مدلسازی وتحلیل نرم افزاری کوره های واحد ریفرمینگ شرکت پتروشیمی برزویه به منظور بهینه سازی مصرف انرژی و کاهش تلفات حرارتی

هدف از انجام این پژوهش صنعتی، بررسی راههای مختلف کاهش تلفات حرارتی، افزایش راندمان و بهینه سازی مصرف انرژی در دو کوره واحد ریفرمینگ شرکت پتروشیمی برزویه  می باشد لذا برای این منظور اقدام به مدلسازی عددی و شبیه سازی نرم افزاری کوره های سری 250 واحد ریفورمینگ پرداخته و با تحلیل های متعدد CFD و انتقال حرارت، توزیع دما در سطوح مختلف کوره و لوله های آن در شرایط بهره برداری و عملیاتی بدست آمده است. از طرفی با انجام اندازه گیری دما از سطوح مختلف کوره و کویل های حرارتی، نتایج حل عددی مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین با نظر به اهمیت نقش مشعل در کوره های صنعتی در مصرف انرژی،  با اندازه گیری و آنالیز گازهای خروجی اقدام به تعیین شرایط بهینه کارکرد مشعلها در وضعیتهای مختلف شده است و برای هر کوره، نتایج نهایی و راه کارهایی جهت بهبود کارائی مشعل ها ارائه شده است.

واژه‌های کلیدی:  مدلسازی نرم افزاری، تحلیل عددی، اندازه گیری، کوره، بهینه سازی انرژی، تلفات حرارتی

شرکت سهامی پتروشیمی برزویه بعنوان یکی از بزرگترین مجتمع های پتروشیمی تولید کننده مواد آروماتیک در جهان از جمله طرح های استراتژیک شرکت ملی صنایع پتروشیمی ایران بوده است که در منطقه ویژه اقتصادی انرژی پارس واقع در بندر عسلویه استان بوشهر در حاشیه شمالی خلیج فارس احداث شده است. یکی از واحدهای مهم این مجموعه، واحد ریفورمینگ می باشد که شامل کوره های مختلفی می باشد که در این مقاله به مدلسازی عددی و بررسی انتقال حرارت و تلفات حرارتی از دو کوره واحد ریفورمینگ پرداخته می شود تا بتوان ضمن بهینه سازی کارکرد آنها، میزان مصرف انرژی و تلفات حرارتی به حداقل برسد.

با توجه به اهمیت مصرف بهینه انرژی و از طرفی تلفات بسیار بالای انرژی از بخشهای مختلف کوره های واحد ریفرمینگ پتروشیمی نوری (برزویه) به منظور کاهش مصرف انرژی و در نتیجه کاهش قیمت تمام شده محصول بررسی تلفات حرارتی در کوره ها انجام شده است. از سوئی دیگر بررسی کارکرد مشعل ها، استاندارد و بهینه سازی عملکرد آنها و بهینه سازی مصرف انرژی در کوره ها و حذف تلفات حرارتی نیز صورت گرفته است.

3- مراحل انجام کار و اقدامات انجام شده

-  مدلسازی نرم افزاری و انجام تحلیل های حرارتی جهت تعیین اتلاف انرژی از بخش های کوره های واحد ریفرمینگ پتروشیمی نوری، استانداردسازی و ارائه پیشنهادات کاربردی

-  مدلسازی نرم افزاری و انجام تحلیل های حرارتی جهت تعیین اتلاف انرژی از بخش های مختلف کوره ها و هیترها

-  بهینه سازی و کاهش مصرف انرژی و ارائه راه کارهای عملی جهت کاهش تلفات حرارتی و استانداردسازی

-  بررسی وضعیت عایق کاری سطوح و بروز رسانی کارکرد کوره ها و هیترها از نظر انرژی و حرارت

-  بررسی کارکرد مشعل ها، استاندارد و بهینه سازی عملکرد آنها و درصورت لزوم ارائه جدول جدید نحوه بهره برداری

-  اندازه گیری و آنالیز گازهای خروجی از کوره و اندازه گیری دما در سطوح مختلف کوره، ارزیابی و مقایسه با نتایج حل عددی

-  مقایسه نتایج تحلیل عددی و داده های صنعتی و اندازه گیری های انجام شده و ارزیابی نتایج

-  بررسی راههای مختلف کاهش تلفات حرارتی، افزایش راندمان و بهینه سازی مصرف انرژی در کوره های واحد ریفرمینگ

