Оценка экономии топлива при разработке комбинированных энергетических установок с процессами и аппаратами химической технологии

УДК 621.438

А.К. Тверской, В.Ф. Симонов ОЦЕНКА ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА ПРИ РАЗРАБОТКЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ПРОЦЕССАМИ И АППАРАТАМИ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Разработана и систематизирована методика расчета экономии топлива для исследования вариантов комбинирования энергетических установок с процессами и аппаратами химической технологии. Проведены расчеты для ряда нефтехимических производств.

Методика расчета экономии топлива, процессы и аппараты химической технологии

A.K. Tverskoy, V.F. Simonov ESTIMATION OF FUEL ECONOMY AT THE DEVELOPMENT OF COMBINED POWER PLANTS WITH PROCESSES AND VEHICLES OF CHEMICAL TECHNOLOGY

The methodology of fuel economy calculation is worked out and systematized to study the possibility of combining power plants with processes and vehicles of chemical technology. Calculations are made for a number of petrochemical industries.

Methodology of economy calculation, processes and vehicles of chemical technology

Реформирование энергетики Российской Федерации с изношенным энергетическим оборудованием привело к росту стоимости электроэнергии. Инвестиционная составляющая в тарифах на энергоносители, предоставленная энергетическим компаниям, не позволяет в полной мере осуществить модернизацию существующего энергетического оборудования и тем более увеличить производство электроэнергии в условиях роста энерговооруженности и развития отраслей экономики.

Энергоемкие предприятия химического профиля встали перед выбором создания собственных источников производства электроэнергии. Активизации данного вопроса способствовало появление на рынке энергетического оборудования большого количества предложений с отечественными и зарубежными газовыми двигателями. Возникла проблема оптимизации выбора схем и оборудования с газовыми двигателями для многочисленных химических технологий.

Предприятия химического профиля в своём составе имеют разнообразные процессы и установки, обладают большой энергоёмкостью и потребляют большой ассортимент энергоносителей. В условиях химических отраслей экономики эффективно применение комбинированного производства энергоносителей [1]. Перспективным направлением повышения энергетической эффективности является применение комбинированных газовых турбин с процессами и аппаратами химической технологии (рис. 1): с котлами-утилизаторами, трубчатыми печами, сушильными и выпарными установками, агрегатами для обезвреживания жидких и газообразных отходов технологических производств. Практически все основные виды энергоносителей могут быть получены в комбинированных установках: механическая энергия для технологических компрессоров, электрическая энергия, тепловая энергия различных потенциалов, холод с различными изотермами, инертный газ и другие.

Природный газ из сети Внутренний источник газа

4 5 6 7 8 9 10 11 12

_2_

МЭ

КУі

ТЭ1

КУ2

ТЭ2

Д

Х

_2_

МЭ

КУі

ТЭ1

КУ2

ТЭ2

Д

Х

ИГ

МЭ

КУі

ТЭ1

КУ2

ТЭ2

Д

Х

ИГ

ДУ

_2_

ГТ ГТ

МЭ МЭ

ТП СУ

ТТн ТТс

_2_

ГТ ГТ ГТ

МЭ МЭ МЭ

ВУ ОС ОГ

ТТв ТТо ТТг

2

3

Рис. 1. Основные направления применения комбинированных газовых турбин в химических технологиях.

Оборудование: ГТ - газовая турбина; КУ1, КУ2 - первый и второй котёл-утилизатор; ТП - трубчатая печь; СУ - сушильная установка;

ВУ - выпарная установка; ОС - установка по огневому обезвреживанию стоков; ОГ - установка по огневому обезвреживанию газовых отходов; Д - детандер. Энергоносители: МЭ - механическая энергия; ТЭ1, ТЭ2 - теплоэнергия от КУ1 и КУ2; ТТн - теплота продуктов сгорания топлива на процессы в трубчатых печах; ТТс - теплота продуктов сгорания топлива на процессы сушки; ТТв - теплота продуктов сгорания топлива на выпарку; ТТо - теплота продуктов сгорания топлива на обезвреживание стоков; ТТг - теплота продуктов сгорания топлива на обезвреживание газовых отходов; Х - холод;

ИГ - инертный газ; дУ - диоксид углерода

Существенным достоинством комбинированных установок является ступенчатое и глубокое использование потенциала топлива и минимальное их расположение к потребителю с точным соответствием параметров вырабатываемых энергоносителей технологическому процессу.

