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

410	Приложение Г

после реконструкции по требованию заказчика. Любая экономия пара низкого давления могла бы быть учтена в потреблении пара среднего давления, если бы заказчик счел это выгодным. Стоимость теплообменников в данном анализе учитывалась в следующем виде:

Стоимость ТО=А+В (Поверхность ТО)С,

(Г1)

где А, В и С определялись согласно [14]. Инфляция учитывалась согласно Индексу химико-технологических производств [16]:

СтоимостьТО(углеродистая сталь) =
= 34854+849 (Поверхность ТО)0,81	(Г1.1)
Стоимость ТО (нержавеющая сталь) =
= 34854+1860 (Поверхность ТО)0,81	(Г1.2)

Эти два соотношения, использованные в анализе, учитывают конструкционные материалы теплообменников. Теплообменники из углеродистых сталей принимались для низкотемпературных процессов, а из нержавеющей – для высокотемпературных процессов.

Г6. Пинч-анализ процесса

Для осуществления пинч-анализа процесса необходимо иметь все данные по существующему энергопотреблению процесса.

Г6.1. Энергопотребление

Расчет текущего энергопотребления был произведен с помощью моделирующей программы HYSIMTM [11] на основе данных работы установки. Данные по горячим и холодным потокам представлены в таблице 1. Составные кривые были составлены с учетом этих потоковых данных при помощи программного обеспечения STAR, разработанного

UMIST [18].

Это позволило определить существующий минимум потребления тепла горячих утилитов (37, 627 МВт) и минимум тепла, отводимого холодными утилитами (91, 194 МВт). Существующая величина Tmin для

процесса составила 56,2оС.

Приложение Г	411

Г6.2. Энергетические цели и возможные усовершенствования

Для прогнозирования	оптимальной	Tmin	было	использовано
программное обеспечение SPRINT©. Новая зависимость общих затрат А 1-1
от T обозначила наиболее экономичный диапазон			T	от 9оС до 15оС,
min			min
оптимальным является	T =11оС, соответствующая			наименьшим
	min

приведенным затратам (рис.Г5).

Величина А1-1 приведенных годовых затрат очень мало изменялась в диапазоне Tmin от 9оС до 15оС из-за малой кривизны стоимостной кривой.

Так как величина Tmin была не очень чувствительна в этом интервале, Tmin =10оС была выбрана на целевой стадии для изучения возможностей

энергосбережения, и насколько это может улучшить существующий проект ТОС.

Используя программное обеспечение STAR© [18] были установлены следующие цели по утилитам: по горячим утилитам 14,094 МВт и 67,665 МВт по холодным утилитам. При этом экономия каждого утилита составляет 23,529 МВт, что для горячего утилита составляет 62,5%, а для холодного – 25,8% по сравнению с существующей ТОС.

На этой стадии также была рассмотрена выработка пара среднего давления как утилита. Большие составные кривые не показали дальнейших целей для выработки пара среднего давления.

Таблица Г1.

Представление данных

	Потоки		Температура,			Мас-	Н, кВт	МСР,
		Тип		оС		совый		кВт/оС
№	Наименование		Нача-		Коне	расход,
			льная		чная	кг/ч
Н1	НЦО главной колонны	Гор.	348,0		239,0	150383	14430,5	132,39
Н2	Осветленная нефть на	Гор.	0		60,0	15664
	склад	Гор.	348,0		180,6	15664	2248,58	13,43
	Сегмент Н2.1.	Гор.	0		60	15664	1324,98	10,99
Н3	Сегмент Н2.2.	Гор.	348,0		214,0	154608	2970,53	123,77
Н4	ТЦН в кип. дебут.	Гор.	0		60,0	43168
	ЛЦН, продукт	Гор.	180,6		134,0	43168	1431,5	31,81
	Сегмент Н4.1.	Гор.	238,0		60,0	43168	2144,69	28,98
Н5	Сегмент Н4.2.	Гор.	179,0		59,0	106273	7361,11	73,61
Н6	ВЦО главной колонны	Гор.	179,0		47,0	220236	23556,3	392,61
Н7	Верх главной колонны	Гор.	134,0		38,0	79311	4774,97	119,37
Н8	Вх. 2-ст. компрессора	Гор.	159,0		38,0	230418	7005,23	241,56
Н9	Вых. смеси ВД	Гор.	107,0		38,0	111205	663,356	66,34

