Энергетический пинч

Вычерчивание составных кривых. Одним из основных механизмов пинч-анализа является графическое изображение составных кривых, которые используются для решения задачи минимального потребления энергии в данном процессе. Кривые представляют профили пригодности тепла (горячая составная кривая или кривая источника тепла) и спроса тепла (холодная составная кривая, или кривая слива тепла). Градус, в котором кривые ближе всего сходятся (накладываются), есть мера потенциала извлечения тепла (рис. 1).

Рис. 1. Схема составных кривых процесса

Для вычерчивания кривых требуются только полные тепловой и массовый балансы, данные которых используются для характеристики технологических потоков (температура, требования нагрева или охлаждения). Затем кривые разделяются на «источники» (поток, из которого может быть извлечено тепло – «горячий поток») и «сливы» (поток, который должен быть нагрет – «холодный поток»).

Рассмотрим простой процесс, в котором требуется два потока охладить (потоки 1 и 2) и два потока нагреть (потоки 3 и 4). Потоки рассматриваются, исходя из начальной и конечной (целевой) температур с соответствующими тепловыми и охлаждающими нагрузками.

Данные рассматриваемого примера для построения составных кривых

Потоки	Вид потока	Начальная температура	Целевая температура	Нагрузка	СР*
		º С	º С	kW	kW/º С
	Горячий
	Горячий
	Холодный
	Холодный

* СР – количество выделяемого (поглощаемого) тепла на ^оС

СР определяется как произведение массового расхода на теплоемкость и характеризует наклон кривой к оси абцисс. Например, поток 1 охлаждается с 200 °С до 100 °С с выделением 2000 kW тепла. СР будет составлять 20 kW/^оC (рис. 2).

а)	б)
с)	д)

Рис. 2. Построение составных кривых

На диаграмме (а) горячие потоки вычерчены отдельно, далее составная кривая для горячего потока (б) строится с учетом изменения энтальпии отдельных потоков в пределах каждого температурного интервала. В интервале от 200 °С до 150 °С представлен только поток 1, в пределах от 150 °С до 100 °С оба потока объединены и СР является суммой СР двух потоков, Т.е. 20+40=60. В интервале от 100 ° до 60 °С снова один поток 2, СР которого составляет 40.

Вычерчивание составной кривой для холодного потока аналогично вышеупомянутому способу (диаграмма с и d).

Сближаем холодную составную кривую с горячей, как показано на рис. 3. Достижение наибольшего сближения кривых определяется минимально допустимой разностью температур . На практике является подходящей температурной разностью в процессе теплового обмена. Эта величина обычно выбирается на основании экономических расчетов и имеющегося опыта работы. В нашем примере это 10 °С.

Рис. 3. Определение минимального потребления энергии

Точка самого близкого подхода составных кривых, где достигается , известна как точка «пинч». Пинч определяется минимальной разностью температур, принимаемой для любого теплообменника. Кроме того, он делит проблему на две независимые зоны (рис. 4).

Область выше пинча требует только тепла для достижения энергетического баланса, а область ниже пинча – охлаждения. В идеальном проекте это находит свое отражение. Существуют три основных правила для решения задачи минимального потребления энергии в процессе, нарушение которых неизбежно будет приводить к большим требованиям энергии, чем определено задачей.

Рис. 4. Возможности теплопередачи, определяемые пинч-анализом

Правило 1. Тепло не должно передаваться через точку пинч.

Правило 2. Полезности охлаждения выше точки пинч не должно быть.

Правило 3. Полезности нагрева ниже точки пинч не должно быть.

Выбор . Имеются случаи, когда пинч-анализ может непосредственно указать на возможности экономии энергии и капиталовложений, однако, в основном, экономия энергии требует дополнительных средств, особенно в случае модернизации производства.

Это можно продемонстрировать на примере изучения составных кривых. С увеличением разделения между горячей и холодной составными кривыми () частичное совпадение между ними уменьшается, в результате уменьшаются возможности извлечения тепла из горячего потока холодным и соответственно увеличивается требование полезности.

В то же самое время увеличение температуры между горячим и холодным потоками (расстояние между кривыми по вертикали), приводит к большим различиям по температуре в теплообменниках и соответственно уменьшению их размера. В этом случае более высокая стоимость энергии компенсируется снижением расходов на теплообменники. Таким образом связь между капиталовложениями и стоимостью энергии является функцией . Оптимальная величина будет минимизировать стоимость (расходы + энергия) данной установки. Практически специалисты по пинч-анализу часто выбирают величину для данного процесса, руководствуясь двумя следующими факторами:

1. Форма составных кривых. Обычно более высокие цифры выбираются для составных кривых, которые являются почти параллельными. В этом случае небольшая приводит к необходимости иметь большие площади для теплообмена во всех теплообменниках (а не только в теплообменнике, в котором передается тепло между потоками, имеющими близкие к точке пинч данные) и поэтому к более высоким капитальным расходам.

