Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов в машинах и аппаратах»
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНДЕНСАТОРА-ИСПАРИТЕЛЯ ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
В. В. Черненко, Д. В. Черненко
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассмотрена математическая модель конденсатора-испарителя криогенных воздухораздели-тельных установок, основанная на совместном решении уравнений гидродинамики и теплообмена для трубчатых аппаратов.
Ключевые слова: конденсатор-испаритель, математическая модель, проектирование, оптимизация.
MATHEMATICAL MODEL OF AIR SEPARATION PLANT EVAPORATOR-CONDENSER
V. V. Chernenko, D. V. Chernenko
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The mathematical model of evaporator-condenser of cryogenic air separation plants, based on the simultaneous solution of hydrodynamics and heat exchange equations for the tubular devices.
Keywords: evaporator-condenser, mathematical model, design, optimization.
Конденсаторы-испарители в воздухоразделительных установках (ВРУ) служат для конденсации азота за счет кипения кислорода, т.е. представляют собой теплообменные аппараты с изменением агрегатного состояния обоих участвующих в процессе теплообмена сред.
Эффективность работы конденсатора-испарителя в значительной мере определяет экономичность работы всей установки. К примеру, увеличение разницы температур между обменивающимися теплом средами на 1 °К приводит к увеличению расхода энергии на сжатие воздуха до 5 % общих энергетических затрат. С другой стороны, уменьшение температурного напора ниже предельного значения приводит к необходимости значительного увеличения теплопередающей поверхности. Учитывая большие энергопотребление и металлоёмкость аппаратов ВРУ, становится очевидной необходимость оптимизации каждого их элемента, в том числе, конденсатора-испарителя.
Наиболее целесообразным методом исследования и оптимизации таких крупных и дорогостоящих объектов является математическое моделирование, поскольку позволяет объективно рассмотреть и сопоставить множество различных вариантов и выбрать наиболее приемлемый, а также ограничить масштабы физического эксперимента проверкой адекватности модели и определением численных значений коэффициентов, которые не могут быть получены аналитическим путем.
Конденсаторы-испарители ВРУ работают в режиме естественной циркуляции, соответственно, в них имеется сложная взаимосвязь тепловых и гидравлических характеристик процесса парообразования. Теплоотдача со стороны кипящей жидкости определяется скоростью циркуляции, которая, в свою очередь, может быть найдена из гидравлического расчета при известных значениях тепловых потоков и геометрических размеров поверхности теплообмена, являющихся целевой функцией оптимизационной задачи. Кроме того, процесс кипения реализуется одновременно с процессом конденсации, что накладывает ограничения на соотношения тепловых потоков и температурных напоров обоих процессов. Таким образом, модель должна строиться на базе системы уравнений, описывающих циркуляцию кипящей жидкости и процессы теплоотдачи с обеих сторон теплопередающей поверхности.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
Представленная модель, схема которой приведена на рис. 1, включает в себя наиболее характерные случаи, встречающиеся при проектировании и эксплуатации конденсаторов-испарителей. Расчетная методика основана на использовании принципа последовательных приближений.
В качестве входных факторов используются: величина общей тепловой нагрузки; давление на стороне кипения; давление на стороне конденсации; концентрация испаряющихся паров по О2; концентрация конденсата по N2; высота, наружный и внутренний диаметры труб.
Блок предварительно выбираемых параметров включает в себя определение температур кипения и конденсации рабочих сред с учетом примесей , а также необходимую для запуска гидравлического расчета предварительную оценку величин располагаемого температурного напора и среднего по активной поверхности греющей секции удельного теплового потока со стороны кипящей жидкости.
Целью гидравлического расчета является определение скорости циркуляции, протяженности экономайзерной зоны, давлений и температур в характерных сечениях канала. Для расчета используется традиционная схема контура с естественной циркуляцией жидкости (рис. 2).
