Аггреко: Временное охлаждение решает проблемы с конденсацией в установке вакуумной перегонки

Москва. Высокое рабочее давление отрицательно влияет на выход дистиллятов из установки вакуумной перегонки. В данной статье анализируются причины смещения системы n-ступенчатых эжекторов при всех возможных режимах работы УВП. Кроме того, в статье показано, как могут быть спроектированы временные системы дополнительного охлаждения Aggreko для улучшения работы эжекторов и конденсаторов пара и, в конечном итоге, повышения рентабельности.

Вакуумная перегонка играет решающую роль, увеличивая объем переработки, так как производит дорогостоящие нефтепродукты из оставшейся от атмосферной перегонки нефти. Установка вакуумной перегонки (УВП) работает под вакуумом или под давлением значительно ниже атмосферного. Когда УВП работает оптимально, низкое давление снижает температуру кипения тяжелой нефти так, что более легкие продукты могут испаряться без риска крекинга или разложения сырья. Однако, когда УВП не работает в оптимальных условиях, вакуумметрическое давление может повыситься, что приведет к снижению производительности и рентабельности. Таким образом, важно понять, почему давление вакуума может увеличиться, и как смягчить это воздействие с помощью инженерного решения.

Эжектор / конденсатор: «сердце» системы создания вакуума

Комбинация эжекторов и конденсаторов пара устанавливается для снижения верхнего давления в УВП. Эжекторы – это статические установки, которые преобразуют энергию давления движущегося пара в кинетическую энергию посредством термокомпрессии (рис. 1).

Всасывающий патрубок расположен в оптимальной точке, где давление рабочего пара минимально, а скорость его потока максимальна, благодаря чему пар и отходящие газы вытесняются из верхней части колонны под минимальным давлением. Суживающийся и расширяющийся участок эжектора преобразует кинетическую энергию жидкости обратно в энергию давления в соответствии с принципом Бернулли. Термокомпрессия происходит при определенных термодинамических условиях, допускающих акустический скачок в горловине эжектора и резкое усиление скорости в расходящейся части диффузора. Размещенный на выходе из эжектора теплообменник конденсирует все пары, таким образом понижая давление, и отходящие газы загружаются на следующую стадию.

Рис.1

Inlet gas, liquid or other  —  входящий газ, жидкость или другая среда

Motive fluid  — рабочая жидкость

Motive fluid nozzle   —  патрубок для рабочей жидкости

Converging Inlet nozzle  —  сходящийся всасывающий патрубок

Diverging Outlet diffuser   —  расходящийся выходной диффузор

Diffuser throat  — горловина диффузора

ПРИЧИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА УВП

Отклонения от нормального режима работы эжекторов приведут к резкому падению звукового давления (схлопыванию) и постепенному замедлению потока, что в итоге повысит давление в вакуумной колонне. В зависимости от режимов работы УВП  источники отклонения на эжекторах можно классифицировать следующим образом.

Сезонные эффекты

Летом температура воздуха сильно влияет на всю систему водяного охлаждения. Это не позволяет поддерживать оптимальный уровень температуры в системе, что негативно сказывается на технологическом процессе, так как он протекает с отклонением от проектных значений. Необходимо учитывать потребность в охлаждающей воде на всем НПЗ, чтобы избежать дефицита и недостаточного ее охлаждения, а следовательно, и разрушительных последствий для работы вакуумной колонны. Это позволяет оптимизировать режим ее работы в летний период времени и увеличить рентабельность.

Повышенная температура охлаждающей воды

Помимо сезонного эффекта от повышения температуры в летние месяцы, проблемы в контуре охлаждающей воды нефтеперерабатывающего завода могут возникнуть в любое время года и привести к повышению температуры воды. Независимо от источника проблемы, конечным результатом является повышение давления в установке вакуумной перегонки (УВП).

