Большая энциклопедия нефти и газа. Регенеративные отборы пара как скрытый вращающийся резерв энергосистемы

Сравнительный анализ трех схем отбора, которые используются в домашних бражных и ректификационных колонах. Рассмотрены характеристики, преимущества и недостатки, а также применимость в различных вариантах дистилляции. Каждому методу соответствует свой тип оборудования.

Чтобы успешно работать с колонной, нужно регулировать флегмовое число. Для этого существует три метода:

• CM (cool managment) – управление расходом воды, подаваемой на охлаждение дефлегматора;
• LM (liquid managment) – управление количеством отбираемой флегмы (отбор по жидкости);
• VM (vapor managment) – управление количеством отбираемого пара (отбор по пару).

Прежде чем начать разговор о видах отбора, определимся с терминами.

Дистилляция – процесс испарения жидкости с последующей конденсацией.

Если изначально сырье испарили из перегонного куба, затем сконденсировали его в холодильнике (конденсоре), то чтобы ни происходило посредине этого процесса (проход пара через сухопарник, барботёр или дефлегматор), в конечном итоге всё равно получится дистиллят.

Ректификация – это один из методов дистилляции, который отличают два технологических приема:

Принудительный, строго регулируемый по величине возврат флегмы с помощью специальных устройств – дефлегматоров или конденсоров.

Организован тепломассобмен между флегмой и поднимающимся навстречу паром. Для повышения эффективности тепломассобмена используют насадку или тарельчатые колонны, где происходит переиспарение флегмы. В первом случае процесс носит пленочный характер, во втором – барботажный.

Целью ректификации является получение спирта заданной крепости и его очистка от примесей. Для этого флегмовое число должно всегда быть выше минимального (подробнее на графике).

Качество продукта зависит от величины флегмового числа, но чем оно выше, тем ниже производительность колонны.

Ректификация не позволяет выделить какую-либо смесь из группы, а лишь более-менее полностью удаляет все сгруппированные по близкой летучести примеси. Поэтому если использовать ректификационное оборудование для получения, например, фруктовых дистиллятов, существует риск сгруппировать головную фракцию в трудно разделяемые азеотропы – удалить вместе с ненужными примесями полезные эфиры, отвечающие за аромат.

Если попытать выгнать благородный дистиллят на ректификационном оборудовании, нужно чтобы во время всего отбора флегмовое число не превышало 1,5-2. Иначе баланс примесей будет нарушен.

Виды узлов отбора в колонне

Жидкостный отбор (liquid managment)

LM – регулировка количества отбора по жидкости. Наиболее удобная и легкая в эксплуатации схема, при которой все пары конденсируются, затем одна часть конденсата возвращается в колонну, другая – идет в отбор.

Характеристики. Регулировка флегмового числа осуществляется одним игольчатым краном отбора спирта. Если кран полностью открыт, флегмовое число равно нулю, а на выходе получается обычный дистиллят. При закрытом кране флегмовое число бесконечно большое – колонна работает на себя. Регулировка краном жидкостного отбора позволяет в любой момент изменить флегмовое число от 0 до 100%. Мощность нагрева и охлаждения устанавливают на оптимальном уровне, обеспечивающем максимальную разделительную способность колонны и минимальное охлаждение флегмы.

Как правило, флегмовое число задают несколько выше минимального, что при отборе «тела» позволяет сравнительно долго обходится без регулировок, но ближе к концу отбора всё же приходится активно регулировать процесс. При этом чем меньше остается спирта в кубе, тем чаще приходится увеличивать флегмовое число.

Преимущества:

• подходит для получения как ароматных, так и чистых спиртов;
• легко и относительно дешево автоматизируется вплоть до АСУ (автоматизированной системы управления) процессом производства с блоками безопасности;

Недостатки:

• если зафиксировать скорость отбора на одном уровне, то по мере ректификации флегмовое число будет падать. Это противоречит технологической необходимости в постепенном поднятии скорости к концу отбора, что является главным недостатком;
• необходим разрыв струи (связь с атмосферой) после регулировочного крана или клапана, иначе возможны сбои в регулировке скорости отбора за счет разряжения в линии отбора, которое создают стекающие потоки спирта.