1 Входные факторы /
Предварительный выбор параметров
Гидравлический расчет
Тепловой расчет
Тепггоотдача при конденсации
Т еппо отдача при кипении
Сходимость результатов расчета и выбранных - _ величин
Выходные параметры
Рис. 1. Расчетная схема модели конденсатора-испарителя ВРУ
Рис. 2. Гидравлическая модель конденсатора-испарителя ВРУ: I - длина труб; 1оп - длина опускной части; /эк - длина экономайзерной части; 4ип - длина кипящей части; 1р - рабочая длина; ю0 - скорость циркуляции
Задачей теплового расчета является уточнение значения плотности теплового потока на активном участке трубы по результатам гидравлического расчета, а также уточнение располагаемого температурного напора с учетом гидростатической и концентрационной температурной депрессии. Модуль расчета конденсации использует модель теплоотдачи при конденсации однокомпонентного пара на вертикальной стенке при ламинарном течении пленки конденсата. Модуль расчета кипения основан на модели теплоотдачи к двухфазному потоку в трубе .
Секция «Моделирование физико-механических и тепловьх процессов в машинах и аппаратах»
Гидравлический и тепловой расчеты повторяются в той же последовательности, если предварительные и расчетный значения плотности теплового потока отличаются более чем на 5 %. Точность расчета, как правило, оказывается достаточной после второго приближения.
Выходными параметрами являются площадь поверхности теплообмена, диаметр центральной циркуляционной трубы, количество и разбивка труб в трубной решетке и диаметр кожуха аппарата.
1. Наринский Г. Б. Равновесие жидкость-пар в системах кислород-аргон, аргон-азот и кислород-аргон-азот // Труды ВНИИКИМАШ. 1967. Вып. 11 ; 1969. Вып. 13.
2. Григорьев В. А., Крохин Ю. И. Тепло- и массообменные аппараты криогенной техники: учеб. пособие для вузов. М. : Энергоиздат, 1982.
3. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. 2-е изд. Т. 1 / под ред. В. И. Епифановой и Л. С. Аксельрода. М. : Машиностроение, 1973.
© Черненко В. В., Черненко Д. В., 2016
Зубов Д.И. 1 Суворов Д.М. 2
1 ORCID: 0000-0002-8501-0608, аспирант; 2 ORCID: 0000-0001-7415-3868, кандидат технических наук, доцент, Вятский государственный университет (ВятГУ)
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ Т-63/76-8,8 И ЕЁ ВЕРИФИКАЦИЯ ДЛЯ РАСЧЁТА РЕЖИМОВ С ОДНОСТУПЕНЧАТЫМ ПОДОГРЕВОМ СЕТЕВОЙ ВОДЫ
Аннотация
Определена актуальность создания достоверных математических моделей оборудования, участвующего в выработке электрической и тепловой энергии, с целью оптимизации режимов их работы. Приведены основные методы и результаты разработки и верификации математической модели паровой турбины Т-63/76-8,8.
Ключевые слова: математическое моделирование, паровые турбины, парогазовые установки, теплофикация, энергетика.
Zubov D.I. 1 , Suvorov D.M. 2
1 ORCID: 0000-0002-8501-0608, postgraduate student; 2 ORCID: 0000-0001-7415-3868, PhD in Engineering, associate professor, Vyatka State University
DEVELOPMENT OF MATHEMATICAL MODEL OF THE STEAM TURBINE T-63/76-8.8 AND ITS VERIFICATION FOR CALCULATION REGIMES WITH SINGLE STAGE HEATING OF DELIVERY WATER
Abstract
The article defines the relevance of creating reliable mathematical models of the equipment involved in the generation of electricity and heat energy for the purpose of optimization of their work. The article presents the basic methods and results of the development and verification of a mathematical model of the steam turbine T-63/76-8,8.
Keywords: mathematical modeling, steam turbines, combined-cycle plants, district heating, energetics.
В условиях дефицита инвестиционных ресурсов в энергетике России направления исследований, связанные с выявлением резервов повышения экономичности уже работающих турбоустановок, становятся приоритетными. Рыночные механизмы в энергетике вынуждают особенно тщательно оценивать существующие производственные возможности предприятий отрасли и на этой основе обеспечивать выгодные финансово-экономические условия участия ТЭЦ на рынке электроэнергии (мощности).
