CC BY
113УДК 621.31.004
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Д.В. Плешаков, Л.М. Абакумов1
Самарский государственный технический университет.
443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Приводится предложение по повышению эффективности установки каталитического крекинга за счет повышения энергоэффективности аппаратов воздушного охлаждения при использовании частотного регулирования производительности вентиляторов.
Ключевые слова: нефтепродукт, аппарат воздушного охлаждения, расход электроэнергии, частотный преобразователь.
Введение
Нефтеперерабатывающая промышленность является важным звеном единого топливно-энергетического комплекса страны, определяющим эффективность использования нефтяного сырья. Нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) - крупнейшие потребители топливно-энергетических ресурсов, в том числе котельно-печного топлива, тепловой и электрической энергии. Эффективность, рациональность их использования в процессах переработки нефти во многом определяются работой технологического оборудования завода. Однако технологические установки действующих нефтеперерабатывающих заводов, построенные в большинстве случаев более 40-50 лет назад, по уровню потребления энергоносителей в основном не отвечают современным требованиям. В настоящее время НПЗ России характеризуются повышенным уровнем энергопотребления - удельный расход энергоресурсов в 2-3 раза превышает зарубежные аналоги [1].
В связи с постоянным повышением цен на электроэнергию остро поставлен вопрос о снижении энергозатрат на технологических установках переработки нефти [2]. Основные процессы нефтепеработки: атмосферная и вакуумная перегонка, каталитический риформинг, гидроочистка топлив, каталитический крекинг являются крупнейшими потребителями энергии (табл. 1).
Энергоемкие процессы уязвимы при повышении цен на энергию или их колебаниях. В связи с этим к одной из приоритетных задач отрасли относится снижение энергоемкости производственных процессов. Эффективность использования энергии является ключом к стабильному и конкурентоспособному производству. Поэтому по возможности необходимо применять средства регулирования, способствующие снижению расхода энергии.
На большинстве предприятий отрасли вопросы повышения энергоэффективности в той или иной мере решаются: осуществляется реконструкция и модернизация технологического оборудования, проектируются и внедряются автоматизированные
1 Плешаков Дмитрий Владимирович - аспирант e-mail: [email protected] Абакумов Александр Михайлович - доктор технических наук, профессор e-mail: [email protected]
системы управления технологическими процессами, контроля и учета электроэнергии и энергоносителей.
Таблица!
Потребление электроэнергии основными процессами нефтепереработки России
(среднее значение за год)
Наименование процесса Потребление электроэнергии, кВт*час/год Доля в общем объеме потребления, %
Первичная переработка (АВТ) 52927070 46.34
Каталитический риформинг 22696557 19.87
Гидроочистка дизельного топлива 16037206 14,04
Каталитический крекинг 13931587 12,20
Коксование 8621602 7,55
ИТОГО: 114214022 100,00
Основная часть
Процесс каталитического крекинга был разработан в конце 30-х - начале 40-х годов XX столетия. Толчком к его появлению и стремительному развитию, как это часто бывает в нефтехимической промышленности, послужила быстро развивающаяся военная техника, которой в больших количествах требовался высококачественный бензин.
На сегодняшний день процесс каталитического крекинга без преувеличения является одним из основных в современной нефтепереработке, определяющим экономические показатели НПЗ.
Следует отметить, что установки каталитического крекинга характеризуются высоким удельным энергопотреблением (рис. 1). В настоящее время для НПЗ России, когда увеличение глубины переработки нефти и, соответственно, рост прибыли являются приоритетными, повышение технико-экономических показателей работы установок каталитического крекинга становится актуальным.
Структура затрат установок каталитического крекинга ОАО «Сибнефть-ОПНЗ» общей мощностью 3,5 млн т в год представлена в табл. 2 [3]. Из приведенных данных следует, что доля затрат на энергетику установки каталитического крекинга 43103 составляет более 10%.
