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

440	Приложение Д

ветственно, экономия благодаря улучшенной интеграции тепла составляет 102100 EURO в год или 77%-ное уменьшение энергозатрат.

T,0C

250

200

150

100

50

0

50

100

150 200

250

300 H, кВт

Рис. Д16. Большая составная кривая для модифицированной схемы процесса ра-

финации

Приложение Е	441

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

РОЛЬ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В ПРАКТИКЕ ИНТЕГРАЦИИ ПРОЦЕССОВ

Значительный объем и сложность большинства практических задач интеграции процессов требует использования специфического математи- ческого обеспечения. При выполнении энергетической интеграции про- мышленных процессов можно выделить два широких направления, в кото- рых развивается и используется соответствующее матобеспечение, а имен- но:

1)целеуказание;

2)проектирование теплообменных сетей.

Е1. Целеуказание

При целеуказании используются основные термодинамические принципы для определения ключевых параметров проекта перед началом его выполнения. Обычно целевые значения определяются для следующих параметров:

−минимальное энергопотребление;

−минимальная величина площади поверхности теплообмена;

−минимальное число теплообменных аппаратов в сети теплообме- на;

−минимальная общая стоимость теплообменной сети (общие при- веденные затраты)

−минимальное значение потребляемой мощности в системах охла- ждения;

−максимальная мощность, генерируемая в системах когенерации;

−минимальное значение эмиссии вредных веществ в атмосферу от топных газов (СО2, SOx и NOx).

Реальные проектные задачи могут иметь большое число потоков, и

поэтому проектировщику практически невозможно проанализировать все альтернативные проекты в деталях. В то же время инструменты для опре-

деления целей могут быть использованы для улучшения многих проектных альтернатив без обращения к их детализации. Таким образом, целеуказа-

442	Приложение Е

ние должно быть выполнено много раз для различных вариантов утилит- ных систем, ко-генерационных систем, изменений в процессах и т.д. Целе-

указание также может быть использовано для изучения чувствительности альтернативных вариантов проекта к изменениям стоимости энергоноси- телей и даже к изменению в законах об охране окружающей среды. Поэто- му совершенно очевидно, что для успешного применения инструментов целеуказания в проектировании необходимо использовать специально соз- данное для этого математическое обеспечение. Однако, как показывает опыт, для создания удачных и практически воплотимых проектов про- мышленных предприятий необходима творческая работа проектировщика,

поэтому матобеспечение должно быть интерактивным с хорошо развитым графическим интерфейсом.

Е2. Проектирование теплообменных сетей

Полученные целевые значения основных параметров проекта ис-

пользуются при создании технологической схемы теплообменной системы предприятия. На этой стадии разрабатывается технология сети теплооб- менных аппаратов и утилитная система. Известные целевые значения ос- новных параметров проекта позволяют проектировщику при их достиже- нии принять проект, будучи уверенным, что создана действительно опти- мальная технологическая схема проектируемого процесса.

Для генерации технологических схем теплообменных систем ис- пользуется два типа программного обеспечения. В первом из них проекти- ровщик в интерактивном режиме создает систему теплообмена, добавляя в нее оборудование или исключая его из схемы, и на каждом шагу анализи- руя полученный результат. Во втором типе программ проектировщик, за- давая начальные данные, получает автоматически построенную сеть теп- лообменников. Второй тип программ обычно применяется при создании сложных систем теплообмена, включающих большое число технологиче- ских потоков. Однако, в этом случае проектировщик не полностью кон- тролирует выполнение проекта, что может привести к окончательному ре- шению, содержащему нежелательные особенности.

В настоящее время. при проектировании технологических сетей

промышленных предприятий используются интегрированные системы программного обеспечения, позволяющие проектировщику работать как в интерактивном, так и в автоматическом режимах. Данные системы вклю-

чают как программные модули для целеуказания и синтеза теплообменных систем, так и модули, позволяющие моделировать и рассчитывать процес- сы, происходящие в индивидуальных установках проектируемой техноло- гической схемы.

