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

260	Глава 6

под сеточной диаграммой сети, как показано на рис. 6.36. На графиках мы видим, что пинч-размещения вблизи пинча показывают хорошее использо- вание движущих сил, но вдали от пинча представления размещений J и K из сети на рис. 6.36б не соответствуют графику движущей силы (рис. 6.36г). Это означает, что эти два пинч-размещения имеют слишком боль-

шую тепловую нагрузку и слабо используют движущие силы вдали от пинча. Тепловые нагрузки на J и K размещениях были определены с по- мощью правила эвристической отметки (гл. 3), что позволило получить минимальное количество рекуперативных размещений. График движущей силы показывает, что в данном случае правило эвристической отметки не позволяет получить низкое значение площади сетевой поверхности тепло- обмена. Нарушение правила “галочки” обычно приводит к количеству ра- змещений, превышающему целевое значение, как на рис. 6.36а. Но именно такое нарушение в данном примере приводит к значительному уменьше- нию общей сетевой поверхности теплообмена и, как следствие, к сниже- нию капитальной стоимости проекта. Это говорит о том, что при достиже-

нии энергетических целей в проекте может существовать компромиссное решение для числа размещений и величиной общей сетевой поверхности теплообмена. В работе [13] показано, что проекты, имеющие хорошее со- ответствие графику движущей силы с числом размещений, отличающемся не более, чем на 10% от целевого, обычно имеют сетевую площадь по- верхности теплообмена, отличающуюся не более, чем на 10% от целевой.

6.5.3. Использование анализа остающейся задачи

Предположим, что выполненный проект имеет хорошее согласие с графиком движущей силы, но общая сетевая поверхность превышает целе- вую. Такая ситуация иногда встречается при анализе проектов с графиком, который должен соответствовать вертикальному теплообмену и, соответ- ственно, минимальной поверхности. Однако, на рис. 6.37 представлен один из таких случаев. Теплообменные сети, представленные на рис.6.37а и 6.37б, имеют удивительное подобие в использовании движущих сил, но площадь поверхности теплообмена сети на рис. 6.37б превышает целевую на 22%, а сети на рис. 6.37а только на 10%.

Такое различие связано с тем, что график движущей силы работает

только с температурами и пренебрегает эффектами тепловой нагрузки на поверхность теплообмена. Поэтому размещения, совершенно идентичные в координатах движущих сил, могут иметь различные тепловые нагрузки.

Обычно хорошее использование движущих сил для больших нагрузок

Дополнительные принципы пинч-анализа	261

Н	Н
а	б

в

г

К = 100 Вт/(м2°С) для всех теплообменников Утилиты: Горячее масло: 230°С-200°С; холодная вода: 1°С-15°С

Рис. 6.37. Две теплообменные сети для одних и тех же потоковых данных (а) и (б) имеют почти идентичное соответствие с графиком движущей силы (в) и (г), но при этом имеют различные площади поверхности теплообмена. 1,2,…,7 – номера разме-

щений

необходимо в области малых температурных разностей, но график движу- щей силы дает только качественную картину.

Одним из количественных методов оценки приближения к целевой поверхности является уже нами рассмотренный в параграфе 6.3 метод ана- лиза остающейся задачи, где он вводился для анализа энергетических це- лей.

262	Глава 6

Составные кривые для полного набора потоков

T

а

	минимальная общая
	площадь = Аmin
	H
T	Составные кривые для
	оставшегося набора потоков
	Ar,M
	aM
б	минимальная общая
	площадь сейчас = aM+Аr,M
	H
	Завышение минимальной площади
	= aM+Ar,M-Amin

Рис. 6.38. Анализ остающейся задачи для площади поверхности теплообмена: (а) – оп-

ределение целевого значения площади поверхности теплообмена для полного набора потоковых данных; (б) – построение составных кривых для набора потоковых данных, из которых исключены сегменты горячего и холодного потоков, принадлежащие ана-

лизируемому размещению

Предположим, что минимально возможная площадь сетевой поверх-

ности теплообмена после размещения М (рис. 6.38) равна Аtotal,М. Эта вели- чина равна сумме площади поверхности теплообмена размещения М – ам и

целевой площади поверхности остающихся потоковых данных Аr,M (рис. 6.38), т.е.