412			Приложение Г
Н10	ВЦО перв. абс.		Гор.	78,0	38,0			115849	465,05	77,51
Н11	НЦО перв. абс.		Гор.	67,0	38,0			116465	13344,6	101,1
Н12	Низ дебутаниз.		Гор.	48,0	143,0			137169	5729,72	106,11
Н13	ЛЦН из главн. кол.		Гор.	44,0	38,0			55264	3836,44	36,54
Н14	ЛЦН из отделителя ГК		Гор.	170,0	57,0			171879	15433,5	1403,05
Н15	Верх дебутанизатора		Гор.	197,0	38,0			28647	435897	21,79
Н16	НСГ		Гор.	143,0	51,1			69472	5328,22	21312,8
Н17	Верх осуш. и DC3		Гор.	68,0	38,0			17368	205,569	8
Н18	Верх DC3		Гор.	58,0	38,0			3742	77,78	15,81
Н19	Нижн. прод. отд.		Гор.	51,4	51,4			132317	10146,4	3,54
Н20	пропилена		Гор.	51,0	49,8			100566	9024,72	10146,3
Н21	Верх отд. пропилена		Гор.	60,0	38,0			11174	94,444	9
Н22	Верх отд. бутана		Гор.	51,5	38,0			6361	102,778	11280,9
С1	Л. nC4/бутилен на склад		Хол.	50,6	294,0			152256		8,0
	Т. nC4/бутилен на склад			49,8						4,28
	Нефть на питание уста-		Хол	62,0	124,9			152256	-4719,7
1.2.	новки КК		Хол	80,0	138,0			152256	-1431,5
1.3.	Сегмент С1.1.		Хол		158,0			152256	-2248,6	105,0
1.4.			Хол	80,0	192,0			152256	-3967,7	109,69
1.5			Хол	124,9	294,0			152256	-12986,0	112,43
С2			Хол	138,0	98,0			81411	-1716,5	116,7
С3			Хол	158,0	54,0			174694	-2060,3	127,31
С4			Хол	192,0	137,0			229014	-10911	40,32
С5	Питание стриппера		Хол	55,43	195,5			212520	-10466	128,77
	Кипятильник стриппера			38,0						340,98
С6	Кипятильник дебута-		Хол	105,0	60,0			28628	-471,61	410,41
С7	низатора		Хол	170,0	111,0			105515	-5541,3
С8	НСГ питание DC3		Хол		2			147184	-10180	21,44
С9	Кипятильник DC3		Хол	38,0	60,33			92398	-8208,9	9392,0
С10	Кипятильник отд.		Хол	110,4	61,66			20142	-691,39	254505,
	пропилена			3	51,77					0
	Кипятильник отд. бутана			60,29						63145,6
	Кипятильник осуш.			61,53						9
	колонны			51,68						7682,07
	Используя	данные,	полученные			от		производства		(или
квалифицированно		выполненных		расчетов),		для существующей ТОС,

Приложение Г	413

величина поверхности теплообмена для теплообменников технологических потоков и выработки пара среднего давления А1-1 составила 7672 м2, то есть в среднем 426 м2 на один кожух теплообменника.

Г7. Цели реконструкции и ход её осуществления

Г7.1. Цели реконструкции процесса

Для реконструкции процесса были установлены следующие цели:

−капитальные затраты ≤5х106 долл. США;

−срок окупаемости ≤2 года;

−число модификаций неограничено, но предпочтительно их уменьшение;

−процентная ставка 5%, с учетом того, что все платежи выполняются в долларах США;

−жизненный цикл установки 15 лет.

