CC BY
75
УДК 621.182.4
С.В. Корнеев, S. V. Korneev А.М. Дёмин, A.M. Dyomin М.А. Дёмин, M. A. Dyomin О.А. Реутова, O.A. Reutova Ю.А. Пиляева, Yu.A. Pilyaeva
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
ДИАГНОСТИКА СЫРЬЕВЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ УСТАНОВОК ГИДРООЧИСТОК tДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ С ПОМОЩЬЮ МОДЕЛИРУЮЩИХ
ПРОГРАММ
DIAGNOSTICS OF RAW HEAT EXCHANGERS OF INSTALLATIONS OF HYDROTREATING OF DIESEL FUELS BY MEANS OF MODELING PROGRAMS
В данной статье рассматривается актуальная на сегодняшний день проблема загрязнения теплообмен-ных аппаратов установок гидроочистки дизельных топлив. Основное содержание составляет разработка методов расчета алгоритма с использованием моделирующей программы HYSYS.
In this article it is considered the actual for today the problem of pollution of heat exchangers installations for hydrotreatment of diesel fuel. The main content is the development of methods of calculation algorithm using the simulator HYSYS.
Ключевые слова: эффективность, моделирование процесса, теплообменники, система, технологический процесс, загрязнение
Keywords: efficiency, process modeling, heat exchangers, system, technological process, pollution.
При увеличении степени очистки на установках гидроочисток дизельных топлив до требований евростандартов, концентрация веществ образующихся в результате гидрогеноли-за повышается, что приводит к побочным реакциям солеобразования, накоплению солей на стенках аппаратов и трубопроводов. Существует проблема загрязнения теплообменных аппаратов установок гидроочистки дизельных топлив, за счёт побочных реакций солеобразования и их отложению на стенках трубопроводов и аппаратах.
Как показал осмотр трубных пучков на установке гидроочистки дизельного топлива в период капитального ремонта, это предположение полностью нашло свое подтверждение [1].
Математическое моделирование является эффективным инструментом, предназначенным для исследования тепловых систем. При использовании многообразных типов и конструкций теплообменных аппаратов их математические модели должны удовлетворять условиям первого и второго законов термодинамики, сохранения энергии и вещества.
Одним из основных вопросов при анализе эффективности сложных тепловых систем является математическое моделирование функционирования систем, разработка формализованных методов и алгоритмов расчета, и, на их основе, анализ и прогнозирование показателей работоспособности теплообменных аппаратов.
Трудность решения задачи анализа эффективности систем теплообмена, обусловлена отсутствием универсальных методов, учитывающих сложность системы и ее особенности, такие, например, как произвольные законы распределения времени безотказной работы и обеспечения требуемых параметров теплопередачи. Поэтому разработка методов расчета, алгоритмов и программ анализа эффективности сложных тепловых систем при произвольных законах распределений является важной практической задачей.
С целью определения коэффициентов теплопередачи, между нагреваемым и охлаждаемым потоками в теплообменниках, удобно использовать моделирующие программы, такие как HYSYS, Petro SIM, UniSIM Desing и др. Для проведения подобного тестирования115 необходимо построить адекватную модель процесса в моделирующей программе расширенную элементами, позволяющими выполнять дополнительные операции исследования.
96
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
На рис. 1 представлена упрощенная схема системы теплообмена реакторного блока установки гидроочистки дизельного топлива. Так как все теплообменники имеют одинако-
вую конструкцию, то на модели три теплообменника представлены одной операцией, в которой включены три корпуса, как представлено на рисунке 2.
РЕАКТОРНЫЙ БЛОК
Рис. 1. Упрощенная схема теплообмена
Рис. 2. Модель теплообменников реакторного блока установки гидроочистки
97
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Для того чтобы определить влияние процесса рекуперативного теплообмена на количество потребляемого топлива в схему добавлена модель нагревательной печи.
Модель теплообменников полностью соответствует конструктивным данным аппаратов, взятых из паспортов.
