ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN THANH HẢI

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NHIỆT CỦA
NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT BẰNG KỸ
THUẬT PHÂN TÍCH PINCH
Chuyên ngành
Mã số

: KỸ THUẬT NHIỆT
: 60 52 01 15

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC
BÁCH KHOA - ĐHQG - TPHCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

GS. TS. LÊ CHÍ HIỆP

Chữ ký ......................................................
TS. TẠ ĐĂNG KHOA

Chữ ký .......................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1:

TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN

Chữ ký .......................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2:

PGS. TS. ĐẶNG THÀNH TRUNG

Chữ ký .......................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM. Ngày ..... tháng ...... năm 2016.
Thành phần hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. NGUYỄN THẾ BẢO
2. TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN
3. PGS. TS ĐẶNG THÀNH TRUNG
4. TS. HÀ ANH TÙNG
5. TS. TRẦN VĂN HƯNG
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên:

NGUYỄN THANH HẢI ..................MSHV: 7140918

Ngày, tháng, năm sinh: 12-08-1980 ........................................Nơi sinh: BÌNH ĐỊNH
Chuyên ngành:

Kỹ thuật nhiệt....................................Mã số: 60520115

I. TÊN ĐỀ TÀI:
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NHIỆT CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU
DUNG QUẤT BẰNG KỸ THUẬT PHÂN TÍCH PINCH
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:


Tìm hiểu mạng nhiệt của nhà máy lọc dầu Dung Quất.



Đánh giá giá mạng nhiệt của nhà máy lọc dầu Dung Quất bằng kỹ thuật Pinch.



Đề suất các giải pháp kỹ thuật



Tính kinh tế cho từng giải pháp kỹ thuật

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:


15/08/2016

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

04/12/2016

V.

GS. TS. LÊ CHÍ HIỆP

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. TẠ ĐĂNG KHOA

Tp. HCM, ngày
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

tháng

năm 201...

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)



LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn luận văn của tôi là
GS. TS. Lê Chí Hiệp và TS. Tạ Đăng Khoa đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tơi
hồn thành luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các Thầy Cô trong bộ môn
Công nghệ nhiệt đã giảng dạy cho tôi trong thời gian qua. Tôi cũng xin chân thành
cảm ơn các Thầy Cơ trong Khoa Cơ Khí đã tích cực tạo điều kiện, giúp đỡ và
hướng dẫn cho tơi học tập nghiên cứu trong suốt khóa học này.
Cuối cùng cho tôi được gửi lời cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp và bạn bè
đã động viên, giúp đỡ và khuyến khích tơi trong suốt q trình học tập và nghiên
cứu.
Ngày 04 Tháng 12 Năm 2016

NGUYỄN THANH HẢI


TÓM TẮT
Luận văn nghiên cứu về ứng dụng kỹ thuật phân tích Pinch nhằm đánh giá
hiệu quả sử dụng nhiệt của mạng nhiệt trong nhà máy lọc dầu Dung Quất. Từ đó
đưa ra các giải pháp kỹ thuật với mục tiêu giảm chi phí sử dụng năng lượng của nhà
máy. Kết quả thu được sau khi bổ sung một số thiết bị trao đổi nhiệt đã giảm
15,73% năng lượng tiêu thụ cho toàn nhà máy.

Abstract
This thesis studies about the Pinch analysis techniques application to assess
the thermal efficiency of the heating network in the Dung Quat oil refinery. Then set
out the technical solutions with the goal of reducing the cost of the plant's energy.
The results obtained after the addition of a number of heat exchanger fell 15.73% of
the energy consumption of the entire plant.



LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng, nội dung của luận văn này là kết quả làm việc của tôi
dưới sự hướng dẫn của Thầy tơi là GS. TS. Lê Chí Hiệp và TS. Tạ Đăng Khoa,
ngoại trừ các phần tham khảo từ các tài liệu khác, được ghi rõ trong luận văn.
Tp.HCM, Ngày 04 tháng 12 năm 2016.

NGUYỄN THANH HẢI


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1:

MỞ ĐẦU .........................................................................................1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................1
1.2. Mục đích của đề tài ........................................................................................2
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................3
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................4
CHƯƠNG 2:

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI.........................6

2.1 Những nghiên cứu về lý thuyết Pinch ............................................................6
2.2 Những nghiên cứu về ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp .........................8
2.3 Những nghiên cứu về ứng dụng kỹ thuật Pinch trong hóa dầu ......................8
CHƯƠNG 3:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT PINCH ....................12


3.1 Giới thiệu ......................................................................................................12
3.2 Khái niệm cơ bản ..........................................................................................12
3.3 Các bước phân tích Pinch .............................................................................14
3.4 Ứng dụng kỹ thuật Pinch ..............................................................................22
CHƯƠNG 4:

PHÂN TÍCH MẠNG NHIỆT CỦA NHÀ MÁY .......................23

4.1 Giới thiệu mạng nhiệt của nhà máy lọc dầu Dung Quất ..............................23
4.2 Thu thập dữ liệu phục vụ cho kỹ thuật phân tích Pinch ...............................26
4.3 Lựa chọn giá trị ∆𝑻𝒎𝒊𝒏 ...............................................................................27
4.4 Xây dựng đường cong tổ hợp và dòng nhiệt ................................................28
4.5 Kiểm tra hệ thống mạng lưới nhiệt của nhà máy .........................................29
4.6 Đề xuất các giải pháp kỹ thuật .....................................................................37
CHƯƠNG 5:

