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

350	Глава 9

кализован в том месте на рассматриваемых кривых, где нет перекрытия между утилитами (рис. 9.11).

Светлые области на рис. 9.11 между составными кривыми (отмечены вертикальными стрелками) показывают величину эксергетических потерь между процессами, входящими в производственный комплекс и его ути- литной системой. Заштрихованные области показывают существующий энергетический потенциал, который возможно использовать для когенера- ции электроэнергии.

С помощью составных кривых производственного комплекса обыч- ным способом могут быть построены Большие утилитные составные кри- вые производственного комплекса (рис. 9. 12). Они показывают инженеру путь к наилучшему использованию энергетического потенциала для коге- нерации.

ОВД

ОВ

ОВД

ОВ

Рис. 9.12. Большие утилитные составные кривые производственного комплекса

Заметим, что изученный нами плюс/минус принцип может быть применен к общему пинчу комплекса. При этом изменения процессов можно объединить в три различные группы:

∙изменения, ведущие к снижению потребления топлива производ- ственным комплексом;

∙изменения, которые ведут к увеличению когенерации в процессах за счет увеличения потребления топлива;

∙изменения, ведущие к увеличению потребления топлива, которое

компенсируется увеличением производства электроэнергии за счет когенерации.

Еще один важный вывод можно сделать, исходя из интеграции про- цессов в производственном комплексе, и касается он стоимости пара. Пар

– это внутренний, промежуточный теплоноситель, и поэтому любые изме- нения в проекте или любая модификация предприятия (если они потребу-

Интеграция процессов в пределах производственно-территориального комплекса 351

ют изменения в количестве и распределении теплоносителей) могут быть выражены через стоимость внешних энергоносителей.

Интеграция в пределах территориально-промышленных комплексов является большим достижением в области пинч-анализа за последнее деся- тилетие. Также как и в традиционном пинч-анализе, ее применение позво- ляет установить целевые значения для потребления топлива, когенерации,

вредных выбросов и использования охлаждающей воды еще до создания проекта модернизации комплекса.

9.4 Определение целевых значений вредных выбросов

Мы уже знаем, что основной целью применения пинч-анализа явля- ется создание энергоэффективных производств с уменьшением их воздей- ствия на окружающую среду. В данной главе мы рассмотрим, каким обра- зом проектировщик, выполняя проект, может установить связь между по- треблением энергии и характером выбросов, образующихся в результате сжигания топлива.

Исторически контроль над загрязнением воздуха был создан для ре- шения локальных проблем, таких как смог в регионах Лос-Анджелеса или Лондона. Однако в настоящее время стало понятно, что такие общие про- блемы, как глобальное потепление или кислотные дожди не могут быть решены без ограничения выбросов на каждом промышленном предпри- ятии. И лучше всего определять выбросы токсичных веществ в атмосферу через их абсолютные массовые расходы потому, что оценка загрязнения с помощью определения концентрации вредных веществ, поступающих в атмосферу, может привести к заблуждению [32]. Очень важно также рас- сматривать загрязнение окружающей среды, исходящее от промышленных предприятий или в целом от больших промышленных комплексов относи- тельно всей потребляемой предприятиями энергии, т.е. необходимо обяза- тельно принимать во внимание загрязнение от электростанций, ТЭЦ и дру- гих утилитных объектов, снабжающих предприятия энергией, а не только загрязнения, которые создают сами предприятия.

Считается, что экологически наиболее вредные следующие четыре компонента загрязнения:

1.Диоксида углерода (вносит наибольший вклад в создание теплич- ного эффекта).

2.Оксиды серы (главный вклад в кислотные дожди).

3.Оксиды азота (важный вклад в кислотные дожди).

4.Твердые частицы, дым (образование смога и опасность для здоро- вья).

Эмиссия диоксида углерода имеет непосредственное отношение к горению топлива и может быть выражена стехиометрической моделью:

352	Глава 9

æ	m ö	®nCO2	æ m ö		(9.1)
Cn Hm + ç n +	÷O2		+ ç	÷H2O.
è	4 ø		è	2 ø

С помощью уравнения (9.1) можно достаточно точно предсказать ве- личину эмиссии СО2 в предположении, что горение происходит с доста-

точным доступом кислорода и эмиссия оксидов углерода пренебрежимо мала, т.е. весь углерод топлива превращается в СО2.

Аналогичная модель может быть использована для определения ве- личины эмиссии оксидов серы:

æ	m	ö	®nCO2	+	m	H2O + pSO2 .	(9.2)
Cn HmSp + ç n +	4	+ p÷O2			2
è		ø

Заметим, что некоторое количество двуокиси серы превращается в SO3, но доля триоксида серы составляет только 10% от общей величины от оксидов серы, поэтому (9.2) будет давать достаточно точную оценку об- щей эмиссии оксидов серы в атмосферу.

