Пинч / Смит Р.,Клемеш Й.,Товажнянский Л.Л.,Капустенко П.А.,Ульев Л.М.-- Основы интеграции тепловых процессов (2000)
.pdf300 |
Глава 7 |
|
|
Из сказанного выше становится ясно, что до сих пор не существова- ло автоматизированных интерактивных методов реконструкции промыш- ленных ТС. Рассматриваемый в данной главе метод дает возможность ис- пользовать сильные стороны обоих методов: пинч-метода и методов мате- матического программирования.
7.4.2 Ограничения в структуре теплообменных систем с использованием действующих теплообменников
В большинстве случаев степень рекуперации теплоты в ТС можно повысить за счет добавления дополнительной площади поверхности к не- которым теплообменникам ТС. Однако на практике часто отмечают, что когда дополнительная площадь добавляется без изменения структуры ТС, это увеличение площади не дает ожидаемого результата. Такие особенно- сти ТС дают основание предположить наличие предела рекуперации теп- лоты для данной структуры ТС.
Проиллюстрируем это на примере действующей теплообменной сис- темы установки пекового производства, на которой часть технологическо-
го потока каменноугольной смолы перед поступлением в трубчатую печь испарителя первой ступени подогревается за счет рекуперации теплоты антраценовых фракций и пека из пековой колонны после его теплообмена с обезвоженной смолой, а поглотительная фракция из фракционной колон- ны охлаждается перед смешением с легким маслом в рефлюксном баке.
Остальные фракции в систему теплообмена установки не были включены по технологическим причинам.
Данные потоков, участвующих в теплообмене на установке, приве- дены в таблице 7.3.
Таблица 7.3. Потоковые данные установки пекового производства.
Поток |
|
Температуры, °С |
СР, кВт/°С |
|
№ |
Тип |
ТS |
ТТ |
|
1 |
Гор |
220 |
100 |
10.00 |
2 |
Гор |
220 |
145 |
10.00 |
3 |
Гор |
150 |
110 |
6.45 |
4 |
Гор |
160 |
110 |
40.00 |
5 |
Хол |
90 |
200 |
50.00 |
Сеточная диаграмма для реальной системы теплообмена приведена на рис. 7.37.
Количество теплоты, которое рекуперируется в процессе с помощью действующей ТС, равно Qрекуп = 3250 кВт при наблюдаемой разности тем- ператур Tmin = 15°, которая достигается на теплообменнике Т2 (рис. 7.37).
Реконструкция |
301 |
|
|
Составные кривые технологических потоков, построенные для данных таб- лицы 7.3, показывают, что мощность рекуперации теплоты равная, 3250 кВт может быть достигнута при Tmin = 29°, т.е. в существующей теплооб-
менной системе наблюдается большая недорекуперация тепловой энергии
(рис. 7.38).
|
|
|
|
|
Тепловая нагрузка, кВт |
|
|
|
CP, |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
кВт |
|||
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
220° |
|
170° |
|
|
|
|
100° |
°С |
||
1200 |
h1 |
T1 |
|
|
|
C |
10,00 |
||||
|
|
220° |
|
|
145° |
|
700 |
|
10,00 |
||
750 |
h2 |
|
T2 |
|
|
|
|||||
250 |
|
|
|
|
|
h3 |
150° |
C |
110° |
|
6,45 |
2000 |
|
|
|
|
h4 |
160° |
T3 |
250 |
110° |
|
40,00 |
5500 |
200° |
H 155° |
145° |
130° |
|
90° c1 |
50,00 |
||||
|
|
2250 |
500 |
750 |
|
2000 |
|
|
|
|
|
Рис. 7.37. Сеточная диаграмма теплообменной системы действующей установки пеко- вого производства: h1, h2, h3, h4 – горячие потоки, с1 – холодный поток, Н – изменение потоковой энтальпии, СР – потоковая теплоемкость, Т1, Т2, Т3 – рекуперативные тепло- обменники, С, Н – утилитные теплообменники
С помощью составных кривых мы можем получить максимальное значение мощности рекуперации, возможной для рассматриваемой систе- мы потоков. Она равна 4200 кВт (рис. 7.39).
