بخش های برجسته مقاله
1- یک مدل برای سیستم تولید بخار برای تحلیل نیروگاه برق از نوع بخاری موجود در یک پالایشگاه معرفی شده است.
2- برای افزایش کارایی سایت(محل)، استراتژی‌های بهینه سازی و بازجور سازی به حساب آورده شده اند.
3- بهترین نوع بهره گیری از انرژی با استفاده از بهینه سازی، مشخص شده است.
خلاصه
یک مدل ریاضی جامع برای بهینه‌سازی عملی و بازجورسازی سیستمهای تولید بخار صنعتی معرفی شده است(توسعه داده شده است). مشکل حداکثر سازی کاهش هزینه، که توسط تفاوت هزینه های عملیاتی سالیانه منهای هزینه سرمایه گذاری انجام شده در یک سال برای بازجورسازی، به صورت یک برنامه غیرخطی با عدد صحیح مختلط (MINLP) بر پایه جمع‌آوری مدلهای واحد، فرمول‌بندی شده است. نیروگاههای برق بخاری پالایشگاه های نفت سنتی، بر اساس فرمول بندی MINLP ارائه شده، تحلیل و بازجورسازی شده اند. ابتدا شرایط کاری برای فهمیدن اینکه آیا راهی برای به‌سازی، بدون اصلاح واحدها یا طرح اولیه موجود وجود دارد، بهینه شده‌اند. پس از آن، امکانهای موجود برای بازجورسازی توربین‌های بخار داخلی یا طرح اولیه به جهت افزایش راندمان تجهیزات بخار درنظر گرفته شده اند. نهایتا روش های عملی(امکان‌پذیر) برای تشویق به یکپارچه سازی بخار کل سایت که در آن، اجکتور بخار برای بالا بردن بخار کم فشار وارده برای ورود مستقیم به داخل انشعابات اصلی بخار طراحی و آماده شده است، از میان شرکتهای مجاور، آزموده شده‌اند. نتایج درجات مختلف بازجورسازی سیستم تولید بخار یک پالایشگاه واقعی(عملیاتی) قابل استفاده بودن روش پیشنهادی را اثبات میکند.
مقدمه
سیستمهای تولید بخار، یک مصرف کننده عظیم سوخت در صنعت و نیز تامین کننده اصلی انرژی کارخانه‌های فرآیند صنعتی به شمار میروند.سیستمهای مدرن تولید بخار معمولا برای تولید(یا همزایش ) ترکیبی گرما و توان طراحی شده اند. تحقیقات متعددی در چند دهه گذشته برای بهبود کارایی سیستمهای تولید بخار انجام شده است.
روشهای تحلیل برای دستیابی به پیکربندی‌های بهینه سیستم تولید بخار میتوانند به طور گستره به اکتشافاتی با اهداف حرارتی و تکنیک‌های ریاضی بهینه‌سازی تقسیم‌بندی شوند. روشهای اکتشافی(ابتکاری) برای سنتز سیستم های تولید بخار برای اولین بار توسط Nishio و همکارانش مطالعه شد. همچنین Chou و Shih روش ترمودینامیکی را برای طراحی سیستمهای یوتیلیتی (سیستمهای خدماتی)کارخانه اعمال کردند.
