УСТРОЙСТВО УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ПОТОКОВ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Полезная модель относится к области энергетики, может быть использована для утилизации тепла технологических потоков газов и жидкостей в различных областях промышленности и энергетики.
В условиях быстрого роста цен на органическое топливо, энергосбережение во всех отраслях промышленности является важнейшим фактором снижения себестоимости производства продукции и повышения ее конкурентоспособности. Основные направления энергосбережения: утилизация низкопотенциальной энергии промышленных предприятий и создание простых и надежных энергетических установок для производства тепловой и электрической энергии, работающих на местных видах топлива. Решение перечисленных проблем сдерживается отсутствием на энергетическом рынке установок, позволяющих утилизировать тепловую энергию с низкими параметрами теплоносителей. Для энергетических установок, утилизирующих низкопотенциальную энергию, применяют низкокипящие рабочие тела (НРТ), которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах, и поэтому давно привлекают внимание разработчиков в различных областях энергетики и, в частности, в геотермальной энергетике. В качестве НРТ применяют фреоны, водный раствор аммиака, пентан, изопентан, бутан, изобутан и др.
В рамках данной полезной модели используют нормальный бутан.
Для повышения тепловой экономичности энергетических установок и оптимизации режимных характеристик в ООО «Комтек-Энергосервис» разработана комбинированная энергетическая установка, состоящая из противодавленческой паровой турбины, к выхлопу которой параллельно подключены теплофикационная установка и контур с низкокипящим рабочим телом (статья «Перспективы применения энергетических установок с низкокипящими рабочими телами», авторы М.И. Гринман, к.т.н., В.А. Фомин, к.т.н, ООО «Комтек-Энергосервис», г. Санкт-Петербург, опубл. в «Электронном журнале энергосервисной компании «Экологические системы» №2, 2011 г., можно ознакомиться в сети Интернет на сайтах разных компаний по следующим адресам: http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2316&р=1; http://esco-ecosys.narod.ru/2011_2/art069.htm и http://www.alfar.ru/smart/2/483/) (установка на рисунке 1 принята в качестве прототипа). В установке реализованы паровой и органический циклы Ренкина. Выполненный авторами статьи анализ показал, что для значений температур греющих теплоносителей в диапазоне 140-190°C целесообразно применять в утилизационном контуре пентан, а в диапазоне 100-130°C - бутан. Преобразование низкопотенциальной тепловой энергии в механическую и далее в электрическую происходит в замкнутом бутановом контуре, который включает в свой состав парогенератор (испаритель) бутана, бутановую турбину с электрогенератором, конденсатор бутана, насосное и вспомогательное оборудование. Для уменьшения затрат электроэнергии на сжатие жидкого бутана применено многоступенчатое сжатие: в конденсатном насосе и в одном или двух струйных термонасосах (инжекторах).
Применение бутана в качестве рабочего тела позволило создать компактную малогабаритную турбину, так как объемный расход пара через последнюю ступень в случае применения бутана уменьшается на два порядка. Так при температуре конденсации 30°C, удельный объем водяного пара составляет 32,89 м3/кг при давлении 0,0425 бар, в то время как у бутана (R 600) - 0,141 м3/кг при давлении 2,81 бар. В результате в бутановом контуре отсутствует вакуумная система удаления воздуха из конденсатора со всеми ее эксплуатационными проблемами. Это позволило создавать конструкции минимальных габаритов из обычных материалов (низкий уровень температур, минимальные окружные скорости и напряжения). Турбинная часть установок на бутане представляет собой газовую турбину, работающую с низкими параметрами газа и поэтому достаточно надежную. Производство пара НРТ происходит в парогенераторе. Он представляет собой кожухотрубный теплообменник, в котором греющий теплоноситель проходит внутри трубной системы, расположенной в объеме НРТ. Пар, полученный в процессе испарения, сепарируется и направляется в турбину. Конденсация пара НРТ после турбины производится в конденсаторе.
Однако, данное решение имеет некоторые недостатки, заключающиеся в следующем: многоступенчатое сжатие с применением струйных насосов, для конденсации применяется вода, а это - градирня - дорогостоящее сооружение, к тому же она потребляет сама немало электроэнергии, схема сравнительно сложная, много единиц дополнительного оборудования.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции и повышении эффективности утилизация низкопотенциальной энергии промышленных предприятий.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве утилизации тепла потоков нефтепродуктов, содержащем сообщенные в замкнутый контур насос, связанный с емкостью накопления жидкого нормального бутана, теплообменники и газовая турбина для привода генератора электрического тока, работающая от давления нормального бутана, насос сообщен с первой группой теплообменников или первым теплообменником для подачи через них под давлением жидкого нормального бутана, которые выполнены с функцией пропуска через себя потока нефтепродуктов для передачи тепла потоку жидкого нормального бутана для перевода его жидкого состояния в состояние перегретых паров и направления в газовую турбину, вторая группа теплообменников или второй теплообменник размещена на выходе газовой турбины для приема паров нормального бутана при пониженном давлении и его охлаждения от потока нефтепродуктов или атмосферного воздуха, а третий теплообменник расположен на выходе второй группы теплообменников для выдачи конденсированного нормального бутана в жидком состоянии от охлаждения потоком нефтяного сырья или атмосферным воздухом в направлении емкости накопления жидкого нормального бутана.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция устройства утилизации тепла потоков газа и жидкостей нефтепродуктов, которое содержит сообщенные в замкнутый контур насос, сообщенный с емкостью накопления жидкого нормального бутана, теплообменники и газовая турбина для привода генератора электрического тока, работающая от давления нормального бутана. В этом устройстве насос сообщен с первой группой теплообменников или первым теплообменником для подачи через него под давлением жидкого нормального бутана, который выполнен с функцией пропуска через себя потока нефтепродуктов для передачи тепла потоку жидкого нормального бутана для перевода его жидкого состояния в состояние перегретых паров и направления в газовую турбину. Вторая группа теплообменников или второй теплообменник размещен на выходе газовой турбины для приема паров нормального бутана при пониженном давлении и его охлаждения от потока нефтепродуктов или атмосферным воздухом, а третий теплообменник расположен на выходе второго теплообменника для выдачи конденсированного нормального бутана в жидком состоянии от охлаждения потоком нефтяного сырья или от атмосферного воздуха в направлении емкости накопления жидкого нормального бутана.