На этом рисунке мы видим существование порога в данной системе
технологических потоков с высотой Tпорог = 10°С. Для того, чтобы выяс- нить значимость этой величины давайте построим зависимость приведен-
ной стоимости от Tmin для законов стоимости теплообменной поверхно- сти КЗТ = 5000 + 300(А)0,87 на всех потоках, стоимости горячей утилиты
равной 73$ за кВт год, холодной утилиты - 7,3$ за кВт год, с годовой став- кой 10% и временем работы 5 лет. Коэффициенты теплоотдачи для всех потоков равны к = 0,1 кВт/м2°С.
302 |
|
|
Глава 7 |
|
|
|
|
Т, °С |
|
|
|
|
QHmin |
|
|
200 |
Tmin=29°C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
150 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Qрекуперации |
|
|
|
|
|
50 |
QCmin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
5000 |
6000 |
Н, кВт |
Рис. 7.38. Составные кривые для системы потоков из таблицы 7.3 при мощности реку- |
|||||||
перации, равной 3250 кВт: 1 – холодная составная кривая; 2 – горячая; QHmin = 2250 |
|||||||
кВт, QCmin = 950 кВт |
|
|
|
|
|
|
|
Т, °С |
|
|
|
|
QHmin |
|
|
200 |
Tmin=10°C |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
150 |
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
Qрекуп. max |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
50 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1000 |
2000 |
|
3000 |
4000 |
5000 |
Н, кВт |
Рис. 7.39. Составные кривые системы потоков из таблицы 7.3 при максимальной реку- |
|||||||
перации энергии: 1 – холодная составная кривая; 2 – горячая; |
Qрекупер. max 4200 кВт, |
||||||
QHmin = 1300 кВт |
|
|
|
|
|
|
|
Мы видим (рис.7.40), что данная задача имеет явный пинчевый ха-
рактер. Во-первых Tmin > Tпорог, во-вторых, даже при Tmin < Tпорог уве- личение Tmin приводит к уменьшению площади поверхности теплообмена за счет увеличения движущих сил теплообмена, что ведет к значительному уменьшению приведенной стоимости в этой области изменения Tmin с ее увеличением (рис. 7.40). Итак, данная задача должна решаться как "пинче- вая" задача.
|
|
|
Реконструкция |
|
|
|
303 |
|
При анализе сеточной диаграммы теплообменной системы дейст- |
||||||||
ПЗ×10-5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
1 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
Tmin |
|
|
Tminоптимальное |
|
|
|
|
||
Рис. 7.40. Стоимостные зависимости приведенных величин от минимальной разности |
||||||||
температур для системы потоков из таблицы 7. 3: 1 – приведенная общая стоимость, 2 – |
||||||||
приведенная стоимость энергии, 3 – приведенные капитальные затраты |
|
|||||||
вующей установки мы видим, что энергетические требования горячих по- токов 2 и 4 полностью удовлетворены. В то же время горячий поток h1 и холодный "c" приводятся к их целевым температурам за счет теплообмена с утилитами, холодной и горячей соответственно (рис. 7.37). Это говорит о том, что можно увеличить мощность рекуперации тепловой энергии в теп-
лообменной сети без изменения ее структуры только за счет увеличения площади поверхности теплообмена в теплообменнике Т1.
Максимальное значение рекуперации тепловой энергии, которое мо- жет быть достигнуто в существующей теплообменной сети за счет увели-
чения площади поверхности теплообмена, равно Qрекуп. max = 3500 кВт (рис. 7.41). Эта величина меньше максимального значения мощности рекупера-
ции для данной системы технологических потоков (рис. 7.39).
