CC BY
45
УДК 66.045.1.011.012-52 Р. С. Быков *)
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл. д. 9 e-mail: [email protected]
ЭВРИСТИЧЕСКО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ АЛГОРИТМ ПОСТРОЕНИЯ ИСХОДНЫХ СОСТАВНЫХ ТЕПЛОВЫХ КРИВЫХ ДЛЯ СИНТЕЗА
ЭНЕРГОРЕСУРСОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ
Изложена инженерно-технологическая и организационно-технологическая постановки исходной задачи синтеза энергоресурсоэффективных рекуперативных теплообменных систем. Описаны этапы и шаги эвристическо-геометрического алгоритма синтеза оптимальных энергоресурсоэффективных рекуперативных теплообменных систем.
Ключевые слова: пинч-анализ; теплообменные системы; синтез; энергоресурсосбережение; составные тепловые кривые; алгоритм.
Экономические затраты на эксплуатацию нефтегазохимических производств,
представляющих собой сложные химико-энерготехнологические системы (ХЭТС), напрямую зависят от эффективности функционирования как отдельных теплообменников, так и теплообменных систем (ТС) в целом [1]. При этом энергоресурсоэффективность ТС во многом определяет возможности сокращения потребления топливно-энергетических ресурсов всей ХЭТС. Содержательная (инженерно-технологическая и организационно-технологическая) постановка исходной задачи синтеза
энергоресурсоэффективных рекуперативных ТС нами формулируется следующим образом:
Для некоторого производства существует т исходных горячих технологических потоков, которые должны быть охлаждены, и п исходных холодных технологических потоков, которые должны быть нагреты, за счет рекуперации теплоты этих технологических потоков в системе, состоящей из теплообменных аппаратов заданной типоконструкции.
Каждый из исходных горячих и холодных технологических потоков имеет следующие параметры состояния: массовый расход, начальная и конечная температура, теплоемкость.
Необходимо определить структуру технологических связей между теплообменными аппаратами (технологическую топологию ТС), а также значения поверхностей теплообмена для каждого аппарата синтезируемой ТС, которые обеспечивают рекуперативный теплообмен между исходными горячими и холодными технологическими потоками при минимуме некоторого критерия экономической
эффективности ТС.
Автором на основе использования методолгии пинч-анализа [1,3] разработана методология автоматизированного синтеза
энергоресурсоэффективных рекуперативных ТС с использованием комплексной эвристическо-вычислительной термодинамической процедуры синтеза энергоресурсоэффективных
рекуперативных ТС, которая состоит из 8 взаимосвязанных процедур:
1) процедура построения составных тепловых кривых (СТК) для технологических потоков синтезируемой теплообменной системы;
2) процедура определения положения точки пинча (минимального температурного сближения) и формирования исходных значений различных видов критериев эффективности и ограничений для решения исходной задачи синтеза (ИЗС) рекуперативной ТС;
3) процедура декомпозиции многомерной исходной задачи синтеза на подзадачи меньшей размерности;
4) процедура автоматического синтеза технологической схемы для подсистемы ТС ниже точки пинча;
5) процедура автоматического синтеза технологической схемы для подсистемы ТС выше точки пинча;
6) процедура синтеза ТС в целом на основе объединения подсистем ТС выше и ниже пинча;
7) процедура расчета значения экономической эффективности;
8) процедура технико-экономической оценки полученного результата.
Для разработки эвристическо-вычислительной процедуры поиска решения неформализованной задачи синтеза энергоресурсоэффективных рекуперативных теплообменных систем необходимо четко сформулировать
содержательную, или смысловую
(семантическую), постановку исходной задачи следующим образом: 1) дано: знания, данные, ограничения, ситуации и т.п; 2) необходимо определить: некоторое смысловое решение
неформализованной задачи (НФЗ), для которого требуется построить математическую модель, провести вычислительные эксперименты и получить определенное решение.
Используя гибридную экспертную систему (ЭС) можно автоматизировать получение как смыслового, так и количественного, или численного, решения, используя модели представления знаний в виде набора продукционных правил и фреймов из базы знаний (БЗ). ЭС функционируют в двух режимах в режиме приобретения знаний и в режиме решения НФЗ.
В режиме приобретения знаний инженеры по знаниям и эксперты наполняют БЗ новыми фактами, правилами, которые позволяют ЭС в режиме решения самостоятельно решать НФЗ.
