Giới thiệu dự án

Bối cảnh công nghiệp và thực trạng vận hành

Trong ngành công nghiệp hóa chất và lọc hóa dầu, hệ thống trao đổi nhiệt đóng vai trò then chốt trong việc quản lý và tối ưu hóa năng lượng toàn nhà máy. Tại Việt Nam, Nhà máy Đạm Phú Mỹ (thuộc Tổng công ty Phân bón và Hóa chất Dầu khí - PVFCCo) có tổng vốn đầu tư 370 triệu USD, vận hành từ năm 2004 với công nghệ tổng hợp Amoniac của Haldor Topsoe (Đan Mạch) và công nghệ sản xuất Urê của Snamprogetti (Italy). Công suất thiết kế ban đầu của xưởng Urê đạt 2.200 tấn/ngày (tương đương 740.000 tấn/năm).

Đến năm 2010, dự án thu hồi $\text{CO}_2$ từ khói thải lò hơi đi vào vận hành, bổ sung trực tiếp $\text{CO}_2$ vào cửa hút của máy nén $\text{CO}_2$ (mã hiệu K-1001), nâng phụ tải vận hành của xưởng Urê lên mức 2.450 tấn/ngày (đạt 111,4% công suất thiết kế). Đồng thời, từ năm 2012, giá khí thiên nhiên đầu vào từ PV GAS tăng và thị trường phân bón nội địa đối mặt với áp lực cạnh tranh gay gắt khi tổng nguồn cung vượt ngưỡng 2,34 triệu tấn/năm. Sau 8 năm vận hành liên tục (2004–2012), hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) bắt đầu xuất hiện hiện tượng tích tụ cáu cặn (fouling), làm giảm hệ số truyền nhiệt tổng ($U$), tăng tổn thất áp suất ($\Delta P$) và làm tăng suất tiêu hao các dòng tiện ích phụ trợ (hơi nước 5 cấp áp suất, nước làm mát tuần hoàn).

[Khí thiên nhiên + Không khí] ──> [Xưởng Amoniac (Haldor Topsoe)] ──> NH3 lỏng (1.350 tấn/ngày)
                                                  │                        │
  ┌───────────────────────────────────────────────┘                        ▼
  │                                                            [Xưởng Urê (Snamprogetti)]
  ▼                                                               ├── Cao áp (147 barg)
[Hệ thống thu hồi CO2 lò hơi] ──> CO2 nén (K-1001) ─────────────> ├── Trung áp (19,5 barg)
                                (Tăng tải lên 2.450 tấn/ngày)     ├── Thấp áp (4 barg)
                                                                  └── Cô đặc chân không (0,33 bara)
                                                                           │
                                                                           ▼
                                                                  Urê hạt (99,75% KL)

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi (Problem Statement)

Việc tăng tải lên 111,4% trong bối cảnh các thiết bị đã qua thời gian dài vận hành gây ra các vấn đề kỹ thuật nghiêm trọng:

  • Hiện tượng quá nhiệt và suy giảm diện tích bề mặt truyền nhiệt hiệu dụng do cáu cặn ở các thiết bị phản ứng/phân hủy màng rơi thẳng đứng (Stripper E-1001, Decomposer E-1002A/B, E-1003).
  • Nguy cơ quá tải nhiệt tại các bình ngưng Carbamate cao áp (E-1005A/B) và bình ngưng trung/thấp áp (E-1006, E-1008, E-1009), làm giảm khả năng sinh hơi bão hòa phụ trợ (4,9 barg và 3,4 barg) và tăng lượng khí không ngưng xả bỏ.
  • Thiếu hụt công cụ mô hình hóa định lượng để xác định chính xác tỷ lệ dư thiết kế (% Over-design), hệ số truyền nhiệt thực tế và giới hạn thủy lực của từng thiết bị trong chế độ vận hành cao tải.

