Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh chi phí nguyên liệu hóa thạch không ngừng biến động và áp lực giảm phát thải khí nhà kính ngày càng gia tăng, mức tiêu hao năng lượng bình quân trên một đơn vị sản phẩm tại Việt Nam vẫn đang cao gấp 5 đến 6 lần so với các quốc gia phát triển trong khu vực và trên thế giới. Ngành công nghiệp lọc hóa dầu đóng vai trò xương sống của nền kinh tế quốc gia, điển hình như Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam hằng năm cung cấp gần 35 tỷ mét khối khí khô, bảo đảm 40% sản lượng điện và đáp ứng 35% đến 40% nhu cầu phân đạm Urea cho toàn bộ nền nông nghiệp trong nước. Tuy nhiên, cường độ tiêu thụ nhiệt năng khổng lồ tại các tổ hợp nhà máy hóa chất đòi hỏi phải có những giải pháp kỹ thuật mang tính đột phá nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng hiện có.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là các cụm công nghệ quy mô lớn như phân xưởng sản xuất Ammonia và Urea tại Nhà máy Đạm Phú Mỹ (hoạt động từ tháng 9 năm 2004 với công suất thiết kế 740.000 tấn Urea/năm) vốn được thiết kế bởi các tập đoàn quốc tế độc lập. Sự phân tách này dẫn đến tình trạng tối ưu hóa mang tính cục bộ giữa các phân xưởng, làm tồn đọng nhiều dòng nhiệt thải chưa được thu hồi triệt để và gia tăng đáng kể phụ tải gia nhiệt lẫn giải nhiệt bên ngoài.

Mục tiêu cụ thể của công trình là ứng dụng kỹ thuật phân tích Pinch nhằm đánh giá toàn diện mạng lưới nhiệt của phân xưởng Ammonia, phát hiện các điểm sai lệch nhiệt động lực học trong thiết kế nguyên bản, từ đó đề xuất phương án cải tiến kỹ thuật giúp cắt giảm tới 46,3% tổng năng lượng tiêu thụ phụ trợ của hệ thống. Nghiên cứu được thực hiện chuyên sâu tại Nhà máy Đạm Phú Mỹ, Khu công nghiệp Phú Mỹ 1, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu trong giai đoạn từ tháng 8 năm 2019 đến tháng 8 năm 2020. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật thiết thực, giúp doanh nghiệp tiết kiệm hàng triệu USD chi phí vận hành và đóng góp tích cực vào Chương trình quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Công trình vận dụng nền tảng kỹ thuật phân tích Pinch (Pinch Analysis) được khởi xướng bởi B. Linnhoff vào năm 1979, xây dựng vững chắc trên nguyên lý Định luật II Nhiệt động lực học. Trọng tâm của lý thuyết là xác định mục tiêu năng lượng tối thiểu (Energy Targets) mà một quy trình công nghệ có thể đạt được trước khi tiến hành thiết kế hoặc cải tạo chi tiết mạng lưới trao đổi nhiệt.

Mô hình nghiên cứu vận hành dựa trên các khái niệm cốt lõi:

  • Dòng nóng (Hot Stream): Dòng công nghệ cần được giải nhiệt, giảm nhiệt độ hoặc ngưng tụ.
  • Dòng lạnh (Cold Stream): Dòng công nghệ cần được cung cấp nhiệt để tăng nhiệt độ hoặc hóa hơi.
  • Đường cong nhiệt tổ hợp (Composite Curves): Đồ thị tích hợp biểu diễn quan hệ giữa hàm nhiệt Enthalpy và nhiệt độ của toàn bộ các dòng nóng và dòng lạnh trong hệ thống.
  • Đường cong nhiệt tổng (Grand Composite Curve): Đồ thị biểu diễn cường độ dòng nhiệt dịch chuyển qua các khoảng nhiệt độ giả, phản ánh trực quan sự cân bằng giữa nguồn cấp nhiệt và nơi nhận nhiệt.
  • Điểm Pinch và độ chênh lệch nhiệt độ tối thiểu: Điểm thắt nhiệt động chia toàn bộ mạng lưới thành hai vùng độc lập, vùng trên Pinch (vùng nhận nhiệt thuần túy) và vùng dưới Pinch (vùng cấp nhiệt thuần túy).

