مقدمة
في إنتاج الغاز الصناعي، تعد وحدة فصل الهواء (ASU) قطعة أساسية من المعدات، وتستخدم بشكل أساسي لفصل واستخدام الغازات مثل الأكسجين والنيتروجين والأرجون من الهواء. مع ارتفاع تكاليف الطاقة وأهداف "الكربون المزدوج"، أصبح تحسين كفاءة الطاقة في وحدات تخزين الطاقة (ASU) محورًا رئيسيًا للصناعة. استخدمت دراسة حديثة، باستخدام وحدة فصل الهواء المبرد بقدرة 60,000 نيوتن متر مكعب في الساعة في مصنع محدد كمثال، برنامج Aspen Plus لنمذجة العملية وتحسينها، وتحقيق توفير كبير في الطاقة وفوائد اقتصادية، وتوفير دراسة حالة قيمة للصناعة.
مبدأ تشغيل وحدات فصل الهواء المبرد
تقوم عملية فصل الهواء المبرد في المقام الأول بفصل مكونات الغاز عن الهواء من خلال خطوات مثل ضغط الهواء، والتبريد المسبق، والتبادل الحراري، والتقطير. يتم أولاً ضغط الهواء وتبريده بواسطة ضاغط، ثم يتم تبريده بعمق-إلى حوالي -170 درجة بواسطة موسع. يتم بعد ذلك فصل الأكسجين والنيتروجين في أبراج التقطير ذات الضغط العالي - والضغط المنخفض.
الأبراج العلوية والسفلية مستقلة ولكن متصلة بواسطة خطوط الأنابيب: يحافظ برج الضغط العالي-على ضغط يبلغ حوالي 0.55 ميجا باسكال، وبرج الضغط المنخفض-يحافظ على ضغط يبلغ حوالي 0.14 ميجا باسكال. يتكثف الغاز في أعلى البرج لإنتاج النيتروجين السائل، والذي يستمر بعضه في التدفق إلى البرج العلوي لمزيد من التقطير، مما يؤدي إلى إنتاج غاز نيتروجين عالي النقاء- أو منتجات نيتروجين سائل.
ويتركز استهلاك الطاقة في هذه العملية بشكل أساسي في مراحل الضغط والتبريد والتقطير. لذلك، يعد تحسين الحمل الحراري ومعلمات التغذية أمرًا أساسيًا لتحسين كفاءة الطاقة.
دور نمذجة المحاكاة في تحسين العمليات
استخدم فريق البحث Aspen Plus لبناء نموذج رقمي لوحدة فصل الهواء، يشمل معدات الوحدة الرئيسية مثل الضواغط والمبادلات الحرارية والمضخات وأبراج التقطير. كشفت مقارنة نتائج المحاكاة مع مواصفات التصميم أن خطأ النموذج كان في حدود 1%، مما يدل على دقته العالية وإمكانية التحقق من توفير الطاقة- وتحسين المعلمات. ركز تحليل المحاكاة على أربعة عوامل رئيسية:
موقع التغذية
تدفق التغذية
ضغط تشغيل عمود التقطير
درجة حرارة التغذية
تؤثر هذه المعلمات بشكل جماعي على الحمل الحراري العلوي للبرج، وإنتاج النيتروجين السائل، والنقاء، وبالتالي تحدد كفاءة الطاقة الإجمالية للنظام.
تأثير معلمات العملية على توفير الطاقة
موقع التغذية
مع الحفاظ على ثبات الظروف الأخرى، وجدت الدراسة أن تعيين موقع التغذية في الدرج 33 أدى إلى الحمل الحراري العلوي للبرج الأقل والأكثر استقرارًا، مما يجعله نقطة التغذية المثالية.
تدفق التغذية
زيادة معدل تدفق التغذية يزيد من إنتاج النيتروجين السائل ولكنه يقلل من النقاوة. عندما يتم التحكم في معدل تغذية البرج السفلي عند 804 كمول/ساعة، يمكن زيادة الإنتاجية مع الحفاظ على نقاء النيتروجين (99.999%).
التحكم في درجة الحرارة
ترتبط درجة حرارة التغذية بشكل إيجابي مع معدل تدفق النيتروجين السائل، ولكن درجات الحرارة المرتفعة بشكل مفرط يمكن أن تؤثر على فصل الأكسجين والأرجون، في حين أن درجات الحرارة المنخفضة بشكل مفرط تزيد من استهلاك الطاقة. حددت الدراسة أن -173 درجة هي درجة حرارة التشغيل المثالية.
من خلال ضبط هذه المعلمات، يمكن لوحدة فصل الهواء تحقيق إنتاج أعلى مع الحفاظ على نفس استهلاك الطاقة، وتحقيق هدف "الحفاظ على الطاقة وتحسين الكفاءة".
التطبيق العملي وتحليل الفوائد الاقتصادية
تم تنفيذ هذا الحل الأمثل في محطة غاز في عام 2022. وأظهرت النتائج أن المحطة يمكن أن تعمل بشكل مستقر عند 120% من حمولتها المقدرة، مما يؤدي إلى زيادة الإنتاج بشكل كبير:
زاد إنتاج النيتروجين بمقدار 450 كمول/ساعة؛
زاد إنتاج-النيتروجين السائل ذو الضغط المتوسط بمقدار 625 كمول/ساعة؛
زاد إنتاج-النيتروجين السائل منخفض الضغط بمقدار 281 كمول/ساعة.
وفي الوقت نفسه، انخفض الحمل الحراري العلوي لعمود التقطير بنسبة 7.48%، مما أدى إلى توفير ما يقرب من 721000 يوان من تكاليف الكهرباء السنوية. واستنادا إلى أسعار السوق، بلغ إجمالي الفوائد الاقتصادية السنوية حوالي 4.6 مليون يوان. يوضح هذا الإنجاز القيمة الكبيرة لتحسين العمليات لمنتجي الغاز الصناعي.
الاستنتاجات والآثار الصناعية
توضح هذه الدراسة المنهج العلمي والنتائج العملية لتحسين توفير الطاقة-في وحدات فصل الهواء المبردة. تسمح برامج المحاكاة المتقدمة مثل Aspen Plus بالتنبؤ المبكر بأداء النظام أثناء مرحلة تصميم العملية، مما يقلل من تكاليف التجربة-و-الخطأ.
بالنسبة لمنتجي الغاز، يوفر تحسين العملية الرقمية ثلاثة آثار رئيسية:
المحاكاة-اتخاذ القرار-بشكل مدفوع: تعمل نماذج المحاكاة على تمكين تصور العملية والتحليل الديناميكي. يسير الحفاظ على الطاقة والربحية جنبًا إلى جنب: لا يؤدي تحسين العملية إلى تقليل استهلاك الطاقة فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى زيادة الإنتاج والأرباح بشكل مباشر.
اتجاهات التصنيع الخضراء: مع تشديد سياسات الحد من انبعاثات الكربون على مستوى العالم، يجب أن تستمر صناعة فصل الهواء في تعزيز التحول في توفير الطاقة-والتحديثات الذكية.
في المستقبل، سيتم دمج الاتجاه الأمثل لوحدات فصل الهواء المبرد بشكل أكبر مع التحكم التنبئي للذكاء الاصطناعي، والأنظمة الرقمية المزدوجة، وهندسة EPC المتكاملة لتحقيق إدارة كاملة لكفاءة الطاقة في دورة الحياة بدءًا من التصميم وحتى التشغيل.