Для разработки комбинированных энергетических установок с процессами и аппаратами химической технологии при модернизации действующих предприятий необходимо провести энергетическое обследование и оценить состояние энергосбережения и энергетической эффективности производства и распределения энергоносителей [2]. Особое внимание следует уделить использованию вторичных энергетических ресурсов в составе комбинированных энергетических установок. Примером могут служить крупнотоннажные производства этилена, аммиака, серной кислоты и других, где тепловые вторичные энергоресурсы в форме пара высоких энергетических параметров используются в качестве рабочих тел в паровых турбинах с отбором пара в теплоиспользующие аппараты. Механическая энергия турбин используется для привода технологических компрессоров или для производства электроэнергии в электрогенераторах.

Энергетическая эффективность комбинированных энергетических установок с процессами и аппаратами химической технологии в комплексе с мероприятиями по энергосбережению на первом этапе выбора схем, оборудования и рабочих параметров установок оценивается прежде всего экономией топлива по сравнению с расходом топлива в агрегатах с раздельным получением соответствующих энергоносителей. Для оценки всех факторов экономии топлива при реализации сложных энергоэффективных технологических схем в рамках действующих или проектируемых предприятий необходимо изначально использовать общее универсальное выражение [3]:

пт I а

кВ = £ Вэт • 5тг + ¿Кот • £ Оэ^ • 5Тэ; • етэ + Ькх • £ ^.ээк • ^ • Уээк — £ Вд.тг • 8д.тг —

г=1 ;=1 к=1 г=1

в т

— Ь • £ О • § • £ — Ь • •§ V

^кот ¿—I -^длэр д.тэр д.тэр кэс ¿—I д.ээг д.ээг * д.ээг ’ V /

р=1 г=1

где Вэтг- - экономия топлива в топливоиспользующих агрегатах, т/год; Оэ.тэ] - суммарное количество теплоэнергии, сбереженной в аппаратах и установках предприятия, ГДж/год; ^эээг - количество сэкономленной электроэнергии в результате электросбережения в технологических процессах предприятия кВт-ч/год; п, т, I - число типов соответствующих потребителей топливно-энергетических ресурсов с энергосберегающими технологиями; Вдт г, Одтэ р, ^дтэ ( - дополнительные количества топлива, теплоэнергии и электроэнергии на обеспечение энергосберегающих технологий на предприятии, т/год, ГДж/год и кВтч/год; Ькот, Ькэс - удельный расход топлива в замещаемой котельной и замещаемой конденсационной электростанции, т/ГДж и т/кВтч; , 6тэ/, 8ээк - коэффициенты, учитываю-

щие изменения расхода топлива в системах топливоснабжения при энергосбережении соответственно в топливоиспользующих агрегатах, теплоиспользующих и электроиспользующих установках; а, в, т - число типов энергосберегающих установок, использующих соответствующие дополнительные энергоносители; 5дтг, 5дтэр, 5дээ( - коэффициенты, учитывающие варианты необходимости дополнительного расхода топлива в системах топливоснабжения топливоиспользующих агрегатов, котельных и тепловых электростанциях при реализации энергосберегающих технологий; £дтэр, удээ( - коэффициенты, учитывающие дополнительный расход топлива в централизованных энергоустановках на транспортировку и преобразование параметров теплоэнергии и электроэнергии при реализации энергосберегающих технологий; £тэ/, уээ к - коэффициенты, учитывающие расход топлива в централизованных источниках энергии (котельных установках и тепловых конденсационных электростанциях) на транспортировку и преобразование параметров энергоносителей. Здесь и далее расходы топлива даны в пересчете на условное топливо.

