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

340	Глава 9

Далее строятся температурные профили “стока” и “источника” про- изводственного комплекса. Эти построения выполняются точно также, как

Рис. 9.2. Построение температурных профилей для пяти процессов и снабжение их не- обходимыми утилитами. Заметьте, что пар низкого давления является холодной утили-

той для профиля источника и горячей для профиля стока

Интеграция процессов в пределах производственно-территориального комплекса 341

это мы делали в главе 2 при построении составных кривых, т.е. рассматри- ваются температурные интервалы, на которые делят температурную ось точки излома модифицированных и сдвинутых вдоль оси Т больших со- ставных кривых индивидуальных процессов. В каждом температурном ин- тервале суммируются энтальпийные требования процессов. Построение производится так, что энтальпийные требования общего профиля стока производственного комплекса считаются положительными, а для общего энергетического источника – отрицательными (рис. 9.1).

Поскольку “карманы” из рассмотрения мы исключили, тем самым мы исключили возможность передачи теплоты от процесса к процессу, по-

ηC			ExОВД
ОВД		2
1
ВД	6		W = (ExОВД - ExВД)ηex
5			W
ηC = 0 4	7	3	H
			ExВД

W = ηex

Рис. 9.3. Определение целевых значений для когенерации электроэнергии

этому и общий профиль источника и общий профиль стока будут моно- тонными функциями от температуры, и будут определять целевые энерге- тические значения для производственно-территориального комплекса. За- метим также, что полная рекуперация теплоты в пределах каждого процес- са уже определена, поэтому мы и вернулись к реальным температурам.

Следующим шагом является размещение холодных утилит против общего профиля источника и горячих утилит против общего профиля сто- ка. Такие профили помогают наилучшим образом разместить уже сущест- вующие утилиты или подобрать новые. Часто возможно использовать одни и те же утилиты (такие как пар, горячее масло, вода и т.д.) для получения

теплоты от общего источника и передачи этой теплоты к профилю общего стока в области, где существует температурное перекрытие профилей (рис. 9.2).

На рисунке 9.3 представлен метод определения целевых энергетиче- ских значений для когенерации с помощью рассмотренных нами в главе 8 эксергетических диаграмм, на которых температурные уровни потребляе-

мой и отводимой мощности откладываются на плоскости с энтальпией вдоль оси абсцисс и к.п.д. Карно вдоль оси ординат. В данном примере

342	Глава 9

приводится диаграмма для турбины, которая потребляет пар очень высоко- го давления (ОВД), а на выходе турбины отводится отработанный пар вы- сокого давления (ВД). Эксергия пара очень высокого давления (эквивалент идеальной работы) равна заштрихованной области 1 – 2 – 3 – 4 (рис. 9.3), в то время, как эксергия отработанного пара (ВД) равна заштрихованной об- ласти 4 – 5 – 6 – 7. Поэтому работа, которая может быть совершена при пе- реходе от пара ОВД к пару ВД, равна разности их эксергий, т.е. области 1

Рис. 9.4 Пример построения температурных профилей с размещением утилит для ути- литной системы, эскиз которой показан справа на рисунке: ОВД – пар очень высокого давления; ВД – пар высокого давления; СД – пар среднего давления; ОВ – охлаждаю- щая вода; Д – мощность генерации пара среднего давления в процессах; С – мощность, передаваемая паром среднего давления от турбинной системы; В – мощность, переда- ваемая паром высокого давления, полученного из турбинной системы; Е – мощность,

отводимая охлаждающей водой

– 2 – 3 – 7 – 6 – 5. Реальную работу, которая может быть выполнена турби- ной, мы можем вычислить, умножив идеальную работу на эксергетический к.п.д. турбины ηех. Таким образом, энергетическая цель для когенерации, в рассматриваемой системе будет равна площади заштрихованной поверх- ности 1 – 2 – 3 – 7 – 6 – 5, умноженной на ηех (рис. 9.3).

Давайте в качестве примера рассмотрим производственный ком- плекс, состоящий из нескольких процессов, например шести, а также

Интеграция процессов в пределах производственно-территориального комплекса 343

включающий утилитную систему и две турбины для генерации электро- энергии. Обе потребляют пар очень высокого давления, но отработанный пар первой из них является паром высокого давления, а второй – паром среднего давления. Общая система также включает две паровых магистра- ли – высокого и среднего давления и общую систему охлаждения. Эскиз технологической схемы производственного комплекса представлен на рис. 9.4.