تعریف مساله
مشکل مطالعه شده در این مقاله بر روی بهینه سازی و بازجورسازی یک نیروگاه برق بخاری موجود در یک پالایشگاه سنتی تمرکز میکند. شکل 1 طرح نیروگاه و شرایط کاری موجود را نشان میدهد.سه دیگ بخار در فشار 101 بار(B1و دیگ بخار سایت) و 20.6 بار(B3) در حال تولید بخار بوده و 4 سطح از انشعابات اصلی بخار(101 بار،20.6 بار، 4.5 بار و محصول میعان) و 4 توربین بخار (ST1 برای تولید برق و ST2-ST4 برای تهیه توان شفت) وجود دارد.اگرچه دیگ بخار سایت مستقر در مجموعه پالایشگاه به میزان 208.3t/h بخار در فشار 101 بار تولید میکنند، برای استفاده خودش، مرکز بخار میبایست 3سطح از بخار و برق را برای ارضای تقاضاهای فرآیندهای موجود در پالایشگاه به لحاظ توان و حرارت را نیز تامین کند. هم اکنون مرکز بخار به میزان 35t/h و با فشار متوسط (18بار و 215درجه سلسیوس) از یک کارخانه فولاد سازی مجاور برای گرمایش محلی وارد میکند. اگر فشار و دمای بخار بتواند به 20.6بار و 260 درجه سلسیوس ارتقا یابد، نرخ شارش ورود ممکن است به 120t/h افزایش یابد. برای بهبود تجهیزات بخار و تحریک یکپارچه شدن بخار کل سایت، به آزمودن سیستم تولید بخار موجود و راه‌حلهای ممکن پیشنهاد شده برای افزایش ورود بخار از کارخانه فولاد، که بخار در آن، نسبت به پالایشگاه با هزینه بسیار پایینتر تولید میشود، نیاز است. برای مطالعات گسترده، این کار(مقاله)بهینه سازی عملیاتی مرکز بخار موجود را در نظر آورده و امکان بازجورسازی آن را مورد بررسی قرار میدهد. مورد اول برای بهبود کارایی طرح موجود بوده و مورد دوم گزینه های اضافی دیگری برای غلبه بر محدودیتهای سیستم موجود در دسترس قرار میدهد.
فرمول بندی مدل
برای در نظر گرفتن موثر گزینه های مختلف بهینه سازی و بازجورسازی عملیاتی ، یک مدل MINLP برای سیستم تولید بخار پالایشگاه تولید(توسعه) داده شده است. همانطور که قبلا اشاره شد، هدف وارد کردن بخار بیشتر ازکارخانه فولاد سازی مجاور است.این مدل سیستم تولید بخار بر اساس مجموعه ای از مدل های واحد نشان داده شده در شکل 2 است که شامل دیگ های بخار b(شکل 2a) برای تولید سطوح مختلفی از بخار(به لحاظ فشار و دما)، توربین های بخارt(شکل2b) برای تامین توان شفت یا تولید برق و انشعابات اصلیiبرای توزیع بخار(شکل2c) میشود. این مدلهای واحد درکنارهم به عنوان یک ابرساختار برای بیان یک سیستم بخار موجود و گزینه های بازجورسازی آن عمل میکنند. مدل پیشنهاد شده عمدتا از معادلات تعادل جرم و انرژی و قیود منطقی که بیان کننده نرخ شارش و محدودیت های مربوط به ظرفیت و همچنین اتصالات داخلی مابین واحدها هستند، تشکیل شده است.
مورد مطالعاتی صنعتی
یک سیستم تولید بخار واقعی در یک پالایشگاه نفت به منظور بهینه سازی عملیاتی و بازجورسازی در نظر گرفته شده است تا کاربرد مدل پیشنهادی را نشان دهد. شکل 1 طرح موجود و شرایط کاری سیستم تولید بخار را نشان میدهد و اطلاعات مربوط به تقاضا در جدول 2 و 3 آمده است.سیستم تولید بخار دارای سه دیگ بخار،4 سطح از انشعابات بخار و 4 نوربین بخار است. دقت شود که 2 انشعاب 101 بار وجود دارد که مستقل از هم کار میکنند. بعلاوه نرخ تولید بخار دیگ بخار موجود در سایت، در مقدار 208.3t/h ثابت شده است.برای توربین های بخار، ST1برای تولید توان(28مگاوات) استفاده میشود حال آنکه ST2-ST3 برای تامین توان شفت به کار میروند. فرآیند، انشعاب 4.5 بار را با بخار کم فشار 27.5t/h تغذیه میکند و بخار 35t/h(18بار و 215درجه سلسیوس) به عنوان نتیجه یکپارچه شدن سیستم بخار کل سایت، از کارخانه فولاد مجاور وارد میشود.اگرچه فشار بخار ورودی از سطح فشار متوسط 20.6بار پایین تر است، ولی میتواند در مصارف گرمایشی استفاده شود.به نابراین تقاضاها برای بخار با سطح فشار متوسط، از 146.3 به 113.3t/h کاهش پیدا میکنند.همانطور که در جدول 4 نشان داده شده ، هزینه عملیاتی سالانه برای این شرایط، 299.3 میلیون دلار بر سال است.
