Phân tích 4E (Eenergy, Exergy, Economic, Environment) hệ thống nhiệt

ng lượng (Energy), exergy, kinh tế (Economic) và môi trường (Environment) được trình bày để đánh giá tổng thể và tối ưu hóa. Mô hình toán học cho các chỉ tiêu được trình bày. Các hệ thống tiêu biểu đã áp dụng các chỉ tiêu phân tích này như turbine khí, Kalina, máy lạnh hấp thụ, máy lạnh ejector, máy lạnh nén hơi, được trình bày và phân tích. Kết quả cho thấy phân tích 4E là công cụ mạnh và không thể thiếu khi xem xét và đánh giá một hệ thống nhiệt. Kết hợp với các phương pháp tối ưu đa mục tiêu như tổng có trọng, thuật toán di truyền, kỹ thuật ra quyết định TOPSIS, phương pháp chỉ số chọn lọc thích hợp, sẽ xác định chính xác các thông số thiết kế và vận hành tối ưu. Từ khóa. Phân tích 4E, máy lạnh hấp thụ, máy lạnh ejector, động cơ turbine khí, hệ thống Kalina. 4E (ENERGY, EXERGY, ECONOMIC, ENVIRONMENT) ANALYSIS OF A THERMAL SYSTEM Abstract. In this paper, the thermal system analysis criteria including energy (Energy), exergy, economy (Economic) and environment (Environment) are presented for overall evaluation and optimization. Mathematical models for the indicators are presented. Typical systems that have applied these analysis criteria such as gas turbines, Kalina power cycle, absorption chillers, ejector refrigeration system, vapor compression chillers, are presented and analyzed. The results show that 4E analysis is a powerful and indispensable tool when considering and evaluating a thermal system. Combined with multi-objective optimization methods such as weighted sums, genetic algorithms, TOPSIS decision-making techniques, preference selection index methods, etc., the design and operation parameters will be accurately determined. Keywords. 4E analysis, absorption chiller, ejector refrigeration system, gas turbine engine, Kalina system. GIỚI THIỆU Khủng hoảng năng lượng sâu rộng đặt ra thách thức cho toàn thế giới để giải quyết bài toán năng lượng. Trong đó năng lượng hóa thạch ngày càng cạn dần do phần lớn sự đốt nhiên liệu trong các nhà máy nhiệt điện [1]. Phần lớn các nhà máy nhiệt điện trên thế giới sử dụng chu trình kết hợp khí hơi để phát điện [2] gây quan ngại cho nhân loại cả về năng lượng lẫn môi trường [3]. Một khía cạnh nữa cần đánh giá các thermal plant là tiềm năng sinh công của nguồn nhiệt và tính không thuận nghịch của từng thiết bị trong chu trình thông qua phân tích exergy [4, 5]. Lee [6] đã phân tích một chu trình tuabin khí bằng cách áp dụng các phương pháp tiếp cận năng lượng và exergy (2E). Hiệu suất exergy là 51% và bình ngưng có tính không thuận nghịch lớn nhất đã được báo cáo. Ahmadi và cộng sự. [7] đã thực hiện phân tích 3E (Năng lượng, Exergy và Môi trường) cho nhà máy nhiệt và điện kết hợp (CHP). Nhà máy được đề xuất có thể đạt hiệu suất lên đến 56,8%. Hơn nữa, khía cạnh kinh tế gắn với chi phí vốn và chi phí hoạt động nên được coi là một tiêu chí đánh giá [8]. Rad và Najafabadi [9] đã cố gắng tối ưu hóa chu trình tuabin khí đốt sinh khối và khí đốt tự nhiên sử dụng cơ sở phân tích 4E, tức là năng lượng, exergy, kinh tế và môi trường. Nồng độ -121- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh thích hợp của nhiên liệu đã được suy ra để giảm thiểu hàm mục tiêu giá cả. Moghimi và cộng sự [10] đã nghiên cứu một hệ thống kết hợp làm mát, sưởi ấm và điện (CCHP) bằng phân tích 4E. Hiệu quả làm mát được cung cấp bởi một chu trình làm lạnh ejector. Chu trình CCHP mang lại hiệu suất exergy và năng lượng cao hơn so với chu trình truyền thống. Gần đây, Roy và Mandal [11] đã thực hiện phân tích 4E cho một chu trình làm lạnh ghép tầng với các chất làm lạnh khác nhau. Một cặp tác nhân lạnh nhất định đã được tìm thấy để tối đa hóa hiệu suất exergy và giảm thiểu chi phí nhà máy hàng năm. Gần đây hơn, Moghadam và cộng sự [12] đã đánh giá hiệu suất 4E của một nhà máy CCHP nơi sản xuất lạnh bằng chu trình