Здесь же изображены общие температурные профили комплекса и

Рис. 9.5. Определение целевых значений для топлива, когенерации электроэнергии, эмиссии и охлаждения в производственно-территориальном комплексе

все используемые в системе утилиты. Минимальное значение потоковой теплоемкости топливного газа определяется параметрами пара очень вы- сокого давления, питающего турбины. Количество требующегося топлива определяется изменением энтальпии топливного газа от температуры го- рения до температуры окружающей среды.

Общие температурные профили комплекса также определяют целе-

вые значения для холодных утилит и возможное значение дополнительной

344	Глава 9

рекуперации энергии (рис. 9.4). Но поскольку все построения, в данном случае, сделаны на Т – Н плоскости, мы не можем получить целевые зна- чения для когенерации электроэнергии в системе. Для этого, как мы знаем,

нам необходимо выполнить построение общих температурных профилей и утилитных размещений на координатной плоскости, где вдоль оси ординат отложено значение к.п.д. Карно (рис. 9.5). Здесь, также как на рисунке 9.4, целевым значением генерации пара среднего давления (СД) всеми процес- сами является величина Д. Оставшееся необходимое значение пара средне- го давления С обеспечивается турбинной системой. Целевым значением для пара высокого давления (ВД), для всех процессов комплекса является величина В. Таким образом, турбинная система может удовлетворять тре- бования производственного комплекса, как для пара высокого давления – В, так и среднего давления – С. Заштрихованная поверхность на рис. 9.5 является идеальной работой (т.е. эксергией), которую может выполнить пар очень высокого давления – А, получаемый в утилитной системе ком- плекса. Таким образом, мы можем установить целевое значение для коге- нерации электроэнергии – W. Необходимое для комплекса значение пара очень высокого давления – А устанавливает целевое значение для топлива, потребляемого в котлах утилитной системы – F, как горизонтальную про- екцию топливного профиля на энтальпийную ось (рис. 9.5). Зная состав топлива, проектировщик может определить величину эмиссии вредных веществ в атмосферу. Целевое значение для холодных утилит определяет- ся общим температурным профилем источника и равно Е (рис. 9.5). Следо- вательно, начиная с построения больших составных кривых для индивиду- альных процессов, входящих в состав большого территориально- производственого комплекса, проектировщик может установить целевые значения для топлива, потребляемого комплексом, для когенерации элек- троэнергии, для эмиссии вредных веществ в окружающую среду и для хо- лодных утилит.

9.2. Пример интеграции процессов в производственнотерриториальном комплексе

Методы, изученные в предыдущем пункте, могут быть применены для одновременной модернизации процессов и утилитной системы боль- шого производственно-территориального комплекса. Рассмотрим конкрет- ный пример для иллюстрации использования общих температурных про- филей комплекса при выполнении проекта его модернизации.

На рисунке 9.6 показано существующее распределение утилит отно- сительно общих температурных профилей комплекса. Здесь мы видим па- ровую магистраль высокого давления, куда поступает пар от центральной турбинной системы. Распределительная магистраль пара среднего давле- ния не связана с турбинной системой, более того, весь пар среднего давле-

Интеграция процессов в пределах производственно-территориального комплекса 345

ния, генерируемый в процессах, потребляется процессами, входящими в производственный комплекс. Данное построение обнаруживает общий пе- ренос тепловой энергии (в процессах и утилитной системе) через пинч. Общая мощность теплового потока через пинч равна 40 МВт (рис. 9.6).

Рис. 9.7. Предлагаемая реконструкция с включением нового процесса

Рис. 9.6. Температурные профили для выбранного примера производственно- территориального комплекса. Потребление топлива – 282 единицы, механическая мощ- ность, развиваемая турбиной – 23 единицы и т.д.

Вданном примере планируется модернизация заводского комплекса

свключением в него дополнительного технологического процесса. На рис. 9.7 показаны температурные профили предлагаемого проекта модерниза-

ции завода и представлен эскиз технологической схемы распределения утилит в комплексе.

