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

6.3.Принцип анализа остающейся задачи

Сейчас мы рассмотрим один из наименее известных принципов пинч-анализа, который называется “Анализ остающейся задачи”(АОЗ), а в английском оригинале “Remaining Problem Analysis” (RPA) [10].

Принцип анализа остающейся задачи заключается в том, что проек- тировщик при необходимости исключает часть данных одного из потоков, целый поток или часть потоков и определяет целевые значения для остав- шейся задачи.

Рис. 6.31. Применение принципа “Анализа остающейся задачи”: а – целевые энергети- ческие значения для задачи без ограничений равны 100 утилитным единицам; б – раз- мещение всей тепловой утилитной нагрузки на поток № 3 (по эксплуатационным при- чинам), как показывает анализ остающейся задачи, требует дополнительно 20 утилит- ных единиц; в – анализ остающейся задачи показывает, что при размещении на потоке № 3 40 утилитных единиц целевые значения для оставшейся части задачи равны 60

утилитным единицам

Предположим, что для некоторой ХТС, сеточная диаграмма которой показана на рис. 6.31а были установлены целевые энергетические значе- ния, равные 100 единицам. Далее предположим, что имеются эксплуатаци- онные ограничения, а именно, стартовый нагреватель, использующийся для выхода на стационарный режим, должен находиться на потоке № 3. Для того, чтобы уменьшить число используемых теплообменных аппара- тов, проектировщик может разместить стационарный утилитный подогрев (100 единиц) на потоке № 3, который и будет использоваться для выхода на режим. Чтобы проверить корректность такого решения может быть ис- пользован принцип анализа остающейся задачи. Проектировщик для этого

рассчитывает температуру потока № 3 перед установленным нагревателем и исключает часть потока с утилитным подогревом из рассмотрения, т.е. процедура пинч-анализа для определения целевых энергетических значе- ний заново будет применена к потокам 1, 2, 4, 5 и оставшейся части потока № 3, для которого целевой температурой будет являться вновь рассчитан- ная температура перед нагревателем (рис. 6.31б).

Применение процедуры установления энергетических целей пока- зывает, что для “Оставшейся задачи” они равны 20 единицам. Это означа- ет, что утилитный подогреватель, установленный на потоке № 3, приемлем для запуска системы и ее выхода на режим, но не эффективен для общей интеграции потоков, т.к. если мы все 100 утилитных единиц стационарной нагрузки помещаем на 3 поток, то еще необходимо будет использовать 20 дополнительных утилитных единиц на других потоках. Но, как показано на рис. 6.31в, с помощью АОЗ принципа можно получить компромиссное решение, когда на потоке № 3 размещается утилитный теплообменник мощностью 40 единиц, который будет использоваться как для запуска сис- темы и ее выхода на режим, так и для стационарного нагрева потока. В этом случае, как показано на рис. 6.31в, дополнительного к целевым зна- чениям потребления энергии не требуется.

Анализ остающейся задачи может применяться не только в отноше- нии энергетических целей, но и в отношении целевых значений капиталь- ных затрат. Этот принцип является мощным инструментом, который про-

ектировщик может использовать для выработки ключевых решений во время поиска целевых значений.

6.4.Общий обзор традиционных методов пинч-анализа

Вданном пункте мы заканчиваем рассмотрение основных широко применяемых методов, правил и принципов традиционного пинч-анализа [11]. И в связи с этим давайте еще раз остановимся на общей процедуре выполнения проекта теплоэнергетической схемы ХТС. Мы начинали изу- чение методов пинч-анализа с рассмотрения энергетического и материаль- ного баланса в ядре ХТС, которое включает реакторы и систему разделе-

ния (рис. 6.32).

Точно также при проектировании ХТС сначала определяются пото- ковые данные, с помощью которых строится Большая составная кривая и

делается первоначальная оценка необходимых утилит и их возможного

размещения в процессе. Затем, с помощью процедур оптимизации Tmin, определяются целевые значения для проекта, и/или проверяется необхо- димость осуществления изменений в процессе для уменьшения приведен- ной стоимости проекта, после чего опять определяются необходимые ути- литы. Принцип анализа оставшейся задачи используется для оценки влия-

ство утилит, основные технологические ограничения. В результате проек- тировщик получает данные близкие к оптимальным для выполнения про- екта. Далее с помощью балансной сеточной диаграммы проектировщик проводит размещение рекуперативных и утилитных теплообменных свя- зей. На рисунке 6.32 [11] представлена общая итерационная процедура вы-

полнения проекта близкого к оптимальному для ХТС или любого другого промышленного предприятия.

Здесь следует отметить, что во время создания проектного пинч- ме- тода основное внимание уделялось получению сеточной диаграммы и пра- вилам выполнения проекта. Поэтому данное направление было ближе к технологии проектирования и обычно называлось “Пинч-технология”. В

настоящее время описанные методы получили широкое распространение в мире, как методы анализа и аудита промышленных предприятий и их про- ектов. Поэтому сейчас обычно отдается предпочтение термину “Пинч- анализ” перед “Пинч-технологией”.