Ситуация с оценкой величины выделяемых в атмосферу нитроокси- дов при горении топлива гораздо более сложная. Нитрооксиды (NОx) фор- мируются при горении двумя основными реакционными путями. Термиче-

ские нитрооксиды формируются при гомогенном горении азота в воздухе на высоких температурах:

N2 + O2 ƒ 2NO,		(9.3)
NO +	1 O2 ƒ NO2 .	(9.4)
	2

Второй путь формирования нитрооксидов – это гетерогенное горе- ние на поверхности частиц топлива.

При таком горении нитрооксиды образуются как на низких, так и на высоких температурах. Часть азота, находящаяся в топливе, реагирует пря- мо до N2, что еще более осложняет оценку, поскольку оксиды N2O и N2O4 также образовываются в различных реакциях, и окончательная смесь нит- рооксидов в дымовых газах зависит от кинетики горения, интенсивности смешения и массопереноса и термодинамических условий.

Поэтому в реальных случаях фактически невозможно вычислить до- лю выбросов, приходящихся на NОx. В настоящее время для оценок вы- броса нитрооксидов применяются модели, основанные на эксперименталь- ном обследовании различных энергетических устройств, таких как котлы, газовые турбины, трубчатые печи и т.д. В лучшем случае расчеты, бази- рующиеся на указанных моделях, могут быть приемлемы для оценки

Интеграция процессов в пределах производственно-территориального комплекса 353

тенденции изменения количества нитрооксидов при изменении условий горения топлива, а не для точной оценки потока нитрооксидов в атмосфе- ру.

T	А

Продукт

Реактор

	Очистка		H
		Выбросы утилитных
Выбросы производств
		предприятий	Б
		T

Продукт

Реактор

Отходы	H
Выбросы производств	Выбросы утилитных
	предприятий

Рис. 9.13. Различные проекты процесса приводят к различным уровням выбросов вред- ных веществ. Однако в этих проектах существует и различный уровень потребления топлива, энергия которого используется в очистных сооружениях. Поэтому для оценки

количества вредных выбросов необходимо совместное рассмотрение производства продукции и энергии

Твердые взвеси в дымовых газах образуются двумя путями. Во- первых, это металлы, содержащиеся в топливе и окисляющиеся при горе- нии. Во-вторых, это недожог топлива, который ведет к тому, что в дымо- вых газах появляются коксовые частицы, состоящие из углеводородов и углерода. И также, как при определении NОx, определение несгоревшего топлива затрудняется наличием многих факторов, влияющих на горение.

Поэтому обычно при оценке взвесей в дымовых газах учитывают только содержащиеся в топливе металлы. При этом считается, что все металлы,

354	Глава 9

присутствующие в топливе и неорганической золе, испаряются во время горения.

	Цели для
	производственного
	комплекса
	W
Топливо, потребляемое	Когенерация
в комплексе	электроэнергии

СО2

	Утилитная инфраструктура	Сетевой баланс
	(системный пар и т.д.)
		энергии
	D	СО2

B C

А

Баланс энергии в процессах

Потребление топлива процессами

СО2

Рис. 9.14. Определение целевых значений для производственных комплексов позволяет нам получить общую модель, описывающую как производственные процессы, так и утилитную систему комплекса. Изменения проекта, составление планов, увеличение мощности – все это может быть выражено через стоимость энергии и выбросы вредных веществ. Заметим, что модель не включает стоимость пара, т.к. пар строго внутренний

параметр

Определение целевых значений для выбросов вредных веществ в ат-

мосферу и минимизация этих выбросов возможна как для отдельно взятых процессов, так и для производственного комплекса в целом.

Рассмотрим два проекта одного и того же процесса (рис. 9.13). Про- ект на схеме А оснащен простой очисткой, а на схеме Б показан проект с более сложной системой очистки, включающий систему разделения с ре- циклом. Однако чаще всего бывает так, что лучшее разделение смесей тре- бует больше энергии. На рис. 9.13 показано, что уменьшение вредных вы- бросов в процессах повлечет за собой увеличение потребления топлива, и это противоречие в настоящее время понимается как проектировщиками, так и законодателями.

Интеграция процессов в пределах производственно-территориального комплекса 355

В последнее десятилетие в некоторых странах существовали норма-

тивы для контроля за выбросами с чрезмерно низким значением предельно допустимых концентраций (ПДК) и предельно допустимых выбросов на промышленных предприятиях (ПДВ), что приводило к дополнительному сжиганию топлива на утилитных предприятиях, и в целом экологическая ситуация не улучшалась. Сейчас понятно, что необходимо оценивать об- щую экологическую картину производственно-территориального комплек- са с включением в рассмотрение всех утилитных предприятий.

