asyan.org
добавить свой файл
1

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ КОНДЕНСАЦИОННЫХ СИСТЕМ АГРЕГАТОВ СИНТЕЗА АММИАКА
А.К. Бабиченко

Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»
Проведен анализ состояния и влияния блоков конденсации отделения синтеза на энергоэффективность производства аммиака. Установлена чрезмерная ее зависимость от температуры атмосферного воздуха, что обусловлено применением в блоке первичной конденсации аппаратов воздушного охлаждения.

Разработано аппаратурно-технологическое оформление систем охлаждения блоков конденсации, позволяющие снизить расход электроэнергии и топливного природного газа соответственно
на 20,27 кВт·ч/т.
NH3 и 3,67 м3/т. NH3.
Одними из базовых для азотной промышленности России и Украины являются крупнотоннажные агрегаты синтеза аммиака мощностью 1360 т/сутки с двухступенчатой системой конденсации продукционного аммиака, построенные по традиционной принятой во всех аммиачных производствах индустриально развивтых стран схеме. Эти агрегаты, введенные в эксплуатацию по проектам ГИАП, по потреблению электроэнергии и природного газа уступают лучшим зарубежным аналогам в 2,5 и 1,25 раза соответственно. Такое превышение в значительной мере связано с чрезмерной энергоемкостью блоков вторичной конденсации (более 40 % от общего потребления электроэнергии) и компрессии газовой смеси (более 3 % от потребления природного газа). В блоке вторичной конденсации это обусловлено применением аммиачного турбокомпрессорного холодильного агрегата (АТК) с потреблением электроэнергии свыше 24 тыс. МВт·час/год, а в блоке компрессии – использованием природного газа во вспомогательном паровом котле в количестве более 16 млн. м3/год. Кроме того, в агрегате безвозвратно теряется низкопотенциальная теплота отработанного пара турбин в количестве свыше 240 тыс. Гкал/год с потреблением электроэнергии на ее конденсацию до 7 тыс. МВт·час/год. Таким образом, энергоэффективность агрегата синтеза может быть повышена путем модернизации аппаратурно-технологического оформления за счет исключения АТК, утилизации низкопотенциальной теплоты отработанного пара и снижения расхода природного газа во вспомогательный паровой котел.

Проведенный анализ условий эксплуатации конденсационных систем отделения синтеза, схема которого представлена на рис. 1, свидетельствует, что увеличение расхода электроэнергии связано с необходимостью повышения холодопроизводительности АТК для стабилизации температуры вторичной конденсации после низкотемпературных испарителей жидкого аммиака на регламентном уровне 0 0С вследствие увеличения тепловой нагрузки на блок вторичной конденсации в условиях повышения температуры атмосферного воздуха в весенне-летний период.


Рис. 1. Блок-схема отделения синтеза аммиака: С – колонна синтеза; ПК, ВК – блоки первичной и вторичной конденсации; ЦК – циркуляционный компрессор; КГС – компрессор свежей азото-водородной смеси (АВС); ПТ – паровая турбина; К – конденсационная колонна; ВП1, ВП2 – низкотемпературные испарители аммиачные; АХУ1, АХУ2 – абсорбционно-холодильные установки; АТК – турбокомпрессорный с электроприводом холодильный агрегат; БК – блок компрессии; ДК – вспомогательный паровой котел; АПО – аппарат воздушного охлаждения; СПР – сепаратор жидкого аммиака; ЕДВ – электродвигатель; GПК, GВК – продукционный аммиак; ГЛВ – глубокообессоленная вода.
Такая необходимость усугубляется еще и особенностями работы двух параллельно подключенных к одному из двух испарителей абсорбционно-холодильных установок (АХУ), а именно – невозможностью одновременного повышения их холодопроизводительности и снижения температуры кипения в межтрубном пространстве испарителя [1]. Увеличение температуры атмосферного воздуха, а следовательно и температуры первичной конденсации из-за применения аппаратов воздушного охлаждения повышает тепловую нагрузку и на последующий в циркуляционной схеме отделения синтеза блок компрессии с паровой турбиной. При этом повышение температуры первичной конденсации в диапазоне от 30 до 40 0С увеличивает потребление тепловой энергии на валу турбины на 650 кВт·ч. С учетом расходных коэффициентов турбины по пару и вспомогательного котла по природному газу такое повышение температуры увеличивает расход обессоленной воды и природного газа соответственно на 8 т/ч и 510 нм3/ч [2]. Поэтому повышение энергоэффективности и экономичности агрегата может быть достигнуто снижением температуры первичной конденсации.