Kalina. Họ đã chứng minh rằng chu trình Kalina có khả năng phá hủy exergy thấp. Từ sự phân tích ở trên có thể thấy tầm quan trọng của việc thermo-economic analysis (2E đến 4E) các hệ thống năng lượng tích hợp. Nghiên cứu hiện tại thực hiện đánh giá tổng quan các chỉ tiêu đánh giá và trình bày các hệ thống nhiệt tiêu biểu đã áp dụng phân tích 4E. Hơn nữa, vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu được sử dụng để tìm kiếm các điều kiện hoạt động tối ưu liên quan đến cực đại hiệu suất hoặc cực tiểu chi phí và tác động môi trường. MÔ HÌNH 4E Mô tả một hệ thống tiêu biểu Khảo sát một nhà máy điện chu trình kết hợp có công suất sinh ra của chu trình là 50 MW như hình 1. Không khí đi vào máy nén của chu trình turbine khí ở atmospheric pressure and temperature. Máy nén có tỷ số áp suất rp và hiệu suất đẳng entropy 80%. Sau khi gia nhiệt trong buồng đốt, khí đi vào turbine khí ở trạng thái 3. Sau đó khí giãn nở trong turbine khí có hiệu suất đẳng entropy 85%, khí rời khỏi turbine ở 110.3 kPa. Khí nóng đi qua lò hơi thu hồi nhiệt thải (HRSG) và ra khỏi ở 101.4 kPa, 400 K. Bỏ qua tổn thất áp suất trong buồng đốt. The gas leaving HRSG is passed through domestic water heater (DWH) to heat water from 293.2 K to 333.2 K at a pressure of 300 kPa [10]. For the sake of simplicity, the combustion chamber is assumed as a heater, and the flue gas is treated as air [13]. Trong chu trình hơi nước, hơi đi vào turbine ở 744.3 K. Hơi giãn nở qua turbine hơi, có hiệu suất đẳng entropy 78%, tới áp suất bình ngưng P7. Ra khỏi bình ngưng ở trạng thái lỏng bão hòa ở điều kiện đẳng áp. Nước ngưng được bơm đến áp suất cao P9, bơm có hiệu suất đẳng entropy 60%. Bình ngưng được giải nhiệt bằng nước, nước vào ở 288.7 K và ra khỏi ở 308.2 K. -122- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Hình 1. Chu trình nhà máy điện hỗn hợp khí hơi có sản xuất nước nóng (CHP) Phân tích năng lượng Bỏ qua sự thay đổi động năng và thế năng, suất điện hoặc suất nhiệt của từng bộ phận của nhà máy CHP có thể được viết là: Turbine khí: Wgt=− m a ( h34 h ) (1) Máy nén: Wca=− m( h21 h ) (2) Turbine hơi: Wst=− m s ( h67 h ) (3) Bơm nước cấp: Wps=− m( h98 h ) (4) Công suất sinh ra của chu trình: -123- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh WWWWWnet= gt + st − p − c (5) Bình ngưng: Qcond=− m s ( h78 h ) (6) Lò hơi thu hồi nhiệt thải: QHRSG=− m a ( h45 h ) (7) Buồng đốt: Qcc=− m a ( h32 h ) (8) Bộ gia nhiệt nước sinh hoạt: QDWH=− m cw( h 14 h 13 ) (9) Chỉ tiêu hiệu suất năng lượng theo định luật nhiệt động thứ nhất [14]: WQnet+ DWH =th (10) Qcc Phân tích Exergy Từ các thông số nhiệt động của các dòng chất làm việc trong mô hình năng lượng ở trên, exergy riêng của từng trạng thái được tính từ phương trình dưới khi bỏ qua động năng và thế năng: xf = h − h0 − T 0( s − s 0 ) (11) Một khi exergy được xác định, phá hủy exergy của từng thiết bị được tính như sau: Máy nén: Xdes,c= W c + m a( x f,12 − x f, ) (12) Turbine khí: Xdes,gt= − W gt + m a( x f,34 − x f, ) (13) Lò hơi thu hồi nhiệt thải: Xdes,HRSG=( m a x f,4 + m s x f, 9) −( m a x f, 5 + m s x f, 6 ) (14) Turbine hơi: Xdes,st= − W st + m s( x f,67 − x f, ) (15) -124- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Bình ngưng: Xdes,cond=( m s x f,7 + m w x f, 10) −( m s x f, 8 + m w x f, 11 ) (16) Bơm nước cấp: Xdes,p= W p + m s( x f,89 − x f, ) (17) Bộ gia nhiệt nước sinh hoạt: Xdes,DWH=( m a x f,5 + m c w x f, 13) −( m a x f, 12 + m c w x f, 14 ) (18) Tổn thất exergy của khói thải ra môi trường: Xloss,a− env=− m a( x f,12 x f, 1 ) (19) Tổn thất exergy của nước giải nhiệt bình ngưng ra môi trường: Xloss,cw− env=− m w( x f,11 x f, 10 ) (20) Tổng phá hủy exergy khi đó được xác định như sau: XXXXXXXXXXdes,TOTAL= des,c + des,gt + des,HRSG + des,st + des,cond + des,p + des,DWH + loss,a−− env + loss,cw env (21) Exergy cấp vào là chênh lệch dị ứng của khí qua buồng đốt: Xin=− m a( x f,32 x f, ) (22) Exergy đầu ra đến từ việc cung cấp điện và exergy hữu ích của nước nóng cho mục đích sinh hoạt [12]: Xout= W net + m cw x f, 14 − m c w x f, 13 (23) Cân bằng exergy: XXXin=+ out des,TOTAL (24) Hiệu suất exergy được định nghĩa như sau =xX/X out in (25) Phân tích kinh tế Để thực hiện phân tích kinh tế, phải xác định chi phí mua của từng thiết bị trong nhà máy. Chi phí có thể được ước tính thông qua các thông số hoạt động của từng thiết bị như sau [10, 12]: Buồng đốt: -125- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh  ma (26) Zcc =25 . 6 1 + exp( 0 . 018 T3 − 26 . 4) 0.PP 995− 32 / trong đó P3/P2= 0.95 [10] Turbine khí: mp Z=266 . 3a ln3  1 + exp 0 . 036 T − 54 . 4 gt ( 3 ) (27) 0.p 92 −gt 4 Turbine hơi: 3 07. 0. 05 T6 −866  Zst =3880 . 5 P6  1 + 1 + 5 exp (28) 1−  10. 42 st  Bình ngưng: Zmcond=1773 s (29) Bơm nước cấp: 02. Z=+705 . 48 p 0. 71 1 p 9  (30) 1−p Máy nén: ma Zc= 39 . 5 r p ln( r p ) (31) 09. −c Chi phí mua thiết bị trao đổi nhiệt có thể được tìm thấy từ diện tích truyền nhiệt của nó: 0. 78 ZA/.HRSG=130( HRSG 0 093) (32) 0. 78 ZA/.DWH=130( DWH 0 093) (33) trong đó diện tích truyền nhiệt (A) có thể được xác định từ hệ số truyền nhiệt (U) và độ chênh nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) [12]. Chi phí đầu tư là tổng chi phí mua các thiết bị: CZZZZZZZZcapital= c + cc + gt + st + cond + p + HRSG + DWH (34) Chi phí vận hành (OC) bao gồm chi phí khí đốt tự nhiên (NGcost) OC=− NGcost( W gt W c ) t (35) -126- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh trong đó NGcost = 0.02 $/kWh [9]. Tổng chí phí hằng năm (TAC) được đánh giá như sau [15]: TAC=+ crfCcapital OC (36) trong đó crf là hệ số hoàn vốn. i crf = (37) 11−+( i)−n Phân tích môi trường Sản xuất điện trong nhà máy điện dùng nhiên liệu hóa thạch dẫn đến phát thải chất ô nhiễm. phát thải của tất cả các chất ô nhiễm và các khí nhà kính quan trọng (gồm NOx, CO2, và CO) được xác định như sau (g/kg nhiên liệu): −8 0. 25 mNOx=0 . 459  10 P3  exp( 0 . 01 T pz ) (38) exp7800 / T 9 ( pz ) m.CO =0 179 10 05. (39) 2 Pcc P3  P3 Trong đó  là thời gian hiện diện của vùng đốt,  = 0.002 s [9], Pcc là chênh áp qua buồng đốt, Tpz là nhiệt độ đoạn nhiệt của ngọn lửa. chi phí nguy hại của các khí ô nhiễm có thể được tham khảo như sau: CNOx = 6.853 $/kg, CCO = 0.02086 $/kg [10]. Tối ưu hóa đa mục tiêu có thể được đơn giản hóa bằng cách sử dụng phương pháp tổng có trọng số với các trọng số bằng nhau [8], ví dụ hàm cực đại các hiệu suất, cực tiểu tổng chi phí như sau: th −  th,min  x −  x ,min TAC− TACmin multiObj = + − (40) th,max −  th ,min  x ,max −  x ,minTAC max − TAC min trong đó trừ một được nhân với mục tiêu TAC để tối đa hóa hàm nhiều mục tiêu (multiObj). Hình 2 trình bày sơ đồ exergy gồm đầu vào, đầu ra và các phá hủy của một nhà máy tiêu biểu và hình 3 trình bày quan hệ giữa tổng chi phí và hiệu suất exergy tối ưu được xác định từ thuật toán di truyền [10]. Kỹ thuật ra quyết định LINMAP chỉ ra vị trí chính xác để đạt được tối ưu đa mục tiêu. Hình 4 trình bày bố chỉ tiêu đánh giá một nhà máy CHP theo tỷ số áp suất của máy nén. -127- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Hình 2. Sơ đồ Grassmann các thành phần exergy Hình 3. Pareto front của hàm mục tiêu -128- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Hình 4. Bốn chỉ tiêu đánh giá theo tỷ số áp suất của máy nén KẾT LUẬN Bài báo trình bày các chỉ tiêu đánh giá hệ thống nhiệt gồm năng lượng, exergy, kinh tế và môi trường được trình bày và phân tích. Các hệ thống năng lượng tiêu biểu và mô hình toán học của các chỉ tiêu được trình bày. Kết quả cho thấy phân tích 4E đánh giá toàn diện hệ thống. Kết hợp với một công cụ tối ưu hóa đa mục tiêu nào đó sẽ đạt được các thông số hoạt động tối ưu ứng với các hiệu suất lớn nhất, chi phí và tác động môi trường nhỏ nhất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thao, P. B., Phu, N. M., & Truyen, D. C. (2020). Comparative Study and Optimization of CO2 Capture and Storage in LNG-fired Power Plant. Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, 72(1), 55-66. [2] Mai, T. D., & Ryu, J. (2020). Effects of Leading-Edge Modification in Damaged Rotor Blades on Aerodynamic Characteristics of High-Pressure Gas Turbine. Mathematics, 8(12), 2191. [3] Mai, T. D., & Ryu, J. (2021). Effects of Damaged Rotor Blades on the Aerodynamic Behavior and Heat- Transfer Characteristics of High-Pressure Gas Turbines. Mathematics, 9(6), 627. [4] Phu, N. M. (2019). Overall optimization and exergy analysis of an air conditioning system using a series- series counterflow arrangement of water chillers. International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, 27(04), 1950034. [5] Nguyen, P. M. (2016). Energy and exergy estimation for a combined cycle of solid CO2 production and NH3-H2O single effect absorption chiller. Science and Technology Development Journal, 19(1), 61-69. [6] Lee, G. S. (2007). Design and Exergy Analysis for a Combined Cycle of Liquid/Solid CO2 Production and Gas Turbine using LNG Cold/Hot Energy. International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, 15(1), 34-45. -129- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh [7] Ahmadi, G., Toghraie, D., & Akbari, O. (2019). Energy, exergy and environmental (3E) analysis of the existing CHP system in a petrochemical plant. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 99, 234-242. [8] Phu, N. M., Bao, T. T., Hung, H. N., Tu, N. T., & Van Hap, N. (2020). Analytical predictions of exergoeconomic performance of a solar air heater with surface roughness of metal waste. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 1-14. [9] Rad, E. A., & Kazemiani-Najafabadi, P. (2019). Introducing a novel optimized Dual Fuel Gas Turbine (DFGT) based on a 4E objective function. Journal of Cleaner Production, 206, 944-954. [10] Moghimi, M., Emadi, M., Ahmadi, P., & Moghadasi, H. (2018). 4E analysis and multi-objective optimization of a CCHP cycle based on gas turbine and ejector refrigeration. Applied Thermal Engineering, 141, 516-530. [11] Roy, R., & Mandal, B. K. (2020). Thermo-economic analysis and multi-objective optimization of vapour cascade refrigeration system using different refrigerant combinations. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 139(5), 3247-3261. [12] Ebrahimi-Moghadam, A., Moghadam, A. J., Farzaneh-Gord, M., & Aliakbari, K. (2020). Proposal and assessment of a novel combined heat and power system: Energy, exergy, environmental and economic analysis. Energy Conversion and Management, 204, 112307. [13] Steven G, Penoncello. Thermal energy systems-design and analysis. Boca Raton: CRC Press; 2015. [14] Phu, N. M., & Van Hap, N. (2020). Performance Evaluation of a Solar Air Heater Roughened with Conic- Curve Profile Ribs Based on Efficiencies and Entropy Generation. Arabian Journal for Science and Engineering, 45, 9023-9035. [15] Nguyen, M. P., & Lee, G. S. (2013). Effects of inlet water temperature and heat load on fan power of counter- flow wet cooling tower. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B, 37(3), 267-273. [16] Klein SA. Engineering equation solver (EES). London: F-Chart Software; 2013 [17] Aspen HYSYS, Customization guide, Aspen Technology Inc, Burlington, MA, USA (2010) [18] Alabdulkarem, A., Hwang, Y., & Radermacher, R. (2012). Energy consumption reduction in CO2 capturing and sequestration of an LNG plant through process integration and waste heat utilization. International journal of greenhouse gas control, 10, 215-228. [19] Luan, N. T., & Phu, N. M. (2021). First and Second Law Evaluation of Multipass Flat-Plate Solar Air Collector and Optimization Using Preference Selection Index Method. Mathematical Problems in Engineering, 2021. -130-