Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы и перспективы развития систем энерготсхнологического комбинирования в нефтехимической промышленности. Методология проведения исследований по их эффективной организации 13
1.1.Структура топливно-энергетического баланса крупнотоннажных производств химической и нефтехимической промышленности 13
1.2. Производственные, энергетические и общеэкономические аспекты организации комбинированных энерготехнологических систем в промышленности 32
1.3.Системный подход в задачах анализа, синтеза и оптимизации сложных теплотехнических систем и установок 58
1.4.Алгоритм проведения исследований 64
2. Общая характеристика теплотсхнологии производств зопрена и синтетического изопренового каучука 71
2.1. Анализ структуры энергозатрат на производство ехнологической продукции 71
2.2.Основные направления энерготехнологического омбинирования высокотемпературных установок ефтехимических производств 75
2.3. Теплотехнология стадии дегидрирования изоамиленов в роизводстве изопрена 88
2.4.Анализ исходной системы на основе показателей тепловой и ермодинамической эффективности 97
2.5. Организация истемы энерготехнологического омбинирования на стадии дегидрирования изоамиленов в зопрен 104
2.6. Характеристика смежных стадий производства изопрена и интетического изопренового каучука , Ю8
Энерготехнологическое комбинирование низкотемпературных роцессов производств изопрена и синтетического зопренового каучука 117
3.1. Организация утилизационных систем теплохладоснабжения а базе парокомпрессионных ТНУ. 117
3.2. Исследование режимных параметров каскадных парокомпрессионных ТНУ замкнутого типа и оптимизация их по показателям энергетической и термодинамической эффективности 137
3.3. Анализ показателей энергетической и термодинамической эффективности каскадной ТНУ открытого типа, работающей
на отпуск водяного пара 174
Организация замкнутых утилизационных систем на базе интенсифицированного теплообменного оборудования 188
4.1. Построение замкнутых утилизационных систем промышленных предприятий 188
4.2. Интенсификация теплообменного оборудования утилизационных систем, включаемых в состав ЭТКС 191
4.3. Методы сравнительной оценки эффективности теплообменного оборудования 202
4.4. Использование эффективного теплообмеыного оборудования на термосифонах 214
4,5. Утилизация теплоты ВЭР нагретого масла, отводимого из маслозаполненных винтовых компрессоров ТНУ я от паровой турбины ЭТКС 225
5. Структурный анализ синтезируемой ЭТКС стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен 233
5.1. Математическое описание структуры сложных систем и определение доминирующих элементов в принятии решений... 233
5.2. Графоаналитическое описание синтезируемой ЭТКС 243
6 Определение оптимальных тепловых и термодинамических параметров синтезируемой ЭТКС стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен 257
6.1. Обобщенная постановка задачи поиска оптимальных параметров теплоэнергетического объекта в процессе его модификации 257
6.2. Математическое описание задачи энергетической и термодинамической оптимизации параметров синтезируемой ЭТКС 274
6.3. Анализ результатов исследования 295
6.4. Методика определения расхода топлива, приходящегося на каждый из видов вырабатываемой в ЭТКС технологической и энергетической продукции 303
Выводы и рекомендации 311
Литература
- Производственные, энергетические и общеэкономические аспекты организации комбинированных энерготехнологических систем в промышленности
- Теплотехнология стадии дегидрирования изоамиленов в роизводстве изопрена
- Исследование режимных параметров каскадных парокомпрессионных ТНУ замкнутого типа и оптимизация их по показателям энергетической и термодинамической эффективности
- Интенсификация теплообменного оборудования утилизационных систем, включаемых в состав ЭТКС
Введение к работе
Актуальность проблемы. Инфраструктура основных производств нефтехимического комплекса России получила свое развитие, преимущественно, в период низких внутренних цен на энергоресурсы. Это обстоятельство обуславливало низкую окупаемость энергосберегающих мероприятий, поэтому в тот период они крайне редко находили практическое воплощение. Быстрые экономические преобразования, проводимые в нашей стране, в короткое время кардинально изменили условия хозяйствования отечественных предприятий. Сильное влияние оказали также и внешние факторы, связанные с ростом мировых цен на все виды топливно-энергетических ресурсов. Теперь промышленные предприятия России вынуждены доказывать .свою конкурентоспособность не только на внешних, но и на внутренних рынках, а это, в конечном счете, должно выражаться в снижении себестоимости выпускаемой продукции.
