Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Способы повышения энергетической эффективности теплообменных установок .11
1.1 Методы интенсификации теплообменных процессов 18
1.2 Причины и последствия образования накипи на теплопередающих поверхностях 25
1.3 Анализ применяемых методов водоподготовки 31
1.3.1 Термический метод умягчения воды .31
1.3.2 Реагентные методы умягчения воды .32
1.3.3 Мембранные методы очистки .39
Выводы к главе 1 42
ГЛАВА 2 Термодинамический анализ установки и интенсификация охлаждения углеводородного газа 45
2.1 Теплотехнологическая схема установки осушки и очистки газа 45
2.1.2 Определение энергетической эффективности теплообменного оборудования на УООГ 50
2.2 Выбор способов повышения энергоэффективности теплообменного
оборудования 56
2.2.1 Определение коэффициента теплоотдачи в канале с закруткой потока и шероховатой стенкой 57
2.2.2 Методы интенсификации путем нейтрализации образования накипи...67
Выводы к главе 2 78
ГЛАВА 3. Процесс охлаждения газового потока с электромагнитным воздействием на воду 80
3.1 Малая физическая модель без и с воздействием электромагнитного поля на охлаждающую воду .80
3.2 Промышленный образец без и с воздействием электромагнитного поля на охлаждающую воду 82
3.3 Метод расчета влияния электромагнитного поля на интенсивность образования накипи 85
3.3.1 Расчет температур газа на выходе из теплообменного аппарата 86
Выводы к главе 3 87
ГЛАВА 4. Анализ результатов лабораторных и промышленных исследований процессов электромагнитной обработки воды и теплообмена 89
4.1 Результаты лабораторных исследований воздействия электромагнитного поля на воду 89
4.1.1 Результаты лабораторных исследований по кратности снижения площади оседающих частиц на экспериментальных пластинах 89
4.1.2 Результаты лабораторных исследований процесса шламообразования при электромагнитном воздействии на воду 91
4.2 Анализ результатов промышленных исследований электромагнитного воздействия на поток охлаждающей воды 96
4.2.1 Анализ результатов по кратности снижения площади оседающих частиц 96
4.2.2 Анализ изменения физико-химического состава воды при проведении промышленных испытаний 99
4.3 Сравнение эффективности охлаждения углеводородного газа 110
4.3.1 Расчет температур газа на выходе из теплообменного аппарата без электромагнитного воздействия 110
4.3.2 Расчет температур газа на выходе из теплообменного аппарата с воздествием на воду 113
Выводы к главе 4 119
ГЛАВА 5. Разработка пэов-6 и результаты его промышленной эксплуатации на теплообменной установке 122
5.1 Испытание и корректировка диапазона вырабатываемых частот, кГц
ПЭОВ-6 в лабораторных условиях 122
5.1.1 Корректировка диапазона частот (0,5-100 кГц) вырабатываемых электромагнитных волн 123
5.2 Испытания ПЭОВ-6 в системе оборотного водоснабжения ГПЗ.. 126
5.2.1 Определение противонакипной эффективности применения ПЭОВ-6 128
5.3 Результаты промышленной эксплуатации ПЭОВ-6 в системе оборотного
водоснабжения ГПЗ 138
5.3.1 Определение эффективности теплообменного оборудования на УООГ при электромагнитном воздействии на воду (термодинамический анализ) 140
5.4 Исследование механических примесей системы оборотного
водоснабжения ГПЗ и разработка мероприятий по их выведению 146
Выводы к главе 5 150
Заключение 153
Список использованной литературы
- Анализ применяемых методов водоподготовки
- Определение коэффициента теплоотдачи в канале с закруткой потока и шероховатой стенкой
- Промышленный образец без и с воздействием электромагнитного поля на охлаждающую воду
- Результаты лабораторных исследований процесса шламообразования при электромагнитном воздействии на воду
Анализ применяемых методов водоподготовки
Одной из наиболее актуальных стратегических задач в экономике России в настоящее время является снижение ее энергоемкости. К 2020 г. энергоемкость отечественной экономики должна быть снижена на 40%, для чего потребуется совершенствование системы управления энергоресурсами для повышения энергоэффективности.
В работах, посвященных проблеме эффективности использования энергетических ресурсов, на всех этапах их «жизненного цикла» - от добычи до потребления конечных продуктов (электрической и тепловой энергии) – используются два понятия, обозначаемые терминами «энергосбережение и энергоэффективность» [131]. В законе РФ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» по исследуемым понятиям даются следующие трактовки их определений: - энергосбережение – реализация организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных мер, направленных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования (в том числе объема произведенной продукции, выполненных работ, оказанных услуг); - энергетическая эффективность – характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю.