Nguyên tắc bất biến của kỹ thuật Pinch quy định: không truyền nhiệt xuyên qua điểm Pinch, không cấp nguồn nhiệt nóng phụ trợ ở vùng dưới Pinch, và không sử dụng nguồn làm mát ngoài ở vùng trên Pinch. Việc tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc này là chìa khóa để đạt hiệu quả thu hồi nhiệt tối đa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được trích xuất trực tiếp từ hồ sơ thiết kế công nghệ gốc P&ID, tài liệu vận hành và bảng cân bằng vật chất - năng lượng của Nhà máy Đạm Phú Mỹ. Dữ liệu bao trùm toàn bộ các cụm công nghệ chính của phân xưởng Ammonia như cụm Reforming sơ cấp và thứ cấp (nhiệt độ vận hành từ 535°C đến trên 958°C), tháp chuyển hóa CO, tháp tổng hợp Ammonia ở áp suất 137 bar, cùng trạm phụ trợ với hệ thống nước làm mát tuần hoàn công suất 36.000 mét khối/giờ và máy phát điện tuabin khí 21 MWh.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 10 dòng nhiệt công nghệ trọng yếu có biến thiên Enthalpy lớn, quyết định trực tiếp đến chu trình phản ứng và làm lạnh phân tầng xuống -5°C. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu định lượng kỹ thuật toàn diện, loại bỏ các dòng nhiệt cục bộ có quy mô quá nhỏ để tập trung vào các dòng trao đổi nhiệt mang tính chiến lược của dây chuyền.

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích đại số thông qua thuật toán bảng tính Problem Table kết hợp cùng các công cụ mô phỏng nhiệt động chuyên dụng là phần mềm Hint và bộ công cụ Aspen Energy Analyzer trong môi trường HYSYS. Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp này là nhằm loại bỏ hoàn toàn các sai số chủ quan khi tính toán thủ công trên hệ thống có nhiều dòng nhiệt phức tạp, đồng thời mô phỏng chính xác các đặc tính nhiệt động lực học thực tế của dòng khí tổng hợp và dung dịch hóa chất. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu, xây dựng mô hình và đánh giá kinh tế kỹ thuật được hoàn thành trong chu kỳ 12 tháng liên tục.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích chuyên sâu mạng lưới nhiệt hiện hữu bằng kỹ thuật Pinch đã chỉ ra những phát hiện then chốt sau:

Thứ nhất, việc xác lập giá trị chênh lệch nhiệt độ tối thiểu ở mức 10°C đã định vị chính xác điểm Pinch của phân xưởng Ammonia tại giá trị nhiệt độ thực tế là 90°C đối với dòng nhiệt nóng và 80°C đối với dòng nhiệt lạnh (tương ứng với nhiệt độ giả 85°C trên sơ đồ tính toán).

Thứ hai, nghiên cứu phát hiện mạng lưới trao đổi nhiệt nguyên bản của nhà máy đang mắc phải 3 lỗi vi phạm nhiệt động lực học nghiêm trọng: tồn tại các bộ trao đổi nhiệt truyền nhiệt băng qua điểm Pinch, sử dụng nguồn nhiệt làm mát phụ trợ cho các dòng nóng nằm trên điểm Pinch (vùng cần nhận nhiệt), và cung cấp nguồn nhiệt gia nhiệt phụ trợ cho các dòng lạnh nằm dưới điểm Pinch (vùng cần giải nhiệt).

