Система энерготехнологического комбинирования высокотемпературного участка дегидрирования изоамиленов в изопрен

Д.С. Бальзамов, И.А. Конахина

СИСТЕМА ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМБИНИРОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО УЧАСТКА ДЕГИДРИРОВАНИЯ ИЗОАМИЛЕНОВ В ИЗОПРЕН

В работе предложены варианты организации систем энерготехнологического комбинирования (ЭТКС) с использованием парогазовых технологий на высокотемпературном участке производства изопрена методом двухстадийного дегидрирования изоамиленов.

Ключевые слова: система энерготехнологического комбинирования (ЭТКС); парогазовые технологии; целевая функция.

Современные нефтехимические предприятия обеспечивают свои потребности в тепловой энергии на 50% за счет собственных источников, при этом вопрос электроснабжения проработан слабо. Такая структура характерна и для крупнотоннажного производства изопрена методом двухстадийного дегидрирования изоамиленов в изопрен, где 1, 2 - станция подогрева топливного и абсорбционного газа; 3 - узел смешения топливного и абсорбционного газа; 4 - узел распределения топливной смеси; 5 - подтопка; 6 - узел смешения уходящих газов ГТУ и подтопки; 7 - ГТУ; 8 - станция испарения сырья; 9 - реакционная печь; 10 - узел смешения водяного пара и сырья; 11 - реактор; 12 - узел впрыска водяного пара; 13, 16 - котлы-утилизаторы; 14, 17 - подогреватели питательной воды; 15 - узел смешения дымовых газов печи и ГТУ; 18 - узел распределения водяного пара; 19 - паровая турбина противодавления; 20 - узел сбора конденсата.

Температурный потенциал высокотемпературного участка рассматриваемого производства не превышает 800°С, что допускает возможность использования парогазовых технологий, характеризующихся высокой надежностью, автономностью и широким номенклатурным перечнем, позволяющим подобрать агрегат под любые технологические условия. В настоящее время парогазовые технологии не нашли широкого применения в нефтехимической промышленности, существуют лишь единичные случаи в нефтеперерабатывающей отрасли.

Рис.1. Граф синтезируемого объекта [1]

Целью работы является синтез системы энерготехнологического комбинирования (ЭТКС) с использованием парогазовых технологий на высокотемпературном участке теплотехнологической линии дегидрирования изоамиленов в изопрен. Такая схема ЭТКС представлена на рис.1.

Исследование синтезируемой ЭТКС проводилось поэтапно согласно принципам методологии анализа и оптимизации сложно - структурированных теплотехнологических и теплоэнергетических систем описанных в работе [2].

Этап 1. Для определения оптимальной последовательности расчета проводился структурный анализ синтезированного объекта, в результате которого определено количество контуров в структуре моделируемого объекта для организации итерационных процедур.

Этап 2. С целью упрощения задачи математического моделирования вводится ряд допущений и ограничений. Принято, что все материальные потоки, связывающие объекты модели, являются трехпараметрическими, а электромеханические - однопараметрическими, при этом параметры технологических потоков остаются постоянными. Для каждого из рассматриваемых узлов определяется количество уравнений, связывающих параметры входящих и выходящих связей узла (п), и количество независимых параметров, входящих в них (пН). Указанные величины можно получить с помощью соотношений [3]:

_ "I" ^н.у. _ ^неопр.

где п П - общее количество параметров входящих связей; Пнеопр. - количество неопределенностей в параметрах выходящих из узла связей; Пн.у. - количество условий, наложенных на параметры входящих связей; пп - общее число параметров узла. Таким образом, количество и вид уравнений, представляющих собой математическую модель объекта, непосредственно зависит от поставленной задачи и ограничивающих условий, которые необходимо принимать во внимание. В табл.2 представлены данные о количестве уравнений для каждого из узлов ЭТКС.

Таблица 2. Характеристики узлов моделируемой системы

Номер узла Наименование узла Пп пП пнеопр. пн.у. Пн Пу

1 Станция подогрева топливного газа 12 6 0 0 6 6

2 Станция подогрева абгаза 12 6 0 0 6 6

3 Узел смешения топлива и абгаза 9 6 0 0 6 3

4 Узел распределения топлива 12 3 0 0 3 9

5 Подтопка 9 6 0 0 6 3

6 Узел смешения выхлопа ГТУ и продуктов сгорания подтопки 12 6 0 0 6 6

7 Газотурбинная установка 10 6 0 1 7 3

8 Станция испарения сырья 12 6 0 0 6 6

9 Печь 24 15 0 0 15 9

10 Узел смешения сырья и водяного пара 9 6 0 0 6 3

11 Реактор 6 3 0 0 3 3

12 Узел впрыска конденсата 9 6 0 0 6 3

13 КУ1 15 6 2 5 9 6

14 ТА1 12 6 2 4 8 4

15 Смесительное устройство 9 6 0 0 6 3

16 КУ2 15 6 2 5 9 6

17 ТА2 12 6 2 4 8 4

18 Узел распределения пара 12 6 0 0 6 6

19 Паровая турбина (противодавления) 7 3 0 0 3 4

20 Узел сбора конденсата 9 6 0 0 6 3

Этап 3. Для отыскания наилучшего сочетания режимов работы, синтезированных ЭТКС, проводится их математическое описание. Для этого введена целевая функция, в качестве которой выбран энергетический и термодинамический КПИ, определяемые по уравнениям (3) и (4).

