FOLYAMAT INTEGRÁCIÓ ÉS OPTIMALIZÁLÁS Esettanulmányok
Naložba v vašo prihodnost Operacijo delno financira Evropska unija Evropski sklad za regionalni razvoj
Befektetés a jövőbe A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósul meg
6. feladatkör: Tájékoztatás, értesítés és a partnerség kialakítása 6.2 feladat: Tartós partnerség kialakítása a célcsoportokkal Szerzők: • Varbanov Petar Sabev • Klemeš Jiří Jaromír • Nemet Andreja Pannon Egyetem Datum revizije: 1/8/2015
Tartalom 1. Összefoglalás 2. Hulladékból nyert energia üzem 2.1. Esettanulmány: Biogáz felhasználás 2.2. Hőcserélő hálózat optimalizálása 3. Színezés köztestermékek szintézise – esettanulmány 3.1. Folyamatleírás 3.2. Az energiahatékonyság növelése 3.3. Az esettanulmány összefoglalása 4. Finomító segédközeg rendszer Felhasznált irodalom
2
3 3 3 4 5 5 6 7 8 11
1. Összefoglaló Az esettanulmány sorozat a 6. feladatkör: Tájékoztatás, értesítés és a partnerség alakítása keretében kerül kivitelezésre. Az esettanulmányok az ügyfelek és az Európai Bizottság számára elkészített ténylegesen létező esetek. Az alábbi példák kerültek bemutatásra: Hulladékból nyert energia előállítása üzem Színezék közbenső termékek előállítása üzem Olajfinomító segédközeg rendszere
2. Hulladékból nyert energia üzem 2.1. Esettanulmány: Biogáz felhasználás A üzem topológiája az 1. ábrán látható. Ez egy tipikus üzem, amely biogázt használ fel a gázmotor működtetésére, továbbá hulladékhőt is felhasználja. A gőz előállítására a vizet előmelegítik 15 °C-ről 85 °C-ra. A gőz egy részének a visszaforgatásával a víz továbbmelegítésre kerül 85 °C-ról 102 °C –ra. A gőzt a bepárlóval állítjuk elő, amelyet a kogenerációs egység kipufogógáza tartalmaz.A harmadik kogenerációs egységhez tartozó út a léghűtő, amely lehűti a kogenerációs egységet víz és glikol közeg segítségével, amelynek bemeneti hőmérséklete 58.6°C a kimeneteli pedig 56 °C.
1. Ábra: A biogázt felhasználó üzem átfogó topológiája. 3
A rendszer elemzése után azokat a folyamatáramokat azonosítottuk, amelyek részt vesznek a hőcserélő hálózatban (2. ábra). A meglévő hőcserélő hálózat (2. Ábra) elemzésével arra a megállapításre jutottunk, hogy lehetőség van a hő reaktor léghűtésének megszüntetésére, a nagyobb hővisszacsere és a gőz előállítás mennyiségének a növelésevel, amelyek a közeli vállalkozásokat és lakónegyedeket látják el. Ezt a hővisszanyerő út megléte teszi lehetővé (2. Ábra) két segédközeg összekapcsolásával.
2. ábra: a már meglévő hőcserélő hálózat a jelenlegi energia igényekkel
2.2. Hőcserélő hálózat optimalizálása A meghatározott hőcserélő hálózat optimalizálásra került annak céljából, hogy meghatározhatóvá váljanak a megnövekedett hővisszanyerés előnyei. Ez a stratégia csak a javításra összpontosított, mellőzte a topológiai változásokat és csak a segédközeg vonal lehetőségeinak a feltárása volt a cél. Az alábbi eredményeket értük el: Optimalizálás előtti előtti nyereség: 32,714.9 $/év. A nyereség a segédközegek és léghűtő költségéből és a gőz eladásából származó jövedelemből áll. Optimalizálás utáni nyereség: 55,418 $/év. Ez a eredmény a léghűtő csökkentett felhasználásából és a gőz megnövekedett értékesítéséből tevődik össze, amely összesen 69.4% -kos nyereség növekedést eredményez a beruházás értéke nélkül. A teljes megtakarítások 22,703 $/év tesznek ki. 4
A megnövekedett hőátadás nagyobb hőcsere felületet igényel a 3. és 12. számú hőcserélő esetében, amely összesen 41 m2 –rel nagyobb felületet jelent – (ezt megelőzően) egy ekvivalens hőtranszfer növelése került javaslatra ezen esettanulmányban A javasolt beruházás költsége $ 7,008. Mivel a 12. számú hőcserélő újonnan kerül a hőcserélő hálózatba, ennek a változtatásnak a fix költsége $ 3,460. A teljes beruházás értéke $ 10,468. A változtatások megtérülési ideje 0.461 év.