Однако, при существующей структуре теплообменной системы она не может быть увеличена добавлением площади поверхности теплообмена. Но если мы изменим структуру теплообменной сети, как это показано на рис. 7.42, то можно достичь рекуперируемой мощности, равной 3700 кВт, что превосходит предельное значение рекуперируемой мощности Qрекуп. max в исходной структуре теплообменной системы (3500 кВт). Отсюда видно,
|
|
|
|
|
|
Реконструкция |
|
|
|
|
305 |
||
анализе разработан специальный метод сетевого пинча [18]. Рассмотрим |
|||||||||||||
применение этого метода с помощью теплообменной системы, изображен- |
|||||||||||||
ной на рис. 7.41. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Т, °С |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h2 |
|
h1 |
|
|
|
|
|
150 |
h3 |
|
|
|
h4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
||
h1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
TC TC |
|
|
T3 |
|
T2 |
|
T1 |
TH |
|
|
|
||
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
5000 |
6000 Н, кВт |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пинч-теплообменник |
|
CP, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кВт |
|
220° |
|
145° |
Тепловая нагрузка, кВт |
|
100° |
°С |
||||||
1200 |
h1 |
T1 |
|
|
|
|
C |
10,00 |
|||||
|
|
220° |
|
|
|
145° |
|
450 |
|
|
10,00 |
||
750 |
h2 |
|
T2 |
|
|
|
|
|
|||||
250 |
|
|
|
|
|
|
h3 |
150° |
C |
110° |
|
|
6,45 |
2000 |
|
|
|
|
|
h4 |
160° |
T3 |
250 |
110° |
|
|
40,00 |
5500 |
200° |
H 160° |
145° |
|
130° |
|
90° |
c1 |
50,00 |
||||
|
|
2000 |
750 |
750 |
|
|
2000 |
|
|
|
|
|
|
б
Рис. 7.43. Определение сетевого пинча с помощью декомпозиции составных кри- вых: а – изображение температурных профилей потоков в теплообменниках: hi – горячие потоки; Ti – нагрузки рекуперативных теплообменников; ТС и ТН – ути- литных; 1 – горячая составная кривая; 2 – холодная составная кривая; б – опреде- ление пинч-теплообменника
306 |
Глава 7 |
|
|
Для этого на составных кривых технологических потоков, построен- ных так, чтобы они показывали величину рекуперируемой тепловой энер- гии сети (рис. 7.41), отобразим профили температур потоков в каждом из теплообменников системы, как это показано на рис. 7.43.
По сути дела, мы производим декомпозицию составных кривых на тепловые потоки, но положение последних жестко определяется структу- рой теплообменной сети. В нашем примере мы имеем четыре горячих по- тока и один холодный, т.е. холодная составная кривая представляет темпе- ратурный профиль холодного потока. В данном случае при соприкоснове- нии одного из температурных профилей с холодной составной кривой ми-
Т, °С |
|
|
|
|
|
Сетевой пинч |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Пинч технологических |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
h2 |
h1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
потоков |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
150 |
|
|
|
h3 |
|
h4 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
h1 |
|
|
|
|
|
Область выше |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сетевого пинча |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Область ниже |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
сетевого пинча |
|
|
|
|
|
|
Сетевой пинч |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0 |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
5000 |
6000 Н, кВт |
|||||||||||||||
Рис. 7.44. Определение сетевого пинча и области на которые он делит теплообменную
сеть
нимальная разность температур между холодным и горячим потоками в этом теплообменнике оказывается равной 0°С, а соответствующая пара по- токов называется пинч-парой потоков.
При определении максимально возможной рекуперации тепловой энергии в тепловой схеме (рис. 7.41), мы выбрали минимальную разность температур на теплообменнике Т1, равную 0°С, но она может быть любым положительным числом. Пинч-пары потоков указывают на наличие пинча теплообменной системы - сетевого пинча, который является "узким ме- стом" данной системы теплообменников (рис. 7.44). Понятно, что в том случае, когда холодная кривая состоит более, чем из одного потока, то и
для нее необходимо проводить декомпозицию на температурные профили потоков в теплообменниках.