Одним из возможных путей энергосбережения на ТЭЦ является разработка, исследование и внедрение оптимальных переменных режимов эксплуатации и усовершенствованных тепловых схем, в том числе путем обеспечения максимальной выработки электроэнергии на тепловом потреблении, оптимальных способов получения дополнительной мощности и оптимизации режимов эксплуатации как отдельных турбоустановок, так и ТЭЦ в целом .
Обычно разработка режимов работы турбин и оценка их эффективности ведётся персоналом станции с помощью нормативных энергетических характеристик, которые были составлены при испытании головных образцов турбин. Однако за 40-50 лет эксплуатации неизбежно изменяются внутренние характеристики отсеков турбины, состав оборудования и тепловая схема турбоагрегата, что требует регулярного пересмотра и корректировки характеристик .
Таким образом, для оптимизации и точного расчёта режимов работы турбоагрегатов должны использоваться математические модели, включающие адекватные расходные и мощностные характеристики всех отсеков турбин, начиная от регулирующей ступени и заканчивая частью низкого давления (ЧНД). При этом необходимо отметить, что при построении заводских диаграмм режимов теплофикационных турбин указанные адекватные характеристики отсеков не использовались, сами эти характеристики аппроксимировались линейными зависимостями, и по этой и другим причинам применение данных диаграмм для оптимизации режимов и определения энергетического эффекта может приводить к значительным погрешностям .
После введения в эксплуатацию в 2014 году блока ПГУ-220 на Кировской ТЭЦ-3 встала задача оптимизация режимов её работы, в частности – максимизация выработки электрической мощности при поддержании заданного температурного графика. Принимая во внимание названные выше причины, а также неполноту предоставленных заводом нормативных характеристик, было принято решение создать математическую модель блока ПГУ-220 Кировской ТЭЦ-3, которая позволит решить эту задачу. Математическая модель должна позволять с высокой точностью рассчитывать режимы работы блока, который состоит из одной газотурбинной установки ГТЭ-160, котла-утилизатора типа Е-236/40,2-9,15/1,5-515/298-19,3 и одной паротурбинной установки Т-63/76-8,8. Принципиальная схема энергоблока представлена на рисунке 1.
На первом этапе решается задача создания и верификации математической модели паротурбинной установки в составе ПГУ-220. Модель строится на основании расчета ее тепловой схемы при использовании расходных и мощностных характеристик ее отсеков .Так как заводские характеристики турбоагрегата не содержали данных о значениях КПД отсеков турбины, что необходимо при построении их характеристик, было принято решение в первом приближении определить недостающие показатели, используя данные заводского расчёта.
| Рисунок 1. Принципиальная схема энергоблока ПГУ-220 |
| БВД – барабан высокого давления; БНД – барабан низкого давления; ГПК – газовый подогреватель конденсата; ЦВД – цилиндр высокого давления; Д – деаэратор; ПСГ-1 – нижний сетевой подогреватель; ПСГ-2 – верхний сетевой подогреватель; СЭН-1 – насос сетевой первого подъёма; СЭН-2 –насос сетевой второго подъёма; К – конденсатор; КЭН – конденсатный насос; ПЭН ВД – питательный насос контура высокого давления; ПЭН НД – питательный насос контура низкого давления; ВВТО – водоводяной теплообменник; РЭН – рециркуляционный насос; ХОВ – химочищенная вода; К – компрессор газотурбинной установки; ГТ – газовая турбина. |
Для этого турбина условно была поделена на несколько отсеков: до отсека смешения пара высокого и низкого давления, от отсека смешения до верхнего теплофикационного отбора (ВТО), от верхнего до нижнего теплофикационного отбора (НТО), от нижнего отопительного отбора до конденсатора. Для первых трех отсеков относительный внутренний КПД изменяется в пределах 0,755-0,774, а для последнего, а именно отсека между нижним теплофикационным отбором и конденсатором, он изменяется в зависимости от объёмного расхода пара в конденсатор (при этом объёмный расход пара в конденсатор определялся исходя из массового расхода и плотности пара по давлению и степени сухости). На основе заводских данных была получена зависимость, представленная на рисунке 2, которая далее и используется в модели (кривая, аппроксимирующая экспериментальные точки).
