CC BY
58
Savel'janov Vil'jam Petrovich, doctor of chemical sciences, professor, savel-yanovvp@yandex.ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk's Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University.
УДК 62-503.5
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОЛОННЫ СИНТЕЗА МЕТАНОЛА
А.В. Соболев, А.И. Ляшенко, Ю.В. Соболева, Д.П. Вент
На примере агрегата производства метанола описана методика определения эксергетической чувствительности характерных режимов работы колонны синтеза, которая позволяет выбрать оптимальный с позиции энергосбережения вектор управлений в статике.
Ключевые слова: система автоматического регулирования, критерий энергосбережения, потери эксергии, колонна синтеза метанола, эксергетическая чувствительность.
Получить объективную оценку степени использования энергетических ресурсов в реальных химико-технологических системах (ХТС) и дать рекомендации по их улучшению позволяет эксергетический метод термодинамического анализа. В то же время весьма недооцененным остается применение эксергетического подхода при организации управления технологическими процессами и производствами. Однако часть энергетических потерь в ХТС приходится на стабилизацию режима работы самой системы в условиях постоянно действующих возмущений и, как показывает анализ типовых САУ, в которых зачастую в качестве управляющих факторов выступают необратимые процессы смешения, дросселирования, тепло- и мас-сопередачи, а также процессы горения, эти потери относятся именно к необратимым, т.е. к потерям эксергии.
В связи с этим актуальной является организация процессов регулирования и управления ХТС таким образом, чтобы уменьшить потери эксергии в узлах топологии производства, где необходимо подводить управляющие воздействия в виде различных байпасов, потоков сырья на синтез, операторов смешения, тепло- и массообмена. Решить данную задачу, в частности, можно уже на уровне проектирования САР, обладающих избыточностью в управлении.
Примерами таких систем являются энергосберегающие САР [1], позволяющие оптимизировать процесс управления ХТС одновременно по динамическим и энергетическим показателям.
В источнике [2] проанализирована возможность построения энергосберегающей САР температурным режимом колонны синтеза метанола с двумя управляющими воздействиями на каждую полку с катализатором. Выделен динамически эффективный (регулирование расходом холодного газа через байпас) и энергоэффективный (регулирование расходом воды в межполочном утилизационном теплообменнике (МУТ)) каналы управления. Использование холодных байпасов (ХБ) позволяет построить динамически эффективную САР температурным режимом, отличающуюся высоким быстродействием, а задействование МУТ оправдано с термодинамической позиции. В случае управления холодными байпасами тепловая энергия синтеза используется лишь для подогрева свежего синтез-газа в рекуперативном теплообменнике, а процесс управление с помощью МУТ позволяет не только утилизировать энергию реакционного тепла в рекуператоре, но и дополнительно получать технологический пар высокого качества в котле-утилизаторе (сопровождается меньшими потерями эксергии).
Эффективное функционирование энергосберегающей САР предполагает организацию ее структуры и выбор соответствующих законов регулирования на основе объективного критерия оптимизации, позволяющего принять во внимание специфику отдельных ХТС. В линеаризованной форме подобный критерий может быть представлен как
I дАВ(Аи,)
АО -— •Ау(Ам/) ^ тт, (1)
7=1 ду 7
дАО(Аи.)
где АО - потери эксергии в ХТС; -= 8АО - эксергетическая чув-
ду
ствительность режимов работы ХТС к j-му управляющему воздействию; Ау(Аи 7) - изменение регулируемой переменной от воздействия по j-му
каналу управления.
Из (1) следует, что проектирование энергосберегающих САР непосредственно связано с расчетом величины эксергетической чувствительности ХТС, которая позволяет определить реакцию регулируемой переменной у при фиксированном векторе возмущений ю и векторе управлений и = [м1,и2,...,ик +дик,...,иг], а также величины эксергетических потерь АО(и, ю), необходимых для проведения технологического процесса, на приращение того или иного управляющего воздействия.
Определим эксергетическую чувствительность технологического процесса синтеза метанола к управлению температурным режимом колон-
ны за счет изменения подачи холодного газа через байпасы и к управлению за счет изменения подачи холодной воды в МУТ.
Для расчета предлагается использовать следующий алгоритм.