Таблица2
Структура затрат установок каталитического крекинга ОАО «Сибнефть-ОПНЗ»
(июнь-июль 2001 г.), %
Наименование показателей 43-103 С-200 КТ - 1/1
Сырье 75,7 83,6
Реагенты, катализаторы 8.4 3,
Энергетика 10,3 8,1
Зарплата с отчислениями 0,6 0.3
Ремонтный фонд 0.8 0.7
Амортизация 1,2 0,7
Общезаводские и цеховые расходы 3,1 3,3
Итого: 100,0 100,0
Рис. 1. Удельное потребление электроэнергии основными процессами нефтепереработки России (среднегодовые значения)
На установке каталитического крекинга 43-103 Омского НПЗ была проведена реконструкция, направленная как на увеличение эффективности процесс каталитического крекинга, так и на замену морально и физически устаревших отдельных узлов и деталей аппаратов [4]. В период реконструкции были выполнены работы, которые в основном коснулись реакторного блока:
- модернизация системы циркуляции катализатора;
- монтаж баллистического сепаратора в реакторе:
- монтаж шиберных задвижек с гидравлическими приводами на транспортных линиях катализатора и дымовых газах регенератора.
Анализ результатов модернизации показал эффективность проведенных работ. Однако в летний период эксплуатации в связи с увеличением конверсии (превращения) сырья имеются определенные трудности с захолаживанием газопродуктовой смеси верха главной ректификационной колонны.
Необходимо отметить, что охлаждение нефтепродуктов является неотъемлемой частью технологических процессов в нефтеперерабатывающей промышленности. Большое распространение получили поверхностные рекуперативные теплообменные аппараты, позволяющие осуществлять теплообмен без смешения потоков теплоносителей. Снижение температуры нефтепродуктов происходит в теплообменниках, холодильниках, а также секциях аппаратов воздушного охлаждения (АВО). Горячий нефтепродукт, являющийся теплоносителем теплообменного аппарата, прокачивается по трубам, расположенным с определенным шагом в трубной решетке, секции которых соединяются попарно в виде шалаша и, реже, - горизонтально. Теплосъем с нефтепродукта производится окружающим воздухом.
За счет теплообмена с принудительно перемещаемым потоком воздуха происходит охлаждение нефтепродуктов со 170 до 40 С. Охлаждение нефтепродуктов в АВО является энергоемким процессом. Мощность, потребляемая электродвигателя-
179
ми ABO на установке каталитического крекинга, составляет сотни киловатт, что оказывает существенное влияние на структуру электропотребления. Расход электроэнергии на охлаждение нефтепродуктов в АВО каталитического крекинга может составлять до 3,8% от общего электропотребления установкой.
Для повышения интенсивности теплообмена между охлаждаемым нефтепродуктом и окружающим воздухом используется принудительное охлаждение воздушным потоком, создаваемым вентилятором (или вентиляторами), направляемым на трубную решетку. В состав теплообменной аппаратуры установки каталитического крекинга НПЗ могут входить шесть АВО, состоящих из одной и более секций, с элек-троприводными вентиляторами в каждой секции.
Общим недостатком многих установок является применение более мощных, чем требуется, электродвигателей. Ряд обследований показал, что около 60% электродвигателей, установленных на предприятиях промышленности, имеют мощность, превышающую требуемую [5]. Это одна из причин перерасхода энергии.
В мировой практике регулируемый электропривод признан одной из наиболее эффективных энергоресурсосберегающих экологически чистых технологий. На сегодняшний день большинство электроприводов составляют нерегулируемые привода с асинхронными двигателями. В таких установках плавное регулирование скорости вращения позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, вариаторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры. Это значительно упрощает механическую систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные расходы.
При подключении через частотный преобразователь пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что снижает нагрузку на двигатель и механизмы, увеличивает срок их службы. Современные частотные преобразователи обладают широким набором функций и позволяют значительно упрощать рабочую схему системы.