NHỮNG GIẢI PHÁP SỬA LỖI MẠNG NHIỆT ..................38

5.1 Sửa lỗi mạng nhiệt của nhà máy...................................................................38
5.1.1 Sửa lỗi mạng nhiệt trên điểm Pinch ....................................................38


5.1.2 Sửa lỗi mạng nhiệt dưới điểm Pinch ...................................................46
5.2 Xác định các thông số kinh tế .......................................................................55
5.3 Xác định chi phí đầu tư các thiết bị trao đổi nhiệt........................................55
5.3.1 Diện tích các thiết bị trao đổi nhiệt ....................................................55
5.3.2 Chi phí cơ bản của các thiết bị trao đổi nhiệt ....................................56
5.3.3 Chi phí đầu tư các thiết bị trao đổi nhiệt ............................................56
5.4 Tính tốn các chỉ tiêu kinh tế cho từng giai đoạn đầu tư .............................59

5.4.1 Đầu tư giai đoạn 1 ..............................................................................59
5.4.2 Đầu tư giai đoạn 2 ..............................................................................60
5.3.3 Đầu tư giai đoạn 3 ..............................................................................61
CHƯƠNG 6:

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........64

6.1 Kết luận về kết quả đạt được và chưa đạt được............................................64
6.1.1 Kết quả đạt được .................................................................................64
6.1.2 Kết quả chưa đạt được ........................................................................64
6.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo .........................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................65
PHỤ LỤC


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mối quan hệ giữa mức độ tiêu thụ năng lượng và khí thải CO2.................1
Hình 1.2: Sơ đồ công nghệ đơn giản của nhà máy lọc dầu Dung Quất .....................3
Hình 3.1 Đường cong tổ hợp nóng ...........................................................................16
Hình 3.2 Đường cong tổ hợp lạnh ............................................................................16
Hình 3.3 Các đường cong tổ hợp và điểm Pinch ......................................................17
Hình 3.4 Giá trị ∆𝑇𝑚𝑖𝑛 tối ưu ..................................................................................17
Hình 3.5 Dịng nhiệt tổng bằng 0 tại điểm Pinch .....................................................19
Hình 3.6: Thuật tốn tính tốn dịng nhiệt tổng .......................................................19
Hình 3.7: Đường cong nhiệt tổng .............................................................................20
Hình 3.8: Quy tắc thiết kế Pinch ...............................................................................21
Hình 3.9: Sơ đồ mạng lưới nhiệt cho ví dụ cụ thể trên .............................................22
Hình 4.1: Sơ đồ bố trí mặt bằng của nhà máy lọc dầu Dung Quất ..........................23
Hình 4.2: Đường cong tổ hợp của dịng cơng nghệ ..................................................28
Hình 4.3: Dịng nhiệt của các dịng cơng nghệ.........................................................29

Hình 4.4: Sơ đồ mạng lưới nhiệt của nhà máy .........................................................30
Hình 4.5: Lỗi làm mát cho dịng nóng trên điểm Pinch ............................................31
Hình 4.6: Lỗi gia nhiệt cho dịng lạnh dưới điểm Pinch ..........................................32
Hình 4.7: Lỗi gia nhiệt cho dịng lạnh băng qua điểm Pinch ...................................33
Hình 4.8: Lỗi làm mát cho dịng nóng băng qua điểm Pinch ...................................34
Hình 4.9: Lỗi truyền nhiệt băng qua điểm Pinch ......................................................35
Hình 5.1: Thơng số nhiệt động của thiết bị E1 ..........................................................39
Hình 5.2: Thơng số nhiệt động của thiết bị E2 ..........................................................39
Hình 5.3: Thơng số nhiệt động của thiết bị E11 ........................................................40


Hình 5.4: Thơng số nhiệt động của thiết bị E12 ........................................................40
Hình 5.5: Thơng số nhiệt động của thiết bị E3 ..........................................................41
Hình 5.6: Thơng số nhiệt động của thiết bị E4 ..........................................................41
Hình 5.7: Thơng số nhiệt động của thiết bị E14 ........................................................42
Hình 5.8: Thơng số nhiệt động của thiết bị E5 ..........................................................42
Hình 5.9: Thơng số nhiệt động của thiết bị E6 ..........................................................43
Hình 5.10: Thơng số nhiệt động của thiết bị E7 ........................................................43
Hình 5.11: Thơng số nhiệt động của thiết bị E8 ........................................................44
Hình 5.12: Thơng số nhiệt động của thiết bị E9 ........................................................44
Hình 5.13: Thơng số nhiệt động của thiết bị E10 ......................................................45
Hình 5.14: Thơng số nhiệt động của thiết bị E15 ......................................................45
Hình 5.15: Thơng số nhiệt động của thiết bị E16 ......................................................46
Hình 5.16: Thơng số nhiệt động của thiết bị E13 ......................................................46
Hình 5.17: Thơng số nhiệt động của thiết bị E18 ......................................................47
Hình 5.18: Thơng số nhiệt động của thiết bị E21 ......................................................47
Hình 5.19: Thơng số nhiệt động của thiết bị E24 ......................................................48
Hình 5.20: Thơng số nhiệt động của thiết bị E26 ......................................................48
Hình 5.21: Thơng số nhiệt động của thiết bị E17 ......................................................49
Hình 5.22: Thơng số nhiệt động của thiết bị E18 ......................................................49

