CC BY
114
УДК 66.045.1:66.074.37
Р. Д. Салмахаев, Л. В. Галимова, А. Е. Семёнов
АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ В РАБОТЕ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ СЛОЖНОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И ВЕЩЕСТВА
Анализ эффективности энергетических, теплообменных и массообменных технических систем играет важную роль в решении проблемы энергосбережения. Принятие конкретных предложений по совершенствованию систем должно вестись на основе термоэкономического анализа процессов и систем в целом. В качестве исходных данных для проведения термоэкономического анализа принимаются результаты наблюдений за работой системы в виде замеров режимных параметров и предварительных выводов по её состоянию в течение длительного времени эксплуатации [1]. Особый интерес представляют сложные технологические схемы преобразования энергии и вещества.
В качестве сложной схемы тепло- и массообмена приводится установка очистки газа от кислых компонентов Астраханского газоперерабатывающего завода (АГПЗ) [2].
В ходе анализа режимных листов установок У172/272 АГПЗ за летний период, являющийся наиболее тяжелым для теплообменного оборудования, было определено, что ряд режимных параметров сильно отличается от нормы. Это ведет к нарушению технологического режима, что, в свою очередь, может сказаться на качестве выпускаемой продукции. Ниже приведены результаты анализа работы основных узлов теплообменного оборудования установки и представлены возможные причины ухудшения рабочих параметров.
Установки У-172/272 предназначены для очистки сырого отсепаpиpованного газа от Н28, СО2 и части сераорганических соединений водным раствором диэтаноламина (ДЭА) 30-40 %-й концентрации и метилдиэтаноламина (МДЭА) 60-70 %-й концентрации, при общей концентрации аминов 34-43 %.
На рисунке представлена технологическая схема установок У-172/272. При описании установки отмечены элементы, в которых происходят термодинамические процессы. Сырой и реком-примированный газы, содержащие большое количество кислых компонентов, подлежащих удалению, потоком I подаются в сепаратор В01, где осуществляется сепарация газа от конденсата и влаги II. Отсепарированный газ поступает в нижнюю часть абсорбера С01 под 32-ю тарелку. Абсорбер С01 оснащен 32-мя клапанными тарелками (рабочее давление внутри абсорбера до 70 кг/см при температуре до 100 °С). Подача абсорбента осуществляется двумя потоками водного раствора моноэтаноламина (МЭА) разного качества. На тарелку Т1 подается регенерированный раствор МЭА V насосом Р01. Подача частично регенерированного МЭА VI осуществляется насосом Р02 на тарелку Т18. Очищенный (обессеренный) газ IV отводится с верха колонны.
Насыщенный раствор МЭА III из куба абсорбера направляется в емкость расширения В02 (рабочее давление внутри емкости до 17 кг/см2 при температуре до 90 °С).
Емкость В02 предназначена для отделения газовой фазы, выделяющейся из насыщенного раствора амина за счет снижения давления. Газ расширения IX поступает на установку промывки и сжатия газа среднего давления. Кроме того, в емкость поступает вода VIII с установки осушки и отбензинивания.
Насыщенный раствор МЭА III вторично расширяется в ёмкости В03. Дегазированный насыщенный раствор МЭА из емкости В03 поступает на прием насоса Р04 и двумя потоками подаётся к рекуперативным теплообменникам Е01 и Е02.
Один поток насыщенного раствора МЭА поступает в трубное пространство теплообменника Е01, где обеспечивается отвод тепла от полурегенерированного амина VI, выходящего из десорбера с тарелки Т24. Второй поток насыщенного амина поступает в трубное пространство теплообменника Е02, который обеспечивает отвод тепла от регенерированного раствора МЭА V, поступающего из куба регенератора С02. Оба потока насыщенного раствора МЭА после теплообменников смешиваются и направляются в регенератор С02 на тарелку Т10.
Насыщенный раствор МЭА при вводе в регенератор С02 однократно испаряется. Образовавшаяся при однократном испарении жидкая фаза раствора МЭА из нижней части десорбера С02 поступает в межтрубное пространство рибойлера Е03, где нагревается и вновь испаряется за счет тепла конденсации водяного пара. Нагретый регенерированный раствор МЭА выводится из рибойлера Е03.
Поток кислых газов, водяного пара из рибойлера Е03 возвращается в десорбер С02 под тарелку Т31. Жидкий остаток поступает в куб колонны.
Кислые газы выводятся из верхней части десорбера и поступают на дальнейшую переработку на установку получения серы. Вода из емкости орошения В04 насосом Р06 подается на охлаждение в теплообменник аппарата воздушного охлаждения (АВО) А04, а затем в верхнюю часть колонны на тарелку Т1 для орошения. Кислые газы X из емкости В04 выводятся на дальнейшую переработку.
