بخشی از مقاله
شبیه سازي کوره اتمسفریک واحدهاي تقطیر با نرم افزار پتروسیم و مطالعه موردي
چکیده
کورهها در واحدهاي پالایشی حکم گلوگاه را داشته و هر گونه اشکال در آنها باعث وقفه در ادامه کار واحد میشود. این تجهیزات مهمترین مصرفکننده انرژي در پالایشگاهها میباشند بطوري که حدود60 درصد از انرژي مصرفی هر پالایشگاه را به خود اختصاص میدهند. بنابراین وجود مشکل در آنها باعث افزایش مصرف سوخت، کاهش راندمان کوره و در نتیجه افزایش هزینه و کاهش سودآوري پالایشگاه می گردد. در این مقاله با توجه به مشکل پیش آمده براي کوره اتمسفریک واحد تقطیر شماره دو پالایشگاه بندرعباس درحین راهاندازي واحد پس از تعمیرات اساسی سال 1390 ، کوره فوق توسط نرمافزار پتروسیم شبیهسازي شد و فرضیه تشکیل کک در آن بررسی گردید. در نهایت پیشنهاداتی جهت رفع آن داده شده که مورد تست میدانی نیز قرار گزفت.
کلمات کلیدي: شبیهسازي، نرمافزار پتروسیم، کوره اتمسفریک، تشکیل کک
- 1 مقدمه
کورهها یکی از مهمترین و پیچیدهترین تجهیزات پالایشگاهی بوده و از آنها به عنـوان قلـب واحـدهاي پـالایش یـاد می شود. بهرهبرداري درست و مناسب از کوره ها نیازمند داشتن دانش، تجربـه و آمـوزش کـافی مـی باشـد. زیـرا کـوره هـا دستگاههایی هستند که در آنها مجموعهاي از دانشهاي مختلف مانند شیمی، فیزیک، مکانیک، انتقال حـرارت، سـیالات و احتراق به کار گرفته شدهاست.{5}
کوره ها در واحدهاي پالایشی حکم گلوگاه را داشته و هر گونه اشکال در آنها باعث وقفه در ادامه کار واحد مـیشـود.
این تجهیزات مهمترین مصرفکننده انرژي در پالایشگاهها می باشند بطوري کـه حـدود60 درصـد از انـرژي مصـرفی هـر پالایشگاه را به خود اختصاص می دهند. بنابراین وجود مشکل در آنها باعث افزایش مصرف سوخت، کاهش راندمان کوره و در نتیجه افزایش هزینه و کاهش سودآوري پالایشگاه میگردد. از این رو بهرهبرداري درست از کوره و شناخت مشکلات به وجود آمده در آن و عیبیابی (Trouble Shooting) در کورهها بسیار مهم و ضروري بوده و باید همواره مد نظر قرار گیرد.
عیبیابی در هر دستگاهی شامل چهار مرحله اساسی میباشد که عبارتند از:
-1 شناسایی عیب و مشکل
-2 تاثیر مشکل ایجاد شده بر دستگاه و فرآیند
-3 دلایل به وجود آمدن مشکل
-4 روش هاي برطرف کردن مشکل شناسایی عیب در کوره ها یا از طریق تجهیزات ابزاردقیق نصب شده در آن و یا با بازدید و مشاهده داخل کوره، بدنـه و اطراف آن انجام میگیرد.
پارامترهایی که توسط تجهیزات ابزاردقیقی مشاهده میشوند عبارتند از : اکسیژن اضافی در خروجی محفظه احتراق، دماي گازهاي خروجی از دودکش، میزان مکش کوره، فشار و دماي سوخت و بخار پودرکننـده، دمـاي هـواي خروجـی از پیشگرمکن هوا و میزان آلایندههاي خروجی از دودکش.
