CC BY
47УДК 662.992
Л.В. Плотникова1, e-mail: mikhaitovatv@mait.ru; И.И. Чиликова1, e-mail: fitonovaida@mait.ru; Р.Н. Валиев1, e-mait: vatievkgeu@yandex.ru; В.Е. Ухлин1, e-mait: ukhtin-vtadimir@rambter.ru; Р.Р. Кантюков2, e-mait: rr-kantyukov@tattg.gazprom.ru; Р.В. Лебедев2, e-mait: r-tebedev@tattg.gazprom.ru; С.В. Шенкаренко2, e-mait: s-shenkarenko@mait.ru
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный энергетический университет» (Казань, Россия).
2 ООО «Газпром трансгаз Казань» (Казань, Россия).
Организация системы преобразования вторичной тепловой энергии с использованием теплонасосного оборудования для нефтегазоперерабатывающего предприятия Восточной нефтяной компании
Рассмотрены возможности включения теплонасосного оборудования в линию газофракционирования Ачинского нефтеперерабатывающего завода Восточной нефтяной компании, входящего в структуру ПАО «НК «Роснефть», в целях повышения потенциала выходящих из разделительных установок потоков вторичной энергии и дальнейшего эффективного их использования в той же технологической линии. Выявлено, что применение теплового насоса возможно при разделении смеси углеводородов «пропан - бутан» и более низкокипящих углеводородов. Анализ вариантов схем разделительных установок с включением тепловых насосов различного типа показал, что эффективным является вариант «разделительная колонна - тепловой насос открытого типа». Приведены сравнительные расчеты энергозатрат, геометрических параметров представленных схем установок разделения, а именно классической установки и вариантов модернизированной установки с включением теплонасосного оборудования. Выявлено, что при включении в промышленные схемы разделения теплового насоса открытого типа достигается наибольший энергосберегающий эффект.
Ключевые слова: нефтепереработка, преобразование энергии, вторичная тепловая энергия, тепловой насос, ректификационная колонна.
L.V. Plotnikova1, e-mail: mikhaitovatv@mait.ru; I.I. Chilikova1, e-mail: filonovaida@mail.ru; R.N. Valiev1, e-mail: valievkgeu@yandex.ru; V.E. Ukhlin1, e-mail: ukhlin-vladimir@rambler.ru; R.R. Kantyukov2, e-mail: rr-kantyukov@tattg.gazprom.ru; R.V. Lebedev2, e-mail: r-lebedev@tattg.gazprom.ru; S.V. Shenkarenko2, e-mail: s-shenkarenko@mail.ru
1 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kazan State Power Engineering University" (Kazan, Russia).
2 Gazprom transgaz Kazan LLC (Kazan, Russia).
Organization of a System for Converting Secondary Thermal Energy using Heat Pump Equipment for an Oil and Gas Refinery of the Eastern Oil Company
The possibilities of including heat pump equipment in the gas fractionation line of the plant of the oil company Achinsk Oil Refinery of the Eastern Oil Company (is attached to the Rosneft PJSC) in the Krasnoyarsk Territory (Russia) are considered with the aim of increasing the potential of secondary energy flows emerging from the separation plants and their further effective use in the same technological line. It is revealed that the use of a heat pump is possible when the mixture of hydrocarbons "propane - butane" and lower boiling hydrocarbons is separated. The analysis of the options for the schemes of separation plants with the inclusion of heat pumps of various types showed that the "separating column - heat pump of an open type" option is effective.
Comparative calculations of power inputs, geometrical parameters of the presented schemes of separation units, namely the classical installation and variants of the modernized installation with the inclusion of heat pump equipment, are given. It is revealed that when using an open-type heat pump, the greatest energy-saving effect is achieved.
Keywords: oil refining, energy conversion, secondary thermal energy, heat pump, distillation column.
ENERGY SECTOR
Решение задачи рационального использования топливно-энергетических ресурсов на промышленных и энерго-генерирующих предприятиях является актуальной социальной, экономической и технической проблемой. В Российской Федерации в настоящее время реализуется государственная политика, направленная на повышение энергетической и экологической эффективности технологических процессов. Одним из обозначенных направлений является применение новых энергосберегающих технологий [1, 2], вопрос внедрения которых в процессы переработки нефти представляет значительный интерес [3], поскольку большой объем переработанной нефти используется в виде теплоты, топлива и электроэнергии для обеспечения технологических процессов на объектах топливно-энергетического комплекса страны.