В ходе реконструкции установки ЭЛОУ-АВТ-7 ОАО «Нижнекамский НПЗ» на аппаратах воздушного охлаждения установлен частотно-регулируемый электропривод японской фирмы «Мицубиси». Для снижения потребления электроэнергии на технологических установках КПА, АВТ-10 и др. ОАО «Сибнефть - Омский НПЗ» предложено внедрение частотных регулируемых приводов, что в комплексе с другими мероприятиями позволяет снизить потребление электроэнергии на 3-5% на каждой технологической установке [6].
Для ОАО «Саратовский НПЗ» предложена схема асинхронного 8-двигательного взаимосвязанного электропривода по системе «преобразователь частоты - асинхронный двигатель», алгоритм регулирования скоростью приводных двигателей и вентиляторов АВО и управление и стабилизация температуры охлаждаемого нефтепродукта [7].
Из опыта применения электропривода следует, что широкие возможности для сокращения потерь энергии и затрат на техобслуживание предоставляет сочетание новых электродвигателей с последним поколением электронных систем управления приводом. Такие системы могут управлять пуском, остановкой, регулированием скорости, реверсированием и даже позиционированием двигателей. Они могут осуществлять функции защиты — регулировать пусковой ток и сглаживать падение напряжения в сети, ограничивать потребляемый ток и отключать двигатели при перегрузке. Однако, самое главное, эти системы позволяют экономить энергию. Срок окупаемости электронной системы управления приводом составляет менее двух лет
[5]. Привлекательность электронных систем определяется также и тем, что цены на них постоянно снижаются, а точность и надежность повышаются.
Следует отметить, что из всех видов вытяжных и дутьевых вентиляторов наиболее эффективными являются вентиляторы с аэродинамическим профилем лопастей. Их КПД составляет 90%. Кроме того, они отличаются стабильностью функционирования, низким уровнем шума и подходят для работы при высоких скоростях. Наиболее эффективным приводом для таких вентиляторов является привод с изменяемой скоростью вращения [5].
Таким образом, повышение эффективности работы установок, осуществляющих охлаждение нефтепродуктов в АВО, является важным фактором экономии топливноэнергетических ресурсов и снижения себестоимости товарной продукции.
Известно, что тепловая производительность АВО зависит от многих возмущающих факторов, главными из которых являются расход и температура нефтепродукта, степень загрязнения поверхности теплообменников, температура окружающего воздуха. Если принять, что первые три вышеперечисленных фактора являются постоянными для заданного режима охлаждения, то тогда колебания температуры окружающего воздуха (суточные и сезонные) можно считать основным возмущающим фактором, непосредственно влияющим на процесс охлаждения нефтепродукта. Для поддержания температуры нефтепродукта в заданных пределах возникает необходимость регулирования охлаждающего эффекта АВО. Это достигается за счет изменения расхода через АВО охлаждающего воздуха, на который влияет количество одновременно работающих вентиляторов, частота вращения рабочего колеса вентилятора, угол атаки лопастей.
Применяемая в настоящее время на установках технология охлаждения нефтепродуктов в АВО основана на дискретном изменении расхода воздуха за счет включения (отключения) вентиляторов в сочетании с сезонной регулировкой угла атаки лопастей.
В годовом цикле АВО эксплуатируются в широком диапазоне температур наружного воздуха. Например, для всей зоны деятельности НПЗ Самарской области этот диапазон в среднем составляет от минус 20 до плюс 20 °С. При таких значительных сезонных изменениях температуры наружного воздуха меняется и плотность воздуха, что вызывает соответствующие колебания потребляемой электродвигателем мощности. В летний период (с мая по сентябрь) характерно повышенное потребление электроэнергии АВО в сравнении с осенне-зимним. Это наглядно видно на рис. 2, где представлена динамика потребления электроэнергии (среднее значение за месяц) АВО охлаждения легкого газойля на установке каталитического крекинга.
