VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Целью работы является оценка возможности перевода печей технологической установки ПМТ (АВТ-1) на сжигание газообразного топлива различного состава, оценка влияния на теплотехнические и технологические процессы установки при переводе печей на газообразное топливо.

Данный отчет содержит информацию об имеющихся источниках топлива, потребителях топлива и анализ потребления топлива, также выполнены следующие расчеты:

- тепловые расчеты печей для каждого вида газообразного топлива.

- тепловые расчеты печей для каждого вида газообразного топлива. Причем, с учетом широкого изменения состава топливного газа, подаваемого из топливной сети завода на установку в настоящее время, были выполнены тепловые расчеты печей для следующих составов топливного газа:

Вариант 1 - топливный газ со средним содержанием водорода (ТГ № 1)

Вариант 2 - топливный газ с максимальным содержанием водорода (ТГ № 2)

Вариант 3 - топливный газ после пуска КЦА (ТГ№3)

Вариант 4 - природный газ (ПГ)

- расчеты тепловых и гидравлических характеристик работы горелок при фактической нагрузке установки. По расчетам фактические нагрузки печей превышают проектные величины. Поэтому для расчетов была принята фактическая нагрузка печей.

- гидравлические расчеты линии подвода газообразного топлива к горелкам печи в границах установки, включая тепловые расчеты подогревателя топливного газа.

Гидродинамические характеристики продуктовых потоков в змеевике печи определяются исключительно условиями на входе продукта в змеевик и на выходе из змеевиков. При сохранении этих условий гидродинамические параметры змеевиков не изменяются. Поэтому, с учетом того, что задачей данных исследований является сохранение режима нагрева сырьевых потоков в печах при переходе на газообразное топливо, проведение гидравлических расчетов змеевиков не требуется.

Расчеты для печей установки АВТ-1 проведены по исходным данным инструментального обследования установки при нагрузке установки по сырью 215 м³/час. Данная производительность установки примерно соответствует средней производительности установки АВТ-1 за 2015 г.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ПМТ – производство моторных топлив.

УПЭС и СК – установки получения элементарной серы и серной кислоты.

ПГ – природный газ.

АВТ – атмосферно-вакуумная трубчатка

ЭЛОУ – электрообессоливающая установка.

АВЗ – конденсаторы воздушного охлаждения.

1. Общая характеристика установки первичной переработки нефти

Общая характеристика установки АВТ-1

Установка первичной переработки нефти АВТ-1 (атмосферно-вакуумная трубчатка) типа А-12/1 служит для разделения обессоленной нефти, поступающей с блоков ЭЛОУ установок АВТ-5,6 (в случае останова на ремонт АВТ-6 – с блока ЭЛОУ установки АВТ-3) на фракции бензина, керосина, дизельного топлива, мазута, масляных дистиллятов и гудрона.

Установка включает в себя следующие процессы:

• атмосферную перегонку двухкратного испарения – предварительное отбензинивание нефти в колонне К-1 и разделение частично отбензиненной нефти на топливные фракции (бензиновую, керосиновую, дизельную) и мазут в сложной ректификационной колонне К-2 с боковыми отпарными секциями;

• вакуумную перегонку мазута с выделением первого, средневязкого и вязкого вакуумных погонов, гудрона.

2. Описание системы топливоснабжения

Система топливоснабжения АВТ-1

На установке АВТ-1 для нагрева отбензиненной нефти и мазута используются шатровые двухскатные печи. Проектная теплопроизводительность атмосферной и вакуумной печей П-1, П-2, составляют 16,0 и 8,0 Гкал/час, соответственно. На обеих печах установлены однотипные горелки ГМГС-1,6, рассчитанные на сжигание комбинированного топлива с проектной тепловой мощностью 1,37 Гкал/час.

Трубчатые печи установки работают как на жидком, так и на газообразном топливе.

В качестве жидкого топлива возможно использование первого вакуумного погона, средневязкого вакуумного погона, мазута (при работе по схеме АТ).

В качестве газообразного топлива используется газ, вырабатываемый на установке.

