Проблема утилизации конденсата высоких параметров на нефтеперерабатывающих предприятиях
В данном материале мы рассмотрим использование в схемах высокотемпературного конденсата паросепараторов (отделителей пара вторичного вскипания), возможности снижения расхода пара низких параметров и наиболее частые ошибки, встречающиеся на производстве. Приведенные примеры будут основываться на реальной схеме одного из производств нефтеперерабатывающего комплекса.
Особенностями рассматриваемого производства является то, что для 2-х ступенчатого (последовательного) подогрева продукта в теплообменниках используется пар 2х параметров 15 ати и 3,5 ати. Существующей схемой (рис. 1) предусмотрено использование конденсата с высокими параметрами (конденсат пара 15) для обогрева теплообменников с подпиткой паром 3,5 ати из МЦК (межцеховые коммуникации, заводская сеть).
Однако на рисунке 1 (существующая схема) видно, что при данном виде подключений оборудования схема является малоэффективной и энергозатратной по следующим причинам:
1. В схеме присутствует контур, одновременно запитанный конденсатом пара 15 ати, конденсатом пара 3,5 ати, паром 3,5 ати из МЦК (межцеховых коммуникаций), а также пароконденсатной смесью неизвестных параметров из цеха 2.
2. Чрезвычайно разветвленная система паропроводов и конденсатопроводов не обеспечивает однозначной направленности потоков. В связи с этим трудно установить направление потоков в тот или иной момент времени.
3. Большинству теплообменников, работающих на паре 3,5 ати, свойственна ничтожно малая разность давлений между «паровой» и «конденсатной» сторонами. Это затрудняет отвод конденсата. В зависимости от загруженности теплообменников, направление потока может меняться на обратное. Сепараторы (отделители пара вторичного вскипания Е1 и Е2 на схеме) при такой схеме обвязки не работоспособны.
4. Ни один потребитель пара не снабжен конденсатоотводчиками (см. рис. 1). Система запитывается паром 3,5 ати из МЦК, энергия которого затрачивается на нагревание технологического продукта и конденсата, которым заполнен весь контур пара 3,5МПа. При этом контур оказывается заполнен двухфазной средой (пар и конденсат). Наличию двухфазной смеси со значительной долей жидкой фазы свойственны такие нежелательные явления, как гидроудары и повышенный эрозионный и коррозионный износ оборудования.
5. За теплообменниками верхнего ряда Т1, Т2, Т3, Т4 и Т5 (см. схему 1) нет конденсатоотводчиков, что приводит к пролету пара через теплообменники, а также возникновению повышенного давления в конденсатной линии, что затрудняет отвод конденсата. По этой причине не полностью отбирается тепло в первом ряде теплообменников и во второй ряд теплообменников Т6, Т7, Т8, Т9, Т10 (на схеме 1 нижний ряд) поступает парокоденсатная смесь, являющаяся худшим теплоносителем, чем пар.
6. Давление пара подпитки, поступающего по линии цеха 2, автоматически не поддерживается. Значение этого давления может превышать давление пара вторичного вскипания и это может «запирать» выход пара вторичного вскипания из сепараторов Е1 и Е2.
Рисунок 1. Существующая схема
Вышеперечисленные недостатки существующей системы обвязки устранены в предлагаемой cхеме № 2 (рисунок 2):
1. Каждая единица теплообменного оборудования оснащена блоками конденсатоотвода для исключения пролета пара и потерь, связанных с ним.
2. Схемы регулирования теплообменников «по конденсату» заменены на регулирование «по пару».
3. Предложена схема с максимальной утилизацией теплоты конденсата высоких параметров, используется пар вторичного вскипания собственной выработки с фиксированными значениями давления и температуры. Недостающее количество пара 3,5 ати система автоматически получит из МЦК.
4. По конденсатной стороне схема позволяет исключить попадание конденсата в паровую ветку, тем самым минимизируется вероятность гидроударов. После внедрения предлагаемых решений значительно упрощается регулирование теплообменного оборудования во время пусков и в процессе изменения технологических режимов.
5. Потоки энергоносителей четко структурированы и направлены.
Рисунок 2. Предлагаемая схема
Расчет потерь, связанных с использованием завышенного количества пара 3,5 бари из МЦК:
Используя данную схему (рис 3), мы снижаем количество потребляемого пара ровно на количество вырабатываемого «мятого» пара из конденсата пара 15 бари.
Рисунок 3. Предлагаемая схема (фрагмент)
При минимальном расходе пара 15 ати 10 т/ч, мы получим пар вторичного вскипания параметрами пара из МЦК (3,5 ати 148 С) в количестве 8181,6 т/год (см. расчет).
