CC BY
92
УДК 681.5
https://doi.org/10.24412/2310-8266-2021-1-2-64-67
Оптимизация процесса горения в трубчатых печах с целью стабилизации режима работы
Сапрыкина Л.С., Осечкина А.А., Зуйков А.В.
ОАО «ВНИПИнефть», 105005, Москва, Россия E-mail: [email protected] E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
Резюме: Трубчатые печи являются основными аппаратами, обеспечивающими тепловой режим технологических процессов нефтепереработки, а также основным потребителем топлива на НПЗ. От состава используемого топлива зависит его количество, подаваемое в печь, и вредные выбросы в атмосферу. Работа посвящена оптимизации процесса горения в трубчатых печах, а также уменьшению потребления топливного газа и снижению вредных выбросов за счет применения корректирующего сигнала от регулятора стабилизации содержания кислорода в дымовых газах на регулятор соотношения топливный газ-воздух.
Ключевые слова: вредные выбросы, оксиды азота, дымовые газы, коэффициент расхода воздуха, перерасход топлива, процесс горения топлива, технологические печи, КПД, топливный газ.
Для цитирования: Сапрыкина Л.С., Осечкина А.А., Зуйков А.В. Оптимизация процесса горения в трубчатых печах с целью стабилизации режима работы // НефтеГазоХимия. 2021. № 1-2. С. 64-67. D0I:10.24412/2310-8266-2021-1-2-64-67
OPTIMIZATION OF THE COMBUSTION PROCESS IN TUBE FURNACES IN ORDER TO STABILIZE THE OPERATING MODE
Lolita S. Saprykina, Aleksandra A. Osechkina, Aleksandr V. Zuykov
VNIPIneft JSC, 105005, Moscow, Russia E-mail: [email protected] E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
Absract: Tubular furnaces are the main devices providing the thermal regime of technological processes of oil refining, as well as the main consumer of fuel at the refinery. Thecompositionofthe fuel used depends on the amount supplied to the furnace, as well as the amount of harmful emissions into the atmosphere. The work is devoted to optimizing the combustion process in tube furnaces, as well as reducing fuel gas consumption and reducing harmful emissions, due to the application of a correction signal from the regulator for stabilizing the oxygen content in flue gases to the regulator of the fuel gas / airratio. Keywords: harmful emissions, nitrogen oxides; flue gases, air consumption coefficient, excessive fuel consumption, fuel combustion process, process furnaces, efficiency, fuel gas. For citation: Saprykina L.S., Osechkina A.A., Zuykov A.V. OPTIMIZATION OF THE COMBUSTION PROCESS IN TUBE FURNACES IN ORDER TO STABILIZE THE OPERATING MODE. Oil & Gas Chemistry. 2021, no. 1-2, pp. 64-67. DOI:10.24412/2310-8266-2021-1-2-64-67
Трубчатые печи являются основными аппаратами, обеспечивающими тепловой режим технологических процессов нефтепереработки, а также основным потребителем топлива на НПЗ. От состава используемого топлива зависит его количество, подаваемое в печь, а также вредные выбросы в атмосферу [1-4]. Поэтому оптимизация процесса горения в трубчатых печах является определяющей для экономики нефтеперерабатывающего комплекса.
Целью данной работы является стабилизация процесса горения в трубчатых печах, снижение перерасхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу.
Большинство эксплуатируемых на предприятиях печей отличается высокими концентрациями кислорода в дымовых газах. График ежедневного изменения концентрации кислорода в дымовых газах печей П-1 и П-2 установки АВТ-4 представлен на рис. 1.
Это свидетельствует о высоком значении коэффициента избытка воздуха а (а = 1,01-1,91), приводящего к частичному снижению КПД печей и перерасходу топлива, а также к увеличению вредных выбросов NOx - который является наиболее экологически опасным продуктом сжигания топлива [5-7]. График зависимости количества выбросов NOx от увеличения избытка воздуха представлен на рис. 2.
Это связано с тем, что подавляющее большинство печей не оснащено необходимыми приборами для стабилизации процесса горения.