Однако сравнение статистических данных,' проведенное по ряду экономически развитых стран, показало, что энергоемкость промышленной продукции в России в настоящее время почти в 4 раза превышает показатели Японии, и в 2 раза показатели США. Таким образом, задача снижения энергоемкости выпускаемой продукции для всех отраслей промышленности России носит характер первостепенной важности, и особую остроту она приобретает для предприятий 'нефтехимической отрасли промышленности, которая является бюджетообразующей.
В целом, все нефтехимические технологии характеризуются сложностью, многостадийностью и высоким уровнем удельных энергозатрат. Энергетическая составляющая в структуре себестоимости основных продуктов нефтехимического комплекса России находится на уровне 30%, причем до 80% затрат приходятся на тепловые энергоресурсы. Основной причиной такого положения вещей являются проблемы с утилизацией вторичных энергоресурсов (ВЭР) низкого потенциала - они не находят применения в высокотемпературных технологиях, поэтому сбрасываются в атмосферу. Объем тепловых выбросов при этом может достигать 30% от суммарного объема всех потребленных топливно-энергетических ресурсов.
Рассматриваемые в работе производства изопрена и синтетического изопренового каучука (СКИ) занимают в Российской Федерации ведущие места по объемам выпускаемой продукции, и им в полной мере присущи все перечисленные проблемы. Рационализация энергопотребления данных производств на базе систем энерготехнологического комбинирования (ЭТКС) представляется одним из наиболее перспективных методов, позволяющих достичь снижения энергоемкости целевой продукции. Такие системы создают благоприятные условия для комплексной утилизации ВЭР с целью выработки энергоносителей требуемого качества, а в их состав могут' быть включены различные установки, в том числе трансформаторы теплоты.
Создание в рамках ЭТКС замкнутых систем утилизации теплоты позволит свести зависимость рассматриваемых производств от внешних источников энергоснабжения к минимуму, а уменьшение теш ых выбросов в
"Чий**
атмосферу - улучшитьэкологическую обстановку в регионе расположения предприятий.
Еще одним Преимуществом такого подхода является возможность улучшения структуры энергетического хозяйства действующих промышленных предприятий, без существенного изменения режимов их работы и конструктивного исполнения основного технологического оборудования. Естественно, поиск эффективных решений' по организации ЭТКС, должен вестись с привлечением современных методов анализа, синтеза и оптимизации.
Таким образом, целью работы является изучение теоретических и прикладных аспектов создания систем энерготехнологического комбинирования для крупнотоннажных производств изопрена и СКИ.
В качестве объектов исследования рассматриваются
теплоэнергетические системы крупнотоннажных производств изопрена и синтетического изопренового каучука, а также комбинированные энерготехнологические системы, синтезируемые на базе данных производств.
Поставлены следующие задачи исследования:
1. Провести анализ структуры и условий совместной эксплуатации
технологических систем рассматриваемых производств и систем их
энергообеспечения с целью организации эффективных ЭТКС, позволяющих
существенно снизить энергоемкость целевой продукции.
2. На основе методов системного анализа исследовать энергетическую и
термодинамическую эффективность рассматриваемых производств и выявить
перспективные направления по их совершенствованию.
3. Исходя из того, что ЭТКС представляет собой новый
теплоэнергетический объект со сложной структурной организацией,
разработать методики проведения системных исследований, позволяющие
проанализировать энергетические и термодинамические параметры объекта в
динамике его структурных преобразований. Данные методики реализовать на
примере самой энергоемкой стадии рассматриваемых технологий.
4. Учитывая специфику действующих производств, выявить особенности
реализации для них методических положений системного анализа и внести в
расчетные методики необходимые дополнения и уточнения.
