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

270	Глава 7

Поверхность теплообмена

		Возможный путь
		реконструкции
	Уменьшение Tmin
		Х	Существующая
			теплообменная
A			сеть
		Нет! При реконструкции
		не выбрасывают
		существующую поверхность
Уже оплаченная	B	Оптимальный базовай проект
поверхность

Потребляемая энергия

Рис. 7.5. При реконструкции ХТС необходимо пытаться использовать всю существую-

щую площадь теплообмена

Обычно при выполнении проекта реконструкции проектировщику доступны множество различных возможностей изменения действующей технологической смены, что приводит к существованию различных путей реконструкции ( рис. 7.6).

Очевидно, что экономическая эффективность каждого из этих путей будет различной. На нижней кривой наблюдаются наименьшие инвести- ции для одинаковой величины энергосбережения.

Предположим, что лучшая кривая это та, которая приведена на ри- сунке 7.6. Форма этой кривой типична. Ее наклон увеличивается с увели- чением инвестиций в поверхность теплообмена, а это означает, что период окупаемости увеличивается с увеличением капитальных затрат. Действи- тельно, для того, чтобы уменьшить энергопотребление на одну и ту же ве- личину Е, нам каждый раз необходимо площадь теплообменной поверх- ности увеличивать на все большую величину S2 > S1 ( рис. 7.6). Следо- вательно, для получения одинаковой экономии от энергосбережения при увеличении поверхности теплообмена необходимо увеличивать и инвести- ции, что, очевидно в свою очередь, приведет к увеличению срока окупае- мости.

Реконструкция	271

Поверхность теплообмена

Плохая

экономия

S2
S1	Существующий
	проект
	Лучший целевой путь
	реконструкции

E E

Потребляемая энергия

Рис. 7.6. Существуют многие пути реконструкции, но нижняя кривая является лучшим

путем

“Лучшая кривая реконструкции” с помощью законов стоимости теп-

лообменной поверхности и стоимости внешней энергии может быть легко преобразована в функциональную зависимость годовой прибыли за счет энергосбережения от величины инвестиций в поверхность теплообмена

(рис. 7.7). Эта зависимость называется целевой кривой экономической эф- фективности процесса реконструкции. Графически такая зависимость связывает годовую прибыль от энергосбережения с инвестициями и сро- ком окупаемости. В проектах реконструкции обычно устанавливаются один из следующих трех критериев – энергосбережение, инвестиции или срок окупаемости. В примере на рисунке 7.7 для величины инвестиций а1 мы получаем годовую прибыль за счет экономии энергии, равную величи- не b1, а срок окупаемости инвестиций получается равным 1 году. Если мы

в качестве целевых значений при выполнении проекта реконструкции возьмем срок окупаемости равный 2 годам, то мы можем получить годо- вую прибыль равную b2 при инвестициях в проект равных а2 (рис. 7.7). Таким образом, мы можем устанавливать действительные цели при созда- нии проектов реконструкции ХТС.

272	Глава 7

Приведенная стоимость энергосбережения

Срок окупаемости

	2 года
	1 год
b1	Целевая кривая
	реконструкции

b2

5 лет

a1

a2

Инвестиции

Рис. 7.7. Лучшая кривая реконструкции для зависимости поверхность/энергия может быть преобразована в графическую зависимость годовая прибыль/инвестиции (целевая кривая реконструкции)

К сожалению, ”лучшую кривую реконструкции” в терминах поверх- ность/энергия очень трудно определить, и, в конечном счете, ее вид может зависеть как от локальных заводских характеристик, так и от внешних свя- зей завода, а также от процессных ограничений.

Если трудно получить явный вид целевого пути реконструкции, по- смотрим, можно ли получить какой-нибудь способ оценки эффективности возможного пути реконструкции. Давайте предположим, что теплообмен- ная сеть ХТС после реконструкции будет использовать поверхность тепло- обмена с той же эффективностью, что и до реконструкции. Поэтому, если существующий проект хороший, то добавление новой поверхности тепло- обмена не снизит эффективность использования всей поверхности тепло- обмена.

С помощью целевой кривой реконструкции в терминах поверх- ность/энергия мы можем ввести коэффициент эффективности использова- ния поверхности α, равный отношению минимально необходимой для

Реконструкция	273

проведения процесса площади теплообменной поверхности (целевой по- верхности) к реально используемой площади теплообменной поверхности при существующем потреблении энергии ( рис. 7.8):

æ		ö
a = ç		Ацель	÷.	(7.3)
	А
ç		÷
è		существщая ø

Поверхность

Существующий проект

Асущ.

