CC BY
19
УДК.658.26.:66.0
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДВУХ СПОСОБОВ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМБИНИРОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО УЧАСТКА СТАДИИ ДЕГИДРИРОВАНИЯ ИЗОПРЕНА
Д.С. БАЛЬЗАМОВ Казанский государственный энергетический университет
В работе представлены два способа энерготехнологического комбинирования высокотемпературного участка стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен на базе ГТУ и ПГУ. Предложены схемные решения, приведены результаты сравнения теплового и эксергетического анализа.
Ключевые слова: энерготехнологическое комбинирование, парогазовая установка, высокотемпературный участок, анализ.
Нефтехимическая промышленность является одной из наиболее энергоемких отраслей России. Анализ потребления энергоресурсов промышленным сектором РФ показывает, что нефтехимический комплекс занимает первое место по потреблению тепловой энергии и второе - по потреблению электрической энергии [1]. При производстве основных органических продуктов, таких как этилен, изопрен, метанол, бутилен и прочих соединений, удельные затраты водяного пара в структуре энергозатрат достигают 70-90 %. Потенциал энергосбережения за счет использования внутренних источников тепловой энергии здесь оценивается на уровне 40 % [2].
Структура потребления энергоносителей на российских нефтехимических заводах характеризуется следующими данными [3]:
1 электроснабжение предприятий, как правило, осуществляется от внешних источников и составляет 100ч500 ГВт^ч/год, собственная выработка электроэнергии отсутствует;
2 снабжение предприятий паром осуществляется в основном от промышленных ТЭЦ на 60ч50%, и на 40ч50% предприятия эту потребность удовлетворяют за счет внутренних источников;
3 в структуре энергозатрат потребление горячей воды составляет 2ч5%, однако ее производство организовано далеко не на всех производствах.
При этом энергоемкость отечественных производств в 2,5 и более раз превышает показатели аналогичных производств экономически развитых стран (США, Японии и др.). Это существенно снижает конкурентоспособность продукции и обостряет проблему энергосбережения на текущем этапе.
Одним из наиболее перспективных направлений энергосбережения на предприятиях нефтехимической отрасли является организация систем энерготехнологического комбинирования (ЭТК) [4], которые позволяют увеличить долю полезного использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и снизить внешнее энергопотребление предприятий без изменения структуры и параметров технологии высокотемпературной стадии.
В настоящее время в этой области имеются различные технические решения: установка котлов-утилизаторов (КУ) за технологическими печами нефтехимических производств, организация регенеративного подогрева питательной воды в рекуператорах перед КУ, установка конденсационных и противодавленческих турбин; применение газотурбинных и парогазовых технологий, использование теплонасосных установок, абсорбционных холодильных машин и др.
Актуальным решением становится использование газотурбинных (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ), хорошо зарекомендовавших себя с точки зрения надежности и сравнительно коротких сроков окупаемости, которые при этом могут работать практически на любом топливе (в том числе на горючих ВЭР теплотехнологий) и размещаться перед реакторами нефтехимических производств. Следует отметить, что реакционные печи характеризуются устойчивым режимом работы, заданным выходом целевого (промежуточного) продукта. Данное обстоятельство и широкий перечень выпускаемых отечественных и зарубежных ГТУ
позволяет подобрать необходимый агрегат с учетом конкретных условий производства и перспектив его развития.
Ниже предлагается два схемных решения ЭТКС высокотемпературного участка стадии дегидрирования изопрена, работающие по газотурбинному циклу (рис. 1) и по парогазовому циклу (рис. 2).
Рис. 1. Система энергосбережения с привязкой ГТУ к высокотемпературному участку производства изопрена [3] где П - технологическая печь; К1, К2 - котлы-утилизаторы; ТА1, ТА2 - регенеративные подогреватели питательной воды
Схема 1. Предлагается установить ГТУ на высокотемпературном участке стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен параллельно реакционной печи пиролиза П, выхлопные газы которой с температурой 393°С направляются в смесительное устройство СУ, где смешиваются с дымовыми газами печи и направляются в КУ2 с температурой 420°С, где за счет их теплоты вырабатывается перегретый пар давлением 1,3 МПа и температурой 250°С в количестве 24,38 кг/с.
Контактный газ с температурой 530°С направляется в КУ1, который вырабатывает пар тех же параметров, что и КУ2 в количестве 16,11 кг/с. Для повышения производительности котлов-утилизаторов организован регенеративный подогрев питательной воды в ТА1 и ТА2. Во избежание конденсации влаги из дымовых газов их температура на выходе из КУ составляет 120°С.
