Технические науки/ 5. Энергетика

к.т.н. Долотовский И.В.

Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.

оптимальные режимы эксплуатации
теплогенерирующих агрегатов
газоперерабатывающих предприятий

Система теплоснабжения газоперерабатывающих предприятий (ГПП) взаимосвязана со многими производствами в непрерывных технологических циклах генерации и потребления тепловой энергии в виде пара и горячей воды, с топливной и электротехнической подсистемами.

В технологических производствах пар используется для нагрева потоков
в различном теплообменном оборудовании, в качестве рабочего тела паровых турбин для привода компрессоров, газодувок и воздуходувок, в системах эжектирования газовых систем, в пароспутниках. Тепловые энергоресурсы (ЭР) используются также для подогрева резервуаров, при техническом обслуживании и ремонте оборудования, на отопление зданий, для аварийного пароснабжения и противопожарных мероприятий. Теплогенерирующие агрегаты (ТГА) представлены двумя группами оборудования: 1) котлами-утилизаторами за технологическими печами и энерготехнологическими агрегатами основного производства; 2) парогенераторами котельной вспомогательного производства.

Детерминирующими ТГА являются аппараты первой группы, режимы эксплуатации которых зависят от технологической структуры ГПП, состава и количества сырьевых, промежуточных и конечных потоков. ТГА второй группы являются «замыкающими» элементами в системе технологического пароснабжения и эксплуатируются в условиях ограничения производительности потребностью основного технологического производства. На рис. 1 показаны основные потоки тепловых ЭР в виде насыщенного и перегретого пара различного давления для общего случая системы теплоснабжения крупных ГПП, перерабатывающих сернистое углеводородное сырье.

Система теплоэнергетическая	Система пара высокого давления Р3			Система технологическая
	Генерация пара		Нагрев
	Редуцирование пара		Турбины конденсационные
	Сбор конденсата		Турбины с противодавлением
	Система пара среднего давления Р2
	Редуцирование пара		Генерация пара
			Нагрев
	Сбор конденсата		Турбины с противодавлением
	Система пара низкого давления Р1
	Сбор конденсата		Генерация пара
	Конденсация пара		Нагрев

Рис. 1. Основные потоки тепловой энергии в виде водяного пара и конденсата

Для оптимизации режимов генерации тепловой энергии на ГПП разработан интегрированный программный комплекс, реализующий математические модели энергетических балансов и показателей энергетической эффективности объекта на каждом иерархическом уровне и алгоритмы решения задач оптимального управления потреблением тепловых ЭР. Логическая схема обмена информацией между теплотехнологической, теплоутилизационной, и теплогенерирующей подсистемами ГПП через входы–выходы системы управления (СУ) и «замыкающим» источником теплообеспечения (котельной) показана на рис. 2, где приняты следующие обозначения потоков пара:

1, 2, 3 – выработка пара Р₂ в агрегате-источнике (АИ) вторичных энергоресурсов (ВЭР) в технологической системе (ТС), собственное потребление этого пара в установке и выход пара во внешнюю сеть соответственно;

4, 5, 6 – выработка пара Р₁ в АИ ВЭР, собственное потребление этого пара в установке и выход пара во внешнюю сеть соответственно;

7 – потребление пара Р₂ от котельной (редуцированный пар Р₃);

8 – избыток пара Р₂ на редуцирование;

А1–А10 – расчетно-информационные блоки оборудования и систем: А1, А4 – генераторов тепловой энергии; А2, А3 – потребителей тепловой энергии; А5, А6 – преобразователей теплоты; А8 – системы управления; А9 – формирователя исходных данных

a, b, c, d, e, f, h, g – входные параметры блоков; u1, u2 – управляющие воздействия (задание блокам A2, А4); 1–14 – потоки энергии

Рис. 2. Схема взаимосвязи параметров, информационных переменных и управляющих воздействий подсистем ГПП, системы управления и внешнего источника теплоснабжения

9, 12 – выработка пара Р₃ и собственное потребление пара Р₁ в котельной;

10, 11 – выход пара Р₂ и Р₁ после редуцирования;

13, 14 – потребление пара Р₂ оборудованием ТС и избыток пара на конденсацию, соответственно.

Давления вырабатываемого и потребляемого пара характеризуются отношением (см. рис.1). В связи с этим в системе теплоснабжения предусмотрены множественные редуцирования высокопотенциального пара.

Оптимизация режимов эксплуатации ТГА выполнена в соответствии с разработанной логической информационной схемой генерации и потребления тепловой энергии (рис. 2) с использованием программного обеспечения [1–4] и результатов эксперимента на действующем ГПП широкого профиля по переработке высокосернистого газа и газового конденсата [5].

