OPTIMAL ORGANIZATION OF CRUDE OIL HEATING PROCESS IN CONVECTION FURNACE WITH RECIRCULATION

OPTIMAL ORGANIZATION OF CRUDE OIL HEATING PROCESS IN CONVECTION FURNACE WITH RECIRCULATION

Vladislav Naletov

Candidate of Technical Sciences, Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,

Russia, Moscow

Mikhail Glebov

Doctor of Technical Sciences, Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,

Russia, Moscow

Alexey Naletov

Doctor of Technical Sciences, Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,

Russia, Moscow

Liliya Kuntsman

student, Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,

Russia, Moscow

ОПТИМАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОДОГРЕВА НЕФТИ В ПЕЧАХ КОНВЕКЦИОННОГО ТИПА С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ

Налетов Владислав Алексеевич

канд. техн. наук, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева,

РФ, г. Москва

Глебов Михаил Борисович

д-р техн. наук, проф., Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева,

РФ, г. Москва

Налетов Алексей Юрьевич

д-р техн. наук, проф., Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева,

РФ, г. Москва

Кунцман Лилия Александрвона

студент, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева,

РФ, г. Москва

Перекачка нефти и нефтепродуктов является энергозатратным процессом. По данным компании ПАО «Транснефть» в 2014 году на эти цели только было израсходовано 12,3 млрд. кВт·ч электроэнергии. При этом затраты на перекачку возрастают при увеличении вязкости перекачиваемого сырья. Для снижения вязкости между перекачивающими насосными станциями на определенном расстоянии (30 - 40 км) установлены линейные пункты подогрева нефти (ППН), где нефть подогревается в «мягких условиях» поскольку относится к сырью, чувствительному к перегреву. В качестве объекта исследования принят линейный ППН с печами конвекционного типа с рециркуляцией дымовых газов для обеспечения подогрева нефти в мягких условиях и снижения выбросов термических оксидов азота. Также на ППН имеются генераторы электрической энергии для обеспечения работы газодинамического оборудования в системе с печами конвекционного типа.

Цель работы – изменение структуры затрат в процессах транспортировки нефти на основе разработки мультифункциональных технических решений по энерготехнологическому использованию топлива путем перехода к собственной генерации при сохранении выбросов оксидов азота на минимально допустимом уровне.

Реализация цели исследования предусматривала решения следующих задач:

– оценка эксергетического КПД исходного варианта системы с применением расчетного модуля «Exergy Unit», совместимого с программой CHEMCAD;

– анализ распределения энергии в системе на основе критерия макроэнтропии, определяющего оптимальную организацию системы с иерархической структурой;

– разработка мультифункционального технического решения, обеспечивающего концентрацию термических оксидов азота в выбросах на уровне среднесуточных предельно допустимых значений (ПДК _СС = 5 мг/м³);

– сравнение расчетных энергосберегающих показателей мультифункциональной установки с ППН, включающем печь конвекционного типа с рециркуляцией и газопоршневой генератор энергии. 

По данным технологических расчетов исходного варианта системы в программе CHEMCAD ее эксергетический КПД составляет 12,7%, а для обеспечения работы газодинамических устройств системы с нагревательной печью конвекционного типа с рециркуляцией (компрессоры воздуха и природного газа, а также циркуляционный компрессор) необходимы затраты электрической мощности в размере 3,14 МВт для заданной производительности печи по нагреваемому сырью.

Для определения путей оптимальной организации системы будем исходить из критерия макроэнтропии, учитывающего согласованность работы элементов системы на основе нулевого начала термодинамики [1]. При этом нулевое начало термодинамики указывает направление энергетического взаимодействия элементов в системе и его предел – стремление к равенству обобщенных флуктуаций энергии источников и стоков.

В работах [2, 3] было показано, что сближение обобщенных флуктуаций средних энергетических уровней источника и стока, характеризуемое стремлением к максимуму макроэнтропии, отражает энергосберегающие тенденции в системе.

Методика расчета флуктуаций средних энергетических уровней и оценка обобщенных флуктуаций энергии представлены в работе [3].

Значения средних энергетических уровней превращений, в масштабе теплоемкости отображаемые эквивалентными температурными флуктуациями, вычисляются на основании зависимости:

                                (1)

где ε_i – мольная доля потока до смесителя или после сепаратора, p_к, p_н – конечное и начальное давления в газодинамическом процессе, ΔТ_т – средняя логарифмическая температура. Для соблюдения единого масштаба при расчете средних энергетических уровней принимается, что доля для максимального мольного расхода всегда равна 1, тогда ε_i для всех остальных потоков с меньшими мольными расходами всегда меньше 1.