Как правило, основные рекомендации автоматизации и управления трубчатой печи включают:
- поддержание постоянного расхода продукта;
- регулирование температуры потока на выходе из змеевика путем изменения расхода топлива;
- регулирование соотношения расхода топливный газ-воздух, исходя из коэффициента избытка воздуха;
- контроль содержания кислорода в дымовых газах (предусматривается сигнализация и блокировка при снижении концентрации кислорода в дымовых газах);
- контроль температуры дымовых газов на выходе из радиантной и конвекционной камер;
- контроль давления разряжения в камере сгорания. Проблемы повышенного содержания кислорода в дымовых газах, а также увеличения вредных выбросов в атмосферу, не решаются регулированием соотношения топливный газ-воздух, так как состав и теплотехнические свойства топливного газа постоянно изменяются. Вследствие этого необходимый избыток воздуха тоже должен
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
шо-
График ежедневного изменения концентрации кислорода в дымовых газах печей П-1 и П-2 установки АВТ-4
12 10 8 6 4 2 0
МП II 11 ■ 1' 1 1
к- 1 т~
уи 1 \ Ил V,. 1, .1 щ\ 1"
31.12.17 19.02.18 10.04.18 30.05.18 19.07.18 07.09.18 27.10.18 16.12.18 04.02.19
Дата
П-1 -П-2
График зависимости количества выбросов NOx от увеличения избытка воздуха
Зависимость изменения требуемого количества О2 от состава топлива № 1
Зависимость изменения требуемого количества О2 от состава топлива № 2
Зависимость изменения требуемого количества О2 от состава топлива № 3
Динамическая модель без использования корректирующего сигнала от регулятора стабилизации содержания кислорода в дымовых газах
1-2 • 2021
НефтеГазоХимия 65
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Рис. 6
Динамическая модель с использованием корректирующего сигнала от регулятора стабилизации содержания кислорода в дымовых газах
0_0:-|деп
ТС Ние да® :>0
V итак
на
V >
У-З
График изменения концентрации О2 в дымовых газах в зависимости от изменения состава топлива во времени
График изменения расхода топливного газа в зависимости от изменения состава топлива во времени
525 в> Ц 510 2 495 0 480 и 5 465 с 1 450 Й и се ец
14 ^ К 1ч
г г ----
• V / ==
к
4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 Часы -Существующая модель -Модель с корректирующим сигналом 44 48
График изменения расхода воздуха в зависимости от изменения состава топлива во времени
Рис. 7
Рис. 10
Расход воздуха, кг/ч Ь- Ь- Ю Ю Ш О ^л О <-л О <-/1 О О О О О О О О о о о о о о о
1 ч
—-1 О- И Ь
-Я-- —г [О —'—=
4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 Часы -Существующая модель — Модель с корректирующим сигналом
меняться, поскольку для каждого компонента нужно свое количество молей О2. Зависимость изменения требуемого количества О2 от состава топлива представлена на рис. 3-5.
Данная проблема решается путем направления на регулятор соотношения топливный газ-воздух корректирующего сигнала от регулятора стабилизации содержания кислорода в дымовых газах.
Задачей данного корректирующего сигнала является оптимизация процесса горения за счет поддержания коэффициента избытка воздуха в пределах 1,05-1,15. Данная задача решается путем дооборудования системы дополнительным газоанализатором кислорода и внесения изменения в программное обеспечение для осуществления корректировки расхода воздуха за счет уже существующей системы регулирования соотношения топливный газ-воздух.
На основании этого были смоделированы динамические модели работы шести печей установки ЭЛОУ-АВТ-5, позволяющие оценить значение расхода топливного газа и воздуха без и с использованием на регуляторе соотношения топливный газ-воздух корректирующего сигнала от регулятора стабилизации содержания кислорода в дымовых газах (рис. 6, 7).
Анализ работы динамических моделей заключался в периодическом изменении состава топливного газа, путем частичного открытия/закрытия клапана на одном из потоков топливного газа и измерении показателей. В ходе анализа данных расчетных моделей внимание было обращено на изменения количества топливного газа и воздуха, подаваемого к горелкам, а также на изменения концентрации кислорода в дымовых газах. Графики зависимостей изменения концентрации О2 в дымовых газах, расхода топливного газа и воздуха от изменения состава топлива во времени представлены на рис. 8-10.
По полученным данным изменения расхода топливного газа был произведен расчет вредных выбросов N0^ СО, СН4, SO2 и бенз(а)пирена [8]. Все результаты расчетов приведены в табл. 2.
Из данных,приведенных в табл.2, видно, что применение корректирующего сигнала от регулятора стабилизации содержания кислорода в дымовых газах на регуляторе соотношения топливный газ-воздух приводит к уменьшению потребления топливного газа, увеличению КПД
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU
(ИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
*о-
печей, снижению вредных выбросов NO, NO2, CO, CH4, SO2 и бенз(а)пи-рена.
Расчет экономической эффективности данного решения по дооборудованию печей газоанализаторами концентрации кислорода в дымовых газах подтвердил его целесообразность и эффективность. А с учетом дальнейшего ужесточения экологических требований и возможного увеличения суммы выплат за выброс вредных веществ в атмосферу, дооборудование системы дополнительным анализатором с корректирующим сигналом может иметь больший прирост прибыли и меньшие сроки окупаемости.