-
В ходе синтеза энергетически эффективной ЭТКС, ее структура, а также режимы работы составляющих ее элементов, могут претерпевать значительные изменения. С целью описания поведения ЭТКС в процессе ее модификации разработать математическую модель исследуемого объекта и создать соответствующее программное обеспечение.
-
Разработать практические рекомендации по созданию ЭТКС в рамках крупных производственных объединений нефтехимического комплекса, вырабатывающих изопрен и синтетический изопреновый каучук.
Методы исследования, которые используются для решения выделенного круга задач, основаны на системном анализе, включающем декомпозицию и синтез сложно-структурированных объектов, иерархическом, энерго- и эксерго-топологическом подходе, математическом моделировании теплоэнергетических объектов, а также на методах одномерной й многомерной оптимизации
сложных теплоэнергетических систем.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и
рекомендаций обеспечивается использованием методов системных
исследований в теплоэнергетике и химической технологии, фундаментальных
законов технической термодинамики, гидрогазодинамики и теплообмена,
применением апробированных методик расчета котлов-утилизаторов,
энерготехнологических агрегатов, теплообменного -оборудования,
теплонасосных установок, технологического оборудования нефтехимических производств, комбинированных систем производства тепловой и электрической энергии, а также комбинированных систем по отпуску технологической и энергетической продукции. Полученные результаты апробированы, проведен анализ их адекватности, на основе которого была выявлена хорошая сходимость с данными других авторов.
Научную новизну диссертации составляют следующие результаты, выносимые на защиту:
1 Разработаны методические положения по проведению системного анализа сложно-структурированных ЭТКС, организуемых на основе действующих и вновь проектируемых производств изопрена и СКИ.
-
Методику анализа энергетической и термодинамической эффективности ЭТКС предложено дополнить этапом синтеза связей, разорванных в процессе декомпозиции объекта, так; как, его внутренняя структура существенным образом влияет на конечные результаты.
-
При разработке методики структурного моделирования ЭТКС было выявлено, что . потоки . с , жестко, фиксированными параметрами не дают возможности определять параметрические возмущения системы, в связи с чем, для размыкания контуров, содержащихся в структуре ЭТКС данные потоки разрывать нецелесообразно.
-
Определена новая область применения тепловых насосов каскадного типа: выработка пара промышленных параметров за счет утилизации низкопотенциальных ВЭР технологии.
-
Разработана методика расчета и оптимизации режимных параметров циклов каскадных 77/У, работающих на базе винтовых компрессоров. Данная методика позволяет рассчитывать циклы открытого и замкнутого типов, в том числе и циклы со сжатием рабочих агентов по правой пограничной кривой или из области влажного пара.
-
Предложена хладоновая система охлаждения масла компрессоров ТНУ с утилизацией отводимой теплоты и интенсифицированным маслоохладителем.
-
Разработаны практические рекомендации и принципиальные схемные решения по организации на стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен ЭТКС, позволяющей обеспечить выработку технологической продукции и энергоносителей в виде пара, горячей воды и электроэнергии.
Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в использовании разработанных методик для выбора наивыгоднейших схем, режимных параметров, состава оборудования при организации комбинированных энерготехнологических систем в промышленных производствах
изопрена и СКИ. Данные методики могут также бьпь рекомендованы для производств бутадиена и синтетического бутадиенового каучука, имеющих сходную структуру и условия проведения технологических процессов.
Внедрение методических разработок, рекомендаций и схемных решении позволит повысить энергетическую и термодинамическую эффективность функционирования технологических линий рассматриваемых нефтехимических производств и, как следствие, снизить удельную энергоемкость выпускаемой продукции.
Предложенные мероприятия по организации замкнутых утилизационных систем на базе ТНУ применимы для предприятий иных отраслей промышленности, в частности, химической и пищевой, где доля образования ннзкопотенциальных ВЭР превалирует.
