CC BY
42
УДК 62-503.5
А.В. Соболев, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой,
(48762) 4-76-98, AlexSobolev75 @mail.ru
(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева),
А.И. Ляшенко, асп., 8-960-600-61-21, alexlyashenko@live.ru
(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева),
Ю.В. Соболева, соискатель, Soboleva2135@rambler.ru
(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева),
Д.П. Вент, д-р техн. наук, проф., (48762) 7-88-29, director@dialog.nirhtu.ru
(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева)
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
На примере работы отделения синтеза метанола рассмотрена возможность построения энергосберегающей системы автоматического регулирования температурным режимом колонны, приведен сравнительный анализ динамических и энергетических характеристик по соответствующим каналам регулирования.
Ключевые слова: энергосбережение, колонна синтеза метанола, динамически эффективный канал регулирования, энергоэффективный канал регулирования, потери эксергии.
В химической технологии с целью воздействия на протекающие технологические процессы используют различные источники энергии, в частности электроэнергию, горючие газы, пар, а также различные виды вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), получаемых в процессе функционирования рассматриваемой химико-технологической системы (ХТС). Отдельные технологические узлы ХТС, использующие внешнюю энергию и (или) производящие ВЭР, имеют типовую структуру, приведенную на рис. 1.
Рис. 1. Структура технологического узла ХТС с подводом
и отводом энергии: Qi - поток 1-го вида энергии, подводимой к узлу ХТС; Н - поток
]-го вида энергии, отводимой от узла; у - управляемая переменная, характеризующая работу технологического узла; ю - вектор возмущающих координат
Спецификой таких узлов является то, что в химической технологии зачастую можно найти не одну, а несколько управляющих координат (потоков подводимой либо отводимой энергии), влияющих на одну и ту же управляемую переменную. Отсюда возникает возможность выбора той или иной управляющей координаты для организации системы автоматического регулирования (САР). Выбор того или иного управляющего воздействия, как правило, осуществляется исходя из лучших динамических показателей соответствующего канала регулирования. При этом задача энергосбережения в вопросах выбора канала регулирования ставится редко. В результате канал, обладающий лучшими динамическими характеристиками, может проиграть в отношении потерь энергии на управление процессом, и наоборот.
Обеспечивать экономию энергетических ресурсов и одновременно поддерживать высокое качество управления при действии на систему различных возмущающих воздействий позволяют энергосберегающие системы автоматического регулирования (ЭСАР). Описание структуры подобных систем и алгоритма их работы представлено в [1]. Характерной особенностью ЭСАР является наличие нескольких каналов управления, отличающихся по динамическим и энергетическим свойствам.
Рассмотрим возможность построения ЭСАР на примере работы отделения синтеза метанола. Особенностью процесса является выделение большое количество тепла. Практически во всех технологических схемах часть этого тепла используется для подогрева холодного синтез-газа, поступающего на вход колонны, до температуры протекания химических реакций [2]. Между тем, значительная часть энергии теряется в воздушном хол одильнике.
Поддержание температурного режима колонны в большинстве случаев осуществляется вводом холодного газа в колонну через байпасы. Однако отвод реакционного тепла может быть осуществлен и посторонним теплоносителем с получением пара в котлах-утилизаторах, например, с помощью изменения расхода циркулирующей воды через змеевики, расположенные между полками с катализатором (межполочные утилизационные теплообменники - МУТ), которые, в свою очередь, соединены со змеевиками котла-утилизатора. Операторные схемы обоих способов поддержания температурного режима колонны приведены на рис. 2. Проанализируем динамические и энергетические характеристики по каждому из каналов регулирования с позиции энергосберегающего управления.
Динамическая эффективность управления
При составлении математического описания реактора синтеза метанола целесообразно выделить ряд характерных элементов: слой катализатора, смесительную камеру, МУТ, рекуперативный теплообменник. В рамках исследования рассмотрим лишь тепловое взаимодействие веществ в смесительном объеме колонны между 1-ым и 2-ым слоями катализатора.
Пусть в процессе синтеза на слое катализатора образуется некоторое количество тепловой энергии, которое далее поступает в смесительную камеру. В ней с целью охлаждения потока газа до температуры, предусмотренной технологией, имеется альтернатива выбора между процессом смешения с более холодным газом через байпас и процессом теплопередачи через охлаждающий элемент змеевикового типа в МУТ.
