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

240	Глава 6

тальпийно-температурной плоскости составными кривыми, а значит к ним возможно применение плюс/минус, ПГПГ и ПХПХ принципов.

Рецикл

		ОВ
		Управление
Пар		давлением
		Питание
реактор
	ОВ	Продукт
		Пар
		Пар
		Побочный
		продукт

Рис. 6.19. Изменение давления в разделительной колонне оказывает локальное влияние

на технологические потоки

Для изменения технологических характеристик процессов могут ис- пользоваться следующие параметры:

∙Степень превращения в реакторах, давление и температура в ре- акторе и т. д.;

∙Давление в дистилляционных колоннах, флегмовое число и т. д.;

∙Параметры газовых и паровых турбин;

∙Параметры тепловых насосов;

∙Давление греющего пара;

∙Количество ступеней компрессора;

∙И т. д.

Для того, чтобы применение плюс/минус, ПГПГ и ПХПХ принципов было успешным, необходимо глубоко понимать, как каждый из указанных

параметров воздействует на температуру и энтальпию технологических потоков.

Широкое применение пинч-анализа в течение последних двух деся- тилетий показало, что проектировщик, имеющий некоторый опыт работы,

Дополнительные принципы пинч-анализа	241

Т

Т

Н	Н
(a)	(б)

Рис. 6.20. Влияние изменения локального и глобального параметров на составные кри- вые: (а) – изменение глобального параметра процесса – степени превращения в реакто- ре оказывает незначительное влияние на изменения составных кривых и, в конечном счете, на целевые энергетические значения и капитальные затраты; (б) – изменение ло- кального параметра процесса – давления в колонне имеет сильное влияние на состав- ные кривые, целевые энергетические значения и капитальные затраты

может предложить, скажем, 50 возможных изменений технологических параметров процесса, и только 3 или 4 из них, как правило, приводят к уменьшению общей приведенной стоимости проекта.

Основное правило, обеспечивающее успешное применение рассмот-

Т

Т

				ра
			а	з
				д
		м			е
					л
	т	е			е
	с					н
	и
			Реактор			и
	С
						я

(а)	Основной случай	Н	После коррекции Н
	(б)		(в)

Рис. 6.21. Прежде, чем выполнять проект теплообменной системы процесса (а), его не- обходимо корректировать (б)

242	Глава 6

ренных нами принципов, заключается в следующем: после того, как вы- полнен проект реакторно-разделительной системы (химического процесса) и построены составные кривые, необходимо выполнить модификацию процесса. Это повлечет за собой изменение составных кривых и определе- ние нового значения Тmin (рис. 6.21), и только после этого можно присту- пать к выполнению проекта теплообменной системы и его оптимизации.

6.2.Пороговые задачи

До сих пор мы рассматривали задачи проектирования ХТС, которые в области пинча делятся на две термодинамически независимые подсисте- мы, каждая из которых находится в тепловом балансе со своими утилита- ми, а именно, система технологических потоков, располагающаяся над пинчем или система “Стока”, которая находится в тепловом балансе с го- рячей утилитой, а подсистема ниже пинча или “Источник” – в тепловом балансе с холодной утилитой (рис. 2.25). И даже, когда в этих случаях мы будем Tmin уменьшать до 0, вследствие чего капитальные затраты будут стремиться к бесконечности, будет оставаться необходимость в использо- вании обеих утилит. Но на практике не все задачи проектирования ХТС имеют такую особенность, и встречается довольно большое число проек- тов новых ХТС или проектов реконструкции, в которых можно было отка- заться от использования одной из утилит в технологическом процессе.

Действительно, пусть расположение составных кривых на темпера- турно-энтальпийной диаграмме, для некоторой ХТС имеет вид, представ- ленный на рис. 6.22а. Данная диаграмма показывает необходимость ис- пользования, как пара, так и охлаждающей воды. Однако если мы будем сдвигать составные кривые вдоль энтальпийной оси, уменьшая Tmin, мы увидим, что при достижении некоторого значения Tmin холодная утилита исчезнет (рис. 6.22б). Данное значение Tmin называется пороговым и обо-

значается как Тпорог. Если мы будем продолжать сдвигать составные кри- вые, то увидим, что необходимое значение горячей утилиты не изменяется

(рис. 6.22в). Точнее говоря, горячая утилита разделяется на две части, одна из которых снабжает энергией горячий край холодной составной кривой, а другая – холодный, как показано на рисунке 6.22в. Отсюда следует, что общая стоимость проекта (приведенные затраты) для Tmin меньших, чем Тпорог является монотонной функцией Tmin, т.е. нет оптимального реше- ния между конкурирующими стоимостями оборудования и энергии, по-

скольку потребляемое значение энергии инвариантно относительно	Tmin.
Если мы нарисуем зависимость величины используемых утилит от
Tmin для пороговой задачи, то увидим, что от Tmin = 0 до Tmin =	Тпорог

Дополнительные принципы пинч-анализа	243

горячая утилита является постоянной величиной. На пороговом значении Tmin появляется холодная утилита, и затем с увеличением Tmin они рас- тут параллельно (рис. 6.23а). В отличии от данного графика, зависимости величин потребляемых утилит в “пинчевой” задаче являются непрерыв- ными, монотонно растущими функциями во всем интервале изменения Tmin, т.е. для Tmin принадлежащих области перекрытия составных кри-

вых (рис. 6.23б).