Hình 5.23: Thơng số nhiệt động của thiết bị E23 ......................................................50
Hình 5.24: Thơng số nhiệt động của thiết bị E20 ......................................................50
Hình 5.25: Thơng số nhiệt động của thiết bị E22 ......................................................51
Hình 5.26: Thơng số nhiệt động của thiết bị E25 ......................................................51
Hình 5.27: Sơ đồ mạng lưới nhiệt sửa lỗi .................................................................54


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1:Thơng số của dịng cơng nghệ và phụ trợ .................................................14
Bảng 3.2: Bảng thống kê giá trị Tmin tối ưu theo kinh nghiệm [1] ........................18
Bảng 3.3 Nhiệt độ hiệu chỉnh của các dịng cơng nghệ ............................................19
Bảng 4.1: Dữ liệu nhiệt động của dòng lạnh ............................................................26
Bảng 4.2: Dữ liệu nhiệt động của dịng nóng ...........................................................27
Bảng 4.3: Sử dụng dịng bổ sung nhiệt lạnh trên điểm Pinch ..................................31
Bảng 4.4: Sử dụng dịng bổ sung nhiệt nóng dưới điểm Pinch .................................33
Bảng 4.5: Sử dụng dòng phụ trợ băng qua điểm Pinch ............................................34
Bảng 4.6: Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt băng qua Pinch .......................................36
Bảng 5.1: Trang bị thêm các thiết bị trao đổi nhiệt ..................................................52
Bảng 5.2: Chi phí đầu tư các thiết bị trao đổi nhiệt bổ sung....................................57


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
a (%)

Lạm phát

A (m2)

Diện tích thiết bị trao đổi nhiệt


CB

Chi phí cơ bản

Ccap

Chi phí đầu tư

Cp (kj/kg.oC):

Nhiệt dung riêng đẳng áp.

CP (kW/oC):

Nhiệt dung lưu lượng khối lượng.

fp

Hệ số xét đến áp suất

fT

Hệ số xét đến nhiệt độ

fm

Hệ số xét đến vật liệu

fd


Hệ số xét đến loại thiết kế

f pip

Hệ số xét đến chi phí đường ống

f erec

Hệ số xét đến chi phí cơng trình xây dựng

f icon

Hệ số xét đến chi phí trang bị và điều khiển

f elec

Hệ số xét đến chi phí trang bị điện

f util

Hệ số xét đến chi phí năng lượng sử dụng

f site

Hệ số xét đến chi phí kèm theo

f build

Hệ số xét đến chi phí văn phịng


f eng

Hệ số xét đến chi phí thiết kế

f cont

Hệ số xét đến chi phí cho yếu tố ngẫu nhiên

f wcap

Hệ số xét đến chi phí cho chế độ chạy thử


i (%):

Lãi suất ngân hàng.

m (kg/s):

Lưu lượng khối lượng.

QC (kW):

Công suất làm lạnh.

QCmin (kW):

Công suất làm lạnh tối thiểu.

QH (kW):


Công suất gia nhiệt.

QHmin (kW):

Công suất gia nhiệt tối thiểu.

Qrec (kW):

Công suất thu hồi nhiệt.

TPinch (oC):

Nhiệt độ điểm Pinch.

TS (oC):

Nhiệt độ đầu vào của dòng nhiệt.

TT (oC):

Nhiệt độ đầu ra của dòng nhiệt.

 (%):

Lãi suất ròng.

∆H (kW):

Độ chênh lệch entanpy của dòng nhiệt.


∆Tmin (oC):

Độ chênh lệch nhiệt độ tối thiểu.


CHƯƠNG 1:

MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Thế giới càng phát triển thì nhu cầu năng lượng càng tăng cao. Trong thời gian
vừa qua, chúng ta đã khai thác sử dụng triệt để nguồn năng lượng hóa thạch, thế
nhưng nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt, sẽ dẫn đến giá thành của nhiên liệu
hóa thạch ngày càng tăng cao. Hơn nữa việc sử dụng nguồn năng lượng này là nguyên
nhân chính thải lượng khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính. Hậu quả của hiệu ứng nhà kính
là nhiệt độ trái đất ngày càng nóng lên, nước biển dâng cao, hạn hán, lũ lụt…Tất cả
những mối nguy hại đó tác động trực tiếp đến mơi trường sống của chính con người.

