Пинч / Смит Р.,Клемеш Й.,Товажнянский Л.Л.,Капустенко П.А.,Ульев Л.М.-- Основы интеграции тепловых процессов (2000)

170	Глава 5

процессного (рис. 5.3, 5.4б). Аналогичное замечание, но обратное по со- держанию, справедливо для промежуточных холодных утилит. Эти утили- ты, после максимизации их нагрузки, охлаждают горячие потоки выше утилитного пинча (рис. 5.3).

Рис. 5.4. Формирование утилитного пинча между составными кривыми: (а) – процесс- ный пинч сформирован технологическими потоками – А; (б) – формирование утилит- ного пинча технологическими потоками – Б. ВД – пар высокого давления; НД – пар

низкого давления

5.3. Проектирование теплообменных систем при наличии утилитных пинчей

Сейчас мы кратко рассмотрим метод построения теплообменной се- ти для ХТС, в которой имеются утилитные пинчи, образованные введени- ем промежуточных энергоносителей. Локализация утилитных пинчей лег- ко определяется с помощью составных кривых (рис. 5.5). Затем рисуется сеточная диаграмма технологических потоков ХТС, на которой вертикаль- ными линиями показываются пинчи как процессный, так и утилитные. Ес- ли в системе имеется N пинчей, то на сеточной диаграмме они делят сис- тему на N +1 подсистему, каждая из которых находится в тепловом балан- се со своими утилитами. Перед проектированием этот баланс необходимо проверить (рис. 5.5). После этого мы проектируем тепловую сеть незави- симо для каждой из подсистем, применяя уже изученные нами пинч- принципы, т.е. запрещая перенос энергии через каждый из пинчей, удовле- творяя критерию Тmin и СР правилам, а также критериям расщепления по- токов.

Выбор и размещение утилит	171

При этом необходимо помнить, что при удовлетворении тепловых нагрузок потоков, которые нельзя удовлетворить за счет организации теп- лообменной связи между потоками, мы должны использовать только те утилиты, которые доступны для данной подсистемы.

В качестве примера рассмотрим технологический процесс, состоя- щий из четырех потоков, данные для которых приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Потоковые данные для четырех потоковой задачи с утилит- ными пинчами.

Поток	Тип	ТS, °С	ТТ, °С	СР,
				(кВт/°С)
1	Гор.	220	40	2
2	Гор.	150	60	2,5
3	Хол.	20	115	3
4	Хол.	70	170	4

С помощью построения составных кривых мы определяем целевые значения для внешних утилит и Тmin. Необходимая мощность горячих

утилит равна 125 кВт, холодных 25 кВт, а		Тmin = 20°С (рис. 5.6).
	ВД=α	НД=β
ВД		УТП	ПП	УТП
Т
НД	УТП
УТП	Þ	H=-α H=-β		H=γ	H=δ
Процессный
пинч

ОВ

ОТ

Н

ОВ=γ ОТ=δ

(а)

(б)

Рис. 5.5. Построение сеточной диаграммы для ХТС с наличием утилитных пинчей: (а) – составная кривая, (б) – сеточная диаграмма с указанием всех пинчей

172	Глава 5

Анализ составных кривых показывает, что частично пар высокого давления мы можем заменить на более дешевый пар низкого давления. Для

Рис. 5.6. Составные кривые потоковых данных из таблицы 4.1, Тmin = 20°C, QHmin = 125 кВт, QСmin = 50 кВт

этого мы разрываем горячую составную кривую на 120°С и рисуем горя- чую утилиту как поток с СР = : (рис. 5.7). Тем самым мы получили ба- лансные составные кривые, с которыми мы познакомились в главе 4. Мак- симизация тепловой нагрузки на этой утилите приведет к появлению ути- литного пинча на температуре 100 – 120° С с нагрузкой на промежуточную утилиту, равной 75 кВт. После определения локализации утилитного пинча и нагрузок на утилиты мы рисуем сеточную диаграмму потоков, на кото- рой вертикальными линиями отмечаем местоположение пинчей (рис. 5.7б). На сеточной диаграмме утилиты показываются самостоятельными потока- ми. Такая сеточная диаграмма называется балансной сеточной диаграм- мой. В итоге сеточная диаграмма разделяется на три подсистемы потоков,

каждая из которых находится в тепловом балансе со своими утилитами (рис. 5.7б). Поверяем тепловой баланс в каждой из подсистем. Для этого рассчитываем суммарные тепловые нагрузки на горячие потоки и холод-

Выбор и размещение утилит	173

ные потоки. Сумма этих нагрузок должна совпадать с утилитной нагрузкой для этих подсистем.

