CC BY
150
УДК 544.421.42:536.755 Шперук Л.М.
ПИНЧ-АНАЛИЗ КАК ИНСТРУМЕНТ ДОСТИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
Шперук Любовь Михайловна, обучающаяся 4 курса факультета инженерной химии, e-mail: shluba95@gmail.com; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Вилиса Лациса, д. 21/1
В статье рассмотрена методология пинч-анализа, как одно из средств реализации метода Энергетической интеграции, и достижения энергоэффективности химико-технологической системы, ни только при проектировании современных промышленных предприятий, но и на уже существующих производственных единицах. Информация о данном методе была изложена в Справочном документе по наилучшим доступным технологиям обеспечения энергоэффективности.
Ключевые слова: пинч-анализ; энергетическая интеграция; энергоэффективность; энергосбережение; рекуперация тепла; конвергенция коммуникаций.
PINCH ANALYSIS AS A TOOL FOR ACHIEVING ENERGY EFFICIENCY
Shperuk L.M.
D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The article considers the methodology of pinch analysis as one of the means of implementing the Energy Integration method and achieving the energy efficiency of the chemical and technological system, not only in the design of modern industrial enterprises, but also in existing production units. Information on this method was providing in the Background Paper on Best Available Energy Efficiency Technologies.
Keywords: pinch analysis; energy integration; energy efficiency; energy conservation; heat recovery; convergence of communications.
Большинство производств тем или иным образом стремятся к повышению своей эффективности, тем самым увеличить выход целевого продукта, повысить его качество и снизить эксплуатационные затраты. И при этом необходимо учитывать высокую стоимость энергоносителей в настоящее время, а также достаточно жесткое экологическое законодательство. Низкие показатели
энергопотребления обеспечат весомое
преимущество в коммерческом аспекте, и также обеспечат соответствие предприятия экологическим требованиям.
Развитие производства происходит за счет применения более эффективных средств и методов, то есть интенсификация как химико-технологической системы в целом, так и различных отдельных процессов, входящих в эту ХТС. Автор статьи [1] академик Мешалкин В.П. указывает на то, что интенсификация ХТС является результатом совместной деятельности научно-
исследовательского, финансово-экономического, организационно-управленческого, а также сектора инжиниринга. Использование в разработке, а также, что не мало важно в модернизации уже рабочего производства, наиболее современных и эффективных методов, а в частности метода энергетической интеграции - пинч-анализа, способствует дальнейшему выпуску
высококачественной, конкурентоспособной
продукции с высокой добавленной стоимостью.
В Справочном документе по наилучшим доступным технологиям [2] одним из рассматриваемых методов обеспечения
энергоэффективности является интеграция процесса
или энергетическая интеграция, в частности разбирается метод пинч-анализа, который представляет собой средство такой интеграции. Стоит особо отметить применимость данного метода на производственных предприятиях широкого круга отраслей поскольку энергетическая интеграция является неотъемлемой частью экономического развития и экологического преимущества в современных реалиях.
Высокоэффективный метод энергетической интеграции тепловых процессов, который основывается на пинч-анализе, был предложен и в дальнейшем успешно внедрялся на практике профессором Б. Линнхоффом и сотрудниками Университета Манчестерского института науки и технологии.
Основываясь на определении, которое изложено в рассматриваемом мной разделе справочника по наилучшим доступным технологиям:
Пинч-анализ представляет собой методологию, целью которой является минимизация энергопотребления процесса, за счет расчета и анализа термодинамически обоснованных объемов энергопотребления. Затем следует дальнейшее приближение к этим показателям с помощью оптимизации теплопередачи между процессами, а также различных методов энергосбережения и самих характеристик данных технологических процессов.
Каждый оптимизируемый процесс, с точки зрения пинч-анализа, будет рассматриваться как общая сумма горячих и холодных потоков [3].
Горячие потоки — это те потоки, которые нужно охладить, то есть совершить работу по отведению тепла от данной системы. Холодные - потоки,
нуждающиеся в нагревании, подведении теплоты к системе или же к конкретному аппарату, которому необходима определенное количество теплоты в данный момент времени.