Работа выполнялась по координационным планам в рамках приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Энергосберегающие технологии» и «Энергосбережение» Республики Татарстан. Результаты исследования использованы при работе над проектом «Системный анализ и синтез эффективного энерготехнологического комплекса тплотсхнологической схемы крупнотоннажного производства фенола и ацетона» в рамках подпрограммы «Топливо и энергетика» программы «Научные исследования Высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (01.01.053), а также в учебном процессе кафедры «Промышленная теплоэнергетика» ЛУЭУ при разработке дисциплин «Теплоэнергетические системы и энергобалансы промышленных предприятий» и «Основы инженерного проектирования», организации научно-исследовательской работы студентов и магистрантов, в дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения работы и отдельные
результаты диссертации представлены на 5 международных, 2 всероссийских, 5
республиканских симпозиумах и конференциях, а также на 7 вузовских:
Республиканская научно-техническая конференции «Повышение
эффективности энергоснабжения промышленных предприятий» (Казань, 1990); First Baltic Heat Transfer Conference (Sweden, Goteborg, 1991); Н-й Минский международный Форум по тепло- и массообмену (Минск, 1992); 5-th Internationa] Energy Conference, (Seoul, 1993); Республиканская научно-техническая конференция «Проблемы энергетики» (Казань, 1997, 1998 и 2000); П-ая Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, 1998); Научно-практическая конференция «Энергосбережение в химической технологии» (Нижнекамск, 2000); П-й Международный симпозиум по энергетике, окружающей среде и экономике (Казань, 1998); Ш-й Российский национальный симпозиум по энергетике (Казань, 2001); научно-технической конференции «Наука и новые технологии в энергетике» (Казахстан, Павлодар, 2002); научные конференции и научно-практические семинары Казанского государственного энергетического университета (1990-2002 г.г.);
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 40 печатных работах, из них 21 - статьи в центральных журналах и научных сборниках, одна монография и одно учебное пособие с грифом Министерства
образования Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести
глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературных источников и приложений. Общий объем 344 стр., в том числе 283 стр. текста, 61 рисунок, 57 таблиц. Список литературы содержит 233 наименования.
Производственные, энергетические и общеэкономические аспекты организации комбинированных энерготехнологических систем в промышленности
В энергетическом хозяйстве промышленных предприятий выделяются три основные части, от эффективности взаимодействия которых непосредственно зависит объем и эффективность потребления топливно-энергетических ресурсов. Этими частями являются: 1. Источники энергетических ресурсов, т.е. предприятия или заводские системы, производящие требуемые виды энергоресурсов, 2. Системы транспорта и распределения энергетических ресурсов (ЭР) между потребителями. 3. Потребители энергетических ресурсов.
Каждый из участников в системе производитель - потребитель ЭР имеет собственное оборудование и характеризуется определенными показателями энергетической и термодинамической эффективности. При этом часто возникает ситуация, когда высокие показатели эффективности некоторых из участников системы нивелируются другими участниками, так что суммарная эффективность теплоэнергетической системы оказывается невысокой.
Наиболее проблематичной в этом отношении является стадия потребления энергетических ресурсов. Обследование ряда предприятий нефтехимической отрасли показало, что фактическое потребление ЭР превышает теоретически необходимое в 1,7- 2,6 раза [128], т.е. целевое использование энергоресурсов составляет около 43% от реальных необходимых затрат производственных технологий. Такая ситуация характерна и для предприятий иных отраслей - химической, резинотехнической, пищевой и пр.
Основными причинами такого положения дел в отечественной промышленности являются: 1) просчеты в выборе оборудования, которое в реальных условиях эксплуатации не может обеспечить эффективность энергопотребления, соответствующую современному уровню технического развития; 2) нерациональная организация взаимодействия теплоэнергетических и теплотехнологических систем; 3) недостаточное или неэффективное использование тепловых вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) среднего и высокого потенциала; 4) ВЭР низкого потенциала, к которым относятся тепловые потоки, имеющие температуру [49]: t 90 С - для жидкостей; t 150С для газов; в промышленности и энергетических системах практически не используются. Между тем, температурный уровень потребления тепловых энергоресурсов в технологических процессах, как правило, невысок (см. табл. 1.10), а потому выход ВЭР низкого потенциала на предприятиях нефтехимического и химического профиля составляет почти 90% от всего объема ВЭР, образующихся на предприятии.