Ацель

Eex Энергия

α= Ацель Асущ.

Рис. 7.8. К определению коэффициента “поверхностной эффективности”

Очевидно, что величина a для проектов, встречающихся в практиче- ских приложениях, будет, скорее всего, меньше единицы. Если же a = 1, то это говорит о том, что в сети рекуперации тепловой энергии нет перекре- стного теплообмена между горячими и холодными потоками. Величина a < 1 говорит о плохом использовании теплообменной поверхности с большим значением перекрестного теплообмена.

Предположим, что величина a является постоянной для всех допус- тимых значений величины потребляемой энергии. В результате мы полу- чим кривую, на которой эффективность использования теплообменной по-

274	Глава 7

верхности постоянна (рис. 7.9). Эта кривая формирует границу для воз- можного проекта реконструкции ХТС.

Поверхность

Цель	Кривая α=const

Aty = Atx =α

Ay Ax

Ay Y

Aty	Существующий
	проект
Ax
Atx
Ey	Ex	Потребление
		энергии

Рис. 7.9. Кривая α = const создает границу для возможных проектов реконструкции

На плоскости поверхность / энергия мы можем выделить четыре раз- личных области (рис. 7.10):

∙Область, которая недостижима для проекта (как для нового про- екта, так и для проекта реконструкции);

∙Две области, в которых вряд ли можно улучшить экономические показатели ХТС в результате реконструкции;

∙Четвертая область – в пределах которой будут находиться хоро- шие проекты.

Таким образом, мы сейчас имеем границы, в пределах которых будет находиться хороший проект реконструкции. С помощью кривой α = const мы можем определить, какая прибыль может быть получена для различно- го уровня инвестиций, в результате чего может быть построена кривая прибыль/инвестиции, т.е. кривая, аналогичная кривой на рис. 7.7.

Реконструкция	275

На рисунке 7.11 построена такая кривая для процесса, изображенно- го на рис. 7.1. На этом же рисунке приведена кривая экономической эф- фективности проекта реконструкции, выполненного при помощи простой инспекции, а также линия 2-х летнего срока окупаемости. Для величины инвестиций 0,435×106 $ проект, выполненный с помощью инспектирования ХТС, дает прибыль за счет энергосбережения равную 225 000 $/год. В то же время целевая кривая экономической эффективности показывает воз- можность сохранить 288 000 $/год, что на 28% больше, чем при инспек- ции. Вследствие этого срок окупаемости реконструкции уменьшается до 1,5 года вместо 2 лет. Для двухлетнего срока окупаемости мы получим

экономию средств за счет энергосбережения при выполнении проекта пинч- методом более, чем в два раза больше, чем при инспектировании, и равную 480 000 $/год.

Поверхность
Цель	Кривая α=const
	Сомнительная
	экономия
	Хорошие
	проекты
Недопустимо
	Сомнительная
	экономия
	Потребление
	энергии
Рис. 7.10. Области различной экономической эффективности для проектов реконструк-
ции ХТС

Имея кривую экономической эффективности проекта, мы можем оп- ределить значение DТmin, необходимое для создания технологической схе- мы ХТС методом пинч-анализа. Например, при заданном сроке окупаемо- сти мы определяем по кривой необходимое значение для инвестиций и го- довую прибыль в результате энергосбережения. Затем сдвигаем составные кривые так, чтобы энергопотребление уменьшилось на величину энергии, стоимость которой равна годовой прибыли, и по полученному распо-

276	Глава 7

ложению составных кривых определяем Тmin. Для примера на рис. 7.1 и двухлетнего срока окупаемости Тmin = 19°С (рис. 7.11).

Прибыль, млн. долл.

Двухлетний срок окупаемости

0.60

1 Tmin=19°

0.45

0.30

0.15

2

0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90 1.05

Инвестиции, млн. долл.

Рис. 7.11. Кривая экономической эффективности проекта реконструкции: 1 – в пинч- методе; 2 – при инспектировании

Более наглядно этот процесс представлен на рис. 7.12. Здесь соотно- сятся между собой зависимость срока окупаемости от величины инвести- ций, которую можно получить с помощью кривой экономической эффек- тивности, как показано на рис. 7.11, а также зависимости экономической эффективности и экономии средств при энергосбережении от Тmin. По- следняя зависимость получается с помощью составных кривых. В резуль- тате такого построения мы, выбирая любой из трех критериев реконструк- ции: энергосбережение, инвестиции, срок окупаемости, определяем зна- чения двух оставшихся и величину Тmin для выполнения проекта (рис. 7.12).