Выражение для обобщенной флуктуации можно представить следующим образом [3]:

,                                                  (2)

где ΔT_э – обобщенная флуктуация, ΔT_эi – флуктуации внутренней энергии

 i–го процесса, L – число технологических процессов, объединенных в обобщенный источник (сток), α_i – безразмерный коэффициент, равный отношению средней мольной теплоемкости при постоянном объеме к мольной газовой постоянной.

Наглядно рассогласование обобщенных флуктуаций источника и стока можно наблюдать на диаграмме средних энергетических уровней. На оси ординат отображаются эквивалентные температурные флуктуации согласно (1), а на оси абсцисс – количество процессов преобразования технологического потока. Для исходного варианта системы диаграмма имеет следующий вид (рис. 1).

Рисунок 1. Диаграмма средних энергетических уровней исходного варианта

На первых двух уровнях - сжатие воздуха в компрессоре и сгорание природного газа в потоке воздуха происходит подвод энергии к потоку, то есть энергия запасается – условно обобщенный источник, а на последних двух уровнях (подогреватели воды и нефти) происходит отвод энергии от потока, то есть энергия расходуется – условно обобщенный сток.

Расчет обобщенных флуктуаций энергии источника и стока показал, что их рассогласование велико. Причем доминирует энергия обобщенного стока в основном за счет последнего уровня, который практически определяет положение обобщенной флуктуации энергии стока ввиду доминирующего мольного расхода в контуре рециркуляции.

Таким образом, для сокращения рассогласования обобщенных флуктуаций энергии источников и стоков необходимо повышать уровень обобщенного источника и снижать соответственно уровень стока. Последнее очевидно связано с уменьшением кратности рециркуляции, поскольку согласно (1) максимальным мольным расходом является расход потока в контуре рециркуляции.

Проведем анализ возможных направлений оптимальной организации системы:

• повышение положения первого уровня (сжатие в воздушном компрессоре) возможно только за счет увеличения мольной доли потока воздуха, которая при неизменном его расходе может быть обеспечена только уменьшением кратности рециркуляции (другие переменные при неизменных параметрах потоков: давление и температура будут постоянными);
• повышение положения второго уровня (сгорание) также возможно только за счет уменьшения кратности рециркуляции (поскольку в процессе сгорания температуры при заданных соотношениях топливо-воздух будут постоянными);
• понижение положения третьего уровня возможно за счет уменьшения средней температуры путем более глубокой рекуперации теплоты потока дымовых газов, что позволяет существенно снизить температуру на выходе;
• понижение положения четвертого уровня (подогрев нефти за счет рециркулирующего потока дымовых газов) возможно только за счет снижения кратности рециркуляции, поскольку температура подогрева сырья и его расход постоянные. Последнее автоматически приведет, как показано выше, к повышению уровней 1 и 2, то есть к более согласованному варианту распределения энергии в системе.

Резюмируя анализ возможных решений, можно заключить следующее: для повышения энергосберегающих показателей системы необходимо уменьшать кратность рециркуляции, однако при этом возможно увеличение образования термических оксидов азота, которое напрямую зависит от температуры. Следовательно, при разработке оптимального варианта системы необходимо найти компромисс между энергосберегающими показателями системы и принятыми допустимыми концентрациями термических оксидов азота.

При этом мультифункциональность технического решения будет определяться комплексом эффектов: требуемый подогрев нефти (в мягких условиях), энергосбережение путем повышения эксергетического КПД системы и когенерации при минимальном образовании термических оксидов азота.

Более глубокая рекуперация теплоты дымовых газов позволит получить силовой пар, который целесообразно использовать для генерации собственной электроэнергии и теплоты (когенерация) в тепловых двигателях, реализующих цикл Ренкина [4].

В качестве рабочих тел в цикле Ренкина можно использовать водяной пар или пары низкокипящих рабочих тел [4, 5].

На рис. 2 представлена технологическая схема печи с рециркуляцией и когенерацией на основе цикла Ренкина.

Рисунок 2. Расчетная схема системы с печью и циклом Ренкина (потоки 7 и 22 соединены)

В разработанном техническом решении предлагается использовать водяной пар для генерации как электроэнергии, так и теплоты, требуемой для подогрева нефти в более мягких условиях, чем предусмотрено в аналоге.