Расчет потерь производится по формуле, позволяющей вычислить количество пара вторичного вскипания в процентном соотношении к расходу пара на теплообменник:
Где:
hкон.в.д. - энтальпия конденсата при высоком давлении,
hкон.н.д. -энтальпия конденсата при низком давлении,
hпарооб.н.д. - энтальпия парообразования при низком давлении,
При усредненных параметрах конденсата за теплообменниками Т=195 С, Р=13 ати его энтальпия составляет 829,9 КДж/кг:
При установке в сепараторе пара при помощи регулирующей арматуры строго Р=3,5 ати и Т= 148,1° С его энтальпия в нем составляет 623,4 КДж/кг:
При этом энтальпия парообразования/конденсации в сепараторе при этих параметрах составляет 2119,4 КДж/кг:
Подставляя в формулу, получаем:
В расходных значениях от минимального потребления в 10 т/ч пара 15 ати, количество пара вторичного вскипания 3,5 ати составит 974 кг/ч.
При средней минимальной стоимости пара в 500 р/т, вырабатываемый пар позволит сократить получение пара 3,5 ати из МЦК на 974 кг/ч х 8400 ч. = 8181,6 т/год или 4908 тысяч рублей в год.
При этом не учтен пар вторичного вскипания, получаемый из пароконденсатной смеси, принимаемой из цеха 2, поскольку для расчета нет точных данных по параметрам этой смеси и ее количеству. Принимается только, что реальное снижение потребления пара из МЦК будет еще ниже. Допускается также, что вырабатываемого «мятого» пара давлением 3,5 ати на линии цеха 2 будет достаточно для собственных потребителей, и часть его будет отправляться в МЦК.
Заключение:
В целом, в рамках данной статьи рассмотрены только потери связанные с низким коэффициентом использования конденсата пара 15 ати. В то же время, как видно из анализа схем, полноценная модернизация позволяет:
1. Обеспечить максимальное использование тепла конденсата пара 15 ати.
2. Снижает потребление «острого пара» 3,5 ати из заводской сети МЦК.
3. Исключает пролет пара на оборудовании.
4. Облегчает и ускоряет процесс настройки системы в целом при изменении технологических режимов или нагрузок.
5. Достигается строгая направленность потоков, разделенных по параметрам. Параметры энергоносителей четко регулируются.
Таким образом, среднегодовая эффективность использования паросепараторов в схеме позволяет добиться экономии в 4 миллиона 908 тысяч рублей при общей модернизации, исключении пролетного пара и иных потерь в пароконденсатном контуре среднегодовая эффективность составит порядка 12 миллионов 200 тысяч рублей. Расчетный срок окупаемости системы порядка 8 месяцев.
Особенностями рассматриваемого производства является то, что для 2-х ступенчатого (последовательного) подогрева продукта в теплообменниках используется пар 2х параметров 15 ати и 3,5 ати. Существующей схемой (рис. 1) предусмотрено использование конденсата с высокими параметрами (конденсат пара 15) для обогрева теплообменников с подпиткой паром 3,5 ати из МЦК (межцеховые коммуникации, заводская сеть).
Однако на рисунке 1 (существующая схема) видно, что при данном виде подключений оборудования схема является малоэффективной и энергозатратной по следующим причинам:
1. В схеме присутствует контур, одновременно запитанный конденсатом пара 15 ати, конденсатом пара 3,5 ати, паром 3,5 ати из МЦК (межцеховых коммуникаций), а также пароконденсатной смесью неизвестных параметров из цеха 2.
2. Чрезвычайно разветвленная система паропроводов и конденсатопроводов не обеспечивает однозначной направленности потоков. В связи с этим трудно установить направление потоков в тот или иной момент времени.
3. Большинству теплообменников, работающих на паре 3,5 ати, свойственна ничтожно малая разность давлений между «паровой» и «конденсатной» сторонами. Это затрудняет отвод конденсата. В зависимости от загруженности теплообменников, направление потока может меняться на обратное. Сепараторы (отделители пара вторичного вскипания Е1 и Е2 на схеме) при такой схеме обвязки не работоспособны.
4. Ни один потребитель пара не снабжен конденсатоотводчиками (см. рис. 1). Система запитывается паром 3,5 ати из МЦК, энергия которого затрачивается на нагревание технологического продукта и конденсата, которым заполнен весь контур пара 3,5МПа. При этом контур оказывается заполнен двухфазной средой (пар и конденсат). Наличию двухфазной смеси со значительной долей жидкой фазы свойственны такие нежелательные явления, как гидроудары и повышенный эрозионный и коррозионный износ оборудования.