В Aspen HYSYS имеется несколько моделей кожухотрубных теплообменников. Для
тестирования мы использовали две из них: модель «Оценка стационарного состояния», которая учитывает все конструктивные особенности и позволяет рассчитать температуры и давления потоков на выходе из аппарата при известных параметрах входных потоков, а также модель «Конечная точка», которая с помощью материального и энергетического балансов позволяет оценить потери тепла в окружающую среду [3].
Чтобы оценить степень загрязненности теплопередающей поверхности аппаратов необходимо в построенную модель занести данные ежедневного скрининга, полученного из наблюдений за технологическими параметрами работы рассматриваемого объекта.
Данные ежедневного скрининга технологического процесса приведены в таблице 1. Из представленных данных выбираем расход сырья, а также температуры всех входящих потоков за конкретный день. Эти данные заносим в модель. При этом предполагаем, что составы сырья и водородсодержащего газа (ВСГ) не изменяются. Состав гидрогенизата, выходящего из реактора формируем из потоков продуктов, получаемых в процессе гидроочистки с учетом материального баланса, а состав ВСГ на выходе из реактора берем из опытных данных лабораторного анализа. С помощью операций «Успшвка» О и массового баланса добиваемся, чтобы масса выходящего из реактора потока соответствовала массе входящего потока.
Результаты скрининга технологических параметров установки гидроочистки ДТ
Таблица 1
го 1-го а Производительность, м3/ч Температура ГСС в Т-5, оС Температура ГСС из Т 5 в Т-1, оС Температура ГСС из Т 1 в Т-2, оС гт Температура ГСС после Т-2, оС Температура в реакторе, оС Температура после реактора, оС Температура ГПС из Т 2 в Т-1, оС Температура ГПС из Т 1 в Т-5, оС Температура ГПС после Т-5, оС
29.11.2007 71 31 112 208 275 315 323 268 184 122
30.11.2007 80 34 105 207 273 319 323 268 181 121
01.12.2007 86 30 107 206 272 320 323 266 180 117
02.12.2007 87 29 108 202 269 312 320 262 178 114
03.12.2007 85 31 109 198 263 308 311 255 175 115
04.12.2007 87 31 110 197 262 311 313 256 178 114
05.12.2007 81 30 109 194 262 312 310 256 176 115
06.12.2007 75 33 109 196 264 307 311 257 179 118
07.12.2007 69 32 109 197 263 311 312 255 178 118
08.12.2007 71 36 114 199 265 310 313 256 181 118
09.12.2007 70 32 111 197 266 312 313 256 179 117
10.12.2007 70 34 116 201 267 311 315 258 182 116
11.12.2007 79 32 116 201 269 315 320 260 180 115
12.12.2007 72 34 112 194 261 306 309 250 177 114
13.12.2007 85 34 114 196 261 305 308 252 179 116
14.12.2007 83 37 118 197 263 303 307 251 181 115
15.12.2007 83 34 117 198 260 307 310 251 180 113
16.12.2007 91 34 120 205 270 308 317 260 185 115
17.12.2007 86 34 119 201 266 305 313 259 183 115
18.12.2007 86 33 122 206 276 312 323 265 188 118
19.12.2007 86 33 125 214 284 314 334 267 194 121
20.12.2007 86 33 124 210 280 322 328 275 191 123
21.12.2007 86 34 128 218 286 327 336 280 197 124
22.12.2007 86 34 128 222 291 331 341 282 199 124
23.12.2007 86 32 130 225 297 336 347 288 203 125
24.12.2007 83 28 121 213 283 331 336 278 195 120
98
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Чтобы температуры выходящих из теплообменника потоков рассчитывались программой на закладке «Параметры» выбираем модель теплообменника «Оценка стационарного состояния», как показано на рисунке 3 и, изменяя величину «засорения кожуха» на закладке «Номинал - Размер - Кожух», показанной на рисунке 2, добиваемся равенства из-
меренной и рассчитанной температуры газосырьевого потока (ГСС) на выходе из теплообменника в печь.