В качестве критерия оптимизации выбирается полезная мощность, равная мощности турбины за вычетом суммы мощностей компрессорного и насосного оборудования.

В качестве ограничения при оптимизации принимается, как было отмечено ранее, что концентрация термических оксидов азота должно быть равна ПДК _СС.

На рис. 3 представлена эксергетическая диаграмма разработанного технического решения.

Рисунок 3. Диаграмма потоков эксергии мультифункциональной системы

Как показали результаты оптимизации, кратность рециркуляции составила 3,9 против 12,7 для зарубежного аналога, а температура в зоне смешения продуктов сгорания и рециркуляционного потока, на основании которой определялась концентрация термических оксидов азота, составила 540,5 °С, что в соответствии с кинетикой образования термических оксидов азота соответствует принятому ограничению.

Интегральная оценка эксергетического КПД технического решения составила 23,3%. На схеме (рис. 3) видно, что поток дымовых газов рециркуляции с температурой 540,5 °С направляется в испаритель-перегреватель рабочего тела, подаваемого в них насосом под высоким давлением. Перегретые пары водяного пара совершают работы в турбине и направляются на охлаждение и конденсацию. Холодильник-конденсатор совмещает в себе две функции: охлаждение и конденсация рабочего тела и одновременно подогрев нефти. После конденсации рабочего тела и повышения его напора в насосе цикл повторяется. Преимущество данной схемы заключается в том, что она выполняет одновременного несколько технологических функций, а именно: 

• подогрев нефти в более мягких условиях, чем в аналоге;
• выработка электроэнергии, достаточной для обеспечения работы всей системы;
• генерация дополнительных электрических мощностей в размере 1,2 МВт для нужд производственной площадки (насосное оборудование и т. п.);
• сохранение выбросов оксидов азота на минимальном уровне;
• снижение теплового загрязнения окружающей среды по сравнению с исходным вариантом.

Кроме того, разработанное мультифункциональное техническое решение позволяет отказаться от использования моторного топлива на ППН и соответственно внешних генерирующих мощностей при неизменном расходе топлива в печь. Повышение эксергетического КПД предлагаемого решения, вдвое превышающее аналогичное значение исходного варианта системы, на первый взгляд кажется несущественным. Однако надо учесть, что при определении эксергетического КПД пункта подогрева нефти в целом, включающем систему с печью конвекционного типа и дополнительное электрогенерирующее оборудование, общий показатель энергоэффективности определяется произведением показателей отдельных модулей. Например, если принять, что дополнительное электрогенерирующее оборудование представлено наиболее эффективным оборудованием – газопоршневым двигателем с максимальным эксергетическим КПД, равным 46% [6], то общий эксергетический КПД пункта подогрева нефти составит всего 6% (0,127х0,46). При использовании электроэнергии из централизованных источников эксергетический КПД будет еще ниже. Таким образом, общая энергоэффективность ППН повышается практически в 4 раза при минимальном воздействии на окружающую среду.

Список литературы:

1. Naletov V.A., Kolesnikov V.A., Glebov M.B. Thermodynamic Foundations of an Information-Based Systems Approach to Designing Complex Engineering Objects. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2020, Vol. 54 (3), pp. 456-464.
2. Налетов В. А., Глебов М. Б. Оптимальная организация химико-технологической системы на основе макроскопического ее описания с позиции теории информации. Химическая технология. 2014. Т. 15. № 5. C. 315-320.
3. Налетов А.Ю., Налетов В.А. Основы проектирования технологии топ­лива и углеродных материалов: Часть 2. Оптимальная организация хи­мико-технологических систем. Теория и практика информационного подхода. Учеб. пособие. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева. 2015.-104 с.
4. Kaynakli O., Bademlioglu A., Yamankaradeniz N., Yamankaradeniz R. Thermodynamic analysis the Organic Rankine Cycle and the effect of refrigerant selection on cycle performance. International Journal of Energy Applications and Technologies. 2017. 4(3) рр. 108-101.
5. Сапожников М. Б., Тимошенко Т. И. Электрические станции на низкокипящих рабочих телах. Теплоэнергетика. 2005. №3. С. 3-14.
6.  Электрогенерирующее оборудование Wartsilsа. Режим доступа: https://www.wartsila.com/rus/energy