Использование таких пакетов имеет свои преимущества и недостат- ки. К преимуществам данных программных продуктов можно отнести то,

Приложение Е	443

что проектировщик имеет возможность контролировать выполнение про- екта от его начала и до завершения, вмешиваясь в развитие проекта там, где он считает это необходимым, а там, где нет, выполняя проект автома- тически. К недостаткам данного подхода можно отнести то, что проекти- ровщик должен владеть, по крайней мере, основами пинч-анализа. К наи-

более известным интегрированным программным пакетам можно отнести следующие разработки:

−SPRINT (продукт DPI UMIST, Объединенное Королевство);

−STAR (продукт DPI UMIST, Объединенное Королевство);

−SuperTargetTM (продукт Linhoff March, Объединенное Королевст- во);

−ADVENT (продукт ASPEN Technology, США, Объединенное Ко-

ролевство);

−PINCH (продукт НТУ «ХПИ» и АО «Содружество – Т», Украи-

на)[32, 74 – 87];

−GRID (продукт НТУ «ХПИ» и АО «Содружество – Т», Украи-

на)[32, 74 – 87].

В заключении заметим, что применение интегрированных про- граммных продуктов качественно меняет работу проектировщика в про- цессе создания проекта, освобождая его от рутинных просчетов. Вследст- вие этого он больше времени может уделить творческой деятельности.

444	Заключение

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Широкое распространение и применение пинч-анализа в последние два десятилетия позволило значительно улучшить энергетическую и экс- плуатационную эффективность промышленных установок во всем мире.

Выполнено большое количество успешных проектов в различных отраслях промышленности, начиная от нефтехимической и химической и заканчи- вая бумажной и пищевой промышленностью. Опыт применения методов пинч-анализа показал, что их использование приводит к снижению энерго-

иресурсопотребления как при рассмотрении непрерывных процессов, так

ипериодических. С помощью этих методов могут анализироваться обо- собленные технологические процессы и большие производственные ком- плексы. Проектировщики из многих промышленно развитых стран показа- ли, что пинч-анализ одинаково хорошо работает как при создании проек- тов новых промышленных предприятий, так и при выполнении проектов реконструкции уже существующих производств. Литературные данные, опубликованные в различных источниках [73], говорят, что применение пинч-анализа в среднем приводит к снижению стоимости потребляемой энергии на 30-40 % и значительно снижаются капитальные затраты при создании новых предприятий. Получение экономической выгоды от при- менения методов пинч-анализа сильно зависит от степени интеграции про- цессов на исследуемом предприятии. При проектировании новых произ- водств и реконструкции очень старых получается наибольший экономиче- ский выигрыш. Использование пинч-анализа на предприятиях, где уже вы- полнялась интеграция процессов другими методами, приводит к получе- нию меньшей в процентном отношении прибыли. Но даже повторный ана-

лиз предприятий через некоторое время после проведения интеграции процессов пинч-методами показывает возможность получения прибыли. Это происходит как по причине выполнения дополнительных модифика- ций на предприятиях за прошедшее время, так и по причине изменения цен на энергоносители и эксплуатацию.

Пинч-технология обеспечивает проектировщика всесторонним инст- рументальным набором для анализа и проектирования технологических, и утилитных систем. Однако одно из наиболее важных достижений пинч-

анализа состоит в объединении этого набора инструментов в выделенной стадии проектирования технологических процессов. Инженерные и про- ектные решения, принимаемые на этой стадии проектирования, оказывают эффективное влияние на полный жизненный цикл предприятия. Однако наличие инструментов пинч-анализа и их понимание еще не является дос- таточным критерием для получения удовлетворительного результата. Ус- пешное завершение проекта требует от разработчика, владеющего метода-

Заключение	445

ми пинч-анализа, их приложения в концептуально выверенной фазе проек- тирования.

Для этого необходимо, чтобы технолог, применяющий пинч-анализ при проектировании процессов и утилитных систем, был знаком с тради- ционными методами разработки, которые применяются на всех стадиях создания проекта. В равной мере инженеры, работающие над проектом и не участвующие непосредственно в процессной интеграции, должны вла- деть основами пинч-анализа. Это поможет различным группам проекти- ровщиков эффективно взаимодействовать в процессе работы над проек- том.