Формула (1) представляет собой сумму величин экономии топлива от энергосберегающих мероприятий, которая вычисляется на основе энергетических аудитов предприятий, топливноэнергетических балансов и оценок потерь энергии энергоносителями. Уравнение (1) отражает противодействующие факторы экономии топлива от энергосбережения и дополнительные затраты топлива на обеспечение энергосберегающих технологий. В зависимости от форм энергосберегающих решений и количества агрегатов, установок и производств формула (1) при практическом использовании преобразуется в конкретные выражения.

В соответствии с рис. 1 представлены наиболее общие варианты интеграции газовых турбин с процессами и аппаратами химической технологии: 1 - газовая турбина с котлом-утилизатором; 2 -газовая турбина с двумя последовательно установленными котлами-утилизаторами; 3 - газовая тур-

бина с двумя последовательно установленными котлами-утилизаторами и детандером; 4 - газовая турбина с двумя последовательно установленными котлами-утилизаторами, детандером и установкой по получению инертного газа из продуктов сгорания; 5 - газовая турбина с двумя последовательно установленными котлами-утилизаторами, детандером, установкой по получению инертного газа из продуктов сгорания и агрегатом по производству диоксида углерода; 6 - газовая турбина, трубчатая печь и котел-утилизатор; 7 - газовая турбина и трубчатая печь; 8 - газовая турбина и сушильная установка; 9 - газовая турбина, котел-утилизатор и сушильная установка; 10 - газовая турбина с выпарной установкой; 11 - газовая турбина с огневым обезвреживанием стоков; 12 - газовая турбина с огневым обезвреживанием газообразных отходов.

После преобразований выражения (1) для каждого типа (1-12) комбинированной газотурбинной установки с процессами и аппаратами химических технологий разработаны соответствующие уравнения:

5д.тГ;

5д.тг;

5д.тг;

Анализ уравнений (2-13) позволяет отметить адекватность записей выражений: в группе 1 ЛВЬ ДВ2, ЛВ3, Лв4; в группе 2 ДВ5, ЛВ6, ЛВ9; в группе 3 ЛВ7, ЛВ8, ДВ10, ЛВ1Ь ЛВ12. Внутри групп состав и количество слагаемых уравнений для каждого исследуемого направления или варианта ЛВ определяется числом и типом потребителей топливно-энергетических ресурсов с энергосберегающими технологиями.

В качестве топлива газовых турбин используется природный газ из магистральных газопроводов или производственные источники - горючие газы после процессов газоразделения Вдт. Для

обеспечения энергетического баланса производства или для повышения температуры продуктов сгорания за газовой турбиной возможен дополнительный ввод топлива [4]. Расход топлива в газовые турбины и на нужды обеспечения работоспособности комбинированных установок представлен в уравнениях (2)-(13) суммой Вдт. При использовании горючих отходов производств величина Вдт в вышеприведенных выражениях принимается равной нулю.

Экономия топлива, тепловой энергии и электрической энергии в технологических агрегатах и установках по производству энергоносителей в выражениях (2)-( 13) определяется на основе произведения удельных показателей потребления топливно-энергетических ресурсов типовых установок и объема продукции замещаемых производств.

178

т I а

АВ1 = Ькот • £ Оэ.тэ. • 5тэ. • £тэ/ + Ькэс • £ ^ ' 5ээк ' Уээк — £ Вд.тг • 5д.тг ;

;=1 к=1 г=1

т I а

АВ, = Ь • £ О . 5 £ . + Ь • £^ . 5 к -у . — £ В 5 ;

2 кот ^э.тэ. тэ. тэ. кэ с э.ээк ээк • ээк д.тг д.тг ’

.=1 к=1 г=1

т I а

АВ3 = Ь • £ О  5 • £ . + Ь •£W . 5 к -у . — £ В 5 ;

3 кот ^э.тэ. тэ. тэ. кэс э.ээк ээк • ээк ^ д.тг д.тг ’

.=1 к=1 г=1

т I а

АВ4 = Ь • £ о  5 £ + Ь •£W . 5 к -у . — £ В 5 ;

4 кот ^э.тэ. тэ. тэ. кэ с э.ээк ээк • ээк ^ д.тг д.тг ’