Аtotal,М = ам+ Аr,M

(6.2)

Вычитая из этой величины целевое значение площади поверхности теплообмена, полученное для полных потоковых данных (рис.6.38а), мы найдем то завышение минимальной целевой площади Аmin, которое вносит размещение М, т.е.:

Ам=ам+Аr,M-Amin

(6.3)

Дополнительные принципы пинч-анализа	263

C помощью данного анализа мы можем определить как избыток, так и недостаток движущих сил. Большие знания Т на выбранном размеще- нии приводят к завышению площади поверхности теплообмена в остаю- щейся задачи. Малое Т завышает поверхность теплообмена самого раз- мещения.

Н

Н

Размещение 1: Atotal, 1 = 106,1% Размещение 2: Atotal, 2 = 100,0%

Размещение 3: Atotal, 3 = 100,1% Размещение 4: Atotal, 4 = 102,3% Размещение 5: Atotal, 5 = 102,9% Размещение 6: Atotal, 6 = 100,9% Размещение 7: Atotal, 7 = 100,9%

а

Размещение 1: Atotal, 1 = 100,1% Размещение 2: Atotal, 2 = 100,9%

Размещение 3: Atotal, 3 = 102,5% Размещение 4: Atotal, 4 = 111,1% Размещение 5: Atotal, 5 = 100,9% Размещение 6: Atotal, 6 = 100,9%

б

Рис. 6.39. Анализ остающейся задачи для тепловых сетей, представленных на рис. 11.5 (а), (б) – теплообменные сети; (в) и (г) – завышения целевого значения площади, кото- рые вносят каждое из размещений в сетях, изображенных сверху

Анализ остающейся задачи для теплообменных сетей, изображенных на рис. 6.37а и б, приведен на рис. 6.39. Из приведенных таблиц под схе- мами сетей, очевидно, что размещение 4 в правой сети хуже других. Уди- вительно то, что это размещение, представленное на графике движущей силы (рис. 6.37), во многом аналогично размещениям 4 и 5 в левой сети, но последние имеют намного меньшее завышение целевой поверхности. Ана- лиз остающейся задачи дополняет метод графика движущей силы количе-

264	Глава 6

ственными оценками и позволяет проектировщику в процессе работы над проектом приблизиться к установленным целевым значениям.

До сих пор мы рассматриваем АОЗ только для исследования каждого размещения в изоляции от других, которые уже существуют на данной стадии проекта (как на рис. 6.39). Другими словами, “остающаяся задача” определялась исключением сегментов холодного и горячего потока, при- надлежащих исследуемому размещению, из полного набора потоковых данных. Но анализ остающейся задачи может быть выполнен и на инте- гральной основе, а не на индивидуальной, как это было уже рассмотрено. Это значит, что мы можем анализировать общую поверхность всех уже

сделанных размещений в проекте и определять остающуюся задачу теми потоковыми данными, для которых еще требуется удовлетворение тепло- вых нагрузок.

Общая площадь поверхности теплообмена после выполнения М раз- мещений будет определяться, как:

M
A'total,M = åai + A'r,M ,	(6.4)

i=1

где A'total,M и A'r,M аналогично Atotal,M и Ar,M из (6.3).

Этот метод имеет некоторое преимущество по сравнению с методом АОЗ, примененным к индивидуальным размещениям, потому что он пока- зывает суммарное отклонение Аmin, которое возникло благодаря уже вы- полненным размещениям.

В заключении рассмотрения методов проектирования сетей с мини- мальной поверхностью заметим, что применение здесь принципа АОЗ бо- лее полезно, чем при проектировании сетей с минимальным потреблением энергии, поскольку минимум энергического потребления гарантируется разделением на пинче. Необходимо также заметить, что рассмотренные

здесь методы неприменимы при проектировании теплообменных сетей с наличием вынужденных ограничений или предпочтительных рекуператив- ных связей. Методы для установления целей и проектирования сетей в этих случаях рассмотрены в работах [14 - 16]. Однако АОЗ может проекти-

ровщиком использоваться и в этих случаях с помощью предварительной вставки предпочтительных ограничений или исключения данных, на кото- рые накладываются ограничения.

