CC BY
152
УДК 621.593
Г. И. БУМАГИН В. Н. СОРОКИН Е. И. РОГАЛЬСКИЙ
Омским государственный технический университет 'ООО «Научно-технический комплекс «Криогенная техника», Омск
МОДЕРНИЗАЦИЯ ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ ТИПА К-0,4, АК-1,5 и др._
В статье описана модернизация воздухоразделительной установки (ВРУ) среднего давления К-0,4 производства ОАО «Кислородмаш», размещенной на Автогенном заводе в городе Омске. Приведены перспективные схемы модернизации ВРУ для увеличения выхода кислорода на жидкостном режиме. Выполнено сравнение некоторых путей осуществления модернизации. Отражены основные результаты проведенной модернизации. Ключевые слова: воздухоразделительная установка, жидкий кислород, модернизация, холодильная машина, азотный циркуляционный контур, цикл среднего давления, цикл низкого давления.
I. Введение
Практика поставки продуктов разделения воздуха ПРВ (кислорода и азота) показала, что наиболее экономичным способом является поставка газов в сжиженном состоянии (а не в баллонах под высоким давлением, как это в основном делалось ранее), и многие предприятия, несмотря на значи тельные капитальные затраты па покупку криогенного емкостного оборудовании, предпочи тают пот способ транспор тирования ПРВ, как наиболее экономически выгодный
Большинство возлухоразделительпых установок (ВРУ) средней производительности типа К-0,4, АК-1,5 М01ут выдавать ПРВ в жидком виде лишь в небольших количествах. Так ВРУ среднего давления средней производительности могут эксплуатироваться как в газообразном режиме, так и получении жидких ПРВ. Для серийных ВРУ данного класса, выпущенных ранее в 80-00-х годах, доля отбираемых жидких ПРВ на жидкостных режимах обычно находится в пределах 5-8 % от перерабатываемого воздуха. На ВРУ высокого давления эта доля составляет 13-18%, что выше в 2,5-3,5 раза. Поскольку для ВРУ высокого давления увеличение затрат энергии на сжа тие возрастае т всего в 1,25-1,4 раза, то себестоимость получения жидких ПРВ на серийно выпускаемых ВРУ среднег о давления значительно выше. Однако у ВРУ высокого давления, несмотря па относительное невысокое удельное потребление энергии при работе в жидкостном режиме, имеются свои cepi.e3in.ie недостатки: это высокий уровеныпума и вибраций при работе поршневых компрессоров, высокая трудоемкостьобслуживания, слабая автоматизация и др.
Поэтому для повышении конкурентоспособности ВРУ среднего давления при работе на жидкостном режиме требуется увеличение доли отбираемых продуктов, что позволит снизить удельные энергозатраты и эксплуатационные расходы на обслуживание данного типа установок.
Ниже предлагаются способы совершенствования
ВРУ среднего давления типа К-0,4 и АК-1,5 и показаны результа ты модернизации установки К-0,4 в ОАО «Автогенный завод», г. Омск.
II. Способы совершенствования ВРУ
При совершенствовании ВРУ требуется решать ряд противоречивых задач. С одной стороны, при дополнительной конструктивной проработке1 желательно не усложнять схему и аппара ты ВРУ и затратить на перевооружение ВРУ минимум средств, а с другой снизить удельное энергопотребление на получение жидких ПРВ и повысить термодинамическое совершенство криогенного цикла.
Кроме топ), модернизации установки не должна исключать ее эксплуатацию в традиционных режимах получения газообразных продуктов, имеющих относи тельно неплохие характеристики.
Так, номинальная производи тельность установки К-0,4 в режиме получения газообразного кислорода составляет 400 450 кг/ч, а в режиме получения жидкого кислорода производительность составляет 165 кг/ч, т.е. доли отбираемого жидкого кислорода — около 0,048. Имеющиеся в установке резервы по перерабатываемому воздуху позволяют повысить выход жидкого кислорода в 2,4-2,7 раза и более. Повышение выхода жидкого кислорода требует значи тельного увеличения холодопроизводительности, для чего необходимо совершенствование имеющихся агрегатов, аппаратов и схемного решении ВРУ, включая ввод в схему дополнительных источников холода и способов его получении. Поставленную задачу можно решить при помощи следующих технических решений:
— оптимизации рабочих параметровтурбодетаи-дера и установки;
дополнительная установка холодильной машины или системы холодильных машин;
— организация дополнительного криогенного циркуляционного кон тура.