T	T
пар	пар

охлаждающая	Tmin= Tпорог
вода
H		H
(а)	(б)

T

пар пар

H (в)

Рис. 6.22. Определение температурного порога с помощью составных кривых: а – составные кривые, раздвинутые на величину Tmin, превосходящую значение

Тпорог; в этом случае требуются обе утилиты; б – когда Tmin = Тпорог одна из утилит исчезает; в – дальнейшее сближение составных кривых не изменяет значе-

ния оставшейся утилиты

Несмотря на то, что в пороговых задачах при Tmin < Тпорог отсутст- вует компромиссное решение между стоимостью оборудования и энергии,

в некоторых случаях мы можем использовать для проектирования таких задач методы, разработанные для “пинчевых” задач. Действительно, если порог в рассматриваемой задаче низкий (рис. 6.24а), то для значений Tmin меньших Т порогового потребляемая энергия – постоянная величина, но

244	Глава 6
мы можем увеличить	Tmin, и тогда для величин Tmin, превосходящих по-

роговое значение, общая приведенная стоимость будет уменьшаться с уве- личением Tmin. В этом случае оптимальное значение Tmin будет находит- ся в области компромиссного решения между конкурирующими стоимо- стями оборудования и энергии (рис. 6.24б), а задача уже является ранее рассмотренной “пинчевой” задачей.

Обычно для тестирования подобных ситуаций в пинч-анализе ис- пользуются эмпирические значения Tmin. Хотя такие оценки являются достаточно приближенными, они во многих случаях дают положительный результат. Например, опытное значение оптимальной величины Tmin для

T		T
	пар	пар

	Tmin= Tпорог
		H	охлаждающая
			вода	H
Утилиты			Утилиты	пар
		пар		охлаждающая
				вода
		охлаждающая
		вода

Tmin	Tmin
(а)	(б)

Рис. 6.23. Графическое изображение функциональной зависимости величины исполь- зуемых утилит от Tmin: а – для пороговых задач; б – для пинчевых задач

котелен равняется 50°С, для основных химических процессов – 20°С, а для систем глубокого охлаждения – 5°С. Эмпирические значения могут быть нанесены на диаграмму, представляющую зависимости потребляемых ути- лит от Tmin (рис. 6.25). Если опытное Tmin будет попадать в область “пинчевой” задачи, тогда мы с большой вероятностью можем ожидать на-

Дополнительные принципы пинч-анализа	245

Энергоносители		Низкий порог	Tmin
			T
								Пар
		ОВ
		Пар		ОВ			Tmin =10°
10°		Tmin				б		H
		а

Обрабатывается точно также, как и ПИНЧЕВАЯ задача

Рис. 6.24. Проектирование пороговых задач с низким порогом аналогично проектирова- нию пинчевых задач: а – с помощью зависимости величины потребляемых утилит от Tmin можно определить величину порога; б – составные кривые показывают сходство

задач, имеющих низкий порог с пинчевыми задачами

хождения оптимального значения Tmin, в окрестности эмпирического зна- чения Tmin, а для выполнения проекта, обеспечивающего максимальное энергосбережение, может быть сделано проектным пинч- методом, кото- рый был описан нами в первой части книги.

Если опытное значение Tmin попадает в окрестность порогового значения Tmin, тогда вероятно там и будет находиться компромиссное значение Tmin, и задачарешается как пинчевая проблема. Если же эмпири- ческое значение Tmin попадает в нечувствительную область Tmin, то ком- промисс между стоимостью энергии и капитальными затратами будет от- сутствовать, и в этом случае проектный пинч- метод неприменим.

Применение описанной процедуры в общей стратегии проектирова- ния теплоэнергетических систем может быть проиллюстрировано блок- схемой, изображенной на рис. 6.26.

В действительности, проектирование пороговых задач является, в определенном смысле, “облегченным”, а именно, выполнение таких проек- тов свободно от термодинамических ограничений пинча. Это означает, что возможно получить много вполне приемлемых проектов. Процедура про- ектирования обычно в таких случаях определяется размещением нагрева- телей или охладителей, удобных для управления, или применением прави- ла эвристической отметки и определением необходимых связей для раз- мещения теплообменников на “неутилитном крае” сеточной диаграммы.