5. За теплообменниками верхнего ряда Т1, Т2, Т3, Т4 и Т5 (см. схему 1) нет конденсатоотводчиков, что приводит к пролету пара через теплообменники, а также возникновению повышенного давления в конденсатной линии, что затрудняет отвод конденсата. По этой причине не полностью отбирается тепло в первом ряде теплообменников и во второй ряд теплообменников Т6, Т7, Т8, Т9, Т10 (на схеме 1 нижний ряд) поступает парокоденсатная смесь, являющаяся худшим теплоносителем, чем пар.
6. Давление пара подпитки, поступающего по линии цеха 2, автоматически не поддерживается. Значение этого давления может превышать давление пара вторичного вскипания и это может «запирать» выход пара вторичного вскипания из сепараторов Е1 и Е2.
Рисунок 1. Существующая схема
Вышеперечисленные недостатки существующей системы обвязки устранены в предлагаемой cхеме № 2 (рисунок 2):
1. Каждая единица теплообменного оборудования оснащена блоками конденсатоотвода для исключения пролета пара и потерь, связанных с ним.
2. Схемы регулирования теплообменников «по конденсату» заменены на регулирование «по пару».
3. Предложена схема с максимальной утилизацией теплоты конденсата высоких параметров, используется пар вторичного вскипания собственной выработки с фиксированными значениями давления и температуры. Недостающее количество пара 3,5 ати система автоматически получит из МЦК.
4. По конденсатной стороне схема позволяет исключить попадание конденсата в паровую ветку, тем самым минимизируется вероятность гидроударов. После внедрения предлагаемых решений значительно упрощается регулирование теплообменного оборудования во время пусков и в процессе изменения технологических режимов.
5. Потоки энергоносителей четко структурированы и направлены.
Рисунок 2. Предлагаемая схема
Расчет потерь, связанных с использованием завышенного количества пара 3,5 бари из МЦК:
Используя данную схему (рис 3), мы снижаем количество потребляемого пара ровно на количество вырабатываемого «мятого» пара из конденсата пара 15 бари.
Рисунок 3. Предлагаемая схема (фрагмент)
При минимальном расходе пара 15 ати 10 т/ч, мы получим пар вторичного вскипания параметрами пара из МЦК (3,5 ати 148 С) в количестве 8181,6 т/год (см. расчет).
Расчет потерь производится по формуле, позволяющей вычислить количество пара вторичного вскипания в процентном соотношении к расходу пара на теплообменник:
Где:
hкон.в.д. - энтальпия конденсата при высоком давлении,
hкон.н.д. -энтальпия конденсата при низком давлении,
hпарооб.н.д. - энтальпия парообразования при низком давлении,
При усредненных параметрах конденсата за теплообменниками Т=195 С, Р=13 ати его энтальпия составляет 829,9 КДж/кг:
При установке в сепараторе пара при помощи регулирующей арматуры строго Р=3,5 ати и Т= 148,1° С его энтальпия в нем составляет 623,4 КДж/кг:
При этом энтальпия парообразования/конденсации в сепараторе при этих параметрах составляет 2119,4 КДж/кг:
Подставляя в формулу, получаем:
В расходных значениях от минимального потребления в 10 т/ч пара 15 ати, количество пара вторичного вскипания 3,5 ати составит 974 кг/ч.
При средней минимальной стоимости пара в 500 р/т, вырабатываемый пар позволит сократить получение пара 3,5 ати из МЦК на 974 кг/ч х 8400 ч. = 8181,6 т/год или 4908 тысяч рублей в год.
При этом не учтен пар вторичного вскипания, получаемый из пароконденсатной смеси, принимаемой из цеха 2, поскольку для расчета нет точных данных по параметрам этой смеси и ее количеству. Принимается только, что реальное снижение потребления пара из МЦК будет еще ниже. Допускается также, что вырабатываемого «мятого» пара давлением 3,5 ати на линии цеха 2 будет достаточно для собственных потребителей, и часть его будет отправляться в МЦК.
Заключение:
В целом, в рамках данной статьи рассмотрены только потери связанные с низким коэффициентом использования конденсата пара 15 ати. В то же время, как видно из анализа схем, полноценная модернизация позволяет:
1. Обеспечить максимальное использование тепла конденсата пара 15 ати.
2. Снижает потребление «острого пара» 3,5 ати из заводской сети МЦК.
3. Исключает пролет пара на оборудовании.
4. Облегчает и ускоряет процесс настройки системы в целом при изменении технологических режимов или нагрузок.
5. Достигается строгая направленность потоков, разделенных по параметрам. Параметры энергоносителей четко регулируются.
Таким образом, среднегодовая эффективность использования паросепараторов в схеме позволяет добиться экономии в 4 миллиона 908 тысяч рублей при общей модернизации, исключении пролетного пара и иных потерь в пароконденсатном контуре среднегодовая эффективность составит порядка 12 миллионов 200 тысяч рублей. Расчетный срок окупаемости системы порядка 8 месяцев.