2. Опыт. В системах, которые легко засоряются или имеют низкий коэффициент теплообмена, величина выбирается в пределах 30-40 ºС. Для химических процессов обычно составляет 10-20 ºС, а для процессов, использующих охлаждение, обычно берется 3-5 ºС, чтобы минимизиро-вать спрос на дорогостоящую энергию.

3. Выбор данных может быть длительной процедурой в пинч-анализе.

Необходимые данные для каждого технологического потока включают:

– объемную скорость (кг/с);

– теплоемкость (кДж/кг ºС)

– температура (º С);

– теплота испарения потоков (кДж/кг).

Кроме того, должна быть собрана информация по системам обслуживания и существующим теплообменникам:

– площадь существующих теплообменников (м²);

– коэффициент теплообмена для холодной и горячей стороны теплообменников (кВт/м² ºС);

– доступность систем обслуживания (температура воды, давление пара);

– маржинальная стоимость систем обслуживания в сравнении со средней стоимостью систем обслуживания.

При выборе данных важно установление целей, которые должны быть достигнуты во время анализа (возможность проведения модернизации в трубопроводной системе, добавление новых теплообменников, изменение температуры в процессе или модификация систем обслуживания: замена пара высокого давления на пар среднего давления и пр.).

С самого начала рекомендуется осуществить выбор данных по всем технологическим потокам процесса, а затем уже собираются данные по их ограничениям: расстояние между производствами, системы управления и безопасности, что помогает выстроить объективную стоимость таких ограничений. В целом выбор необходимых данных для проведения пинч-анализа является сложной проблемой и во многом определяет хорошее выстраивание модели с помощью данного анализа.

Общая составная кривая для нескольких энергоисточников. В большинстве процессов нагрев и охлаждение происходят за счет использования нескольких источников различного уровня полезности (пар разного давления, контуры с горячим маслом, холодная вода, охладители и т.д.). Для минимизации стоимости энергии в проекте должно быть максимизировано использование более дешевых источников энергии и сокращено использование источников дорогой энергии (предпочтительно использование пара низкого давления вместо высокого, холодной воды вместо охлаждающих агентов).

Составные кривые обеспечивают решение общей энергетической задачи, но не дают ответа, сколько энергии должно быть поставлено различными источниками. Метод, используемый для урегулирования этой задачи, заключается в получении общей составной кривой, которая отмечает дефицит энергии (выше пинча) и ее избыток (ниже пинча) в зависимости от температуры (рис. 5).

Рис. 5. Вычерчивание общей составной кривой

Общая составная кривая выстраивается нанесением на диаграмму разности тепловых нагрузок у горячей и холодной составных кривых в виде функции от температуры, обеспечивая графическое представление потока тепла в процессе: полезность горячего потока для процесса – выше точки пинч и полезность холода – ниже точки пинч. Поскольку общая кривая представляет потоки тепла для идеального процесса, то никакой передачи тепла через пинч не имеется и этим объясняется форма кривой. Точка пинч находится на оси Y.

На схеме (рис. 6) дана кривая процесса, где для нагрева используется пар высокого давления (НР) и охлаждающие агенты для процесса охлаждения.

Для снижения стоимости вводится пар среднего давления (МР) и низкого давления (LP), а также холодная вода (CW). На схеме (рис. 6б) отображаются задачи для этих источников. Таким образом, минимизируется общая стоимость полезного нагрева. Точки пересечения линий MP, LP и CW с общей кривой называются «пинчами полезности». Для пинча полезности неэффективным будет изменение более дешевого теплового источника на более дорогостоящий. Точно также как для пинча процесса эффективное использование энергоисточников может быть достигнуто подходящей теплопередачей через пинч полезности.

а) б)

Рис. 6. Общая составная кривая для нескольких энергоисточников

В заключении можно отметить, что создание общей сложной кривой – один из основных инструментов пинч-анализа для выбора энергоисточников с соответствующими уровнями полезности и постановки задач в отношении оптимальных тепловых нагрузок для данного набора энергоисточников. Во время решения задач определяются соответствующие нагрузки, чтобы минимизировать общую стоимость потребляемой энергии.

Почему западная система энергосервисных услуг не работает в России? В нашей стране энергосервисные компании после проведения энергоаудита готовят пакет документов с рекомендациями и энергетическим паспортом предприятия. Он представляет собой комплексный анализ энергопотребления предприятия с указанием возможных решений и методик для повышения его энергоэффективности. Но внедрение этих решений остается на усмотрении руководства предприятия, которое выделяет или не выделяет средства на его воплощение. К сожалению, часто бывает, что большинство этих методик так и остаются на бумаге.

Дата добавления: 2015-11-26