в Неа1 ЕхсИапдег: ТО РБ-1 | ,=, || 1Ж1
Рис. 3. Выбор модели теплообменника
Температура охлаждаемого газопродуктового потока (ГПС) на выходе из теплообменника также будет рассчитана программой. Однако, в связи с имеющимися потерями тепла в окружающую среду, а также в связи с наличием байпасных перетечек продукта в корпусе теплообменника эта величина, как правило, не совпадает с измеренным значением. Для определения величины тепловых потерь и имеющихся перетечек необходимо выполнить следующие действия [3]:
- выбрать из кассы объектов операцию «теплообменник» и добавить его в схему;
- с помощью функции «Режим присоединения» Н создать входящие и выходящие из теплообменника потоки;
- добавить операцию «Баланс» из кассы объектов, входящим потоком определить поток «ГСС в Т-5», а выходящим - поток на входе в корпус нового теплообменника;
- на закладке «Параметры» операции «Баланс» выбрать тип баланса «Мольный расход компонента»;
- с помощью операции «Уставка» О, выбранной из кассы объектов задать температуру потока на входе нового теплообменника, определив в качестве целевой переменной поток на входе в корпус нового теплообменника и параметр «температура», а в качестве источника - поток «ГСС в Т-5»;
- на закладке «Параметры» операции «Уставка» установить множитель 1 и отклонение 0, как показано на рисунке 4;
- аналогичным образом задать давление потока на входе нового теплообменника, после чего поток будет полностью определен;
99
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Рис. 4. Задание температуры потока с помощью операции «Уставка»
Для того, чтобы параметры потока на выходе из теплообменника полностью соответствовали расчетным значениям, определенным моделью воспользуемся также операцией «Уставка» и зададим давление и температуру выходящего из корпуса теплообменника потока;
Повторим все действия, приведенные выше для потока, входящего в трубный пучок нового теплообменника за исключением температуры потока на выходе из теплообменника, которая будет задана вручную по данным скрининга.
Рис. 5. Модель дополнительного теплообменника для исследования тепловых потерь
Подставляя из табл. 1 недостающие данные по температурам выходящих из созданного теплообменника потоков, завершаем построение модели.
Для определения тепловых потерь на теплообменниках конфигурацию новых аппаратов следует выполнить также как и исследуемых аппаратов. Чтобы все конструктивные данные теплообменников были идентичными можно воспользоваться операцией клонирования. Для этого необходимо выбрать нужный аппарат, щелкнуть правой кнопкой мыши, из появившегося списка выбрать «Вырезать/вставить объекты» - «Клонировать выбранные
100
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
объекты», как показано на рисунке 6. После чего с помощью операций «Уставка» и «Баланс» определяем составы потоков, их давления и температуры, как это было описано ранее.
Вырезать/вставить объекты
Динамическая инициализация
Перенести в блок-схему владельца Добавить в подсхему Копировать объекты в файл [Экспорт]...
Скрыть Удалить
Игнорировать операции установки
Клонировать выбранные объекты
Вы р езать вы бр а н н ы е о бъекты СЫ-нХ Копировать выбранные объектьС1:г1+С
Рис. 6. Создание теплообменника для проведения исследования с помощью операции клонирования
После создания копии исследуемого теплообменника на закладке «Проект — Параметры» выбираем модель теплообменника «Расчет характеристик теплообменника по конечным точкам», добавляем значение произведения ЦЛ в соответствии с данными исследуемого объекта, а также устанавливаем отметку определения утечек тепла по предельным значениям, как это показано на рис. 7.
Рис. 7. Модель теплообменника для исследования тепловых потерь
При этом на второй закладке «Параметры» мы можем наблюдать величину утечки тепла и теплопотерь, которую добавляем в таблицу данных исследования.
