Эксергетический пинч-анализ системы теплообмена в технологии переработки нефти

В настоящее время сложился вполне разработанный подход к оценке энергетической эффективности технических систем. Этот подход базируется на известных методах термодинамического анализа – энергетическом, энтропийном и эксергетическом. Каждый из этих методов имеет известные достоинства, недостатки и ограничения.

Актуальность темы исследования

Энергетический (энтальпийный) метод оценки энергетической эффективности применялся на ранних этапах развития техники и технологий. Технологии не стоят на месте, но данный метод до сих пор используется в ЖКХ и промышленной энергетике. К тому же энтальпийный метод не отражает истинную ценность различных видов энергии и энергетических ресурсов [1, 2].

Более полную и объективную оценку различных видов энергии позволяет дать эксергетиче-ский подход, учитывающий качество энергии и ее способность к преобразованию в условиях функционирования исследуемого объекта [3, 4].

Обзор исследований авторов

Работы следующих авторов: Д.П. Гохштейн, В.М. Бродянский, Ю. Шаргут, Р. Петела, Б.С. Сажина, А.П. Булекова, А.И. Андрющенко, Ю.М. Рубинштейн, М.И. Щепетильникова и др. легли в основу теоретического эксергетического анализа [5–7].

В последнее время многие исследователи сосредоточились на анализе эксергии тепловых электростанций для оптимизации качества энергии.

А.Б. Богданов в статье [8] доказал, что применение понятий эксергии и анергии позволяет классифицировать качество тепловой и электрической энергии.

Tsatsaronis и Moung-Ho [9] были первыми, кто разработал концепции предотвращаемого и неизбежного разрушения эксергии, которые были использованы для определения потенциала для улучшения термодинамических характеристик и экономической эффективности системы.

Многие современные ученые рассматривают термодинамические процессы, используя эксерге-тический анализ. Они получают хорошие результаты [10, 11].

При решении задач повышения энергоэффективности технических систем в первую очередь рассматриваются вопросы термодинамической оптимизации процессов, протекающих в элементах теплоэнергетического оборудования и в самих теплоэнергетических системах. Одним из наиболее эффективных методов параметрической оптимизации теплоэнергетических процессов является пинч-анализ или метод интеграции тепловых процессов [12, 13].

Теоретические основы в области интеграции тепловых процессов и пинч-анализа представлены в работах Б. Линнхоффа, Дж. Клемеша, Л.Л. То-важнянского, Р. Смита, Л.М. Улиева, П.А. Капус-тенко и др.

Многие ученые проводили пинч-анализ установки первичной перегонки нефти и добивались успехов в своих исследованиях [14].

Но одним из основных ограничений пинч-метода является его ориентация на энтальпийный подход к анализу и оптимизации тепловых потоков в рассматриваемой системе.

Научная новизна

В связи с выше изложенным возникает необходимость разработки такого метода термодинамического анализа и совершенствования технических систем, который бы сочетал достоинства эк-сергетического метода и метода структурной и параметрической оптимизации тепловых процессов на основе пинч-анализа.

Жуан Рашиди и Д.С. Агапов исследовали системы с помощью эксергетического и пинч-анализа [15, 16]. Но никто еще не пытался объединить эти два метода в один.

Постановка задачи исследования

В данной статье проводится пинч-анализ установки при помощи эксергии (вместо энтальпии), которая может оценить потенциал тепловых потоков и показывает зависимость энергии тепловых потоков от температуры окружающей среды [17, 18].

Теоретическая часть.Основные расчетные зависимости

Для определения эксергии можно воспользоваться формулой [19]:

ДЕх = Ср-М • [Т1-Т2-To-ln^^], (1) где Cр – удельная теплоемкость вещества потока при постоянном давлении, Дж/(кг·К); М – массовый расход вещества потока, кг/с; Т1, Т2 – температуры теплоносителя соответственно в подающем и обратном трубопроводах, К; Т0 – температура окружающей среды, К.