Паровой отбор (vapor managment)

VM – регулировка разделением потоков пара до дефлегматора. Управление колонной осуществляется путем изменения количества отбираемого пара с помощью шиберного или обычного шарового крана.

Характеристики. Соотношение площадей поперечного сечения колонны и пароотводящей трубы определяет минимальное флегмовое число, которое можно увеличить, регулируя положение крана.

При перегонке количество возвращаемой флегмы регулируется от 80 до 100%. Минимально возможное флегмовое число равно 4.

Преимущества:

• чувствительность к положению крана весьма мала, что позволяет делать точные регулировки;
• флегмовое число не зависит от изменения температуры или расхода охлаждающей воды в дефлегматоре;
• нет повышенной чувствительности к стабильности давления охлаждающей воды.

Недостатки:

• система управления инерционна, от смены положения крана до изменения скорости отбора может пройти до 10-15 секунд;
• не подходит для получения ароматных спиртов из натурального сырья. Требуются конструктивные изменения, позволяющие регулировать количество возвращаемой флегмы от 50 до 100%;
• колонна с паровым отбором чувствительна к пробкам на линии отбора продукта. Если в силиконовом шланге сформируется столбик продукта, стекая, он создаст разряжение, и как насосом потянет пар на себя, нарушая установленное флегмовое число. Вследствие этого резко и неконтролируемо увеличится скорость отбора, без вмешательства оператора система не вернется на прежний уровень. Остановить неконтролируемый отбор можно установкой связи с атмосферой (создать разрыв струи). Например, воткнуть иглу от шприца в верхнюю часть трубки отбора;
• автоматизация сложна и дорога. Часто выполняется в виде сигнализатора достижения определенных температур, но без исполнительных механизмов. Также желательна автоматика безопасности.

Управление охлаждением (cool managment)

CM – регулировка количества воды, подаваемой в дефлегматор. Позволяет контролировать количество пара, проходящего сквозь дефлегматор на холодильник отбора продукта.

Характеристики. Флегмовое число регулируется от 0 до 100 %, но система очень чувствительна к количеству подаваемой воды и требует прецизионного игольчатого крана. Для регулирования скорости отбора приходится поворачивать кран буквально на доли миллиметра. Мощность нагрева во время всего процесса должна быть постоянной и обеспечивать максимальную разделительную способность колонны. С увеличением количества подаваемой воды увеличивается и количество возвращаемой флегмы, соответственно, возрастает флегмовое число.

При ректификации на постоянной мощности охлаждения и нагрева происходит постепенное уменьшение отбора, но флегмовое число остается неизменным.

Преимущество:

• может с успехом использоваться для получения ароматных спиртов из натурального сырья.

Недостатки:

• малейшие колебания напора приводят к изменению скорости отбора и флегмового числа. Если не предпринять мер по стабилизации давления охлаждающей воды в квартире, на процесс отбора будет влиять даже спущенный соседями унитаз;
• повышение температуры воды в дефлегматоре при неизменном ее количестве уменьшает флегмовое число, поэтому для поддержания стабильного флегмового числа нужен контроль за расходом и температурой воды, подаваемой в дефлегматор;
• требуется связь с атмосферой в линии отбора продукта, иначе при случайном отключении нагрева и трубке, погруженной в отбор, весь продукт снова окажется в кубе;
• система дорога и сложна в автоматизации. Обычно на такие ректификационные колонны ставят простейшие термосигнализаторы и автоматику безопасности.

Практика установки разных узлов отбора на колонны

Колонны с жидкостным отбором (LM)

В домашних колоннах отбор по жидкости получил самое широкое распространение. Причина проста – процесс ректификации 40 литров самогона затягивается на 18-20 часов. Можно уменьшить навалку вдвое, но тогда резко вырастает доля оборотного (технического) спирта, который придется перерабатывать при каждой ректификации.