Для каждого из процессов на диаграмме зависимости температуры от энтальпии строятся кривые, представляющие собой совокупность всех горячих (горячая составная кривая) или соответственно всех холодных (холодная составная кривая) потоков. Составные кривые строятся посредством сложения потребностей в отведении/подведении тепла для определенного диапазона температур. Эти кривые показывают совокупные потребности процесса в охлаждении и нагреве, а минимальное расстояние между ними вдоль оси температур — минимальная разность температур (ATmm) между горячим и холодным потоком в теплообменной системе, для данной диаграмме, а сама область максимального сближения потоков называется пинч (Pinch).
Пинч-метод, характеризующийся максимальным сближением показателей процессов, ввиду наглядности начал применяться более широко, в частности, при обработке результатов исследований в маркетинге [4].
Проанализировав график составных кривых можно вывести следующую информацию:
• количество теплоты, которое может быть передано от горячих потоков к холодным (QREC) -область перекрытия кривых вдоль оси абсцисс;
• минимальное количество тепла, которое должно быть передано холодным потокам от внешнего источника тепла (QH), и минимальное количество теплоты, которое должно быть передано от горячих потоков внешним энергоносителям (QC).
Также исходя из данных на диаграмме составных кривых возможно рассчитать минимальную площадь поверхности теплообмена, которая обеспечит необходимый перенос тепла от горячих потоков к холодным.
Тем самым пинч-анализ позволит найти оптимальную поверхность теплообмена и обеспечить баланс между экономией на энергоносителях и капитальными затратами на теплообменное оборудование, которые в свою очередь и зависят от поверхности теплообмена. В методе пинч-анализа есть возможность переносить кривую холодных потоков влево или вправо вдоль оси энтальпии и этим увеличивать или уменьшать минимальную разницу температур, количество подведенной/отведенной теплоты и теплоты рекуперации. При сдвиге вправо количество подведенной и отведенной теплоты увеличится, что повышает затраты на внешние энергоносители. Но при этом уменьшается количество теплоты, которое может быть передано от горячих потоков к холодным и увеличивается разность температур и это приводит к снижению минимальной общей площади теплообмена и уменьшению стоимости самого аппарата.
Таким образом графически можно определить оптимальные значения количества потребляемых
энергоносителей и общей поверхности теплообмена, при которых суммарные затраты будут наиболее выгодными, то есть минимальными.
Стоит обратить внимания на основные правила, приведенные в рассматриваемом справочном документе:
1. Запрещается переносить тепловую энергию от горячих потоков к холодным через поле пинча.
2. Запрещается подводить тепло от внешних энергоносителей к холодным потокам ниже поля пинча.
3. Запрещается отводить тепло горячих потоков к внешним энергоносителям выше поля пинча.
При использовании метода пинча для реконструкции, существующей действующей теплообменной системы есть две основные стадии:
1. Стадия диагностики - определение новых модификаций;
2. Стадия оптимизации - нахождение компромисса между энергосбережением и капитальными затратами;
На первой стадии нужно выбрать как можно меньшее число топологических изменений в системе, которые должны привести к достижению целевой требуемой рекуперации тепла. Также нужно учесть, что величина рекуперации тепла термодинамически ограничивается некоторыми сочетаниями
теплоносителей в теплообменных аппаратах. Если ее увеличивать, то это со временем приведет к нулевой разности температур, то есть наступит недорекуперация.
Вторая стадия приводит к оптимизации выбранной на первой стадии топологии или же другой структуры. Нужно выбрать оптимальное решение, с учетом значения затрат на дополнительную поверхность теплообмена и эффектом энергосбережения, который получится.
Для осуществления пинч-анализа на действующих производствах при реконструкции процессов необходимое условие - это наличие всех данных по энергопотреблению процесса. Рассчитывается существующее энергопотребление, по примеру расчета действующей теплообменной системы [3], с помощью моделирующей программы UHISIM [5], за основу берутся данные работы установки. А составные кривые, с учетом потоковых данных, могут строится с помощью программного обеспечения STAR, разработки UMIST [6]. Данные ПО позволяют, в итоге, определять в действующих процессах минимум потребления тепла горячих утилитов, минимум тепла, отводимого холодными утилитами, а также минимальную разницу температур - движущую силу процесса.
Что не мало важно, метод пинч-анализа напрямую затрагивает очень актуальную проблему рекуперации тепла в химико-технологических системах. Грамотное создание и функционирование системы рекуперации тепла дает возможность кардинально уменьшить энергетические затраты на аппараты, которые непосредственно связанны с теплообменными процессами химико-
технологической системы, и это в свою очередь
определенно позволяет сэкономить на электроэнергии, топливе и водных ресурсах.
