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能耗剖析与绿色创新:深海平台能源效率优化论文

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  关键词:深海平台,清洗策略,能源效率,节能措施

  1背景简介

能耗剖析与绿色创新:深海平台能源效率优化论文

  换热器是一种关键的热交换设备,在许多工业领域中被广泛应用,也是某深海气田平台最为重要的设备之一[1]。换热器结垢是指在换热器表面上沉积和积聚的不良绝缘材料,这些沉积物限制了热传递,导致效率和可操作性的降低[2]。在20世纪80年代到90年代初的研究中,由于清洗、流体处理、额外硬件和产量损失所导致的换热器结垢费用被估计为工业化国家国内生产总值(GDP)的0.25%。随着时间的推移,换热器表面会积聚污垢和沉积物,导致热交换效率下降,能耗增加,并可能引发设备故障[3]。换热器效率降低会通过增加能源消耗来弥补,直到相关能源增加到满足换热和泵流目标等操作要求,此操作会导致温室气体排放量的增加,而当设备在较大规模的换热器网络中长时间运行时,经济损失更为显著。为减轻结垢问题,采取的技术手段包括添加防垢化学品、使用更坚固的换热设备以及定期清除结垢等。一般情况下换热器的清洗需要将装置停机,这便导致运营成本增加[4]。

  换热器的主要结垢类型包括颗粒污染、腐蚀污染、生物污染、结晶污染、化学反应污染等[5]。大多数情况下,污垢不太可能完全由单一情况引起。在污垢生长初期,其值较小,随着运行时间逐渐增加,结垢情况逐渐严重。在结垢引起的压降变化导致产量下降的情况下,通常需要进行工厂停产以清洗对应换热设备。因此,需要选择合适的时机进行清洗,以保证最大限度地提高生产过程中成品量和成本之间进行平衡。

  本研究以优化换热器相关系统的清洗策略为中心,旨在提出有效的方法和策略,以改善换热器的换热效率和减少清洗成本。在本研究中,首先对不同类型的换热器清洗方法进行综合评估和比较,包括机械清洗、化学清洗和蒸汽清洗等。通过对各种清洗方法的效果、成本和适用性进行分析,以确定最适合不同情况下的清洗策略。之后通过实时监测和数据分析,以准确评估换热器的污垢程度和清洗需求。基于监测结果,制定个性化的清洗计划,包括清洗时间、清洗剂的选择和清洗工艺的优化,以最大程度地提高清洗效果并降低清洗成本。通过比较清洗前后的热交换效率和能耗数据,可以表明优化策略的效果,并证明其在提高换热器性能和降低运营成本方面的价值。本研究的结果对工业领域中换热器运维和清洗管理具有重要意义。优化的清洗策略可以提高换热器的性能和可靠性,延长设备的使用寿命,并减少维护和清洗成本。

  2换热器清洗方法

  换热器清洗是为了确保换热器的正常运行和长期稳定性而采取的关键措施。换热器在使用过程中会不可避免地积累污垢和沉积物,这些物质会降低换热效率并影响设备的性能,因此进行清洗是必要的。目前,有多种换热器清洗方法可供选择,具体方法的选择取决于换热器的设计[6]和污垢的性质[7]。以下是几种常见的换热器清洗方法:

  (1)机械清洗:通过使用刷子、高压水流或喷嘴等机械装置,对换热器的内部和外部表面进行清洗。这种方法适用于较硬的沉积物,能够有效地去除附着在换热器管道和表面上的污垢。

  (2)化学清洗:使用特定的清洗剂和溶剂,通过化学反应来溶解和清除污垢。此清洗方法可以针对不同类型的污垢进行定制,例如溶解硫化物、氧化物或有机物等。化学清洗可以高效地溶解和去除污垢,但需要注意清洗剂的选择和使用方法,以避免对设备和环境造成不良影响。

  (3)超声波清洗:利用超声波的高频振动效应,产生微小气泡并引起液体的剧烈运动,从而分解和清除污垢。超声波清洗方法适用于细小和难以到达的区域,能够彻底清除附着在换热器内部的污垢。它可以在不接触设备表面的情况下清洗,对设备的损伤较小。

  (4)蒸汽清洗:利用高温高压的蒸汽对换热器进行清洗。蒸汽具有良好的热传导性和溶解性,能够迅速溶解和清除污垢,并有效保持换热器的清洁状态。

  在每次清除管道上的沉积物、沉淀物、生物附着等后,管道表面几乎恢复到裸露的金属状态,保护性氧化膜迅速重建以再次保护清洁的管道。管壳式换热器的管道清洗程序是离线进行的,最常选择且最快的方法是机械清洗。此外,在清洗过程中必须非常小心,避免损坏管板或管道涂层,否则成功清除污垢沉积物后可能出现新的管道泄漏或管板腐蚀问题。