3- مدلسازی و تحلیل نتایج

کلیه مدلسازی و تحلیل ها با تکنیکهای دینامیک سیالات محاسباتی و روش حجم محدود و بر اساس داده های و اطلاعات صنعتی، اسناد طراحی و مقادیر اندازه گیری شده در سایت است. شبیه سازی به کمک نرم افزار فلوئنت در حالت دوبعدی و نیز سه بعدی انجام و با انجام اندازه گیری های مختلف و اطلاعات و داده های صنعتی اخذ شده از اتاقهای کنترل سایت مقایسه شده است تا از صحت نتایج و نیز کاربردی بودن آن اطمینان کامل حاصل گردد. نحوه مدل کردن کوره به این صورت است که مجموع شار حرارتی ناشی از مشعل ها همانگونه که در شرایط طراحی کوره مشخص است، به عنوان شار حرارتی تولید شده از کف در ارتفاعی نزدیک به کف، به کوره وارد می شود سپس دیواره کوره با توجه به ضرایب جذب و گسیلمندی، حرارات را جذب یا گسیل خواهد داد که نهایتا این توزیع دما در بالای کوره، کاهش شار حرارتی را در بر خواهد داشت. بررسی در دو کوره مختلف واحد ریفورمینگ یعنی کوره 2501 و کوره 2502 به صورت جداگانه و برای هر دو قسمت تشعشعی (قسمت پایین کوره) و قسمت جابجایی (سمت بالایی کوره) انجام شده است. نحوه مدلسازی و اعمال کلیه شرایط مرزی در شکل 1 (سمت راست)  و داده های استخراج شده از اسناد و مدارک و پارامترهای محاسبه شده که جهت مدلسازی و تحلیل مورد استفاده قرار گرفته است در جدول 1 نشان داده شده است. نمونه ای از نتایج توزیع دمائی در کوره 2501 برای مدل دو بعدی نیز در شکل 1 (سمت چپ) مشاهده می گردد.

جدول 1: مشخصات کوره 2501 و داده های مورد استفاده در مدلسازی

شکل 1 : نمایی از شرایط مرزی کوره مدل شده و نتایج توزیع دمایی

     اتلاف حرارت از دیواره کوره حتی با وجود عایق بودن وجود دارد و برای محاسبه میزان اتلاف حرارت درون عایق جداره کوره در قسمت تشعشعی، با بازنویسی معادله انرژی روی سطح کنترل این مهم حاصل می شود. روی دیواره عایق چون هوا به موازات سطح کوره بالا خواهد رفت (بواسطه وجود مکش هوا به سمت بالای کوره از ضریب جابجبایی طولی استفاده می شود) لذا در این حالت باید ضریب جابجایی به موازات سطح محاسبه شود که برای این امر اقدام به محاسبه عدد رینولدز و نوسلت بصورت ذیل شده است [1-5]:

جدول 2 : توزیع دما و اتلاف حرارت در کوره 2501 برای قسمت تشعشعی (در ظرفیت 80% و در فاصله 4 متر از کف کوره)

جدول 3: توزیع دمایی در کوره2501 برای قسمت جابجایی

جدول 4:  مشخصات کوره 2502 و داده هاای مورد استفاده در مدلسازی

جدول 5 : توزیع دما و اتلاف حرارت در کوره 2502 (در ظرفیت 80% و در فاصله 4 متر از کف کوره)

جدول 6: جدول توزیع دمایی در کوره 2502 برای قسمت جابجایی

مشخصات کوره های 2501 و 2502 و همچنین نتایج حاصل از مدلسازی عددی و داده های صنعتی و اندازه گیری شده برای قسمتهای تشعشعی و جابجایی کوره در جداول 1تا 6 نشان داده شده است. از مقایسه داده های عددی و صنعتی و نزدیکی جوابها بیانگر صحت نتایج مدلسازی و شبیه سازی های نرم افزاری می باشد.

در این تحقیق بواسطه مشخص نبودن ضرایب جذب و گسیلمندی سطح لوله و عایق کوره، کنترل مساله با داشتن چهار پارامتر تشعشع و جابجایی و همچنین دو ضریب جابجایی عرض و طولی، بسیار مشکل بوده است، با وجود این، امکان بررسی توزیع دما در لوله ها و عایق کوره در قسمت تشعشعی با تغییر ضرایب بوجود آمده است.