Возможно поступление газа на печи П-1, П-2 через Т-12 из общезаводской линии № 723. На правую сторону П-2 ко 2 и 3 форсункам подаются газы разложения после эжекторов К-5.

Рисунок 2.1 Принципиальная схема работы печей установки АВТ-1.

3. Структура потребления топлива печами установок

Технологическая установка ПМТ (АВТ-1) ООО «ЛУКОЙЛ-Нижегороднефтеоргсинтез» потребляет газообразное и жидкое топливо.

На рисунке 3.1 данные по потреблению топлива представлены графически.

Рисунок 3.1 – Потребление топлива установкой АВТ-1 за 9 месяцев 2015 год, тут.

За рассматриваемый период январь- сентябрь 2015 год доля потребления жидкого топлива установки АВТ-1 составляет от 16-29%, в среднем 21%.

4. Инструментальное обследование объектов

1. Инструментальное обследование системы топливоснабжения установки АВТ-1

Инструментальное обследование системы топливоснабжения установки АВТ-1 было проведено 15.10.2015 года с использованием стационарных приборов установки и портативных приборов энергоаудиторов. На установке в качестве топлива для печей используется топливный газ из заводской линии и жидкое топливо. В результате проведенного инструментального и визуального обследования можно отметить следующее:

Печь П-1:

• количество горелок в работе на момент обследования: на ж.т.–6 шт., на т.г–22 шт.

Печь П-2:

• газы разложения с К-5 подаются на дожиг в П-2 на горелки №1,2,4 с правой стороны;

• количество горелок в работе на момент обследования: на ж.т.–2 шт., на т.г–26 шт.

1. Характеристики топлива установки АВТ-1

На установке АВТ-1 используется и предполагается использовать газовое топливо различного состава. В настоящее время на установку АВТ-1 подается топливный газ из топливной сети завода, составы которого приводятся в таблице 4.2.

Таблица 4.2 Состав топливного газа из заводской сети на установке АВТ-1

№№ пп/п	Компоненты	ТГ№1 (с содержанием водорода 44,5%об.), %об.	ТГ №2 (с содержанм водорода 64,7%об.), %об.	ТГ№3 (после пуска КЦА), %об.	ПГ(природный газ), %об.
11	2	3	4	5	6
12	Азот	0,5	0,0	5,71	2,43
33	Н2О	0,5	0,0	0,73	0,0
44	Н2S	0,0	0,1	0,0	0,0
55	Водород	44,5	64,7	29,9	0,06
56	Метан	29,6	26,5	28,98	92,32
77	Этан	16,2	3,5	20,31	3,36
88	Пропан	5,8	3,5	8,33	1,37
99	n-бутан	1,1	0,7	3,03	0,21
110	i-бутан	0,8	0,4	1,30	0,18
111	n-пентан	0,3	0,2	0,89	0,02
112	i-пентан	0,5	0,3	0,59	0,03
113	С6+	0,2	0,1	0,22	0,02
114	Плотность при СТУ, кг/м3	0,533	0,4185	-	0,7252
115	Низшая теплота сгорания при СТУ, - ккал/кг - ккал/нм3	12958 6904	13895 5815	- -	- 8258

Согласно данным заводских анализов за период с 01.01.2015г. по 19.10.2015г. содержание водорода в топливном газе меняется в достаточно широком диапозоне от 26,8%об.до 64,7%об. В таблице 4.2 приводятся составы топливного газа АВТ-1 из заводской сети, отобранные на анализ 15.10.2015г ТГ №1, который близок по содержанию водорода к среднему за год значению 51,1%, и 15.10.2015 ТГ№2, который имеет максимальное содержание водорода 64,7%. Данные составы топливного газа используются мной при расчетах печей. ТГ№1 как усредненный состав топливного газа, а ТГ№2, как худший вариант топлива для печей установки АВТ-1.

Топливный газ в заводской сети завода после пуска КЦА (ТГ№3) будет содержать относительно небольшое количество водорода 29%об, что конечно положительно скажется на работе горелок.

В таблице 4.2 так же приводится состав природного газа.

Характеристики мазута установки АВТ-1 по данным заводских анализов за 25.10.2015г приводятся в таблице 4.3.