Mục tiêu đề tài

  1. Thu thập toàn bộ thông số hình học TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) và thông số vận hành thực tế từ hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System) của 20+ thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ - ống tại xưởng Urê.
  2. Thiết lập mô hình mô phỏng nhiệt động và thủy lực chi tiết bằng phần mềm chuyên dụng HTRI Xchanger Suite v5.0 (module Xist).
  3. Đánh giá định lượng hiệu quả truyền nhiệt, tính toán hệ số cấp nhiệt từng phía ($h_{shell}, h_{tube}$), hệ số truyền nhiệt tổng ($U_{actual}$ so với $U_{design}$), độ sụt áp ($\Delta P$) và biên độ phần trăm tích lũy cáu cặn.
  4. Xác định giới hạn công suất tối đa cho các thiết bị vận hành ổn định và đề xuất giải pháp kỹ thuật, thông số điều khiển tối ưu hóa tiện ích phụ trợ cho các thiết bị quá tải.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

  • Đối tượng: Toàn bộ mạng lưới TBTĐN dạng vỏ - ống (Shell-and-Tube) tại 4 phân khu chính: Cụm tổng hợp cao áp (147–160 barg), Cụm phân giải - thu hồi trung áp (19,5 barg), Cụm phân giải - thu hồi thấp áp (4 barg), và Cụm cô đặc chân không - Xử lý nước công nghệ (WWT).
  • Giới hạn: Nghiên cứu không can thiệp sâu vào các thiết bị dạng tấm (E-1016, E-1017, E-1024) hay thiết bị dạng xoắn/ống lồng, tập trung vào chế độ vận hành tĩnh tại điểm làm việc tải cao ổn định của nhà máy.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Hiện nay, việc đánh giá thiết bị trao đổi nhiệt công nghiệp thường áp dụng các phương pháp với ưu/nhược điểm như sau:

Phương pháp đánh giá Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá độ chính xác
Tính toán giải tích thủ công (LMTD, Bell-Delaware đơn giản hóa) Không phụ thuộc phần mềm bản quyền; tính toán nhanh các chu trình đơn giản. Bỏ qua biến thiên tính chất hóa lý cục bộ theo nhiệt độ/áp suất; không mô phỏng được dòng 2 pha phức tạp ($\text{NH}_3\text{-CO}_2\text{-H}_2\text{O}$). Sai số $U$: $\pm 25 - 35%$
Phần mềm đa năng (Aspen Plus, HYSYS tích hợp) Mô phỏng tốt cân bằng pha nhiệt động tổng thể của toàn bộ quy trình công nghệ. Khối tính toán hình học chi tiết của TBTĐN bị giới hạn; mô hình thủy lực qua tấm chắn (baffle) kém chi tiết. Sai số $U$: $\pm 15 - 20%$
Phần mềm chuyên sâu HTRI (Xchanger Suite - Module Xist) Phân tích vi phân từng đoạn (zone-by-zone); tích hợp ngân hàng dữ liệu thực nghiệm chuẩn TEMA; tính chính xác dòng đổi pha, màng rơi. Đòi hỏi dữ liệu hình học chi tiết chính xác (kích thước nozzle, bước ống pitch, khe hở baffle-to-shell). Sai số $U$: $<\pm 5%$

Yêu cầu chức năng theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Mô phỏng chính xác cấu trúc hình học thực tế của 20+ thiết bị trao đổi nhiệt vỏ - ống; xác định thông lượng nhiệt ($Q$), hệ số truyền nhiệt yêu cầu ($U_{required}$) và thực tế ($U_{actual}$), diện tích truyền nhiệt hiệu dụng và % Over-design.
  • Should have (Nên có): Dự báo độ sụt áp thực tế từng phía ($\Delta P_{shell}, \Delta P_{tube}$) để kiểm tra nguy cơ rung chùm ống và xói mòn cơ học khi chạy vượt tải 111,4%.
  • Could have (Có thể mở rộng): Tính toán thông số vận hành biên (tải tối đa cho phép) khi tăng tải nguồn nguyên liệu Amoniac và $\text{CO}_2$.
  • Won't have (Không thực hiện): Tái cấu trúc cơ khí hoặc thay đổi kích thước vật lý của vỏ thiết bị trên dây chuyền đang hoạt động.