Если говорить о производительности системы как о количестве товарного спирта, полученного за общее время ректификации (включая нагрев), то при уменьшении объема навалки в 2 раза, эффективность снижается примерно в 1,5 раза.

Другой путь минимизации объема получаемого технического спирта при максимальной производительности – автоматизация процесса, позволяющая делать перегонку по заранее заданному алгоритму без участия оператора. Система автоматики обязательно должна иметь не только исполнительный контур, но и блок безопасности, который моментально отключит оборудование при угрозе аварии.

Ректификационная колонна с жидкостным отбором автоматизируется проще и дешевле других систем, а по качеству получаемого спирта ничем не уступает другим типам оборудования.

Колонны с паровым отбором

Системы отбора по пару распространены за рубежом, где спирт и его производные уступают в популярности дистиллятам (коньяку, виски и т. д.), но ценится высокая крепость напитка. Иностранные умельцы конструируют ректификационные колонны с паровым отбором, имеющие минимальное флегмовое число – всего лишь 1, а не 4 как в России. При такой схеме обратно в колонну уходит не менее 50% флегмы.

В режиме дистилляции паровой отбор практически не нуждается в автоматике. Заданное на старте отбора «тела» флегмовое число сохраняется неизменным до конца, изменить его может только оператор, но даже при получении спирта регулировка нужна буквально пару раз.

Скорость же отбора к концу перегонки резко уменьшается вплоть до остановки. Если есть желание поохотиться за энантовыми эфирами (во многом создают органолептические свойства фруктовых дистиллятов) – меняют банки и увеличивают мощность нагрева, дальше следует дробный отбор и сортировка.

Если энантовые эфиры не требуются, делают то же самое, но дополнительно используют паузы для работы колонны на себя, чтобы остатки спирта были более концентрированными и с меньшим количеством примесей.

Автоматика в колоннах с паровым отбором нужна только на уровне блока безопасности. Кроме того, получение дистиллята предусматривает не группирование примесей по фракциям и полное их удаление, а сбалансированное снижение концентраций веществ до приемлемого уровня с обязательным сохранением вкусо-ароматических составляющих. Это дело для мастера-винокура, контролирующего процесс, регулировка по приборам здесь неуместна. Навалка ограничена объемом, который можно перегнать под руководством человека за имеющееся время.

Колонны с регулировкой подачи воды в дефлегматор

Несмотря на все недостатки, этот тип оборудования часто используется в России при строительстве бражных колонн. Причина – возможность получения дистиллятов из любого сырья, а при необходимости без изменения конструкции (дополнительная царга не в счет) можно собирать дистиллят высокой степени очистки – почти как спирт.

Колонны с регулировкой подачи воды в дефлегматор дороги в автоматизации, чувствительны к напору и температуре охлаждающей воды, что делает их слабо пригодными для получения чистого спирта-ректификата, но при малых навалках до 20 литров и неусыпном внимании оператора такие колонны способны на многое.

Кроме того, схема cool managment является лучшей для отбора «голов». При прочих равных условиях получить более концентрированные «головы» на системах отбора по пару и по жидкости невозможно. Правда, это только если справиться со стабилизацией температуры и напора воды в дефлегматоре.

В последние годы делаются попытки создания гибридных ректификационных колонн, в которых «головы» отбирают по пару методом СМ, а «тело» по жидкости (LM). Это повышает и без того высокие показатели качества спирта на колоннах LM. Совершенству нет предела.

При строительстве бражных колонн, сориентированных на ароматные дистилляты, оборудование VM имеет преимущество перед СМ за счет простоты управления, а также нечувствительности к температуре и расходу воды в дефлегматоре – больше предсказуемость в «причесывании» примесей. Для сахарного сырья бражные колонны по схеме СМ перспективней за счет более качественного удаления головной фракции. Но управление ими создает немало проблем.