Некоторое увеличение выхода жидкого кислоро-
Таблица 1
Параметры циркуляционного контура
Kill.и. 1 Кжазатон. исд ЦНД
1 1 им компрессора иорншсвоИ внитовоП
2 Давление нагнетания компрессора. Ml la 6.5 1.4
3 Изотермический Kl 1Д компрессора 0.6 0,62
4 Давление на входе в детандер. Ml la 6,2 1.3
5 Температура на входе в детандер. К 1X0 145
6 Давление на выходе in летам дера. Ml la 0.13 0.13
7 Адиаба im мм Kl 1Д де i андера 0.7 0.75
Таблица 2
Сравнительные характеристики установки К-0,-1 до и после модернизации на жидкостном режиме
№ мм. 1 1оказателн До модернизации 1 loe.те модернизации
1 Количество перерабатываемою воздуха, м'/ч 2600 2600
2 Количество перерабатываемого азота, м /ч - 960
3 Давление воздуха. Ml la 6.0 6.0
4 Давление азота в циркуляционном контуре. Ml la - 3.5-6.5
5 Количество получаемого кислорода, ki/ч 165 до 375
6 Доля отбираемого кислорода, об. доли 0.048 0.11
7 Удельные затраты шерпш. кВтч/кч 3.2 1.9
8 ')ксср1стичсскнп 1<| |Д установки 0.110 0,186
да можно добиться за счетоптимизации параметров работы турбодетаидера и установки (увеличение доли воздуха, отбираемой на детандер, оптимизация температуры на входе в детандер и др.). При этом меняются параметры работы всей установки, что потребует доработки турбодетаидерного агрегата, имеющихся теплообмеш 1ых аппаратов и ввода дополнительных теплообменников I 11. Этот способ может повысить выход жидкого кислорода только на 5 — 10%, при относительно больших затратах. Поэтому были выбраны для решения згой задачи два других способа с включением дополнительных источников ХОЛОДОП рои 3 ВОДИТОЛ ЫIOCT11.
III. Анализ способов совершенствования ВРУ
На рис. 1 представлен варианты совершенствования ВРУ с помощью дополнительной установки системы холодильных машин, а на рис. 2 с помощью организации дополнительного криогенного циркуляционного контура.
Для определения наиболее эффективной работы установки были выполнены расчеты и анализ удельных затрат энергии на получение дополнительного количества жидкого кислорода /'уд. (рис.3).
Для случая применения холодильных машин (рис. I) удельные затраты энергии рассчи тывались из условия получения максимальной холодоироизводитель-пости па рассматриваемом температурном уровне охлаждения, обеспечивающей недорекуперацию в теплообменнике 3 не более 5 К.
При температурном уровне охлаждения при помощи холодильных машин пижетемпературы адсорбции принималось, что работае т две холодильные машины на различных температурных уровнях.
Для случая применении криогенного циркуляционного контура на азоте рассма тривались два варианта: на базе цикла среднего давления (ЦСД) и на базе цикла низкого давления (ЦНД), расчетные параметры которых приведенные в таблице I.
Как видно из рис. 3, при увеличении доли выхода кислорода до 0,13 наиболее эффективным являе тся применение холодильных машин. С увеличением доли выхода жидкого кислорода увеличиваются удельные затраты энергии в холодильных машинах.
Это связано с понижением температурного уровня получаемой холодопроизводителыюсти и ростом удельных геплопри токов из окружающей среды.
При значениях доли отбираемого кислорода, превышающих 0,13, более эффективен способ модернизации, предполагающий введение дополнительного криогенного циркуляционного контура. Причем с ростом доли выхода кислорода удельные затраты энергии уменьшаются, поскольку снижается удельный тенлоприток к аппара там циркуляционного контура. Сравнение различных циклов, применяемых в азотном циркуляционном контуре, показывает, что при малых значениях увеличения доли отбираемого кислорода (до 0,07) несколько эффективнее ЦНД. В дальнейшем сточки зрения удельных затрат энергии эффективнее ЦСД.
На рис. <1 представлена зависимость эксергетичес-кого КПД п,, и удельных затра т энергии /м воздухо-раздели тельных установок, представленных па рис. 1 и 2, от доли о тбираемого кислорода х. Из него следует, ч то в случае использования в качестве дополнительного источника холодопроизводителыюсти холодильных машин до доли х=0,11 эксергетический коэффициент установки возрастает, а удельные затраты .энергии падают. 11ри достижении этого значения х удельные затраты на получение кислорода со-ставляютоколо 1,64 кВт-ч/кг, а эксерге тический КПД достигает максимума 111 «21,5%. При болен1 высоких значениях х эксергетический КПД снижается, а удельные затраты энергии возрастаю т.