Hình 1.1: Mối quan hệ giữa mức độ tiêu thụ năng lượng và khí thải CO2
(Nguồn: U.S. Energy Information Administration, International Energy Outlook 2016)
Nhằm giảm thiểu tác động của sự biến đổi khí hậu lên mơi trường sống của
con người, rất nhiều biện pháp được đề ra và áp dụng nhằm thay thế nguồn năng
lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng
lượng thủy triều... Thế nhưng có một giải pháp tuy khơng tạo ra năng lượng nhưng
nó khơng kém phần hiệu quả, đó chính là tận dụng nhiệt thải và sử dụng hiệu quả
nguồn năng lượng.
Ngành dầu khí là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn của nước ta. Dầu
khí không chỉ mang lại nguồn ngoại tệ lớn cho quốc gia mà còn là nguồn năng lượng
1



quan trọng nhất hiện nay cho sự phát triển kinh tế. Tính đến năm 2010, Tập đồn Dầu
khí Quốc gia Việt Nam (PVN) đã cung cấp gần 35 tỷ m3 khí khơ cho sản xuất, 40%
sản lượng điện của tồn quốc, 35-40% nhu cầu ure và cung cấp 70% nhu cầu khí hóa
lỏng cho phát triển cơng nghiệp và tiêu dùng dân sinh (nguồn: Báo cơng thương).
Song song với đó, mức độ tiêu thụ năng lượng của ngành dầu khí cũng chiếm tỷ trọng
rất cao trong tổng công suất tiêu thụ năng lượng trong các ngành công nghiệp. Mặt
khác, tại hội thảo: “Tiết kiệm năng lượng-những vấn đề cấp bách” do Tập đoàn điện
lực Việt Nam và Viện năng lượng tổ chức vào năm 2014 đã nhận xét mức độ tiêu hao
năng lượng của Việt Nam cao gấp 5-6 lần so với các nước trong khu vực và trên thế
giới (xét trên bình quân 1 đơn vị sản phẩm) [1]. Do đó, tiết kiệm năng lượng là ưu
tiên hàng đầu trong chiến lược phát triển năng lượng quốc gia. Tiết kiệm năng lượng
trong ngành dầu khí (1 trong 3 trụ cột của ngành năng lượng) đã được đặt ra và thực
hiện hiệu quả trong những năm vừa qua. Điển hình là nhà máy lọc dầu Dung Quất đã
được áp dụng những biện pháp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng ngay cả trong
thiết kế và vận hành. Các phân xưởng cơng nghệ trong nhà máy do những tập đồn
khác nhau thiết kế, mặc dù đã tối ưu nhưng đó chỉ là tối ưu cục bộ. Kết quả của việc
tối ưu cục bộ là tồn tại những phần năng lượng không được thu hồi, dẫn đến nhu cầu
năng lượng của nhà máy tăng lên. Mặc khác, trong tình hình giá cả nhiên liệu ngày
một leo thang, kéo theo giá thành sản phẩm tăng cao. Do đó, việc đánh giá hiệu quả
sử dụng năng lượng của mạng lưới nhiệt trong nhà máy lọc dầu Dung Quất được đặt
ra như một nhu cầu tất yếu.
Để đánh giá mạng nhiệt của nhà máy lọc dầu Dung Quất, “Kỹ thuật phân tích
Pinch” là một phương pháp phân tích rất hiệu quả và dễ dàng sử dụng. Nó cho phép
xác định nguyên nhân sử dụng năng lượng không hiệu quả cũng như đưa ra các giải
pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng nhiệt của nhà máy.
1.2. Mục đích của đề tài
Bằng kỹ thuật phân tích Pinch, đề tài mong muốn đánh giá toàn diện nhu cầu
năng lượng và mạng lưới nhiệt nhằm xác định những lỗi trong thiết kế. Từ đó, đưa ra

những giải pháp cải thiện mạng nhiệt của nhà máy nhằm giảm thiểu nhu cầu sử dụng
2


năng lượng, góp phần giảm giá thành sản phẩm. Hưởng ứng chương trình quốc gia
về tiết kiệm năng lượng của chính phủ, đề tài này mong muốn được ứng dụng vào
thực tế của nhà máy.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là mạng lưới nhiệt của
nhà máy lọc dầu Dung Quất.
Nhà máy lọc dầu Dung Quất được xây dựng tại khu kinh tế Dung Quất thuộc
địa bàn xã Bình Thuận và Bình Trị - huyện Bình Sơn - tỉnh Quảng Ngãi với diện tích
sử dụng khoảng 338 ha mặt đất và 471 ha mặt biển, công suất khoảng 6,5 triệu tấn
dầu thơ/năm tương đương 148 nghìn thùng/ngày, nguyên liệu là 100% dầu thô từ mỏ
Bạch Hổ hoặc hỗn hợp 85% dầu thô Bạch Hổ và 15% dầu chua Dubai. Công nghệ
của nhà máy sử dụng là công nghệ hiện đại của UOP (Mỹ), MERICHEM (Mỹ) và
IFP (Pháp).

