Uvod
Pouzdan rad generatora pare je ključan faktor, kako za sigurnost osoblja energetskog postrojenja, tako i za zadovoljavanje energetskih potreba rafinerije. Na primjer, u postrojenju za opskrbu energijom iz generatora pare s jednim bubnjem i prirodnom cirkulacijom vode, visoka dinamika takvog postrojenja u sprezi s naglim promjenama parametara procesa prerade nafte i neodgovarajućom regulacijom razine vode u bubnju generatora pare može rezultirati značajnim poremećajima u razini vode (Parry, Petetrot i drugi, 1985.). Navedeni poremećaji, u sprezi s vanjskim opterećenjima, mogu u velikom broju slučajeva dovesti do neplaniranih ispada postrojenja (Nahua, Wentong i drugi, 2006.). Stoga je za kvalitetnu ocjenu operativnih performansi postrojenja nužno provesti temeljito modeliranje generatora pare (Luo, Zhang i drugi, 2013.). Ovo je naročito važno u energetskim sustavima koji su odvojeni od distribucijske mreže (tzv. otočni sustavi), kao što su rafinerijska postrojenja, gdje je potrebno u svakom trenutku pokrivati zahtjeve potrošača bez mogućnosti uključivanja vanjskog izvora pričuvne energije. Konačno, precizno modeliranje generatora pare može biti presudno za učinkovito minimiziranje gubitaka energije odnosno izbjegavanje destrukcije energije (Ray, Ganguly i drugi, 2013.; Saidur, Ahmed i drugi, 2010.) i s time povezanim analizama povrata investicije takvog postrojenja. Shodno tome, značajni su istraživački napori posvećeni razvoju preciznih modela u svrhu praćenja internih stanja generatora pare i optimiranje odgovarajućih sustava upravljanja za širok raspon tipova generatora pare i područja primjene, kao što pokazuju Åström i Bell (2000.). Kako bi se dobila potpuna slika rada cjelokupnog generatora pare i procesa proizvodnje vodene pare, potrebno je primijeniti preciznu formulaciju modela procesa zasnovanu na fizikalnim zakonitostima očuvanja mase i energije (Adam i Marchetti, 1999.), koja se može proširiti jednadžbama očuvanja količine gibanja fluida (Gutiérrez-Ortiz, 2011.). Uistinu, fizikalno-zasnovani pristupi modeliranju često primjenjuju analizu ravnoteže energije (Tan, Fang i drugi, 2008.), uzimajući također u obzir specifičnu entalpiju fluida u generatoru pare (Eitelberg i Boje, 2004.) u svrhu izvođenja pojednostavljenog modela. Prethodno spomenuti pristupi rezultirali su s nekoliko modela različitih razina kompleksnosti, kao što je dinamički simulator vodocijevnog generatora pare (engl. water-tube boiler system) kako navode Adam i Marchetti (1999.), model razine vode u bubnju generatora pare s koncentriranim parametrima (Kim i Choi, 2005.) te model generatora pare zasnovan na fizikalnim zakonitostima i empirijskim relacijama (Aliakbari, Ayati i drugi, 2013.). Validacija modela može se provesti ili kroz usporedne simulacijske analize s drugim modelima (Kim i Choi, 2005.), uključujući i usporedbu s podacima iz literature (Gutiérrez-Ortiz, 2011.), ili s obzirom na eksperimentalne podatke, kako predlažu Åström i Bell (2000.), odnosno Leva, Maffezzoni i drugi (1999.). Naravno, potonji pristup se može smatrati najboljim testom valjanosti modela, naročito ako se razmatra primjena modela u stvarnim, pogonskim uvjetima. Međutim, kako bi se obuhvatili svi aspekti procesa proizvodnje pare unutar postrojenja te kako bi se ostvarila visoka preciznost i performanse modela generatora pare (sposobnost vjernog praćenja dinamike generatora pare za širok raspon radnih režima), ključno je izgraditi potpuno fizikalni model koji uzima u obzir unutarnju strukturu generatora pare i njegove rubne uvjete (Gutiérrez-Ortiz, 2011.) te osnovne fizikalne zakonitosti očuvanja mase, energije i količine gibanja fluida (kapljevite i parne faze). Primjene empirijskih relacija, kako predlažu Åström i Bell (2000.), treba po svaku cijenu izbjegavati jer ne moraju biti univerzalno primjenjive, dok se, s druge strane, fizikalno-zasnovani pristup modeliranju može na jednostavan način primijeniti za bilo koje slično postrojenje. U tom slučaju bi bilo potrebno prilagoditi temeljne parametre generatora pare (npr. dimenzije bubnja generatora pare i vrstu goriva) u svrhu postizanja vjernog oponašanja stvarnog vladanja generatora pare. Stoga se u ovom radu analizira generator pare s jednim bubnjem i prirodnom cirkulacijom vode, gdje je korišten dizajn bubnja generatora pare sa sustavom separacije pare zasnovanom na ciklonskim separatorima. Cilj rada je izvesti potpuno fizikalni model isparivačkog kruga generatora pare s koncentriranim parametrima zasnovan na temeljnim fizikalnim zakonitostima, istodobno izbjegavajući bilo kakvo oslanjanje na empirijske relacije između dinamičkih varijabli modela, za razliku od pristupa prikazanih u (Åström i Bell, 2000.), odnosno (Rusinowski i Stanek, 2010.). Materija prikazana u ovom radu zasniva se na radu postrojenja za proizvodnju pregrijane vodene pare, kao integralnog dijela većeg proizvodnog postrojenja rafinerije nafte. U radu se analizira dinamika generatora pare uzimajući pritom u obzir promjene entalpije i tlaka fluida unutar bubnja generatora pare, kao i dinamiku silaznog cjevovoda i cijevi ložišta te se na kraju model validira u odnosu na eksperimentalne podatke dobivene iz sustava nadzora procesnih veličina (engl. Data Collection System, DCS). Dobiveni jednoznačno definirani model pogodan je za analizu različitih dinamičkih pojava u generatoru pare te nadzor rada i dinamičku estimaciju ključnih teško mjerljivih veličina u realnom vremenu. Kako model ne ovisi o vrsti goriva koja se koristi u gorionicima, moguće ga je primijeniti i za potrebe ekonomskih procjena zasnovanih na analizi bilance energije kako u konvencionalnim generatorima pare (pogonjenih fosilnim gorivima), tako i u generatorima pare zasnovanim na alternativnim gorivima (Kaylen, 2005.), a čija primjena postaje sve privlačnija u posljednja dva desetljeća (Saidur, Abdelaziz i drugi, 2011.) naročito u kogeneracijskim postrojenjima (Joelsson i Gustavsson, 2012.). Konačni simulacijski model generatora pare razvijen je i implementiran u Matlab/Simulink programskom okruženju (www.mathworks.com). Rezultati prikazani u ovom radu izvorno su objavljeni u (Sedić, Katulić i drugi, 2014.), te su naknadno prezentirani u sklopu nastupnog predavanja prvog autora na sjednici Sekcije III. za preradu nafte Znanstvenog vijeća za naftno-plinsko gospodarstvo i energetiku Hrvatske akademije znanosti i umjetnosti, održanoj 6. veljače 2018.