Может быть предложена следущая классификация паровых турбин:
А. В зависимости от характера теплового процесса паротурбинной установки.
1.Турбины конденсационные
а). турбины конденсационные без отборов пара
б). турбины конденсационные с промежуточными отборами пара
1.с нерегулируемыми отборами
2.с регулируемыми отборами
3.как с регулируемыми, так и нерегулируемыми отборами
в). турбины с промежуточным подводом пара
г). турбины мятого пара
2.Турбины с повышенным давлением на выхлопе
а). турбины с ухудшенным вакуумом
б). турбины с противодавлением
в). турбины предвключенные
Б. В зависимости от давления пара, поступающего в турбину: низкого, среднего, высокого и сверхкритического.
Турбины конденсационные без отборов пара
В этих турбинах всё количество подводимого свежего пэра, пройдя турбину и расширившись в ней до давления, меньшего, чем атмосферное (обычно 0,0035 – 0,005 МПа), направляется в кон-денсатор, где тепло отработавшего пара отдается охлаждающей воде и полезно не используется.
Турбины конденсационные с нерегулируемыми отборами
Нерегулируемые отборы пара, называемые также регенеративными, предназначены для по-догрева питательной воды, поступающей затем в парогенераторы. Количество регенеративных отборов зависит от начальных параметров пара в турбоустановке и составляет от 5 до 8 (рис.10). Свое название (нерегулируемые) они получили от того, что давление пара в них не остается постоянным, а изменяется самопроизвольно, в зависимости от расхода пара на турбоагрегат.
Турбины с регулируемыми отборами
Регулируемыми называются отборы, в которых давление отбираемого пара на всех режимах работы турбоагрегата автоматически поддерживается постоянным или же регулируется в заданных пределах с тем, чтобы потребитель получал пар определенного качества. Существует два вида тепловых потребителей: промышленные, где требуется пар с давлением до 1,3  1,5 МПа (производственный отбор) и отопительные, с потребным давлением 0,05  0,25 МПа (теплофикационный отбор) (Рис.11а). Если требуется пар как производственного, так и отопительного назначения, то в одной турбине могут быть осуществлены два регулируемых отбора: промышленный и теплофикационный (рис11б).
Турбины с регулируемыми и нерегулируемыми отборами
В таких турбинах предусмотрены как регенеративные, так и регулируемые. Отборы (рис.12, а). и б).). Как правило, из камеры регулируемого отбора часть пара направляется на подогрев питательной воды, а остальное количество (по потребности) – тепловым потребителям.

Турбины с промежуточным подводом пара (турбины двух давлений)
В этих турбинах в промежуточную ступень подводится пар, имеющий достаточный потенциал (давление), отработавший где-либо в технологических процессах, т.е., пар с производства, который по каким-то причинам не может быть рационально использован на самом производстве (рис.13).
Турбины мятого пара
Эти турбины применяются для использования пара низкого давления, отходящего с производства после технологических процессов, который по каким-либо причинам не может быть использован для отопительных или технологических нужд. Давление такого пара обычно несколько выше атмосферного, и он направляется в специальную конденсационную турбину, называемую турбиной мятого пара.
Турбины с ухудшенным вакуумом
Турбины с ухудшенным вакуумом имеют давление на выхлопе ниже атмосферного, но в 15 – 20 раз выше, чем обычные конденсационные, т.е., 0,05 -0,09 МПа. Отработавший пар, соответст-венно, имеет значительную температуру – до 90 °С. Вместо конденсатора здесь ставится бойлер, через который прокачивается сетевая вода, используемая далее для отопительных, бытовых или агрономических целей.
Турбины с противодавлением
У этих турбин отсутствует конденсатор. Отработавший пар, имеющий давление выше атмосферного, поступает в специальный сборный коллектор, откуда направляется к тепловым потребителям, отопительным или производственным.
Давление на выхлопе (и в коллекторе) поддерживается в соответствии с требованиями объекта теплоснабжения, (рис.14).
Предвключенные турбины
Предвключенными называются турбины с противодавлением, отработавший пар которых направляется далее в обычные конденсационные турбины для глубокого расширения. В таком варианте предусматриваются два электрогенератора (рис.15), т.е., турбоагрегат является единым по паровому потоку, но с раздельной выработкой электроэнергии.