Уп ЛГ)?0Л+У2 ппс-

ч™ =  10°%.

уп дрпол рпс..

Ч“" = ' 100%' (4>

где Д@"оли Д£,"ол - полезное, в соответствии с назначением системы, изменение теплоты и эксергии потока в 1-том элементе схемы, кВт; Д<2"оли

д£П°Л - убыль теплоты и эксергии греющего потока в 1-том элементе схемы; @"ол и £'"ол- теплота и эксергия потока 5, появившегося в результате реализации энергосберегающего мероприятия.

Проведенный анализ стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен показал наличие нелинейного характера зависимостей между термодинамическими и расходными параметрами исследуемого объекта. Постановка задачи формулируется следующим образом. Необходимо минимизировать нелинейную функцию цели

в = в-[х,¥,г\а

при наличии нелинейных ограничений в виде равенств

в виде неравенств

^ТПІП — У

Ґтіп

<Г{х,¥,г)а<

/тах>

а также при наличии ограничений на независимые параметры связи

Хтіп — % — ^тах (9>

и конструктивные параметры

%тіп — % — %тах (10>

где В - критерий целевой функции; Х - независимые параметры высокотемпературного участка теплотехнологии производства изопрена; У - зависимые параметры; 2 - параметры, зависящие от конструктивных характеристик узлов системы; / - совокупность технологических характеристик узлов установки, которые задают ограничивающие условия; фі - система балансовых уравнений для узлов теплотехнологии; о - совокупность характеристик внешних учитываемых факторов. При этом решение математической модели сводится к отысканию таких параметров ЭТКС, при ко-

торых потребление топлива в производстве изопрена сводилось бы к минимуму Ьтопл ^ тт при максимальных значения термодинамического и энергетического КПИ.

Этап 4. В результате решения по декомпозиции математической модели с учетом приведенных выше допущений и полученных результатов графоаналитического анализа построена иерархическая структура элементов самой математической модели, изображенной на рис. 2.

Рис. 2. Иерархическая структура математической модели объекта

Так как влияние параметров исследуемого объекта на значение целевой функции неодинаково, построена иерархическая структура параметров по степени значимости на конечный результат целевой функции, представленной на рис. 3. На верхнем уровне в этой структуре находится энтальпия греющих газов ГТУ (Х1г), от значения которой автоматически меняются остальные параметры и, следовательно, значение целевой функции. На следующей ступени иерархии находятся параметры водяного пара (давление и температура), вырабатываемого в котлах - утилизаторах, которые обозначены Х2г и Х3^ соответственно. Остальные параметры в меньшей степени влияют на значение целевой функции и являются зависимыми от параметров, отраженных на рис.3.

Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3

Рис. 3. Иерархическая структура параметров целевой функции

Этап 5. Для отыскания наилучшего сочетания параметров синтезированной ЭТКС составлен алгоритм расчета целевой функции представленный на рис.4. Блок 1 предназначен для ввода исходной информации. В Блоке 2 вводятся граничные условия для независимых параметров тепло-технологии, имеющие как непрерывный, так и дискретный характер. В Блоке 3 фиксирует режим по индексу к. Блок 4 служит для определения параметров Хк. Блок 5 фиксирует номер режима по индексу 5. Блок 6 служит для определения параметров Х5. Блок 7 является итерационным, здесь сравнивается найденный параметр с оптимальным значением (узел смешения дымовых газов ГТУ и подтопки). Если параметр соответствует оптимальному, то осуществляется переход к следующему блоку, в противном случае расчетный цикл повторяется с изменением режима. Блок 8 фиксируется номер режима по индексу г. Блок 9 служит для определения параметров Х (определение параметров водяного пара вырабатываемого в КУ1 и КУ2, а также количество вырабатываемой электроэнергии). Блок

10 является итерационным, здесь сравнивается параметр 2 с максимальным. Если параметр (выработка тепловой энергии) не превышает допустимое значение, то осуществляется переход к следующему блоку, в противном случае расчетный цикл повторяется с изменением режима. Блок

11 предназначен для расчета целевой функции. В блоке 12 сравнивается результат целевой функции с оптимальным значением. Если по результатам сравнения в блоке 12 выявляется, что найдено оптимальное значе-ние,то осуществляется вывод данных (в блоке 19). В противном случае осуществляется изменение номера расчетного режима. Сначала в блоке 13 значение счетчика 1 увеличивается на единицу, затем в блоке 14 производится сравнение текущего значения счетчика 1 с максимально допустимым значением Лпах Если оно не превышено - расчет продолжается с бло-