На приложенном рисунке представлены емкость-сборник 1 жидкого нормального бутана, насос 2, ряд теплообменников 3 для нагрева нормального бутана, испарения и перегрева паров, газовая турбина 4, генератор 5 электрического тока, теплообменники 6 для охлаждения и конденсации паров нормального бутана потоками более холодных нефтепродуктов и/или атмосферным воздухом и теплообменник 7 финишного охлаждения и конденсации бутана потоком нефтяного сырья технологической установки. Так же на рисунке показаны:
8 - утилизируемые потоки тепловой энергии горячих нефтепродуктов;
9 - потоки охлаждающих поток н-бутана нефтепродуктов и/или атмосферный воздух;
10 - поток нефтяного сырья технологической установки, обеспечивающий финишное доохлаждение и конденсацию н-бутана.
3
2
2
3
Устройство утилизации тепла потоков газов и жидкостей работает по принципу передачи тепловой энергии «рабочему телу», которое приводит в движение посредством турбины генератор электрического тока. В качестве «рабочего тела» применяется нормальный бутан - (н-бутан) CH(CH)CH, свойства которого хорошо описаны в статье «БУТАНЫ», авторы Берлин М.А., Гореченков В.Г., Волков Н.П., Переработка нефтяных и природных газов, М, 1981. Вращение турбины осуществляется перегретым газообразным нормальным бутаном. После турбины газообразный нормальный бутан конденсируется за счет охлаждения в теплообменнике потоком более холодной жидкости или газа. Нормальный бутан подается в теплообменники утилизации тепла насосом в жидком виде.
Для достижения технического результата охлаждаемый поток 8 проходит теплообменники 3, где отдает тепловую энергию потоку нормального бутана, подаваемого насосом 2. В теплообменники 3 нормальный бутан подается в жидком виде при повышенном давлении. После теплообменников 3 перегретые пары н-бутана направляются в газовую турбину 4, которая приводит в движение генератор электрического тока 5. После турбины 4 пары н-бутана при пониженном давлении и температуре дополнительно охлаждаются и конденсируются в теплообменниках 6, а затем окончательно охлаждаются и конденсируются потоком нефтяного сырья в теплообменнике финишного охлаждения и конденсации бутана 7. Затем бутан в виде жидкости направляется в емкость-сборник 1 жидкого н-бутана.
3
Преимущество данного устройства могут быть проиллюстрированы на примере одного из нефтеперерабатывающих заводов России. В составе завода работают две технологические установки ЭЛОУ-АТ мощностью по 2,5 млн. тонн в год. Для финишного доохлаждения товарных нефтепродуктов на заводе построена водяная градирня мощностью 2000 м в час. Капиталовложения в строительство градирни, насосной оборотного водоснабжения, вспомогательных систем, прямых и обратных трубопроводов составили до 400 млн. рублей. Потребляемая мощность электроэнергии градирни и вспомогательных систем составляет 1500 кВт.
Альтернативный вариант доохлаждения нефтепродуктов на выходе с одной из технологических установок может быть реализован при капиталовложениях ориентировочно 200 млн. рублей (стоимость приобретения оборудования и строительно-монтажные работы). Для двух технологических установок капиталовложения составят до 400 млн. рублей, при этом выработка электроэнергии на двух установках составит 2×960 кВт = 1920 кВт.
Учитывая экономию электричества, которое в первом случае расходовалось на градирне 1500 кВт, положительный баланс по электроэнергии составит: 1500 кВт + 1920 кВт = 3420 кВт. При стоимости электроэнергии 4 рубля за 1 кВт./час предприятие может сэкономить около 120 млн. рублей в год только на электроэнергии. Также необходимо учесть затраты на:
- приобретение, хранение и применение химических реагентов для обработки воды;
- подготовку воды, применяемой и теряемой в градирне;
- очистку заиленной воды, выводимой из градирни;
- оплату загрязнений воздушного бассейна (в том случае, если эквивалентный объем электроэнергии производился непосредственно на НПЗ при сжигании ~7,500 тонн в год органического топлива).
С учетом вышеупомянутого, экономия только текущих затрат может достичь 180-200 млн. рублей в год.