6.5. Методы проектирования теплообменных сетей с минимальной поверхностью теплообмена

Рассмотренный нами в главе 3 пинч-метод проектирования позволя- ет выполнять проекты с достижением энергетических целей. В данной гла- ве мы изучим методы, являющиеся дальнейшим развитием пинч-метода и

позволяющие проектировщику в проекте получать площадь поверхности теплообмена, которая отличается от ее целевого значения не более, чем на 10% [6]. Данные значения площади теплообменной поверхности достига- ются при использовании минимального числа рекуперативных теплооб- менных связей и, конечно, с удовлетворением целевым энергетическим значениям. В практической деятельности никто не пытается выполнить проект так, чтобы абсолютно во всех рекуперативных теплообменниках проектируемой сети наблюдался исключительно вертикальный теплооб- мен. Попытка выполнить такой проект привела бы к чрезмерно большому числу теплообменных аппаратов в сети и огромному количеству расщеп- лений технологических потоков. Проектируя тепловую сеть, инженер дол- жен стремиться достичь вертикального теплообмена, используя при этом минимальное (целевое) или близкое к нему число теплообменных связей и расщеплений потоков. Другими словами, немного жертвуя целевым значе- нием площади теплообменной поверхности, проектировщик добивается значительного упрощения структуры тепловой сети при достижении энер- гетических целей.

Сейчас мы рассмотрим три простых метода, позволяющих выпол- нять такое проектирование. При этом, если получаемая площадь поверхно-

Температура, °С

Tmin

К = 100 Вт/(м2°С) для всех теплообменников Утилиты: Насыщенный пар: 180°С; Охлаждающая вода: 20°С-40°С

Рис. 6.33. Две различных тепловых сети для одного и того же набора потоков из под- системы выше пинча: (а) – составные кривые для рассматриваемой системы потоков с пинч-температурами 80-90оС; (б) – СР-отношения для размещений P и Q отклоняются от СР-отношения составных кривых в точке пинча на 11% и 7% соответственно; (в) – СР-отношения для размещений R и S отклоняются от СР-отношения составных кривых на 47% и 78%. Площадь теплообмена в этом случае на 16% больше, чем в случае (а)

6.5.2. График движущей силы

Давайте рассмотрим еще один пример создания теплообменной сети для подсистемы, находящейся выше пинча (рис. 6.34). Пинч- размещения в обеих тепловых сетях, представленных на рисунке, удовлетворяют СР-

ские цели QHmin = 534 кВт. Тем не менее площадь поверхности теплообме- на сети теплообменников на рис. 6.34а отличается от целевой для системы

потоков выше пинча на 16%, а сети теплообменников с рисунка 6.34б – на 108%. Очевидно, что использование СР-правил для достижения целевой площади теплообменной поверхности в рассматриваемом случае недоста- точно, но в чем причина такого большого различия?

Простой анализ составных кривых процесса выше пинча (рис.6.34а) показывает, что основная часть тепловой нагрузки на рекуперативные теп- лообменники должна приходиться в стороне от пинча на потоках, между которыми существуют большие движущие силы теплообмена. Поэтому, разумно предположить, что в тепловой сети на рис. 6.34в слабо использу- ются движущие силы вдали от пинча.

Анализ движущих сил в системе потоков Линнхофф и Вредевелд предложили проводить с помощью графика движущей силы [12]. Рассмот- рим как это делается.

Мы уже знаем (гл. 4), что целевое значение площади поверхности теплообмена вычисляется с помощью вертикальных температурных разно- стей во всех энтальпийных интервалах составных кривых. В идеальном

случае для определения движущих сил процесса нам необходимо было бы знать вертикальные температурные разности на составных кривых для ка- ждого размещенного теплообменника. Но существует более простой спо- соб анализа движущих сил, использующий информацию, содержащуюся в составных кривых, и представленный на рисунке 6.35.

Сначала строится график движущей силы. Для этого мы рисуем функциональную зависимость температурной разности Т между состав- ными кривыми от температуры холодной кривой Тхол, т.е. Т = f(Тхол) (рис. 6.35а). Но можно также использовать вполне эквивалентные зависимости

Т = f(Тгор) или Тгор = f(Тхол). Эти диаграммы называются графиком дви- жущей силы. Затем в этих же координатах строятся разности между тем-

пературами теплоносителей в отдельных теплообменниках (рис. 6.35б). Размещение, показывающее вертикальный теплообмен между потоками на составных кривых, будет представляться на графике движущей силы точно так, как это показано на рис. 6.35б. Невертикальные размещения, т.е. те, которые показывают на составных кривых перекрестный теплообмен, де-

монстрируют явное несоответствие их движущей силы графику движущей силы составных кривых (рис. 6.35в,г). Размещения, использующие избы- точную температурную разность, имеют площадь поверхности теплообме- на меньше, чем они бы имели, показывая на составных кривых вертикаль- ный теплообмен. При наличии рекуперативных размещений, в которых температурные разности больше, чем при вертикальном теплообмене, обя- зательно будут существовать размещения, которые используют темпера- турные разности, меньшие необходимых для вертикального теплообмена.

Рис. 6.35. График движущей силы: (а) – способ построения с помощью составных кривых; (б) – размещение с вертикальным теплообменом; (в) – размещение, исполь- зующее чрезмерные движущие силы; (г) – размещение, слабо использующее движу-

щие силы

График движущей силы является удобным руководством для проек- тирования теплообменных сетей с площадью теплообменной поверхности, близкой к целевой. Однако, эта техника является только руководством при проектировании и не дает проектировщику какой-либо количественной информации.

Сейчас мы можем проанализировать, как используется движущие силы в теплообменных сетях, представленных на рис. 6.34б и 6.34в. Для этого рассмотрим график движущей силы каждой из сетей, изобразив его