Thiết kế hệ thống mô phỏng và kiến trúc dữ liệu

Quy trình đánh giá hiệu quả truyền nhiệt được tích hợp từ dữ liệu vận hành DCS vào môi trường tính toán số HTRI:

flowchart TD
    A["DCS Yokogawa Centum CS3000<br>(P, T, Lưu lượng, Thành phần dòng)"] --> B["Chuẩn hóa dữ liệu nhiệt động<br>(PVT Data & Flash Calculation)"]
    C["Bản vẽ cơ khí TEMA & Sheet chế tạo<br>(Đường kính vỏ, Kích thước ống, Pitch, Baffle)"] --> D["Khởi tạo mô hình HTRI Xist"]
    B --> D
    D --> E{"Lựa chọn chế độ<br>HTRI Xist"}
    E -->|"Chế độ Rating"| F["Đánh giá thiết bị hiện hữu<br>(Uactual vs Urequired, % Overdesign)"]
    E -->|"Chế độ Simulation"| G["Dự báo nhiệt độ đầu ra<br>và Thông lượng pha"]
    F --> H["Phân tích suy giảm do Cáu cặn<br>& Nghẽn thủy lực"]
    G --> H
    H --> I["Đề xuất giải pháp công nghệ<br>& Tối ưu hóa tiện ích phụ trợ"]

Cơ sở lý thuyết và thuật toán truyền nhiệt trong HTRI

Thuật toán phân tích của HTRI Module Xist tính toán truyền nhiệt dựa trên phương pháp tích phân vi phân dọc theo chiều dài ống và từng khoang chắn:

$$\text{Tải nhiệt trao đổi: } Q = \dot{m}h \cdot (H{h,in} - H_{h,out}) = \dot{m}c \cdot (H{c,out} - H_{c,in})$$

Phương trình truyền nhiệt tổng quát:

$$Q = U_{actual} \cdot A \cdot \text{LMTD} \cdot F_t$$

Trong đó:

  • $\text{LMTD} = \frac{\Delta T_1 - \Delta T_2}{\ln(\Delta T_1 / \Delta T_2)}$ là độ chênh lệch nhiệt độ logarit trung bình.
  • $F_t$ là hệ số hiệu chỉnh hình học phụ thuộc vào số pass của vỏ và ống.
  • Hệ số truyền nhiệt tổng $U_{actual}$ được xác định từ phương trình trở lực truyền nhiệt:

$$\frac{1}{U_{actual}} = \frac{1}{h_i} \cdot \frac{d_o}{d_i} + R_{fi} \cdot \frac{d_o}{d_i} + \frac{d_o \cdot \ln(d_o/d_i)}{2 \cdot k_{wall}} + R_{fo} + \frac{1}{h_o}$$

Chỉ số phần trăm diện tích dư (% Over-design):

$$% \text{ Over-design} = \left( \frac{A_{actual} - A_{required}}{A_{required}} \right) \times 100% = \left( \frac{U_{actual} - U_{required}}{U_{required}} \right) \times 100%$$

Nếu $% \text{ Over-design} < 0%$, thiết bị rơi vào trạng thái quá tải nhiệt (không đạt thông số công nghệ yêu cầu).

Implementation và kết quả

Quy trình thiết lập mô hình trên HTRI Xist

Quá trình mô phỏng được chuẩn hóa qua 4 bước cấu hình dữ liệu vào phần mềm HTRI:

# Cấu trúc tham số cấu hình mô phỏng thiết bị Stripper E-1001 trên HTRI Engine (Mô phỏng mẫu)
htri_config_E1001 = {
    "Exchanger_Type": "TEMA BEM Vertical Falling Film",
    "Shell_Side": {
        "Fluid": "Medium Pressure Saturated Steam (MSS)",
        "Inlet_Pressure_barg": 21.8,
        "Inlet_Temperature_C": 219.0,
        "Heat_Duty_MW": 38.45,
        "Shell_Diameter_mm": 1800,
        "Baffle_Type": "Single Segmental",
        "Baffle_Cut_Percent": 25.0
    },
    "Tube_Side": {
        "Fluid": "Urea-Carbamate Solution + Liquid NH3/CO2",
        "Operating_Pressure_barg": 147.0,
        "Inlet_Temperature_C": 188.0,
        "Outlet_Temperature_C": 205.0,
        "Tube_Count": 2850,
        "Tube_OD_mm": 25.0,
        "Tube_Wall_Thickness_mm": 2.5,
        "Tube_Length_mm": 6000,
        "Tube_Material": "25-22-2 Cr-Ni-Mo Stainless Steel (2RE69)",
        "Tube_Layout_Pattern": "Triangular 30 deg",
        "Liquid_Distributor": "Ferrules with calibrated metering holes"
    }
}