Таблица 4.3 Характеристики мазута установки АВТ-1

№ п/п	Наименование	Значение
1	2	3
1	Температура начала кипения	283,16
2	Выкипает до 300°С	0,3%об.
3	Выкипает до 335°С	2,3%об.
4	Выкипает до 360°С	4,8%об.
5	Плотность при 15°С	958,9 кг/м³

5. Анализ работы печей на газообразном топливе

1. Анализ работы печей установки АВТ-1 на газообразном топливе

В настоящее время в качестве топлива на печах установки АВТ-1 используют жидкое топливо и топливный газ из заводской сети, состав которого изменяется достаточно широком диапазоне. Особенно отрицательно сказывается на работе горелок повышенное содержание водорода в топливном газе. Поэтому несмотря на низкие значения фактической теплопроизводительности горелок относительно проектных значений, горелки необходимо пересчитывать на возможность их использования при сжигании топливного газа с большим содержанием водорода.

Результаты расчета печей П-1 и П-2 установки АВТ-1 представлены в Приложении А.1. Тепловые расчеты печей проведены для четырех различных составов газового топлива. Составы и характеристики газовых топлив, использованных в расчете, были приведены в таблице 4.2. Вариант №1 расчетов соответствует топливному газу с содержанием водорода 44,5%об.. Состав топливного газа ТГ№1 примерно соответствует усредненному за 2014 год составу топливного газа в заводской сети завода, в котором содержание водорода составляет 40,8%об. В варианте №2 расчетов в качестве топлива используется топливный газ с максимальным содержанием водорода 64,7%об. согласно заводским анализам состава газа, подаваемого на установку АВТ-1 из заводской сети (таблица 4.2). В вариантах №3 и №4 расчетов используются топливный газ после пуска КЦА (ТГ№3) и природный газ (ПГ), соответственно, составы которых так же приводятся в таблице 4.2.

Результаты расчета показывают, что фактическая теплопроизводительность печи П-1 на заданной производительности по отбензиненной нефти 195,4 м³/час составляет 16,151 Гкал/час, что практически совпадает с проектной тепловой мощностью атмосферной печи 16,0 Гкал/час. Фактическая полезная теплопроизводительность печи не зависит от состава применяемого топлива, она определяется только загрузкой печи по нефти и параметрами потока сырья на входе и выходе печи. В то же время полная теплопроизводительность печи для топлив разного состава изменяется в небольших пределах от 24,070 Гкал/час для ТГ№1 и ТГ№2 до 24,734 Гкал/час для ПГ. Это связано с небольшими изменениями КПД печи при сжигании топливного газа разного состава. Как видно из данных, приведенных в таблице А.1.1 (Приложение А.1), наибольшее значение КПД печи (67,1%) достигается при использовании ТГ№1, ТГ№2, наименьшее (65,3%) – при сжигании ПГ.

При этом расчетная температура дымовых газов на перевале так же меняется от топлива к топливу в небольшом диапазоне и составляет 675 – 678°С.

Средняя теплонапряженность радиантных труб печи П-1 составляет 17238 – 17446 ккал/час/м², что не превышает допустимые пределы для атмосферных печей установок первичной перегонки нефти.

Теплопроизводительность одной горелки для всех топлив значительно ниже проектного значения 1,37 Гкал/час и составляет всего 0,860 – 0,883 Гкал/час – для печи П-1, и около 0,5 Гкал/час – для печи П-2.

Объемный расход газового топлива на одну горелку существенно зависит от состава сжигаемого топливного газа. При сжигании природного газа объемный расход в горелку будет 100,1 м³/час, что составляет 63% от проектного значения 159 м³/час. Следует обратить внимание, что значения % от номинала как по тепловой производительности горелок, так и по расходу газа совпадают, что связано с тем, что газовые сопла горелок рассчитаны на условия сжигания природного газа. Такого совпадения не наблюдается для других газов, состав которых отличается от расчетного состава ПГ. Особенно сильное отличие наблюдается для ТГ№2 с максимальным содержанием водорода. Расход газа для топлива ТГ№3 практически совпадает с номинальным значением газа, заданным техническими характеристиками горелок ГМГС-1,6, равный 159 нм³/час.