Рис. 5.7. Размещение промежуточной утилиты на составных кривых: (а) и (б) – баланс- ная сеточная диаграмма потоков, разделенная двумя пинчами на три неизвестных под- системы. ВД – пар высокого давления, НД – низкого давления, ОВ – охлаждающая во- да, ПП – процессный пинч, УТП – утилитный пинч

174	Глава 5

1. В первой подсистеме нагрузка на поток 1 равна:

DH1 = (TT1 - TS1 )× CP1 = (120 - 220)× 2 = -200кВт;

на потоке 2:

DН2 = (120 - 150) × 2,5 = - 7,5 кВт.

Аналогично для холодных потоков:

DН3 = (115 – 100) × 3 = 45 кВт;

DН4 = (170 – 100) × 4 = 280 кВт.

Вычисляем сумму нагрузок:

4

åDHi = 50кВт,

i=1

что соответствует тепловой нагрузке на пар высокого давления (рис. 5.7).

2. Тепловой баланс для второй подсистемы:

DН1 = (90 – 120) × 2 = - 60 кВт; DН2 = (90 – 120) × 2,5 = - 75 кВт;

DН3 = (100 – 70) × 3 = 90 кВт; DН4 = (100 – 70) × 4 = 120 кВт;

4

åDHi = 75кВт,

i=1

что соответствует тепловой нагрузке на пар среднего давления. 3. Тепловой баланс для третьей подсистемы:

DН1 = (40 – 90) × 2 = - 100 кВт;

DН2 = (60 – 90) × 2,5 = - 75 кВт;

DН3 = (70 – 20) × 3 = 150 кВт.

Тепловой поток №4 в этой подсистеме отсутствует, поэтому

4

åDHi = -25кВт,

i=2

Выбор и размещение утилит	175

что равно тепловой нагрузке на холодные утилиты.

Итак, тепловой баланс во всех трех подсистемах соблюдается. Далее, используя сеточную диаграмму (рис. 5.7б), выполняем проекты теплооб- менных сетей в каждой из подсистем. Как обычно начинаем с процессного пинча и движемся в стороны от него. Начнем с подсистемы, находящейся ниже пинча. Критерий числа потоков ниже процессного пинча выполняет-

ся Nout ³ Nin, но критерий, т. е. СРout ³ CPin не выполняется, поэтому холод- ный поток в этой подсистеме разделяем на два потока (рис. 5.8).

Далее размещаем теплообменники, как показано на рисунке 5.8, и рассчитываем тепловую нагрузку на них.

Нагрузка на теплообменник 1:

		УТП		ПП
		120°			90°		СР
220°		142.5°					40°
	9		4		2	С	2
1		7					60°
150°
2		8		3	1		2.5	{1.5
115°		НД 6	5				20°
							3 3
170°	118.75°							1.5
							4
Н					4
50		100			70
	1		2		3

Рис. 5.8. Для достижения целевых значений в многопинчевых задачах проектирование выполняется в каждой из подсистем потоков, сформированных пинчами, независимо

друг от друга

(ТS2 – TT2)CP2 = (ТT3 – TS3)CP3; (90 – 60) × 2,5 = (70 – 20) × 1,5; 75 кВт = 75 кВт,

на второй теплообменник:

(90 – 40) × 2 = (70 – 20) × 1,5; 100 кВт ¹ 75 кВт.

176	Глава 5

Следовательно, от потока 1 необходимо дополнительно отводить те- пловой поток мощностью 25 кВт. Поэтому размещаем на нем охладитель (утилитный теплообменник) (рис. 5.8).

В подсистеме 2 начинаем размещение теплообменников со второго потока как потока, входящего в пинч и имеющего наибольшее значение СР. Размещаем теплообменник между потоком 2 и 4 и максимизируем на- грузку.

Здесь DН2 = 75 кВт, а DН4 = 120 кВт, поэтому на потоке 4 слева от теплообменника 3 необходимо поставить нагреватель мощностью 45 кВт.

Размещаем теплообменник 4 между потоками 1 и 3 и максимизируем нагрузку на нем. Здесь DН1 = 60 кВт, а DН3 = 70 кВт, поэтому для приведе- ния потока 3 к пинч температуре, слева от теплообменника 4, дополни- тельно требуется еще 30 кВт.

Остатки нагрузки у потоков 3 и 4 удовлетворяем с помощью тепло- обменников 5 и 6, связывающих эти потоки с паром низкого давления.

В подсистеме 1 выше утилитного пинча для любых потоков выпол- няется соотношение СРout ³ CPin. Поэтому размещаем теплообменник 3 на потоках 1 и 3 и максимизируем нагрузку. DН3 здесь равно 45 кВт, а DН1 = 200 кВт, и тогда слева от теплообменника 7 на потоке 1 еще необходимо снять 155 кВт. Рассчитываем температуру перед теплообменником 7 на потоке 1 из соотношения

(Т¢- 120°) × 2 = 45, т. е. Т¢=142,5°С.

