Реконструкция установки ЭЛОУ-АВТ на основе оптимизации холодных и горячих потоков

Аннотация

М. В. Максимов, В. И. Крывда-Реконструкция установки ЭЛОУ-АВТ на основе оптимизации холодных и горячих потоков
В статье рассмотрено применение метода пинч-анализа с целью определения оптимальной схемы рекуперативного теплообмена установки ЭЛОУ-АВТ. Выявлено влияние минимального температурного напора на приведенные затраты путем проведенных технично-экономических расчетов. Определен оптимальный температурный напор, который в сравнении с реально существующим уменьшился почти вдвое.

Согласно утвержденной программе энергоэффективности на 2010–2015 годы в Украине одной из главных задач любого потребителя современной экономики должно быть повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов [1].

Существуют современные мировые тенденции по минимизации температурного напора и увеличению поверхностей теплообмена с целью экономии первичных энергоресурсов [2–5] в связи с уменьшением общей необратимости в процессе теплообмена. Кроме необратимости величина минимального температурного напора в первую очередь зависит от существующих цен и их отношения между стоимостью теплообменного оборудования и стоимостью первичных энергоресурсов.

Целью данной статьи является определение реального температурного напора между холодными и горячими потоками в рекуперативных теплообменниках установки электрообессоливания (ЭЛОУ)–атмосферно-вакуумной трубчатки (АВТ) расположенной на ПАО Лукойл Одесский НПЗ с разработкой оптимальной схемы теплообменной сети, которая бы учитывала новые конъюнктурные цены на новое теплообменное оборудование и первичные энергоресурсы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить такие задачи:

– рассмотреть энергетические потоки при эксплуатации ЭЛОУ-АВТ;
– определить теплофизические параметры потоков установки;
– рассчитать тепловые мощности и потоковые теплоемкости горячих и холодных потоков в технологических теплообменниках;
– построить кривые горячих и холодных потоков установки;
– определить реальный температурный напор;
– рассчитать оптимальное значение температурного напора;
– построить сеточную диаграмму с разделением на пинче;
– произвести расчет новых теплообменных аппаратов выше и ниже пинча;
– выполнить расстановку рекуперативных теплообменников.

ЭЛОУ-АВТ предназначена для подготовки и первичной перегонки нефти с целью получения: сжиженного углеводородного газа (УГ), бензиновой фракции (БФ), керосиновой фракции (КФ), дизельной фракции (ДФ), вакуумного газойля (ВГ) и гудрона.

Был рассмотрен режим эксплуатации установки ЭЛОУ-АВТ с расходом сырой нефти 302,6 м³/ч. Значение температур и расходов были получены по показаниям АСУ ТП установки ЭЛОУ-АВТ. Традиционная схема тепловых потоков существующей схемы рекуперативного теплообмена представлена на рис. 1,а. Сеточная схема тепловых потоков существующей схемы рекуперативного теплообмена представлена на рис. 1,б. На этих рисунках символ С определяет холодильники, а символ Н–нагреватели.

Теплофизические параметры (T_S , T_T–температуры начала и конца потока, G – расход, С–теплоемкость, r–скрытая теплота фазового перехода, СР–потоковая теплоемкость, ΔН–изменение потокового теплосодержания) и потоковые данные технологических потоков представлены в таблице 1.

Таблица 1–Потоковые данные технологических потоков

Пользуясь вычисленными значениями потоковых данных установки ЭЛОУ- АВТ, был проведен анализ горячих и холодных потоков методом пинч-анализа, который заключается в оптимизации рекуперативного теплообмена, т.е. в определении оптимального минимального температурного напора между горячими и холодными потоками [2].

Согласно этому методу были определены температурные интервалы горячих и холодных потоков [6], рассчитаны и построены кривые, характеризующие эти потоки (рис. 2). При этом минимальный температурный напор в самом узком месте между точками а и б, называемым пинчем, составил 52 °С. Стоит отметить, что на рис. 2 участок І – это тепло, которое передается окружающей среде (Q_конд), участок ІІ–тепло, которое регенеративно передается в теплообменных аппаратах (Q_рекуп), участок ІІІ–тепло, подводимое к печам для переработки нефти (Q_печи).

Оптимизация заключается в минимизации срока окупаемости капиталовложений. Уменьшение температурного напора приводит к уменьшению подведенного количества энергии, определяемого как разница по оси абсцисс между крайними верхними точками. Это сказывается в экономии топлива, используемого в печах. В то же время увеличивается количество энергии, которая рекуперируется внутри установки от горячих к холодным потокам. Для реализации этого необходимы дополнительные площади теплообмена, которые увеличиваются к тому же и из-за уменьшения температурного напора.