Анализ системы теплообмена установки

Для первичной переработки нефти используется установка ЭЛОУ–АТ–6. В установке производится комбинирование блоков подготовки нефти к переработке (ЭЛОУ), первичной перегонки нефти (АТ) [20].

Установка состоит:

• 1)    из ректификационной колонны;

• 2)    печи для подогрева нефти;

• 3)    теплообменного рядя, который необходим для подогрева сырой нефти за счет тепла отходящих продуктовых фракций;

• 4)    концевых аппаратов воздушного охлаждения (АВО);

• 5)    блока ЭЛОУ; насосного оборудования.

На установке вырабатываются следующие нефтепродукты: углеводородный (жирный) газ, сжиженный газ, фракция НК–62 °С, фракция бензиновая прямогонная 105–180 °С, фракция 180– 240 °С, фракция 240–350 °С, мазут прямогонный. Дизельные фракции с атмосферного блока установок АТ–6 после их гидроочистки могут быть широко использованы в качестве компонентов товарных дизельных и судовых топлив, в том числе дистиллятных [21] и остаточных марок [22].

Методология проведения исследований

В первом этапе оптимизации необходимо определить эффективность существующей системы теплообмена. Данные тепловых потоков представлены в табл. 1.

Данные тепловых потоков установки переработки нефти

Таблица 1

Поток	Начальная температура, °С	Конечная температура, °С	Массовый расход, кг/с	Удельная теплоемкость, кДж/кг·°С	Эксергия, МВт	Энтальпия, МВт
Нефть до ЭЛОУ (Холодный поток 1)	14	119	257,06	1,8	–9,2	–48,58
Нефть после ЭЛОУ (Холодный поток 2)	119	243,8	242,84	2,23	–26,72	–67,58
ДТ из К-7 (Горячий поток 1)	257	62,5	57,56	2,77	11,108	31,01
Керосин из К–6 (Горячий поток 2)	137	57,8	27,21	2,52	1,413	5,43
Мазут (Горячий поток 3)	355	81	136,38	3,15	50,48	117,71
2 ЦО К–2 (Горячий поток 4)	261	72,6	83,56	2,79	16,229	43,92
1 ЦО К–2 (Горячий поток 5)	109	74	161,44	2,26	3,198	12,77
Мазут из топливного кольца (Холодный поток 4)	100	121	1,87	2,25	–0,025	–0,088

Окончание табл. 1

Поток	Начальная температура, °С	Конечная температура, °С	Массовый расход, кг/с	Удельная теплоемкость, кДж/кг·°С	Эксергия, МВт	Энтальпия, МВт
Бензин из Е–1А (Холодный поток 5)	26,6	108	29,77	2,17	–1,019	–5,25
Фракция НК–62 (Горячий поток 6)	79	33	5,68	1,94	0,08	0,507
Фракция 62–105 (Горячий поток 7)	119	40	5,87	2,04	0,21	0,94
Фракция 105–180 (Горячий поток 8)	166	43	6,26	2,2	0,458	1,69

Рис. 1. Составные кривые существующей установки на графике «температура – эксергия»

Проанализировав рис. 1, можно сделать следующие утверждения.

• 1.    Δ Т мин = 111,2 °С, следовательно, есть возможность уменьшать Δ Т мин .

• 2.    Из нижней части графика видно, что 46,22 МВт эксергии теряется.

Итак, эксерегтичсекий пинч-анализ выявил, что существующая схема теплообмена установки не оптимальна.

Система теплообмена имеет большие потери эксергии, которые можно уменьшить. Есть возможность данными горячими потоками нагреть еще один холодный поток (табл. 2). В качестве дополнительного холодного потока возьмем отбензиненную нефть с низа колонны 1. Нефть с низа колонны будет донагреваться горячими потоками перед печами Т–1А и Т–1Б, тем самым сни- зив нагрузку на печи и уменьшив потери эксергии в системе.