Исследования проведены для подсистем генерации и потребления тепловой энергии установок осушки и компримирования природного очищенного газа и производства серы в условиях переменных режимов эксплуатации технологического оборудования, а также производственной котельной, которая является внешним источником тепловой энергии для рассмотренного ГПП.

Выполнен численный эксперимент по разработанному интегрированному программному обеспечению и проведено инструментальное обследование установок и агрегатов ГПП с использованием штатных приборов измерений [5]. Сопоставительный анализ результатов двух видов экспериментов дал практически одинаковую качественную и количественную оценку влияния различных факторов и параметров на объемы и режимы генерирования тепловой энергии в АИ ВЭР (ТГА первой группы) и котельной и ее потребления установками ТС.

На основе обработки результатов измерений и расчетов выполнен сопоставительный анализ полученных данных. Наиболее важные зависимости, необходимые для решения вопросов оптимизации режимов эксплуатации ТГА, приведены на рисунках 3–4.

Рис.3. Зависимость выработки пара среднего давления в котле-утилизаторе (КУ) производства серы от двух технологических параметров – расхода кислого газа и концентрации в нем сероводорода

Рис.4. Зависимость удельной выработки пара среднего и низкого давления
в КУ производства серы и водопотребления от производительности установки

Важным параметром, влияющим на паропроизводительность котельной ГПП, перерабатывающего газоконденсатное углеводородное сырье является конденсатно-газовый фактор сырьевой компоненты. На рисунке 5 приведены результаты численного эксперимента с использованием программного комплекса и данные измерений, обобщенные за летние месяцы эксплуатации, отличающиеся напряженным тепловым балансом, связанным с ограничением производительности установок серы и уменьшением выработки пара среднего давления в котлах-утилизаторах.

Рис.5. Зависимость паропроизводительности котельной
от конденсатно-газового фактора углеводородного сырья

Разработанный программный комплекс и алгоритм распределения нагрузок между котлами при реализации оперативного управления (воздействие u2, на рис. 2) позволили сформировать оптимальные режимы эксплуатации котельных агрегатов производственной котельной в условиях переменных нагрузок ГПП по расходу сырья. Основными блоками численного эксперимента в последовательности вычислительных процедур решения данной задачи управления является определение следующих динамических зависимостей – функционалов расхода сырья: генерации пара в агрегатах-источниках ВЭР ГПП; потребления пара основным и вспомогательным оборудованием ТС; производительности котельной; числа работающих котлоагрегатов.

Задача управления котельной решена для предприятия, перерабатывающего высокосернистое углеводородное сырье (УВС). Анализ полученных результатов показал, что удельные расходы генерируемого пара остаются примерно одинаковыми и несущественно изменяются при увеличении производительности по УВС – отсепарированному газу. Однако удельные показатели потребления снижаются при увеличении производительности, что проиллюстрировано рисунком 6 (работа установок в течение 8000 часов в году).

Рис. 6. Удельные показатели потребления пара

Исключение составляет удельное потребление низкопотенциального пара , которое зависит от многих факторов, и в укрупненных расчетах может быть принято постоянным в определенном диапазоне расхода УВС.

Динамика потребления пара высокого давления от котельной приведена на рис. 7.

Рис.7. Потребление пара высокого давления от котельной

Для единичной производительности котлов 75 т/ч число работающих агрегатов при каждой нагрузке ГПП по УВС показано на рисунке 8.

Рис.8. Режимы работы котельной при переменной нагрузке по УВС

Экспериментальная отработка системы оптимизации режимов эксплуатации ТГА и управления потреблением тепловой энергии показала широкие возможности программного комплекса в области решения задач формирования оптимальных эксплуатационных режимов оборудования подсистем энергетического комплекса ГПП и системы внешнего теплоснабжения в условиях переменных технологических нагрузок и параметров процессов.

Литература

1. Система автоматизированного учета и планирования на предприятии: пат. № 63537 РФ / Е.А. Ларин, Н.В. Долотовская, И.В. Долотовский. – №2007106539/22(007086); заявл. 20.02.07; опубл. 27.05.07.

2. Система «Энергоресурс»: программа для ЭВМ № 2010615353 / И.В. Долотовский и др. – №2010613798; заявл. 29.06.10; зарегистр. 20.08.10.

3. Баланс газа: программа для ЭВМ №2011616684 / И.В. Долотовский и др. – №2011614852; заявл. 30.06.2011; зарегистр. 26.08.2011.

4. Воздушный конденсатор: программа для ЭВМ №2011616340 / И.В. Долотовский и др. – №2011614475; заявл. 16.06.2011; зарегистр. 12.08.2011.

5. Долотовский, И.В. Системный анализ и повышение эффективности энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий (на примере Астраханского газоперерабатывающего завода): Дис…канд. техн. наук. – Саратов, 2009. – 249 с.