Определение целевых значений с помощью методов пинч-анализа

120%

100% Перед реконструкцией

80%

60%

Производство
электроэнергии	Потребление	Эмиссия СО2
в пределах комплекса	топлива

0	2	4	6	8	10	6	12	14	16	18	20
				Инвестиции, $×10

Рис. 9.15. Целевые значения для производственно-территориального комплекса могут быть установлены в виде функциональной зависимости от инвестиций. В реальном по- казанном здесь случае когенерация электроэнергии сначала увеличивается, несмотря на снижение потребления топлива в комплексе. Однако, производственный опыт показы- вает, что увеличение когенерации на единицу теплоты в комплексе более выгодно

позволяет проектировщикам, плановикам и законодателям прийти к ра- циональному компромиссу между вредными выбросами от производст-

венных процессов и выбросами при сжигании топлива на энергетических предприятиях.

При применении пинч-анализа для интеграции процессов в пределах больших производственно-территориальных комплексов можно устано- вить целевые значения производственной мощности, инвестиции в инфра- структуру и инвестиции в процессы. Вместе с этим мы можем установить целевые значения для топлива, потребляемого в центральной утилитной системе комплекса, для импорта и экспорта электрической энергии и для децентрализованного потребления топлива (рис. 9.14), и, следовательно, мы можем установить общие значения вредных выбросов, например, эмис- сии СО2 (рис. 9.15).

356	Приложение А

ЧАСТЬ III

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ МЕТОДОВ ПИНЧ-АНАЛИЗА

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПОТЕНЦИАЛА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С ПОМОЩЬЮ ПОСТРОЕНИЯ СОСТАВНЫХ КРИВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТОКОВ [33]

А1. Введение

Проектирование тепловых систем, обеспечивающих минимальное по- требление энергии промышленными предприятиями, является одной из наиболее сложных технических проблем, с которой приходится сталки- ваться как при реконструкции промышленных установок, так и при их первоначальном проектировании.

При проектировании оптимальных тепловых систем необходимо на- ходить решение из огромного числа возможных вариантов. В [34], напри- мер, указывается, что в задаче с пятью холодными и горячими технологи- ческими потоками число вариантов схем равно 3×106, поэтому важным эта- пом решения является формулирование критерия оптимизации (целевой функции). В большинстве случаев она имеет вид [35]:

P = (d + d

æ

NT

A

NС +NN

ö

NT NС +NN

G

× M

,

(А1)

)ç

å

+

å

B ÷

+ q

å å

k

kl

1 2

ç

i

j ÷

è i=1

j=1

ø

k=1 l=1

где П – приведенные затраты, $/год; d1 – нормативный коэффициент оку- паемости, год–1; d2 – норма амортизации, год–1; q – продолжительность го- довой эксплуатации оборудования, ч/год; Ai – стоимость i-го теплообмен- ника, $; Bj – стоимость j-го нагревателя, $; Gk – стоимость k-го вспомога- тельного теплоносителя, $; Mkl – массовый расход k-го теплоносителя в l-м

Приложение А	357

теплообменнике, кг/ч; NТ, NC, NN – количество теплообменников, холо- дильников и нагревателей.

Традиционные методы проектирования не позволяют оценить приве- денные затраты до создания технологической схемы установки или пред- приятия. Применение методов математической оптимизации приводит к необходимости решения задач большой размерности, осложнённых воз- можностью появления локальных методов, а многие методы их решения не дают однозначного алгоритма [4].

Для эффективного синтеза оптимальных технологических схем проф. Б.Линхоффом с сотрудниками университета Манчестерского института науки и технологии развит метод пинч-анализа [9, 10], основанный на тер- модинамическом анализе составных кривых потоков.

А2. Метод исследования

В данной работе предлагается метод автоматического построения со- ставных кривых технологических потоков на энтальпийно-температурной плоскости.

Сначала проводится детальное обследование существующей тепло-

энергетической системы действующего предприятия или технологической схемы проектируемого процесса для выяснения теплофизических характе- ристик, участвующих в теплообмене технологических потоков.

Обследование включает в себя как работу с документами, технологи- ческими установками, так и взаимодействие с проектировщиками, обслу-

живающим установки персоналом и администрацией предприятия с целью выяснения и уточнения данных.