В России функционирует значительное количество производств, на которых технологией предусмотрена выработка тепловой энергии с низким температурным потенциалом, являющейся в итоге сбросной. К числу таких предприятий относятся и объекты нефтеперерабатывающей отрасли. В целях полезного использования низкопотенциальной энергии, которой располагают российские предприятия, предлагается внедрять теплонасосное оборудование, хорошо зарекомендовавшее себя при использовании для нужд теплоснабжения в странах Европы [3, 4].
ВАРИАНТЫ ВНЕДРЕНИЯ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК НА СЕКЦИИ ГАЗОФРАКЦИОНИРОВАНИЯ АЧИНСКОГО
НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ЗАВОДА
В качестве объекта исследования авторы статьи выбрали Ачинский нефтеперерабатывающий завод Восточной нефтяной компании (АНПЗ ВНК). Крупнейшими потребителями топлива на
Ачинском комбинате являются секции первичной переработки нефти, газофракционирования и каталитического риформинга.
Известно, что с точки зрения повышения энергоэффективности секции первичной переработки нефти перспективными являются применение высокопроизводительных клапанных тарелок с неподвижными клапанами для колонн ректификации, замена кожухотрубного теплообменного оборудования на аппараты спирального типа и внедрение нанотехнологичных материалов, подразумевающих нанесение высокоизлучаю-щего покрытия на футеровку и змеевики печей. Однако на АНПЗ эти меры уже приняты, хотя возможность использования теплонасосного оборудования в качестве альтернативного энергосберегающего подхода ранее не была рассмотрена. Авторы статьи оценили возможность применения теплонасосного оборудования на АНПЗ, в частности, для подогрева нефти и нефтепродуктов при их транспортировке. Установлено, что такое использование позволяет увеличить скорость течения нефти по трубопроводам путем снижения вязкости нефти. К числу преимуществ данного направления повышения энергоэффективности относятся следующие:
• применение тепловых насосов позволяет исключить из технологии перекачки высокотемпературный процесс сжигания топлива в печах и удовлетворить требования экологической безопасности [5];
• тепловые насосы экономично трансформируют низкотемпературную природную теплоту, обеспечивая минимальный уровень нагрева нефти, рассредоточивая его практически равномерно по длине нефтепровода на уровне, достаточном для преодоления гидравлического сопротивления, только за счет напора, создаваемого насосными станциями. Однако это возможно только в южных регионах Российской
Федерации, поскольку в данном случае тепловой насос в качестве источника энергии может использовать только энергию земли.
Авторами статьи рассмотрены возможности внедрения теплонасосных установок на секции газофракционирования АНПЗ для пропановой, бута-новой и изобутановой колонн в целях повышения потенциала выходящего из колонн продукта и последующего эффективного его использования в той же технологической линии [6]. Установлено, что выбор схемы включения преобразователя теплоты «ректификационная колонна - тепловой насос» является перспективным с точки зрения повышения энергоэффективности в процессах разделения. Разделение веществ в ректификационных колоннах широко применяется для получения отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья и относится к наиболее энергоемким участкам производств топливно-энергетического комплекса страны в связи со значительными затратами греющего теплоносителя в подогревателях разделительных колонн. Тепловые насосы также могут применяться на установках очистки, осушки газа, переработки нестабильного газового конденсата и фракции легких углеводородов. В традиционной схеме разделения веществ, представленной на рис. 1, в конденсаторе 2 используется охлаждающая вода. В подогреватель (ребой-лер) 3 подводится греющий пар для получения паров внизу колонны 1. Для данной схемы характерны значительные потери, обусловленные большими разностями температур в ребойлере, а также энергозатратами на охлаждающий и греющий теплоноситель. Поэтому в разделительной колонне возможен вариант рекуперации теплоты продуктов разделения с включением теплового насоса с использованием сжатой теплоты верхнего продукта.
Для цитирования (for citation):
Плотникова Л.В., Чиликова И.И., Валиев Р.Н., Ухлин В.Е., Кантюков Р.Р., Лебедев Р.В., Шенкаренко С.В. Организация системы преобразования вторичной тепловой энергии с использованием теплонасосного оборудования для нефтегазоперерабатывающего предприятия Восточной нефтяной компании // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018. № 11. С. 86-90.
Plotnikova L.V., Chilikova I.I., Valiev R.N., Ukhlin V.E., Kantyukov R.R., Lebedev R.V., Shenkarenko S.V. Organization of a System for Converting Secondary Thermal Energy using Heat Pump Equipment for an Oil and Gas Refinery of the Eastern Oil Company. Territorija «NEFTEGAS» = Oil and Gas Territory, 2018, No. 11, P. 86-90. (In Russ.)