246	Глава 6

Утилиты, кВт/°С

пар

охлаждающая

вода

Tmin

Пинчевая Пороговая задача

задача

эмпирическое значение Tmin

Рис. 6.25. Стратегия выбора метода проектирования пороговых задач

		Данные
	Процедура	Пинч?
		Да	Нет
( Tmin)	определения	Тпорог> Тэмпирическое
	целевых
	энергетических		Да
	значений	Нет

Не требует оптимизации

(капитальных затрат) (утилитной стоимости)

Tmin (оптимальное)

проект

Дальнейшая оптимизация, зависящая от конкретных условий

Рис. 6.26. Проверка потоковых данных на наличие порога, и, если он существует, оценка его величины должна предшествовать процедуре определения энергетиче-

ских целевых значений

Последнее правило хорошо иллюстрируется примером, приведенном на рисунке 6.27. Для некоторой технологической схемы ХТС с помощью

		Дополнительные принципы пинч-анализа			247
					СP
3 590°			400°		2,38
5		471°	200°		1,58
7		533°	150°		1,32
	400°		200°	1	1,6
	430°		100°	2	1,6
	400°		300°	4	4,13
	280°		150°	6	2,62

Проблемная таблица: QHmin = 217,5

QCmin = 0

С какого края сеточной диаграммы небходимо начинать размещения?

Рис. 6.27. Пример сеточной диаграммы для пороговой задачи. Размещения теплооб-

менных связей начинаем на неутилитной стороне диаграммы

проблемной таблицы были найдены целевые энергетические значения, приведенные на рисунке. Очевидно, что проектирование теплообменной системы для данной ХТС является типичной пороговой задачей. При вни- мательном рассмотрении данной задачи мы видим, что горячий поток № 7 может быть приведен к своей целевой температуре только за счет тепло- обмена с холодным потоком № 2. Размещаем теплообменник на этих пото- ках, как показано на рисунке 6.27. Затем для того, чтобы охладить горячий поток № 5 до его целевой температуры за счет рекуперации тепловой энер- гии остается только одна возможность – это организация теплообмена с холодным потоком № 6 (рис. 6.28). После сделанных нами размещений те- плообменников существует большое число решений данной задачи.

Дальнейшие размещения теплообменников следует выполнять, руко- водствуясь только одним правилом, а именно, поддерживая минимальное значение Т на теплообменниках как можно более большим, если конечно отсутствуют какие-либо технические или технологические ограничения. Эта величина Т, конечно же, не будет иметь ничего общего с компромис- сом между капитальной стоимостью и стоимостью энергии.

248	Глава 6

1 150°

368° 100°

428

2 200°

1

368° 100°

428

150°

После этого мы еще можем получить огромное число решений.

Рис. 6.28. Прежде всего при проектировании пороговых задач идентифицируются теп-

лообменные связи между потоками на неутилитном крае сеточной диаграммы

Следует еще раз отметить, что пороговые задачи довольно часто встречаются в практике проектировщиков. Например, такая задача возни- кает при рассмотрении процесса производства аммиака (рис. 6.29). Темпе-

ратуры технологических потоков в процессе синтеза аммиака достигают 1000°С, и поэтому в подобных процессах целесообразно использовать рас- пределенные утилиты (рис. 6.30), например, для получения пара высокого давления. При производстве аммиака параметры генерируемого пара могут достигать 10 МПа и 480°С. В дальнейшем полученный пар может исполь-

зоваться для когенерации электроэнергии или в турбинах центробежных компрессоров.

Применение распределенных утилит превращает проектирование процессов производства аммиака в “пинчевую” задачу (рис. 6.30), методы решения которых были нами рассмотрены ранее.

Выводы.

∙В задачах, имеющих порог, используются только горячие или холодные теплоносители.

∙Настоящая пороговая задача имеет большие движущие силы и не имеет пинча.

Дополнительные принципы пинч-анализа	249

Многие химические процессы подобны пороговым Например, производство аммиака

	Отходящие		CO2
	газы
Сырье	1й		CO2	Цикл
	Конвертор		Удаление	синтеза
	Топливо			NH3
	2й
	Конвертор	CO		Метанатор
		Конвертор
	T

H

Рис. 6.29. Принципиальная схема синтеза аммиака под средним давлением и ее состав-

ные кривые

∙Большинство пороговых задач превращаются в пинчевые задачи при использовании разноуровневых теплоносителей.

T T

Þ	Пинч

HP генерация

пара

H H

Рис. 6.30. Применение распределенных, разноуровневых утилит обычно превращает

пороговую задачу в задачу с пинчем