Расчеты производились при условии того, что утилизационный узел (УУ) работает в непрерывном режиме (8760 часов/год). В случае, когда ГТУ находится в плановом или текущем ремонте, схема работает в режиме «печь - котел-утилизатор».
Такое техническое решение позволяет снизить внешнее потребление тепловой и электрической энергии, тем самым повышая независимость нефтехимического предприятия от централизованных энергогенерирующих компаний.
Рис. 2. Утилизационный контур высокотемпературного участка производства изопрена на базе ПГУ
где ПТ - паровая турбина противодавления
Схема 2. ЭТКС работает по парогазовому циклу. В данном случае (рис.2) котлы-утилизаторы вырабатывают водяной пар тех же параметров, что и в первой схеме. Получаемый пар в КУ1 и КУ2 предлагается направлять в общий паропровод, откуда он поступает на паровые турбины противодавления ПТ, где расширяется до давления 0,4 МПа. Такой пар находит применение на рассматриваемом производстве и может быть полезно использован для технологических нужд. В данном случае общее количество вырабатываемого пара составляет 40,5 кг/с, что позволяет установить турбогенераторные блоки противодавления.
Сравнительный анализ двух способов организации ЭТКС производился по традиционной методике на основе построения энергетических балансов и расчета показателей тепловой и термодинамической эффективности (КПД) [5]. Энергетический и эксергетический балансы высокотемпературного участка для схем 1 и 2 представлены уравнениями (1, 2) и (3, 4) соответственно:
й т+2с + й эл++йв + епер =
т
= йпар + й ух + й ух + й эл + й пр + ^ й пот
1=1 ; (1) Е т + Е с + Е эл + Е п.в + Е в + Е пар =
т
= Е пар + Е ух + Е ух + Е эл + Е пр + ^ Е пот
1=1 ; (2)
q т+2с + q эл+2п.в+ег*+епер =
к гту т ^^
: йпар + йух + йух + й эл + й эл + й пр + у 2пот
1=1
с с с к г? г? гту ,-т тех Е т + Е с + Е эл + Е п.в + Е в + Е пар =
— Е пар + Е ух + Е ух + Е эл^ + Е эл + Е пр + У Е пот
I—1
(4)
й
где - теплота топлива, кВт; - теплота с сырьем, кВт;
й с
й эл
- тепловой
эквивалент электрической энергии затраченной на сжатие в компрессоре ГТУ, кВт;
й й отех
- теплота с воздухом, кВт; ^п в - теплота с питательной водой, кВт; ^пар -
теплота с паром для технологии, кВт; й пр -
. й пар
теплота с отпускаемым паром, кВт;
теплота с продувочной водой
йГ1у
теплота дымовых газов, кВт; ^эл
, кВт; й ух - теплота контактного газа, кВт; й ух -
тепловой эквивалент отпускаемой й
электрической энергии от ГТУ, кВт; эл - тепловой эквивалент отпускаемой
т,п
У, О пот
электрической энергии от паровой турбины противодавления, кВт; 1=1 - потери энергии, кВт.
При этом тепловой и эксергетический КПД рассматриваемых ЭТКС составил: - для первого варианта:
п т —
йптол
йпар + й кх + й
гту
эл
П ех —
°подв й т +йс+о эл+о п.в+о в + йпер й п^л Е п
+ Е к + Е гту
1 пар + Е ух + Е эл
й подв Е т + Е с + Е эл + Е п.в + Е в + Е Пр
(5)
(6)
- для второго варианта:
2 й Пт
т
пол
й пар + й ух + й эл + й
этл
йподв йт +йс+й эл+й п.в+й в + йпер
(7)
ех
2 Епол П ех —-
Е
пар
+ Е к + Е гтУ + Е т
+ Е ух + Е эл + Е эл
Е
подв
Е т + Е с + Е эл + Е п.в + Е в + Е пар
(8)
йпт
Е ех
и Е пол - полезно используемая теплота и эксергия.
где
В табл. 1 и 2 представлены тепловые и термодинамические балансы для рассматриваемых вариантов ЭТКС высокотемпературного участка производства изопрена двухстадийным дегидрированием изоамиленов.
