Абсорбционные холодильные установки (АХУ) нашли широкое применение в различных энерготехнологических системах производств химической промышленности.

В частности в агрегатах синтеза аммиака большой мощности, благодаря возможности утилизации низкопотенциального тепла, что существенно повышает экономичность технологических процессов.

Одним из основных аппаратов участка вторичной конденсации, в кото-ром собственно и происходит выделение продукционного аммиака из циркуляционного газа (ЦГ), является испаритель, включенный в схему работы двух АХУ. Опыт эксплуатации АХУ свидетельствует о неста-бильности их работы [1], что приводит к колебаниям температуры ЦГ в испарителе, с увеличением которой хотя бы на 1 0С энергозатраты ком-прессорной системы возрастают на 32 кВт/час. При среднегодовой ра-боте агрегата 8 тыс. часов общее энергопотребление увеличивается на 256 тыс. кВт. При этом расходные коэффициенты по природному газу и обессоленной воде увеличиваются соответственно на 0,77 нм³/тNH₃ и 7,36 кг/тNH₃ [2].

Особенность процесса испарения заключается в том, что жидкий хладагент, поступающий в испаритель, содержит некоторое количество воды, и весовая концентрация хладагента на входе по проекту составляет 0,998 кг/кг. При абсолютном давлении кипения 0,29 МПа в испарителе накапливается вода, удаление которой, как правило, предусматрива-ется периодическим дренированием в виде флегмы. Однако данные по влиянию процесса дренирования флегмы из испарителя отсутствуют, как и отсутствуют в литературе данные по количественным зависимо-стям и их характеру на эффективность охлаждения ЦГ в испарителях АХУ.

С целью установления вышеуказанных зависимостей и их характера была проведена статическая идентификация математической модели испарителя на основе данных, полученных путем пассивного регистра-ционного эксперимента. Целью идентификации было установление ос-новного параметра связи – коэффициента теплопередачи К, определяе-мого коэффициентами теплоотдачи и термическим загрязнением стенок труб R_З.

По результатам идентификации было установлено выражение для тер-мического загрязнения стенок RЗ (м²К/Вт) [3]:

R₃= - 3,14*10 ^–4 +5,6638×10^–5 M_СК ,          (1)

где М_СК – средний расход аммиачного конденсата внутритрубного про-странства испарителя, т/час.

Как показывают результаты расчетов погрешность вычислений коэффициента загрязнений не превышает 10-12 %, а сама его величина выше общепринятых значений, рекомендуемых в литературе и заложенных в проектный расчет. Это обусловлено, по всей видимости, наличием конденсата во внутритрубном пространстве и катализаторной пылью. Исследования по установлению характера и количественных зависимостей влияния расхода флегмы на эффективность процесса охлаждения осуществлялись по математической модели.

Разработанная модель испарителя включает в себя уравнения теплоотдачи, теплопередачи, материальных и тепловых балансов, учитывающих изменения расхода флегмы из испарителя, концентрации жидкой и газообразной фаз хладагента, термодинамические зависимости, формулы для расчета теплофизических свойств и ряд допущений и ограничений (насыщенность паров аммиака по всему объему, тепло гидравлических потерь пренебрежимо мало, отсутствие теплообмена с окружающей средой, равномерное распределение концентрации аммиака в объеме кипящей жидкости, среднелогарифмическая разность температур); основные из уравнений следующие:

где m_X, m_Y, mm – масса жидкой, парообразной фаз и металла испарите-ля, кг; М_Х^ВХ, М_У^ВЫХ, М_Х^ВЫХ – расход хладагента на входе, выходе ис-парителя  и флегмы, кг/с; i_X^ВХ, i_Y^ВЫХ, i_X^ВЫХ – энтальпия хладагента на входе, выходе испарителя и флегмы, Дж/кг; Ф_МТ, Ф_В – тепловой поток со стороны межтрубного пространства и внутритрубного пространства, Вт; ξ - время, с; ξ_Х^ВХ, ξ_У^ВХ; ξ_Х^ВЫХ – концентрация хладагента на входе, выходе испарителя и флегмы, кг/кг; ρ_Ц – средняя плотность ЦГ, кг/м3; с_Ц, с_К, с_m, с_Г – средняя теплоемкость ЦГ, конденсата, металла труб и газовой фазы ЦГ, Дж/кг·К; r_CР – средняя теплота конденсации, Дж/кг; М_Г^ВЫХ, М_Ж^ВХ, М_К – расход газообразной фазы ЦГ на выходе, жидкой фазы ЦГ на входе испарителя и конденсата, кг/с; tЦСР, tЦВХ, tЦВЫХ; t_Мm – температура ЦГ средняя, на входе и выходе испарителя и температура межтрубного пространства испарителя, 0С.