Загрязнение конденсатора

Конденсаторы подвержены сильному загрязнению со стороны  трубопровода подачи охлаждающей воды. Причиной может являться недостаточная степень очистки, длительное воздействие воздуха повышенной влажности (например, в течение технического обслуживания), высокой температуры на выходе, биологической коррозии и загрязнения антикоррозийными продуктами. Корпус также подвергается загрязнению из-за отложений углеводородов, которые могут возникнуть вследствие сбоев технологического процесса. Отложения загрязнений, которые накапливаются с течением времени, снижают  общий коэффициент теплопередачи, усиливая падение давления в системе, особенно со стороны охлаждающей воды. Процесс загрязнения ускоряется в периоды, когда температура охлаждающей воды на выходе значительно выше расчетной, что наиболее часто происходит  в жаркие летние месяцы.

Задержка в обслуживании

Задержка технического обслуживания теплообменника или конденсатора может отрицательно повлиять на производительность вакуумной колонны. Неустраненные утечки воздуха через неисправные механические уплотнения или фланцы могут привести к увеличению нагрузки на эжектор и, следовательно, к повышению давления в верхней части колонны УВП. Частично загрязненные барометрические датчики также могут ограничивать способность к конденсации из-за частичного заливания поверхности конденсатора.

Увеличение выброса газа из-за условий процесса

Создание вакуума требует удаления газов — как конденсируемых, так и неконденсируемых. Следовательно, если условия процесса и/или источник сырья способствуют накоплению газов, это отрицательно повлияет на работу УВП. Увеличение объемов газа может произойти из-за утечки воздуха, чрезмерной скорости (простых и очищенных) паров или большого  количества крекинг-газа. Источником проблем также могут быть изменения состава сырья, зачастую обусловленные качеством исходной сырой нефти, а также ненадлежащая работа установки первичной переработки нефти, из-за чего в УВП попадают «легкие» углеводороды, которые не были извлечены при атмосферной перегонке.

Проблемы с давлением движущегося пара (MSP)

Когда давление движущегося пара (ДДП) ниже минимального расчетного давления, количество подаваемого пара уменьшается. В этом случае энергии для сжатия всасываемой жидкости до расчетного давления нагнетания недостаточно, в результате чего оно колеблется. Слишком горячий пар будет давать такой же эффект, так как его удельный объем увеличивается. С другой стороны, когда давление движущегося пара (ДПД) выше расчетного давления, подача избыточного количества пара в горловину эжектора вызывает эффект воздушной пробки в диффузоре эжектора. Качество подающегося движущегося пара важно, так как влажный пар взывает эрозионные повреждения внутренних поверхностей. Унос жидкости из конденсаторов тоже может вызывать аналогичные проблемы. Жидкости, испаряющиеся при низком давлении в горловине, могут ограничивать производительность эжектора и повышать входное давление.

Превышение максимального давления нагнетания (MDP)

Давление нагнетания соответствует давлению пара конденсированной жидкости при температуре нижнего конденсатора плюс парциальное давление неконденсируемых газов. Максимальное давление нагнетания (MDP) показано на кривой, рядом с графиком производительности (рис. 2), и соответствует максимальному давлению, при котором эжектор может работать и обеспечивать необходимый звуковой и скоростной импульс потока. При сохранении всех условий постоянными важной составляющей является температура конденсатора, находящегося ниже по потоку, так как при увеличении температуры охлаждающей воды в летний период может быть значительно превышено максимальное давление нагнетания (MDP).

При возникновении такой проблемы требуется дополнительное охлаждение конденсируемой воды, подающейся для уменьшения давления в эжекторе.

Рис 2.

Minimum motive steam pressure = 500 psig @ 500 ºF Минимальное давление рабочего пара = 500 фунтов на кв. дюйм при 500 ºF

MDP = 83 mmHg absolute/maximum water temperature = 91 ºF  

Максимальное давление нагнетания (MDP) = 83 мм рт. ст., Абсолютная / максимальная температура воды = 91 °F

Pressure, mmHg  — Давление, мм рт. ст.

Design point   —  Проектное значение

Water vapor equivalent, pph  —   Эквивалент водяного пара, фунт в час

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ С ПОМОЩЬЮ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ

Многие из причин возникновения повышенного давления в верхней части колонны УВП (более высокая температура летом, временные изменения условий эксплуатации) нарушают условия процесса только на короткое время.

Следовательно, для УВП необходимы решения, временно меняющие технологический процесс для получения большего количества ценного дистиллята.