Реконструкция |
307 |
|
|
7.4.3. Определение локализации сетевого пинча
"Пинч-точка" или "пинч" на составных тепловых кривых ТС делит ТС на область с недостатоком тепла – потребитель тепла и область с из- бытком тепла – источник тепла, по аналогии с хорошо известной пинч- точкой технологических потоков в ХТС. Кроме того, при заданной мини- мальной разности температур между холодными и горячими потоками,
пинч ТС определяет предел рекуперации тепла для ТС данной структуры в данной ХТС. Это также аналогично тому, как пинч-точка ХТС определяет предел рекуперации тепла технологических потоков всей ХТС.
Разница между пинчем технологических потоков и пинчем ТС со- стоит в том, что пинч ТС является характеристикой как технологических потоков, так и структуры ТС, в то время как пинч технологических пото- ков является характеристикой только технологических потоков. Следова- тельно, изменения в структуре ТС, входящей в ХТС, окажут влияние на пинч ТС, но оставят неизменным пинч технологических потоков. Хотя пинч технологических потоков и пинч ТС могут совпадать, обычно они различаются, рис. 7.43.
Важно отметить, что пинч ТС не зависит от установленной площади теплообмена в данной ТС, поэтому любые изменения в площади поверх- ности теплообменников не влияют на положение пинча ТС. Можно, одна- ко, показать, что пинч ТС определяет потребность в минимальной площа- ди поверхности теплообмена ТС.
Пинч ТС применяется только для разработки проектов при реконст- рукции действующих ТС.
7.4.4. Кривые целевых значений для реконструируемых теплообменных систем с использованием действующих теплообменников
Кривые целевых значений (или значений целевых функций) для про- екта реконструкции дают графическое представление компромисса «капи- тальные затраты – энергия» при проектировании реконструируемой ТС (рис. 7.45). Различные целевые значения площади поверхности теплообме- на при реконструкции ТС можно получить с использованием существую- щего метода пинч-анализа. Однако чтобы добиться реализации этих целе- вых значений в конкретном проекте реконструкции, может потребоваться значительная модификация исходной структуры действующей ТС. В си- туациях, когда структуру ТС нельзя изменять, найденные целевые значе- ния оказываются бесполезными. В этом случае целевые значения для «ну- левых структурных изменений» можно определить как минимальную до- полнительную площадь поверхности теплообмена, требуемую для дости- жения возможной рекуперации тепла без изменения структуры ТС.
Реконструкция |
309 |
|
|
можно построить соответствующую кривую целевых значений для проекта реконструкции при известной степени рекуперации тепла Rmax. По опреде- лению, кривая целевых значений начинается в точке, в которой поверх- ность теплообмена и степень рекуперации тепла равны значениям исход- ной ТС, а заканчивается в точке, в которой значение площади поверхности равно бесконечности, а величина рекуперации тепла равна Rmax для данной структуры ТС. Зная эти две точки, можно построить примерный график кривой реконструкции, как показано на рис. 7.46 для рассматриваемого примера.
Если внести единственное изменение в структуру ТС, то увеличива- ется возможность рекуперации тепла и можно превысить предел рекупера- ции тепла Rmax исходной ТС. Это приводит к тому, что появляется новый и
Идеальная кривая реконст-
руируемой ТС
|
Три изменения в |
|
Площадь по- |
структуре ТС |
|
Два изменения в |
||
верхности ТС |
структуре ТС |
|
|
Единственное изме- |
|
(капиталь- |
нение в структуре |
|
ные затраты) |
ТС |
|
Нулевое изменение в |
||
|
||
|
структуре ТС |
|
Асуществующей ТС |
Существующая |
|
|
ТС |
Область
нереализуемости
Rmax3 Rmax 2 Rmax1 Rmax0 Eсуществующей ТС
Потребность ТС в энергии (затраты на энергию)
Рис. 7.47. Кривые целевых значений реконструированной ТС со множеством измене-
ний в структуре
больший Rmax, а также новый набор пинч-пар потоков. Целевое значение реконструкции с единственным изменением в структуре определяет мини- мальную дополнительную площадь поверхности теплообмена, требуемую для достижения возможной рекуперации тепла. Как видно из рис. 7.46,
компромисс между дополнительной площадью и экономией энергии улучшается, когда допустимы изменения в структуре ТС.