Thứ ba, sau khi tiến hành sửa lỗi cấu trúc mạng lưới và thiết kế bổ sung 10 thiết bị trao đổi nhiệt mới (được đánh số thứ tự từ E1 đến E10), toàn bộ các dòng nhiệt thừa đã được thu hồi và ghép cặp tối ưu, giúp giảm tới 46,3% tổng năng lượng tiêu thụ phụ trợ cho toàn phân xưởng.

Thứ tư, phương án thiết kế mới đã tận dụng tối đa nhiệt lượng tỏa ra từ phản ứng tổng hợp Ammonia ở nhiệt độ 360°C đến 485°C để gia nhiệt sơ bộ cho các dòng nạp liệu và sản xuất hơi cao áp, cắt giảm tải vận hành cho tháp giải nhiệt tuần hoàn hơn 30% và giảm mạnh lượng phát thải khí carbonic ra môi trường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự lãng phí năng lượng trong thiết kế ban đầu là do dây chuyền sản xuất được hợp thành từ các công nghệ bản quyền khác nhau: công nghệ tổng hợp Ammonia của Haldor Topsoe (Đan Mạch), công nghệ tổng hợp Urea của Snamprogetti (Ý) và công nghệ thu hồi khí thải của Mitsubishi (Nhật Bản). Mỗi nhà thầu chỉ tối ưu hóa trong phạm vi cục bộ của từng phân xưởng mà không có sự liên kết nhiệt tổng thể trên toàn nhà máy.

Khi so sánh với các nghiên cứu tương tự trong ngành dầu khí, mức tiết kiệm 46,3% năng lượng đạt được trong công trình này vượt trội hơn đáng kể so với mức giảm 10% năng lượng lò đốt tại phân xưởng chưng cất thô CDU của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất hay mức tiết kiệm 15,37% dòng gia nhiệt tại các nhà máy hóa chất tổng hợp Vinyl Chloride quốc tế. Điều này chứng minh tiềm năng thu hồi nhiệt trong các nhà máy sản xuất phân đạm tại Việt Nam là vô cùng lớn nếu áp dụng đúng phương pháp luận.

Về phương diện biểu diễn khoa học, toàn bộ hệ thống dữ liệu phức tạp của công trình được trực quan hóa thông qua hệ thống bảng cân bằng nhiệt lượng Problem Table, biểu đồ phân bố dòng nhiệt Cascade nhiều bậc và sơ đồ đường cong nhiệt tổng (Grand Composite Curve). Cách biểu diễn đồ họa này giúp tách biệt rõ ràng ranh giới giữa vùng cấp nhiệt (Heat Source) và vùng nhận nhiệt (Heat Sink), cho phép các kỹ sư vận hành dễ dàng nhận diện vị trí cần đặt các thiết bị trao đổi nhiệt mà không gây xáo trộn quy trình công nghệ cốt lõi.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán nhiệt động và phân tích hiệu quả kinh tế, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật mang tính hành động cao:

Thứ nhất, tiến hành lắp đặt bổ sung hệ thống 10 thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ ống thẳng đứng (từ E1 đến E10) với diện tích bề mặt truyền nhiệt được tối ưu hóa, nhằm tăng cường khả năng thu hồi nhiệt thải từ dòng khí công nghệ sau phản ứng Reforming và chu trình tổng hợp Ammonia. Mục tiêu là nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt thêm khoảng 35% trong vòng 12 đến 18 tháng, do Ban Quản lý Kỹ thuật Nhà máy Đạm Phú Mỹ trực tiếp làm chủ đầu tư và giám sát thi công.

Thứ hai, thực hiện tái cấu trúc triệt để sơ đồ mạng lưới đường ống công nghệ, phân tách rõ ràng hai vùng trên Pinch và dưới Pinch. Tuyệt đối loại bỏ các tuyến đường ống sử dụng nước làm mát cưỡng bức cho các dòng nóng có nhiệt độ trên 90°C, hướng tới mục tiêu giảm 40% phụ tải nhiệt cho hệ thống nước làm mát tuần hoàn 36.000 mét khối/giờ trong giai đoạn 2021-2022.