Для среднего в 2014 – 2015гг. состава топливного газа ТГ№1, и для топливного газа ТГ№3, планируемого для применения в будущем после пуска блока КЦА, расход газа на горелки не превышает 106 м³/час, что составляет около 67% от номинального значения.

Таким образом, приведенные расчеты указывают, что при содержании водорода в топливном газе более 55 – 60%об. расходные характеристики горелок по газу приближаются к номинальному значению, а при большем содержании водорода горелки начинают работать с превышением номинальных рабочих характеристик.

В справочных данных [Ентус, Н.Р. Газовые горелки трубчатых печей / Н. Р. Ентус, В. В. Шарихин, 56 с. ил. 20 см, М. ЦНИИТЭнефтехим, 1984.] отмечается, что для газовых горелок инжекционного типа без принудительной подачи воздуха, при использовании заводских газов, содержащих более 45% об.водорода, снижается инжектирующая способность воздуха в горелки для смешения с газом. В результате этого в струе газовоздушной смеси выходящей из сопла горелки, снижается интенсивность перемешивания газа с воздухом. Все это приводит к увеличению времени сгорания топлива и удлинению факела. Это связано с тем, что для полного сгорания топлива необходимо дополнительное время для его перемешивания с газом.

В специальной литературе по газовым горелкам приводятся различные методики для пересчета оптимального диаметра газового сопла горелки при изменении состава топливного газа относительно расчетного состава. Как правило, все горелки изначально рассчитаны на применение природного газа.

В таблицах А.1.1, А.1.2 (Приложение А) приводятся результаты расчета относительного диаметра сопел при использовании различных газов. Расчет показывает, что для обеспечения подсасывания необходимого количества воздуха в самой горелке, при сжигании топлива с повышенным содержанием водорода (ТГ№2), требуется увеличение диаметра газовых сопел на 18%. Тогда как, при сжигании газовых топлив с содержанием водорода до 45%об. существующие газовые сопла должны обеспечить требуемый состав и достаточную степень перемешивания газовоздушной смеси на выходе из горелки.

Как видно из данных расчета для топливного газа с содержанием водорода 64,7% об. длина факела в 2,2 раза больше номинального значения. По данным изготовителя номинальная длина факела для природного газа составляет 2 метра, следовательно, длина факела при использовании топливного газа ТГ№2 составит 4,4 метра. Аналогичные расчеты для топливного газа с содержанием водорода 80% об. дают значение длины факела 7 метров. Видим, что при высоком содержании водорода в топливном газе факел достигает трубы змеевика на перевальной стене.

Таким образом, проведенные расчеты показывают, что при переходе на газовое топливо для всех трех составов, приведенных в задании, а именно, усредненный состав топливного газа за 2014 год (ТГ№1), топливный газ после пуска КЦА (ТГ№3), и природный газ (ПГ), существующие горелки обеспечивают необходимый режим работы печей П-1 и П-2. При этом режим горения газового топлива по всем расчетным параметрам находится в рабочих диапазонах технической характеристики горелок, поэтому факел горения должен быть устойчивым.

Если в расчетах учитывать колебания состава топливного газа по содержанию водорода, то необходимо отметить, что при концентрации водорода в топливном газе выше 60% об. параметры режима работы горелок начинают выходить за пределы рабочего диапазона. Это требует перенастройки горелок, направленной на снижение подвода воздуха через регистры горелок. И наоборот, при резком снижении содержания водорода необходимо увеличить поступление воздуха в горелки для обеспечения достаточного избытка воздуха 1,05.

Изменение диаметра сопел для возможности работы на топливном газе с повышенным содержанием водорода считаем нецелесообразным, поскольку основное время топливный газ имеет нормальное содержание водорода, не превышающее 55% об., в это время горелки работают в расчетном режиме.

Что касается работы горелок печи П-2 , здесь при переходе на газовое топливо особых проблем не должно быть, поскольку теплопроизводительность этих горелок при рабочих условиях работы печи намного ниже номинальной величины.