سناریوی اول: بهینه سازی سیستم تولید بخار موجود
هدف در این سناریو، بهینه سازی سیستم تولید بخار بدون تغییر طرح و ساختار آن است.پس، افزودن تجهیزات جدید در حال حاضر مجاز نیست(Nmax=0).برای نشان دادن طرح شکل 1، مقادیر متغیرهای دودویی(مانند zb,zt,zbi,ztj,zii’t) از پیش تعریف شده اند. بعلاوه 1 و 0 قبلا اختیار شده اند چرا که یک پالایشگاه نفت نوعی همواره به ورود برق نیاز خواهد داشت. برای روشنتر شدن موضوع، این متغیرها به سه دسته تقسیم شده اند: zp1-v,s1 شامل همه دودوییهایی میشود که قرار است با بهینه سازی تعیین شوند،zp1-1,s1 شامل متغیرهایی که 1 در نظر گرفته شده اند و zp1-0,s1 شامل متغیرهایی است که صفر در نظر گرفته شده اند.
نتیجه گیری
در این مقاله نیروگاه بخاری یک پالایشگاه نفت مورد مطالعه قرار گرفت. بر اساس مدلهای واحد پیشنهاد شده، یک مدل ریاضی جامع برای تحلیل و طراحی نیروگاه برق بخاری بیان شده است طوری که مساله طراحی به صورت یک برنامه غیرخطی با اعداد مختلط(MINLP) فرمول بندی شده است. ارزیابی یک نیروگاه برق بخاری موجود در یک پالایشگاه، میتواند با مدل جامع سیستم تولید بخار پیشنهادی که شامل بهینه سازی عملیاتی، بازجورسازی واحدهای موجود و یکپارچه سازی بخار ورودی است، صورت پذیرد. نتایج نشان می‌دهند که طرح موجود در واقع کارایی بخار مورد استفاده را محدود می کند.پس، استراتژی بازجورسازی برای از میان برداشتن این محدودیت ها به طرز مناسبی طرح شده است و کارایی سایت میتواند بهبود یابد. کاهش چشمگیری در هزینه عملیاتی به میزان 13.8درصد در این مقاله(مورد مطالعه) به دست آمده است که در آن یک توربین چگالنده موجود به یک توربین استخراجی تبدیل شده است و یک توربین بخار جدید برای تولید برق به کار گرفته شده است. بعلاوه با اعمال تکنیک یکپارچه سازی، صرف جویی مربوطه در هزینه بیشتر از 15.1درصد است. این کار(این موضوع مقاله) میتواند با یک اجکتور بخار برای ارتقا سطح بخار ورودی با سطح پایین، به سطح مورد نیاز، انجام شود که قابلیت استفاده از بخار ورودی را بهبود میدهد. زمان بازگشت سرمایه برای مواردی که بازجورسازی مد نظر است، کمتر از 0.5 سال است که نشان میدهد توصیه‌های منتجه از مدل پیشنهادی برای ارتقا بازدهی سیستم تولید بخار در یک پالایشگاه امید بخش هستند.
این مقاله ISI در سال 2013 در نشریه الزویر و در مجله مهندسی حرارتی کاربردی، توسط گروه مهندسی شیمی منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله مقاوم سازی نیروگاه های بخار در یک پالایشگاه نفت در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.