Thứ ba, tích hợp thuật toán phân tích Pinch và công cụ giám sát năng lượng trực tuyến vào hệ thống điều khiển phân tán DCS của nhà máy. Giải pháp này giúp các kỹ sư vận hành theo dõi trực tiếp độ chênh lệch nhiệt độ thực tế theo thời gian thực, ngăn ngừa hiện tượng suy giảm hiệu suất truyền nhiệt do cáu cặn bề mặt, hoàn thành triển khai trong vòng 6 tháng bởi Phòng Vận hành và Tự động hóa.

Thứ tư, áp dụng lộ trình phân kỳ đầu tư theo 3 giai đoạn độc lập nhằm tối ưu hóa dòng tiền và bảo đảm tiến độ sản xuất liên tục của nhà máy. Với tổng chi phí mua sắm và lắp đặt thiết bị mới được tính toán chi tiết, mục tiêu rút ngắn thời gian hoàn vốn đầu tư của toàn bộ dự án xuống mức 2,5 đến 3,5 năm dưới sự phê duyệt của Hội đồng Quản trị Tổng công ty Phân bón và Hóa chất Dầu khí (PVFCCo).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật phong phú cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

  1. Đội ngũ kỹ sư công nghệ và chuyên gia vận hành tại các nhà máy đạm, hóa chất và lọc dầu: Cung cấp cẩm nang chi tiết về cách rà soát các điểm nghẽn nhiệt động học, sửa lỗi mạng lưới nhiệt hiện hữu và vận hành tối ưu các cụm thiết bị trao đổi nhiệt công suất lớn.

  2. Các đơn vị tư vấn thiết kế và viện nghiên cứu chuyên ngành nhiệt - hóa: Sử dụng làm tài liệu tham khảo điển hình về quy trình ứng dụng phần mềm Hint và Aspen Energy Analyzer để tích hợp năng lượng cho các dự án xây dựng mới, giúp cắt giảm vốn đầu tư và chi phí vận hành ngay từ khâu thiết kế cơ sở.

  3. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên các ngành Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Năng lượng và Công nghệ Hóa học: Nguồn tài liệu học thuật mẫu mực kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết nhiệt động lực học nâng cao, thuật toán bảng tính Problem Table và bài toán giải quyết thực tế tại doanh nghiệp quy mô lớn.

  4. Cán bộ quản lý năng lượng và lãnh đạo doanh nghiệp sản xuất công nghiệp: Định hình phương pháp luận khoa học để xây dựng kế hoạch kiểm toán năng lượng, tối ưu hóa chi phí sản xuất và hiện thực hóa mục tiêu giảm phát thải carbon theo cam kết bảo vệ môi trường quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

Kỹ thuật Pinch mang lại lợi ích gì vượt trội so với các phương pháp tối ưu hóa năng lượng truyền thống? Kỹ thuật Pinch dựa trên nền tảng Định luật II Nhiệt động học, cho phép xác định chính xác mục tiêu tiêu thụ năng lượng tối thiểu tuyệt đối trước khi bắt tay vào thiết kế mạng lưới. Thay vì phương pháp thử - sai cục bộ vốn chỉ tiết kiệm được khoảng 5% đến 10%, kỹ thuật Pinch xử lý toàn diện mọi dòng nhiệt, giúp phân xưởng Ammonia cắt giảm tới 46,3% năng lượng tiêu thụ phụ trợ.

Việc lựa chọn giá trị độ chênh lệch nhiệt độ tối thiểu bằng 10°C có ý nghĩa như thế nào đối với bài toán kinh tế? Giá trị chênh lệch nhiệt độ tối thiểu 10°C là điểm cân bằng hoàn hảo giữa chi phí năng lượng tiết kiệm được và chi phí vốn đầu tư thiết bị. Nếu chọn giá trị này quá nhỏ, diện tích bề mặt truyền nhiệt sẽ tiến tới vô cùng làm chi phí thiết bị tăng vọt; ngược lại nếu chọn quá lớn, lượng nhiệt thu hồi sẽ giảm sút và năng lượng tiêu tốn bên ngoài sẽ tăng cao.