Эксергия потоков системе теплообмена установки уже рассчитана по формуле (1) и представлена в табл. 1 и 2.

Далее необходимо графически представить составные кривые методом пинч-анализа (рис. 2).

Составные кривые приводятся к минимальной температуре Т _мин = 10 °С. Точка пинча: t _гор = 257 °С, t хол = 247 °С

В теории пинч-анализа утверждается, что у составных кривых есть участок, проекция которого на ось энтальпии не перекрывается проекцией второй кривой. То есть холодная составная нуждается во внешнем источнике тепла, а горячая составная кривая требует дополнительного внешнего охлаждения [23].

Данные дополнительного холодного потока

Таблица 2

Наименование		Начальная температура, °С	Конечная температура, °С	Массовый расход, кг/с	Удельная теплоемкость, кДж/кг·°С	Эксергия, МВт	Энтальпия, МВт
Холодный поток 3	Нефть перед К–2	243,8	364	239	2,23	–34,18	–65,09

Таблица 3

Изменения эксергии с помощью потоковых данных

Наименование		Эксергия, МВт
Нефть до ЭЛОУ	Холодный поток 1	–9,20
Нефть после ЭЛОУ	Холодный поток 2	–26,72
Нефть после К–1	Холодный поток 3	–34,18
ДТ из К–7	Горячий поток 1	11,11
Керосин из К–6	Горячий поток 2	1,41
Мазут	Горячий поток 3	50,48
2 ЦО К–2	Горячий поток 4	16,23
1 ЦО К–2	Горячий поток 5	3,20
Мазут из топливного кольца	Холодный поток 4	–0,03
Бензин из Е–1А	Холодный поток 5	–1,02
Фракция НК–62	Горячий поток 6	0,09
Фракция 62–105	Горячий поток 7	0,21
Фракция 105–180	Горячий поток 8	0,46
Печи	Внешний горячий источник тепла	14
Вода	Внешний холодный источник тепла	–24
Потери эксергии:		0,04

Рис. 2. Преобразованные тепловые потоки в системе координат «температура – эксергия»

Данные эксергетического пинч-анализа представлены в табл. 3.

Данный метод позволяет использовать практически всю эксергию в системе.

Сравнение полученных расчетных (аналитических) данных и результатов, полученных другими методами

Проанализировав график составных кривых (см. рис. 2), можно определить особенности тепловых процессов в установке.

• 1.    Холодная составная кривая нуждается во внешнем источнике тепла, который дает 14 МВт эксергии. Таким образом, задействовав 46,22 МВт эксергии, которые теряет система теплообменников (см. рис. 1), можно уменьшить нагрузку печей. Рекомендации по источнику теплоты: использовать менее мощные печи или внести в них конструктивные изменения.

• 2.    Горячая составная кривая теряет низкопотенциальное тепло с эксергией 24 МВт. Для повышения эффективности установки можно использовать это тепло для технологических нужд.

Эксергетический пинч-анализ, в отличие от эксергетического метода, позволяет проводить структурную и параметрическую оптимизацию системы теплообмена.

Эксергетический пинч-анализ, в отличие от традиционного пинч-метода, учитывает потенциал тепловой энергии.

Практическая значимость

На основании эксергетического пинч - анализа установки первичной перегонки нефти в статье предложены меры для оптимизации проекта. Данный анализ позволил уменьшить эксергетические потери, не сближая составные кривые (не уменьшая А Т min ).

Заключение

В данной статье:

• 1)    рассчитаны потери эксергии установки первичной перегонки нефти;

• 2)    проведен эксергетический пинч-анализ системы теплообмена установки первичной перегонки нефти;

• 3)    проведена оптимизация системы теплообмена установки, с целью уменьшения потерь эксергии.

Таким образом, эксергетический пинч-анализ позволяет более эффективно использовать энергию и ресурсы на НПЗ, что актуально на сегодняшний день [24].