Рис. 1. Традиционная схема процессов разделения веществ в ректификационной колонне:
1 - ректификационная колонна;
2 - конденсатор; 3 - ребойлер;
I - разделяемая смесь; II - верхний продукт; III - нижний продукт
Fig. 1. The conventional separating process flow diagram:
I - distillation column; 2 - condenser;
3 - reboiler; I - mixture to be separated;
II - top product; III - bottom product
Можно предложить несколько видов систем разделения с включением тепловых насосов. В традиционной схеме разделения наблюдаются большие потери от необратимости вследствие значительных разностей температур в подогревателе, а также теплопотери в дефлегматоре. Поэтому в процессах разделения возможно снижение энергопотребления за счет организации системы повышения потенциала сбросной энергии с включением теплонасосного оборудования с использованием теплоты сжатого верхнего продукта колонн. В такой цепочке теплота фазового перехода пара, отбираемого из верхней части ректификационной колонны, идет на создание парового потока в нижней части колонны.
Одним из вариантов включения теплового насоса в процессы разделения является организация системы «рек-
Рис. 2. Ректификационная колонна с применением промежуточного теплоносителя:
1 - ректификационная колонна;
2 - дефлегматор-испаритель; 3 - дроссельный клапан; 4 - компрессор; 5 - подогреватель-конденсатор; I - сырье; II - верхний продукт; III - нижний продукт
Fig. 2. The distillation column using an intermediate coolant:
1 - distillation column; 2 - refluxer-evaporator;
3 - throttle valve; 4 - compressor; 5 - heater-condenser; I - feedstock; II - top product; III - bottom product
тификационная колонна - тепловой насос» с применением теплового насоса замкнутого типа (рис. 2), где используется промежуточный теплоноситель. Температура циркулирующего в системе теплоносителя, с помощью которого передается теплота с низкого уровня в дефлегматоре 2 на более высокий уровень в подогревателе 5, повышается в компрессоре 4 за счет процесса сжатия. Для возвращения промежуточного теплоносителя в изначальное состояние и сохранения возможности его циркуляции в контуре теплового насоса после конденсатора 5 теплоноситель дросселируется в клапане 3. На рис. 2 дефлегматор 2 колонны 1 выступает в роли испарителя теплового насоса, а подогреватель 5 - в роли конденсатора, в которых и происходят соответствующие процессы испарения и конденсации промежуточного тепло-
Рис. 3. Ректификационная колонна с тепловым насосом на нижнем продукте:
1 - ректификационная колонна;
2 - дефлегматор; 3 - дроссельный клапан; 4 - компрессор; I - разделяемая смесь;
II - верхний продукт; III - нижний продукт Fig. 3. The distillation column with a bottom product heat pump: 1 - distillation column; 2 - refluxer;
3 - throttle valve; 4 - compressor; I - mixture to be separated; II - top product; III - bottom product
носителя. В данной схеме экономия греющего теплоносителя в подогревателе 5 достигается за счет использования теплоты верхнего продукта колонны 1, который замещает греющий пар нижней части колонны. Кроме того, в схеме отсутствуют потери со сбрасываемой теплой водой в дефлегматоре 2. Включение теплового насоса с промежуточным теплоносителем (тепловой насос закрытого типа) актуально при реконструкции ректификационных колонн. В случае проектирования новой установки разделения возможна и более экономичная схема с одним теплообменным аппаратом в составе теплового насоса открытого типа (рис. 3). На данной схеме в качестве промежуточного теплоносителя используется нижний продукт III колонны 1. Конструкция упрощается за счет отсутствия подогревателя ректифика-
ENERGY SECTOR
Рис. 4. Моделирование процесса разделения пропан-бутановой смеси в колонне К-403 (программа ChemCad)
Fig. 4. Separating process simulation of the propane-butane mixture in the column К-403 (software ChemCad)
Данные, полученные при расчете схем «разделительная колонна - тепловой насос» закрытого и открытого типов
Data obtained in designing the schemes "distillation column-heat pump" of closed and open types
Параметры Parameters Традиционная схема разделительной установки Schematic conventional distillation column Разделение с тепловым насосом Heat pump-assisted separation of a
закрытого типа closed type открытого типа open type
Давление P, МПа: Pressure P, MPa: • вверху колонны at the column top • после компрессора after a compressor 0,9 0,85 3,72 0,18 0,32
Температура t, °C: Temperature t, °C: • вверху колонны at the column top • внизу колонны at the column bottom 65 100 63 95 60 88
Диаметр колонны D(, м Column diameter D , m к' 1,8 1,6 1,2
Высота колонны Нк, м Column height Нк, m 12 10 7
Расход греющего теплоносителя Сгр, кг/ч Flow rate of heating coolant Сгр, kilogram per hour 11 120 9500 7215
Экономия тепловой энергии ДО, МВт Heat energy saving ДО, megawatt — 1,25 3,05
Годовая экономия условного топлива ДВ, т у. т./год Annual saving of standard fuel ДВ, tonnes of standard fuel per year - 1345 3282
ционной установки, играющего роль конденсатора в схеме с тепловым насосом закрытого типа на рис. 2. Роль подогревателя играет сама колонна 1.
