вступ
У промисловому виробництві газу установка поділу повітря (ASU) є основною частиною обладнання, яке в основному використовується для відділення та утилізації таких газів, як кисень, азот і аргон, з повітря. У зв’язку зі зростанням вартості енергії та цілями «подвійного вуглецю» підвищення енергоефективності ASU стало ключовим напрямком для галузі. У недавньому дослідженні на прикладі кріогенної установки поділу повітря продуктивністю 60 000 Нм³/год на конкретному заводі використовувалося програмне забезпечення Aspen Plus для моделювання та оптимізації процесу, досягнення значної економії енергії та економічних вигод, забезпечуючи цінне прикладне дослідження для галузі.
Принцип роботи кріогенних установок поділу повітря
Процес кріогенного поділу повітря в основному відокремлює газові компоненти від повітря за допомогою таких етапів, як стиснення повітря, попереднє охолодження, теплообмін і дистиляція. Повітря спочатку стискається й охолоджується за допомогою компресора, а потім глибоко-охолоджується приблизно до -170 градусів за допомогою розширювача. Потім кисень і азот розділяються в дистиляційних колонах високого- та низького тиску.
Верхня та нижня вежі незалежні, але з’єднані трубопроводами: вежа високого-тиску підтримує приблизно 0,55 МПа, а вежа низького{2}}тиску — приблизно 0,14 МПа. Газ конденсується у верхній частині вежі, утворюючи рідкий азот, частина якого продовжує надходити у верхню вежу для подальшої дистиляції, утворюючи газоподібний азот високої-чистоти або продукти рідкого азоту.
Споживання енергії в цьому процесі в основному зосереджено на стадіях стиснення, охолодження та дистиляції. Таким чином, оптимізація теплового навантаження та параметрів подачі є ключем до підвищення енергоефективності.
Роль імітаційного моделювання в оптимізації процесів
Дослідницька група використала Aspen Plus для створення цифрової моделі блоку поділу повітря, що охоплює ключове обладнання агрегату, таке як компресори, теплообмінники, насоси та дистиляційні колони. Порівняння результатів моделювання з проектними специфікаціями показало, що похибка моделі була в межах 1%, демонструючи її високу точність і потенціал для-перевірки енергозбереження та оптимізації параметрів. Аналіз моделювання зосереджувався на чотирьох ключових факторах:
Розташування корму
Потік корму
Робочий тиск ректифікаційної колони
Температура подачі
Ці параметри разом впливають на теплове навантаження над головою башти, вихід рідкого азоту та чистоту, і таким чином визначають загальну енергоефективність системи.
Вплив параметрів процесу на енергозбереження
Розташування корму
Підтримуючи інші умови незмінними, дослідження показало, що встановлення місця подачі на лоток 33 призвело до найнижчого та найстабільнішого теплового навантаження над головою башти, що робить її оптимальною точкою подачі.
Потік корму
Збільшення швидкості потоку живлення збільшує вихід рідкого азоту, але знижує чистоту. Коли швидкість подачі нижньої колони регулюється на рівні 804 кмоль/год, вихід можна збільшити, зберігаючи чистоту азоту (99,999%).
Контроль температури
Температура подачі позитивно корелює зі швидкістю потоку рідкого азоту, але надмірно високі температури можуть впливати на відділення кисню та аргону, тоді як надмірно низькі температури збільшують споживання енергії. Дослідження показало, що оптимальна робоча температура -173 градуси.
Регулюючи ці параметри, блок поділу повітря може досягти більшої продуктивності, зберігаючи те саме споживання енергії, досягаючи мети «збереження енергії та підвищення ефективності».
Практичне застосування та аналіз економічної вигоди
Це оптимізаційне рішення було впроваджено на газовому заводі в 2022 році. Результати показали, що завод може стабільно працювати на 120% номінального навантаження, значно підвищуючи виробництво:
Виробництво азоту зросло на 450 кмоль/год;
Виробництво рідкого азоту середнього{0}}тиску зросло на 625 кмоль/год;
Виробництво рідкого азоту під -низьким тиском зросло на 281 кмоль/год.
У той же час теплове навантаження дистиляційної колони зменшилося на 7,48%, заощадивши приблизно 721 000 юанів щорічних витрат на електроенергію. Виходячи з ринкових цін, загальна річна економічна вигода досягла приблизно 4,6 мільйона юанів. Це досягнення демонструє значну цінність оптимізації процесу для промислових виробників газу.
Висновки та наслідки для галузі
Це дослідження демонструє науковий підхід і практичні результати оптимізації -енергозбереження в кріогенних установках поділу повітря. Розширене програмне забезпечення для моделювання, таке як Aspen Plus, дозволяє завчасно прогнозувати продуктивність системи на етапі проектування процесу, зменшуючи витрати на спроби-і-помилки.
Для виробників газу така оптимізація цифрового процесу має три ключові наслідки:
Прийняття-рішень-на основі симуляції: імітаційні моделі дозволяють візуалізувати процеси та динамічний аналіз. Енергозбереження та прибутковість йдуть рука об руку: оптимізація процесів не тільки зменшує споживання енергії, але й безпосередньо збільшує виробництво та прибуток.
Тенденції екологічного виробництва. У зв’язку з посиленням глобальної політики щодо скорочення викидів вуглецю галузь розділення повітря має продовжувати просувати-енергозберігаючі перетворення та інтелектуальне оновлення.
У майбутньому напрямок оптимізації кріогенних повітророзділювачів буде додатково інтегрований з прогнозованим керуванням штучного інтелекту, цифровими подвійними системами та інтегрованим проектуванням EPC для досягнення повного життєвого циклу управління енергоефективністю від проектування до експлуатації.
