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

180	Глава 5

чения сдвинутых температур. Соединив линиями отложенные значения тепловых потоков, мы получим большую составную кривую (рис. 5.12). Точка, где тепловой поток равен нулю, показывает локализацию пинча. Пинч делит ХТС на тепловой сток, находящийся выше пинча, и тепловой источник, расположенный ниже пинча (рис. 5.11). Поэтому часть большой

1

2

3

4

5

6

		Горячие
	QHmin = 60	T теплоносители
			A
		B	Избыток горячих
	45		потоков
	65		C
			D
	НУЛЬ	E	Избыток холодных
		F
	30	G	потоков
	20	H
		K
	QCmin = 40	Хладагенты
			H

Рис. 5.13. Характеристика потоков на большой составной кривой

составной кривой, находящуюся выше пинча, можно интерпретировать как суммарный холодный сетевой технологический поток ХТС, который дол-

жен быть нагрет от температуры пинча до своей целевой температуры (рис. 5.13). Для нагрева этого суммарного холодного потока мы можем ис- пользовать горячие утилиты подобно тому, как это может быть представ- лено с помощью температурно-энтальпийной диаграммы в противоточном теплообменнике (рис. 5.13, 5.14а).

Аналогично график БСК ниже пинча можно представить, как сум- марный горячий технологический поток ХТС, и противоточно располо- жить под ним холодные утилиты подобно противоточному теплообменни- ку (рис. 5.14б). Заметим, что суммарный охлаждающий поток можно пока-

Выбор и размещение утилит	181

зать идущим в обратном направлении к суммарному холодному потоку

(рис. 5.14б).

В пинч-анализе график БСК ниже пинча имеет название источнико- вого профиля процесса, а выше пинча – профилем стока процесса.

Т	Т
(а)

Пинч

Q

Т

(б)

Q

Н Q Н

Т

Пинч

Н Q Н

Рис. 5.14. Аналогия большой составной кривой с противоточными теплообменниками: (а) – подсистема выше пинча, (б) – подсистема ниже пинча Q – тепловая нагрузка

обобщенного потока

Заштрихованные области на рис. 5.13 показывают разрывы суммар- ных потоков. Выше пинча секция ВС на большой составной кривой пока- зывает избыток теплоты в температурном интервале № 2. Этот интервал

представляет локальный тепловой источник среди общего теплового стока выше пинча. Аналогично этому секция GН представляет локальный тепло- вой сток среди общего теплового источника, которым является подсистема технологических потоков, располагающихся ниже пинча. Излишек тепло- ты в секции ВС может быть передан тепловому стоку в любом месте меж- ду точкой пинча и точкой D на БСК. Однако, если передавать теплоту ин-

182	Глава 5

тервалу СD, то теплообмен будет осуществляться при минимально воз- можных движущих силах. Это позволяет использовать для нагрева секции ЕD горячие утилиты на более низких температурах, что экономически бо- лее выгодно. Аналогично ниже пинча секция потока GH получает теплоту от FG, что позволяет использовать для охлаждения секции EF высокотем- пературные холодные утилиты.

Таким образом, области BCD и FGH на большой составной кривой

определяют внутреннюю рекуперацию теплоты в процессе и называются карманами рекуперации теплоты. А открытая часть диаграммы вверху ри- сунка, т. е. величина Н от температурной оси до точки А (рис. 5.13), по- казывает целевое значение горячих утилит, внизу рисунка – холодных ути- лит.

Т , °С				QHmin = 1000
220				400
	1
180
			2

140

3

100 Пинч

0 200 400 600 800 1000 Н, кВт

Рис. 5.15. Использование большой составной кривой для выбора целевых значений утилит: 1 – использование греющего пара на 165 °С; 2 – на 142,5 °С; 3 – на 135 °С. Т* –

интервальная температура

Мы уже отмечали, что при выполнении проектов ХТС проектиров-

щик должен стремиться минимизировать использование дорогостоящих утилит. Это означает, что необходимо использовать горячие утилиты на наименьшей доступной температуре, а холодные – на наибольшей доступ- ной температуре.

Рассмотрим верхнюю часть БСК некоторого проектируемого про- цесса, т. е. профиль стока этого процесса, для которого было определено

Тmin = 10°С и QHmin = 1000 кВт (рис. 5.15). Далее предположим, что наи- меньшая температура пара,, используемого в качестве горячей утилиты,

равна 165°С, т. е. при этой температуре пар конденсируется. При изобра-

жении уровня используемого для нагрева пара необходимо его рисовать на температуре 165°С - Тmin/2, т. е. 160°С. Смещать температуру пара необ-

Выбор и размещение утилит	183

ходимо вследствие того, что на температурной оси при изображении БСК откладываются температуры границ сдвинутых интервалов, т. е. темпера- туры на Тmin/2 меньше для температур горячих потоков и на Тmin/2 больше для температур холодных потоков. Поэтому утилитная линия 1 на 160°С на рисунке 5.15 представляет пар на 165°С. Максимальная тепловая нагрузка, которую необходимо получить от пара на этом уровне, равна 600 кВт. Остальные 400 кВт, необходимо получить от пара высокого давления. Является ли данный уровень пара наименьшим? С помощью БСК мы мо- жем расположить пар на линии 2, показывающей, что 600 кВт может быть передано на интервальной температуре 137,5°С, т. е. при температуре кон- денсации пара равной 142,5°С. Если мы будем понижать уровень пара и дальше, то необходимо будет уменьшать и потребляемую тепловую на- грузку от этого пара. Действительно, если использовать пар, конденси- рующийся при температуре 135°С (утилитная линия 3), тогда можно ис- пользовать только 480 кВт тепловой мощности, доступной на этом уровне. При этом нагрузка на пар высокого давления увеличится с 400 кВт до 520 кВт, конечно, если используется только два уровня пара.