       Mặt cắt phân bố dòng trong thiết bị Stripper E-1001
       ┌───────────────────────────────────────────────┐
       │ Dung dịch Urê + Carbamate vào đỉnh (147 barg)  │
       └───────────────────────┬───────────────────────┘
                               │
               ┌───────────────▼───────────────┐
               │    Hệ thống phân phối Ferrule │
               └───────┬───────────────┬───────┘
                       │ (Dòng màng    │ (Dòng màng
                       │  rơi lỏng)    │  rơi lỏng)
     Hơi MSS vào       ▼               ▼
     (21,8 barg)  ┌─────────┐   ┌─────────┐
     ────────────>│  Ống 1  │   │  Ống 2  │ ───> Khí NH3 + CO2
                  │ 2RE69   │   │ 2RE69   │      bốc hơi lên đỉnh
                  │         │   │         │
                  └────┬────┘   └────┬────┘
                       │             │
                       ▼             ▼
       ┌───────────────────────────────────────────────┐
       │ Dung dịch Urê đáy stripper (hàm lượng CO2 giảm)│
       └───────────────────────────────────────────────┘

Kết quả tính toán nhiệt động và hiệu năng thiết bị

Sau khi nạp toàn bộ số liệu vận hành tải 2.450 tấn/ngày từ DCS vào HTRI Xist, các chỉ số vận hành được tổng hợp đối sánh:

Mã thiết bị Chức năng công nghệ Nhiệt tải $Q$ (kW) $U_{actual}$ ($\text{W/m}^2\text{K}$) $U_{required}$ ($\text{W/m}^2\text{K}$) $\Delta P_{shell}$ (bar) $\Delta P_{tube}$ (bar) % Over-design kết luận
E-1001 Stripper cao áp 38.450 1.420 1.385 0,08 0,12 +2,5% (Tới hạn)
E-1002A Phân giải trung áp (Top) 8.920 1.150 1.280 0,05 0,08 -10,2% (Quá tải)
E-1002B Phân giải trung áp (Bottom) 5.340 980 910 0,03 0,06 +7,7% (Ổn định)
E-1003 Phân giải thấp áp 11.200 1.050 1.180 0,04 0,07 -11,0% (Quá tải)
E-1004 Tiền cô đặc chân không 14.600 1.320 1.120 0,11 0,04 +17,8% (Tốt)
E-1005A Ngưng tụ Carbamate 1 24.800 1.650 1.590 0,06 0,15 +3,8% (Đạt)
E-1005B Ngưng tụ Carbamate 2 18.200 1.480 1.410 0,05 0,13 +5,0% (Đạt)
E-1006 Ngưng tụ trung áp 16.700 890 945 0,18 0,09 -5,8% (Thiếu nhiệt)
E-1007 Tiền gia nhiệt $\text{NH}_3$ cao áp 6.450 1.210 1.080 0,07 0,11 +12,0% (Tốt)
E-1008 Ngưng tụ thấp áp 9.850 820 760 0,14 0,08 +7,9% (Đạt)
E-1014 Cô đặc chân không cấp 1 7.600 780 720 0,02 0,05 +8,3% (Đạt)
E-1015 Cô đặc chân không cấp 2 4.100 650 695 0,02 0,04 -6,5% (Quá tải nhẹ)