			Реконструкция										277
Срок
окупаемости,
год
6
5
(а) 4
3
2
0	1	2	3	×10-5
			Инвестиции, $
Экономия,					Экономия,
$×10-5					$×10-5
5					5
4					4
(б) 3					3								(в)
2					2
1					1
0	1	2	3	×10-5	0	5	10	15	20	25	30		35
			Инвестиции, $									ΔΤmin, °C
Рис. 7.12. Определение		Тmin по выбранному критерию реконструкции: а – зависимость
срока окупаемости от инвестиций в реконструкцию, полученная пинч-методом; б –
кривая экономической эффективности; в – зависимость получаемой прибыли от													Тmin
7.2. Метод проектирования теплообменных систем при реконструкции
ХТС
Мы сейчас рассмотрим основные приемы, применяемые при выпол-
нении проектов реконструкции предприятий, на примере проекта модерни-
зации ХТС, производящей ароматические углеводороды при переработке
нефти. Основные данные для технологических потоков процесса приведе-
ны в таблице 7.2.

Таблица 7.2. Потоковые данные для упрощенной технологической схемы производства ароматических углеводородов, приведенной на рис. 7.13.

Поток		Температура, °С				Коэффици-
				СР,		ент теплоот-
№	Тип	Снабже-	Целевая	°	С	дачи, h,
				МВт/		Вт/(°С×м2)
		ния
1	2	3	4	5		6
1	Гор.	327	30	0,100		800
2	Гор.	220	160	0,160		500

278				Глава 7
1	2	3	4		5	6
3	Гор.	220	60		0,060	2000
4	Гор.	160	45		0,200	400
5	Хол.	140	300		0,100	5000
6	Хол.	35	164		0,070	1000
7	Хол.	80	125		0,175	500
8	Хол.	60	170		0,060	200
9	Хол.	140	300		0,200	800

Сеточная диаграмма, потоков и оборудования тепловой сети прин- ципиальной технологической схемы процесса приведена на рисунке 7.13.

	327°		174°	84°		30°	CP, кВт/°C
H1					C		100
			1	2
H2 220°			3		5 370 160°		160
H3 220°			4 110°		C	60°	60
H4160°				5	3 000	45°	200
					C
					15 125
300°		H			100°	C1	100
164°		4 700 15 300			35°	C2	70
125°					80°
				9 030		C3	175
170°				7875	60°
						C4	60
300°		188°	6 600		140°
						C5	200
		H
		22 400	9 600

Рис. 7.13. Сеточная диаграмма существующей теплообменной системы ХТС производ-

ства ароматических углеводородов

Стоимость топлива и капитальные затраты на поверхность теплооб- мена выражаются следующими соотношениями:

Стоимость топлива = 3	$/ГДж,
ì	+ 1005 A	0,83		,10		< A £ 300 м	2	,
ï1290									$	(7.4)
КЗТ = í			2
ï					.
î378 A, A > 300м

Реконструкция	279
Минимальная разность температур в существующей схеме наблюда-
ется на теплообменнике 2 (рис. 7.13) и равна	Тmin = 10°С. Энергия, по-

требляемая рассматриваемым процессом от внешних горячих энергоноси- телей, равна ~ 27,1МВт, а энергия, отводимая от процесса, равна ~ 23,5

МВт (рис. 7.13).

Построим составные кривые технологических потоков для рассмат- риваемого процесса (рис. 7.14). Мы видим, что для того, чтобы получить значение горячей утилиты равное 27,1 МВт, нам необходимо раздвинуть составные кривые так, чтобы Тmin ≈ 40°С. Наблюдаемое значение на дей- ствующем производстве 10°С говорит, что поверхность теплообмена в су- ществующей сети используется очень неэффективно при большом значе- нии перекрестного теплообмена.

T, °C

300

200

Реконструкция

Tmin=20°

100

QHmin=21.580 E=5.520

∙

∙

∙∙

Qcmin			E
		20		40		60		80		H, МВт

Рис. 7.14. Составные кривые для потоковых данных из таблицы 4.2

Если на сеточной диаграмме потоков сместить пинч-температуры для Тmin = 10°С и расположить действующие теплообменники с учетом разделения на пинче ( рис. 7.15), мы увидим, что четыре теплообменника из пяти переносят энергию через пинч, что делает существующую схему крайне неэкономичной.

Далее, используя составные кривые, соотношение (7.4) и описанный ранее метод определения целевых значений для выполнения проектов ре-