Реконструкция	265

Глава 7

РЕКОНСТРУКЦИЯ

7.1. Методология целеуказания при реконструкции

При выполнении проекта реконструкции от проектировщика требу-

ется внесение изменений в технологическую схему уже существующей ХТС с целью улучшения некоторых параметров ее эксплуатации. Может показаться, что лучшим проектом реконструкции будет начальный пинч- проект, т.е. проект, выполненный по пинч-правилам для вновь создаваемой (еще несуществующей) ХТС. Но это далеко не так, и создание проектов реконструкции действующих ХТС имеет свои особенности. В то же время методологические пинч-принципы выполняются и в этом случае, а именно, возможность и необходимость установления целевых значений перед про- ектированием [17].

Давайте рассмотрим целевые значения для проекта реконструкции, и то, как мы их можем установить. Пусть, например, действующая ХТС име- ет сеточную диаграмму, показанную на рисунке 7.1.

							Потоковая	Коэффициент
		Тепловая нагрузка, кВт					теплоёмкость, теплопередачи,
	159°			137°		77°	CP, кВт/°С	кВт/(°См2)
1			3		C1		228,5	400
2	267°		5 043	169°	13 695	88°	20,4	300
			4		C2
3	343°	1	171°		1 815	90°	53,8	250
					2
					4 381

127°			73°	26°	4	93,.3	150
265° H 175°		128°		118°	5	196,1	500
17 597	9 230		2 000

Рис.7.1. Сеточная диаграмма существующей ХТС

266	Глава 7

Основным отличием между установлением целей для проекта рекон-

струкции уже работающего предприятия и установления целевых значений

впроцессе выполнения начального проекта является то, что значительная часть оборудования уже установлена. Поэтому при реконструкции ХТС

стоимость потребляемой энергии и капитальные затраты будут функциями от тех изменений технологической схемы, которые планируется выполнить

впроцессе реконструкции.

Заметим, что некоторые изменения в технологической схеме сущест- вующей ХТС с целью энергосбережения можно предложить, не применяя пинч-методы, просто проанализировав сеточную диаграмму ХТС и сделав инспекцию энергопотребления.

Действительно, анализ схемы на рис. 7.1 показывает возможность размещения теплообменника между потоками 1 и 5 на холодном конце процесса. Это позволит уменьшить тепловую нагрузку на охладителе С1 и на нагревателе. Однако интеграция нового теплообменника в тепловую сеть ХТС приведет не только к изменению величины потребляемых ути- лит, но и к уменьшению температур на всех теплообменниках, располо- женных вниз по потоку №5. Изменение температур приведет к необходи-

мости увеличения площади теплообменной поверхности теплообменников 1 и 4. При увеличении теплообменной поверхности теплообменника 4 уве- личивается его тепловая нагрузка, вследствие чего тепловая нагрузка на охладитель С2 со второго потока уменьшается. В результате такой инте-

грации,	представленной на			рис. 7.2, энергопотребление уменьшается на
2335 кВт.
					Новый теплообменник
1	159°		3		137°	129°	C1	77°
2	267°			4	141°		11 930	88°
						C2
3	343°	1	171°		2	1 245		90°

127°			73°		26°	4
265° H	187°	5 043		4 381	118°	5
		140°		127°
15 262	9 230		2 570		1 765

Рис. 7.2. Интеграция нового теплообменника в результате инспекции энергопотребле-

ния

Реконструкция	267

Создавая проект реконструкции проектировщику необходимо отве- тить на вопросы: Будет ли этот проект оптимальным? Сколько энергии до- пустимо и сколько необходимо рекуперировать? Действительно, увеличи- вая площадь поверхности теплообмена (т.е. увеличивая капитальные за- траты), мы будем сохранять больше энергии. В то же время, инсталлируя меньшую поверхность теплообмена, мы сохраним деньги, но экономия энергии будет меньшей.

Экономический анализ различных уровней энергопотребления при стоимостных характеристиках энергии и теплообменных аппаратов:

Стоимость энергии = 95040 $/(МВт×год),	(7.1)
КЗТ = 12900 + 1005(А)0,83 $,	(7.2)

где А – площадь теплообменной поверхности (в м2), показан в таблице 7.1.