В практике реализации потенциала энергосбережения производителями и потребителями энергоносителей должны использоваться оба понятия «энергоэффективность» и «энергосбережение» со своими количественными показателями. Показатели, относящиеся к «энергоэффективности», характеризуют существующий, (или достигнутый) уровень эффективности использования энергоресурсов и энергии, к «энергосбережению» -результативность мероприятий по повышению «энергоэффективности». В этой связи термин «энергоэффективность» следует расшифровать как технически возможное и экономически оправданное качество использования энергорсурсов и энергии при существующем уровне развития техники и технологии [35].
Под показателем энергосбережения понимается качественная и/или количественная характеристика проектируемых или реализуемых мер по энергосбережению [23]: - фактической экономии топливно-энергетических ресурсов; - снижения потерь топливно-энергетических ресурсов, в т.ч. за счет оптимизации режимных параметров энергопотребления; проведения не требующих значительных инвестиций энергосберегающих мероприятий и.т.п.; -снижения энергоемкости производства продукции.
В настоящее время энергоэффективность и энергосбережение входят в пять стратегических направлений приоритетного технологического развития экономики России. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» удельная энергоемкость валового внутреннего продукта должна снизиться не менее чем в 2,3 раза к 2030 году [106, 22, 15].
В России энергоемкость ВВП существенно - в 2-3 раза – превышает показатели развитых стран мира. Такая ситуация сложилась исторически и обусловлена целым рядом объективных и субъективных причин. Исчерпание доступных резервов экстенсивного роста производства в топливно-энергетическом комплексе ведет к повышению себестоимости нефти, газа и электроэнергии, сближению цен на энергетическое сырье на внешнем и внутреннем рынках и, как следствие, к снижению конкурентоспособности многих видов продукции отечественной промышленности, замедлению темпов роста экономики.
Уменьшить потребление первичных энергоресурсов, повысить конкурентоспособность российской продукции, а также снизить вероятность угрозы энергодефицита можно, задействовав механизмы повышения энергоэффективности. Россия располагает масштабным недоиспользуемым потенциалом энергосбережения, превышая по энергоемкости ВВП уровень ведущих стран Европы в 3-4 раза, в 2 и более раз - показатели США и Китая [122]. На основании вышеизложенного материала можно сделать вывод, что для промышленных предприятий, основным направлением в области энергосбережения является снижение энергоемкости производства продукции для повышения ее конкурентоспособности.
Методика определения критериев теплогидродинамической эффективности теплообменных аппаратов исходит из положения, сформулированного в 40-е годы М.В. Кирпичевым: энергетическую эффективность теплообменных аппаратов характеризует отношение двух видов энергии - теплоты переданной в теплообменнике, и энергозатрат N на преодоление гидравлических сопротивлений при этом [52].
Чем больше Е, тем лучше способ интенсификации теплообмена и конструкция аппарата. Возможность теплообмена (Q) "покупается" за счет
затрат на сопротивление (N), откуда следует основная и принципиальная задача, решаемая конструкторами теплообменного оборудования: "купить" (передать) наибольшее количество тепла за наименьшее количество гидропотерь N. Реализация этой задачи обеспечивается при достижении максимально возможного теплогидродинамического совершенства теплообменного оборудования - Е = max [102].
Определение коэффициента теплоотдачи в канале с закруткой потока и шероховатой стенкой
Работы по изучению влияния электромагнитной обработки воды на ее свойства проводились Тебенихиным Е.Ф., Классеном В.И., Миненко В.И., Ю.М. Сокольским, Рассадкиным Ю.П. и др.
Тебенихиным Е.Ф. проанализирован существующий материал, опубликованный ранее, а также приведены результаты исследований по изучению механизма образования центров кристаллизации в присутствии ферромагнетиков при наложении магнитного поля, изучено влияние магнитного поля на высокоминерализованные воды. В.И. Миненко изучено влияние магнитной обработки (магнитного поля) на структуру воды, изменение степени ее гидратации, траекторию движения ионов, которые в последующем служат центрами кристаллизации для выпадающих в объеме воды солей жесткости. Большой вклад в изучение процесса магнитной обработки воды внесли ученые МЭИ: Мартынова О.И., Очков В.Ф., Копылов А.С., Кашинский В.И. [74,75,96,97]. В диссертационной работе [98] исследованы процессы, протекающие в зазоре магнитного аппарата при обработке технических сред, что позволило выдвинуть и физически обосновать механизм воздействия магнитных полей на солевые и газовые примеси водных растворов.
