Манчестерский Университет
реклама
Улучшение энергосбережения в системах теплообменников Игорь Булатов The University of Manchester, Process Integration Ltd - Cal Gavin Ltd – Бюро HiProm Геленджик, 27.09 - 01.10 2011 Slide Number: www.processint.com 1 +44 161 9186789 One Central Park, Northampton Road, Manchester, M40 5BP, UK Центр Интеграции Процессов (Манчестерский Университет) и его партнеры 1984 Организован исследовательский консорциум шести компаний (сейчас около 30 компаний) 1986 Создан Центр Интеграции Процессов 1987 Первый приз Министерства Торговли и Промышленности 1995 Договор об Интеграции Процессов Международного Энергетического Агенства 1996 Семинар ООН по вопросам Интеграции Процессов 2005 Организация компании Process Integration Ltd 2011 6 человек профессорско-преподавательского состава + 30 аспирантов + 200 магистрантов 2011 Совместные исследования с Cal Gavin Ltd в области интенсификации теплообмена Slide Number: 2 Сложная химико-технологическая система (ХТС) Slide Number: 3 Увеличение рекуперации тепла A нагревание E охлаждение B нагревание F охлаждение C нагревание G охлаждение D нагревание H охлаждение Куда какой поток направлять ? Slide Number: 4 Увеличение рекуперации тепла A нагревание E охлаждение B нагревание F охлаждение C нагревание G охлаждение D нагревание H охлаждение Какой вариант лучше? Slide Number: 5 Увеличение рекуперации тепла A нагревание E охлаждение B нагревание F охлаждение C нагревание G охлаждение D нагревание H охлаждение Или, может быть, этот вариант? Slide Number: 6 Пинч-метод проектирования • Разработан в Центре Интеграции Процессов, Манчестерский Университет • Зрелая, хорошо зарекомендовавшая себя технология • Широко применяется в различных отраслях Slide Number: 7 T (OC) T (OC) 230 230 180 180 140 140 20 20 3200 2700 5900 Холодные потоки на диаграмме температура-энтальпия Slide Number: 8 H (kW) 2400 2000 1500 5900 Холодные потоки объединенные в холодную составную тепловую кривую T (OC) T (OC) 250 250 200 200 80 80 40 40 3000 3150 6150 Горячие потоки на диаграмме температура-энтальпия Slide Number: 9 H (kW) 600 4800 750 H (kW) 6150 Горячие потоки объединенные в горячую составную тепловую кривую Внешний горячий теплоноситель T (OC) 250 200 Рекуперация тепла ХТС Пинч Pinch 150 100 Tmin = 10O 50 0 H (k W) Q Cmin = 1000 Q REC = 5150 Q Hmin = 750 Внешний холодный теплоноситель Холодная и горячая составные тепловые кривые на одной диаграмме Slide Number: 10 Внешний горячий теплоноситель Рекуперация тепла ХТС Пинч Внешний холодный теплоноситель Изменения в ΔTmin и в структуре ХТС ведут к увеличению/уменьшению потребности во внешних энергоносителях Slide Number: 11 T (OC) 250 Pinch Пинч 200 150 Tmin = 10O 100 50 0 H (k W) Q Cmin = 1000 Сложная ХТС Slide Number: 12 Q REC = 5150 Q Hmin = 750 Целевые значения: Горячего теплоносителя, Холодного теплоносителя, Рекуперации тепла ХТС Пинч-Метод проекирования позволяет достигать целевых значений потребления внешних теплоносителей Slide Number: 13 Обширный послужной список Компания Хим.