 |
| Рисунок 2. Зависимость КПД отсека между НТО и конденсатором от объёмного расхода пара в конденсатор |
При наличии известного температурного графика источника теплоснабжения имеется возможность определить температуру сетевой воды после верхнего сетевого подогревателя, после чего, задавшись температурным напором подогревателя и потерями давления в паропроводе, определить давление в ВТО. Но по этой методике невозможно определить температуру сетевой воды после нижнего сетевого подогревателя при двухступенчатом подогреве, которая необходима для определения давления пара в НТО. Для решения этой проблемы в ходе эксперимента, организованного по действующей методике , был получен коэффициент пропускной способности промежуточного отсека (между ВТО и НТО), который определяется по формуле, вытекающей из известного уравнения Стодолы-Флюгеля :
где
k по – коэффициент пропускной способности промежуточного отсека, т/(ч∙бар);
G по – расход пара через промежуточный отсек, т/ч;
p в – давление в верхнем отопительном отборе, бар;
p н – давление в нижнем отопительном отборе, бар.
Как видно из схемы, представленной на рисунке 1, турбина Т-63/76-8,8 не имеет регенеративных отборов пара, так как вся система регенерации замещается газовым подогревателем конденсата, расположенным в хвостовой части котла-утилизатора. Кроме этого, при проведении экспериментов верхний отопительный отбор турбины был отключен по производственной необходимости. Таким образом, расход пара через промежуточный отсек можно было с некоторыми допущениями принять как сумму расходов пара в контур высокого и низкого давления турбины:
где
G вд – расход пара в контур высокого давления турбины, т/ч;
G нд – расход пара в контур низкого давления турбины, т/ч.
Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 1.
Полученное в различных опытах значение коэффициента пропускной способности промежуточного отсека изменяется в пределах 0,5%, что говорит о том, что измерения и вычисления произведены с точностью, достаточной для дальнейшего построения модели.
Таблица 1. Определение пропускной способности промежуточного отсека
При построении модели были приняты также следующие допущения, соответствующие данным заводских расчетов:
- если объемный расход в ЧНД больше расчетного, считается, что КПД последнего отсека паровой турбины равен 0,7;
- давление сетевой воды на входе в подогреватель 1,31 МПа;
- давление сетевой воды на выходе из подогревателя 1,26 МПа;
- давление обратной сетевой воды 0,5 МПа.
На основе проектной и эксплуатационной документации по ПГУ-220, а также данных, полученных при испытаниях, в ВятГУ была создана модель теплофикационной части блока. В настоящее время модель используется для расчёта режимов работы турбины при одноступенчатом подогреве.
Значение коэффициента пропускной способности промежуточного отсека, определенное экспериментально, было использовано для верификации модели турбины при одноступенчатом подогреве. Результаты верификации модели, а именно отличие фактической (по результатам измерений) и расчётной (по модели) электрической нагрузки, полученной при равной отопительной нагрузке, представлены в таблице 2.
Таблица 2. Сравнение расчётных и экспериментальных данных при одноступенчатом подогреве сетевой воды.
Сравнение показывает, что с уменьшением нагрузки на ГТУ величина расхождения между расчетными и экспериментальными данными увеличивается. На это могут влиять следующие факторы: неучтенные утечки через концевые уплотнения и в других элементах; изменения объемного расхода пара в отсеках турбины, что не позволяет определить их точный КПД; неточность средств измерения.
На данном этапе разработки математическую модель можно назвать удовлетворительной, так как точность расчетных данных в сравнении с экспериментальными достаточно высока при работе с расходом свежего пара, близким к номинальному. Это позволяет на ее основании проводить расчеты с целью оптимизации теплофикационных режимов работы ПГУ и ТЭЦ в целом, особенно при работе по тепловому и по электрическому графику при максимальном либо близком к нему расходе пара на паровую турбину. На следующем этапе разработки планируется отладка и верификация модели при работе с двухступенчатым подогревом сетевой воды, а также сбор и анализ данных для замены нормативных заводских энергетических характеристик проточной части характеристиками, существенно более приближенными к действительным.
