Рисунок 2.10: Схема полного энергоаудита
[11, Franco, 2005]
2.12. Пинч-анализ
Общая характеристика
Пинч-анализ – методология минимизации энергопотребления процесса посредством расчета термодинамически обоснованных объемов энергопотребления и приближения к ним с помощью оптимизации теплопередачи между процессами, методов энергоснабжения и характеристик технологических процессов. Хотя иногда этот метод называют интеграцией процессов или энергетической интеграцией, фактически, пинч-анализ является одним из средств такой интеграции (см., например, раздел 2.4).
В контексте пинч-анализа каждый оптимизируемый процесс рассматривается как совокупность горячих и холодных потоков. Горячими называются потоки, которые нуждаются в охлаждении, а холодными – потоки, нуждающиеся в нагреве. Для каждого процесса может быть построена одна кривая на диаграмме «энтальпия-температура», представляющая совокупность всех горячих потоков, и одна кривая, представляющая совокупность всех холодных потоков процесса. Эти кривые называются соответственно горячей и холодной составными кривыми. Построение кривой продемонстрировано на рис. 2.11 и 2.12. На первом из них показаны два горячих потока на диаграмме «энтальпия-температура».
105
Рисунок 2.11: Два горячих потока
Поток 1 охлаждается с 200 до 100 °C. Его потоковая теплоемкость CP (произведение массового расхода на удельную теплоемкость вещества) равна 1; поэтому от потока отводится 100 кВт тепла. Поток 2 охлаждается со 150 до 50 °C. CP этого потока равна 2; следовательно, от потока отводится 200 кВт тепла.
Горячая составная кривая строится посредством простого сложения потребностей в отведении тепла для каждого диапазона температур:
•в диапазоне от 200 до 150°C существует только один поток, имеющий CP = 1. Следовательно, в этом диапазоне температур необходимо отведение 50 кВт тепла;
•в диапазоне от 150 до 100°C существует два горячих потока с суммарным CP = 3. Общая потребность в отведении тепла в данном диапазоне составляет 150 кВт. Составная кривая на участке температур 150-100 C является более пологой, поскольку суммарная величина CP в этом диапазоне больше, чем в диапазоне 200-150°C;
•в диапазоне от 100 до 50°C существует только один поток, имеющий CP = 2. Следовательно, в этом диапазоне температур необходимо отведение 100 кВт тепла.
Горячая составная кривая показана на рис. 2.12.
Рисунок 2.12. Горячая составная кривая
106
Холодная составная кривая строится аналогичным образом. На практике количество потоков в составе процесса, как правило, оказывается гораздо больше, но составные потоки строятся точно так же, как было показано в этом упрощенном примере.
На рис. 2.13 горячая и холодная составные кривые построены на одной и той же диаграмме «температура – энтальпия». Эти кривые представляют совокупные потребности процесса в охлаждении и нагреве.
Рисунок 2.13: Составные кривые, пинч, и теоретические потребности в «холодных» и «горячих» энергоресурсах
Проекции кривых на ось энтальпии перекрываются. Это означает, что тепло, отводимое от горячей составной кривой (совокупности горячих потоков), может быть использовано для нагрева холодной составной кривой (совокупности холодных потоков) посредством организации передачи тепла между потоками. Однако у каждой из составных кривых существует участок, проекция которого на ось энтальпии не перекрывается проекцией второй кривой. Это означает, что в своей верхней части холодная составная кривая нуждается во внешнем источнике тепла (мощностью QH,min), а горячая составная кривая в своей нижней части нуждается во внешнем источнике охлаждения (мощностью QC,min). Эти величины представляют собой теоретические потребности в горячих и холодных энергоресурсах.
Точка, в которой расстояние между кривыми по оси температуры минимально, называется «пинч»27. В точке пинча разность температур между кривыми достигает минимума – ∆Tmin. При этом область перекрытия проекций двух кривых на ось энтальпии представляет возможности для
передачи тепла между процессами (рекуперации тепла), а величины QH,min и QC,min являются минимальными теоретическими потребностями в энергоресурсах.
После того, как для процесса определены пинч и теоретические потребности в энергоресурсах, для оптимизации процесса могут быть использованы три «золотых правила» пинч-анализа. Процесс может быть рассмотрен как две отдельные системы, находящиеся соответственно выше пинча и ниже пинча (см. рис. 2.14). Система, находящаяся выше пинча, требует подведения тепла из внешнего источника и, следовательно, является стоком тепла. Система, находящаяся ниже пинча, требует отведения тепла за свои границы и поэтому является источником тепла.
27 Pinch (англ.) – сужение, сжатие. (Прим. пер.)
107
Рисунок 2.14: Схематическое представление систем, находящихся выше и ниже пинча.
Три основных правила состоят в следующем:
•не должно быть передачи тепла через пинч;
•не должно быть внешнего охлаждения системы, находящейся выше пинча;
•не должно быть подведения тепла из внешних источников к системе, находящейся ниже пинча.
Если через пинч передается количество тепла α, это означает, что это же количество тепла (α) должно быть дополнительно подведено к «верхней» системе и дополнительно отведено от «нижней» (см. рис. 2.15). Аналогичным образом, любое внешнее охлаждение системы-стока и любое подведение тепла извне к системе-источнику означают дополнительные потребности в энергоресурсах по сравнению с минимальными теоретическими значениями.
Рисунок 2.15: Передача тепла через пинч от стока к источнику
108
Таким образом:
T = A – α |
Уравнение 2.1 |
где:
T – теоретическое минимальное энергопотребление; A – фактическое энергопотребление;
α – поток энергии через пинч.
Для достижения минимума энергопотребления необходимо исключить поток тепла через пинч.