а
б
Рис. 2. Операторная схема колонны синтеза метанола с холодными байпасами (а) и с МУТ (б): 1 - рекуперативный теплообменник; 2, 3 - слои катализатора; 4 - холодный байпас; 5 - МУТ; 6 - разделение потоков
На основании материального и теплового балансов модель динамики смесителя имеет вид (к)
УрСр = ^ Р гСрТ^ + ^ Рьсрьть - + ^ )рсрТ(к), (1)
где V - объем смесителя, (32 м3); pt, р, рь - соответственно плотность газа на входе, выходе смесителя и через байпас, (0,792 кг/м3); с р^ , Ср, Срь - изобарная теплоемкость газа на входе, выходе смесителя и через
байпас, (1,375 кДж/(кг • К)); Т(0) - температура газа на входе в смеситель, (522 К); Ть - температура газа, поступающего через холодный байпас, (343 К); Т(к) - температура газа на выходе из смесителя, (513 К);
Gt - расход основного потока газа на входе колонны, (125 м3/с);
Gfr -расход газа через холодный байпас, (6,618 м3 / с).
При математическом описании МУТ была принята модель "смешение - вытеснение" с прямотоком. В межтрубном пространстве движется газ, а в трубном - вода. Динамика змеевика описывается уравнением
^т р *Ср' дТ=р хСр> дх+к' - х п°"(Т'к ] - тх) • (2)
где I - внутренний диаметр змеевиков, (0,02 м); Тх - температура хладагента в произвольном сечении трубного пространства, К; Gx - расход во-
33 ды в МУТ, (0,001739 м /с); рх - плотность воды, (1000 кг/м );
Ср -изобарная теплоемкость воды, (4,2кДж/(кг• К)); т/к) - температура
газа на выходе смесителя, (513 К); Kt-х - коэффициент теплопереда-
2 ~ чи, (3,48 кВт/(м • К)); О - наружный диаметр трубок змеевика, (0,024 м);
п - число змеевиков, (п = 3).
При этом Тх(0, t) = Тх(0) = 343 К, Тх (L, t) = т(к) = 567 К . Динамика камеры смешения в случае МУТ имеет вид
1Т1^ = пР, т(°) т(к)
= Gt Р^рт Gt р^рТГ' -
х=Ь
К-хпОп | (т/к)(t) - Тх (х, t))1х.
0 (3)
х=0
МУТ характеризуется большой распределенностью параметров, поэтому целесообразно перейти к ячеечной модели.
При сравнительном анализе колонны синтеза метанола с холодными байпасами и МУТ были рассчитаны их номинальные технологические режимы и получены передаточные функции по соответствующим каналам регулирования.
Передаточная функция по каналу "расход холодного газа через байпас - температура газа на входе 2-го слоя катализатора" имеет вид
1 292
Ж0 (к)(*) = -7. (4)
их 0,243 • ^ +1
Передаточная функция по каналу "расход воды в МУТ - температура газа на входе 2-го слоя катализатора" была аппроксимирована апериодическим звеном 1-го порядка с запаздыванием:
^ (к)(*) = • е-°'37• (5)
Gx 2,11 • ^ +1
Коэффициенты передачи имеют размерность (К • с)/м3, а постоян-
ная времени и время запаздывания - с.
На основании полученных передаточных функций можно сделать вывод, что канал регулирования "расход воды в МУТ - температура газа на входе 2-го слоя катализатора" обладает большей инерционностью из-за наличия запаздывания и большего значения постоянной времени. В результате переходные процессы по данному каналу будут большей продолжительности.
Таким образом, динамически эффективным каналом регулирования является канал регулирования "расход холодного газа через байпас - тем-
2 55
-го слоя катализатора , с помощью которого можно построить динамически эффективную САР температурным режимом, отличающуюся высоким быстродействием.
Энергоэффективность управления
В рассматриваемых технологических схемах взаимодействуют энергетические потоки разнородного качества (газ и вода). Их оценка лишь с количественной стороны на основе традиционного энтальпийного анализа не совсем справедлива, а если принять во внимание тот факт, что процесс охлаждения газа, как с помощью смешения потоков, так и за счет теплопередачи через разделяющую поверхность относится, с термодинамической точки зрения, к необратимым процессам, то объективную оценку энергетической эффективности работы колонны синтеза можно получить только на основании эксергетического метода термодинамического анализа, который позволяет учесть качественную сторону энергии.