Заметим, что Большая составная кривая может быть построена непо- средственно из составных кривых. Для этого строятся составные кривые (см. гл. 2). Затем сдвигаем по температурной оси горячую составную кри-

вую вниз на Тmin/2, а холодную составную кривую – вверх на Тmin/2 (рис. 5.16). При таком построении, как мы уже знаем, границы температурных

интервалов также сдвигаются на соответствующее значение для холодных и горячих потоков. В этом случае мы вправе рассматривать теплообмен между холодными и горячими потоками в каждом температурном интер- вале, т. к. минимальная разность температур в каждом температурном ин- тервале равна Тmin. Рассмотрим, например, интервал №4 (рис. 5.16 б). В

этом интервале суммарное изменение энтальпии горячих потоков равно

НН = НР – Н1, а холодных НС = Н2 – НР. Суммарное изменение энтальпии холодных и горячих потоков будет равно Н = НН + НС = Н2 – Н1. Отсю- да видно, что, если в температурном интервале преобладают холодные по- токи, то общее изменение энтальпии в интервале будет положительным, а если горячие – отрицательным. Это понятно, поскольку если у холодных технологических потоков температура увеличивается, то и их теплосодер- жание возрастает. У горячих же потоков температура уменьшается, и их теплосодержание также уменьшается. Следовательно, при Н > 0 темпера-

турный интервал является энергетическим стоком и к нему необходимо подвести энергию от внешних, по отношению к данному интервалу, ис- точников. При Н < 0 температурный интервал является источником энер- гии и от него необходимо отвести энергию к ниже расположенным темпе- ратурным интервалам или к холодным утилитам.

184	Глава 5

Вполне очевидно, что если мы просуммируем энтальпийные требо- вания Н по всем температурным интервалам выше пинча, то получим ве- личину равную целевому значению горячих утилит, ниже пинча – холод- ных утилит. В принципе, мы можем рассматривать теплообмен между го-

рячими и холодными потоками и вычислять тепловой баланс не только в

T

		(а)	H
	Tинтервал		Tинтервал

T1	α(δΤ)
T2	α	α
T3
T4	δT

H	H
Hp H1 H3 H2
(б)	(в)

Рис. 5.16. Построение большой составной кривой с помощью составных кривых: а – составные кривые процесса; б – сдвинутые составные кривые; в – большая составная кривая. Т – температуры, Н – потоковая энтальпия, Т – сдвинутые температурные ин- тервалы (остальные пояснения в тексте)

Выбор и размещение утилит	185

пределах всего температурного интервала, но и на любой его части, по- скольку минимальная температурная разность между потоками, участ- вующими в теплообмене, не может быть меньше Тmin. Например, для тем- пературного интервала δТ, находящегося в пределах интервала 4 (рис. 5.16 б), энтальпийные требования будут равны значению δН = α(δТ) (рис. 5. 16). Непрерывно изменяя δТ от нуля до границы температурного интерва- ла Т4, мы получим непрерывную функцию энергетических требований α(Т) для любого температурного подинтервала, находящегося в пределах

T*	ВД	T*	ВД

СД

	НД
	Tmin
ОВ	ОВ
H	H

Рис. 5.17. Образование утилитного пинча при размещении утилит с помощью большой составной кривой. ВД – пар высокого давления, СД – среднего и НД – низкого

интервала Т4. Очевидно, такие непрерывные функции α можно получить для любого температурного интервала.

Далее рассмотрим все температурные интервалы подсистемы ХТС,

находящейся выше пинча. Начнем в интервале	Т4 от температуры пинча
и будем непрерывно увеличивать δТ. При этом,	когда δТ станет больше

интервала Т4, мы можем к энергетическим требованиям интервала Т4

равным	Н4 прибавить энергетические требования температурного интер-
вала δТ -	Т4, находящегося в пределах интервала Т3 и т. д. В итоге мы

получим непрерывную функцию α(Т) для подсистемы, находящейся выше пинча. Вполне понятно, что величина α(Т) будет равна расстоянию между сдвинутыми составными кривыми вдоль энтальпийной оси (рис. 5.16 б). Аналогично функцию мы можем построить и для подсистемы потоков, на- ходящейся ниже пинча. Суммируя эти функции, мы будем иметь функцию Н = α(Т) для полного температурного интервала, в котором находятся все

186	Глава 5

технологические потоки ХТС. После этого мы на температурно- энтальпийной диаграмме строим функцию Н = α(Т), как показано на ри- сунке 5.16 в, и в результате получаем большую составную кривую. Вполне ясно, что рассмотренный метод является просто графической иллюстраци- ей метода построения БСК с помощью каскада тепловых потоков, который был описан выше, но иногда он является более удобным и наглядным.