دلایل اختلاف در دو حالت حل عددی، مقادیر اتاق کنترل و اندازه گیری ها:

   -عدم کارکرد مناسب مشعل ها

  -وجود رسوب ناشی از گازهای احتراق روی دیواره و لوله ها

- محل نصب ترموکوپل ها و تاثیرپذیری از گاز داخل کوره

ضمناً نحوه تغییرات دما در لوله و عایق جداره کوره در شکل 2 و نحوه توزیع دما در طول لوله های کوره در شکل 3 نشان داده شده است[6-9]   .

جدول 7: اتلاف حرارت و جذب گرما در هرکوره

نتایج شکل 3 نشان می دهد که دمای ماکزیمم در ارتفاعهای بین 3 تا 4 متر بدست می آید که ترموکوپلها نیز در این مکانها نصب شده اند. در جدول 7 اتلاف حرارت و جذب گرما در هرکوره و در جداول 8 و 9 تاثیر وجود رسوب زمان ایجاد رسوب نشان داده شده است. رسوب، باعث افزایش ضریب گسیلمندی می شود و با توجه به این جداول، این نتیجه گرفته می شود که رسوب ناشی از گازهای احتراق روی سطح لوله باعث افزایش اتلاف حرارت خواهد شد و همچنین اگر همین رسوب به سطح عایق کوره بچسبد در صورت افزایش ضریب گسیلمندی باعث کاهش نسبی اتلاف حرارت خواهد شد،

جدول 8  : میزان جذب و اتلاف حرارت در کوره H-2501  و 2502 H-و با وجود رسوب یک میلیمتری روی لوله و عایق جداره

     جدول 9  : میزان جذب و اتلاف حرارت در کوره H-2501  و 2502 H-و با وجود رسوب یک میلیمتری روی لوله و عایق جداره

جدول10: اتلاف حرارت و جذب گرما در کوره ها

جدول11: اتلاف حرارت و جذب گرما در کوره ها

همانگونه که از نتایج و جداول رسوب استنباط می شود، وجود رسوب ناشی از گازهای احتراق باعث افزایش اتلاف حرارت و کاهش بازهی کوره خواهد شد لذا تمیز و پخشی بودن سطح لوله ها و عایق جداره نقش تعیین کننده ای در کنترل میزان اتلاف حرارت از کوره خواهد داشت. در جدول11 و 12 اتلاف حرارت و جذب گرما در دو کوره با هم مقایسه شده است.

شکل 4  : نمایی از دستگاه آنالایزر  و نتایج نمونه گیری گاز

بررسی میزان تاثیر هوای اضافی:

      بهترین حالت احتراق استفاده از هوای استوکیومتری می باشد اما بدلیل عدم فرصت کافی برای اختلاط سوخت و هوا در مشعل نیاز به هوای اضافی می باشد و افزایش هوای اضافی باعث افزایش طول شعله و اتلاف حرارت و کم شدن دمای شعله و افزایش اختلاف فشار خواهد شد برطبق استاندارد کوره ها، میزان هوای اضافی برای سوخت گازی 10-30%، پیشنهاد می شود[7-9]. همانگونه که در جداول نیز مشخص است دما و اتلاف حرارت در کوره ها با حل عددی با 20 درصد هوای اضافی در مقایسه با نتایج سایت با 70 درصد هوای اضافی و حتی بیشتر، میزان تاثیر اعمال هوای اضافی به مشعل را نشان داده است. شکل 4 نیز نمایی از دستگاه آنالایزر  و نتایج نمونه گیری و آنالیز گاز خروجی کوره 2501 را نشان می دهد.

جدول12: مقایسه میزان مصرف سوخت و انرژی در حالت فعلی و طراحی

از جدول فوق و مقایسه میزان مصرف انرژی و سوخت و همچنین تلفات حرارتی در حالت طراحی و حالت بهره برداری فعلی، مشخص می گردد که میزان مصرف سوخت در مشعل ها با وجود اینکه کوره ها با حداکثر ظرفیت در زمان بررسی کار نمی کردند ولی میزان مصرف از حداکثر قابلیت نهایی کارائی کوره ها نیز بیشتر است که این بیانگر کارکرد نامناسب مشعل ها می باشد که در بررسی های بعدی به آنالیز دقیق گازهای احتراق و همچنیین بررسی مشعل ها پرداخته می شود. (در جدول فوق ظرفیت کوره های کوره های سری 250 برابر 80% بوده است)

نتیجه گیری و پیشنهادات:

