CC BY
37
УДК 66.045.1.011.012-52
Р. С. Быков *, С. М. Ходченко
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл. д. 9 * e-mail: dgidai2008a@mail.ru
ЭВРИСТИЧЕСКО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЦЕДУРА ВЫБОРА ЦЕЛЕВЫХ ЗНАЧЕНИЙ КРИТЕРИЕВ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИНТЕЗИРУЕМЫХ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ
Описаны этапы и шаги эвристическо-вычислительной процедуры выбора целевых значений критериев эффективности синтезируемых оптимальных теплообменных систем, включающей определение целевых значений показателей энергосбережения, минимально возможного количества теплообменных аппаратов, минимально требуемой площади поверхности теплообмена и расчет капитальных затрат.
Ключевые слова: пинч-анализ; теплообменные системы; синтез; энергоресурсосбережение; критерии эффективности; алгоритм.
Задача синтеза оптимальных
энергоресурсоэффективных теплообменных систем является задачей многокритериальной оптимизации, при решении которой необходимо учитывать: стоимости энергоносителей; эксплуатационные затраты; минимальные капитальные затраты на оборудование и его монтаж. Методы пинч-анализа позволяют с достаточно высокой степенью точности предсказать целевые значения показателей энергосбережения, капитальные затраты на строительство тепловой сети химико-технологической системы (ХТС) при проектировании теплообменных систем, исходя из материального и энергетического баланса ХТС без выполнения самого проекта системы.
Процедура выбора целевых значений критериев состоит из следующих этапов:
1) Определение минимально необходимого количества тепла, которое должно быть передано с использованием внешних энергоносителей;
2) Определение минимально возможного количества теплообменных аппаратов;
3) Определение минимально возможной площади поверхности теплообмена;
4) Расчет капитальных затрат.
Этап 1. Определение минимально необходимого количества тепла, которое должно быть передано с использованием внешних энергоносителей.
Составные тепловые кривые (рис. 1.) могут быть успешно использованы для определения целевого значения минимально необходимого количества тепла, которое должно быть передано с использованием внешних энергоносителей, на основе определения минимального расстояния между сдвинутыми составными кривыми по энтальпийной оси (рис.1) - точки пинча.
Рис. 1. Сдвиг составных кривых по оси температур
Для определения точки пинча процедура использует алгоритм табличной задачи, который разработан на основе идей Б. Линнхоффа [1]. С помощью алгоритма табличной задачи можно без построения графиков вычислять целевое значение минимального необходимого количества тепла, которое должно быть передано с использованием внешних энергоносителей.
Процедура реализует алгоритм табличной задачи следующим образом:
1. Интервал температур, в котором происходят изменения температур технологических потоков проектируемого процесса, или ХТС, сначала разделяется на меньшие интервалы, используя такие же шаги, как и при построении составных кривых [2], т.е. границами температурных интервалов будут начальные и конечные температуры потоков.
2. Определяются сдвинутые температурные интервалы (начальные и конечные температуры потоков уменьшаются или увеличиваются на определенное значение, выбранное с помощью продукционных правил из базы знаний).
3. Вычисляются тепловые балансы в пределах каждого сдвинутого интервала и результаты заносятся в таблицу. В таблице совместно с результатами вычислений указываются граничные температуры сдвинутых интервалов и распределение потоков. Тепловой баланс внутри каждого сдвинутого интервала позволяет максимально рекуперировать теплоту внутри данного интервала.
4. Температурные интервалы располагаются вдоль температурной шкалы ниспадающим вниз каскадом, где Н - разность энтальпий на концах температурного интервала, кВт (рис. 2).
температурному теплоагентов.
интервалу от
внешних
Горячие утилиты
Горячие утилиты
Рис. 3. Результаты, получаемые с помощью каскада тепловых потоков: АН - разность энтальпий на концах температурного интервала, кВт
Это необходимо сделать таким образом, чтобы подводимая энергия от горячих энергоносителей была не меньше минимально необходимого количества энергии для осуществления процесса.