В Российской государственный библиотеке автором произведен обзор диссертаций в области магнитной (электромагнитной) обработки воды.
В диссертационной работе [87] получены данные о влиянии природы, интенсивности физических полей и режима обработки воды на процесс накипеобразования, определены параметры физических полей, при которых достигается наилучшая защита водогрейного оборудования от накипи.
В диссертационной работе [128] установлено, что содержание экстактивных и ароматических компонентов сусла и вина зависит от частоты, величины магнитной индукции и продолжительности воздействия ЭМП. Предложен и экспериментально подтвержден механизм влияния электромагнитного воздействия на основные компоненты химического состава сырья и виноматериалов.
В диссертационной работе [51] на основе проведенных исследований предложен критерий, оценивающий степень структурированности воды, через отношение жесткости, кинематической вязкости и электропроводности активированной ПеЭМП воды от количества и качества клейковины муки. Разработано трубчатое проточное устройство, позволяющее активировать воду ПеЭМП бесконтактным способом с регулировкой толщины обрабатываемого слоя без вмешательства в поток и исключающие нежелательный нагрев воды в процессе обработки.
Магнитной обработке воды посвящены диссертационные работы [89], [66], [137], [3]. Большинство этих диссертационных работ посвящено конструктивному усовершенствованию аппаратов магнитной обработки жидкостей.
Диссертационная работа [137] посвящена решению проблемы разрушения водонефтяной эмульсии постоянным магнитным полем. В данной работе автором предложен концептуальный подход к конструированию устройств для магнитного воздействия, который позволяет осуществить подбор параметров магнитной обработки для конкретных транспортируемых по промысловым трубопроводам жидкостей. Установлено, что при использовании переменного магнитного поля расход деэмульгатора СНПХ-4705 может быть снижен на 20 % при сохранении динамики отстоя и вязкости нефтяной фазы. Средняя скорость расслоения водонефтяной эмульсии увеличивается на 50 % (время максимального расслоения без магнитной обработки – 3 часа, при обработке – 1,5 часа).
Произведенный литературный обзор показал, что, процесс электромагнитного воздействия на воду в промышленности заключался в определении ее эффективности по улучшению каких-то косвенных производственных процессов в сравнении с аналогичными процессами, но без применения электромагнитной обработки воды. Но ни один аппарат магнитной или электромагнитной обработки воды не был внедрен в промышленную эксплуатацию. Т.е. исследования заканчивались тем, что получив определенные результаты исследований эти аппараты магнитной и электромагнитной обработки воды, выводились из эксплуатации. Это привело к тому, что на протяжении уже длительного времени отсутствуют примеры массового промышленного внедрения электромагнитного метода водоподготовки – безреагентной технологии в качестве полноценной замены химических методов водоподготовки при вышеперечисленных преимуществах (экологичность, экономичность, простота в эксплуатации).
Исходя из этого, можно сделать вывод, что применению электромагнитного способа водоподготовки в промышленности препятствует отсутствие результатов по закономерности физических процессов происходящих в обрабатываемой воде в процессе ее прохождения через теплопередающие поверхности. А также данных по определению влияния на этот процесс изменяющейся во времени минерализации обрабатываемой воды (жесткость), что характерно для систем оборотного водоснабжения промышленных предприятий.
Поэтому целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности системы охлаждения углеводородного газа путем электромагнитного воздействия на охлаждающую воду. При этом необходимо определить процесс шламообразования и соответствующие этому процессу закономерности изменения физико-химического состава обрабатываемой воды, минерализация которой находится в диапазоне 11001900 мг/л. А также определить закономерности процесса шламообразования в лабораторных условиях в сравнении с результатами процесса шламообразования в промышленных условиях применения электромагнитной обработки воды. На основании полученных данных и их обобщения необходимо создать и внедрить в системе оборотного водоснабжения ГПЗ безреагентную технологию на базе электромагнитной обработки воды, которая должна обеспечивать эффективное охлаждение высокотемпературных газовых потоков в теплообменных аппаратах в течение всего периода его эксплуатации. Таким образом, целью настоящей работы является повышение энергетичекой эффективности УООГ путем использования пассивных методов интенсификации и электромагнитного воздействия на охлаждающую воду.