Полурегенерированный раствор VI после теплообменника Е01 поступает на насос Р05, где охлаждается холодильником А02 и подается на прием насоса Р02. Привод насоса осуществляется турбиной рекуперации энергии Тг01 параллельно с электродвигателем, что позволяет уменьшить потребление электроэнергии.
Установки У172/272 включают в себя по 4 идентичных линии. Ниже приведены основные результаты наблюдений за работой установки и предложения по их устранению. По регламенту на каждую линию установки У172 может подаваться до 220 т/ч сырого газа, однако реально по режимным листам эта величина составляет всего 150 т/ч. На вход в теплообменники Е01 и Е02 идет сильно перегретый, по сравнению с нормативными значениями, насыщенный амин. Однако на выходе из теплообменников параметры амина уже соответствуют требованиям. Нормативных требований по температуре на выходе и коэффициенту теплопередачи удаётся достигнуть благодаря завышенному (почти в 2 раза) расходу насыщенного амина, что приводит к значительному росту затрачиваемой энергии на прокачку на насосах Р04А/В, повышению скорости амина и, соответственно, значительному росту гидравлических потерь в аппаратах [3].
Полутощий амин из десорбера С02 приходит на вход теплообменника Е02 несколько перегретым (на 1,5°). Температура выхода тощего амина из теплообменников Е02 превышает нормативные значения в среднем уже на 17°. Это может быть связано со следующими факторами:
1) высокая температура богатого амина на входе (в среднем на 10° выше норматива) и невозможность охладить до требуемой температуры тощий амин;
2) нехватка теплообменной поверхности или ее загрязненность, что значительно снижает коэффициент теплопередачи;
3) возможная недостаточность расхода богатого амина (по данным режимных листов расход занижен вдвое);
4) возможно, присутствует сочетание влияния всех перечисленных факторов.
Можно отметить неправильное перераспределение потока богатого амина после насосов Р04А/В. Возможно, что отсутствует или не работает регулятор, распределяющий поток амина на теплообменники Е01 и Е02, т. к. общий расход богатого амина в принципе соответствует нормативному значению (1 525 470 против нормы в 1 636 300 кг/ч), однако перераспределение потоков, скорее всего, происходит самопроизвольно обратно пропорционально гидравлическому сопротивлению на параллельных участках.
Решение проблемы правильного перераспределения потоков богатого амина затруднено тем, что оно осуществляется полуавтоматически. Так, в аппаратах после чистки имеет место коэффициент теплопередачи близкий к нормативному, поэтому богатый амин в Е02 подогревается достаточно и в регламентном количестве. Количество прокачиваемого через Е02 насыщенного амина регулируется косвенно - посредством температуры на выходе из теплообменника. При наблюдении за работой аппарата отмечается, что его постепенное загрязнение происходит в основном со стороны полурегенерированного амина. Это объясняется большим различием скорости потоков (0,2 м/с в межтрубном пространстве против 0,98 м/с в трубном пространстве). Ухудшение теплообмена из-за загрязнения приводит к понижению температуры насыщенного амина на выходе, что вызывает адекватное понижение расхода через Е02 для поддержания нормативной температуры на выходе.
144
Водяной конденсат из У-251
Обессеренный газ к установке 274
Г аз регенерации из установки 274
Сырой газ > из установки 271
Рекомпримированный газ из установки 241
К установке 221 4
Антивспениватель из секции 268
Газ расширения Вода
амина к установке 274 из установки 274
о V
Кислый газ к установкам 251 *
Подпиточная вода
<И04
Шламосборник
Технологическая схема У172/272
Іввїї 2073-1574. Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. 2011. М 1
Это, в свою очередь, вызывает повышение уровня амина в емкости В03, а т. к. в зависимости от этого показателя регулируется расход богатого амина через Е01, то для сохранения материального баланса количество амина, протекающего через Е01, значительно повышается.
Теплообменники Е03 практически по всем показателям работают в режиме, близком к нормативному [3].