"Г*
; _ _ _2&иикнт 25"с/ 1000С
Холодные утилиты Холодные утилиты
(а) (б)
Рис.2. Каскад табличного алгоритма:
(а) - каскад без использования теплоагентов;
(б) - каскад с использованием теплоагентов.
5. Из построения каскада тепловых потоков между температурными интервалами, видно, что некоторые из значений АН отрицательны, а это невозможно (рис 2.б). Тепло нельзя передавать вверх по температурной шкале от низких температур к более высоким. Чтобы сделать каскад термодинамически реализуемым, необходимо подвести к первому температурному интервалу такое количество тепловой энергии, которое при построения каскада сделает отрицательные значения ДН по крайней мере равными нулю. Наименьшее значение тепловой нагрузки на ТС от внешних теплоагентов равно наименьшей отрицательной величине значений ДН.
Для установления целевого значения минимально необходимого количества тепла, которое должно быть передано с использованием внешних энергоносителей, необходимо определить минимальное значение количества тепла, которое будет передаваться первому
си
Сток теплоты
Источник теплоты
Рис 4. Пинч разделяет химико-технологическую систему на тепловой источник и тепловой сток
На диаграмме составных тепловых кривых (рис 4.) видно, что точка пинча делит график на две части, расположение которых обладает некоторой симметрией относительно пинча. Такая симметрия имеет глубокий физический смысл. Действительно, в области ниже пинча по температурной оси или левее него по энтальпийной оси тепловая энергия, потребляемая холодными потоками ХТС, полностью обеспечивается рекуперацией энергии горячих потоков. Оставшаяся часть тепловой энергии горячих потоков отводится к хладагентам. Следовательно, ниже точки пинча тепловая
энергия отводится к хладагентам и не поступает сюда извне, т.е. процесс ниже пинча работает как источник тепловой энергии.
Выше пинча по температурной оси холодные потоки используют всю теплоту горячих потоков и дополнительную теплоту внешних энергоисточников, т.е. процесс выше пинча работает как тепловой сток. Следовательно, можно заключить, что пинч делит ХТС на две энергетически независимые подсистемы (рис. 4.), одна из которых, располагающаяся выше пинча, является тепловым стоком. Вторая, располагающаяся ниже пинча, является тепловым источником. Величина ДH между подсистемами равна нулю.
Этап 2. Определение минимально возможного количества теплообменных аппаратов.
Минимальное количество теплообменных аппаратов рассчитывается по формуле[1]:
N = (Бь - 1) + (5С - 1), (1)
где - N число теплообменных связей или теплообменников; 5С - число потоков, включая потоки энергоносителей выше и ниже точки пинча соответственно.
Этап 3. Определение минимально возможной площади поверхности теплообмена.
Вычисления целевых значений поверхности теплообмена в процедуре выполняются с помощью балансных составных кривых.
1. Для построения балансных составных кривых используются те же самые процедуры, что и для составных кривых, но с включением потоков энергоносителей в список потоков ХТС.
2. Балансные составные кривые делятся на энтальпийные интервалы таким образом, чтобы границами энтальпийных интервалов были точки на энтальпийной оси, в которых составные кривые меняют свой наклон. Имеются в виду все точки изменения наклона или разрыва как на горячей балансной составной кривой, так и на холодной (рис.5.).
3. Вводятся эвристические правила: а) коэффициент теплопередачи между теплоносителями является постоянной величиной и одинаков для всех теплообменных аппаратов, имеющихся в теплообменной сети; б) на всех энтальпийных интервалах происходит противоточный теплообмен между теплоносителями, который в случае составных кривых называется вертикальным теплообменом.