Hình 1.2: Sơ đồ công nghệ đơn giản của nhà máy lọc dầu Dung Quất
3


Nhà máy bao gồm 14 phân xưởng công nghệ và 11 phân xưởng phụ trợ. Bên
cạnh đó nhà máy cịn có: khu vực bể chứa dầu thơ, khu vực bể chứa trung gian, phao
rót dầu khơng bến, đê chắn sóng, cảng xuất sản phẩm và khu vực nhà hành chính.
Trong đó, khu vực 14 phân xưởng cơng nghệ là quan trọng nhất và mạng lưới nhiệt
của nhà máy (đối tượng nghiên cứu của đề tài) nằm trong khu vực này.
Các phân xưởng công nghệ bao gồm:
 Phân xưởng chưng cất dầu thô (CDU)
 Phân xưởng xử lý naphta bằng hydro (NHT)

 Phân xưởng đồng phân hóa naphta nhẹ (ISOMER)
 Phân xưởng reforming xúc tác liên tục (CCR)
 Phân xưởng xử lý kerosen (KTU)
 Phân xưởng cracking xúc tác tầng sôi (RFCC)
 Phân xưởng xử lý naphta của phân xưởng RFCC (NTU)
 Phân xưởng xử lý LCO bằng hydro (LCO-HDT)
 Phân xưởng xử lý LPG (LTU)
 Phân xưởng thu hồi propylen (PRU)
 Phân xưởng tái sinh amin (ARU)
 Phân xưởng xử lý nước chua (SWS)
 Phân xưởng trung hòa xút thải (CNU)
 Phân xưởng thu hồi lưu huỳnh (SRU)
- Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng Kỹ thuật phân tích Pinch nhằm tối ưu hóa nhu cầu
sử dụng năng lượng trong mạng lưới nhiệt của nhà máy lọc dầu Dung Quất.
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: Chứng minh việc áp dụng hiệu quả kỹ thuật phân tích Pinch trong
quy mơ lớn. Qua đó góp phần tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm lượng khí thải
CO2 và tiết kiệm tài nguyên.

4


- Ý nghĩa về thực tiễn: Đánh giá và đề xuất các giải pháp nhằm giảm 15,73% nhu cầu
sử dụng năng lượng của nhà máy lọc dầu Dung Quất. Đề tài này có thể đưa vào áp
dụng trong nhà máy lọc dầu Dung Quất.
- Nội dung nghiên cứu:
 Trích xuất dữ liệu từ bản vẽ thiết kế của nhà máy.
 Xây dựng mạng lưới nhiệt thực tế.
 Kiểm tra mạng lưới nhiệt.
 Đề xuất các giải pháp.

 Tính tốn kinh tế cho từng giải pháp.

5


CHƯƠNG 2:

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI

Linnhoff đã giới thiệu “Kỹ thuật Pinch” vào năm 1979 [2], là một trong những
phương pháp tối ưu năng lượng tiêu thụ khi thiết kế mạng lưới nhiệt dựa trên định
luật nhiệt động II. Từ khi được giới thiệu đến nay, kỹ thuật Pinch đã được nghiên
cứu, ứng dụng và phát triển trên phạm vi rộng trong nhiều lĩnh vực, ngành nghề khác
nhau. Do đó, đã có rất nhiều tài liệu, bài báo, nghiên cứu về kỹ thuật Pinch. Những
nghiên cứu về kỹ thuật Pinch tập trung vào 3 vấn đề chính:
- Nghiên cứu lý thuyết của kỹ thuật Pinch.
- Nghiên cứu ứng dụng trong những lĩnh vực công nghiệp.
- Nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực hóa dầu.
2.1 Những nghiên cứu về lý thuyết Pinch
Cơ sở lý thuyết của luận văn này chủ yếu dựa trên tài liệu [2] của Ian C. Kemp.
Trong tài liệu này, tác giả đã trình bày chi tiết những vấn đề của kỹ thuật Pinch với
mục tiêu tăng hiệu quả sử dụng năng lượng khi thiết kế mạng nhiệt. Nhìn chung, tài
liệu này đã kế thừa những nội dung cơ bản của ấn phẩm đầu tiên của B. Linnhoff và
các đồng nghiệp đồng thời cập nhật thêm những nghiên cứu mới về mặt lý thuyết và
ứng dụng của những nhà khoa học khác trong hơn 20 năm kể từ khi kỹ thuật Pinch
được giới thiệu. Khi mới được giới thiệu, kỹ thuật Pinch được áp dụng rất hạn chế
trong công nghiệp bởi tồn tại những ngờ vực về tính chính xác về mặt lý thuyết.
Nhưng theo D.A Sama [3] và B. Linnhoff [4] đã tiến hành nghiên cứu mối quan hệ
giữa kỹ thuật Pinch và định luật nhiệt động II và nhận ra rằng kỹ thuật Pinch là một
hình thức của định luật nhiệt động II khi thiết kế mạng nhiệt. Qua những nghiên cứu

này đã chứng minh lý thuyết của kỹ thuật Pinch được xây dựng trên một nền tảng lý
thuyết vững chắc của nhiệt động lực học kỹ thuật.
Không chỉ ứng dụng kỹ thuật Pinch vào tối ưu năng lượng nhiều nhà khoa học
đã nghiên cứu mở rộng lý thuyết này nhằm tối ưu nước và Hydrogen trong q trình
cơng nghiệp đặc biệt là trong cơng nghệ hóa dầu. Li Zhenmin [5], F. Liu và N. Zhang