Промышленный образец без и с воздействием электромагнитного поля на охлаждающую воду
Анализ процесса шламообразования производится по сравнению площади оседающих частиц на экспериментальных стеклянных пластинах, которые поочередно помещаются в объем циркулирующей пресной воды по замкнутому контуру в режимах электромагнитного воздействия на нее и без воздействия. Циркуляция пресной воды осуществляется по 2 часа при доведении ее до 40 С с помощью вмонтированного в бак нагревательного элемента. Вода в лабораторную установку должна заливаться одинакового объема, а по истечение 2 часов циркуляции воды в режиме без электромагнитной обработки, сливаться. После чего вновь залитая пресная вода, такого же физико-химического состава, циркулирует также 2 часа, но уже в режиме электромагнитного воздействия на нее. Полученные изображения частиц при двух режимах циркуляции воды по замкнутому контуру сравниваются по их площади на исследуемых поверхностях стеклянных пластин. По произведенному сравнению площадей осевших частиц делается вывод о том, в какой форме при электромагнитном воздействии на воду выпадают соли жесткости (шлам или кальцит, который откладывается на теплопередающих поверхностях в виде твердых отложений – накипь).
После того как произведен анализ изменения площади оседающих частиц в результате электромагнитного воздействия на воду, определяются закономерные изменения физико-химического состава обрабатываемой воды также циркулирующей по замкнутому контуру. Так как свидетельством противонакипной эффективности электромагнитного воздействия на воду является процесс шламообразования, то анализ изменения физико-химического состава обрабатываемой воды в лабораторных условиях производится по изменению ее электропроводности, мкСм/см во времени в сопоставлении с массой выпавших частиц. Полученные результаты определения процесса шламообразования при электромагнитном воздействии на воду используются для интерпритации результатов электромагнитного воздействия на воду в промышленных условиях.
С целью исследования процесса охлаждения газового потока в нескольких теплообменных аппаратах – группа теплообменных аппаратов установки осушки и очистки газа от CO2 (далее УООГ) при воздействии на общий поток охлаждающей воды электромагнитным полем, разработана структурная схема полномерной физической модели - это макет электронного устройства с шестью генераторами электромагнитных волн (рис. 3.2). 1 _ a
Промышленный образец ПЭОВ-6 был смонтирован на общем трубопроводе, по которому оборотная вода подается в группу теплообменных аппаратов УООГ. Внешний диаметр стальной трубы – 0,325 м. Параллельно расположен общий обратный трубопровод для отвода тепловой энергии от охлаждаемого газа. По общему обратному трубопроводу оборотная вода подается в градирни для ее охлаждения. Методика аналаза процесса шламообразования в промышленных условиях
Анализ процесса шламообразования в промышленных условиях, также как и при анализе процесса шламообразования в лабораторных условиях производится по определению площади оседающих частиц на экспериментальных стеклянных пластинах, которые устанавливаются до и после теплопередающих поверхностей теплообменного аппарата, который поочередно эксплуатируется в режимах с электромагнитным воздействием на воду и без воздействия. Исследования проводятся по 24 ч., так как более длительные исследования изменения площади оседающих частиц при постоянно изменяющихся температурных режимах охлаждаемого углеводородного газа позволят объективно оценить влияние электромагнитного воздействия на преобразование процесса накипеобразование в шламообразование в обрабатываемой воде. Определив изменение площади оседающих частиц, в процессе прохождения воды через теплопередающие поверхности, производится анализ изменения физико-химического состава воды, соответствующий этим изменениям. Причем анализ физико-химического состава обработанной воды также производится до и после теплопередающих поверхностей, т.е. на входе и выходе воды из теплообменного аппарата. Таким образом, определяется динамика изменения содержания солей жесткости, во времени с целью определения влияния электромагнитного излучения на существующие твердые отложения и на дальнейшее изменение разницы содержания солей жесткости во времени с целью определения закономерного процесса шламообразования. Производимый анализ изменения физико-химического состава обрабатываемой воды на протяжении длительного периода эксплуатации ПЭОВ позволит определить влияние изменяющейся во времени жесткости воды в системе оборотного водоснабжения на процесс шламообразования. Изменения содержания солей жесткости в результате прохождения обрабатываемой воды через теплопередающие поверхности сопоставляются со всеми параметрами физико-химического состава обрабатываемой воды, которые также определяются до и после теплопередающих поверхностей. Сопоставив результаты лабораторных и промышленных испытаний ПЭОВ, определяются закономерные физические процессы в обрабатываемой воде, которые соответствуют процессу шламообразования.