Эксергия потока вещества рассчитывается по формуле [3]
т п1_ р
Е = О
ср(т - т0) - т0(ср 1п — - R 1п—)
То ро
(6)
где О - расход соответствующего энергоносителя, кг/с; Ср - изобарная
теплоемкость энергоносителя, кДж/(кг• К); Т, То- температура энергоносителя и окружающей среды соответственно, К; р, ро - соответственно
давление энергоносителя и окружающей среды, кгс/см2; Я - газовая постоянная, кДж/(кг • К) .
Эксергетический баланс в случае колонны с холодными байпасами для процесса смешения после 1-го слоя катализатора имеет вид
Е(0) + Еь = Е(к) +ЛЕспмот, (7)
77(0) „
где , Еь - соответственно эксергия потока горячего и холодного газа
на входе в смеситель, кВт; Е(к) - эксергия охлажденного газа на выходе из смесителя, кВт; ЛЕ<п°т - потери эксергии, обусловленные термодинамической необратимостью процесса смешения, кВт.
Пренебрегая изменением изотермической и химической составляющих, а, также приняв, что смешивающиеся потоки близки по свойствам (обладают одинаковой плотностью и теплоемкостью), получим выражение для величины эксергетических потерь в случае процесса смешения:
ЛЕ™ = Gtcp(ТР - Т(к)) + Gbcp(Ть - Т(к)) -т(0) т - ^ ср 1п тк- ср 1п т^ ■
Сумма двух первых слагаемых соответствует статическому режиму и равна 0. В результате потери эксергии в смесительном объеме между 1-м и 2-м слоями катализатора для колонны с холодными байпасами рассчитываются по формуле
ЛЕ?мт =-Т0 ср
т (0) т , ^ ^ ть
^1п тщ+^1п т )
(8)
Эксергетический баланс в случае колонны с МУТ для процесса теплопередачи после 1-го слоя катализатора имеет вид
Е(0) + 4°) = Е{к) + вХк) + ЛЕ ^, (9)
с(0) 77(0)
где Et , Ех - соответственно эксергия потока горячего газа и холодной
воды на входе в смеситель, кВт; Е( к), ЕХк) - эксергия охлажденного газа
и подогретой воды на выходе из смесителя, кВт; ЛЕ^^Ю - потери эксергии, обусловленные термодинамической необратимостью процесса теплопередачи, кВт .
Уменьшение эксергии теплоносителя сопровождается возрастанием эксергии хладагента и соответствующими потерями эксергии. Пренебрегая изменением изотермической и химической составляющих, получим выражение для величины эксергетических потерь в случае процесса теплопередачи:
т (0)
ЛЕГ = ^Ср, Т{0> - Т(к>) - ед Ср, 1п +
(°) - Т (к)) - G Т„С 1п тх
+ Gxcрх (ТХ ; - ТХ О - GxT0Срх 1п г
' X
Т (0)
Тх
Т (к) ± V
Сумма первого и третьего слагаемых соответствует статическому режиму и равна 0. В результате потери эксергии на первой полке колонны с МУТ составят:
ЛЕ Г =-То
г(0) Т(0) О<Ср<1п Т(к) + ОхСрх 1п Тк
(1о)
Подставим соответствующие числовые значения расходов и температур теплоносителей, а также примем допущение о том, что температура окружающей среды равна То = 1о°С (283 К). При этом эксергетические потери на первой полке в случае колонны с МУТ составят 144,24 кВт, а в случае колонны с холодными байпасами соответственно - 15о,95 кВт.
Таким образом, охлаждение газа с помощью процесса теплопередачи через разделяющую поверхность в колонне с МУТ является изначально выгодным с позиции термодинамического совершенства по отношению к процессу смешения с холодным потоком в колонне с холодными байпасами.
Полученные потери эксергии определяются технологией процесса, и величина их будет оставаться примерно фиксированной. В свою очередь, процесс управления подразумевает отработку постоянного действующих внешних возмущений и сам требует определенных затрат энергии. Причем, анализ управляющих воздействий (изменение положения дросселирующих устройств, изменение подачи тепло- и хладагентов) указывает на то, что потери энергии в процессе управления относятся именно к необратимым (потери эксергии).
Исследуем рассматриваемые каналы регулирования с позиции энергетической эффективности при отработке типовых возмущений, в качестве которых может выступать изменение температуры основного потока на входе колонны Т(0) ± Лт/0) . Находясь в номинальном режиме
работы колонны, проанализируем, как меняется величина эксергетических потерь в процессе функционирования соответствующих САР. Примем, что регуляторы обоих каналов управления отрабатывают ПИ-закон регулирования.