Phân tích chi tiết các thiết bị quá tải trọng điểm

  1. Thiết bị phân giải E-1002A và E-1003:
    • Hiện tượng: Giá trị Over-design âm (-10,2% và -11,0%), dung dịch Urê ra khỏi đáy có nồng độ carbamate còn dư cao hơn thiết kế, gây dồn tải cho các cụm phía sau.
    • Nguyên nhân: Bề mặt truyền nhiệt dạng màng rơi bị bám cặn cacbonat/biuret sau 8 năm, kết hợp với lưu lượng lỏng tăng 11,4% làm màng chất lỏng chảy qua ferrule bị dày lên, giảm cục bộ hệ số truyền nhiệt đối lưu $h_{tube}$.
  2. Thiết bị ngưng tụ trung áp E-1006:
    • Hiện tượng: % Over-design đạt -5,8%, nhiệt độ hỗn hợp khí - lỏng ra khỏi thiết bị cao hơn tiêu chuẩn công nghệ 4°C.
    • Nguyên nhân: Nước làm mát tuần hoàn cấp vào phía vỏ có cặn sinh học và cặn bùn, làm tăng hệ số bám bẩn $R_{fo}$ từ $0,0002$ lên $0,00045 \text{ m}^2\text{K/W}$.

Đổi mới và đóng góp

Đổi mới kỹ thuật và phương pháp luận

  • Ứng dụng mô phỏng vi phân HTRI Xist trên hệ đa cấu tử phức hợp: Thiết lập thành công mô hình tương tác nhiệt động cho hệ 5 cấu tử $\text{NH}_3 - \text{CO}_2 - \text{H}_2\text{O} - \text{Urea} - \text{Ammonium Carbamate}$ ở dải áp suất siêu cao (đến 160 bar) và chân không sâu (0,33 bara), vượt qua hạn chế của phương pháp tính trung bình tích phân truyền thống.
  • Xác lập tiêu chí chẩn đoán cáu cặn thực tế không xâm lấn: Kết hợp dữ liệu đo trực tuyến từ DCS với giải thuật tính toán ngược của HTRI để trích xuất hệ số cáu cặn thực tế ($R_f$) theo thời gian thực mà không cần dừng máy tháo dỡ thiết bị.
So sánh hệ số truyền nhiệt tổng U (W/m²K) giữa các phương pháp
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ E-1001 (Stripper cao áp)                                    │
│   Thiết kế gốc (Snamprogetti)   : 1.550 ████████████████    │
│   Tính tay (LMTD giản lược)     : 1.720 ██████████████████  │
│   HTRI Xist (Thực tế vận hành)  : 1.420 ██████████████      │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ E-1005A (Ngưng tụ Carbamate 1)                              │
│   Thiết kế gốc (Snamprogetti)   : 1.780 ██████████████████  │
│   Tính tay (LMTD giản lược)     : 1.950 ████████████████████│
│   HTRI Xist (Thực tế vận hành)  : 1.650 █████████████████   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

Đóng góp cho ngành công nghiệp hóa chất

  • Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu số hóa toàn diện gồm 20+ bảng đặc tính kỹ thuật cơ khí, thông số thủy lực và nhiệt động học cho toàn bộ hệ thống trao đổi nhiệt xưởng Urê Đạm Phú Mỹ.
  • Cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa việc phân bổ mạng hơi phụ trợ: tận dụng nhiệt ngưng tụ carbamate tại E-1005A/B để tự sản xuất hơi 4,9 barg và 3,4 barg, cắt giảm phụ tải cấp từ lò hơi trung tâm.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Giải pháp kỹ thuật vận hành và bảo dưỡng (Turnaround)

Dựa trên kết quả mô phỏng HTRI, các giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất và áp dụng vào kế hoạch đại tu (Turnaround):

  1. Hiệu chỉnh phân bố dòng màng rơi tại E-1001 và E-1002A:
    • Thực hiện kiểm tra, làm sạch cơ học và cân chỉnh độ đồng tâm của hệ thống đầu phân phối ferrule bằng phương pháp đo lưu lượng quang học trong kỳ bảo dưỡng.
    • Nâng áp suất hơi bão hòa trung áp (MSS) cấp vào vỏ E-1001 từ 21,5 lên 21,8 barg nhằm bù đắp lượng nhiệt tổn thất do cáu cặn, duy trì độ chuyển hóa carbamate đáy tháp $>58%$.
  2. Quy trình tẩy rửa hóa chất định kỳ cho E-1006 và E-1008:
    • Áp dụng dung dịch tẩy rửa ức chế ăn mòn hữu cơ chuyên dụng để làm sạch phía vỏ của các bình ngưng sử dụng nước làm mát, đưa hệ số bám bẩn $R_{fo}$ về mức thiết kế ban đầu ($<0,0002 \text{ m}^2\text{K/W}$).
          Kế hoạch triển khai tối ưu hóa hệ thống TBTĐN
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Tháng 1-3: Thu thập số liệu DCS & Xây dựng mô hình HTRI Xist    │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Tháng 4-6: Chạy kiểm chuẩn Rating/Simulation & Phân tích quá tải │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Tháng 7-9: Triển khai cân chỉnh Ferrule & Tẩy rửa cáu cặn TA     │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Tháng 10+: Vận hành tải 2.450 tấn/ngày & Kiểm toán năng lượng    │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Phân tích hiệu quả kinh tế (Cost-Benefit & ROI)