6


[6] bằng kỹ thuật Pinch Hydrogen (dựa trên kỹ thuật Pinch năng lượng) đã đánh giá
mạng Hydrogen của các nhà máy lọc dầu cụ thể từ đó nhận thấy phương pháp luận
của kỹ thuật Pinch Hydrogen có khả năng tối ưu Hydrogen trong công nghiệp. Tương
tự như kỹ thuật Pinch Hydrogen, kỹ thuật Pinch nước cũng được nghiên cứu và ứng
dụng trong công nghiệp. Dominic Chwan Yee Foo, Zainuddin Abdul Manan, Yin Ling
Tan [7], Y. L. Tan1, Z. A. Manan, D. C. Y. Foo [8] đã ứng dụng kỹ thuật Pinch nước
(dựa trên kỹ thuật Pinch năng lượng) nhằm tiết kiệm nước trong thiết kế và đánh giá
hệ thống nước của các quy trình cơng nghệ.
Khi nghiên cứu lựa chọn giá trị chênh lệch nhiệt độ tối thiểu trong toàn hệ
thống (∆𝑇𝑚𝑖𝑛 ) tối ưu với mục tiêu giảm chi phí sản xuất theo kỹ thuật Pinch, M.
Akbarnia [9] đã đưa thêm chi phí đường ống vào đồ thị chi phí tổng. Kết quả nhận
được là giá trị ∆𝑇𝑚𝑖𝑛 thay đổi. Nghiên cứu này đã bổ sung thêm cho lý thuyết kỹ thuật
Pinch khi lựa chọn giá trị ∆𝑇𝑚𝑖𝑛 tối ưu.
Kỹ thuật Pinch không chỉ được áp dụng khi thiết kế mạng nhiệt mà còn được
dùng để kiểm tra những mạng nhiệt đang hoạt động và từ đó nhận biết những lỗi khi
thiết kế. Nhằm thuận tiện cho quá trình kiểm tra những lỗi của mạng nhiệt, Gadalla,
M. A. [10] đã đưa ra phương pháp sử dụng đồ thị nhiệt độ của các thiết bị trao đổi
nhiệt để nhận biết các vị trí lỗi trong mạng nhiệt của một phân xưởng chưng cất dầu
thô với công suất 85.000 thùng/ngày. Từ kết quả đó, tác giả đã đề xuất phương án sửa
chữa mạng nhiệt nhằm tiết kiệm 17% năng lượng và 39% nhu cầu nước làm mát.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của máy tính, kỹ thuật Pinch đã được áp dùng

bằng những phần mềm máy tính [11,12] nhằm tránh những sai sót khi tính tốn bằng
tay đối với những mạng nhiệt tồn tại q nhiều dịng cơng nghệ. Hon Loong Lam, Jirı
Jaromır Klemes, Zdravko Kravanja và Petar Sabev Varbanov [11] đã tổng hợp và
đánh giá một số phần mềm hỗ trợ để tính tốn mạng nhiệt. Phần lớn những cơng cụ
này được thương mại hóa. Angel Martın, Fidel A. Mato [12] đã giới thiệu 1 phần mềm
giáo dục (miễn phí) của Khoa kỹ thuật hóa học - mơi trường, Trường đại học
Valladolid - Tây Ban Nha. Phần mềm này cũng cho phép người sử dụng không tốn

7


thời gian để tính tốn những phép tính cơ bản. Đặc biệt phần mềm không che dấu làm
thế nào hay tại sao các phép tính được thực hiện.
2.2 Những nghiên cứu về ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp
Kỹ thuật Pinch là một lý thuyết đơn giản, dễ sử dụng. Do đó, nó được áp dụng
rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong hệ thống khử muối bằng phương
pháp phun tách ẩm bằng năng lượng mặt trời [13], tác giả đã ứng dụng kỹ thuật Pinch
vào phân tích và lựa chọn những thông số tối ưu cho hệ thống như: Nhiệt độ khơng
khí bão hịa, nhiệt độ khơng khí sau khi phun, nhiệt độ nước giải nhiệt sau khi ra khỏi
thiết bị tách ẩm. Kết quả cuối cùng là tăng khả năng thu hồi năng lượng giảm năng
lượng thải ra và bổ sung. Đối với những nhà máy sản xuất thép, nơi tiêu thụ năng
lượng rất lớn, đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lượng nhưng hiệu quả
chưa thật sự cao. Kazuo Matsuda [14] đã áp dụng kỹ thuật Pinch đối với một nhà máy
sản xuất thép điển hình. Kết quả cuối cùng là tiết kiệm 21,1 MW đối với phần nhiệt
lượng dưới 300oC (mà trước đây thường loại bỏ). Một số tác giả khác như: Cesar
Giovani Gutierrez-Arriaga [15], Dongxiang Wang [16], Haoshui Yu [17], Stephanie
Barnes [18] đã áp dụng kỹ thuật Pinch nhằm thu hồi nhiệt thải của các q trình cơng
nghệ để sản xuất điện thơng qua chu trình ORC (organic rankine cycles). Hay đối với
Maria Jonsson [19], Weijin Leng, Ali Abbas, Rajab Khalilpour [20] áp dụng kỹ thuật
Pinch cho nhà máy phát điện hoạt động với chu trình Rankin.