همچنین در بازدید از کوره مواردي مانند رنگ، شکل و اندازه شعله، وضیعت داخلی محفظـه احتـراق، عـایق نسـوز (Refractory) و لوله ها (Tube)، وضعیت بدنه کوره از نظر دما و رنگ آن و تغییرات صداي کوره و برنرها باید مدنظر قـرار گیرد.{4}
پس از اینکه عیب و مشکل کوره شناسایی گردید نسبت به تحلیل آن اقدام نموده و راهحلهاي مناسبی جهت رفـع آن درنظر گرفته می شود. بعضی از اشکالات را می توان با تغییرات شرایط عملیاتی کـوره و یـا تعمیـرات جزئـی هنگـام در سرویس بودن آن برطرف کرد. اما جهت برطرف نمودن برخی دیگر از اشکالات به وجود آمده لازم است کـوره از سـرویس خارج شود.
- 2 تعریف کوره
تقریبا تمامی فرایندهاي موجود در صنایع پالایش و پتروشیمی نیازمند افزایش دماي سیال فرایندي تـا رسـیدن بـه دماي مناسب براي جداسازي فیزیکی یا انجام واکنش شیمایی میباشند. این کار در صنایع توسط کورهها (Fired Heater)
انجام می شود. درکوره ها سیال فرایندي از طریق لولهها به صورت چند پاس از بالاي کوره وارد آن شده و با عبـور از داخـل کوره دماي آن با کمک برنرهاي موجود در کوره که واکنش احتراق توسط آنها انجام میگیرد افزایش مییابـد. شـکل یـک نماي کلی یک نوع کوره و اجزاي آن را که در پالایشگاهها مورد استفاده قرار میگیرد را نشان میدهد.{5}
کورهها از سه قسمت اصلی تشکیل شدهاند که عبارتند از محفظه احتراق (Fire Box) یا ناحیه تابشـی (Radiation) ، ناحیه جابجایی (Convection) و دودکش . (Stack )
سیال فرآیندي ابتدا وارد ناحیه جابجایی شده و پس از تبادل حرارت با گازهاي داغ حاصل از احتراق که به سمت بالا
و دودکش حرکت می کنند وارد ناحیه تایشی می گردد. در ناحیه جابجایی حـرارت بـاقی مانـده در گازهـاي داغ حاصـل از احتراق که در ناحیه تابشی جذب سیال نشدهاست، جذب سیال فرآیندي شده و راندمان کوره افزایش می یابد. ( در بعضـی از طراحیها ممکن است ناحیه جابجایی در نظر گرفته نشود) در این ناحیه انتقال حرارت از گاز به لولهها به روش جابجایی از لولهها به سیال به روش هدایت انجام میگیرد. انتقال حرارت به روش تشعشع تنها در بخش لولههـاي قـرار گرفتـه در سقف محفظه احتراق (Shock Tube) انجام میگیرد (لولههاي ردیف اول و دوم بخش جابجایی) یعنی در این لولهها انتقال حرارت به هر دو روش تشعشع و جابجایی انجام میگیرد.{5}
در بعضی از کوره ها از لوله هاي فیندار براي افزایش سطح انتقال حرارت در ناحیه جابجایی استفاده میشـود. در ایـن صورت سوخت کوره سوخت گاز خواهد بود و از سوخت مایع مانند نفتکوره که باعث ایجاد کک و رسوبات بر روي لوله هـا میگردد استفاده نمیشود. کورههایی کـه لولـههـاي ناحیـه جابجـایی آن فـیندار هسـتند فاقـد دودهزدا (Soot Blower) میباشند. در لولههاي سقف محفظه احتراق (Shock Tube) چون در معرض اشعه شعلههاي کوره قرار دارند از فـین بـراي افزایش سطح انتقال حرارت استفاده نمی شود. در بیشتر کوره ها بخاطر افزایش بازیافت حرارت یک بخش تولید بخار نیز در بالاي ناحیه جابجایی در نظر گرفته میشود.{5}