  • Tiết kiệm năng lượng: Việc tối ưu hóa chế độ trao đổi nhiệt tại các cụm thu hồi giúp giảm tiêu hao hơi bão hòa $4,9 \text{ barg}$ khoảng $1,8 \text{ tấn/giờ}$ và giảm tiêu thụ nước làm mát tuần hoàn $120 \text{ m}^3\text{/giờ}$.
  • Lợi ích kinh tế: Tiết kiệm chi phí nhiên liệu khí đốt lò hơi tương đương $14,5 \text{ tỷ VNĐ/năm}$.
  • Thời gian hoàn vốn (ROI): Chi phí bản quyền phần mềm và nghiên cứu được bù đắp hoàn toàn trong vòng dưới 3,5 tháng vận hành liên tục.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Mô hình HTRI Xist tại thời điểm nghiên cứu là mô hình trạng thái tĩnh (steady-state), chưa phản ánh tức thời các dao động áp suất và nhiệt độ trong quá trình chuyển tiếp (transient states) khi khởi động hoặc dừng máy khẩn cấp.
  • Thiếu các phương trình nhiệt động phi lý tưởng cục bộ cho trường hợp hình thành phức chất rắn biuret ở nồng độ urê $>99%$ trong các bộ cô đặc chân không cuối E-1015.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Tích hợp trực tiếp engine tính toán của HTRI với hệ thống quản trị dữ liệu DCS thời gian thực (Real-time Online Performance Monitoring).
  • Mở rộng mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) 3D cho các đầu phân phối ferrule và khoang chuyển hướng dòng để tối ưu hóa hình học buồng phân phối lỏng.

Đối tượng hưởng lợi

                           HỆ SINH THÁI HƯỞNG LỢI
                                     │
    ┌────────────────┬───────────────┴───────────────┬────────────────┐
    ▼                ▼                               ▼                ▼
[Sinh viên]    [Kỹ sư vận hành]             [Nhà máy sản xuất]   [Nhà nghiên cứu]
 - Tài liệu      - Nắm vững điểm tới hạn      - Tiết kiệm 14,5    - Dữ liệu đối sánh
   mô phỏng        nhiệt của thiết bị           tỷ VNĐ/năm          cho hệ nhiệt động
   HTRI thực tế  - Quy trình xử lý sự cố      - Vận hành an toàn    Urê-Carbamate
                   quá tải chính xác            111,4% công suất
  • Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Hóa học / Lọc hóa dầu: Tiếp cận tài liệu chuyên khảo về phương pháp tính toán, thiết kế và kiểm tra thiết bị trao đổi nhiệt công nghiệp bằng phần mềm chuẩn TEMA/HTRI.
  • Kỹ sư vận hành và công nghệ: Nắm bắt chính xác các giới hạn biên nhiệt độ/áp suất của từng TBTĐN trong dây chuyền sản xuất phân đạm, phục vụ công tác điều chỉnh thông số trên màn hình DCS.
  • Doanh nghiệp và Nhà máy sản xuất: Giảm suất tiêu hao năng lượng riêng trên mỗi tấn Urê thành phẩm, kéo dài chu kỳ bảo dưỡng thiết bị và nâng cao năng lực cạnh tranh thị trường.
  • Nhà nghiên cứu chuyên ngành truyền nhiệt: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn về quá trình phân hủy - bay hơi màng rơi trong môi trường ăn mòn cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng và phần mềm để triển khai mô phỏng HTRI là gì?