пром. Tioxide Procter and Gam ble Beecham s Cray Valley Products W illiam Blythe Staveley Chemicals Coalite Bush Boake Allen May and Baker (1) May and Baker (2) Gulf Oil Shell UK Oil Итого Стоимость Идентифици Внедренные Срок энергии проекты окупаемости рованный потенциал (конец 1997) экономии £000/год £000/год 5,000 2,000 130 1,000 230 5,500 5,100 1,000 1,700 210 12,000 12,000 1,240 1,437 31 281 96 1,040 790 11 1,076 152 1,420 1,600 600 1,190 31 99 96 615 210 11 430 152 1,100 1,600 45,870 9,174 6,134 £000/год мес. 11 50 5 11 11 13 1 30 42 31 3 19 Проекты в рамках правительственной демонстрационной энергетической программы Великобритании Slide Number: 14 Современные подходы к проектированию и модернизации • Пинч-Метод проектирования имеет свои преимущества и недостатки. В настоящее время применяется в комбинации с другими методами Другие используемые методы проектирования: •Оптимизация гиперструктуры •Стохастическая оптимизация Slide Number: 15 Оптимизация гиперструктуры • Вначале разрабатывается структура подлежащая сокращению (гиперструктура) • Гиперструктура содержит элементы избыточности • Содержит в себе все элементы, являющиеся кандидатами для оптимальной системы • Сложная математическая оптимизационная задача - из-за нелинейного характера уравнений • Сложно добиться надежных практических решений для больших задач • Разработчик отстранен от процесса принятия решений ST 1 2 180C 80 C 130C 70 C 100C 60 C 120C 60 C Slide Number: 16 3 4 Стохастическая оптимизация например, Алгоритм Модельной "Закалки" (Simulated Annealing) - аналогия с процессом закалки металла • Избегает попадания в локальные оптимумы • Генерирует оптимальные решения независимо от начальных приближений • Не требуется градиентов • Медленнее, чем детерминированные методы Slide Number: 17 Низкостоимостные технологические решения для улучшения производства 1. 2. 3. 4. 5. 6. Моделирование действующего производства Идентификация ограничений в оборудовании и системах контроля Список технологических решений для преодоления ограничений Применение подходящих технологий для модернизации действующего оборудования Оптимизация нового производственного плана Определение эффекта от внедрения новых технологий Slide Number: 18 Потенциальные возможности энергосбережения ● Оптимизация рекуперации тепла и модернизация Модернизация действующих систем теплообменников Интенсификация рекуперации тепла Оптимизация интегрированных ректификационных систем ● Анализ производственно-территориального комплекса и оптимизация его системы тепло- и энергоснабжения ● Рекуперация низкотемпературного тепла ● Улучшение холодильной системы ● Оптимизация водородной системы и системы газоснабжения Slide Number: 19 Потенциальные возможности энергосбережения Классическая пинч-технология используемая более 30 лет, предполагает добавление новой площади поверхности теплообмена при модернизации, что часто с трудом реализуемо на производственной площадке: ● нет достаточно места ● нарушается целостность системы ● значительные затраты Наш подход основан на возможности использования действующего оборудования и увеличения его эффективности. Мы также проводим модернизацию систем управления Slide Number: 20 Модернизация действующих систем теплообменников Пример модернизации простой СТ: Если следовать классическому пинч-методу, модернизизация СТ потребует слишком много дорогостоящих изменений в структуре СТ. Slide Number: 21 Что мы предлагаем? Интенсификация теплообмена Интеграция процессов T QH H C ot om p it os eC u rve ld Co Co o mp sit u eC rv e QC H (Enthapy) Минимизация размеров/времени/энергии/сырья и экологического ущерба Slide Number: 22 Минимизация размеров/времени/энергии/сырья и экологического ущерба Минимизация размеров/ времени/ энергии/ сырья и экологического ущерба Модернизация действующих систем теплообменников Пример модернизации простой СТ: Новый подход UNIMAN-PIL-CalGavin Slide Number: 23 Автоматизированный подход Принимает во внимание существующую структуру Принимает во внимание технологии улучшения эффективности