Выбор схемы включения теплового насоса зависит от параметров сбросной энергии полупродуктов разделения. Применение всех элементов теплово-
го насоса усложняет и удорожает конструкцию. Следовательно, актуальна задача выбора целесообразного варианта, в связи с чем возникают предпосылки для создания разделительной колонны новой конструкции, которая позволит снизить энергетические и материальные затраты.
Для секции газофракционирования рассматриваемого нефтеперабытыва-ющего предприятия проведен расчет пропановой колонны с включением теплового насоса и смоделирован процесс разделения пропан-бутановой смеси с использованием пакетов Mathcad и ChemCad (рис. 4), позволяющих осуществлять математическое моделирование процессов работы тепломассо-обменного оборудования химической, нефтехимической, нефтегазодобывающей и нефтегазоперерабатывающей отраслей [6].
Выявлено, что применение теплового насоса при разделении смеси углеводородов «пропан - бутан» возможно, как и при разделении более низкокипящих углеводородов. Однако внедрение теплового насоса в процессы разделения более высококипящих углеводородов невозможно из-за ограниченной базы компрессорной техники, высокого давления промежуточного теплоносителя, значительных затрат электроэнергии. Дальнейший анализ вариантов схем разделительных установок с включением трансформаторов теплоты выявил, что наиболее эффективной является комбинированная установка «ректификационная колонна - тепловой насос открытого типа» [6]. В качестве разделяемых веществ взяты метиловый спирт и вода, поскольку они являются наиболее безопасными для разделения их смеси в лабораторных условиях на экспериментальной установке. Кроме того, в целях проведения сравнительного анализа произведен расчет для установки с исходной смесью «бензол - толуол» (табл.). Из таблицы следует, что при использовании смеси «спирт - вода» расход греющего пара снижается, как и флегмовое число, а следовательно, уменьшаются габаритные характеристики колонны. Также из таблицы следует, что давление и температура разделяемых веществ
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 11 November 2018
89
в случае использования схемы установки с тепловым насосом ниже,чем при использовании классической схемы. Это связано с тем, что в качестве охлаждающего вещества в дефлегматоре и греющего вещества в подогревателе используются либо фреон, либо сам продукт колонны.Разница температур конденсации в подогревателе и испарения в дефлегматоре этих веществ меньше, чем разница температур охлаждающей воды и греющего пара в традиционной схеме. Обеспечить такую же температурную дельту, как в исходной схеме, невозможно из-за ограничения степени повышения давления в компрессоре теплонасосной установки. Поэтому для обеспечения допустимого температурного напора в теплообменных аппаратах теплонасосной установки предлагается снизить температуры выходных потоков колонны (температуры их конденсации и испарения). Эти температуры определены из уравнений теплового баланса для де-
флегматора и кипятильника и составляют 63 °С вверху и 95 °С внизу колонны для установки с тепловым насосом закрытого типа и 60 °С вверху и 88 °С внизу колонны для установки с тепловым насосом открытого типа. Понижение температур фазового перехода связано со снижением давления в колонне до 0,85 и 0,18 МПа, соответственно. Очевидно, что при включении в промышленные схемы разделения трансформатора теплоты открытого типа достигается наибольший эффект разделения веществ [7]. Проведено технико-экономическое обоснование схем установок. Рассчитаны их экономические параметры: годовая экономия топлива, экономический эффект и срок окупаемости. В результате расчетов получены следующие данные: при использовании варианта схемы «разделительная колонна - тепловой насос закрытого типа» экономия тепловой энергии составляет 1,25 МВт, при схеме «разделительная
колонна - тепловой насос открытого типа» - 3,05 МВт.
ВЫВОДЫ
При использовании схемы «разделительная колонна - тепловой насос открытого типа» затраты энергии на 35 % ниже по сравнению с классической установкой. Кроме того, уменьшаются габаритные размеры самой колонны, а следовательно, снижаются металлоемкость конструкции и капитальные затраты.
На основании проведенного исследования для ректификационной колонны К-403 диаметром 1,8 м, высотой 56,6 м, оснащенной 60 тарелками, выбран паро-компрессионный тепловой насос марки Viessmann VitocaL 222-SAWT-AC221.A07 c компрессором с промежуточным впрыском пара EVI. Срок окупаемости, обеспечиваемый снижением потребления греющего теплоносителя при установке теплового насоса, на АО «АНПЗ ВНК» составил 1,2 года.