.=1 к=1 г=1

пт I т

АВ5 = £ Вэт • 5т« + Ькот • £ Оэ.тэ. • 5тэ. • £тэ. + Ькэс • £^э.ээк • 5ээк • Уээк — £ Вд.тг '

г=1 .=1 к=1 г=1

пт I т

АВ6 = £ Вэ.я • 5т« + Ькот • £ °э.тэ; • 5тэ. • £тэ. + Ькэс • £^э.ээк • 5ээк • Уээк — £ Вд.тг

г=1 .=1 к=1 г=1

пт т

АВ7 = £ Вэ.тг • 5т + Ькэс • £ ^э.ээк ' 5ээк 'Уээк — £ Вд.тг ' 5д.тг ;

г=1 к=1 г=1

п I т

АВ8 = £ Вэт • 5т« + Ькэс • £ ^э.ээк • 5ээк • Уээк — £ Вд.тг • 5д.тг ;

г=1 к=1 г=1

пт I т

АВ9 = £ Вэ.тг • 5т + Ькот • £ Оэ.тэ. ' 5тэ. ' £тэ. + Ькэс • £ ^э.ээк ' 5ээк ' Уээк — £ Вд.тг

г=1 .=1 к=1 г=1

п I т

АВ10 = £ Вэт • 5т« + Ькэс • £^э.ээк • 5ээк • Уээк — £ Вд.тг • 5д.тг ;

г=1 к=1 г=1

п I т

АВ11 = £ Вэ.тг • 5т + Ькэс • £^э.ээк ' 5ээк ' Уээк — £ Вд.тг ' 5д.тг ;

г=1 к=1 г=1

п I т

АВ12 = £ Вэ.тг • 5т + Ькэс • £ ^э.ээк ' 5ээк ' Уээк — £ Вд.тг ' 5д.тг .

г=1 к=1 г=1

Для анализа экономии топлива в комбинированных тепловых двигателях с процессами и аппаратами химической технологии рассмотрены крупнотоннажные производства нефтехимии и нефтепереработки.

Нефтехимия. В производстве нитрила акриловой кислоты образуются низкокалорийные абсорбционные газы, которые в своем составе имеют токсичные вещества. По действующим технологиям на предприятиях для обезвреживания абсорбционных газов применяется высокотемпературное или каталитическое сжигание с выбросом продуктов сгорания в дымовую трубу [5].

Авторами статьи разработаны для обезвреживания газообразных отходов комбинированные газотурбинные технологии по схемам 3 и 4 (рис. 1) [6]. В инновационных схемах абсорбционные газы и воздух сжимаются в компрессорах и направляются для сжигания в каталитическую камеру сгорания газовой турбины. Далее продукты сгорания абсорбционных газов последовательно подаются в газовую турбину, котел-утилизатор, детандер, теплообменник для отбора холода (схема 3) и в блок по выделению инертного газа (схема 4). Получение холода с помощью детандера сопровождается вымораживанием из продуктов сгорания водяных паров. Наличие азота до 89% в продуктах сгорания, отсутствие токсичных веществ и водяных паров позволяет рассматривать уходящие газы из установки после соответствующей очистки пригодными для использования в качестве инертной среды на предприятии.

Экономия топлива в инновационных установках рассчитывалась по уравнениям (4) и (5), которые после преобразований для разработанных схем и условий получили следующий вид:

АВ3* = Ькот • °тэ • 5тэ • £тэ + Ькэс • <Жэ + ^ ) • 5ээ • Уээ ;