Паровая турбина — это машина, предназначенная для преобразования тепловой энергии пара в механическую энергию вращения.

В , как следует из названия, работу совершает нагретый пар. Пар в турбину поступает из или котла-утилизатора. Температура, с которой приходит в турбину пар, может быть разной. Но в основном, температура пара в районе 500-570 градусов Цельсия. Давление, также, разнообразное. Самое распространённое, это — 90 ата, 130 ата и 240 ата.

По типу паровые турбины делятся на: конденсационные, теплофикационные, теплофикационные с отбором пара на производство, противодавленческие.

В общем можно сказать, что тип турбины зависит от того, сколько и полностью ли пар совершает работу в турбине и куда он ещё идёт «на сторону».

Конденсационные турбины

Вероятно, этот тип турбин самый распространённый (маркировка — К). В комплекте с самой такой турбинной обязательно есть ещё устройство для сбора отработавшего пара — конденсатор. Весь отработавший пар в такой турбине поступает в конденсатор.

Конденсационные паровые турбины предназначены для выработки электричества. Т.е. такие турбины ставят на . На ставят, в основном, другого типа турбины. Весь пар с котла поступивший в такую турбину совершает работу для получения электроэнергии. Тепловую энергию с таких турбин не получают, за редкими исключениями.

В России такие турбины в советское время производил завод ЛМЗ — Ленинградский металлический завод. В настоящее время он переименован в ОАО «Силовые машины».

Теплофикационные турбины

Турбины типа — Т. Этот вид турбин устанавливают на ТЭЦ, т.е. там, где помимо выработки электричества, ещё нужно получать тепловую энергию — отопление и горячее водоснабжение.

У теплофикационных турбин существуют регулируемые теплофикационные отборы пара. Регулировка осуществляется поворотной диафрагмой. Пар с такого отбора поступает в сетевые подогреватели — теплообменники, где пар передаёт своё тепло сетевой воде.

Теплофикационные турбины, как правило, могут работать и в конденсационном режиме, например, в летнее время. В таком случае пар на сетевые подогреватели не поступает, а весь используется для выработки электричества.

Теплофикационные турбины в России производятся на УТЗ — Уральском турбинном заводе.

Теплофикационные турбины с промышленным отбором пара

Маркировка таких турбин — ПТ.

Промышленный отбор пара означает то, что часть пара с таких турбин уходит на какое-либо стороннее производство (завод, фабрику и т.д.). Пар может возвращаться обратно на электростанцию в виде конденсата, а может и полностью теряться.

Такие турбины в настоящее время практические не устанавливают. В советское время их устанавливали на ТЭЦ вблизи крупных промышленных предприятий — химических комбинатов, деревообрабатывающих заводах и т.д..

Противодавленческие турбины

Противодавленческие турбины имеют маркировку — Р. В составе таких турбин отсутствует конденсатор, а весь отработавший пар идёт с каким-либо небольшим давлением стороннему потребителю.

Этот тип турбин в настоящее время, как и турбины ПТ, не находит применение за редким исключением. После распада Советского Союза многие такие турбины «пылились» без дела, так как отсутствовал внешний потребитель отработавшего пара. Без потребителя пара невозможна и их эксплуатация, а значит и выработка электричества.

Паровая турбина Р-27-8,8/1,35 :

Но позже нашли оригинальное решение их модернизации. В пару к таким турбинам начали устанавливать небольшие турбины типа К (конденсационные), рассчитанные на работу с низким давлением пара. Т.е после того, как пар отработал в турбине Р, он не идёт стороннему потребителю, а поступает на вход дополнительно установленной турбины типа К, где завершает свою работу и конденсируется в конденсаторе.