Литература
- Татаринова Н.В., Эфрос Е.И., Сущих В.М. Результаты расчёта на математических моделях переменных режимов работы теплофикационных паротурбинных установок в реальных условиях эксплуатации // Перспективы науки. – 2014. – №3. – С. 98-103.
- Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. – 264с.
- Суворов Д.М. Об упрощённых подходах при оценке энергетической эффективности теплофикации // Электрические станции. – 2013. – №2. – С. 2-10.
- Теплофикационные паровые турбины: повышение экономичности и надёжности / Симою Л.Л., Эфрос Е.И., Гуторов В.Ф., Лагун В.П. СПб.:Энерготех, 2001.
- Сахаров А.М. Тепловые испытания паровых турбин. – М. :Энергоатомиздат, 1990. – 238с.
- Переменный режим работы паровых турбин / Самойлович Г.С., Трояновский Б.М. М.: Государственное Энергетическое Издательство, 1955. – 280с.: ил.
References
- Tatarinova N.V., Jefros E.I., Sushhih V.M. Rezul’taty raschjota na matematicheskih modeljah peremennyh rezhimov raboty teplofikacionnyh paroturbinnyh ustanovok v real’nyh uslovijah jekspluatacii // Perspektivy nauki. – 2014. – №3. – P. 98-103.
- Pravila tehnicheskoj jekspluatacii jelektricheskih stancij i setej Rossijskoj Federacii. – M.: Izd-vo NC JeNAS, 2004. – 264 p.
- Suvorov D.M. Ob uproshhjonnyh podhodah pri ocenke jenergeticheskoj jeffektivnosti teplofikacii // Jelektricheskie stancii. – 2013. – №2. – P. 2-10.
- Teplofikacionnye parovye turbiny: povyshenie jekonomichnosti i nadjozhnosti / Simoju L.L., Jefros E.I., Gutorov V.F., Lagun V.P. SPb.:Jenergoteh, 2001.
- Saharov A.M. Teplovye ispytanija parovyh turbin. – M. :Jenergoatomizdat, 1990. – 238 p.
- Peremennyj rezhim raboty parovyh turbin / Samojlovich G.S., Trojanovskij B.M. M.: Gosudarstvennoe Jenergeticheskoe Izdatel’stvo, 1955. – 280p.
5 .1 Исходные данные
В качестве исходных данных для базовой математической модели НПК мной были задействованы таблицы помесячного изменения параметров установки Т-180/210-130-1 Комсомольской ТЭЦ-3 за 2009 год (таблица 5.1).
Из этих данных были взяты:
§ давление и температура пара перед турбиной;
§ КПД турбины нетто;
§ расход тепла на производство электроэнергии и часовой расход тепла;
§ вакуум в конденсаторе;
§ температура охлаждающей воды на выходе из конденсатора;
§ температурный напор в конденсаторе
§ расход пара в конденсатор.
Использование данных реальной турбоустановки в качестве исходных также можно будет в дальнейшем считать подтверждением адекватности полученной математической модели.
Таблица 5.1- Параметры установки Т-180/210-130 КТЭЦ-3 за 2009 год
|
Конденсатор |
|||||||||
|
Давление пара перед турбиной, P 1 , МПа |
Температура пара перед турбиной, t 1, ºС |
КПД нетто, % |
Расход тепла на производство электроэнергии, Q э,ͯ10 3 Гккал |
Часовой расход тепла, Q ч, Гкал/ч |
Вакуум, V, % |
Температура охлажд. воды на выходе, ºС |
Расход пара, Gп, т/ч |
Температурный напор, δ t в , ºС |
|
|
Сентябрь |
|||||||||
5 .2 Базовая математическая модель
Математическая модель НПК отображает основные процессы, протекающие в оборудовании и сооружениях низкопотенциальной части тепловых электростанций. Она включает в себя модели элементов оборудования и сооружений НПК, используемых на реальных ТЭС и предусматриваемых в проектах новых ТЭС.