1. На основании данных, полученных на действующем производстве или путем математического моделирования, определяется номинальный технологический режим работы колонны синтеза в статике.
При совместном управлении температурным режимом колонны синтеза метанола смесительный объем после слоя катализатора, в котором происходит охлаждение газа, будет характеризоваться некоторой комбинированной математической моделью, в связи с чем совместное управление будет отличаться от раздельного как по технологическим, так и по энергетическим параметрам.
В качестве допущения принято, что в смесительном объеме после слоя катализатора вначале происходит смешение газа основного хода с газом через холодный байпас, а потом теплообмен с хладагентом через змеевики МУТ.
Уравнение обобщенного теплового баланса имеет следующий вид:
Рх.бсРу. л Тх.б. +Ох)РхСрх тх0) =
= О + О«) Р2Срг т + ОрРхСрх т(к\ (2)
При этом
О = °с.г.--£ О%
г=1
где О, Осг , , Охг) - соответственно расход газа основного хода, исходного синтез-газа, расход газа через ьй холодный байпас и расход хладагента в ьм МУТ, м3/с; р(в), рх б , Р2, Рх - плотность газа на выходе слоя катализатора, через холодный байпас, после смешения и плотность хладагента в МУТ, кг/м3; сп(в), сп „ , сп , сп„ - теплоемкость газа на выходе
' ' Р1 ' рх.б. ' рх ' р2
слоя катализатора, через холодный байпас, после смешения и теплоемкость хладагента в МУТ, кДж/(кг-°С); Т^в), Т, Тхб , Тх(0), Т(к) - соответственно температура газа после слоя катализатора, после охлаждения, начальная и конечная температура хладагента в МУТ, °С.
Согласно (2) температура, до которой охлаждается газ перед поступлением на последующие слои,
т Ор(в)Ср(в)т/в) + С^брх.б.срхб Тх б. + О^РхСрх (т(0) - т(к)) ' = (С + )'Р2СР2 .
2. Для номинального режима работы рассчитываются потери эксер-гии на управление, обусловленные необходимостью охлаждения газа основного хода по высоте колонны синтеза за счет смешения с холодным газом через байпасы и за счет теплообмена с хладагентом в МУТ.
Общие потери эксергии имеют аддитивный характер и будут определяться суммой соответствующих потерь эксергии, привносимых каждым из каналов управления:
где ЛС>о - суммарные потери эксергии в смесительном объеме после слоя
ХБ
катализатора, кВт; АОо - потери эксергии от смешения газа основного и
гентом в МУТ, кВт.
3. С помощью эксперимента на действующем объекте или на его модели поочередно производится переход от номинального режима работы в некоторый новый допустимый режим путем приращения того управляющего воздействия, влияние которого исследуется:
а) увеличение расхода холодного газа через байпасы при постоянстве расхода воды в МУТ;
б) увеличение расхода воды в МУТ при постоянстве расхода холодного газа через байпасы.
4. Рассчитываются текущие потери эксергии для полученных режимов работы колонны.
5. Путем замены дифференциалов соответствующими приращениями определяется эксергетическая чувствительность к управлению холодными байпасами и МУТ, при этом поочередно определяются реакции управляемой переменной и величины эксергетических потерь на приращение той компоненты управляющего вектора, влияние которой исследуется.
Результаты имитационного моделирования приведены в таблице, а профиль температур по высоте колонны для номинального и текущих режимов работы в статике представлен на рисунке.