В процессе эксплуатации основное возмущающее воздействие на рабо-ту испарителя оказывают: тепловая нагрузка ЦГ, давление в межтруб-ном пространстве, концентрация и расход аммиака на входе в испари-тель и расход флегмы. Эти параметры выбраны как независимые пере-менные для дальнейших исследований в соответствии с разработанным алгоритмом [4], позволяющим вычислить количество трубок, погру-женных в хладагент, и изменение уровня хладагента при различных условиях тепломассонагрузок на испаритель.

Проведенный анализ статических зависимостей, представленных на рис.1, свидетельствует, что как характер холодопроизводительности, так и температуры ЦГ на выходе из испарителя с изменением расхода флегмы носит экстремальный характер. Это обусловлено тем, что с по-вышением расхода флегмы М_Х^ВЫХ от 0,6 т/час до 0,8 т/час увели-чивается концентрация кипящего в испарителе аммиака, и в условиях постоянного давления Р_МТ=0,16 МПа снижается температура кипения хладагента от –17,76 0С до –19 0С. При этом увеличивается средняя разность температур Δt_СР, количество испаряющегося хладагента М_У^ВЫХ, и как следствие –рост удельного теплового потока q от 9,6 кВт/м2 до 10 кВт/м2, расхода сконденсировавшегося аммиака на выходе испарителя М_К^ВЫХ, а также холодопроизводительности Ф от 5 МВт до 5,25 МВт и расхода конденсата на выходе испарителя от 17,941 т/час до 18,166 т/час. Дальнейшее увеличение МХВЫХ до 1 т/час вследствие повышения Δt_СР при ограничении расхода входящего в испаритель хладагента МХВХ вызовет уменьшение количества трубок, погруженных в хладагент, что приведет к повышению q и падению Ф до 5,13 МВт, а температура охлаждения ЦГ повысится до -12,5 0С.

Таким образом, существующий метод периодического дренирования флегмы малоэффективный, а значит требуется разработка систему автоматического управления этим процессом, для создания которой необ-ходимо знание динамических характеристик объекта.

Анализ полученных динамических характеристик при возмущающем воздействии по флегме показал, что объект обладает достаточной инер-ционностью (более одного часа), обусловленной большой металлоемкостью испарителя. Задача экстремального регулирования таких объектов более эффективно решается с применением систем супервизорного управления [5].При этом поиск экстремума можно осуществлять путем алгоритма одномерного поиска (метод Фибоначи или «золотого сечения»), а температуру ЦГ – по разработанному алгоритму [4].

Итак, проведенные исследования позволили установить экстремальный характер влияния расхода флегмы на эффективность работы испарителя и синтезировать систему супервизорного управления, позволяющую повысить экономичность процесса охлаждения на участке вторичной конденсации, а, следовательно, снизить энергозатраты в производстве аммиака в целом.

С анализом рынка аммиака Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок аммиака в России».

Литература

1. Бабиченко А.К. Исследование эффективности эксплуатации участка вторичной конденсации агрегата синтеза аммиака от температуры атмосферного воздуха. /Вестн. ХГПУ. 1999. Вып.26, с. 96-99.

 2. Бабиченко А.К., Ефимов В.Т. Влияние температуры вторичной конденсации на экономические показатели работы агрегатов синтеза аммиака большой мощности. /Вопр. химии и хим. технологии. 1986. Вып. 80, с.113-117.

3. Бабиченко А.К., Тошинский В.И., Бабиченко Ю.А., Красников И.Л. Идентификация и математическое моделирование испарителя аб-сорбционной холодильной установки агрегата синтеза аммиака. /Вестн. ХГПУ. 2000. Вып.78, с. 62-64.

4. Бабиченко А.К., Тошинский В.И., Бабиченко Ю.А. Оптимальное управление процессом охлаждения циркуляционного газа в испари-телях абсорбционной холодильной установки агрегата синтеза аммиака. /Интегрированные технологии и энергосбережение. 2000. Вып. 3, с. 105-112.

5. Солодовников В.В. Теория автоматического регулирования.
М.: Машиностроение, 1976, т.1 – 768 с.

В.И. Тошинский, Ю.А. Бабиченко
(НТУ «ХПИ», Харьков)