После того, как все данные о технологических потоках уточнены и из- вестны их начальные TН и TК температуры, массовые расходы теплоноси- телей W, их теплоёмкости C, выясняются потоковые теплоёмкости техно-

логических потоков

CP = W × c ,

(А2)

а затем изменение энтальпии потоков в их температурных интервалах:

TК
DH = òCP × dt ,	(А3)

TН

если CP = const, то DH = CP(TН – TК).

По полученным данным мы также должны определить минимальную разность температур между теплоносителями в теплообменниках DТmin [9, 10].

358	Приложение А

Пусть на обследованном предприятии существует NX холодных пото- ков (т.е. потоков, которые необходимо нагреть для их технологической дальнейшей обработки) и NГ горячих технологических потоков (потоков, которые необходимо охладить).

Каждый i-й холодный поток характеризуется температурным интер- валом DTC0i=[TCНi, TCКi] и потоковой теплоёмкостью CPCi, аналогично для горячих потоков DTH0j=[THНj, THКj] и CPHj.

Определим над множеством температурных интервалов холодных по- токов множество их нижних границ {TCНi} – множество начальных темпе- ратур, верхних границ {TCКi} – множество конечных температур. Для го- рячих потоков множество нижних границ {THКj} – объединяет все конеч- ные температуры потоков и {THНj} – все начальные температуры.

Далее сортируются и упорядочиваются множества всех граничных температур холодных потоков {TCНi} {TCКi}, горячих потоков {THНj} {THКj} и объединение этих множеств {TCНi} {TCКi} {THНj} {THКj}, при этом из множеств исключаются все встречающиеся равные элементы, кроме одного, и тогда:

	упорядочение с
{TCНi } {TCКi }	исключением		{TCk },
		=>			k = 1,2,K, K ,	(А4)
		упорядочение с
	исключением		{THl },
{THНj } {THКj }		=>			l = 1,2,K,L ,	(А5)
			упорядочение с
			исключением		{Tm }, m = 1,2,K, M ,
{TCНi } {TCКi } {THНj } {THКj }				=>		(А6)

где K, L, M – соответственно мощности счётных множеств {TCk}, {THl}, {Tm}.

Затем над этими множествами температур определяются множества температурных интервалов {DTCi} = [TCi-1, TCi], {DTHi} = [THi-1, THi], {DTi} = [Ti-1, Ti], с кардинальными числами на единицу меньшими, чем у соответствующих температурных множеств. После этого, для построения составных кривых технологических потоков, мы вычисляем суммарные потоковые теплоёмкости для температурных интервалов {TCi}, интерва- лов, на которые делится холодная составная кривая:

COCj	=	åCPCi , j = 1, 2,…, K-1,	(А7)
		" DTC 0i ÉDTC j
для температурных интервалов горячей составной кривой:
COH j	=	åCPHi , j = 1, 2,…, L-1,	(А8)
		" DTH0i ÉDTH j

Приложение А	359

и для общего множества температурных интервалов, соответственно для холодной кривой:

CCj	=	åCPCi	,	j = 1, 2,…, M-1,	(А9)
		" DTC0i ÉDTj
и горячей составной кривой:
CH j	=	åCPHi	,	j = 1, 2,…, M-1.	(А10)
		" DTH0i ÉDTj

Сейчас мы можем вычислить суммарное изменение энтальпии холод- ных и горячих потоков в температурных интервалах, на которые делятся составные кривые. Изменение энтальпии холодных потоков для темпера- турных интервалов, на которые делится холодная составная кривая, на- чальными и конечными температурами холодных потоков, вычисляется как:

DOCj	= (TC j+1	− TC j )COCj ,	j = 1,2,K, K −1,	(А11)
соответственно для горячей составной кривой:
DOHj	= (TH j+1	− TH j )COHj ,	j =1,2,K,L −1.	(А12)

Аналогично вычисляем суммарное изменение энтальпии холодных и горячих потоков для температурных интервалов, на которые делится об- следованная теплоэнергетическая система начальными и конечными тем- пературами горячих и холодных потоков, т.е. для интервалов {DTi}:

DICj	= (Tj+1	− Tj )CCj ,	j = 1,2,K, M −1,	(А13)
DIHj	= (Tj+1	− Tj )CH j ,	j =1,2,K,M −1	(А14)

Здесь заметим, что в некоторых температурных интервалах техноло- гические потоки могут отсутствовать. Для таких интервалов суммарное изменение энтальпии соответствующей суммы будет равно нулю.

Далее вычисляем значения энтальпий в точках излома составных кри- вых, которые соответствуют элементам множеств {TСk} и {THl}. При этом для определённости считаем, что крайняя левая абсцисса горячей состав- ной кривой будет соответствовать началу координат, т.е. HHi = 0, и тогда:

HHi+1 = HHi + DOHi , i =1,2,K,L −1.

(А15)