Включение в заводской комплекс дополнительного процесса приве- ло к увеличению энергопотребления. Вследствие этого и источниковый температурный профиль и температурный профиль стока расширились.

Новый процесс был спроектирован с помощью пинч-метода и по- требляемая им мощность, равная 70 МВт, является оптимальной. Обеспе-

чение энергией нового процесса производится с помощью пара среднего давления, который является отработанным паром дополнительно установ- ленной турбины (рис. 9.7). Эта турбина потребляет пар очень высокого давления, для чего планируется ввести в центральную утилитную систему новый котел. Введение нового процесса приведет и к увеличению нагрузки на систему охлаждения, равную 40 МВт.

346	Глава 9

Построение общих температурных профилей производственного комплекса показывает проектировщику дополнительную информацию.

Вследствие значительного расширения температурных профилей давление

Рис. 9.8. Альтернативный проект реконструкции комплекса, основанный на рассмотре-

нии общих температурных профилей

Интеграция процессов в пределах производственно-территориального комплекса 347

пара среднего уровня перестало быть оптимальным. На рисунке 9.7 видно, что не используются в полной мере движущие силы доступные между па- ром среднего давления и температурным профилем стока. Данная диа- грамма совершенно ясно показывает, что давление пара среднего уровня должно быть уменьшено. Выполнение такого уменьшения показано на рис.

Рис. 9.9. Альтернативный проект с модификацией процессов

9.8. Давление пара среднего уровня выбрано так, чтобы генерация пара в процессах горячими потоками была полностью сбалансирована его по- треблением в качестве горячей утилиты, и тепловая нагрузка при генера- ции и, соответственно, при потреблении этого пара должна быть макси- мальна. Данная модернизация позволила значительно сократить использо- вание пара очень высокого давления (рис. 9.8). И по сравнению с первона- чальным вариантом, в альтернативном варианте потребление топлива снижено на ~ 38%, а охлаждающей воды на ~ 36%, и кроме того не требу- ются инвестиции в новую турбину и новый котел.

Если по технологическим причинам давление пара среднего уровня не может быть снижено, проектировщик может добиться уменьшения при- веденной стоимости модернизации путем изменения процессов. Некото- рые возможности такого изменения мы обсуждали в главе 6, а пример та- кой модернизации для рассматриваемого случая приведен на рис. 9.9. В результате потребление топлива уменьшается на 41%, хладагентов на ~ 39%, и также нет необходимости в инвестициях в новое оборудование.

Дальнейшее улучшение проекта модернизации мы можем получить за счет введения новой магистрали для пара низкого давления, как показа- но на рис. 9.10. Температурные профили комплекса показывают, что 35

348	Глава 9

иаг ртс ила

мй

рап ово

он йов

евв нед меи

рп кео ст

ьлА рет тан нви йы

9. 01 .

Р си .

Интеграция процессов в пределах производственно-территориального комплекса 349

МВт пара низкого давления, генерируемого в процессах за счет рекупера- ции теплоты, мы можем передать холодным потокам комплекса. В резуль- тате этого потребление топлива снизится, по сравнению с предлагаемым проектом, на 55%, а охлаждающей воды – на 51%, но появятся дополни- тельные инвестиции в новую паровую магистраль и, соответственно, в до- полнительную поверхность теплообмена.

9.3.Составные кривые производственного комплекса

Внедавних исследованиях, посвященных применению пинч-анализа к интеграции производственных комплексов, разработаны новые очень

удобные методы проектирования утилитных систем производственных комплексов, и в частности, так называемые "Составные кривые производ- ственных комплексов".

ηС	Пинч	ОВД	Ввод теплоты
	производственного
	комплекса
	ОВ
	Выход теплоты
			Н
	Рис. 9. 11. Составные кривые производственного комплекса

Данные кривые строятся с использованием общих температурных профилей комплекса, которые изображаются с перекрытием на (ηс, Н) диа- грамме (рис. 9.11). Поэтому графическое изображение этих кривых во многом подобно изображению составных кривых отдельных процессов, но существует очень важное отличие, а именно это то, что теплообмен между технологическими потоками, представленными в составных кривых про- изводственного комплекса, может быть осуществлен только опосредован- но через паровые магистрали, а не прямо от горячей кривой к холодной. Вследствие этого "Общий пинч производственного комплекса" будет ло-