3. Színezékek köztes termékeinek szintézise–esettanulmány. Ebben az esettanulmányban az kerül bemutatásra, hogy az energia hatékonyság elemzésével a, színezékek köztes termékek szintézise esetében, hogyan lett jelentősen javítva a rendszer egy működési paraméterének csekély mértékű változtatásával. A bemutatott elemzés követi a hőintegrálás folyamatát, amelyet Linnhoff és mtsai (1982) fejlesztettek ki és folyamatosan számos továbbfejlesztésre került sor a későbbiekben (Friedler 2009, 2010).
3.1. Folyamatleírás A nátrium szulfát (Na2SO4) az adott üzem főterméke.Ez egy fontos hatóanyag, amelyet a textíliparban használnak. Az üzemvezetővel folytatott megbeszélés alapján a teljes üzemnek csak egy része került elemzésre, amelyet a 3. Ábrán lévő folyamatábra mutat be. Ez a rész a teljes színező gyártó üzem fűtés igényének 45% -át teszi ki. A szinező gyártó üzem 300 tonna nátrium szulfátot termel havonta. A teljes gőzigény a folyamatábrán látható résznek 10 t/óra.
3. ábra Folyamatábra a nátrium szulfát előállítására 5
3.2. A energiahatékonyság növelése Az adatkinyerés szabályait követve (Klemeš és mtsai, 2010) öt áram került a folyamatábráról. (3. Ábra). Az áramok tulajdonságai a 1. táblázatban kerültek bemutatásra. 1. táblázat. Hideg és meleg áramok a nátrium szulfát folyamatábrához kapcsolódóan.
Áram típusa és száma
szegmens
Ts (°C)
Tt (°C)
CP (kW/°C
Q (kW)
Hideg 1
1
5
100
5,82
552,19
Hideg 1
2
100
101
626,82
626,80
Hideg 2
-
49,42
51,42
500
1000
Hideg 3
-
36
40
65
260
Meleg 4
-
66
42
19,14
459,5
Meleg 5
-
66
60
166,67
1000
A 4. Ábra a jelenlegi hőcserélő hálózatot mutatja be az 1. Táblázatban szereplő folyamatáramokra. A hálózat három hővisszanyerő hőcserélőt és egy fűtőegységet foglal magába. A fűtésigény egy és része az Hidge 1 áram előmelegítésére fordítódik, a telítési hőmérséklet eléréséig és a fűtésigény másik része a gőz előállítására szolgál.
4. ábra: Hőcserélő hálózat a nátrium szulfát folyamatábrához kapcsolódóan
6
A hőméséklet különbségek a meglévő hőcserélő hálózatban analizálásra kerültek, majd a Pinch Analízist jellemző ΔTmin érték meghatározásához használtuk fel . Ez az érzékenységi elemzés kivitelezesével ΔTmin változtatásával 6°C –tól egészen 12 °C került felhasználásra. Az elért eredmények az mutatják, hogy küszöb problémát (ahol, csak egy külső segédközegre van szükség) akkor tudjuk elérni, ha a ΔTmin,küszöb = 11.5 °C. Ez az érték alatt nincs szükség külső hűtésre. A további elemzésekhez a ΔTmin = 10.2 °C érték volt kiválasztva, mely érték a küszöb érték alatt van. A kapott összetett vonal az 5. ábrán látható.
5. ábra. Összesített vonal az Na2SO4 folyamat feladatra
A hővisszanyerés és a segédközeg célkitűzése javítása érdekében, folyamat módosítások alkalmazására van lehetőség. Az egyik lehetőség az 5. folyamatáram változtatható kimeneti hőmérséklete, amely fedi a 2. folyamatáram – vákuumlepárló – hőigényét. Annak érdekében, hogy ki lehessen használni a pontenciál, további szabadságfokra is szűkség van, mégpedia a folyamat Pinch pont hőmérsékletének a csökkentésére. Ez utóbbit a vákuumlepárló nyomásával lehet befolyásolni. A szabadságfok a lepárló nyomásának csökkentése 0,12 bar-ról 0.1 bar-ra vagy kevesebbre. Ennek eredményeként a fűtés igény célkitűzése 96.7 kW-al csökken 979.5 kWról 882.8 kW-ra, továbbá nincs szűkség külső hűtésre. A lepárló nyomás csökkentése különös figyelmet igényel. Ez a változás nagyon kedvező a Pinch Analízis szempontjából, viszont megfelelő lepárló edény szerkezeti értékelése szükséges a változás megvalósíthatósága érdekében.