В [2] предлагается использовать оптимизацию сети по приведенным затратам:

ПРЗ_сети=ПКЗ_сети+E

где ПКЗ_сети–приведенные капитальные затраты на строительство сети

ПКЗ_сети=a·КЗ_т

где a– коэффициент амортизации и платы за кредит, определяемый как

где i– годовая процентная ставка, принимается i=0,1; n–число лет кредита, принято равным 5.

По результатам расчёта a=0,2638.
КЗ_т– капитальные затраты на теплообменники, у.е.:

где N– число рекуперативных и воздушных теплообменников, шт.;E–стоимость затраченной энергии за год, у.е.:

E=Q_гор95040+Q_хол9504

где Q_гор– горячие утилиты, МВт·год;Q_хол–холодные утилиты, МВт·год.

Далее, с помощью алгоритма табличной задачи для различных значений Δt _min, вычисляются целевые энергетические значения для горячих и холодных утилит и стоимость энергоносителей, потребленных за год. Для этих же значений Δt _min определяется F необходимая площадь теплообмена , затем рассчитываем значения для ПКЗ_сети, складывается со значением годовой стоимости энергоносителей, и в итоге получаем общую приведенную стоимость проекта (табл. 2).

Таблица 2–Влияние минимального температурного напора на приведенные затраты

Согласно полученным результатам (табл. 2) оптимальным температурным напо- ром является значение 28–34 °С. С помощью алгоритма табличной задачи Линнхоффа Б. [2], было определено и принято в качестве оптимального для дальнейших расчетов значение Δt _min= 30 °С.

После определения оптимального пинча следующей задачей является расста- новка теплообменников, которые бы обеспечивали полученный нагрев холодных пото- ков горячими. Правила и алгоритм построения изложены в [2]. Сеточная диаграмма технологических потоков с обозначением пинча изображена на рис. 3. Под теплооб- менниками на рис.3 указаны тепловые нагрузки.

Количество теплоты, переданное горячим потоком, определяется по формуле:

Q_H=CP_H(t _H1-t _H2),кВт

где–CP_Hпотоковая теплоемкость горячего потока.

Разность температур холодного потока определяется так

Δt _C=Q_C/CP_C,°С

где–Q_Cколичество теплоты, переданное холодным потоком, принимается равным Q_H в пределах одного теплообменного аппарата;CP_C–потоковая теплоемкость холодного потока.

Таким образом, температура холодного потока после теплообменника, который рассматривается, равна

t _C2=t _C1+Δt _C,°С

Аналогично определяются температуры горячих потоков после теплообменников. Экономический эффект от применения предложенной схемы представлен в табл. 3.

Таблица 3–Определение экономического эффекта от интегрированного процесса

Литература

1. Постанова Кабінету Міністрів України № 243 від 01.03.2010 №243 Про затвердження Державної цільової економічної програми енергоефективності на 2010– 2015 роки// Офіційний вісник України, 2010–№ 16.
2. Смит Р., Клемеш И., Товажнянский Л.Л., Капустенко П.А., Ульев Л.М. Основы интеграции тепловых процессов.–Харьков: НТУУ ХПИ.–2000.–458 с.
3. Kemp I.C. Pinch Analysis and Process Integration: A User Guide on Process Inte gration for the Efficient Use of Energy, 2nd edition.–2006.–409 р.
4. Товажнянский Л.Л., Ульев Л.М., Мельниковская Л.А., Зулин Б.Д. Термодина- мически обоснованный энергосберегающий потенциал установки АВТ А12/2 в режиме работы без выкуумного блока / Л.Л. Товажнянский и др. // Інтегровані технології та енергозбереження. Харьков, 2010.–№2.–с. 3–13.
5. Ульев Л.М., Мельниковская Л.А. Определение полезной нагрузки трубчатых печей с помощью учета тепловых потерь в системе теплообмена на установке первичной переработки нефти АВТ А12/2 в режиме работы без вакуумного блока / Л.М. Ульев, Л.А. Мельниковская // Інтегровані технології та енергозбереження. Харьков, 201 1. – №3.–с. 15–23.
6. Максимов М.В., Крывда В.И. Определение минимального температурного напора между холодными и горячими потоками для рекуперативных теплообменников ЭЛОУ-АВТ/ Холодильна техніка і технологія.–2011.–№3(131).–с. 56–62.