Экологические преимущества
Оптимизация энергетического баланса производственного предприятия.
Воздействие на различные компоненты окружающей среды
Как предполагается, отсутствует.
Производственная информация
Важнейшим условием эффективного использования пинч-анализа является наличие фактических данных, в особенности, в том случае, если технологический процесс не является непрерывным. Такие данные не могут быть заменены никакими оценками или предположениями; для достижения энергосбережения (и соответствующего снижения затрат) необходимо детальное измерение характеристик (в т.ч. временных) всех технологических потоков в составе процесса.
Применимость
Пинч-анализ может применяться на предприятиях широкого круга отраслей, где используются технологические потоки, имеющие различные температуры. Этот метод используется при проектировании новых предприятий или производственных единиц, модернизации производственных мощностей, а также таких исследованиях деятельности предприятия, как:
•энергетический анализ производственных единиц;
•анализ систем энергоресурсов, включая тепловые и электроэнергетические системы;
•проектирование и анализ теплообменных систем;
•комплексный анализ производств с целью оптимизации процессов и интеграции использования различных энергоресурсов;
•анализ водородных и водных систем.
Первоначально пинч-анализ применялся в нефтехимии, нефтепереработке и на крупных предприятиях химической промышленности, где результатом его использования было энергосбережение и сокращение капитальных затрат. Однако в последнее время эта методология успешно применяется к различным технологическим процессам широкого круга отраслей. В частности, пинч-анализ используется в когенерации, фармацевтической, целлюлозно-бумажной и цементной промышленности, а также различных подотраслях пищевой промышленности (например, пивоварении, производстве кофе, мороженого и молочных продуктов). См. «Примеры» ниже.
Пинч-анализ успешно применяется к технологическим процессам различных типов, включая периодические, полунепрерывные и непрерывные процессы, и способен учитывать различные характеристики этих процессов, включая использование различных видов сырья и энергоресурсов, сезонные колебания спроса, а также ограничения, связанные с качеством продукции, и ограничения природоохранного характера.
Экономические аспекты
См. сроки окупаемости инвестиций, приведенные в табл. 2.6.
Пинч-анализ имеет репутацию дорогостоящей и сложной в применении методологии. Однако в случае несложных процессов расчеты могут выполняться вручную или при помощи программных
109
инструментов (в т.ч. распространяемых бесплатно). Уровень, с которого начинается стоимость проектов по пинч-анализу, составляет около 5 тыс. евро. Несложный анализ может выполняться даже на основе незначительного количества данных. В настоящее время пинч-анализ включен во многие программы обучения промышленных инженеров.
В более сложных ситуациях может потребоваться группа опытных специалистов, хорошо знакомых с пинч-анализом, особенностями конкретного производства, а также методиками моделирования процессов и оценки затрат.
Мотивы внедрения
Сокращение эксплуатационных и капитальных затрат.
При применении пинч-анализа к существующей деятельности предприятия во многих случаях удалось добиться улучшения характеристик производственного процесса, что позволило, например, повысить гибкость производства, «расшить» узкие места в технологических процессах, увеличить производительность и снизить масштаб негативных эффектов (например, образования накипи).
Примеры
Примеры экономического эффекта, полученного в результате применения пинч-анализа1 (в долларах США2, источник: Ullman's, 2000)
Предприятие/процесс |
Экономический эффект |
Переработка сырой нефти |
1,75 млн. долл., срок окупаемости – 1,6 г. |
Крупный нефтехимический комплекс |
Более 7 млн. долл., срок окупаемости 12 –20 |
(производство этилена, бутадиена, полиэтилена |
мес. |
высокой и низкой плотности, полипропилена) |
|
Производство химических веществ по заказу, |
Около 450 тыс. долл., сроки окупаемости от 3 |
периодический процесс, 30 реакторов, более |
мес. до 3 лет |
300 видов продукции |
|
Производство специализированных соединений |
Снижение общих затрат на приобретение |
серы, периодический и непрерывный процесс |
энергии на 30 % (экв. примерно 180 тыс. долл., |
|
сроки окупаемости 9-16 мес.) |
Рафинирование пищевого масла, |
Снижение общего энергопотребления |
периодический процесс, различные виды сырья |
технологических процессов на 70% (экв. |
|
примерно 790 тыс. долл. со сроками |
|
окупаемости 12-18 мес.), «расшивка узких |
|
мест», эквивалентная увеличению |
|
производительности на 15% |
Молочные продукты и сухие напитки, |
Сокращение энергопотребления на 30% (экв. |
периодический процесс |
примерно 200 тыс. долл.), срок окупаемости |
|
менее года |
Пивоваренное производство |
Сокращение затрат на энергию на 12-25%, |
|
сроки окупаемости от 9 мес. до 2 лет |
Современное предприятие по производству |
Значительная «расшивка узких мест», |
виски |
экономический эффект 350 тыс. долл., сроки |
|
окупаемости от 18 мес. до 2 лет |
Бумажное производство |
Снижение затрат на энергию на 8-20%, сроки |
|
окупаемости 1-3 года |
Непрерывное производство ацетилцеллюлозы |
280 тыс. долл., срок окупаемости 1 год |
Непрерывное производство цемента |
Значительные объемы энергосбережения |
Примечания:
1.Экономический эффект, приводимый в данной таблице, связан главным образом, с сокращением затрат на энергию. Большинство компаний получили и другие выгоды, связанные, например, с повышением производительности и увеличением гибкости производственного процесса; соответствующий экономический эффект не отражен в таблице.
2.Обменный курс не приводится, поскольку неизвестны точные даты, к которым относятся приводимые данные.
Таблица 2.6: Пинч-анализ: некоторые примеры применения и полученного экономического эффекта
[266, Ullmann's, 2000]
110