Таблица 7.1. Энергосбережение благодаря реконструкции выполнен- ной с помощью инспектирования (рис. 7.2)

	Капитальные	Сохранение,	Срок
N	затраты,	$ миллион/год	Окупаемости,
	$,миллион		год
1	0,267	0,167	1,7
2	0,44	0,222	2,0
3	0,726	0,288	2,5
4	1,005	0,32	3,1

Простой расчет показывает, что при реконструкции, предложенной на рисунке 7.2, сохраняется 13% энергии, а срок окупаемости такого про- екта – 2 года.

Но действительно ли этот результат хороший и существует ли луч- шее решение?

На эти вопросы можно было бы ответить, имея целевые значения ос- новных экономических показателей до проектирования.

Процедура определения целевых значений в проектах реконструкции в пинч-технологии аналогичны процедуре определения целевых значений при выполнении нового проекта. Проектировщик начинает с построения составных кривых рассматриваемого процесса. Далее, используя алгоритм определения целевых значений для площади теплообменной поверхности, рассмотренный нами в главе 4, проектировщик, используя потоковые дан- ные, строит функциональную зависимость необходимой площади тепло- обменной поверхности от величины энергии, потребляемой в процессе, с

268	Глава 7

помощью изменения значения Тmin при вычислениях целевых энергети- ческих значений (рис.7.3).

Площадь

теплообменной

поверхности

Целевая кривая
из потоковых данных	Энергия=100	Энергия=120

Поверхность=120

120 1

100 2

1	2	Поверхность=100

100 120 Энергия

Рис. 7.3. Целевая кривая реконструкции зависимость (поверхность – энергия) получает-

ся непосредственно из потоковых данных процесса

На рисунке 7.4 построена такая зависимость для некоторого рас- сматриваемого проекта. Точка А на этой кривой представляет случай близ- ко расположенных составных кривых (малое значение Тmin). Для проекта, соответствующего точке А, наблюдаются как большой уровень сохранения энергии, так и значительные инвестиции в поверхность теплообмена. Точ- ка С соответствует процессу с широко раздвинутыми составными кривы- ми. Здесь наблюдается низкий уровень сохранения энергии при меньших капитальных затратах на поверхность теплообмена. Точка В показывает оптимальный базовый (начальный) проект с минимальными приведенны- ми затратами.

Область, находящаяся ниже целевой кривой, отмечена как недопус- тимая. Невозможно создать проект с показателями лучше, чем целевые значения (строгое заключение для однородных коэффициентов теплоотда- чи).

Сейчас нам необходимо ответить на вопрос, где расположен проект существующей тепловой сети ХТС, которую необходимо модифициро- вать? В большинстве случаев такой проект будет находиться выше целевой кривой, например в точке Х ( рис. 7.4), потому, что в существующих про- ектах, выполненных без применения пинч-технологии, как правило, ин- сталлированная поверхность теплообмена используется не лучшим обра- зом, или, говоря другими словами, эти проекты не сохраняют столько энергии, сколько могли бы сохранить.

Реконструкция	269

Существующая

теплообменная

сеть

Поверхность теплообмена

Малое Tmin

Х

A

	Оптимальный
	базовай
	проект	Большое Tmin
	B

C

Недопустимо

Потребляемая энергия

Рис. 7.4. Расположение различных проектов относительно целевой кривой

Очень часто предполагают, что проект реконструкции ХТС должен соответствовать целевым значениям, установленным для базового (нового) проекта, но это предположение лишено здравого смысла. Действительно, разумно ли выбрасывать уже оплаченную поверхность теплообмена, если для оптимального базового проекта требуется меньшая площадь теплооб- менной поверхности? Разумнее всего использовать уже существующую поверхность, но более эффективно. Для этого необходимо устранить в сис- теме теплообмена ХТС перекрестный теплообмен и, сдвигая составные кривые, уменьшить потребление энергии от внешних источников. Поэтому идеальной целью для проекта, находящегося в точке Х, будет точка А (рис. 7.4). В этой точке будет сохраняться столько энергии, сколько возможно при использовании уже существующей поверхности теплообмена. Однако, при выполнении проектов реконструкции, как правило, имеется некоторый капитал для инвестиций в изменение теплообменной сети с целью увели- чения поверхности теплообмена. Это приводит к нелинейному пути рекон- струкции, подобному тому, который изображен на рисунке 7.5 [17].