÔ PHỎNG TRONG PRO/II

3.1 Lựa chọn nhập liệu và sản phẩm (Product Phases)

Một thiết bị máy nén có thể có dòng nhập liệu đa cấu tử, trong trường hợp này áp suấthút được thưa nhận là thấp nhất

Máy nén có thể có một hay nhiều dòng sản phẩm Điều kiện pha cho những thiết bịvới môt dòng sản phẩm được định tự động bởi PRO/II Cho những máy nén với hai hay nhiều

hơn hai dòng sản phẩm, pha sản phẩm phải được định rõ trong cửa sổ Compresser Product Phases bằng cách click vào option Product Phases… trong cửa sổ thông số chính PRO/II - Compressor.

5

-Pha sản phẩm cho phép bao gồm: pha hơi, lỏng, nước cặn, lỏng nặng, và hỗn hợp (hơivà lỏng) Pha hỗn hợp thì loại trư lẫn nhau với những sản phẩm hơi và lỏng và nó không đượccho phép khi bốn dòng sản phẩm được định rõ

3.2 Lựa chọn phương pháp tính toán (Calculational Method)

Phương pháp sử dụng để tính cột áp máy nén có thể được chọn bằng cách click

Calculation Method… trong cửa sổ thông số chính Comperssor để tới cửa sổ Compressor Calculation Mode Có 2 phương pháp tính để lựa chọn:

‒ GPSA Engineering Data Book : phương trình GPSA Data Book được để tính cột áp.

‒ ASME Power Test Code 10 : phương trình ASME Power Test Code 10 thì được sử dụng

để tính toán cột áp Phương pháp này được PRO/II mặc định và nghiêm ngặt hơn phươngpháp GPSA

6

-Tỉ số nén ở trên dùng để tính hệ số đoạn nhiệt/ đa biến có thể thay đổi Dưới giá trịnày tính theo phương trình cột áp, ngược lại tính theo phương trình nhiệt độ (chỉ áp dung chophương pháp GSPA).

7

-3.3 Lựa chọn làm nguội sau khi nén (Aftercooler)

Quá trình làm nguội sau khi nén có thể được thêm vào bằng cách click Aftercooler…

trong cửa sổ thông số chính PRO/II Compressor và cung cấp nhiệt độ ra khỏi thiết bị làm nguội và độ giảm áp suất trong cửa sổ Compressor Aftercooler.

3.4 Các công cụ khác

Unit : kí hiệu tên thiết bị trong màn hình PFD.

Description : tên thiết bị do người dùng đặt, xuất hiện trong bảng kết quả.

Hệ thống nhiệt động (Thermodynamic System)

Hệ thống nhiệt động của các phương pháp được sử dụng cho những tính toán máy nén

có thể được chọn tư hộp danh mục rơi Thermodyamic Systems trong cửa sổ thông số chính PRO/II – Compressor.

8

-Áp suất hút (Inlet Pressure) : áp suất đầu vào.

Ước lượng nhiệt độ đầu ra (Outlet Temperature Estimate): Ước lượng cho nhiệt độ đầu

ra của máy nén có thể được cung cấp tùy ý trong cửa sổ thông số chính PRO/II Comperssor

Lưu ý rằng nó không giống như nhiệt độ đầu ra chỉ định

9

-Áp suất, Công suất, hay cột áp chỉ định (Pressure, Work or Head Specification)

Áp suất, Công suất, hay Nhiệt chỉ định được chọn tư hộp danh mục rơi trong cửa sổ

thông số chính PRO/II Compresser Ít nhất một chỉ định phải được lựa chọn.

Outlet Pressure : áp suất ra tư máy nén.

Pressure Increase : áp suất tăng khi qua máy nén.

Pressure Ratio : tỉ số giữa áp suất ra / áp suất vào.

Work : công suất suất tiêu hao để nén và vận chuyển khí.

Maximun Outlet Pressure : có thể tùy chọn thông qua cửa sổ thông số chính Pro/II

-Comperssor Khi áp suất nén vượt quá, nó sẽ được điều chỉnh lại tới giá trị áp suất ra tối đa.

Relative Convergence Tolerance : dung sai hội tụ tương đối được cung cấp tùy ý trong cửa

sổ thông số chính PRO/II – Compressor Giá trị mặc định là 0.001

10

-Đường đặc tuyến áp suất nén (Outlet Pressure Curve): click Enter Curve… để cung

cấp một đường đặc tuyến quan hệ giữa năng suất dòng nhập liệu với áp suất nén trong cửa sổ

Compressor Outlet Pressure Performance Curve.

11

-Đường đặc tuyến tỉ số nén (Pressure Ratio Curve): click Enter Curve… để cung cấp

một đường đặc tuyến quan hệ giữa năng suất dòng nhập liệu với tỉ số nén trong cửa sổ

Compressor – Pressure Ratio Performance Curve.