Из данных режимных листов следует: технологически установка У172 имеет возможность перерабатывать больше газа, что во многом определяется качеством выходящего с установки обессеренного газа. При уменьшении концентрации сероводорода в обессеренном газе есть возможность подать на установку больше сырого газа, т. е. повысить её производительность. При постоянном расходе ДЭА добиться улучшения степени очистки газа можно, понизив температуру амина на входе в абсорбер С01. Как видно из результатов обработки режимных листов, температура амина на входе в С01 существенно превышает нормативные показатели (в среднем на 5°). Это приводит к адекватному снижению производительности установки и вызвано плохим охлаждением в АВО и регенеративных теплообменниках Е01 и Е02. Так, на выходе из воздушного холодильника А01 амин перегрет как минимум на 5° (подается на тарелку Т32), а амин после А02 - на 15° (подается на 22 тарелку). Количество перерабатываемого газа в рассматриваемый период составляло в среднем 150 т/ч. Как было указано ранее, регламентом установки У172 предусмотрена переработка сырого газа в количестве 220 т/ч, т. е. резерв роста производительности при снижении значений температуры потоков до нормативных для каждой линии установки составляет 32 %. Проблема недоохлаждения в АВО вызвана, скорее всего, высокой температурой наружного воздуха, повышенной температурой амина на входе и загрязнением теплопередающей поверхности. Однако нужно отметить, что замена АВО на пластинчатый теплообменник затруднена в связи с необходимостью подвода охлаждающей среды. Причинами являются нехватка технической воды, 100 %-я загруженность градирен, необходимость дополнительной разводки водяных трубопроводов и др., что затрудняет реализацию данного мероприятия. Рекомендацией может служить тщательная периодическая очистка теплопередающих поверхностей и возможная установка более мощных вентиляторов.
Работа А03 в настоящее время не совсем удовлетворительная, т. к. даже при соответствии температурных норм коэффициент теплопередачи оказался невысоким. Если принять меры по перераспределению потоков богатого амина между теплообменниками Е01 и Е02, то работа А03 будет осуществляться в более жестких условиях, и, следовательно, необходимо провести мероприятия по повышению эффективности работы АВО, о чём было сказано ранее.
Необходимо отметить: начиная с 1995 г. имела место замена трубных пучков теплообменников Е01 и Е02 на пучки из нержавеющих сталей, что позволило значительно сократить количество механических примесей в амине, которые ранее являлись одним из основных компонентов отложений на теплообменных трубах. Последние исследования показали: количество механических примесей в насыщенном и регенерированном амине не превышает 330 мг/л, что можно считать незначительным содержанием, не играющим особой роли в общей массе примесей.
Загрязнение теплообменников Е02 в настоящее время происходит за счёт высокого содержания химических примесей в полурегенерированном амине. Интенсивное загрязнение теплообменников Е02 и связанные с этим последствия вызваны низкими значениями скорости течения потоков. По регламенту скорость течения полурегенерированного амина через Е02 составляет 0,2 м/с, а через Е01 - 0,14 м/c. При этих значениях скорости потоков амина образование отложений идет достаточно интенсивно.
Анализ работы теплообменника Е02 установки 1 У172 и теплотехнические расчёты показали, что при замене на пластинчатое оборудование значения температуры потоков на выходе будут соответствовать нормативу (насыщенный амин подогреется до 119 °С). Температура тощего амина будет составлять 94 °С, против наблюдаемых в настоящее время 110 °С (норматив - 93 °С), тепловая нагрузка повысится с 16 000 до 33 650 кВт (норматив 34 654 кВт).
Проведённый анализ вскрыл недостатки в работе теплообменного оборудования, однако остаётся неясным, какие из них являются более существенными. Для установления качественной и количественной характеристики потерь предлагается на следующем этапе анализа провести эксергоэкономическое исследование с определением КПД каждого элемента схемы и установлением адекватности предложений, приведённых по результатам наблюдений.
i45
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бродянский В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа. - М.: Энергия, 1973. - 275 с.
2. Мишин В. М. Переработка природного газа и конденсата. - М.: ACADEMIA, 1999. - 245 с.
3. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидравлическое сопротивление: Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.
Статья поступила в редакцию 17.01.2011
ANALYSIS
OF ENERGY AND RESOURCE-SAVINGS DIRECTIONS
IN THE WORK OF HEAT EXCHANGING EQUIPMENT OF A COMPLEX TECHNICAL SYSTEM
OF TRANSFORMATION OF ENERGY AND SUBSTANCE
R. D. Salmakhaev, L. V. Galimova, A. E. Semenov
Performance analysis of energy, heat exchanging and mass exchanging technical systems has a important meaning in the solution of the energy savings problem. Taking specific measures to improve the systems should be based on the thermo-economic analysis of all system. Observation results on the operation of the system in the form of gaugings of regime parameters and preliminary conclusions on its condition for a long period of its exploitation are accepted as the initial data for the analysis carrying out. The results of the detailed analysis of elements work of the technological scheme on the purification of natural gas from sour components, and some offers for its improvement are shown in the paper.
Key words: technical system; absorber; desorber; analysis; pollution.