Vậy: bất kỳ quá trình nào có sự trao đổi nhiệt thì đều có khả năng áp dụng kỹ
thuật Pinch nhằm tối ưu hóa nhu cầu sử dụng năng lượng.
2.3 Những nghiên cứu về ứng dụng kỹ thuật Pinch trong hóa dầu
Kỹ thuật Pinch được áp dụng nhiều nhất trong kỹ thuật hóa học. Do đó số
lượng các nghiên cứu trong lĩnh vực này rất đa dạng. Các cơng trình nghiên cứu [21,
22, 23, 24] tập trung vào nhà máy sản xuất khí đốt, hydrogen, ethylbenzene và axit
acrylic. Kamel Singh và Raymond Crosbie [21] đã tiến hành nghiên cứu mạng nhiệt
của nhà máy sản xuất khí đốt với 1 dịng nóng và 4 dịng lạnh bằng phần mềm Aspen
Energy Analyser. Kết quả thu được về mặt năng lượng tiết kiệm 239,9 kW, về mặt
8


kinh tế với số tiền đầu tư 0,3 triệu USD thì sau 10 năm lợi nhuận thu được 1,74 triệu
USD. Wei Wu, Yan-Chi Liou và Hsiao-Tung Yang [22] tiến hành thiết kế mạng nhiệt
của nhà máy sản xuất hydrogen điển hình với 8 dịng nóng và 4 dịng lạnh bằng kỹ
thuật Pinch với mục tiêu thiết bị trao đổi nhiệt ít nhất. Mạng nhiệt của nhà máy bao
gồm: 8 thiết bị trao đổi nhiệt giữa các dịng cơng nghệ, 5 thiết bị trao đổi nhiệt với
dòng bổ sung nhiệt lạnh và 3 thiết bị trao đổi nhiệt với dòng bổ sung nhiệt nóng . Kết
quả của việc áp dụng kỹ thuật Pinch vào thiết kế mạng nhiệt làm giảm 82,3% dịng
bổ sung nhiệt nóng và 80,8% dịng bổ sung nhiệt lạnh. Sung-Geun Yoon, Jeongseok
Lee, Sunwon Park [23] đã áp dụng kỹ thuật Pinch để kiểm tra mạng nhiệt nhà máy
sản xuất ethylbenzene đang hoạt động. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đề
xuất thêm 1 thiết bị trao đổi nhiệt vào mạng nhiệt của nhà máy và thay đổi một số
điều kiện hoạt động. Với đề xuất này, chi phí năng lượng của nhà máy giảm
5,6%/năm. Đối với nhà máy sản xuất Axit Acrylic, K.Nagamalleswara Rao [24] chia
nghiên cứu của mình thành 2 phần: phần đầu, tác giả sử dụng phần mềm Aspen Plus
V8.8 để thiết kế sơ đồ công nghệ của nhà máy; phần sau, tác giả sử dụng Aspen
Energy Analyzer để kiểm tra mạng nhiệt và bổ sung thêm 2 thiết bị trao đổi nhiệt. Từ
đó giảm 1.120 (kW) dịng bổ sung nhiệt nóng với thời gian hồn vốn là 0,3254 năm.
Trong nhà máy lọc dầu dịng cơng nghệ rất nhiều, các q trình trao đổi nhiệt

diễn ra trong hầu hết các phân xưởng cơng nghệ. Vì vậy, kỹ thuật Pinch được áp dụng
rất hiệu quả. Một số nhà khoa học trong và ngoài nước đã tập trung nghiên cứu các
phân xưởng quan trọng của các nhà máy lọc dầu có cơng xuất lớn trên thế giới. AlRiyami, Badr Abdullah, Jiri Klemes, và Simon Perry [25] đã áp dụng phần mềm
Sprint nhằm tối ưu hóa năng lượng sử dụng của phân xưởng cracking xúc tác (FCC)
của nhà máy lọc dầu. Bằng việc giảm giá trị ∆𝑇𝑚𝑖𝑛 từ 24oC xuống cịn 11,5oC chi phí
năng lượng giảm 27% với thời gian hoàn vốn là 1,5 năm. Vishal G. Bokan, M.U.Pople
[26] đã ứng dụng kỹ thuật pinch để thiết kế mạng nhiệt của phân xưởng chưng chất
vinyl chloride monomer (VCM) bằng phần mềm Aspen energy analyzer V8.0 với
mục tiêu tối ưu tổng chi phí. Kết quả cuối cùng tiết kiệm 15,3764% dịng bổ sung
nhiệt nóng và 47,52% dịng bổ sung nhiệt lạnh. Qua đó, giảm 18,333% chi phí vận
9