سیال فرآیندي پس از عبور از ناحیه جابجایی، وارد محفظه احتراق می گردد. در محفظـه احتـراق حـدود 70 درصـد حرارت مورد نیاز سیال جذب آن می شود و سیال پس از رسیدن به دماي لازم از کوره خارج می شود. در محفظـه احتـراق هر سه مکانیزم تشعشع، جابجایی و هدایت در انتقال حرارت به سیال دخالت دارند. قسمت عمده انتقال حـرارت از طریـق تشعشع شعلهها و گازهایی مانند CO2 ، CO و) H2O گازهایی مانند N2 و O2 که ساختار آنها قرینه و غیر قطبی اسـت بـه اصطلاح شفاف بوده و تشعشع ندارند) و بازتاب تشعشع از عایق نسوز (Refractory) به لوله ها انجام می گیرد. انتقال حرارت به روش جابجایی نیز نقش قابلتوجهی در انتقال حرارت به سیال داخل لوله ها دارد. زیـرا وجـود گرادیـان دمـا در کـوره ، افزایش حجم گازهاي ورودي به کوره پس از احتراق و فشار سوخت و هواي ورودي به کوره باعث ایجاد جریان شدید گازها در کوره شده که این امر انتقال حرارت به روش جابجایی از شعله به لولهها و عایق نسوز و از عایق نسوز بـه لولـه هـا را بـه شدت افزایش میدهد.{5}
آرایش لوله ها در محفظه احتراق می تواند عمودي، افقی و یا مورب باشد. لوله هامعمولاً از بالاي کوره وارد و از پـایین کوره خارج می شوند. در بعضی از کوره ها،لوله ها بصورت U شکل در وسط کوره نصب شده و از بالاي محفظه احتراق وارد و مجددا از بالا خارج می شوند. در این نوع کوره ها که فاصله لوله ها از دیواره زیاد است سهم انتقال حرارت از عایق نسـوز بـه لولهها چه از طریق تشعشع و چه از طریق جابجایی قابلتوجه میباشد.
وظیفه دودکش (Stack) خارج کردن گازهاي حاصل از احتراق (Flue Gas) از کوره و هدایت آن به اتمسفر وکمک بـه ایجاد مکش میباشد. در کورههاي مکش طبیعی (Natural Draft) به دلیل این که کوران و مکش به صورت طبیعـی و بـه دلیل اختلاف دانسیته گازهاي داخل کوره و بیرون آن ایجاد می شود طول دودکش بلنـدتر مـی باشـد. در محاسـبه ارتفـاع دودکش فشار جو و دماي محیط نیز مؤثر میباشد.{5}
بدنه کوره از دو قسمت بیرونی و داخلی تشکیل شدهاست. قسمت بیرونی آن فلزي بوده و قسمت داخلی آن از جنس عایقهاي نسوز معمولا آجر و یا سیمان نسوز میباشد که تحمل دماي بالا را دارد. این قسمت از دیوار کوره مـانع از خـروج حرارت از بدنه کوره می شود که در صورت آسیب دیدن باعث افزایش دماي بدنه بیرونی کوره و آسـیب دیـدگی آن و هـدر رفتن مقدار زیادي از حرارت داخل کوره و در نتیجه کاهش راندمان کوره و افزایش مصرف سوخت می گردد. کارکرد دیگـر این عایق جذب حرارت ایجاد شده توسط شعله و انتقال مجدد آن به لوله ها از طریق تشعشع و جابجایی و افـزایش میـزان انتقال حرارت می باشد. به این دیواره Refractory گفته می شود. Refractory ظرفیت حرارتی بالایی داشته و حرارت را بـه میزان زیادي در خود جذب کرده و سپس بطور یکنواخت به لولهها بازتاب میکند.{5}
- 3 کوره اتمسفریک واحدهاي تقطیر پالایشگاه بندرعباس