−Кроме того, для целевого анализа были приняты следующие данные:

−существующий уровень тепла горячих утилитов = 37,623 МВт;

−приведенные годовые затраты по горячим утилитам = 111 долл. США/кВт∙год, основанные на использовании в качестве горячих утилитов горючего газа и пара низкого давления для установки каталитического крекинга;

−приведенные годовые затраты по холодным утилитам = 9,49 долл. США/кВт∙год;

− поверхность теплообменников технологических потоков =7672 м2;

−средняя величина поверхности одного кожуха теплообменника = 426 м2.

При определении снижения энергопотребления и целевой поверхности теплообмена при выбранном сроке окупаемости около 15 месяцев, что соответствует Tmin =10оС применялись методы как

постоянного, так и возрастающего α [6,19]. Для метода с постоянным α величина α была ниже 0,85, то есть реконструкция не даст хорошего результата. С учетом того, что принималось предположение о возрастающем α , было решено аппроксимировать цели реконструкции. Энергетическая цель по горячим утилитам составила 14,094 МВт, что дает существенное улучшение по сравнению с существующим энергопотреблением, но при этом общая величина поверхности теплообмена увеличивается до 10213 м2.

414	Приложение Г

H1

348 °C

239 °C

H2

348 °C

150.0 °C

60 C

C

°

237

°

C

214 C

1002.24

H3

°

179°C

138.23 °C

60°C

H4

C

159 °C

°

2279.17

CC

90.0

C

59 C

H5

C

°

104

°

C

2281.94

47 C

H6

C

°

78 C

23556.3

38°C

H7

°

C

67 C

4774.97

38°C

H8

°

°

C

7005.23

°

H9

48 C

C 663.36

38 C

44 C

°

°

H10

C

38 C

170 °C

93.7 °C

465.05

38 C

H11

C

°

197

°

C

5631.2

143 C

H12

°

143 C

°

°

H13

°

96.02

C

C

38 C

68 °C

2120.17

57 C

H14

C

°

58 C

15433.53

38°C

H15

°

C

51.4 °C

435.9

51.2°C

H16

C

51 C

5328.22

38 C

H17

°

C 205.57

°

60 C

38 C

H18

°

C

°

51.5

°

C

77.78

°

H19

51.4 C

50.6 °C

C

10146.38

49.8°C

H20

C 9024.7

49.8 C

38°C

H21

°

C

62°C

94.44

38 C

H22

C

°

294°C

102.78

80 C

FH

°

C1

98°

5079.17

55.4 C

12435.6

3951.5

2589.3

1279.0

°

C2

54 C

1716.5

38°C

°

C3

137 C

5181.6

2060.2

105 C

°

°

C4

5729.7

196 C

7494.8

170°C

°

C5

60°C

2970.5

38 C

°

C6

111 °C

471.6

110.4°C

H

C7

60.33

C

5541.28

60.29°C

°

H

C8

61.7

°

C

10180.2

°

61.53 C

C9

°

C

H

8208.94

51.68 °C

51.77

°

H

C10

°

691.39

°

199 C

80 C

C11

1218.33

1765.61

QCmin= 90628.99 кВт

DTmin=10°C

Существующая ТОС

Ограничивающие сочетания

QHmin= 37057.75 кВт

теплоносителей

1-

(H2-C1)

2-

(H4-C1)

3-

(H5-C1)

Рис. Г5 Сеточная диаграма существующей ТОС и ограничивающие сочетания теплоносителей.

Приложение Г	415

Для срока окупаемости 15 месяцев можно привести следующие целевые факторы:

–стоимость экономленной энергии = 2,835∙106 долл.США/год

–капитальные вложения = 3,5805∙106 долл.США/год

–Tmin = 10o C .

Г7.2. Использование метода сетевого пинча при реконструкции

В процессе проекта реконструкции существующей ТОС установки каталитического крекинга как части нефтеперерабатывающего комплекса был применен метод сетевого пинча [9], потоковые данные существующей ТОС приведены в таблице Г1 и соответствующей ей сеточной диаграмме, приведенной на рис. Г5.

Применение этого метода требует нескольких выполнений компьютерных программ в файлах GAMS [21] для идентификации возможных перспективных решений, которые представляют собой топологические изменения. Таким образом, прорабатывается ряд проектных решений и лучшее из них может быть выбрано на стадии диагностики.