Аггреко Евразия специализируется на предоставлении временных систем охлаждения, адаптированных к конкретным условиям и потребностям любого НПЗ.

Проект разрабатывается после тщательного анализа каждой УВП, включая режимы эксплуатации, перспективные производственные показатели, доступную температуру и расход охлаждающей воды, а также тенденцию конденсаторов к загрязнению.

При выборе оборудования учитываются имеющиеся источники электроэнергии, пространственные ограничения и доступность завода для противоаварийных мероприятий.

После анализа рисков и работоспособности установки, проведенного совместно с НПЗ, специалисты Аггреко предоставляют системы автоматизации и удаленного мониторинга рабочих параметров временной системы.

Такие системы, включающие различные элементы — чиллеры, теплообменники, градирни, — развертываются всего за несколько дней или недель с момента первоначального обсуждения с заказчиком. Высокая скорость разработки проекта, доставки, ввода в эксплуатацию  и вывода временных систем охлаждения обеспечивает заказчику устойчивую финансовую прибыль.

Временное охлаждение решает сезонные проблемы, связанные с повышенной температурой, и внедряется при желании руководства НПЗ использовать краткосрочные рыночные возможности.

Более того, НПЗ могут постоянно отслеживать дополнительную прибыль, которую завод получает в течении срока эксплуатации временных решений на базе аренды, и определять наиболее подходящий момент для его вывода из эксплуатации.

Установка вакуумной перегонки (УВП) может быть рассчитана на несколько режимов работы — от влажного до сухого, в зависимости от количества пара, поступающего на установку. Проекты комплексной аренды оборудования Aggreko успешно применяются при различных режимах работы вакуумной перегонной установки VDU (УВП).

Ниже представлены два примера из практики.

1) УСТАНОВКА СУХОЙ ВАКУУМНОЙ ПЕРЕГОНКИ

В сухом режиме работы пар не нагнетается в установку, и система может работать при давлении всего от 5 до 15 мм рт. ст. абс. В этом режиме два эжектора обычно устанавливаются последовательно для непосредственного удаления неконденсируемого  газа из установки вакуумной перегонки (УВП). На НПЗ, работающем в этом режиме, давление в вакуумной колонне неожиданно увеличивается от 20 до 61 мм рт. ст. Повышение давления из-за его перепада со стороны трубы дает сильное засорение первого и второго конденсаторов. Как видно из показаний, более высокий перепад давления снижает расход охлаждающей воды. Это, в свою очередь, вызвало перегрузку второй ступени эжектора, что привело к более высокому давлению всасывания. Низкая производительность первой ступени эжектора также способствовала значительному увеличению рабочего давления колонны. Сотрудничество специалистов (APS) и НПЗ помогло решить проблему с охлаждением воды для каждого конденсатора с  34 °C до 31°C благодаря временной системе охлаждения. Система состояла из чиллеров и различного вспомогательного оборудования и была развернута за восемь рабочих дней. Решение позволило производителю получить более высокий выход тяжелого вакуумного газойля (HVGO) на 1850 баррелей в сутки. Срок проекта — 93 дня.

Пример №1.

2) УСТАНОВКА МОКРОЙ ВАКУУМНОЙ ПЕРЕГОНКИ (VDU)

В «мокром» режиме работы значительное количество пара нагнетается в УВП/УВО и действует как отгонный пар или идет в трубы пламенного нагревателя для увеличения скорости жидкости и предотвращения закоксовывания трубок. Большая часть пара, закачиваемого в любое из этих мест, конденсируется и собирается в верхней части колонны. В этом режиме рабочее верхнее давление колонны находится в диапазоне 50-65 мм рт. ст., что относительно умеренно по сравнению с другими режимами работы. В действительности работа при этом давлении делает возможной конденсацию с использованием охлаждающей воды завода. Система для создания вакуума обычно состоит из цепи двух или трех эжекторов.  В этой схеме конденсатор перед эжектором первой ступени служит для удаления максимально возможного количества паров углеводородов и воды. Чем лучше конденсация, тем легче поддерживать желаемое давление вакуума и выход дистиллятов.