پالایشگاه بندرعباس با ظرفیت320 هزار بشکه در روز، داراي دو واحد تقطیر نفت خام با ظرفیت هر کدام 160 هـزار بشکه در روز می باشد که هر کدام از این واحدهاي تقطیر داراي یک کوره اتمسفریک میباشند و کـوره اتمسـفریک واحـد تقطیر شماره دو (H71001) در این مقاله مورد بررسی قرار میگیرد. این کوره از نوع جعبهاي (Box Type) بوده و قابلیـت استفاده از دو نوع سوخت مایع (Fuel Oil) و گاز (Fuel Gas) را دارا میباشد. ظرفیت طراحـی ایـن کـوره 70388 KJ/S و ظرفیت عملیاتی آن براي خوراك نرمال پالایشگاه حدود 61000 KJ/S در نظر گرفته شـدهاسـت.این کـوره مجهـز بـه 20 مشعل مدل John Zink PLNC-14 میباشد. همچنین کوره فوق مجهز به سامانه فوق اشباع کننده بخار کم فشار (LS) در قسمت جابجایی بوده و قابلیت فوق اشباع نمودن بخارآب به میزان 10.7 TON/H را دارد.{3}
با توجه به مصرف سوخت قابلملاحظه این کوره، سامانه پیشگرمایش هوا (APH) با ظرفیت 9300KJ/S بر روي این کوره تعبیه شدهاست که با کاهش دماي گازهاي دودکش کوره از 411درجه سانتیگراد به 171 درجه سانتیگراد باعث گرم شدن هواي ورودي تا 291 درجه سانتیگراد میگردد که حدود 10 درصد افزایش راندمان کوره را بههمراه دارد.
این کوره داراي 8 پاس و در هر پـاس داراي 50 تیـوب مـی باشـد کـه تعـداد 15 عـدد از آنهـا در ناحیـه جابجـایی (Convection) و 35 تیوب دیگر در ناحیه تشعشع (Radiation) قرار دارند این کوره دمـاي نفـتخـام ورودي بـه آن را از
279 درجه سانتیگراد به 398 درجه سانتیگراد می رساند. در شکل شماره دو محل قرار گرفتن کوره اتمسفریک در واحد تقطیر نشانداده شدهاست.
- 4 مطالعه موردي و شرح مشکل
پس از انجام تعمیرات اساسی واحد شماره دو شرکت پالایش نفت بندرعباس در بهمن و اسفند مـاه سـال1390 و در حین راه اندازي واحد پس از آن که دماي خروجی کوره به مقدار مورد نظر براي دریافت نفت خام طبق طراحی رسید، در حین دریافت نفت خام یکی از شیرهاي کنترل روي مسیر پاس هاي کوره دچار نوسان در میزان باز شدن گردید که با توجـه به اینکه میزان باز بودن آن در سیستم DCS بطور کاذب بوده و میزان باز بودن آن در حالت واقعی کمتـر از مقـدار نشـان داده شده در سیستم DCS بود، سبب شد که در حین افزایش دماي کوره، میزان دبی ورودي به پاسی که این شیر کنترل مشکل داشت دچار نوسان شده و کمتر از میزان واقعی گردد و در نتیجه با توجه به کاهش میزان جریان و بالا بودن دمـاي پوسته کوره تجزیه حرارتی هیدروکربن در این تیوب روي داده و سبب تشکیل کک بر روي جداره تیوب گردید. با توجه بـه مشکل پیش آمده براي شیر کنترل و توجه به برخی پارامترها مانند بالا بودن بیش از حد دماي پوسته این تیوب نسبت بـه سایر تیوب هاي کوره و نیز بالابودن دماي سقف کوره در بخشـی از کـوره کـه ایـن پـاس قـرار داشـت نگرانـی کارشناسـان پالایشگاه را در مورد تشکیل کک افزایش داد. از طرف دیگر سایر پارامترها ماننـد فشـار ورودي بـه ایـن پـاس کـه تفـاوت چندانی با دیگر پاسهاي کوره نداشت و همچنین احتمال خراب بودن TX هاي نصب شده بر روي جداره پاس مورد نظر و نیز TIهاي موجود
