Prosessiuunien ilmavuotojen määritys

Abstract

Prosessiuunit muodostavat merkittävän osan öljynjalostamon energiankulutuksesta. Tässä diplomityössä käsitellään prosessiuunien ilmavuotojen vaikutusta uunin toimintaan ja polttoainekustannuksiin sekä tutkitaan keinoja ilmavuotojen määrittämiseksi, tavoitteena prosessiuunien energiatehokkuuden parantaminen.

Kirjallisuusosassa esitellään ilmavuotojen lämpö- ja virtausteknisen laskennan perusteet osana uunin ilma- ja savukaasukiertoa. Lisäksi käsitellään ilmavuotojen vaikutuksia prosessiuunin toiminnalle sekä vuotojen paikantamisen ja mittaamisen mahdollisuuksia.

Soveltavassa osassa tarkastellaan Nesteen Porvoon jalostamon kolmen prosessiuunin ilmavuotoja simulointimallien ja kentällä tehtyjen kokeellisten mittausten avulla. Simuointimallit pyrittiin saamaan mahdollisimman lähelle todellista prosessia käyttämällä simuloinnin lähtöarvoina prosessin mittaustietoja sekä prosessiaine- ja polttokaasuanalyyseja. Simuloinnista saatua palamisilmavirtaa verrataan mitattuun ilmavirtaan, jolloin saadaan määritettyä kokonaisvuotomäärä.

Kokeellisia mittauksia tehtiin tarkasteltavien prosessiuunien tarkastusluukuille käyttäen mittaussuppiloa ja siipipyöräanemometria. Mittausten avulla saadaan selvitettyä mittauskohteiden vuodot sekä laskettua mitatulle vuotoaukolle kertavastuskerroin kirjallisuus-osassa käsitellyn teorian avulla. Kertavastuskertoimen avulla määritetään edelleen simuloinnista saadun vuotomäärän avulla uunin kokonaisvuotopinta-ala.

Lopuksi ilmavuotojen aiheuttamia kustannuksia arvioidaan simulointimallien avulla. Tarkastelluissa uuneissa on sekä vuotamattomia että vuotavia uuneja. Vuotavat uunit tulisi pyrkiä korjaamaan, sillä vuodot aiheuttavat merkittäviä lisäkustannuksia ja huonontavat uunien energiatehokkuutta. Tässä työssä esiteltyä uunimallinnusta ja vuototarkastelua tulisi soveltaa säännöllisesti myös muihin prosessiuuneihin. Näin pystytään seuraa-maan uunin toimintaa jatkuvasti ja parantamaan uunien energiatehokkuutta.

Process heaters represent a significant part of the energy consumption in oil refinery. This master’s thesis deals with the air leakage effects on operation and fuel costs of the process heater, as well as methods to determine the air leakage with the aim of improving the energy efficiency of process heaters.

The literary section presents the fundamentals of the flow dynamics and thermodynamics of the air leakages as a part of process heater air and flue gas cycle. Furthermore, this section deals with the impacts of the air leakages and analyses leakage detection and measurement opportunities.

The experimental section consists of air leakage determination of three process heaters in Neste’s Porvoo refinery by means of simulation models and field measurements. Simulation models were made to match with the real process as closely as possible. Simulation inputs consisted of process measurements, process fluid analyses and fuel gas analyses. The total amount of air leakage could be determined by comparing simulation models with process measurements.

Field measurements were performed for the sight doors of each of the three process heaters by using a measurement funnel and a vane anemometer. The measurements could be used for the air leakage determination of the opening, as well as the calculation of the flow resistance coefficient of the leaky opening by using theory presented in the literary section. Furthermore, the resistance coefficient could be used for calculating the leakage area of the total leakage determined by the simulation models.

Finally, the cost of air leakage is estimated using same simulation models. Both leaky and tight process heaters are found among the studied heaters. Leaky process heaters should be repaired because air leaks cause significant additional costs and decrease the energy efficiency of the heaters. The simulation modelling and leakage determination presented in this master’s thesis should be also applied to other process heaters on a regular basis. Thus heater operations could be monitored constantly and the energy efficiency of the heaters could be improved.