В настоящее время известны достаточно эффективные разработки, позволяющие использовать теплоту такого потенциала непосредственно на промышленном объекте [4, 8, 13-14, 29, 37, 41-42, 44, 46, 49, 56, 59, 72, 83-85, 87, 99-102, 108, 112, 128, 146, 154, 172, 178, 186, 200-201, 208, 210-211, 214, 226-227]. С ростом цен на энергоресурсы, интерес к ним растет, налаживается производство теплоутилизаторов и утилизационных термотрансформаторов, что позволяет в ближайшем будущем надеяться на улучшение ситуации с использованием низкопотенциальных ВЭР в промышленности.
Как показывают расчеты эффективности энергосберегающих мероприятий, проведенных на предприятиях различных отраслей промышленности, каждая единица тепловой энергии, сэкономленной на стадии потребления, дает эквивалентную экономию натурального топлива в пятикратном размере. В случаях наиболее удачных решений, экономия натурального топлива может достигать и десятикратного размера [49]. Этот эффект связан с исключением промежуточных стадий добычи, обогащения, преобразования, транспорта топливных энергоресурсов для обеспечения количества сэкономленных энергетических ресурсов. Капитальные вложения в энергосберегающие мероприятия оказываются в 2-ьЗ раза ниже необходимых капитальных вложений в добывающую и смежные отрасли промышленности для получения эквивалентного количества природного топлива.
В рамках традиционно сложившегося подхода теплоэнергетические системы промышленных потребителей {ТЭСПП) рассматриваются единственным образом — как источник энергоресурсов в нужном количестве требуемого качества в соответствии с требованиями технологического регламента [181]. Режим работы теплоэнергетических систем подчиняется условиям, которые диктует потребитель. Такой подход зачастую приводит к просчетам при организации теплотехнологических и теплоэнергетических систем, т.е. к скрытому или явному перерасходу топливно-энергетических ресурсов, что, естественно, сказывается на себестоимости выпускаемой продукции.
В частности, достаточно сильное влияние на общие показатели эффективности энергопотребления промышленных предприятий оказывает
сезонность [61, 181, 186]. В летний период обычно отмечается избыточное поступление БЭР теплотехнологии, и одновременно ощущаются проблемы, связанные недостаточным объемом и качеством охлаждающих теплоносителей из-за повышения температуры оборотной воды. В период стояния наиболее низких температур наружного воздуха, напротив, возникает перерасход тепловой энергии, связанный с ростом доли тепловых потерь через наружные ограждения, выявление которого очень трудоемко и требует существенных экономических затрат.
Современные ТЭСПП представляют собой комплекс установок и агрегатов, генерирующих, транспортирующих и распределяющих тепловые энергоресурсы между потребителями, сосредоточенными на территории данного предприятия.
Теплотехнология стадии дегидрирования изоамиленов в роизводстве изопрена
В схеме промышленной котельной с установленными котлами-утилизаторами КУ-125, представленной на рис.2.3, организован утилизационный подогрев питательной воды до 145 С за счет охлаждения горячих нефтепродуктов высокотемпературной технологической установки.
Передача утилизируемой теплоты производится с помощью промежуточного теплоносителя - воды, циркулирующей в замкнутом контуре через теплообменники-охладители нефтепродуктов TBI - ТНЗ (тепловосприятие), теплообменники-подогреватели питательной воды ТПВ1-ТПВ2 и подогреватель химически очищенной воды ТХВ2 (отвод теплоты), направляемой в деаэратор Д. Циркуляция промежуточного теплоносителя обеспечивается насосом Н2\ транспорт питательной воды из Дв котел-утилизатор - насосом HI.
Первая ступень подогрева подпиточной воды осуществляется в теплообменнике ТХВ1 за счет утилизации теплоты конденсата, отводимого из расширителя непрерывной продувки РНП. Продувочный конденсат из ТХВЇ подается в барботер Бр, а затем сливается в канализацию.