12

-Đường đặc tuyến công suất đoạn nhiệt (Adiabatic Work Curve): click Enter Curve…

để cung cấp một đường đặc tuyến quan hệ giữa năng suất dòng nhập liệu với công suất đoạn

nhiệt trong cửa sổ Compressor - Work Performance Curve.

13

-Đường đặc tuyến công suất đa biến (Polytropic Work Curve): click Enter Curve…

để cung cấp một đường đặc tuyến quan hệ giữa năng suất dòng nhập liệu với công suất đa

biến trong cửa sổ Compressor - Work Performance Curve.

14

-Đường đặc tuyến công suất thực tế (Actual Work Curve): click Enter Curve… để

cung cấp một đường đặc tuyến quan hệ giữa năng suất dòng nhập liệu với công suất thực tế

(với hiệu suất được nhập) trong cửa sổ Compressor - Work Performance Curve.

15

-Đường đặc tuyến áp đoạn nhiệt (Adiabatic Head Curve): click Enter Curve… để

cung cấp một đường đặc tuyến quan hệ giữa năng suất dòng nhập liệu với nhiệt đoạn nhiệt

trong cửa sổ Compressor - Head Performance Curve.

16

-Đường đặc tuyến áp đa biến (Polytropic Head Curve) : click Enter Curve… để cung

cấp một đường đặc tuyến quan hệ giữa năng suất dòng nhập liệu với nhiệt đa biến trong cửa

sổ Compressor - Head Performance Curve.

17

-Đường đặc tuyến áp thực tế (Actual Head Curve) : click Enter Curve… để cung cấp

một đường đặc tuyến quan hệ giữa năng suất dòng nhập liệu với nhiệt thực tế (với hiệu suất

được nhập) trong cửa sổ Compressor - Head Performance Curve.

18

-Hiệu suất hay Nhiệt độ chỉ định (Efficiency or Temperature Specification)

Hiệu suất và nhiệt độ đầu ra chỉ định có thể được chọn tư hộp danh mục rơi trong cửa

sổ thông số chính PRO/II Compressor

Hiệu suất đoạn nhiệt (Adiabatic Efficiency), đôi khi được gọi là hiệu suất đẳng

entropy

Hiệu suất đa biến (Polytropic Efficiency)

Nhiệt độ đầu ra (Outlet Temperature)

19

-Đường đặc tuyến hiệu suất đoạn nhiệt đơn (Single Adiabitic Effciency Curve): click

Enter Curve… để cung cấp một đường đặc tuyến quan hệ giữa năng suất dòng nhập liệu với

hiệu suất đoạn nhiệt trong cửa sổ Compressor - Efficiency Curve.

20

-Đường đặc tuyến hiệu suất đa biến đơn (Single Polytropic Effciency Curve): click

Enter Curve… để cung cấp một đường đặc tuyến quan hệ giữa năng suất dòng nhập liệu với

hiệu suất đa biến trong cửa sổ Compressor - Efficiency Curve.

21

-Đường đặc tuyến hiệu suất đoạn nhiệt đa (Multiple Adiabitic Effciency Curve): click

Enter Curve… để cung cấp những đường đặc tuyến quan hệ giữa năng suất dòng nhập liệu

với hiệu suất đoạn nhiệt ở những áp suất hút (hay nén) khác nhau trong cửa sổ Compressor – Multiple Efficiency Curves, tiếp sau đó là cửa sổ Compressor – Multiple Efficiency Curves Data.

22

-Đường đặc tuyến hiệu suất đa biến đa (Multiple Polytropic Effciency Curve) : click

Enter Curve… để cung cấp những đường đặc tuyến quan hệ giữa năng suất dòng nhập liệu

với hiệu suất đa biến ở những áp suất hút (hay nén) khác nhau trong cửa sổ Compressor Efficiency Curves, tiếp sau đó là cửa sổ Compressor – Multiple Efficiency Curves Data.

23

-Điều chỉnh tốc độ quay của những đường đặc tuyến máy nén

Những đường đặc tuyến cho cột áp, công suất, và năng suất thường được căn cứ ở mộttốc ly tâm cụ thể Do đó, chúng sẽ được điều chỉnh khi máy nén được vận hành ở những tốcđộ khác nhau PRO/II thực hiện những điều chỉnh cho những đường đặc tuyến dựa vàonguyên tắc biến đổi số vòng quay của roto, theo định luật tỉ lệ

3 2

1 2

1

2 2

1 2

1 2

1 2 1

) (

) (

n

n N

N

n

n H

H n

n Q Q

=

=

=

Lưu ý : Muốn thiết lập công suất của máy nén bằng giá trị cho trước, có thể thực hiện như sau

• Chọn thông số Work trong hộp danh muc rơi Pressure, Work, Head Specification.

• Click chọn muc Define ở Toolbar  xuất hiện cửa sổ Definition  click chọn mục Set Up

Definition for Compressor Work  click chọn thông số Parameter được viền đỏ  xuất

hiện cửa sổ Parameter.

24