оборудования Использует различные модификации Баланс между капитальными и эксплуатационными затратами Методология модернизации СТ предусматривает активный контроль со стороны проектировщика касательно сложности системы Модернизация действующих систем теплообменников Методология оптимизации UNIMAN-PIL-Cal Gavin: ● Действующая СТ как исходная точка проектирования ● Переход от одного варианта модернизации к другому путем: Осуществления интенсификации теплообмена в трубном пространстве: матричные элементы hiTRAN®, вставки из закрученной ленты, вставки из спиральной проволоки, … в межтрубном пространстве: перегородки EM Baffles®, Helical Baffles®, … Изменение структуры СТ: нагрузка ТО, доля расщепления потока, переобвязка, изменение последовательности ТО, добавление/удаление разделителя потоков ● Оценка стоимости и энергопотребления каждого из вариантов модернизации с помощью указанных выше технологий и методов ● Выявление оптимального варианта модернизации после серии шагов оптимизации от исходной системы Slide Number: 24 Интенсификация теплообмена Трубное пространство ● Вставки из закрученной ленты, увеличивают турбулентность в спиральном потоке ● Вставки из спиральной проволоки ● Матричные элементы hiTRAN®, состоящие из сеточной спирали различной плотности. Используются для увеличения проводимости вблизи стенки, а также для улучшения коеффициента теплопередачи в ламинарном режиме Slide Number: 25 Интенсификация теплообмена Межтрубное пространство: ● Спиральные перегородки Helical Baffles®, уменьшают число застойных зон, в которых не происходит теплообмена между теплоносителями ● Перегородки EM Baffles®, используют перегородки из распоротого и затем растянутого металлического листа Slide Number: 26 Интенсификация теплообмена ● Широко распространенное нежелание применять интенсификацию теплообмена связано с опасениями увеличения загрязнения в теплообменных аппаратах (хотя в действительности интенсификаторы могут снижать загрязнение) ● Интенсификация теплообмена обеспечивает больший коэффициент теплопередачи и делает возможным уменьшение размеров и, следовательно, стоимости ТО, и делает технологические процессы более эффективными Slide Number: 27 Интенсификация теплообмена ● Меньше пучков труб при одинаковой нагрузке; более компактные конструкции; меньше энергопотребление; увеличение выпуска продукции; улучшение управляемость процессами; улучшение качества продукта; уменьшает реакции, кристаллизацию и отложения загрязнений. Slide Number: 28 Реконструкция действующей системы теплообменников После оптимизации заполняется таблица: Число модификаций Число действующих ТО, требующих модернизацию/ интенсификаци ю Число Новые действующих ТО ТО, требующих дополнительной площади поверхности Действующие ТО со старым кожухом и новым трубным пучком Энергосбереже ние 0 1 … Важные характеристики при оптимизации: Гибкий контроль за сложностью проектируемой системы Оптимальные модификации для достижения оптимальной нагрузки Методология позволяет использовать различные технологии для модификации СТ Оптимизация возможна исключительно за счет операционной составляющей Slide Number: 29 Пример Slide Number: 30 Последовательность шагов проекта Сбор данных • Св-ва и хар-тики потоков питания и продуктов • Основные режимы и условия работы Создание моделей элементов и моделирование системы Получение данных по технологическим потокам Пинч-анализ • Анализ действующей технологической схемы • Определение целевых значений энергопотребления Оптимизация • Анализ вариантов модификации Slide