Для определения влияния величины загрязнения на коэффициент теплопередачи дополняем построенную модель еще одной операцией теплообменника, которую формируем с помощью клонирования, как это было описано ранее. Повторяем все действия, направленные на то, чтобы составы потоков, температуры и давления на входе в аппарат и выходе из него были равны с исследуемым объектом. Единственной разницей между теплообменником, подверженным исследованию и дополнительным теплообменником является то, что коэффициент загрязнения его остается неизменным. Это сделано с той целью, чтобы можно было бы сравнить влияние загрязнений на величину отклонения коэффициента теплопередачи и определения дополнительных затрат на топливо при снижении температуры потока на входе в печь. Кроме того, к новому теплообменнику добавляем операцию нагреватель в виде печи, добавляем наименование выходящего из печи потока и ее нагрузки и с помощью опе-
101
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
раций «Уставка» связываем поток на выходе из печи по температуре и давлению с потоком «ГСС из П-1».
Как показывают проведенные исследования [2] при увеличении толщины отложений свыше 2 мм эффективность процесса теплопередачи в аппаратах снижается ниже критической отметки и растут эксплуатационные затраты на топливо.
С целью определения влияния отложений на эксплуатационные расходы, связанные с увеличением потребления топлива на подогрев ГСС в печи до требуемой температуры до-
бавляем в модель операцию «электронная таблица», которая является мощным инструментом, позволяющим выполнять различные вычисления. Сформируем таблицу как показано на рис. 8.
Рис. 8. Электронная таблица для расчета увеличения эксплуатационных затрат, связанных с загрязнением теплообменников
Для фиксирования получаемых в процессе проведения исследований параметров в таблицу 1 добавляем столбцы с наименованием «эквивалентный коэффициент теплопередачи чистых теплообменников», «эквивалентный коэффициент теплопередачи грязных теплообменников», «потери тепла горячего потока» и «потери тепла холодного потока», «дополнительные затраты на топливо при эксплуатации грязных теплообменников», в которые заносим результаты расчетов при изменении информации о потоках (расход и температуры). На основании полученных данных строим графики зависимости.
Вывод и рекомендации:
• Применение точного моделирования теплообменных систем позволяет определить степень загрязненности аппаратов;
• Сравнение потребления топлива при эксплуатации чистых и грязных теплообменников дает возможность определить оптимальную, с экономической точки зрения, периодичность чистки от загрязнений
• Для определения степени загрязненности теплообменных аппаратов, эксплуатируемых на установках нефтепереработки и нефтехимии необходимо применять моделирование процессов и осуществление постоянного мониторинга за параметрами их работы;
102
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
• С целью снижения эксплуатационных затрат, связанных с увеличением потребления топлива при эксплуатации загрязненных теплообменников ВСЕ теплообменники, оказывающие существенное влияние на потребление топлива необходимо снабдить надежной системой отключения и освобождения чтобы обеспечить вывод их в ремонт в любой момент, не дожидаясь остановки установки;
• По возможности, необходимо автоматизировать процесс диагностирования теплообменников на наличие отложений;
• Для экономической оценки целесообразности выполнения чистки теплообменников необходимо обозначить границы допустимых отклонений от первоначальных параметров эксплуатации.
Библиографический список
1. Повышение эффективности работы теплообменников компрессорного и технологического оборудования / Корнеев С.В. [и др.] // Вестник СибАДИ. - 2012. - № 3 (25). -С. 18-21
2. Повышение рентабельности НПЗ с моделированием инноваций 07.01.2013 | Бек, Р. , Ajikutira, Д. , Херрманн, Л. , http://www.hydrocarbonprocessing.com/Article/3223984/ Channel/194955/Enhance-refinery-profitability-with-modeling-innovations.html
3. HYSYS. Process. Версия 2.4. Моделирование в стационарном режиме.
4. http://www.hydrocarbonprocessing.com/Article/3223984/Channel/194955/Enhance-refinery-profitability-with-modeling-innovations.html (Дата обращения: 01.05.2014)