АВ4 = Ькот • °тэ • 5тэ • £тэ + Ькэс •

где Отэ— полезная выработка тепловой энергии в котле-утилизаторе, ГДж/год; удельный расход топлива в замещаемой котельной, Ькот = 0,041 т/ГДж; Жээ - полезная выработка электрической энергии в генераторе за счет механической энергии газовой турбины, кВт-ч/год; Wх = wх•Qх -экономия электрической энергии в замещаемой компрессионной холодильной установке, кВт ч/год; удельный расход электроэнергии при производстве холода с температурой получаемого холода ¿0 = -7°С, wх = 90,2 кВт-ч/ГДж; Ох - полезная холодопроизводительность комбинированной установки с детандером, ГДж/год; Wиг- экономия электрической энергии в замещаемой воздухоразделительной установке при получении инертного газа, кВт-ч/год; Wиг = wиг•Gиг, кВт- ч/год; удельный расход электроэнергии при производстве инертного газа wиг = 96 кВт-ч/т; Gиг - полезная выработка инертного газа в комбинированной установке, т/год; удельный расход топлива в замещаемой конденсационной электростанции Ькэс = 0,34-103 т/кВт-ч; коэффициенты, учитывающие расход топлива в централизованных источниках энергии (котельных установках и тепловых конденсационных электростанциях) на транспортировку и на преобразование параметров энергоносителей, £тэ = 1,15, уээ = 1,14 коэффициенты, учитывающие изменения расхода топлива в системах топливоснабжения при энергосбережении соответственно в теплоиспользующих и электроиспользующих установках 5тэ = 1,15; 5ээ = 1,2.

В таблице представлены энергетические показатели комбинированной выработки энергоносителей на базе газотурбинной установки ГТЭС-2,5 при использовании в качестве топлива абсорбционных газов производства нитрил акриловой кислоты в расчете 1 млн т отходов в год следующего состава (% массовые): С2Н4 - 0,06; С2Н6 - 0,04; С3Н6 - 0,265; С3Н8 - 1,73; С4Н:0 - 0,02; N - 85,9; О2 -1,58; СО2 - 4,46; СО - 2,22; Н2О - 3,75.

Энергетические показатели комбинированной выработки энергоносителей

Показатели Схемы на рис. 1

3 4

Выработка электроэнергии, тыс. кВт ч/год 14400 14400

Выработка тепловой энергии, ГДж/год 416000 416000

Выработка холода, ГДж/год 30640 30640

Выработка инертного газа, тыс. т/год - 1215

Экономия топлива, тыс. т/год 23,5 59,5

Анализ вариантов комбинированной выработки энергоносителей свидетельствует об экономии топлива. Практически из газообразных отходов получаются: электроэнергия, тепловая энергия, холод и инертный газ. Указанные ресурсы по технологическому регламенту необходимы в производстве нитрила акриловой кислоты и комбинированная выработка с применением газовой турбины эф-

фективно вытесняет энергетические затраты централизованных производителей энергоносителей. Наибольшая величина экономии топлива более чем в два раза достигается при усложнении комбинированной установки - с выработкой инертного газа.

Нефтепереработка. Более половины энергопотребления нефтеперерабатывающих предприятий приходится на печные агрегаты. Классические способы повышения энергетической эффективности процессов нагрева углеводородов предусматривают установку воздухоподогревателей или котлов-утилизаторов на отходящих дымовых газах за трубчатыми печами.

В работе рассматривается интеграция газовой турбины с трубчатой печью установки каталитического риформинга ЛЧ-35-11/600 тепловой мощностью 37,5 МВт по схемам 6 и 7 (рис. 1). Отработавшие продукты сгорания топлива газовой турбины, содержащие от 16 до 19% кислорода и имеющие температуру 400°С, используются в качестве окислителя топлива трубчатой печи. В свою очередь, в варианте 6 (рис. 1) уходящие газы печного агрегата с температурой 440°С направляются в котел-утилизатор для выработки пара.

Экономия топлива в инновационных установках рассчитывалась по уравнениям (7) и (8), которые после преобразований для разработанных схем и условий получили следующий вид:

= Вэ.т '8т + Ькот • бтэ • 8тэ • етэ + ЬКэс  Wээ ' 5ээ • Уээ - ВЯТ ' 5д.т ;

ДВ7* = Вэ.т '8т + ЬКэС 'Жээ -5ээ 'Уээ - Вд.т 'бдт ,

где Вэт=Втп - Втпп - экономия топлива в трубчатой печи от подогрева воздуха, т/год; Втп - расход топлива в трубчатой печи без подогрева воздуха ,т/год; Втпп - расход топлива в трубчатой печи с подогревом воздуха, т/год; 8т - коэффициент, учитывающий изменение расхода топлива в системах топ-

ливоснабжения при энергосбережении в топливоиспользующих агрегатах.