Для оценки теоретического улучшения выхода дистиллятов, который может быть получен с помощью временной системы охлаждения конденсатора, была смоделирована УВП, работающая во влажном режиме с производительностью 25 955 баррелей за эксплуатационные сутки. Было сделано предположение, что температура охлаждающей воды на входе в конденсатор после установки временного оборудования улучшит конденсацию. В базовом сценарии предполагалось, что более низкий по сравнению с расчетным расход охлаждающей воды вызывает засорение конденсатора. Это повышает температуру верхнего конденсатора до 54 °C и давление в верхней части колонны до 100 мм рт.ст.

Рисунок № 4.

Oily water   — Нефтесодержащая вода

Off-gas       —   Отходящий газ

Water         —     Вода

При постоянной скорости подачи сырья и применении рассматриваемого проекта  давление и температура в верхней части колонны постепенно снижались. При охлаждении конденсированной воды увеличивается количество тепла, отводимого верхним и нижним насосом. Это приводит к улучшению качества и легкого, и тяжелого вакуумного газойля. В итоге происходит увеличение количества дорогостоящего дистиллята за счет более низкой стоимости кубовых остатков ректификации.

На рисунке 5 показаны новые условия технологического процесса при использовании временной системы охлаждения на объекте.

 

 

В таблице приведены данные о доле тяжелого вакуумного газойля (HVGO) до и после охлаждения временным чиллером. При более высоком давлении вакуума (100 мм рт. абс) общий выход дистиллятов (LVGO + HVGO) составил 40,6%.  Предполагалось, что временная  система охлаждения позволит снизить давление в вакуумной колонне до 75 мм рт. ст. абс.  В этом случае выход дистиллятов увеличится до 47,6%. При текущих скоростях подачи в колонну выход дистиллятов приведет к увеличению объема тяжелого вакуумного газойля (HVGO) на 1794 баррелей в сутки.

ТАБЛИЦА

	Подача	Тяжелый вакуумный газойль (HVGO)
		До	После
Верхнее давление на УВП [мм рт.ст.]
Температура конденсатора [°C]	161 410	65 597	76 904
Расход [кг/ч]
Выход дистиллятов
Объемный расход остатка [баррелей за экспл. сутки]	25 955	16 334	16 334
НТК	214	241	225
5	283	296	286
10	352	350	248
20	394	378	377
30	419	391	388
40	457	410	406
50	496	428	424
60	538	447	440
70	581	470	461
80	623	491	479
90	665	538	525
95	686	620	613

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Если предположить, что разница между предельной стоимостью HVGO и  составом внизу колонны составляет 10 долларов за баррель, то чистое увеличение производства дистиллятов принесет приблизительно 1 600 000 долларов за три месяца летней эксплуатации.

Проекты временного охлаждения могут повысить эффективность эксплуатации и принести дополнительную прибыль, когда сезонные температурные условия и условия загрязния технологическо оборудования ВСС не дают УВП достичь оптимального давления и температуры конденсации, либо когда руководство НПЗ хочет извлечь выгоду из краткосрочных возможностей.

Технические решения компании Аггреко по температурному контролю и системам охлаждения обеспечивают экономически выгодные для заказчика показатели, являются полностью готовыми для развертывания оборудования и его ввода в эксплуатацию. Подразделение APS, помимо аренды оборудования, также предоставляет решения, которые обеспечивают безопасность, надежность, высокую производительность и эксплуатационную гибкость. Кроме того, предоставление временной услуги может быть быстро прекращено, когда оно становится экономически нецелесообразным.

Компания Аггреко  предоставляет нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности полный спектр услуг по аренде на протяжении 25 лет. Помимо аренды оборудования, в Аггреко работают команды химиков, механиков, инженеров-электриков, которые разрабатывают комплексные инженерные проекты для аварийных ситуаций, улучшения или устранения узких мест производства. Проекты реализуются в короткие сроки — дни или недели. Разработки компании, как было показано, увеличивают производительность при одновременном сокращении времени выполнения работ и затрат.

Соотношение выгод и затрат компания Aggreko (APS) от 5:1 до  40:1 является одним из лучших в отрасли.

www.aggreko.com

Алексей Журавлев,

Менеджер по развитию бизнеса 

Нефтехимическая промышленность

M: +7 916 440 15 13, E: [email protected], E: [email protected].