КУ-125 включает в себя экономайзер ЭК, три параллельно включенные испарительные секции И1 - ИЗ и пароперегреватель ПП. Каждая испарительная секция состоит из двух пакетов. Пакеты секций И1 и И2, а также один из пакетов третьей секции Иг3.1, располагаются в восходящем газоходе котла. Второй пакет третьей секции И3.2 размещается в опускном газоходе. Многократная циркуляция котловой воды организована следующим образом. Из барабана Б циркуляционным насосом НЗ котловая вода подается в шламоуловитель ШУ, а затем распределяется по шести трубам по испарительным секциям. Образующаяся в них пароводяная смесь возвращается барабан.
Перегрев насыщенного пара давлением р = 1,2 МПа до температуры 350-К370 С осуществляется в пароперегревателе ПП, откуда он по паропроводу отпускается потребителям.
Установка котла-утилизатора за промышленными печами даже в тех случаях, когда потенциал теплоты БЭР дымовых газов составляет менее 500 С, дает возможность сэкономить от 10 до 30% натурального топлива, затрачиваемого на ведение основного высокотемпературного технологического процесса.
Дегидрирование изоамиленов в изопрен является равновесной эндотермической реакцией. Тепловой эффект реакции составляет (-125) кДж/моль и зависит в основном от структуры исходного изомера, используемого в процессе и, частично, от температурного режима дегидрирования, к Дне/моль [11, 79].
Процесс дегидрирования проводится в условиях разбавления сырья большим количеством водяного пара (в соотношении молярных масс 1:20), который понижает парциальное давление изоамиленов и одновременно является теплоносителем. Это дает возможность применять адиабатические реакторы со стационарным слоем катализатора. Кроме того, использование водяного пара снижает интенсивность образования кокса на катализаторе, так как углерод частично реагирует с паром.
Промышленные комплексы крупнотоннажных производств содержат обычно несколько технологических линий по выпуску целевого продукта, работающих параллельно. Поскольку структура предприятия складывается в течение довольно протяженного периода, аппаратурное оформление и производительность таких систем может существенно отличаться. В дальнейшем рассматривается теплотехнологическая система дегидрирования изоамиленов, производительность которой по конечному продукту (изопрену) составляет 16 т/ч.
Принципиальная схема стадии представлена на рис.2.4. На ней указаны только те элементы оборудования, которые существенно влияют на тепловой баланс системы, т.е. исключено вспомогательное оборудование - сепараторы, емкости нагнетатели и пр. Несколько аппаратов, работающих параллельно и выполняющих одну и ту же функцию, представлены единым элементом.
Исследование режимных параметров каскадных парокомпрессионных ТНУ замкнутого типа и оптимизация их по показателям энергетической и термодинамической эффективности
Решение данной задачи осуществлялось на основе построения математической модели каскадной ТНУ. В ходе моделирования задач включения каскадной ТНУ в утилизационную систему стадии дегидрирования изоамиленов были приняты следующие допущения:
1. ТНУ входит в состав утилизационного контура, создаваемого на действующем предприятии, поэтому режим работы теплового насоса не должен существенно влиять на режим работы основного технологического оборудования.
2. Температуры кипения хладагента в испарителе и конденсации водяных паров в конденсаторе в каждом из рассматриваемых вариантов зафиксированы на определенных уровнях, которые, в свою очередь, выбираются исходя из режимных условий, диктуемых технологическим регламентом.
3. Основным параметром, по которому определяются критерии энергетической и термодинамической эффективности ТНУ является температура ґикд, достигаемая в испарительно-конденсаторном аппарате (см, рис.3.6-3.8). Эта предпосылка вытекает из предыдущего пункта, кроме того, результаты структурного анализа замкнутой ТНУ подтверждают, что данный параметр наиболее существенно влияет на показатели эффективности установки.