Результаты лабораторных исследований процесса шламообразования при электромагнитном воздействии на воду
Первые измерения электропроводности обработанной и необработанной воды производились до ввода в эксплуатацию ПЭОВ. Разница значений показателей электропроводности обработанной и необработанной воды составила минус 30 мкСм (микросименс). Последующие измерения электропроводности оборотной воды производились после монтажа ПЭОВ на общий подающий трубопровод УООГ. Все значения разности электропроводности необработанной и обработанной воды после ввода в эксплуатацию ПЭОВ (табл.5.8) положительны (снижение электропроводности на 1090 мкСм), кроме одного произведенного измерения (10), где эта разница равна нулю. Уменьшение электропроводности воды, прошедшей через электромагнитные волны, может быть объяснено выпадением солей жесткости в виде электрически нейтральных частиц, что согласуется с данными полученными в ходе проведения лабораторных опытов [92, 93]. Таким образом, по разности значений электропроводности обработанной и необработанной воды при эксплуатации ПЭОВ в промышленных условиях (системе оборотного водоснабжения) и поступлении обработанной воды в теплообменные аппараты можно свидетельствовать о присутствии или, наоборот, отсутствии его противонакипной эффективности, т.е. процесса шламообразования.
Результаты промышленной эксплуатации ПЭОВ-6 в системе оборотного водоснабжения ГПЗ Определение повышения энергетической эффективности теплообменных аппаратов за счет эксплуатации ПЭОВ-6 производится по температурному режиму охлаждаемого газа (газ регенерации) на одном из теплообменных аппратов из группы УООГ [117], на которые подается обработанная вода. Определение противонакипной эффективности применения ПЭОВ-6 также производится с помощью периодического осмотра теплопередающих поверхностей контрольных теплообменных аппаратов. Перед тем как ввести в эксплуатацию ПЭОВ были определены два теплообменных аппарата для контроля противонакипной эффективности электромагнитной обработки. Контрольные теплообменные аппараты вскрывались до и после ввода в эксплуатацию ПЭОВ и оценивались на наличие накипи в трубных пучках с помощью измерения проходных сечений не менее 50 % элементов трубного пучка в каждом теплообменном аппарате. После измерения проходных сечений элементов трубных пучков, до и после ввода в эксплуатацию ПЭОВ, производилась оценка их забитости накипью по длине прохождения шомпола через эти элементы.
Перед установкой ПЭОВ на общий подающий трубопровод УООГ, теплопередающие поверхности контрольных теплообменных аппаратов оценивались на наличие накипи на теплопередающих поверхностях. Осмотр показал наличие твердых отложений одинаковой толщины в обоих теплообменных аппаратах (прохождение шомполов через трубные пучки затруднено).
Для определения влияния ПЭОВ-6 на эффективность эксплуатации теплообменного оборудования за счет предотвращения образования накипи, и разрушения существующих твердых отложений произведен расчет толщины накипи по температурным режимам газа на одном из теплообменных аппаратов УООГ, на который подается газ регенерации и газ охлаждения. Температура газа на входе 74 С, а на выходе 33 С, температура воды на входе в теплообменный аппарат 16 С, на выходе из теплообменного аппарата 18 С (рис. 5.4). Площадь теплообмена двухходового теплообменного аппарата составляет 40 м2, диаметр кожуха 0,426 м, наружный и внутренний диаметры труб 0,025 м и 0,021 м соответственно. Объемные расходы газовых потоков в теплообменные аппараты одинаковы и составляют в среднем по 1500 м3/ч.
Для этого теплообменного аппарата определяется расчетное значение термического сопротивления по уравнению теплового баланса и его тепловому расчету (экспериментальное значение) по измеренным температурам газа и воды. Расчетное значение Rрасч. 0,00321 (м2К)/Вт, а экспериментальное значение термического сопротивления Rэксп. 0,0017(м2К)/Вт.
По разнице расчетного и экспериментального значений термических сопротивлений определяется [110] толщина накипи на теплопередающих поверхностях теплообменного аппарата. Разница термических сопротивлений составила 0,001543 (м2К)/Вт. Принимая значение коэффициента теплопроводности равным 0,7 Вт/(мК), определена толщина накипи, которая составила 1,1 мм (см.приложение 5.6).
Энергетическая эффективность теплообменного оборудования [113] на УООГ определяется по (1.1) Кирпичева [14]. Для определения потери давления на трение в прямых трубах по (2.2), (2.3), (2.4), (2.5) определяются площадь поперечного сечения труб, скорость движения воды, число Рейнольдса, коэффициент гидравлического сопротивления соответственно. Рассчитанные значения перечисленных показателей составили 0,00543 м2, 6,61 м/сек, 79952,8; 0,01879 соответственно, а значение потери давления на трение Арт в прямых трубах, по (2.1), 103,5 кПа.