References:
1. The Degassing Method of a Disconnected Pipeline Section and Mobile Unit for Its Implementation: patent of the Russian Federation No. 2661227; MPC F04D25/02, F04B41/00. Authors: Kantyukov R.A., Kantyukov R.R., Shenkarenko S.V., Lebedev R.V.; patent holder Gazprom transgaz Kazan LLC; application No. 2017127359; appl. July 31, 2017; publ. July 13, 2018, Bul. No. 20. (In Russian)
2. The Withdrawal Method of Gas - Starting, Power, Pulse and for Own Use - from Technological Service Lines of Compressor Shops at Compressor Stations as Power Gas when an Allied Shop is Under Repair: patent of the Russian Federation No. 2641770; MPC F17D1/02. Authors: Kantyukov R.A., Kantyukov R.R., Mingazov F.Sh., Lebedev R.V.,Shenkarenko S.V; patent holder Gazprom transgaz Kazan LLC; application No. 2016130531; appl. July 25, 2016; publ. January 22, 2018, Bul. No. 3. (In Russian)
3. Plotnikova L., Chilikova I., Sitnikov S., Efremov G. Systematic Approach to the Assessment of Energy Complex Efficiency for Thermal Energy Production with Heat Power Saving Transformer Turning On. International Journal of Pharmacy and Technology, 2016, Vol. 8, No. 4, P. 26727-26737.
4. Aleksandrov I.A., Yefremov G.I., Bryuzginov Ye.V. Heat Pumps in Distillation. Energosberezhenie I vodopodgotovka = Energy-Saving and Water Treatment, 2007, No. 1 (45), P. 33-36. (In Russian)
5. Krasavina Ye.0., Plotnikova L.V., Ukhlin V.Ye. Loss of Energy Capacity in Industrial Separating Processes Due to the Use of Combined Schemes «Distillation Column - Heat Pump». Proceedings of the IV Russian youth scientific school-conference "Power Engineering, Electromechanics and Energy-Efficient Technologies as Seen by the Youth". In 2 vols. Tomsk, "TsRU" LLC, 2016, Vol. 2, P. 348-351. (In Russian)
6. Krasavina E.O., Plotnikova L.V. Power Heat Pump Systems Industrial Separation of Substances. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta = Herald of the Kazan State Power Engineering University, 2016, No. 4 (32), P. 95-105. (In Russian)
Литература:
1. Способ откачки газа из отключенного участка газопровода и мобильная установка для осуществления этого способа: пат. 2661227 РФ: МПК F04D25/02, F04B41/00 / Кантюков Р.А., Кантюков Р.Р., Шенкаренко С.В., Лебедев Р.В.; патентообладатель ООО «Газпром трансгаз Казань»; № 2017127359; заявл. 31.07.2017; опубл. 13.07.2018, Бюл. № 20.
2. Способ отбора газа пускового, топливного, импульсного и для собственных нужд с технологических коммуникаций компрессорных цехов компрессорной станции в качестве топливного при выводе смежного цеха в ремонт: пат. 2641770 РФ: МПК F17D1/02 / Кантюков Р.А., Кантюков Р.Р., Мингазов Ф.Ш., Лебедев Р.В., Шенкаренко С.В.; патентообладатель ООО «Газпром трансгаз Казань»; № 2016130531; заявл. 25.07.2016; опубл. 22.01.2018, Бюл. № 3.
3. Plotnikova L., Chilikova I., Sitnikov S., Efremov G. Systematic Approach to the Assessment of Energy Complex Efficiency for Thermal Energy Production with Heat Power Saving Transformer Turning On // International Journal of Pharmacy and Technology. 2016. Vol. 8. No. 4. P. 26727-26737.
4. Александров И.А., Ефремов Г.И., Брюзгинов Е.В. Применение теплового насоса в процессах ректификации // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. № 1 (45). С. 33-36.
5. Красавина Е.О., Плотникова Л.В., Ухлин В.Е. Снижение энергоемкости промышленных процессов разделения веществ за счет использования комбинированных схем «ректификационная колонна - тепловой насос» // Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи: сборник материалов IV Российской молодежной научной школы-конференции: в 2-х тт. Томск: ООО «ЦРУ», 2016. Т. 2. С. 348-351.
6. Красавина Е.О., Плотникова Л.В. Энергосберегающий тепловой насос в системах промышленного разделения веществ // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2016. № 4 (32). С. 95-105.