5. Модель оперирует удельными показателями потоков энергии и эксергии, поэтому конструктивные особенности аппаратов не учитываются. С целью снижения погрешности расчетов в модели используются усредненные значения энергетических КПД для каждого из типов аппаратов, входящих в состав ТНУУ известные из справочной литературы. Это позволяет свести погрешность в расчете теплообменников до +1,5- 2%, а в расчете винтовых компрессоров - до ±5- 6,5%.
5. Сжатие рабочих агентов может происходить в области влажных паров при условии 0,8 х 1, где х - степень сухости пара.
6. В качестве критериев оптимизации выбраны энергетический и эксергетическии КПД ТНУ, рассчитываемые по соотношениям (2Л 9) и (2.32)-(2.33).
В структуре каскадной ТНУ замкнутого типа (рис.3.6) имеется два контура, которые связаны между собой посредством узла ИКД. Поэтому при построении расчетного алгоритма выбираются два условно-разрываемых потока: 1) выходной поток хладагента в ИКД для нижней ветви каскада (рис.3.9); 2) входной поток влажного водяного пара ИКД для верхней ветви каскада.
Параметры выбранных удельных потоков определяются по температуре конденсации паров хладагента гикд, так как экономически оптимальная температура насыщения водяного пара ґикд в аппарате зависит от икд и может быть найдена из соотношения [96, 189, 203,212, 228]:
Обработкой табличных данных термодинамических характеристик хладагента R133a [204] в указанных диапазонах температур испарения (см. табл.3.2) и конденсации, получены аналитические зависимости, которые приведены в табл.3.3. Относительные отклонения показателей, рассчитанных по аналитическим зависимостям в табл.3.3 от табличных данных [204] составляют +0,01+-0,5%.
В [212] показано, что повысить энергетическую эффективность ТНУ с винтовыми компрессорами можно при осуществлении сжатия паров хладагента по правой пограничной кривой (см. рис. 3.10). Это предлагается делать с помощью впрыска жидкого хладагента, отбираемого на выходе из конденсатора в рабочий объем компрессора. На рис.3.10-а представлена принципиальная схема одноступенчатой ТНУ в которой реализуется данный процесс, на рис. 3.10-6 соответствующая диаграмма цикла в координатах Т-S. Известная методика расчета дополнительного расхода хладагента при осуществлении процесса сжатия по правой пограничной кривой (рис.3.10),
Данная методика оперирует усредненными теплофизическими характеристиками рабочего вещества, что вносит существенные погрешности в расчет. Кроме того, соотношение (3.23) довольно сложно реализовать без применения ЭВМ.
Как видно из табл.3.3, хладон R133a имеет термодинамические характеристики, позволяющие принять допущение, что адиабатное сжатие сухих насыщенных паров рабочего агента происходит по правой пограничной кривой. Это допущение дает возможность существенно упростить решение задачи расчета дополнительного расхода хладагента на впрыск в рабочий объем компрессора.
Выделим на диаграмме процесса сжатия произвольный участок, характеризуемый бесконечно малым перепадом температур AT. Тогда тепловой баланс рабочего участка можно представить в виде (1 + яИд + Дв-4вд=(1 + +Д$)-Г, (3.25) где Ag - расход хладагента для впрыска на данном участке, кг/кг икд " энтальпия жидкого хладагента на выходе из испарительно-конденсаторного аппарата, кДж/кг; (І+g) - расчетный расход хладагента на входе в участок с учетом впрыска на предыдущих участках компрессора, кг/кг; /д- действительная энтальпия рабочего агента на выходе из рабочего участка, кДж/кг; і" - энтальпия сухого насыщенного пара, соответствующая температуре на выходе из рассматриваемого участка, кДж/кг.
Интенсификация теплообменного оборудования утилизационных систем, включаемых в состав ЭТКС
В такой системе становится возможным повышение температуры воды, охлаждающей элементы технологических и силовых агрегатов. Как показывает практика, нагрев оборотной воды от градирен в элементах оборудования не должен превышать 5-И0 С. В процессе эксплуатации на поверхностях теплообмена происходит выпадение солей, содержащихся в воде, поэтому в целях продления межремонтного периода работы оборудования в системах циркуляции оборотной воды поддерживают повышенные скорости ее движения. В результате возрастают затраты электроэнергии на транспортировку хладоносителя и сопутствующие эксплуатационные затраты системы охлаждения. Повышение температуры воды приводит к ускорению процесса солеотложения, поэтому в утилизационных системах в качестве промежуточного теплоносителя целесообразно использовать химически очищенную воду [181].