Таблица 1
Структура теплового баланса 1 варианта ЭТКС
Приходная часть баланса Расходная часть баланса
Поток й,% Е,% Поток й,% Е,%
Химическая теплота топлива для печи 16,6 21,3 Потери с уходящими дымовыми газами 12,7 6,3
Химическая теплота топлива для ГТУ 41,6 53,4 Теплота контактного газа 6,1 3,0
Теплота с воздухом 0,8 0,1 Теплота с отпускаемым паром р=1,3МПа 62,1 48,1
Теплота с сырьем 0,8 0,3 Потери 9,1 9,1
Тепловой эквивалент сжатия в компрессоре ГТУ 2,3 8,2 Тепловой эквивалент отпускаемой электроэнергии 9,6 33,2
Теплота с питательной водой 2,8 0,4 Теплотаспродувкой □ ре
□2,3П8,2ПТепловой эквива лент отпус
электр оэне ргии □ 9,6^3 3,2
ота с питател ьной в
□2,8'0,4' Теплотаспро дувк
рессоре ГТ
УП2,3П8,2ПТепловой эквивалент отпускаемой эл
роэнергии '9,6'33,2Ш'Ш Т еплота с питательной вод
,8^0,4 □ Теп лота спроду вкой
ГТУ Ш,3^8,2^ Теплов ой эквивалент отп ускае мой э лектроэнергии^9,6^3 3,2ШШОТеплота с пит ател
водойШ,8Ш,4^Тепл отаспродувкой^^ □□□□ 1 □□Те плота с водяным паром^35,0 □ 16, 4Ш
□ □□□ИтогоШ00Ш00^И того □ 100 □ 100Ш^Ш Тепловой КПД □б' □ □□□Эксер гетич еский
□53%^Таблица 2 □ Стр укту ра тепл овог о ба
а 2 варианта ЭТКСоо Приходная часть баланса Расх одна я часть балансами ПотокQ,%□E,%ПотокQ,%□E,0/ □ □□ > Хими
я теплота топлива для печиШ 6,6 21,3 □Потери с уходящими д ым
и газами □12,7^6,3^ШШХ мичес кая т
топлив а дл я ГТ УМ1,6 □53, 4^Те
а контактного газа
Теплота с во здухом
е
8П0,1ПТ е
плота с отпускаемым паром р=0,4МПаП57,5П32,2ПППППТеплота с сырьем ^0,8^0 ,3ППотериП9,1П9,1ПППППТепловой эквивалент сжатия в компрессоре ГТУП2,3 □8,2ПТепловой эквивалент отпускаемой электроэнергииП14,2П49,2ПППППТепл ота с питательной водой^2,8^0,4^Теплотаспродувкой^^^^^^^^^^Теплота с водяным паром^35,0тб,4^ШШШШШИтого □ Ш^Ш^Нтого М00
□ ТепловойКПД^67,7%^^^^^Эксергетический КПД' 60,5%' Выво
дыРезультаты проведенного анализа показали, ч
1. то предлагаемые мероприятия энергосбережения на высокотемпературно м участке стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен имеют достаточно высокие
показатели теплового и эксергетического КПД и с энергетической точки
• р
• ния явля
• ю
• тся перспективными для применения на нефтехимических производствах.' Схем ает рядом преимуществ, так как отпуск электрической энергии здесь выше на 10% с бо высоким КПД.' Окончательное решение по выбору структуры ЭТКС должно принима нико-экономического анализа с учетом
• особенностей рассматриваемой теплотехнологической линии, что предполагаетс
я сделать в дальнейшем^ m m a
ry The con
idered problem of two high temperature energotechnological rearrangement stage methods of isoamylene dehydrogenati
on into an isoprene based on gas-turbine and combined cycle plan ts. The results of comparing of thermal and exergic analysis are offered and optimized s
chemes are developed.UKey words: energotechnological rearrangement, comb
использования вторичных энергоресурсов на энергоемких предприятиях для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии с применением современных энергетических технологий // Промышленная энергетика. 2006. №9. С.2-8.
4. Конахина И.А., Бальзамов Д.С. Повышение эффективности пароснабжения крупнотоннажного нефтехимического производства // Материалы докладов II межд. научно-техн. конф. «Автоматизация машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования». Вологда: ВоГТУ, 2006. С.18-21.
5. Конахина И.А., Бальзамов Д.С. Повышение энергетической эффективности системы комбинированного отпуска тепловой и электрической энергии в производстве изопрена // Материалы докладов международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию Ф.З. Тинчурина «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России». Казань: КГЭУ, 2006. С.27-28.
Поступила в редакцию 20 мая 2008 г.
Бальзамов Денис Сергеевич - ассистент кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-927-4303606; (843) 519-42-56. E-mail: dbalzamov@mail.ru.