Полученные результаты расчетов при дискретных значениях мощностей газотурбинных установок от 2,5 до 18 МВт позволяют сделать вывод о наличии оптимальной мощности газовой турбины, которая для данной тепловой мощности печи составляет 6 МВт. При этом максимальная экономия топлива достигает 34 тыс. т/год. Наличие оптимума на графике А В = ]{Ы) объясняется соответствием количества кислорода в отработавших продуктах сгорания топлива газовой турбины и количества окислителя, необходимого для осуществления процессов горения топлива в трубчатой печи. При меньших значениях N IV МВт уменьшается количество уходящих газов от газо-

1 вой турбины и соответственно кислорода, что

Рис. 2. Зависимость экономии топлива вызывает необходимость подвода воздуха из

от мощности предвключенной газовой турбины: окружающей среды для обеспечения тепловой

1 - печь с воздухоподогревателем; нагрузки трубчатой печи. Данное обстоятельство

2 - печь с котлом-утилизатором; 3 - печь снижает температуру окислителя и, следовательно,

с газовой турбиной и котлом-утилизатором „

экономию топлива. В случае использования газовой

турбины большей мощности образуется избыточное

количество уходящих газов среднетемпературного потенциала, что приводит к снижению АВ.

При сравнении трех вариантов по экономии топлива (рис. 2): 1 - печь с воздухоподогревателем, 2 - печь с котлом-утилизатором, 3 - печь с газовой турбиной и котлом-утилизатором можно отметить, что существует такая область, в которой применение воздухоподогревателя дает большую экономию топлива.

Выводы

1. Разработана и систематизирована универсальная методика расчета экономии топлива для исследования вариантов комбинирования энергетических установок с процессами и аппаратами химической технологии.

2. Расчеты экономии топлива в крупнотоннажных производствах нефтехимии и нефтепереработки свидетельствуют об эффективности методики в получении информации перспектив повышения энергетической эффективности и энергосбережения для разработки технически сложных инвестиционных проектов энергообеспечения энергоемких химических отраслей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Симонов В.Ф. Повышение эффективности энергоиспользования в нефтехимических производствах / В.Ф. Симонов. М.: Химия, 1985. 240 с.

2. Тверской А.К. Эффективность энергетических обследований промышленных предприятий / А.К. Тверской // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности: материалы 5-й Рос. науч.-техн. конф. Ульяновск: УлГТУ, 2006. С. 54-57.

3. Тверской А.К. Оценка экономии топлива при энергосбережении в промышленности / А.К. Тверской // Промышленная энергетика. 1999. № 7. С. 6-9.

4. Каширский В.Г. Метод расчета оптимального расхода дополнительного топлива при энерготехнологическом комбинировании в производстве этилена / В.Г. Каширский, В.Ф. Симонов, А.К. Тверской // Известия вузов МВ и ССО СССР. Энергетика. 1975. № 11. С. 72-78.

5. Симонов В.Ф. Выбор схем и параметров установок по обезвреживанию абгазов производства нитрила акриловой кислоты / В.Ф. Симонов А.К. Тверской, А.Г. Тонкошкур // Повышение эффективности использования топлива в народном хозяйстве: в 2 т. Рига: АН Латв. ССР, Физ.-энергетич. ин-т, 1990. Т. 2. С. 201-211.

6. А.с.724568 СССР Способ получения инертных газов / А.К. Тверской, А.Г. Тонкошкур // Опубл. в Б.И. 1992. № 13.

Тверской Алексей Константинович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплотехника»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Симонов Вениамин Федорович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Промышленная теплотехника»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Статья поступила в редакцию 31.10.11, принята к опубликованию 15.11.11

Aleksey K. Tverskoy -

PhD, Associate Professor

Department of Industrial Heating Engineering,

Yu. Gagarin Saratov State Technical University

Veniamin F. Simonov -

Dr. Sc., Professor

Department of Industrial Heating Engineering, Yu. Gagarin Saratov State Technical University