  3换热流程性能监测

  换热器换热流程性能监测是确保换热器正常运行和高效工作的重要环节[8]。通过对换热器的性能进行定期检测和评估,可以及时发现潜在的问题和性能下降,以采取适当的措施进行修复和优化[9]。换热器换热流程性能监测通常包括以下方面:(1)温度和压力监测:监测换热器的进出口温度和进出口压力,以确保换热过程的稳定性和平衡性。异常的温度和压力变化可能表明换热器存在堵塞、泄漏或其他故障。(2)流量测量:测量流体在换热器内的流量,以验证流体流动的均匀性和流量的稳定性。不均匀的流动分布可能导致局部冷却或过热,影响换热效果。

  就对流换热而言,强化对流换热技术就是当低温流动介质和高温流动介质在某一传热面两侧流动时,使单位时间内两种流动介质换热量交换增大[10]。传热基本方程式如式(1)所示:

  Q=KA∆Tm(1)

  式中:Q为两种流动介质换热量;K为总传热系数;A为传热面积;∆Tm为传热的平均温度差。

  根据式(1)可知,提高换热器传热效果有三种主要途径,即增加总传热系数、增大传热面积以及增加传热的平均温度差。在这三种途径中,提高总传热系数是一种重要的方法,也是增强传热的重点。为实现传热系数的提高,可以通过改善换热面的表面状态、优化流体介质的流动情况、调整流体介质的物性参数以及采用导热系数高的材料等方法,来达到强化传热的目的。这些操作旨在提高传热器的传热效率,从而为工业生产过程中的能量转移和利用提供更有效的解决方案。

  流动阻力是指流体在流道中流动时流体与固体的壁面相接触,由于流体的黏性和流体质点之间的相互位移产生摩擦所引起的阻力。换热器流动阻力系数是用来描述流体在换热器内部流动过程中所遇到的阻力大小的参数,它是衡量热交换器经济性的重要指标,对优化换热器具有重要意义。换热器流动阻力系数的大小受多种因素影响,包括流体的性质、流速、管道和通道的几何形状、表面粗糙度等。不同类型的换热器,如壳管式换热器、板式换热器、管束式换热器等,其流动阻力系数也会有所差异。在设计和操作换热器过程中,准确估计流动阻力系数非常重要。通过合理选择换热器的几何参数、流体的流速以及优化管道和通道的表面条件,可以降低流动阻力系数,提高换热器的热传输效率和能耗效率。其大致有两种分类,包括流体与壁面间的摩擦阻力及流体流动中由于方向改变或速度改变所产生的局部阻力。其计算公式如式(2)所示:

  式中:∆P为流体通过换热器时产生的压力损失;f为摩擦阻力;l为管程总长;ρ为管内流体在平均温度下的密度;de为水力直径;ω为管内流体流速。

  该公式可以用于估算换热器内部流体的压降和阻力损失。因此,在换热器设计和运行过程中,流动阻力系数的准确估计和优化是关键的工作之一。

  在换热器经济性分析中,流动阻力系数也扮演着重要的角色,较低的流动阻力意味着更低的能耗和运行成本。通过减小流动阻力,可以降低泵功率需求,减少能源消耗和操作费用。因此,在换热流程性能监测过程中,需要综合考虑流动阻力系数和热传递效率,以实现经济性和性能的平衡。

  为了降低流动阻力系数,可以采用一些优化措施,如优化流道设计、减小流道的阻力损失、选择合适的流体介质和工艺参数以及控制流体的流速和流量。通过综合考虑换热器的流动阻力和传热效率,可以实现经济性的提升,减少能源消耗,并优化换热器的性能和运行成本。因此,在换热器的设计和性能评估中,对流动阻力系数的分析和优化是至关重要的,它直接影响着换热器的经济性和能源效率。通过合理选择和优化换热器的流动阻力,可以实现更高效、可靠和经济的热交换过程。

  在流动阻力系数和热传递效率出现明显异常时,需要及时采取清洗和维护措施。具体的清洗和维护计划包括定期清洗污垢、更换损坏的部件、修复泄漏等。定期的清洗和维护可以恢复换热器的正常工作和高效性能。通过实时监测换热器的工作状态,并及时采取必要措施,能够确保系统的可靠性和稳定性。这对工业生产过程的正常运行和能源的有效利用具有重要意义。