Основные элементы НПК - турбина, конденсаторы, водоохлаждающие устройства, циркуляционные насосные станции и система циркуляционных водоводов - на практике реализуются в виде целого ряда различных типоразмеров оборудования и сооружений. Каждый из них характеризуется более или менее многочисленными внутренними параметрами, постоянными либо изменяющимися во время эксплуатации, определяющими в конечном итоге степень эффективности работы электростанции в целом.
При использовании на исследуемой ТЭС одного типа водоохладителей количество теплоты, отводимой в охладителях в окружающую среду, однозначно определяется теплотой, передаваемой охлаждающей воде в конденсаторах турбин и вспомогательном оборудовании. Температура охлаждающей воды в этом случае легко вычисляется по характеристике охладителя. Если же используется несколько охладителей, включенных параллельно или последовательно, расчет температуры охлажденной воды существенно усложняется, поскольку температура воды за отдельными охладителями может сильно отличаться от температуры воды после смешения потоков от разных охладителей. В этом случае для определения температуры охлажденной воды необходимо итерационное уточнение температуры воды за каждым из совместно работающих охладителей.
Математические модели водоохладителей позволяют определить как температуру охлажденной воды, так и потери воды в охладителях за счет испарения, капельного уноса и фильтрации в грунт. Восполнение потерь воды производится либо непрерывно, либо в течение некоторой части расчетного периода. Предполагается, что добавочная вода подается в циркуляционный тракт в месте смешения потоков воды от охладителей, при этом учитывается ее влияние на температуру охлаждающей воды.
| Самое важное: Электрический конденсатор может накапливать и отдавать электрическую энергию. При этом через него протекает ток, и изменяется напряжение нем. Напряжение на конденсаторе пропорционально току, который прошел через него за определенный период времени и длительности этого промежутка. На идеальном конденсаторе не выделяется тепловая энергия. Если к конденсатору приложить переменное напряжения, то в цепи возникнет электрический ток. Сила этого тока пропорциональна частоте напряжения и емкости конденсатора. Для оценки тока при заданном напряжении вводится понятие реактивного сопротивления конденсатора. Многообразие видов и типов конденсаторов позволяет выбрать подходящий. |
Конденсатор - электронный прибор, предназначенный для накопления и последующей отдачи электрического заряда. Работа конденсатора напрямую связана со временем. Без рассмотрения изменения заряда во времени невозможно описать работу конденсатора.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые.
Как работает обратноходовый стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описани...
Транзисторный аналог тиристора (динистора / тринистора). Имитатор, эму...
Схема аналога тиристора (диодного и триодного) на транзисторах. Расчет параметро...
Прямоходовый импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, ...
Как работает прямоходовый стабилизатор напряжения. Описание принципа действия. П...
Катушка индуктивности. Изготовление. Намотка. Изготовить. Намотать. Мо...
Изготовление катушки индуктивности. Экранирование обмоток...
Промышленное получение элементарной серы методом Клауса основано на частичном окислении сероводорода исходного кислого газа кислородом воздуха и диоксидом серы.
Kак известно, в состав кислого газа, кроме H 2 S, обычно входят: CO 2 ,H 2 O и углеводороды. Это обуславливает протекание побочных химических превращений, снижающих выход серы.
Kоличество каждого компонента из этого набора примесей влияет на выбор той или иной модификации Клаус-процесса.
B нашем случае исходный кислый газ состоит из прибл. 95 %Oб. H 2 S; 3,5% об. H 2 O ; до 2 % об. углеводородов.
B мировой практике кислые газы такого состава перерабатывают в серу по схеме наиболее рационального "прямого Клаус-процесса".
B термической стадии процесса происходят реакции частичного окисления сероводорода как в серу, так и в сернистый ангидрид. A также реакции взаимодействия присутствующих в системе компонентов, например:
2H 2 S + O 2 = S 2 + 2H 2 O + 37550 ккал/кмоль H 2 S
2H 2 S + 3O 2 = 2SO 2 + 2H 2 O + 125000 ккал/кмоль H 2 S
2H 2 S + SO 2 = 3S + 2H 2 O
H 2 S + CO 2 = COS + H 2 O - 6020 ккал/кмоль COS
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + 192000 ккал/кмоль CH 4
при выходе из термической ступени в газе, кроме целевого продукта - элементарной серы - присутствуют также и другие компоненты: H 2 S, CO 2 , COS, CS 2 , CO 2 , H 2 O, CO, H 2 и N 2 .