3.3. Az esettanulmány összefoglalása A releváns adatok a fűtés/ hűtés igény célkitűzései szempontjából kivonásra kerültek a folyamatábra és az üzem mérései alapján. A cél a jelenlegi működési feltételek és ΔTmin = 10.2 fűtés igény megegyezik a jelenlegi hőcserélő hálózat fűtésigényeinek. Ám a változtatható működési feltételek kis nyomás csökkentéssel történő figyelembevételével több mint 10% fűtésmegtakarítás lehetséges. 7
6. ábra. A rendszer kezdeti működési állapota
4. Finomító segédközeg rendszer A segédközeg rendszerek fontos részei a legtöbb folyamat nagyüzemeknek. A kogeneráció általában fontos jelllemzője az ilyen rendszereknek, különösen a gőz- vagy gázturbina szempontjából, vagy a kettő kombinációjából. A nagy folyamatok üzemeiben a üzemanyag és az áram költsége jelentős lehet és hatékonyabb kezelése jelentős költségmegtakarításhoz vezethez. Ilyen költség megtakarítás gyakran beruházás nélkül is megvalósítható a rendszer hatékonyabb napi kezelésével. Vegyük a segédközeg rendszert az 1. ábrán. Ez magába foglalja a gáz turbinát a hővisszanyerő gőz termelésével, kettő gőzkazánt, négy gőz turbinát a villamos energia előállítására és kettő közvetlen járatú gőz turbinát. Három üzemanyag áll rendelkezésre, amely a 7. Táblázatban találaható. Az üzem legfeljebb 50 MW villamos energiát tud importálni 0.045 $/kWh költségek illetve legfeljebb 10 MW vilamos energia tud exportálni 0.060 $/kWh áron. Az üzem vilamosenergia igénye 50 MW – kivéve a 24. Ábrán látható meghajtókat. További adatok az üzemmel kapcsolatosan a 8. Táblázatban találhatóak. A 9. Táblázat listázza a gőz turbina teljesítményének paramétereit. 8
A kezdeti 1. ábrán látható működési állapot optimializálásnak vetettük alá; az eredmény a 2. Ábrán látható. Az optimalizálás eredményeként a T2, T5 és a T6 turbinát kikapcsolásra került. Ezzel szemben a T3 és T4 a maximálisan meg lettek terhelve. A meghajtó gőz turbine működésben maradt. A B2 kazán terhelése a minimumra csökkent, míg a HRSG folyama maximalizálva lett. Egészében a teljes üzemen belüli villamos energia termelése 2.447 MW-tal növekedett. A villamos energia import költsége 0.9395 MM$/y-kal és az üzemanyag költsége 6.4145 MM$/y-kal csökkent. A teljes működési költség 7.3508 MM$/y-kal csökkent, ami 14% -os csökkenés a kezdeti működéshez képest. Preglednica 2. Podatki za goriva za študijo primera.
Gorivo 1
Gorivo 2
Gorivo 3
Plin
Olje
Zemeljski plin
Neto kurilna vrednost (kJ/kg)
32502,8
40245,0
46151,8
Cena ($/t)
103,41
70,82
159,96
7. ábra. A rendszer optimalizált működési állapota
9
3. táblázat. Üzemmel kapcsolatos adatok az esettanulmányra
Környezeti hőmérséklet
0C
25,00
Minimum stack hőmérséklet
0C
150,00
Gáztalanító nyomás
bar
1,01325
Kazán bemeneteli víz hőmérséklete
0C
80,00
Kondenzátum visszaforgatási aránya
(-)
0,5557
4. táblázat. Steam turbine performance parameters for the case study
10
Turbina : stage
L
A
B
(-)
MW
(-)
T1 : HP-MP
0,228
0
1,96
T1 : MP-LP-t1
0,010
0
3,15
T2 : HP-MP
2,802
0
1,82508
T2 : MP-LP-t2
0,193
0
3,15156
T3
0,429
0
1,43
T4
0,289
0
1,47
T5
0,229
0
1,46
T6
0,588
0
1,0445
DRV1
0,100
0
1,5
DRV2
0,040
0
1,53
Felhasznált irodalom Friedler F., 2009, Process integration, modelling and optimisation for energy saving and pollution reduction. Chemical Engineering Transactions, 18, 1-26. Friedler F., 2010, Process integration, modelling and optimisation for energy saving and pollution reduction. Applied Thermal Engineering, 30(16), 2270-2280. Klemeš J., Friedler F., Bulatov I., Varbanov P., 2010, Sustainability in the Process Industry – Integration and Optimization. McGraw-Hill, New York, 362 ps. Linnhoff B., Townsend D.W., Boland D., Hewitt G.F., Thomas B.E.A., Guy A.R., Marsland R.H., 1982. A user guide on process integration for the efficient use of energy. IChemE. Rugby, U.K. Varbanov, P.S., Doyle, S., Smith, R., 2004. Modelling and optimization of utility systems. Chemical Engineering Research and Design, 82 (5), 561-578.
11