В режиме решения постановка НФЗ, сформулированная пользователем, после обработки лингвистическим процессором поступает в рабочую память ЭС. Лингвистический процессор, или подсистема общения, выполняет следующие операции: распределяет роли участников (лица принятия решения - ЛПР и ЭС) и организует их взаимодействие в процессе кооперативного решения НФЗ; преобразует факты и данные ЛПР о задаче, представленные на ограниченном естественном языке (ОЕЯ), во внутренний язык-знание внутреннего
представления (ЯВТ); преобразует сообщения ЭС, представленные на ЯВТ, в сообщения на языке внешнего представления, привычном для пользователя.
Рассмотрим первый этап сложной комплексной эвристическо-вычислительной
процедуры синтеза энергоресурсоэффектиных рекуперативных теплообменных систем -процедуру автоматизированного построения составных тепловых кривых (СТК) для исходных холодных и горячих технологических потоков синтезируемой теплообменной системы.
Постановка исходной задачи процедуры построения составных тепловых кривых имеет следующий вид.
1) Дано: список исходных горячих и холодных технологических потоков с известными значениями начальных и конечных температур, энтальпий этих потоков при указанных температурах, водяные эквиваленты и массовые расходы в виде таблицы.
2) Необходимо: построить две составные кривые - СТК для множества для горячих и СТК для множества холодных исходных потоков.
Под составными тепловыми кривыми понимается графическое представление изменений энтальпий потоков в температурных интервалах, которые образованы граничными температурами только горячих или только холодных потоков в температурно-энтальпийной плоскости. Указанные СТК дают ясную картину общих потребностей ХЭТС во внешних
источниках и стоках тепла (источниках нагревания и охлаждения).
Совместное построение температурно-энтальпийных графиков технологических потоков позволяет определить минимально необходимые значения горячих и холодных утилит для каждого заданного значения, т.е. позволяет определить целевые значения для критериев эффективности. График, построенный с помощью описанной ниже процедуры, позволяет определить возможность сохранения тепловой энергии.
Построение составных кривых процедура выполняет в 2 этапа: 1) построение составной тепловой кривой горячих потоков; 2) построение составной тепловой кривой холодных потоков. Важно отметить, что построение составных кривых как для холодных, так и для горячих потоков выполняется на одном и том же графике в температурно-энтальпийных координатах.
Для решения задачи построения составной тепловой кривой разработанная нами процедура выполняет следующие шаги:
1. Формируется A[N] - список значений начальных и конечных температур всех потоков (исключая дублирования значений), для которых строится составная тепловая кривая, где A[] -вектор значений температур. В случае повторения значений новое дублирующее значение не заносится в вектор.
2. Собранный на предыдущем шаге список сортируется по возрастанию значений.
3. Формируется список интервалов на основании отсортированных на предыдущем шаге данных в виде списка I[N-1], где каждый i-ый элемент списка I - это картеж < a, b >, где а = A[i], b = A[i + 1], i = 1..N- 1; a - начальная температура интервала, b - конечная температура интервала.
В результате получим:
I[i] =< ¿[i],A[i + l]>, (1)
где I - вектор интервалов, A - вектор значений температур.
4. Сформировав вектор, или список интервалов, процедура определяет список потоков для каждого интервала с тем условием, что поток попадает в список в том случае, если интервал, в который должен быть включен рассматриваемый поток, принадлежит температурному интервалу данного потока. Это обусловлено тем, что температурные интервалы, расположенные в векторе интервалов, всегда уже температурных интервалов потоков включаемых в эти интервалы.
5. На основе списка интервалов и списка потоков для каждого из интервалов процедура находит сумму водяных эквивалентов для каждого интервала.
6. Процедура рассчитывает разности энтальпий для каждого интервала по формуле
AH = (Tt-Ts)£Wb (2)
где АН - разности энтальпий интервала, Tt, Ts - конечная и начальная температуры интервала,
соответственно, Е^- сумма водяных эквивалентов.
7. Рассчитав разности энтальпий и водяные эквиваленты для каждого интервала, процедура строит график ломаной кривой в координатах (Т, ДИ), где Т - температура, ДИ - разности энтальпий.
Результат выполнения описанной выше процедуры представляется в виде построенного графика двух ломаных составных тепловых кривых для горячих и для холодных потоков в одной температурно-энтальпийной плоскости.
Для более глубокого понимания рассмотрим следующий пример построения составных кривых для четырех потоков, двух холодных и двух горячих. Исходные данные для задачи построения СТК заданы в табл. 1, в которой Т5 - начальная температура потока; Т{ - конечная температура потока; W - водяной эквивалент потока; АН - разность энтальпий на концах температурного интервала.
Таблица 1
Исходные данные для решения задачи
имя потока Ts,° С Tt,° С ДН,кВт W, кВт/° С
H1 20 180 32 •10"3 200
H2 140 230 27 •10"3 300
C1 250 40 -31.5 • 10"3 150
C2 200 80 -30.5 • 10"3 250
Ts ° С Tt ° С Имена потоков
20 140 H1
140 180 H1,H2
180 230 H2
табл. 3, где Т5 - начальная температура интервала; Т{ - конечная температура интервала; W - водяной эквивалент интервала.