Решение задачи снижения температуры первичной конденсации осуществлялось путем применения дополнительной холодильной системы с включением высокотемпературного испарителя её после аппаратов воздушного охлаждения блока первичной конденсации [2]. Как показал анализ литературы и технологического оформления агрегата синтеза, целесообразно использование пароэжекторной холодильной установки (ПХУ) с легкокипящим холодильным агентом – аммиаком. Использование последнего позволяет обеспечить работу ПХУ рабочим паром с давлением 3 МПа за счет утилизации теплоты отработанного пара турбин компрессора технологического воздуха температурой до 90 0С, давлением 0,04 Мпа при расходе 54,5 т/ч, безвозвратно теряемой в настоящее время в аппаратах воздушного охлаждения с электроприводом от 3-х вентиляторов, потребляющих 972 кВт·ч электроэнергии.

Расчет цикла ПХУ для обеспечения температуры первичной конденсации в диапазоне 25 ÷ 40 0С при давлении конденсации холодоагента 1,6 МПа позволили установить необходимые расходы холодильной энергии, холодоагента, рабочего пара и отработанного водяного пара. В результате чего были установлены эксплуатационные затраты для конденсационных систем (САТК, СПХУ) и вспомогательного парового котла (СДК) от температуры первичной конденсации, представленные на рис. 2.

С учетом этих затрат была построена результирующая кривая СО на уровне цен для предприятий Украины за 2008 г. Как видно из графика (рис. 2), при температуре первичной конденсации 27 0С обеспечиваются минимальные затраты на уровне 3600 грн/ч. При этом резкий скачок затрат электроэнергии обусловлен недостатком существующего способа регулирования производительности, а именно в диапазоне лишь 50 ÷ 100 %. Это же наблюдается и для результирующей кривой.

Проведенные в осенне-зимний период исследования на промышленном агрегате подтвердили возможность отключения АТК из схемы работы агрегата при температуре 27 0С, снижение которой до такого уровня наблюдается при температуре атмосферного воздуха не более 5 0С. Однако достигаемая холодопроизводительность двух АХУ составила 6,8 МВт, что в весенне-летний период обеспечить невозможно из-за повышенной температуры воды и воздуха, охлаждающих абсорбер и конденсатор. В связи с этим были проведены специальные исследования по установлению закономерностей протекающих тепло – и массообменных процессов в основных аппаратах АХУ, позволившие уточнить их математические модели. Результаты исследований методом математического моделирования позволили осуществить синтез энерготехнологического оформления АХУ повышенной холодопроизводительности в условиях увеличения температуры атмосферного воздуха, которая обеспечивается дополнительной ректификацией паров жидким холодоагентом из конденсатора, проведением процессов генерации-ректификации под пониженным, а конденсация под повышенным давлением за счет включения между ними струйного компрессора и дополнительного переохлаждения жидкого холодоагента в водяном переохладителе перед паровым переохладителем [4]. При этом генерируемая холодопроизводительность двух АХУ увеличивается до 7,4 МВт, почти в 5 раз снижается расход дренируемой флегмы из испарителя и достигается снижение температуры вторичной конденсации на 2,5 0С.


Рис. 2. Эксплуатационные затраты конденсационных систем и вспомогательного парового котла от температуры первичной конденсации при постоянной температуре вторичной конденсации 0 0С: 1 – СПХУ; 2 – САТК; 3 – СДК; 4 – СО.
Основные технико-экономические показатели действующего и предложенного аппаратурно-технологического оформления конденсационных систем агрегатов синтеза при производительности 55,625 т/ч сведены в табл. 1.