Восьмой теплообменник размещаем между потоком 2 и потоком 4 и максимизируем нагрузку. Здесь DН2 = 75 кВт, а DН4 = 280 кВт, т.е. к пото- ку 4 после теплообменника 8 необходимо подвести тепловой поток мощ- ностью 205 кВт. Рассчитываем температуру на потоке 4 после теплооб- менника 8, она равна 118,75°С. Следовательно, без нарушения критерия DТmin мы объединяем теплообменником 9 потоки 1 и 4 и максимизируем на нем нагрузку. Далее полученная теплообменная схема может быть оптими- зирована с помощью методов, описанных в главе 4.

5. 4. Большая составная кривая

Итак, мы видим, что составные кривые могут использоваться для размещения некоторых видов утилит, но при этом существует одно боль- шое неудобство, а именно, разрыв составных кривых и их перерисовыва- ние (рис. 5.4). В том случае, если необходимо разместить большое число различных утилит, это можно привести к сильному загрязнению рисунка, ошибкам и множественным проверкам.

Выбор и размещение утилит	177

Размещение утилит с помощью составных кривых может быть за- труднительно и в других случаях. Давайте рассмотрим случай, когда горя- чий конец холодной составной кривой находится слишком высоко, чтобы можно было использовать пар в качестве горячих утилит. В этом случае

Рис. 5.9. Нам необходимо разрывать составные кривые при размещении промежуточ-

ных утилит

для нагрева холодных потоков используются печи, в которых нагрев про- исходит за счет теплоты продуктов сгорания топливного газа.

Для минимизации потребления печного топлива необходимо умень- шить потоковую теплоемкость продуктов горения до минимально необхо- димой, но как представить это на составных кривых?

Данную горячую утилиту можно было бы разместить тремя спосо-

бами (рис. 5.10):

1.Мы можем выбрать целевую температуру продуктов сгорания равную температуре начала горячей составной кривой, но такой подход не минимизирует СР продуктов сгорания, т. к. поток с наименьшим значением СР на температурно-энтальпийной диа- грамме должен иметь наиболее крутой наклон.

2.Мы можем попытаться выбрать в качестве целевой температуры продуктов горения – температуру, на которой формируется ути- литный пинч, но мы увидим, что с помощью графического по- строения эту температуру определить нелегко.

3.Мы можем выбрать в качестве целевой температуры – темпера- туру минимально доступную для горячих утилит, т. е. пинч тем- пературу горячих потоков. Перерисовав составные кривые, мы

увидим, что это приведет к нарушению критерия Тmin.

178	Глава 5

Все это приводит к тому, что только в результате большого количе- ства проб и ошибок мы можем определить минимально возможное значе- ние для СР продуктов сгорания, а это означает, что составные кривые не являются идеальным инструментом для выбора утилит.

Рис. 5.10. Определение минимально допустимого значения СР продуктов сгорания

В пинч-анализе наиболее подходящим инструментом для понимания взаимодействия утилит с процессом является “Большая составная кривая” (БСК) [10]. Большая составная кривая строится с помощью теплового кас- када, получаемого в алгоритме табличной задачи (гл. 2). Как мы помним, для построения теплового каскада сначала производится сдвижка состав- ных кривых, горячая составная кривая сдвигается на Тmin/2 вниз, а холод- ная – на эту же величину вверх. Вычисляются сдвинутые температурные

интервалы и рассчитывается общий тепловой баланс в этих интервалах (2.5). Полученные значения теплового баланса каскадируются вниз от ин- тервала к интервалу, начиная с наибольших температур. Затем каскад кор- ректируется так, чтобы потоки теплоты между температурными интерва- лами не были, по крайней мере, отрицательными. В результате определя- ется локализация пинча и целевые значения для утилит.

Выбор и размещение утилит	179

Предположим, что для некоторого процесса мы определили тепловой

T интервал

1

2

3

4

5

6

QHmin = 60

45

65

НУЛЬ ← ПИНЧ

30

20

QCmin = 40

Тепловой сток, т.е. “сетевой холодный поток процесса”

Тепловой источник, т.е. “сетевой горячий поток процесса”

Рис. 5. 11. Тепловой каскад ХТС

Рис. 5. 12. Построение Большой Составной Кривой (БСК) ХТС

каскад (рис. 5.11). Отложим величину тепловых потоков на температурно- энтальпийной диаграмме. При этом на оси температур откладываются зна-