При возмущении = +5 К температура газа на выходе смеси-
теля возрастает, а при ЛТ/0) = -5 К соответственно убывает. Процесс регулирования температуры на выходе аппарата подразумевает поддержание ее на заданном значении 513 К. Поэтому пришедшее возмущение подавляется управляющим воздействием со стороны регулятора, которое сопровождается пропорциональным изменением расхода хладагента (определяется из уравнения соответствующего теплового баланса). В случае увеличения температуры газа на выходе смесителя расход хладагента возрастает, в случае уменьшения температуры расход убывает. Для колонны с холодными байпасами получим
Gb
G
, ном
[рерТ(к)ном -р 1Ор1 (ТГ^ном ±АТГ )
(0)
,(0).
ое Т (к) РерТ ном
(11)
Р ЬерьТЬ ном
Потери эксергии для колонны с холодными байпасами определим с помощью выражения (8), учитывая при этом пришедшее возмущение и новое значение управляющего воздействия, найденного регулятором:
ЛЕ
пот см
Т0 ер
Gt ном 1п
(Т
(0)
ном
±лт/°))
+ Gb 1п
Ть
ном
Т (к) ь Т (к)
Т ном Т ном
Аналогичным образом проанализируем, как меняется величина эк-сергетических потерь при работе колонны с МУТ при отработке типового возмущающего воздействия. Для поддержания заданной температуры регулятор ищет новое равновесное значение управляющего воздействия, сопровождающееся пропорциональным изменением расхода хладагента:
Gt
Gx
ном
Р ,ер{
МО) ±Лт/0>) - т(к)
л , ном , ' , ном
рXерх(ТХ )
- Т (0)
(12)
Т (0) ) ном х ном^
Потери эксергии для колонны с МУТ определим с помощью выражения (10), учитывая при этом пришедшее возмущение и новое значение управляющего воздействия, найденного регулятором:
ЛЕ п°т
т/о
-Т
G
,ном р,
1п
(Т
(0)
ном
±Лт/0>)
Т
(к)
+ Gxеp 1п
х рх
Т
(0)
ном
ном
Т
(к)
ном
Полученные результаты по энергоэфективности управления двух каналов регулирования приведены в таблице.
Потери эксергии в процессе регулирования
Возмущение, К Потери эксергии, кВт
Колонна с холодными байпасами Колонна с МУТ
(+5) 239,79 231,01
(-5) 65,65 62,18
В результате энергоэффективным каналом регулирования как для номинального режима, определяемого технологией процесса синтеза, так и при отработке типовых возмущений является канал регулирования "расход воды в МУТ - температура газа на входе 2-го слоя катализатора", с помощью которого можно построить энергетически эффективную САР температурным режимом, отличающуюся меньшими потерями эксергии.
Результат исследования
Несмотря на то, что управлять температурным режимом колонны синтеза метанола в динамике рационально с помощью подачи холодного
газа через байпасы, в статике данный способ управления проигрывает с энергетической точки зрения использованию в качестве управляющего воздействия расхода воды в МУТ.
Таким образом, проведенный анализ режимов работы реактора синтеза метанола с холодными байпасами и МУТ, дает основание говорить о целесообразности построения энергосберегающей системы автоматического регулирования с двумя управляющими воздействиями на каждую полку.
Список литературы
1. Соболев А.В., Вент Д.П. Энергосберегающие регуляторы: задачи и структура // Датчики и системы. 2009. №10 С. 23-28.
2. Технология синтетического метанола / М.М. Караваев [и др.]; под ред. проф. М.М. Караваева. М.: Химия, 1984. 240 с.
3. Шаргут Я. , Петела Р. Эксергия / пер с польского; под ред. В.М. Бродянского. М.: Изд-во "Энергия", 1968. 279с.
A. V. Sobolev, A.I. Lyashenko, J. V. Soboleva, D.P. Vent
ENERGY-SAVING CONTROL OF TECHNOLOGICAL PROCESSES
On the example of work of methanol synthesis department the possibility of construction of energy-saving system of automatic regulation by temperature condition of the columns is reviewed, the comparative analysis of dynamic and energy characteristics through the appropriate channels of regulation is presented.
Key words: energy saving, column methanol synthesis, dynamically efficient channel of regulation, energy-efficient channel of regulation, exergy loss.
Получено 07.03.12