hành trong năm so với nhà máy hiện tại. Adrian L. Querzoli, Andrew F. A. Hoadley
và Tony E. S. Dyson [27] đã sử dụng kỹ thuật Pinch để xem xét 2 phân xưởng CDU
và RCU của nhà máy lọc dầu và nhận thấy khả năng tiết kiệm năng lượng cho phân
xưởng CDU là 40% và RCU là 35%. Đồng thời nhóm tác giả cũng phân tích đến tác
động kinh tế tại thời điểm hiện tại khi trang bị thêm các thiết bị trao đổi nhiệt đến dự
án. Đối với nhà máy lọc dầu Dung Quất, Nguyễn Đình Lâm, Nguyễn Thanh Nghị,
Nguyễn Thanh Sang [28] đã mô phỏng lại phân xưởng chưng cất khí quyển (CDU)
và ứng dụng kỹ thuật Pinch đánh giá mạng nhiệt của phân xưởng. Từ đó, nhóm tác
giả đã đề xuất bổ sung thêm 4 thiết bị trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nguồn nhiệt của
dòng hồi lưu tuần hồn đỉnh và dịng đáy tháp nhằm gia nhiệt cho dịng dầu thơ trước
khi đi vào thiết bị tách muối và lị đốt. Từ đó, năng lượng tiêu thụ của tồn phân
xưởng giảm 10% và tổng chi phí hằng năm của tồn phân xưởng giảm 4%.
Tóm lại: Qua việc tìm hiểu các cơng trình nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật
Pinch, chúng ta có thể rút ra kết luận sau:
- Những nghiên cứu [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12] tập trung chứng minh, củng cố và
phát triển kỹ thuật Pinch về mặt lý luận.
- Những nghiên cứu [13,14,15,15,17,18,19,20] tập trung nghiên cứu những

trường hợp ứng dụng kỹ thuật Pinch nhằm tiết kiệm năng lượng trong các lĩnh vực
công nghiệp.
- Những nghiên cứu [21,22,23,24] tập trung nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật
Pinch vào các nhà máy sản xuất trong lĩnh vực hóa học.
- Những nghiên cứu [25,26,27,28] là những ứng dụng kỹ thuật Pinch nhằm
thiết kế, kiểm tra mạng nhiệt của các phân xưởng có mức tiêu thụ năng lượng lớn của
các nhà máy lọc dầu.
Như vậy kỹ thuật phân tích Pinch là một lý thuyết đã vững chắc về mặt lý luận.
Nó đã được áp dụng và đạt được những kết quả khả quan trong nhiều lĩnh vực, ngành
nghề khác nhau. Đặt biệt trong những nhà máy lọc dầu, nơi tồn tại nhiều quá trình
trao đổi nhiệt (gia nhiệt và làm lạnh), hiệu quả của việc áp dụng kỹ thuật Pinch càng
10


thể hiện rõ. Thế nhưng, trong lý thuyết của kỹ thuật Pinch đã khẳng định hiệu quả
của việc tối ưu năng lượng mạng nhiệt phụ thuộc vào việc lựa chọn giá trị ∆𝑇𝑚𝑖𝑛 . Mà
giá trị này lại phụ thuộc vào chi phí năng lượng và chi phí đầu tư, có nghĩa là phụ
thuộc vào thị trường. Hơn nữa, trong những nghiên cứu trên khi tối ưu hóa mạng
nhiệt của nhà máy lọc dầu các tác giả chỉ tối ưu cục bộ từng phân xưởng. Do đó, tồn
tại 1 phần năng lượng không được tận dụng làm cho nhu cầu năng lượng của tồn
nhà máy tăng lên. Đây chính là lý do tôi chọn đề tài này.

11


CHƯƠNG 3:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT PINCH

3.1 Giới thiệu

Vào những năm 70, những dự án lọc hóa dầu đối mặt với một thách thức khó
giải quyết đó là việc mở rộng quy mô nhà máy nhưng lại vướng mắc về 2 vấn đề: chi
phí năng lượng và khơng gian lắp đặt trong nhà máy. Nhiều cơng trình nghiên cứu đã
được thực hiện nhằm giải quyết bài toán trên. “Kỹ thuật Pinch” lần đầu tiên được giới
thiệu vào năm 1979 bởi B. Linnhoff [2]. “Kỹ thuật Pinch” là phương pháp phân tích
hệ thống giúp đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho một hệ thống quy trình
cơng nghệ.
Kỹ thuật Pinch đơn giản và dễ sử dụng hơn so với những phương pháp tốn
học trước đó. Phương pháp này dựa trên định luật nhiệt động thứ II: “nhiệt chỉ truyền
từ nguồn nóng sang nguồn lạnh, đồng thời ln kèm theo một lượng tổn thất tỷ lệ với
chênh lệch nhiệt độ  T  của hai nguồn nóng và lạnh”. Cụ thể trong thiết bị trao đổi
nhiệt, muốn giảm sự tổn thất năng lượng cần giảm chênh lệch nhiệt độ của hai dịng
nóng và lạnh.
Mục tiêu của “Kỹ thuật Pinch” là tối ưu mạng lưới nhiệt của quy trình cơng
nghệ sản xuất. Từ đó giảm thiểu nhu cầu bổ sung năng lượng cho hệ thống. Để đạt
được những điều này, chênh lệch nhiệt độ tối thiểu trong toàn hệ thống  Tmin  đóng
vai trị rất quan trọng trong khi kỹ thuật Pinch. Giá trị  Tmin  được xác định thơng
qua việc tối ưu chi phí đầu tư và chi phí vận hành. Vậy, mục tiêu chính của kỹ thuật
phân tích Pinch là để đạt được tiết kiệm tài chính cho quy trình cơng nghệ.
3.2 Khái niệm cơ bản
Để ứng dụng kỹ thuật Pinch, chúng ta cần định nghĩa một số khái niệm sau:
 Dịng cơng nghệ (process stream): những dịng vật chất trong quy trình cơng
nghệ có nhu cầu thay đổi hàm nhiệt.

12