Величина минимальной разности температур в теплообменнике (МРТТ) была принята 10оС, и, поскольку из-за этого рабочие параметры некоторых теплообменников несколько изменились в соответствии с тем, что вся движущая сила ≥10оС.

При МРТТ равной 10оС, как показано на рис. 8, сочетание

теплоносителей (Н5-Н1,2), (Н4-С1,2) и (Н2-С1,3) идентифицируются как ограничивающие сочетания теплоносителей. Были отмечены очень

небольшие изменения в изложенных требованиях к горячим и холодным утилитам.

Г7.2.1. Стадия диагностики

В данном случае при поиске новых модификаций было предложено два варианта. Первый начинался с изменения обвязки трубопроводов. В ходе 1й переобвязки теплообменников, а затем и 2й переобвязки интеграция тепла возросла на 40% по сравнении с существующим процессом.

Затем было решено исключить 2-ю переобвязку и пойти по пути добавления новых теплообменников, как показано на схеме, приведенной

416	Приложение Г

Существующая ТОС

QHmin=37057,75 кВт Стоимость утилитов=4953596,7 долл./год

	Передвижение	1-я переобвязка
	теплообменников

QHmin=37057,57 кВт		QHmin=33816,08 кВт
Стоимость утилитов=4953596,1 долл./год		Стоимость утилитов=4371444,5 долл./год

2-я переобвязка

QHmin=32958,72 кВт

Стоимость утилитов=4149256,18 долл./год

Добавление теплообменника (H6-C9)

QHmin=25607,14 кВт Стоимость утилитов=3255930,8 долл./год

Добавление теплообменника (H6-C8)

QHmin=21956,98 кВт Стоимость утилитов=2759839,6 долл./год

Добавление теплообменника (H11-C1)

QHmin=20100,71 кВт

Стоимость утилитов=2591053,82 долл./год

Добавление теплообменника (H5-C7)

QHmin=18542 кВт

Стоимость утилитов=2379374,2 долл./год

Рис. Г6. Проектная схема для новых модификаций ТОС (D – вариант)

на рис.Г6. Требуемое количество тепла горячих утилитов снизилась до 18,542 МВт только после переобвязки одного теплообменника по теплоносителям (Н5-С8) и добавлением четырех новых теплообменников для теплоносителей (Н6-С9), (Н6-С1), (Н11-С1) и (Н5-С7).

Второй вариант не предусматривал никакой переобвязки и прямо начинался с добавления новых теплообменников. При добавлении четырёх теплообменников требуемое количество тепла горячих утилитов снизилась до 18,668 МВт как показано на схеме, приведенной на рис.7. Эти новые теплообменники предназначены для следующих пар теплоносителей: (Н6С8), (Н6-С9), (Н11-С9) и (Н4-С8). Этот вариант проекта и был принят для реконструкции в данной работе.

Приложение Г	417

Существующая ТОС

QHmin=37057,75 кВт Стоимость утилитов=4953596,7 долл./год

Передвижение

теплообменников

QHmin=37057,57 кВт Стоимость утилитов=4953596,1 долл./год

Добавление теплообменника (H6-C8)

QHmin=26877,55 кВт Стоимость утилитов=3570208,7 долл./год

Добавление теплообменника (H6-C9)

QHmin=23126,45 кВт Стоимость утилитов=3060472 долл./год

Добавление теплообменника (H11-C9)

QHmin=20258,7 кВт Стоимость утилитов=2673498 долл./год

Добавление теплообменника (H4-C8)

QHmin=18668,61 кВт Стоимость утилитов=2459178 долл./год

Рис. Г7. Проектная схема для новых модификаций ТОС (Е – вариант)

Г7.2.2. Стадия оптимизации и проект реконструкции

Выбранный в ходе стадии диагностики вариант проекта был обработан при помощи программного обеспечения SPRINT© [17] с целью оптимизации. Для окончательного проекта реконструкции и достижения наилучшего компромисса между капитальными вложениями и потенциалом рекуперации необходимо поставить следующие условия для проекта:

–число теплообменников и построение сети не изменяются;

–изменения могут касаться рабочих параметров отдельных теплообменников, если они обусловлены оптимизацией рекуперации тепла;

–так как на стадии диагностики не рассматривалось расщепление потоков, потоковые расходы не будут оптимизироваться в данном случае.