Как видно из данных расчета, необходимое давление газа перед горелками (после регулирующего клапана) возрастает незначительно и составляет для печи П-1 до 0,30кгс/см², а для печи П-2 – 0,1 кгс/см². Поэтому давления в сети топливного газа поддерживаемого в настоящее время (около 2,3 кгс/см²) будет вполне достаточно для нормальной работы горелок.

6. Выводы и рекомендации

1. Теплопроизводительность одной горелки для всех топлив значительно ниже проектного значения 1,37 Гкал/час и составляет всего для П-1 0,860-0,883 Гкал/час, а для П-2 еще ниже – около 0,5 Гкал/час.

2. Для среднего в 2014-2015г.г. состава топливного газа ТГ№1, для топливного газа ТГ№3, планируемого для применения в будущем после пуска блока КЦА, и для ПГ расход газа на горелки не превышает 106 м³/час, что составляет около 67% от номинального значения. Расчеты показывают, что при содержании водорода в топливном газе более 55- 60% об. расходные характеристики горелок по газу приближаются к номинальному значению 159 м³/час, а при большем содержании водорода горелки начинают работать с превышением номинальных рабочих характеристик.

3. Параметры режима работы горелок ГМГС-1,6 в печи П-2 соответствуют рабочим характеристикам горелок для всех видов газообразного топлива.

4. Со снижением плотности топливного газа снижается необходимый объем воздуха для сгорания единицы объема газа. Для ТГ№3 и ПГ необходимый удельный объем воздуха составляет 13-14м3/м3, тогда как для легких газов с большим содержанием водорода требуется для сгорания почти в 2 раза меньше воздуха - 7,7м3/м3. Поэтому при изменении плотности топлива необходимо оперативно перенастроить каналы поступления воздуха с тем, чтобы сохранить коэффициент избытка воздуха при изменении состава топлива на одном уровне, не превышающем 1,3. Переизбыток воздуха приводит к плохому перемешиванию воздуха с топливом, кроме того, увеличивается скорость истечения газовоздушной струи из горелки, что приводит к отрыву факела.

5. Все газовые сопла горелок изначально рассчитаны на работу на природном газе. Расчеты показывают, что для обеспечения подсасывания необходимого количества воздуха в самой горелке при сжигании топлива с повышенным содержанием водорода (ТГ№2) требуется увеличение диаметра газовых сопел на 18%. Изменение диаметра сопел для возможности работы на топливном газе с повышенным содержанием водорода (ТГ№2) считаем нецелесообразным, поскольку основное время топливный газ имеет нормальное содержание водорода, не превышающее 55% об., в это время горелки работают в расчетном режиме.

6. Расчеты длины факелов демонстрируют важность поддержания оптимального значения избытка воздуха. При поддержании избытка воздуха на оптимальном уровне, не превышающем 1,3, размеры факелов для разных газов находятся на одном уровне и не превышает 2,8м. При переходе от ПГ на более легкий топливный газ с большим содержанием водорода (ТГ№1,ТГ№2) без изменения настроек воздушных каналов горелки горение происходит с большим переизбытком воздуха, при этом длина факела может превысить 5м и достичь трубы на перевальной стене. Кроме того, при горении с большим избытком воздуха скорость газовоздушной струи на выходе из горелки может превысить критическую скорость срыва факела.

7. Результаты гидравлического расчета топливной линии, включая подогревателя топливного газа, показывают, что пропускная способность существующей линии достаточна для обеспечения возросшего потребления газообразного топлива после прекращения сжигания жидкого топлива.

Заключение

1. Печи П-1, П-2 установки АВТ-1 во всех просчитанных вариантах обеспечивают фактическую загрузку установки с требуемыми параметрами при условии установки нового подогревателя топливного газа с использованием существующего теплообменника Т-12 ребойлерного типа в качестве сепаратора.

2. Выполнение данных работ и перевод печей установок на сжигание газообразного топлива позволит использовать для дальнейшей переработки сожженного в качестве жидкого топлива: - АВТ-1 – 9 275,0тн. (факт 2014 года);

Код для цитирования: Скопировать