Рис. 4. Блок-схема алгоритма поиска экстремума целевой функции

ка 9. Если оказалось, что I > 1тах, то осуществляется переход к блоку 15, где значение счетчика б, в свою очередь, увеличивается на единицу. В блоке 16 производится сравнение текущего значения счетчика б с максимально допустимым значением зтах. Если оно не превышено - управление выполнением программы передается блоку 6. Если оказалось, что 5 > 5тах, то осуществляется переход к блоку 17, где значение счетчика к увеличивается на единицу. В блоке 18 производится сравнение текущего значения счетчика к с максимально допустимым значением ктах. Если оно не превышено, то управление выполнением программы передается блоку 4. В противном случае происходит возврат к блоку 11, где определяется искомое оптимальное значение целевой функции и вывод результатов расчета в блоке 19.

Этап 6. На основании проведенного термодинамического анализа составлены потоковые эксергетические диаграммы для двух вариантов организации ЭТКС на высокотемпературном участке дегидрирования изоамиленов в изопрен (рис.5 и 6).

Рис.5. Эксергетическая диаграмма модифицированного объекта для первого варианта

Рис. 6. Эксергетическая диаграмма модифицированного объекта для второго варианта

Этап 7. Проводится сравнительный анализ синтезированных ЭТКС на базе парогазовых технологий, результаты которого представлены в табл.3 и 4 соответственно.

Таблица 3. Результаты оптимизации исходной схемы по варианту № 1

Подвод Отвод

Поток Р, % Е, % Поток Р, % Е, %

Пар 8,96 3,92 Контактный газ 9,32 6,35

Пар 0,45 МПа 3,49 2,74

Вода 4,94 0,83 Пар 1,3 МПа 60,60 63,20

Топливо 81,52 93,95 Электроэнергия 5,74 13,02

Продувка 1,36 1,24

Воздух 2,63 0,48 Потери с уходящими газами 19,49 13,45

Сырьё 0,13 0,03

Конденсат 1,82 0,79

Всего: 100,00 100,00 Всего: 100,00 100,00

Энергетический КПИ 87,5 %

Эксергетический КПИ 52,6 %

Подвод Отвод

Поток Р, % Е, % Поток Р, % Е, %

Пар 9,83 4,27 Контактный газ 10,41 7,04

Пар 0,45 МПа 3,89 3,04

Вода 4,98 0,83 Пар 1,3 МПа 59,65 61,76

Топливо 81,61 93,89 Электроэнергия 6,42 14,42

Продувка 1,4 1,27

Воздух 1,43 0,11 Потери с уходящими газами 18,23 12,47

Сырьё 0,15 0,03

Конденсат 2,01 0,863

Всего: 100 100 Всего: 100 100

Энергетический КПИ 86,1 %

Эксергетический КПИ 51,9 %

В результате проведенного технико-экономического анализа, срок окупаемости ПГУ составил 5 лет, что является приемлемым для энеретических систем.

Результаты энергетического КПИ

100

50

0

Г І«,4 1 87,5 86,1 , \ \ /

Исходный

объект

Вариант 1

Вариант 2

Результаты эксергетического КПИ

60

40

20

0

Исходный Вариант 1 Вариант 2

объект

Рис. 7. Результаты энергетического и эксергетического анализа

Выводы. В ходе математического моделирования выявлено преимущество предлагаемых вариантов организации ЭТКС, в результате которого первый вариант являтся более эффективным с термодинамической и энергетической точки зрения (рис. 7). Экономия условного топлива в первом случае составляет 4718,86 т.у.т., а для второго варианта - 4344,47 т.у.т. В результате установлено, что предлагаемые варианты теплоэнергоснабжения на основе парогазовых технологий дают ощутимый результат по сравнению с исходной схемой. В первом варианте значения энергетического и термодинамического КПИ по сравнению с исходной схемой выше на 44,1% и 29,4% соответственно. Во втором варианте эта разница составляет 42,7 % для энергетического и 28,7% для термодинамического КПИ. В результате общее количество теповой энергии вырабатываемой синтезированными ЭТКС превышает показатели исходной схемы на 20,7% и на 20,14% в первом и втором варианте соответственно. Выработка электрической энергии составляет 7,24 МВт в обоих случаях.

Источники

1. Бальзамов Д.С. Сравнительный анализ двух способов энерготехнологического комбинирования высокотемпературного участка стадии дегидрирования изопрена // Проблемы энергетики № 3-4, 2009. С.151-156.

2. Конахина И.А. Организация эффективных систем энерготехнологического комбинирования в нефтехимической промышленности. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2008. 248 с.

3. Левенталь Г.Б., Попырин Л.С. Оптимизация теплоэнергетических установок. М.: Энергия, 1970.