До недавнего времени, по крайней мере, в нашей стране, при выпол-

нении проектов различные группы инженеров работали над различными частями проекта. Различными группами специалистов выполнялась дета- лизация гидравлических систем предприятия, систем контроля управления, утилитных систем и выбор оборудования, а также разработка интерфейс- ной системы предприятия. Инженеры-технологи занимались разработкой основных технологических линий, инженеры-энергетики проектировали утилитные системы и т.д. При этом если и проводилась оптимизация, то обособленно в каждой из названных систем предприятия, и выходные дан- ные проекта одной системы предприятия становились основой для созда- ния следующей, а общая оптимизация сводилась к увеличению выпуска готовой продукции, но как теперь понятно, это совсем не означает, что предприятие будет работать с наибольшей экономической выгодой. Спе- циалистов, занимающихся интеграцией процессов при создании новых проектов или проектов реконструкции, практически не было, да и в на- стоящее время ни один из вузов Украины их не готовит. Поэтому и произ- водство, описанное в приложении А, является типичным как для Украины, так и для остальных стран СНГ.

Более того, опыт введения в эксплуатацию многих производств пока- зывает, что неполадки, как правило, возникают в местах взаимодействия систем предприятия, которые проектировались различными группами. Это выясняется на стадии пуско-наладочных работ, что порой приводит к зна- чительному изменению всего проекта и, как следствие, к повышению его стоимости. И даже формальное применение методов пинч-анализа без уче- та возможных технологических ограничений может повлечь за собой пе- репроектирование всего производства. Поэтому готовить специалистов, владеющих современными методами системного проектирования и спо- собных объединить усилия различных групп специалистов, используя не- обходимые методы и правила пинч-анализа на каждой стадии создания проекта, является первостепенной задачей технического образования. И предлагаемая монография окажет неоценимую помощь в решении этой за- дачи, поскольку является на Украине первым изданием, посвященным из- ложению методов и правил пинч-анализа.

446	Глоссарий

ГЛОССАРИЙ

Балансные составные кривые (Balanced Composite Curves): составные кривые, изображенные с учетом изменения энтальпии и температуры, ис- пользуемых утилит.

Балансная сеточная диаграмма (Balanced Grid Diagram): сеточная диа-

грамма системы потоков и утилит.

Большая составная кривая (Grand Composite Curves): температурно-

энтальпийная диаграмма, показывающая суммарное изменение энтельпии системы холодных и горячих потоков в каждом из температурных интер- валов.

Большие утилитные составные кривые производственного комплекса

(Site Utility Grand Composite Curves): строятся при помощи составных кривых производственного комплекса в (ηс , Н) координатах подобно БСК.

Горячий поток (Hot Stream): технологический поток, который необходи- мо охладить.

Извлечение данных (Data Extraction): анализ технологической схемы и определение данных, необходимых для решения задачи рекуперации теп- лоты (или интеграции в широком смысле).

Каскад (Cascade): последовательность тепловых потоков задачи рекупе- рации тепловой энергии через сдвинутые границы температурных интер- валов, которые расположены в строго убывающем порядке температурных значений.

Луковичная диаграмма (Onion Diagram): диаграмма иерархического строения химико-технологической системы, выполненная в виде концен- трических круговых слоев.

Максимальная рекуперация энергии Maximum Energy Recovery (MER)): предельно возможное, наибольшее значение величины рекупери- руемой энергии в теплообменной сети для заданного значения Тmin .

Общие температурные профили производственного комплекса (Total Site Profiles): комбинированная большая составная кривая для всех про- цессов, входящих в комплекс.

Глоссарий	447

Перекрестное соединение (Criss-Сross Match): размещение двух и более теплообменных аппаратов так, что в одном из них теплообмен происходит между горячим потоком, имеющим большую температуру, чем горячий поток в других теплообменниках, а холодный поток имеет более низкую температуру, чем холодный поток в других теплообменниках.

Перекрестный теплообмен (Criss-Сross Heat Transfer): теплообмен ме-

жду горячими и холодными потоками, который на энтальпийно- температурной диаграмме изображается перекрывающимися линиями. Об- разуется при перекрестном соединении теплообменников.

Петля (цикл) (Loop): замкнутая система связей в теплообменной сети, проходящая через рекуперативные теплообменные аппараты и технологи- ческие потоки.

Пинч (Pinch): область наибольшего сближения горячей и холодной со- ставной кривой на температурно-энтальпийной диаграмме (альтернативно пинч может быть определен как точка, в которой тепловой поток в каскаде равен нулю).