Таким образом, как показывает рис. 4, применение холодильных машин эффективно при рассмотренных выше условиях до х~0,11, что соответствует температурному уровню охлаждения с помощью холодильных машинТ= (-70°С) — (-75°С).
В случае использования в качестве дополнительного источника холодопроизводителыюсти азотного циркуляционного контура эксергетический КПД постепенно возрастает одновременно с падением удельных затрат энергии. Этот способ становится сравнительно эффективным при значениях более более 0,13. Следуе т также отметить, что при использовании в качестве рабочего тела не азота, а другого доступного газа, например сухого воздуха, возмож-
/Ки,|К||М кмслоро.! Потребителю Т
Рис. I. Принципиальная схема модернизированной воздухоразделительной установки К-0,4 с применением холодильных машин: 1 - компрессор; 2 - влигоотделитель; .'I - предварительный теплообменный <11111<1P<11; 1 - блок очистки и осушки; 5 - основной теплообменник; 0 - турбодетандер; 7 - узел ректификации; 8 - насос сжиженного кислорода; 9 - холодильном машина предварительного охлаждения; 10 - низкотемпературная холодильная машина
/К'МЛЬ'ИМ К'ПС.ЮрОТ ИОТргГш Г0.ТИ1 »
Рис. 2. Принципиальная схема модернизированной воздухоразделительной установки К-0,4 с применением циркулнцнонно-10 азотного контура: I - воздушный компрессор; 2 - азотный компрессор; 3, I - вл<н »маслоотделители; 5, 0 - предварительные тенлообмеиные аппараты; 7 - блок очистки и осушки; (1 - масляный фильтр; 9, 10 - основные теплообменные аппараты; 11,12- турбодетаидеры; 13 - узел ректификации; I I - насос сжиженного кислорода
о--------------------:-----I-
0.045 0.065 0.085 0.105 0.125 0.145 0,165 *• об.воли
-1 -2 3
Рис. 3. Сравнение удельных затрат энергии на получение дополнительного количества жидкого кислорода при использовании различных источников холодопроизводительности: I - холодильные машины; 2 - циркуляционный азотный контур среднего давления (р=6,5 МПа); 3 - циркуляционный контур низкого давления (р=1,4 МПа)
0.04768 0 06768 0,08768 0.10768 0.12768 0,14768
кВт ч/кг
3,2
3 2,8 2,6 2.4 2.2 2 1.8 1.9 1.4 1.2
0.16768 *• об аоли
Рис. 4. Влияние количества отбираемого кислорода на эксергетический КПД установки при использовании различных источников холодопроизводительности: I - холодильные машины; 2 - циркуляционный азотный контур среднего давления (р=6,5 МПа)
но улучшение показателей ВРУ с криогенным циркуляционным контуром [2].
IV. Результаты модернизации ВРУ К-0,4
Для проведения модернизации ВРУ К-0,4 в ОАО «Омский автогенный завод» за основу была выбрана схема установки, показанная на рис. 2. Выбор был обоснован следующими причинами:
- введение в установку холодильных машин потребует не только создания дополнительных тепло-обменных аппаратов, но и увеличения теплопереда-ющей поверхности имеющихся теплообменных аппаратов, поскольку уменьшаются температурные напоры между потоками;
- для значительного увеличения доли выхода кислорода требуется две или более холодильных машины, что усложняет технологическую схему и регулирование процесса, также требует относительно бол ы 11 и х денеж и ы х затрат;
- имеющееся в ОАО «Омский автогенный завод» в резерве необходимое оборудование для модернизации установки (турбодетандер ТД-1,3/4, теплооб-
менник-ожижитель установки К-0,15) позволяло создать с наименьшими затратами достаточно эффективную воздухоразделительную установку по схеме на рис. 2 с наименьшими затратами.
В качество циркуляционного компрессора для сжатия азота использован воздушный поршневой компрессор среднего давления 305ВП-16/70. Очистка и осушка сжатого азота осуществляется в блоке комплексной очистки и осушки ЦБ 1000/64, установленном после предварительного теплообменника. Циркуляционный компрессор, блок комплексной очистки и осушки и предварительный теплообменник входят в состав резервной установки К-0,15, смонтированной в здании, где расположена установка К-0,4. При этом резервная установка сохраняет с вою работос п особ н ость.