И чтобы достичь максимально полезных результатов от данного технологического приема рекуперации тепла, при проектировании ХТС авторы статьи [7] указывают на следующие принципы, которых нужно придерживаться:
• вторичное использования тепла потоков, проходящих через одно оборудование, например, нагревать входящее в реактор сырье выходящим из него продуктом;
• использование технологических потоков с соответствующей температурой для нагрева потоков, то есть, если нужно нагреть поток с низкой температурой, стараться использовать технологический поток с более низкой начальной температурой и так по аналогии и для более высокотемпературных потоков;
• подбор теплообменных аппаратов или их группы, по принципу обеспечения передачи максимально возможного количества тепла в данных условиях;
• оптимизация конструкции теплообменного оборудования с учетом повышения коэффициента теплопередачи и уменьшения площади теплообмена.
Если внедрить и использовать метод пинч-анализа на стадии проектирования химико-технологической системы, то сама процедура проектирования будет составлять два этапа:
1. Этап определения и расчета целевых значений
2. Непосредственно сам этап проектирования.
Использование метод позволяет сделать
процедуру проектирования интерактивной, то есть использовать методы математического
программирования, перейти к автоматизации расчетов. Из недостатков следует обратить внимание на все же имеющиеся длительные операции ручного расчета, а также возможное появление слишком усложненных вариантов проекта из-за неявного учета различных стоимостных критериев при расчете. За автоматизацией расчетной процедуры следуют ограничения активного и постоянного участия проектировщика, и эти ограничения главным образом и приводят к усложнению вариантов проекта при расчете.
Оптимизация функционирования химико-технологической системы, посредством рационально и четко направленного использования энергоресурсов, манипуляций и комбинирования физико-химических показателей процессов, а также стратегическое управление техническим блоком ХТС приводят к развитию производства и повышению его энергоэффективности. В итоге, за счет применения метода пинч-анализа на производствах, затраты на всех этапах производства выпускаемой продукции значительно снижаются,
что является главным показателем эффективности данного метода.
Подводя итоги, в заключении следует отметить, что данная методология дает возможность оптимизировать системы теплообмена всех производственных мощностей как на стадии проектирования, так и при реконструкции уже существующих химико-технологических систем, а в результате получить экономию до 40-50% затрат на энергоносители. В справочнике [2] это показывается на примере различных как непрерывных, так и периодических процессов. Так к примеру экономический эффект переработки сырой нефти в результате применения пинч-анализа составил 1,75 млн. долл. США (данные 2000 г.), при сроке окупаемости - 1,6 года.
Список литературы
1. Мешалкин В.П. Основные направления интенсификации и методы оптимизации энергоресурсоэффективности производств и цепей поставок нефтегазохимического комплекса // Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности. VIII Международная конференция Российского химического общества имени Д.И. Менделеева : тезисы докладов. - М. : РХО имени Д.И. Менделеева, 2017 - С. 53.
2. Справочный документ по наилучшим доступным технологиям обеспечения энергоэффективности / Под ред. В.Н. Виниченко, Е.Г. Гашо, Т.В. Гусева, Е.А. Дмитриев, Г.В. Панкина. -2009, Бюро НДТ. - С. 108
3. Мешалкин В.П., Товажнянский Л.Л., Капустенко П.А. Основы энергоресурсоэффективных экологически безопасных технологий нефтепереработки: учеб.пособие - Харьков: НТУ «ХПИ», 2011.- 801
4. Савинков С.В. Пинч-метод оценки степени конвергенции коммуникаций в маркетинге. В сборнике: Логистика и экономика ресурсоэнергосбережения в промышленности сборник научных трудов по материалам Х международной научно-практической конференции. - 2016. - С. 59-63.
5. Tjoe T.N., Linnhoff B. using Pinch Technology for Process Retrofit // Chemical engineering. - 1986. -Apr.28. - P.47-60.
6. Linnhoff B. Pinch Analysis - a State-of-the-art Overview // Trans IChemE. - 1993. - Vol.71. - Part A. -No.9. - P. 503-522.
7. Жулаев С.В. Пинч-анализ и оптимизация промышленных объектов // электронный научный журнал Нефтегазовое дело. - 2012, № 2. - С. 392398.