  4最佳清洗策略

  换热器是整个换热流程的一部分,如果结垢情况严重,为传输相同的热量,加热流体的温度必须升高。这种温度升高必然与流程的总能量输入增加或生产率降低相关联,这两者都代表了由于结垢而产生的成本。显然,为了做出最佳的经济决策,这些成本必须在一系列时间点上进行量化,并且能够与结垢阻力相关联。

  加热器的热效率和泵的能效指标是衡量其能量利用效率的重要指标。高热效率和高能效表示当前换热系统能够有效利用热能,减少能源浪费,降低能源成本。通过对加热器和泵的经济性进行分析,可以评估其在换热系统中的经济效益,并为决策提供依据。合理制定换热系统的清洁计划,可以降低能源消耗、减少维护成本,并提高整个换热系统的经济性。

  在某深海气田平台中,选取典型换热系统。如图1所示,此换热流程包括加热器H-2020,增压泵P-2010A/B,气液换热器E-2020和液液换热器E-2010。加热器H-2020为加热流体提供热量,增压泵P-2010A/B通过增加液体或气体的压力,推动流体在换热器内部的循环,确保流体能够顺利地通过换热器和管道系统以实现有效的热交换过程。气液换热器E-2020和液液换热器E-2010实现物体之间的热量交换。通过对加热器H-2020的热耗和增压泵P-2010A/B电耗的评估能够有效监控当前换热系统的运行情况,制定合理的清洁计划。

  考虑温度变化对热量的影响,利用加热器管侧输入输出温差来计算总热耗,根据热量计算式(3):

  Q=cm∆T   (3)

  式中:c为流体定压比热容;m为流体的质量流量;∆T为物质的温度变化量。

  对换热器电耗,其指的是在热交换过程中,用于推动和操作热交换设备所需的电能。换热器电耗与换热器管侧质量流量,流体密度等量相关,具体评价标准式如式(4)所示:

  式中:P为电耗;η为泵总体效率;mt为管侧质量流量;ρt为管侧流体密度;∆Pt为管侧压损。

  考虑到仿真数据的采样率为30 min,因此每30 min对换热系统在此30 min的花费进行实时监测,并持续预测未来最优清洁时间。为了预测平均每30 min损失成本何时达到最小值,需要对历史时间平均每30 min相关数据进行回归分析,以获得以时间为单位的回归模型,如式(5)所示:

  y=f1(f2(t))   (5)

  式中:f1和f2分别为神经网络;t为距离上一次清洁的时间。

  对加热器H-2020的热耗和增压泵P-2010A/B电耗进行监测和预测,结果如图2所示。通过热耗和电耗的变化情况,能够制定合理的清洁计划。

  当热耗和电耗异常高时,采取清洗操作是非常必要的。通过定期监测电耗和热耗的变化,能够及时发现换热系统性能下降或污垢积累的迹象。通过合理的清洗策略和优化措施,减少能源浪费以及降低能源成本。

  5结语

  本文旨在对某深海气田的能源效率进行研究,以针对换热系统制定合理的清洁计划,从而保证换热系统的高效工作。为了改善易结垢换热器的性能,通过对历史数据进行采集和分析,实时监测和预测换热器的清洁成本。目标是选择适当的清洁方法,既能有效处理换热器所积累的污垢,又能最大程度地降低维护和停机成本。通过结合成本和效益以找到最佳的清洁方案,既能有效提高换热器的热传输性能,又能最大程度地降低维护和停机成本。通过该研究,旨在为某深海气田的能源管理提供有效的解决方案,提升其能源效率降低能耗,并实现可持续发展的目标。

  参考文献:

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  [3]邹积强,黄艳.板式换热器的腐蚀结垢与化学清洗[J].石油化工腐蚀与防护,2017,34(1):34-37.

  [4]孙伟,李杨.一台管壳式换热器应力腐蚀失效原因分析[J].石油和化工设备,2014(11):67-68.

  [5]全健森.管壳式换热器的腐蚀与防腐应用[J].石油石化物资采购,2022(8):46.

  [6]黄伟昌,王玉.管壳式换热器设计要点综述[J].管道技术与设备,2009(6):32-34,42.

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  [8]王小翠.管壳式换热器强化传热技术的途径及应用[J].化工设计通讯,2016,42(3):60,62.

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  [10]成庆林,王晓娜,杨金威,等.管壳式换热器强化传热及传递研究进展[J].化工机械,2022(4):49.

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