Дополни тельный криогенный блок циркуляционного контура включает в себя турбоде тандер, основной теплообменный аппарат, систему трубопроводов, регулирующую арматуру и необходимые контрольно-измерительные приборы и имеет размеры 1,5 м х 1,0 м х 1,7 м (рис. 5).
Рис. 5. I Iii пел I. управления блока разделения модернизированной установки К-0,4 (слева) и криогенный блок циркуляционного контура с системой подачи масла и масляный тормоз (справа)
Изменение хсхлеуурлрежзве^ите'лыюсти циркуляционного контура осуществляется ро1улировкой давления в контуре, чте> достигается варьированием числом оборотов турбодетандераДТ 1,3/4 с масляным тормозом.
На рис. 5 представлен внешний вид панели управления модернизированной установки К-0,4 и криогенного блока циркуляционного контура.
В табл. 2 показаны сравнительные характеристики установки К-0,4 до и после модернизации при работе на жидкостном режиме.
Как видно из табл.2, проведенная модернизация обеспечила при работе установки на жидкостном режиме увеличение' выхода жидкого кислорода со 165 кг/ч до 375 кг/ч, т.е. в 2,27 раза и сокращение удельных зат рат в 1,68 раза.
V. Заключение
Воздухоразделительпые установки среднего давления приспособлены для производства газообразных продуктов, но также могут эксплуатироваться в жидкостных режимах. Несмотря на это, получение на них продуктов только в жидком виде крайне нежелательно, так как при этом удельные затраты намного превосходя т аналогичные затраты специализированных ВРУ, производящих жидкие Г1РВ.
Тем не менее в тех случаях, когда уже имеется ВРУ среднего давления и высока по требность в получении именно жидких ПРВ, возможно осуществление модернизации, существенно улучшающей характеристики такой ВРУ. Как показали расчеты, модернизация ус тановки может'базирова ться на основе включения в схему дополнительных холодильных машин и/или циркуляционного контура. Такая установка может успешно эксплуатироваться и при получении газообразных продуктов без ухудшения ее характеристик на этом режиме1,, для чего просто отключаются дополнительные источники холоде ¡производи тельности.
С точки зрения энергетических за трат', при объемной доле отбираемого кислорода де> 0,11, наиболее эффективно применение» холе)дильиых машин, при большей доле — применение циркуляционного ке>п-тура. В случае комбинации описанных методе ж ве>з-можно создание1 наиболее эффективной модернизированной установки, как с точки зрения удельных
затрат энергии, так и с позиции полнеггы извлечения кислоре>да из воздуха, однако, это приведет к значительному увеличению капитальных затратна модернизацию и усложнению обслуживания установки.
Проведенная в ОАО «Омский автогенный завод» модернизация установки К-0,4 па основе азотного циркуляционного контура позволила сократить удельные затраты энергии в 1,68 раза при ре>сте производительности со 165 кг/ч до 375 кг/ч. Дальнейшее увеличение производительности пе> жидкому кислороду де> 600 кг/ч приведет к сокращению удельных затрат энергии де> 1,53 кВт-ч/кг и ниже;, ч то более' чем в 2 раза меньше показателей серийно выпускаемой установки. Модернизированная установка успешно эксплуатируется более 2 лет.
1>ибл1101'|>ае|)нческип список
I Горенштейн И.В., Лавренчепко Г.К. Анализ способов увеличения выхода жидких продуктов в поздухо-раздел и тельных установках среднего давления // Тех-пические газы. - 2003. - №3. - С. 33-37.
2. Анализ воздухоразделите»Л1.ных установок низкого давлении малой производительности контейнерного тина с: выдачей жидких продуктов / Г.И. Пумагин, A.li Зиновьева, С П Мопчан и др. // Технические газы. — 2002. - №4. - С. 31-35.
БУМАГИ II Геннадий Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Техника и физика низких температур», Омский государственный технический университет. СОРОКИН Владимир Николаевич, доктор технических паук, профессор, еаведующий лабораторией вол-повой механики кафедры «Основы теории механики и автоматического управления», Омский государственный технический университет. РОГЛЛЬСКИЙ Евгений Иванович, младший научный сотрудник лаборатории емкостного оборудования ¥ ООО НТК «Криогенная техника». |
X
ж >
Дата поступления статьи в редакцию: 0Ö.1 1.2008 г. © Ьумагин Г.И., Сорокин В.П., Рогальский H.H. Hue