Hệ thống yêu cầu máy trạm chạy hệ điều hành Windows 7/10/11 (64-bit), tối thiểu 8GB RAM, cài đặt bộ phần mềm HTRI Xchanger Suite (từ phiên bản 5.0 hoặc các bản SP mới hơn) kèm phân hệ module Xist. Dữ liệu đầu vào cần có bản vẽ cơ khí chế tạo TEMA (kích thước vỏ, số lượng/chiều dài/bước ống, chi tiết baffle, nozzle) và bảng cân bằng vật chất - năng lượng lấy từ DCS.

2. Khi thiết bị có % Over-design âm (như E-1002A, E-1003), xử lý thế nào mà không cần thay mới?

Khi % Over-design âm từ $-5%$ đến $-15%$, các giải pháp công nghệ ưu tiên gồm: (1) Tăng nhẹ nhiệt độ dòng mang nhiệt phía vỏ trong giới hạn an toàn áp suất vật liệu; (2) Tẩy rửa hóa chất loại bỏ cáu cặn bề mặt ống; (3) Kiểm tra và thay thế các ferrule bị mòn hoặc tắc nghẽn để phân bố đều màng lỏng; (4) Điều chỉnh hồi lưu để giảm tải cục bộ.

3. Làm thế nào để tích hợp dữ liệu từ DCS Yokogawa vào phần mềm HTRI?

Dữ liệu áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và thành phần được trích xuất từ DCS thông qua giao thức OPC (OLE for Process Control) hoặc file lịch sử vận hành (Data Historian). Các giá trị trung bình ổn định được nạp vào bảng Process Data của HTRI Xist để thực hiện bài toán Rating/Simulation.

4. Chi phí bảo dưỡng và tẩy rửa định kỳ TBTĐN xưởng Urê chiếm bao nhiêu?

Chi phí làm sạch cơ học và thụ động hóa bề mặt bằng hóa chất chuyên dụng trong mỗi kỳ đại tu (Turnaround định kỳ 2 năm/lần) chiếm khoảng $2 - 4%$ tổng ngân sách bảo dưỡng toàn xưởng, nhưng giúp phục hồi $8 - 12%$ hiệu suất truyền nhiệt tổng, ngăn ngừa nguy cơ ăn mòn cục bộ thép không gỉ 2RE69.

5. Khả năng mở rộng công suất của xưởng Urê khi tiếp tục tăng tải trên 115%?

Theo kết quả mô phỏng, nếu tăng tải vượt $115%$ (tương đương $>2.530 \text{ tấn/ngày}$), các thiết bị E-1001 (Stripper cao áp) và E-1005A (Ngưng tụ Carbamate 1) sẽ vượt ngưỡng giới hạn nhiệt và vận tốc dòng trong ống sẽ vượt mức cho phép, gây nguy cơ phá hủy màng oxit thụ động bảo vệ ống. Khi đó, bắt buộc phải đầu tư thêm thiết bị phân giải sơ bộ song song hoặc nâng cấp bó ống truyền nhiệt.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán đánh giá định lượng hiệu quả truyền nhiệt của hệ thống 20+ thiết bị trao đổi nhiệt vỏ - ống tại xưởng Urê - Nhà máy Đạm Phú Mỹ trong điều kiện vận hành tăng tải 111,4% công suất thiết kế bằng phần mềm HTRI Xchanger Suite v5.0. Kết quả mô phỏng đã xác định chính xác các điểm nghẽn nhiệt tại các thiết bị phân giải E-1002A, E-1003 và bình ngưng E-1006, đồng thời khẳng định năng lực đáp ứng tốt của cụm tiền cô đặc chân không E-1004 và gia nhiệt $\text{NH}_3$ E-1007.

Việc ứng dụng phương pháp mô phỏng số chuyên sâu không chỉ giúp nhà máy tiết kiệm hàng chục tỷ đồng chi phí năng lượng phụ trợ mỗi năm mà còn tạo tiền đề vững chắc cho việc xây dựng chiến lược bảo dưỡng chẩn đoán đón đầu, nâng cao tuổi thọ thiết bị và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế trong toàn bộ chu trình sản xuất hóa dầu.