На основании представленных данных рассчитаем эксергетическую чувствительность к управлению вторым слоем катализатора с помощью ХБ и МУТ соответственно:
АВ0 =АВХБ + АоМШ,
байпасного хода, кВт; - потери эксергии от теплообмена с хлада-
Результаты моделирования статических режимов работы колонны
синтеза метанола
Технологический параметр Расход синтез-газа на линии нагнетания циркуляционного компрессора, м3/с (принимается равным 3,78)
Номинальн режим Новый режим
Упр-ем ХБ Упр-ем МУТ
Расход газа основного хода, м3/с 3,402 3,289 3,402
Температура газа на входе в колонну, °С 220 220 220
Температура газа через ХБ, °С 45 45 45
Температура воды в МУТ, °С 70 70 70
Температура газа после 1-го слоя катализатора, °С 248,352 249,705 248,352
Расход газа через 1-й ХБ, м/с 0,107 0,145 0,107
Расход воды через 1-й МУТ, м/с 0,0008 0,0008 0,0012
Температура газа на входе 2-го слоя катализатора, °С 236,711 235,194 234,898
Потери эксергии после 1 -й полки, кВт смешение 84,756 114,637 84,756
теплообмен 66,969 66,063 97,582
Температура газа после 2-го слоя катализатора, °С 264,198 263,29 262,386
Расход газа через 2-й ХБ, м3/с 0,126 0,164 0,126
Расход воды через 2-й МУТ, м3/с 0,001 0,001 0,0013
Температура газа на входе 3-го слоя катализатора, °С 249,871 246,658 246,946
Потери эксергии после 2-й полки, кВт смешение 110,938 142,356 109,62
теплообмен 93,646 91,133 117,002
Температура газа после 3-го слоя катализатора, °С 265,311 262,262 262,387
Расход газа через 3-й ХБ, м3/с 0,145 0,183 0,145
Расход воды через 3-й МУТ, м3/с 0,0012 0,0012 0,0015
Температура газа на входе 4-го слоя катализатора, °С 249,535 244,619 245,827
Потери эксергии после 3-й полки, кВт смешение 128,244 157,431 125,8
теплообмен 110,969 106,359 131,536
Температура газа на выходе колонны, °С 275,051 270,136 271,344
^отношение SAD > SAD^ говорит о том, что процесс охлаждения газа в колонне синтеза метанола холодными байпасами сопровождается большими потерями эксергии на градус Цельсия.
2 45 2 65
- Ss -
- \ \Х \ -
----
i?20 230.269 240.533 250. S06 261 075 271.344
Температура, ^С
Изменение температуры по высоте колонны синтеза метанола (сплошная линия - номинальный режим работы; штриховые линии -допустимые отклонения от номинального режима)
Таким образом, предложенная методика эксергетического исследования процесса синтеза метанола позволяет сделать вывод о том, что с позиции энергосбережения охлаждать температуру газа по высоте колонны в статике выгоднее с помощью подачи хладагента в МУТ, т.е. сочетать управляющие воздействия необходимо таким образом, чтобы максимизировать количество утилизируемого тепла МУТ, что соответствует минимизации количества тепла, снимаемого холодными байпасами.
Список литературы
1. Соболев А.В., Вент Д.П. Энергосберегающие регуляторы: задачи и структура // Датчики и системы. М.: Изд-во «СенСиДат», 2009. №10. С. 23-28.
2. Энергосберегающее управление технологическими процессами / А.В. Соболев [и др.] // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 326-334.
Соболев Алексей Валерьевич, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, AlexSobolev75@mail.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,
Ляшенко Александр Иванович, аспирант, alexlyashenkoajive.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,
Соболева Юлия Владимировна, соискатель, Soboleva2135@rambler.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,
Вент Дмитрий Павлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, dvent@list.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева
METHODOLOGY FOR DETERMINING THE EXERGY SENSITIVITY OF STA TIONARY OPERATING MODES OF COLUMN METHANOL SYNTHESIS
A.V. Sobolev, A.I. Lyashenko, J. V. Soboleva, D.P. Vent
On the example of the methanol production the methodology for determining the ex-ergy sensitivity of characteristic operating modes of column synthesis is described, it allows to select the optimal control vector in statics from a position of energy-saving.
Key words: system of automatic regulation, criterion of energy-savings, exergy loss, column methanol synthesis, exergy sensitivity.
Sobolev Alexey Valerevich, candidate of technical sciences, docent, the head of a chair, AlexSobolev75@mail.ru, Russia, Novomoskovsk, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia (Novomoskovsk Institute),
Lyashenko Alexander Ivanovich, postgraduate, alexlyashenko@live.ru, Russia, Novomoskovsk, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia (Novomoskovsk Institute),
Soboleva Julia Vladimirovna, applicant, Soboleva2135@rambler.ru, Russia, Novomoskovsk, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia (Novomoskovsk Institute),
Vent Dmitriy Pavlovich, doctor of technical sciences, professor, the head of a chair, dvent@list.ru, Russia, Novomoskovsk, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia (Novomoskovsk Institute)