Таблица 3
Ts ° С Tt ° С W, кВт/° С
20 140 200
140 180 500
180 230 300
6. Рассчитывается разность энтальпии для каждого из интервалов по формуле
АН = (Т1-Т5)£ШЬ (2)
где АН - разность энтальпий на концах температурного интервала; Т{, Т5 - конечная и начальная температуры интервала
соответственно; сумма водяных
эквивалентов. Результат выполнения шага 6 представлен в виде табл. 4.
Таблица 4
Ts ° С Tt ° С W, кВт/° С ДН,кВт
20 140 200 24^10"3
140 180 500 20 • 10"3
180 230 300 15^ 10"3
Рассмотрим построение составной тепловой кривой на примере горячих потоков, следуя описанным выше шагам:
1. Собирается список уникальных значений начальных и конечных температур всех потоков. В результате выполнения этого шага получается следующий список (20, 180, 140, 230).
2. Сортируется собранный на предыдущем шаге список по возрастанию значений: (20, 140, 180, 230).
3. Формируется список интервалов на основании отсортированных на предыдущем шаге данных (<20,140>; <140, 180>;<180,230>).
4. Далее определяется список потоков для каждого интервала при условии, что поток попадает в список, если интервал, в который должен быть включен поток, принадлежит температурному интервалу потока.
Результат выполнения шага 4 сведен в табл. 2, в которой Ts - начальная температура интервала; Tt - конечная температура интервала.
Таблица 2
Интервалы и попадающие в эти интервалы
потоки
7. Построение графика ломаной кривой в координатах (Т, ДИ), где Т - температура, ДИ -разность энтальпий на концах температурного интервала.
Результат этого шага представлен на рис. 1. .
НЮ"', кйг
59.0
Рис. 1. Составная тепловая кривая для холодных потоков
После построения СТК для холодных потоков и СТК для горячих потоков обе составные тепловые кривые объединяются на одном графике
(рис. 2).
5. На основании списка интервалов и списка потоков для каждого из этих интервалов рассчитывается сумма водяных эквивалентов для каждого интервала. Результат представлен в виде
Ос, = 10,0 0„, = 7,5
Рис. 2. Составные тепловые кривые для холодных и горячих потоков, объединённые на одной диаграмме
Описанная процедура многократно используется в процессе решения НФЗ синтеза
энергоресурсоэффективных теплообменных средств отображения информации о систем в режиме диалога ЭС с ЛПР, как одно из разрабатываемой ТС.
*^Автор выражает благодарность научному руководителю- член.-кореспонденту. РАН, д.т.н., профессор, зав. кафедрой Логистики и экономической информатики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Мешалкину Валерию Павловичу.
Быков Руслан Сергеевич - аспирант кафедры Логистики и экономической информатики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Мешалкин В.П., Товажнянский Л.Л., Капустенко П.А. Основы энергоресурсоэффективных экологически безопасных технологий нефтепереработки: учеб.пособие - Харьков: НТУ «ХПИ»,
2011. - 801 c.
2. Мешалкин В.П., Товажнянский Л.Л., Ульев Л.М., Мельниковская Л.А., Ходченко С.М.
Энергоресурсоэффективная реконструкция установки нефтепереработки на основе пинч-анализа с учетом внешних тепловых потерь: Теоретические основы химической технологии,
2012. - т. 46. - №5. - С. 491-500.
3. Seider, W.D. , Seader, J.D. , Lewin, D.R. Product and Process Design Principles: Synthesis, Analysis and Design 2e. - New York: Wiley. 2009. - 802p.
4. Angel Martin, Fidel A. Mato Hint: An educational software for heat exchanger network design with the pinch method : Education for Chemical Engineers: Volume 3.- Issue 1. June 2008.- Pages e6-e14.
Bykov Ruslan Sergeevich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. e-mail: [email protected]
HEURISTIC AND GEOMETRIC ALGORITHM FOR ORIGINAL COMPOSITE CURVE CONSTRUCTION FOR SYNTHESIS OF ENERGY AND RESOURCE EFFICIENAL HEAT EXCHANGE SYSTEMS
Abstract
The paper presents the engineering and organizational formulation of the original problem for recuperative energy and resource efficiency heat exchange systems synthesis. Heuristic and geometrical algorithm for curve synthesis of the optimal energy resource efficiency heat exchange systems is described.
Key words: Pinch analysis; heat exchange systems; synthesis; energy resource saving; composite heat-exchange curves; algorithm.