418	Приложение Г

Результаты стадии оптимизации, включая детализированную требуемую поверхность теплообмена, в том числе для новых четырех теплообменников (16, 17, 18, 19) сведены в таблицу Г2. Окончательный вид проекта представлен на рис. Г8, где требуемое тепло горячих утилитов несколько повысилось с 18,66 МВт до 19,26 МВт, тепло, отводимое холодными утилитами также увеличилось до 72,83 МВт по сравнению с вариантом, выбранным на стадии диагностики.

Таблица Г2. Распределение площади поверхности теплообмена в окончательном

варианте проекта реконструкции теплообменной системы

Номер	Тепловая	Поверхность противоточного ТО, м2
теплообме	нагрузка
нника		Существующая	После	Увеличение
			реконструкции
1	1307,72	66,79	35,48	0,0
2	1677,09	44,62	92,15	47,53
3	7494,80	641,81	707,15	65,73
4	2970,50	559,42	495,06	0,0
5	3951,50	322,65	357,51	34,86
6	4514,99	1904,30	1735,18	0,0
7	1311,60	632,76	490,92	0,0
8	2549,08	190,40	307,54	117,14
9	1716,05	361,15	376,58	15,43
10	2060,60	258,88	461,98	203,1
11	5181,60	1268,53	1319,49	50,96
12	5729,70	1341,19	1467,95	126,76
13	471,60	79,69	200,86	121,17
14	5541,28	125,26	125,7	0,44
15	13025,47	176,52	424,23	247,71
16	8263,96	00	1488,94	1488,94
17	1916,24	00	321,42	321,42
18	5460,07	00	520,83	520,83
19	2748,87	00	244,24	244,24
20	691,39	7,02	7,06	0,04
21	1042,36	70,27	60,68	0,0
22	348,32	264,27	57,24	0,0
23	2846,02	418,79	390,22	0,0
24	9832,29	1528,97	815,97	0,0
25	4774,97	589,51	484,55	0,0

		Приложение Г			419
26	7005,23	1164,88		1234,24	69,36
27	663,36	264,94		197,39	0,0
28	465,05	213,97		154,50	0,0
29	2882,34	830,43		572,21	0,0
30	2120,17	270,23		346,42	76,19
31	15433,5	2046,25		2252,31	206,06
32	435,90	117,6		96,05	0,0
33	5328,22	1050,76		1224,67	173,91
34	205,57	51,04		62,98	11,94
35	77,78	13,83		16,76	2,93
36	10146,38	1017,57		1409,15	391,58
37	9024,70	1771,49		2420,41	648,92
38	94,44	20,03		42,03	22,01
39	102,78	18,38		34,54	16,16
		19704,2		23070,14	5225,36

Увеличение поверхности теплообмена, полученное на стадии оптимизации при помощи программы SPRINT©, составило 5225 м2, что соответствует требуемым капитальным затратам 1,253 миллиона долл. США.

Величина экономии энергии, взятая как разность между затратами по энергии для существующей системы и системы, полученной в результате оптимизации на конечной стадии проектирования, составила 2,492 миллиона долл. США в год. Срок окупаемости сократился до 6 месяцев. Здесь не учитывались затраты на монтаж, которые зависят от конкретных производственных условий, однако, даже с учетом этих затрат срок окупаемости не превысил бы одного года.

Г8. Выводы

Была проанализирована и промоделирована с помощью программы HYSIMTM [11] типовая установка каталитического крекинга как часть нефтеперерабатывающего комплекса. Существующее значение

Tmin = 56,2o C является довольно высоким, в то время, как при постановке целей проектирования Tmin было определено в диапазоне от

9оС до 15оС. При Tmin = 10o C оказалось возможным снизить количество тепла, отводимое холодными утилитами, на 26% и потребление тепла от горячих утилитов на 62% по сравнению с существующей системой.

Реконструкция всегда имеет заданные ограничения по капитальным вложениям и сроку окупаемости.