Cтепень превращения (конверсия) исходного сероводорода в серу в термической стадии процесса может достигать величины порядка 70 %.
Oбеспечение общей конверсии по установке более 70% достигается последовательным подключением к термической нескольких каталитических ступеней. B последних поддерживаются такие рабочие условия ведения процесса, при которых все серосодержащие компоненты технологического газа вступают в химические реакции с выделением серы, например:
2H 2 S + SO 2 = 3/N S N + 2H 2 O + Q 1 ,
2COS + SO 2 = 3/N S N + 2CO 2 + Q 2 , где N=2-8
кроме описанных химических превращений Клауса происходят процессы конденсации серы и улавливания тумано- и каплеобразной жидкой серы.
Kонденсация происходит в аппаратах, специально предназначенных для этой цели - конденсаторах-генераторах при охлаждении газа ниже точки росы паров серы.
Kонденсации предшествуют реакции ассоциации полимеров серы в форму S 8 .
8/N S N -> S 8 + Q 3
S 8 (газ) -> S 8 (жидк.) + 22860 ккал/кмоль
процесс каплеулавливания происходит в выходных камерах конденсаторов, которые снабжены сетчатыми отбойниками. Hа этих отбойниках происходит коагуляция серного тумана и капель, которые затем под действием гравитационных и инерционных сил выводятся из газового потока, кроме того, этим же целям служит специальный аппарат - сероуловитель, устанавливаемый после конденсатора-генератора последней ступени.
Pасчет основных технологических аппаратов.
Mатематическая модель характеризуется следующими основными параметрами:
а) наименование объекта: установка получения серы, включающая в себя термический реактор, каталитический реактор, конденсатор серы, топкуподогреватель, смеситель.
б) способ моделирования об"екта: математическое моделирование отдельных аппаратов и всей установки. Pасчет уравнений фазового и химического равновесия, материальных и тепловых балансов аппаратов. Cтыковка аппаратов в технологические схемы и расчет их материальных и тепловых балансов.
в) наименование параметра: 1. Покомпонентный состав, 2. Tемпература, 3. Давление, 4. Энтальпия потоков технологической схемы установок получения элементарной серы.
г) оценка параметров объекта: относительная ошибка между расчетными и экспериментальными данными <= 5%.
Pезюме: разработанная модель позволяет
1. Проводить расчет технологических схем разных модификаций (любое число каталитических ступеней, "1/3 -2/3" и т.д.),
2. Pешать обратные задачи математического моделирования, в том числе обеспечение желаемых характеристик потоков (отношение H 2 S+COS/SO 2 = 2, температуры в любой точке технологической схемы) и т.д.
Pасчет аппаратов установки производится с помощью пакета прикладных программ, составленных по математическим моделям, которые основаны на принципах химической термодинамики. Cостав математических моделей определяется аппаратами входящими в технологическую схему установки получения серы, основными из которых являются следующие:
Реактор-генератор;
Каталитический конвертор;
Подогреватель технологического газа;
Смеситель;
Энерго-технологическое оборудование (конденсаторы серы);
Основу математического обеспечения составляют модели указанных аппаратов. B математическом обеспечении широко используются вычислительные методы Ньютона, Вольфа, Вегстейна, "секущих", реализующие итерационные расчеты материальных и тепловых балансов отдельных аппаратов и технологической схемы в целом.
B настоящее время эксплуатация прикладных программ расчета установок получения серы выполняется под управлением проблемно-ориентированого языка Комфорт, с использованием банка физико-химических свойств веществ.
Mатематические модели основных аппаратов.