4. Для каждого энтальпийного интервала рассчитываются площади теплообменной поверхности по формуле:
<3>
где А^ - площадь поверхности теплообмена в к-м интервале; ДТШ- логарифмическая разность температур в к-м интервале; ^-индивидуальный коэффициент теплоотдачи для _]-го потока; I -количество горячих потоков в к-м интервале; I- количество холодных потоков в к-м интервале;
qi - изменение энтальпии горячего потока в
« к энтальпийном интервале; qj - изменение
энтальпии холодного потока в энтальпийном интервале.
Пар
энтальпийные интервалы
5. Рассчитывается целевое значение поверхности вертикального теплообмена всей сети:
АСеть = + = (3)
где М - количество энтальпийных интервалов.
Формула (3) может быть полезна при вычислении площади поверхности теплообмена всей тепловой системы (ТС) для оценки капитальных затрат по следующим причинам:
1. Если различие в коэффициентах теплоотдачи технологических потоков меньше одного порядка величины, тогда уравнение (3) предсказывает площадь теплообменной поверхности ТС с точностью до 10% от реальной ее величины.
2. При разработке проектов для ТС ХТС обычно не стремятся к достижению минимальной поверхности теплообмена потому, что такие проекты очень сложны для практической реализации. С другой стороны, при значительном уменьшении сложности проекта площадь поверхности теплообмена всей ТС увеличивается незначительно.
3. Площадь поверхности теплообмена всей ТС, которая может быть получена с помощью выражения (3), обычно используется на стадии предпроектной оптимизации для поиска компромисса между капитальными затратами и стоимостью энергии, а также при выборе оптимальной технологической схемы из множества альтернативных вариантов технологической топологии реакторно-разделительной системы. Вычисление целевых значений площади теплообменной поверхности используется для расчета капитальных затрат для системы теплообмена.
Этап 4. Определение целевых значений для капитальных затрат.
Для вычисления целевых значений капитальных затрат, необходимых для
строительства тепловой подсистемы ХТС, содержащей теплообменные аппараты различных спецификаций, выполняются следующие шаги:
1. На основе эвристических правил из базы знаний выбирается математическая модель для расчета стоимости теплообменника, включающая стоимость его установки. При этом большая точность вычислений достигается в том случае, если в качестве базовых потоков выбираются потоки, которые вносят наибольший вклад в капитальную стоимость тепловой сети.
2. Вычисляется весовой фактор для тех потоков, спецификация оборудования для которых отлична от базовой.
3. Вычисляется взвешенная площадь теплообменной поверхности всей ТС.
4. Вычисляются целевые значения капитальных затрат для создания теплообменной подсистемы ХТС, в которой используются теплообменные аппараты различной спецификации, на основе стоимостных коэффициентов математической модели,
выбранной для базовой спецификации [2].
Авторы выражают 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
Ходченко Светлана Михайловна - доцент 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., Кафаров В.В., Гурьева Л.В. Оптимизация теплообменных процессов и систем. М.:"Энергоатомиздат", 1988. - 192 c.
3. 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.
4. Seider, W.D. , Seader, J.D. , Lewin, D.R. Product and Process Design Principles: Synthesis, Analysis and Design 2e. - New York: Wiley. 2009. - 802p.
Bykov Ruslan Sergeevich*, Khodchenko SvetlanaMikhaylovna D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: dgidai2008a@mail.ru
HEURISTIC AND CALCULATIVE PROCEDURE FOR SELECTION THE TARGET VALUES OF EFFICIENCY CRITERIA FOR SYNTHESIZED OPTIMAL HEAT EXCHANGE SYSTEMS
Abstract
The stages and steps of heuristic and calculative procedure for selection the target values of efficiency criteria for synthesized optimal heat exchange systems, including the determine of the target values of energy saving characteristics, minimum possible number of heat exchangers, minimum possible heat-exchange surface area; and capital costs calculation.
Key words: Pinch analysis; heat exchange systems; synthesis; energy and resource efficiency; efficiency criteria; algorithm.