Из графика следует, что АВО характеризуется неравномерной работой, и это связано с применением асинхронного нерегулируемого по скорости вращения вентиляторов электропривода. При нерегулируемом электроприводе реализуется комбинированное управление интенсивностью теплообмена: электрическое, ступенчатое, осуществляемое путем ввода в работу приводных двигателей (вентиляторов), и механическое, плавное - за счет изменения углов управления направляющих пластин жалюзи и углов лопаток вентиляторов. С механическим способом регулирования интенсивности теплообмена АВО связано повышенное потребление электроэнергии электроприводом вентиляторов при регулировании температуры охлаждения нефтепродуктов, большие потери электроэнергии и нагрев приводных асинхронных короткозамкнутых двигателей, а также продолжительное время пуска из-за большого момента инерции вентилятора и двигателя и т.д.
О
Cfl
<
CL
f
P и c. 2. Динамика потребления электроэнергии ABO в течение года
Анализ работы АВО как объектов управления показывает, что за счет использования систем управления частотой вращения вентилятора может быть существенно повышена их энергоэффективность и оптимизировано регулирование температуры охлаждения нефтепродукта.
Использование регулируемого привода позволяет поддерживать оптимальный режим АВО путем изменения частоты и напряжения питания электродвигателя, не допуская при этом перегрузки двигателя по току. Отпадает также потребность в сезонном изменении углов установки лопастей вентилятора: лопасти настраиваются на угол, при котором электродвигатель нагружается номинальным током. Регулирование производительности вентиляторов АВО осуществляется преобразователями. Если температура нефтепродуктов на выходе теплообменников становится больше или меньше заданной величины, то частота вращения лопастей вентиляторов снижается или увеличивается ровно настолько, чтобы восстановить требуемый режим.
Заключение
Внедрение системы регулируемого электропривода позволит существенно уменьшить расход электроэнергии на охлаждение нефтепродуктов на установке каталитического крекинга, увеличить ресурс электродвигателей, обеспечить полную автоматизацию процесса и его оптимизацию. Поэтому применение на технологических установках НПЗ энергосберегающей технологии охлаждения нефтепродуктов позволит получить существенный экономический эффект.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Капустин В. М. Плоды российского инжиниринга и его роль в развитии нефтепереработки // Oil & Gas Journal. - 2008. -№ 1-2(15).- P. 62-67.
2. Базетта П., Хелл Дж., Xudep Р. Экономия энергозатрат на установках атмосферной и вакуумной перегонки // Нефтегазовые технологии. - 2007. - №10. - С. 76-79.
3. Абраменков П.А., Галкин В.В. Технико-экономические показатели работы установок каталитического крекинга ОАО «Сибнефть - ОПНЗ» // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2001. - № 11. - С. 4549.
4. Генералов В.Н. Опыт эксплуатации, поэтапной реконструкции и перспективы повышения эффективности процесса каталитического крекинга на установке 43-103 // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2001. - Х»11С. 33-39.
5. Energy Efficiency Handbook / Alliance to save Energy. Council of industrial Boiler Operators. U. S. DOE Office of Industrial Technologies. - 1998. - 64 p.
6. Кильтау В.А., Сычев В.Б., Титов И.Е.. Тысло Ю.А. Проведение энергосберегающей политики и повышение эффективности использования энергетических ресурсов на нефтеперерабатывающем производстве // Экологические системы. - 2005. - №5. - С. 14-19.
7. Копырин В.. Бакута В. Асинхронный частотно-регулируемый взаимосвязанный электропривод аппарата воздушного охлаждения нефтепродуктов. // Силовая электроника. - 2005. - №3. - С. 38-41.
Статья поступила в редакцию 30 мая 2009 г.
UDC 621.31.004
INCREASING THE ENERGY EFFICIENCY OF AIR-COOLING DEVICES OF OIL PROUCTS
D. P/es/iakov, A.Abakumov 1
Samara State Technical University
244. Molodogvardevskaya str., Samara. 443100
In article brings the offer on increase of efficiency of catalytic cracking installation for the account of increasing energy efficiency of air-cooling device by using frequency regulation of productivity of ventilating fans.
Key words: oil product, air-cooling device, electricity consumption, the frequency converter, ventilating fan.
1 Dmitriy V. Pleshakov - Postgraduate student, t Aleksandr M...Abakumov - Doctor of Technical Sciences, Professor.