Пинч-метод проектирования (Pinch Design Method): метод проектиро-

вания теплообменных сетей, неотъемлемой частью которого является со- блюдение принципа Тmin на пинче.

Подсистема (Subsystem): набор потоков и утилит в задаче рекуперации теплоты, которые находятся в общем энтальпийном балансе.

Подходящее размещение (Appropriate Placement): Расположение тепло-

вой машины или теплового насоса относительно рекуперативного пинча, при котором наблюдается наилучшая совместная энергетическая произво- дительность.

Пороговая задача (Threshold Problem): задача рекуперации теплоты, в

которой присутствует только одна утилита холодная или горячая в области значений Тmin, заключенной между нулем и пороговым значением Тmin .

Пороговое значение Тmin	(Threshold Тmin ): значение Тmin , начиная с
которого при увеличении	Тmin появляется две утилиты в пороговой зада-
че.

Правило отметки (“Tic-off” Heuristic): отметка технологических потоков на сеточной диаграмме для последующей максимизации тепловой нагруз- ки теплообменной связи между ними.

Профиль (Profile): температурно-энтальпийный график потока или со- ставной кривой.

Профиль источника (Source Profile): часть большой составной кривой ниже температуры пинча.

448	Глоссарий

Профиль стока (Sink Profile): часть большой составной кривой выше температуры пинча.

Путь (Path): система связей в теплообменной сети, сформированная не- прерывным маршрутом между утилитным нагревом и утилитным охлаж- дением.

Расщепление потоков (Stream-Splitting): деление потока на две или больше параллельных линии, представленных на сеточной диаграмме.

Сеточная диаграмма (Grid Diagram): графическое изображение техноло- гических потоков в виде горизонтальных линий, а рекуперативных тепло- обменных связей между ними в виде вертикальных линий, соединяющих соответствующие потоки.

Составные кривые производственного комплекса (Site Composite Curves): общие температурные профили комплекса, показанные с пере- крытием в координатах (ηс , Н).

Составная кривая (Composite Curve): комбинированный температурно- энтальпийный график всех холодных или всех горячих потоков в рассмат- риваемой ХТС.

Температура снабжения (Supply Temperature): температура, с которой поток входит в рекуперативную задачу.

Температурный интервал (Temperature Unterval): часть задачи рекупе-

рации теплоты между двумя температурами, которая содержит фиксиро- ванный набор потоков с постоянными потоковыми теплоемкостями. Гра- ничные значения температуры интервалов определяются либо температу- рами снабжения, либо целевыми температурами или температурами, на которых происходит изменения потоковой теплоемкости.

Теплообменная сеть (Heat Exchange Network): система рекуперативных и утилитных теплообменников.

Утилитa (Utility): внешние источники энергии или хладагенты, исполь- зуемые для нагрева или охлаждения потоков.

Холодный поток (Cold Stream): поток, который для его дальнейшего ис- пользования необходимо охладить.

Цель (Target): проектные ограничения, определенные до начала проекти- рования.

Целевая температура (Target Temperature): температура, с которой по- ток покидает задачу рекуперации теплоты.

Цикл (Loop): замкнутая система связей в теплообменной сети, проходя-

щая через рекуперативные теплообменные аппараты и технологические потоки.

Глоссарий	449

Циклическое размещение (Cyclic Matching): повторяющиеся размеще-

ния теплообменных связей для различных пар технологических потоков.

Эксергетическая большая составная кривая (Exergy Grand Composite): большая составная кривая, построенная в координатах: пото- ковая энтальпия - фактор Карно.

Эксергетическая составная кривая (Exergy Composite): составная кри-

вая, построенная в координатах: потоковая энтальпия - фактор Карно.

Энергетическая релаксация (Energy Relaxation): процесс уменьшения рекуперации энергии в теплообменной системе с целью упрощения проек- та.

СР правила (CP-Rules): правила, определяющие возможность размеще- ния рекуперативного теплообменника на потоках в зависимости от соот- ношения их потоковых теплоемкостей (преимущественно вблизи локали- зации пинча).

СР таблица (CP-Table): представление потоковых теплоемкостей в виде таблицы.