Mạng lưới nhiệt ban đầu của phân xưởng Ammonia Nhà máy Đạm Phú Mỹ đã mắc phải những sai sót kỹ thuật nào? Mạng nhiệt ban đầu mắc phải 3 lỗi nhiệt động lực học cơ bản: bố trí thiết bị truyền nhiệt xuyên qua điểm Pinch, dùng nước làm mát để giải nhiệt cho dòng nóng ở vùng trên điểm Pinch 90°C, và dùng hơi nước để gia nhiệt cho dòng lạnh ở vùng dưới điểm Pinch 80°C, gây thất thoát năng lượng nghiêm trọng.

Quá trình lắp đặt 10 thiết bị trao đổi nhiệt mới có làm gián đoạn dây chuyền sản xuất 740.000 tấn Urea/năm không? Dự án được hoạch định phân kỳ theo 3 giai đoạn đầu tư rất khoa học. Toàn bộ công tác chế tạo, lắp đặt kết cấu và tiền đấu nối các thiết bị từ E1 đến E10 được tiến hành song song, sau đó việc tích hợp vào hệ thống chính chỉ diễn ra trong các đợt bảo dưỡng tổng thể định kỳ hằng năm, hoàn toàn không làm gián đoạn kế hoạch vận hành của nhà máy.

Luận văn đã sử dụng những công cụ phần mềm nào để phục vụ công tác tính toán và mô phỏng? Nghiên cứu kết hợp phần mềm chuyên dụng Hint để xử lý thuật toán bảng tính, xây dựng các đường cong nhiệt tổ hợp và xác lập mục tiêu năng lượng, cùng phần mềm Aspen Energy Analyzer trong bộ phần mềm HYSYS để mô phỏng thủy nhiệt động, kiểm chứng tính khả thi kỹ thuật và xác định diện tích truyền nhiệt thực tế cho từng thiết bị.

Kết luận

  • Đã ứng dụng thành công kỹ thuật phân tích Pinch để khảo sát, rà soát và đánh giá toàn diện mạng lưới nhiệt thực tế tại phân xưởng sản xuất Ammonia của Nhà máy Đạm Phú Mỹ.
  • Xác định chuẩn xác vị trí điểm Pinch của toàn bộ hệ thống tại 90°C đối với dòng nhiệt nóng và 80°C đối với dòng nhiệt lạnh, tương ứng mức chênh lệch nhiệt độ tối thiểu 10°C.
  • Phát hiện và khắc phục triệt để các lỗi thiết kế truyền nhiệt xuyên Pinch, đồng thời đề xuất giải pháp lắp đặt bổ sung 10 thiết bị trao đổi nhiệt mới từ E1 đến E10.
  • Đạt hiệu quả tiết kiệm năng lượng vượt bậc khi cắt giảm tới 46,3% tổng nhu cầu năng lượng phụ trợ của phân xưởng, giúp hạ giá thành sản xuất phân đạm Urea đáng kể.
  • Khẳng định tính khả thi cao về mặt kỹ thuật và tính hấp dẫn về mặt kinh tế với thời gian hoàn vốn đầu tư dự án chỉ trong vòng khoảng 3 năm vận hành.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là chứng minh tính hiệu quả vượt trội của kỹ thuật Pinch khi áp dụng vào các tổ hợp công nghiệp hóa chất quy mô lớn tại Việt Nam. Kế hoạch tiếp theo là mở rộng phạm vi tối ưu hóa liên phân xưởng sang cả cụm xưởng Urea và trạm phụ trợ của nhà máy. Các doanh nghiệp sản xuất và chuyên gia trong ngành năng lượng hãy chủ động liên hệ và ứng dụng ngay phương pháp luận tối ưu hóa nhiệt động lực học này để nâng cao năng lực cạnh tranh và phát triển bền vững.