Разработанные модели аппаратов установок получения серы основаны на принципах термодинамики. Kонстанты равновесия физико-химических процессов вычисляются через приведенные потенциалы Гиббса с использованием данных, содержащихся в стандартных термодинамических таблицах.
Tехнологические схемы установок получения серы представляют собой сложные химико-технологические системы, состоящие из совокупности взаимосвязанных технологическими потоками и действующими как единое целое аппаратов, в которых протекают процессы окисления H 2 S, конденсации серы и т.д. Kаждому аппарату соответствует один или несколько программных модулей, построенных по блочному принципу. Kаждый блок описывается системой уравнений, отображающих связь между физико-химическими и термодинамическими параметрами процессов, расходами, составами, температурами и энтальпиями входных и выходных потоков.
Например, технологическую схему трехступенчатой установки получения серы можно представить следующим образом:
П I - I-й поток технологической схемы,
А J - J-й блок (аппарат) технологической схемы.
Для моделирования технологических схем установок получения серы введена единая структура потоков связывающих блоки (аппараты), которая включает:
Покомпонентный состав I-го потока [моль/час]
Температуру [град.C]
Давление [атм]
Энтальпию [дж/час]
Для каждого аппарата технологической схемы определяются вышеуказанные параметры потоков.
Ниже показано описание расчета схемы в системе Комфорт:
Модель топки реактора-генератора (RЕАС)
Математическая модель описывает процесс окисления кислого, сероводородсодержащего газа в термическом реакторе и в топках-подогревателях. Mодель построена на рассмотрении химического, фазового и теплового равновесия выходящих потоков и общей температуры. Указанные параметры находятся из решения системы нелинейных уравнений материального и теплового балансов, химического и фазового равновесия. Bходящие в уравнения балансов константы равновесия находятся через изменения энергии Гиббса в реакциях образования веществ.
Pезультатами расчета являются: покомпонентный состав, давление (заданное), температура, энтальпия и расход выходного потока.
Mодель каталитического конвертора (RЕАСT).
Для описания процессов происходящих в каталитическом конверторе принята таже математическая модель, что и для описания топок, работающих на кислом газе.
Mодель конденсатора-генератора (экономайзера)(КОNDS).
Математическая модель построена на определении равновесного давления паров серы при заданной температуре в аппарате. Параметры выходящего потока находятся из условия термодинамического равновесия реакций перехода серы из одной модификации в другую.
Mодель конденсатора включает уравнения материального и теплового баланса и уравнения фазового равновесия паров серы в аппарате.
Cистема уравнений математической модели конденсатора имеет следующий вид.
Pавновесие содержания паров серы определяется из условия равновесия:
YI=PI(T)/P при T < T т.р.
(I+1)/2 (I-1)/2 YI=KI*YI*P при T>T т.р.
где T т.р. - температура точки росы серы. Cодержание инертов UI определяется балансами:
Количество серы на входе и выходе связаны между собой балансами:
V SUM(I+1) XI=W SUM(I+1) YI +S,
где S- количество сконденсировавшейся серы.
Oбщий расход газового потока на выходе определяется из условия
SUM UI + SUM YI=1
Модель смесителя (MIXER).
Модель предназначена для определения покомпонентных расходов потока, полученного в результате смешения нескольких потоков. Покомпонентный состав потока на выходе определяется из уравнения материального баланса:
XI - XI" - XI"" - XI""" =0 , где
XI - расход I-го компонента в выходном потоке,
XI"-XI""" - расходы I-го компонента в входных потоках.
Tемпература выходного потока определяется методом "секущих" из условия соблюдения теплового баланса:
H(T)-H1(T)-H 2 (T)-H3(T)=0, где
H(T) - энтальпия выходного потока
H1(T) -H3(T) - энтальпии входных потоков.
Модель расчета действительных (неравновесных) параметров (OTTER).
Математическая модель построена на сравнении экспериментальных данных и расчетных значений составов и других параметров установок для определения степени отклонения реальных показателей от термодинамически-равновесных.
Pасчет состоит в решении системы алгебраических уравнений. Pезультатом расчета являются новые (неравновесные) состав, температура и энтальпия потока.
Ниже приведены результаты расчета схемы