Number: 31 Модель технологической схемы Slide Number: 32 Конфигурация действующей системы теплообменников 12 6 13 1 5 C1 3 21 20 18 17 C2 16 30 29 28 27 26 24 4 23 H1 22 C3 17 H2 15 24 20 H3 32 16 26 2 H4 5 22 12 H5 7 1 H6 3 8 9 H7 31 H8 29 28 H9 H10 25 4 18 H11 19 23 H12 HU 14 13 27 21 10 6 11 30 2 Hot stream: H Slide Number: 33 Hot utility: HU Cold stream: C 25 32 19 15 14 7 Cold utility: CU 11 10 8 9 31 CU Пинч анализ - составные тепловые кривые Temperature (ºC) 400 Hot Duty 350 300 250 Pinch 200 150 100 50 0 Cooling duty 20 40 60 80 100 120 Enthalpy (MW) Slide Number: 34 140 160 180 200 Пинч анализ - результаты Целевые значения ΔTmin (без интенсификации): 20 oC ΔTmin (с интенсификацией): 5 oC Максимальная температура на входе в печь: 268 oC Пинч-температура горячих потоков: 253 oC Горячий энергоноситель: 54.6 МВт Холодный энергоноситель: 33 МВт Slide Number: 35 Целевая функция и ограничения Целевая функция: максимизация энергосбережения при минимальных затратах и заданном объёме выпуска продукции Осуществлена интенсификация теплообмена Оптимизирована площадь поверхности теплопередачи Расщепление потоков рассматривается как оптимизационная переменная Slide Number: 36 Структура СТ осталась БЕЗ изменений Предложенный вариант модификации Модифицированные ТО EX4 (0.282→0.423), EX6 (0.209→0.256), EX16 (1.15→1.172), EX17 (0.188 →0.281), EX18 (0.13 Интенсификация →0.195), EX20 (0.27 →0.405), EX21 действующего (0.544 →0.816), EX22 (0.336 →0.504), EX23 (0.974 →1.455), EX24 (0.144 оборудования →0.216), EX26 (0.8→0.898), EX27 (0.115 →0.172), EX28 (0.333 →0.499), (кВт/м2·K) EX29 (0.235 →0.351) EX4 (175→262), EX6 (650→796), EX16 (129→131), EX17 (208 →310), EX18 Добавление (208 →311), EX20 (1385 →2077), EX21 площади (28 →42), EX22 (83 →125), EX23 (42 →62), EX24 (1038 →1558), EX26 поверхности (новые ТО) (м2) (300→337), EX27 (233 →349), EX28 (1020 →1528), EX29 (240 →358) Slide Number: 37 Энергосбережение (МВт) 6.4 6.4 Предложенный вариант модификации ● 14 ТО будут модифицированы (интенсификаторы или увеличение площади поверхности теплообмена) ● Если бы был выбран вариант увеличения площади поверхности , общая дополнительная площадь составила бы 2509 m2 ● При осуществлении интенсификации ТО, не требуется никакой дополнительной площади ● Потребление горячего энергоносителя сократилось 11.7% (с 54.6 МВт до 48.2 МВт) ● Результат: уменьшение энергопотребления или увеличение использования мощности печи для увеличения выпуска продукции Slide Number: 38 Оптимизированная конфигурация 12 6 13 1 5 C1 Красным цветом обозначены модифицированные ТО C2 3 21 20 18 17 16 30 29 28 27 26 24 4 23 H1 C3 22 17 H2 15 32 24 20 H3 16 26 2 H4 5 22 12 H5 7 1 H6 3 8 9 H7 31 H8 29 28 H9 H10 25 4 19 18 H11 23 H12 HU 14 13 27 21 10 6 11 30 2 Hot stream: H Slide Number: 39 Hot utility: HU Cold stream: C 25 32 19 15 14 7 Cold utility: CU 11 10 8 9 31 CU Резюме Достигнута значительная экономия энергопотребления путем модернизации СТ Методология основанная на оптимизационных методах может идентифицировать наиболее экономичный вариант реконструкции СТ Преимущества осуществления интенсификации: Не требуется структурной модификации Не требуется дополнительная площадь поверхности Не требуется переобвязка Низкие расходы на реконструкцию Slide Number: 40 Контакты Dr Igor Bulatov The University of Manchester School of Chemical Engineering and Analytical Science The Mill Oxford Road Manchester M13 9PL United Kingdom Tel: +44 161 306 4389 Fax: +44 161 236 7439 [email protected] [email protected] Slide Number: 41