Циркулирующая по замкнутому контуру вода нагревается за счет отвода сбросной теплоты технологических или силовых агрегатов с t — 2СН-50 С до 8СМ-110 С. Избыточное давление на расчетном уровне поддерживают установленные в контуре циркуляции обессоленной воды насосы. При необходимости, сглаживать неравномерность работы утилизационной системы могут специальные буферные теплообменники, подключенные к внешним системам (см. рис.4.1).
Наиболее эффективный режим утилизационной системы достигается при непосредственной передаче низкопотенциальной теплоты потребителю, однако такая возможность предоставляется чрезвычайно редко. Поэтому организуется дополнительный внешний контур теплоснабжения с установкой поверхностного водо-водяного теплообменника. В этом контуре циркулирует сетевая вода для транспортировки низкопотенциальной теплоты t = 40-Н?5 С до удаленных, потребителей.
Летом, когда тепловая нагрузка технологических потребителей значительно снижается, а отопительно-вентиляционная нагрузка отсутствует, система может работать в режиме охлаждения элементов оборудования оборотной водой или обеспечивать теплотой утилизационные источники холода - холодильные машины абсорбционного типа [49, 228].
В утилизационных системах очень важно сократить теоретически необходимый температурный напор для передачи теплоты, чтобы увеличить долю полезно воспринятой теплоты. Решению этой задачи способствуют мероприятия по интенсификации теплообменного оборудования, включаемого в данные системы.
Теплообменное оборудование, используемое в нефтехимических и нефтеперерабатывающих технологиях, характеризуется чрезвычайным разнообразием. До 70% материалоемкости и энергоемкости рассматриваемых производств, приходится на теплообменные аппараты, поэтому задача повышения их тепловой и гидродинамической эффективности не теряет своей остроты. Интенсификация теплообменных процессов в технологических и энергетических аппаратах приводит к сближению температурных уровней теплообменивающихся сред, и» как следствие, к росту термодинамических показателей рассматриваемых систем. Особенно эффективные решения достигаются сочетанием методов интенсификации теплообменного оборудования и оптимизации структурной организации систем теплоснабжения промышленной технологии [46, 140].
Высокоэффективные утилизационные теплообменники контактного типа на нефтехимических предприятиях практически не используются из-за опасности загрязнения парового конденсата и сточных вод углеводородами. Исключение составляют аппараты технологического назначения, в которых совмещается процесс отмывки и охлаждения технологического продукта.
При организации утилизационных систем замкнутого типа, включаемых в единую систему энерготехнологического комплекса, контакт между рабочими средами и промежуточным теплоносителем полностью исключается, а передача теплоты осуществляется через поверхность теплообмена. Поэтому для передачи низкопотенциальных БЭР могут быть использованы любые поверхностные теплообменники. Однако следует отметить, что в отечественной практике в подавляющем большинстве случаев устанавливаются трубчатые теплообменники. В качестве промежуточного теплоносителя чаще всего используется вода -техническая или умягченная.
Для повышения эффективности теплообменных процессов применяются различные методы интенсификации, основанные на изменении формы теплопередающих поверхностей [27, 50-51, 53, 68, 71, 82, 125-126, 131-133, 139, 162, 173, 197, 230]. Выбор метода интенсификации теплообмена должен вестись с учетом множества факторов, поскольку состав, теплофизические и реологические свойства рабочих сред, режимы работы аппаратов варьируются в широких диапазонах. Однако одним из наиболее существенных является соотношение термических сопротивлений теплообменивающихся сред и теплопередающеи поверхности, с учетом загрязняющих отложений на стенках, образующихся в процессе эксплуатации оборудования (4.1). В общем виде коэффициент теплопередачи определяется соотношением [7, 9, 65, 137, 144]