Анализ данных табл. 1 показывает, что применение ПХУ обеспечивает перераспределение холодильной энергии в блоках конденсации – увеличение её для первичной с 11,81 до 16,05 МВт·ч и уменьшением её для вторичной конденсации с 10,06 до 7,2 МВт·ч. При этом обеспечивается не только исключение АТК из схемы агрегата синтеза, но и снижение нагрузки на блок компрессии, за счет чего в условиях повышенной температуры атмосферного воздуха снижается расход электроэнергии, природного газа и обессоленной воды для подпитки соответственно на 2088 кВт·ч, 305 м3/год и 1,8 т/ч. Уменьшаются и выбросы оксидов азота в атмосферу при снижении природного газа на 0,9 кг/ч.
Таблица 1

Основные технико-экономические показатели действующего и предложенного аппаратурно-технологического оформления конденсационных систем в условиях повышенной температуры атмосферного воздуха 25 0С

Наименование

Аппаратурное оформление

действующее

новое

Блок первичной конденсации

Генерированная холодильная энергия, МВт·ч:

АПО

ПХУ

Расход электроэнергии, кВт·ч:

АПО

ПХУ

11,81

11,81



480

480



16,05

11,81

4,24

1680

480

1000

Блок компрессии и парообразования

Потребление тепловой энергии на привод турбины, МВт·ч

Расход водяного пара на турбину, т/ч

Расход природного газа во вспомогательный паровой котел, м3/год

Расход электроэнергии на конденсацию отработанного водяного пара турбин, кВт·ч


32,54

274,66
1684
972


31,99

270,02
1379
548

Блок вторичной

конденсации

Генерированная холодильная энергия, МВт·ч:

две АХУ

АТК

Расход электроэнергии, кВт·ч:

две АХУ

АТК

Расход обессоленной воды, т/ч:

две АХУ

АТК

Расход жидкого аммиака в АТК для межступенчатого охлаждения, т/ч

10,06

6,44

3,62

3784

720

3064
840

100
1,0

7,2

7,2



1120

1120


880




Конденсационные блоки в целом

Обобщенные показатели потребления:

электроэнергии, кВт·ч

природного газа, м3

обессоленной воды, т/ч
Общие затраты энергоносителей, грн./ч
Вредные выбросы оксидов азота в атмосферу, кг/ч


5236

1684

940
5879,8
4,98


3148

1379

880
4293,5
4,08


Ожидаемый экономический эффект при модернизации агрегата синтеза за счет снижения расхода электроэнергии, топливного природного газа и вредных выбросов в атмосферу соответственно на 20,27 кВт·ч/т. NH3, 3,67 м3/т. NH3 и 3,9 т составит в ценах за 2008 г. для предприятий Украины около 6 млн. грн.
Список литературы

1. Бабиченко А.К. Исследование энергетической эффективности абсорбционно-холодильных установок крупнотоннажных агрегатов синтеза аммиака / А.К. Бабиченко, В.И. Тошинский, Ю.А. Бабиченко // Вісник НТУ «ХПІ». – Харків: НТУ «ХПІ», 2007. – № 32. – С. 66 – 73.

2. Бабіченко А.К. Вплив температури первинної конденсації на ефективність експлуатації великотоннажних агрегатів синтезу аміаку / А.К. Бабіченко, В.І. Тошинський // Східно – Європейський журнал передових технологій. – Харків: «Технологічний центр», 2008. – № 3/4. – С. 23-27.

3. Пат. 34437 Україна, МПК F25B 15/02, F25B 49/00, С01 С 1/00. Установка для виробництва аміаку / Бабіченко А.К., Тошинський В.І.; заявник та власник патенту НТУ «ХПІ». – № u200803380; заявл. 17.03.2008; опубл. 11.08.2008, Бюл. № 15.

4. Пат. 42161 Україна, МПК F25B 15/00, F25B 49/00, С01 С 1/00. Установка для виробництва аміаку / Бабіченко А.К., Тошинський В.І., Красніков І.Л., Деменкова С.Д.; заявник та власник патенту НТУ «ХПІ». – № u200900599; заявл. 17.01.2009; опубл. 25.06.2009, Бюл. № 12.