Таблица 2
Результаты расчетов вредных выбросов
Наименование Величина по 1-й модели Величина по 2-й модели А расхода
Топливный газ, кг/ч 2948 2820 128
Вредные выбросы 1\Ю, т/г 4,815 1,701 3,114
Вредные выбросы \Ю2, т/г 29,631 10,470 19,161
СО, т/г 41,154 34,082 7,072
СН4, т/г 4,115 3,408 0,707
SO2, т/г 1,506 1,285 0,221
Бенз(а)пирен, т/г 1,5E-05 1,4E-05 1,3E-06
КПД, % 82,35 83,45 1,10
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р 53682-2009 Установки нагревательные для нефтеперерабатывающих заводов.
2. ГОСТ Р 51383-99 Горелки газовые автоматические с принудительной подачей воздуха.
3. Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1987. 304 с.
4. Постановление Правительства РФ от 13 сентября 2016 г. № 913 «О ставках платы за негативное воздействие на окружающую среду и дополнительных коэффициентах». URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/
View/0001201609150007 (дата обращения 10.02. 2021)
5. Жидков А.В.. Герасимов Д.П., Денисов Д.Е. и др. Трубчатые нагревательные печи нефтепереработки и нефтехимии. СПб.: АртПроект, 2015. 104 с.
6. РМ 62-91-90 Методика расчета вредных выбросов в атмосферу из нефтехимического оборудования. Воронеж: Гипрокаучук, 1991. 56 с.
7. Baukal Charles E. Jr. (ed.) The John Zink Hamworthy CombustionHandbook. Volume 2: Design and Operations.
8. Baukal Charles E. Jr. (ed.) The John Zink Hamworthy CombustionHandbook. Volume 1: Fundamentals.
REFERENCES
1. GOST R 53682-2009 Ustanovki nagrevatel'nyye dlya neftepererabatyvayushchikh zavodov [State Standard R 53682-2009. Fired heaters for refineries. General technical requirements].
2. GOSTR 51383-99 Gorelkigazovyye avtomaticheskiye s prinuditel'noy podachey vozdukha [State Standard R 51383-99. Automatic forced draught burners for gaseous fuels].
3. Yentus N.R., Sharikhin V.V. Trubchatyye pechi v neftepererabatyvayushchey ineftekhimicheskoypromyshlennosti [Tube furnaces in the oil refining and petrochemical industries]. Moscow, Khimiya Publ., 1987. 304 p.
4. Postanovleniye Pravitel'stva RFot 13 sentyabrya 2016 g. № 913 «0 stavkakh platy za negativnoye vozdeystviye na okruzhayushchuyu sredu i dopolnitel'nykh koeffitsiyentakh» (Decree of the Government of the Russian Federation of September 13, 2016 No. 913 «On the rates of payments for negative impact on the environment and additional coefficients») Available at: http://publication.
pravo.gov.ru/Document/View/0001201609150007 (accessed 10 February 2021)
5. Zhidkov A.V.. Gerasimov D.P., Denisov D.YE. Trubchatyye nagrevatel'nyye pechineftepererabotkiineftekhimii [Tube heating furnaces of oil refining and petrochemistry]. St. Petersburg, ArtProyekt Publ., 2015. 104 p.
6. RM 62-91-90 Metodika rascheta vrednykh vybrosov v atmosferu iz neftekhimicheskogo oborudovaniya [RM 62-91-90 Methodology for calculating harmful emissions into the atmosphere from petrochemical equipment]. Voronezh, Giprokauchuk Publ., 1991. 56 p.
7. Baukal Charles. The John Zink Hamworthy combustion handbook. Volume 2: Design and operations.
8. Baukal Charles. The John Zink Hamworthy combustion handbook. Volume 1: Fundamentals.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ / INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Сапрыкина Лолита Сергеевна, ведущий инженер механического отдела, ОАО «ВНИПИнефть».
Осечкина Александра Артуровна, ведущий инженер механического отдела, ОАО «ВНИПИнефть»
Зуйков Александр Владимирович, к.т.н., заместитель генерального директора по технологическому развитию, ОАО «ВНИПИнефть».
Lolita S. Saprykina, Lead Engineer,VNIPIneft JSC.
Aleksandra A. Osechkina, Lead Engineer, VNIPIneft JSC.
Aleksandr V. Zuykov, Cand. Sci. (Tech.), Deputy General Director, VNIPIneft JSC.
1-2 • 2021
НефтеГазоХимия 67