После того, как большая составная кривая построена, мы легко мо- жем разместить утилиты. Заметим здесь, что в каждой точке, где утилит- ный профиль касается большой составной кривой, создается новый (ути- литный) пинч (рис. 5.17).

5.5. Использование БСК

Размещение утилит с помощью БСК более удобно, чем при исполь- зовании составных кривых. Применяя составные кривые для выбора энер- гоносителей, нам необходимо их разрывать и вставлять в разрывы утили- ты. Может возникнуть необходимость в неоднократном повторении такой операции, и каждый раз нам предстоит перерисовывать всю температурно- энтальпийную диаграмму, а при размещении энергоносителей на диаграм-

ме БСК утилитные потоки не взаимодействуют с процессным профилем БСК, и нет необходимости в разрывах БСК и многократном перерисовыва-

нии (рис. 5.18).

При проектировании ХТС, как, мы уже знаем, в качестве горячих

T	ВД T		ВД	T	ВД	T ВД

НД

НД

НД

ОВ	ОВ	ОВ		ОВ
	H	H	H	H
	(а)			(б)

Рис. 5.18. (а) – размещение утилит с помощью составных кривых; (б) – с помощью

большой составной кривой

утилит часто используется пар. БСК дает возможность разместить паровые утилиты с различными температурами конденсации (рис. 5.19). Стоимость каждого такого уровня будет различна, благодаря чему можно минимизи- ровать стоимость внешних утилит, но такое расположение утилит приве- дет к множественным пинчам и усложнению выполняемого проекта.

Выбор и размещение утилит	187

Давайте сейчас вернемся к проблемам, возникающим при размеще- нии утилит с переменной температурой. В примере, изображенном на ри- сунке 5.10, мы пытались определить минимально возможное значение по- токовой теплоемкости топливного газа. Построение большой составной кривой ясно показывает, что утилитный пинч, возникающий при темпера- туре выше температуры процессного пинча (рис. 5.20), будет ограничивать минимально возможное значение потоковой теплоемкости топливного га- за. Отсюда же видно, почему происходит нарушение критерия Тmin в

третьем варианте выбора целевой температуры потока топливного газа (рис. 5.10). С помощью БСК мы можем определить минимальное значение СР топливного газа за один шаг, т. е. без итерационных процедур.

Решение аналогичной задачи необходимо при оптимизации контура

T*

QHmin

T*

Возможно

много

уровней

Стоимость каждого уровня различна

Пинч

H

Рис. 5.19. Количество паровых уровней.

горячего теплоносителя, который часто применяется при проектировании ХТС (рис. 5.21). Капитальная стоимость такого контура состоит из стоимо- сти печи, стоимости насосов, перекачивающих теплоноситель, стоимости арматуры и стоимости теплообменных аппаратов, обеспечивающих пере- дачу тепловой энергии от теплоносителя к технологическим потокам.

Стоимость контура, не включающая стоимость теплообменных ап- паратов, может быть уменьшена с помощью уменьшения расхода теплоно- сителя, т. е. эта стоимость уменьшается с уменьшением температуры воз-

врата теплоносителя в печь при постоянной начальной температуре

188	Глава 5

теплоносителя, т. е. температуре снабжения. Стоимость теплообменников

T T

1 2

3

H	H
(а)	(б)

Рис. 5.20. Определение минимального значения СР топливного газа с помощью БСК

Tвозврат

Tснабжение

T

ь

л

е

т

и

с

о

н

о

л

п

е

Т

сс

це

Tвозвр

ро

П

Tвх

Tвх Тепловая

Tвых нагрузка

процесса

Tснаб

Tвых

Q H

Рис. 5.21. Контур горячего теплоносителя

минимизируется с помощью увеличения движущих сил теплообмена, т. е. увеличением как температуры снабжения, так и температуры возврата теп- лоносителя. Поэтому для выбора минимальной стоимости нам необходимо увеличивать температуру снабжения теплоносителя и выбирать оптималь- ную температуру, с которой он возвращается в печь. Этот принцип приме- няется при проектировании с помощью использования диаграммы профи- ля процессного стока (рис. 5.22).

Выбор и размещение утилит	189

Из приведенной диаграммы видно, что минимально возможный рас-

T*

290O

Tснабжения = 300O

Tmin=20°

				P	m	in
			C
T	возврат min	= 130O
		120O				Пинч

ΔΗ

Рис. 5.22. Метод выбора оптимального расхода теплоносителя с помощью диаграммы

профиля процессного стока

T

290O

CP

120O

min

Пинч не будет лимитирующим

Тmin = 20°

Пинч

ΔΗ

Рис. 5.23. Процессный пинч не всегда будет являться лимитирующим при выборе оп-

тимального расхода теплоносителя