با توجه به اینکه وضعیت عایق کاری تمام کوره های ریفورمینگ مناسب بوده و مشکلی از نظر عایق مشاهده نگردید فقط ایجاد رسوب روی سطح لوله ها باعث افزایش دمای سطوح و کاهش راندمان انتقال حرارت و کارائی کوره ها شده است ولی تنها مشکل اساسی تمام کوره ها کارکرد بسیار نامناسب مشعل ها، خارج از حالت طراحی، درصد بالای هوای اضافی و معیوب شدن آنها می باشد ضمنا قبل ذکر است که کارکرد در ظرفیتهای پایین، کارکرد مشعل ها را از حالات طراحی و بهینه خارج نموده که نتایج نیز این مطلب را تایید نموده است لذا جهت رفع این مشکل موارد ذیل پیشنهاد می گردد:

1-        بررسی دقیق مشعل های هر کوره, تعمیر و اصلاح مشعلهای معیوب

2- بهینه سازی احتراق در مشعل ها در شرایط مختلف و رسیدن به درصد هوای اضافی طراحی

3- تمیزکاری سطح کویل ها و حذف رسوبات سطحی جهت بهبود انتقال حرارت

نتیجه انجام موارد پیشنهادی فوق، کاهش تلفات انرژی, کاهش مصرف سوخت، کاهش دمای سطح لوله ها، افزایش عمر آنها و کاهش هزینه های تعمییرات و نگهداری و نهایتا امکان و اطمینان از افزایش ظرفیت تولید تا حداکثر و حتی فراتر از طراحی تا حداکثر قابلیت و لذا سودآوری خواهد بود. از سویی دیگر اجرای این موارد علاوه بر کاهش مصرف سوخت مشعل ها، کاهش تلفات انرژی و استانداردسازی کوره ها و رسیدن به وضعیت طراحی، ضمن افزایش عمر لوله ها و جلوگیری از تخریب زودهنگام، به دلیل کاهش دمای سطح لوله ها، امکان افزایش ظرفیت تولید تا حداکثر قابلیت نهایی و حتی کمی فراتر از طراحی مهیا می شود که درآمد حاصله در مقابل هزینه انجام شده بسیار ناچیز می باشد.

تشکر و قدردانی

این تحقیق با حمایت شرکت پتروشیمی نوری (برزویه) و شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی انجام گردید لذا از زحمات مدیریت محترم و کلیه کارشناسان و مسئولین واحد تحقیق و توسعه,  واحد بازرسی فنی, خدمات فنی و تعمیرات, فرایند و همچنین همکاران تیم انرژی و مکانیک گروه پژوهشهای فنی شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی تشکر و قدردانی می شود.

مهدی حمزه ای¹   عبدالمجید خاکسار²

¹شرکت ملی صنایع پتروشیمی، شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی  mahdi.hamzei@gmail.com

² شرکت پتروشیمی نوری (برزویه) s.majid.khaksar@gmail.com

مراجع

[1] Fernandes & Francis, “Combined conductive and radiative heat transfer in an absorbing, emitting and scattering cylindrical medium”, J. of heat transfer , vol.104,November 1982

[2]  Incropera, Frank P, Dewett, David P (2002). Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4th .

[3] T.F. Smith, Z.F. Shen and A.M. Alturki, ”Radiative and convective in cylindrical enclosure for a real gas”, J. of heat transfer, vol.107, May 1985

[4] Chang, S.L., “ Computation of Radiation Heat Transfer in Diesel Combustion” ,SAE, No: ٨٣١٣٣٢,١٩٨٣.

[5] Collins, M.W.,Stasiek, J., “The Application of Transformational Zone Method to The Calculation of Radiation Heat Transfer”, INT-J-Heat-Fluid-Flow, Vol. ١٣, No. ٤, pp. ٣٨٠-٣٨٩, ١٩٩٢.

[6] Tsai, J.R., Özisik, M.N., “Trannsient, Conbined Conduction and Radiation in an Absorbing, Emitting and Isotropically Scattering Solid Cylinder, J-Applied Phisics”, Vol. ٦٤, No. ٨, pp.٣٨٢٠-٣٨٢٤, ١٩٨٨.

[7] Hottel, H.C, Sarofim, A,F, “Radiation Transfer”, McGraw-Hill, ١٩٦٧.

[8] Siegel, R, Howell, J.R., “Thermal Radiation Heat Transfer”, ١٩٩٢.

[9] Blunsdon, C.A, Malalasekera, W.M.G, Dent, J.C, “Application of the Discrete Transfer Model of Radiation in a CFD Simulation of Diesel E ngine Combustion and Heat Transfer”, SAE, No:٩٢٢٣٠٥,١٩٩٢.