Slide Number: 1 One Central Park, Northampton Road, Manchester, M40 5BP, UK www.processint.com Улучшение энергосбережения в системах теплообменников Игорь Булатов The University of Manchester, Process Integration Ltd - Cal Gavin Ltd – Бюро HiProm Геленджик,

Slide Number: 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 человек профессорско-преподавательского состава + 30 аспирантов магистрантов 2011 Совместные исследования с Cal Gavin Ltd в области интенсификации теплообмена Центр Интеграции Процессов ( Манчестерский Университет ) и его партнеры

Slide Number: 3 Сложная химико-технологическая система (ХТС)

Slide Number: 4 Увеличение рекуперации тепла

Slide Number: 5 Увеличение рекуперации тепла

Slide Number: 6 Увеличение рекуперации тепла

Slide Number: 7 Пинч - метод проектирования Разработан в Центре Интеграции Процессов, Манчестерский Университет Зрелая, хорошо зарекомендовавшая себя технология Широко применяется в различных отраслях

Slide Number: 8 Холодные потоки на диаграмме температура-энтальпия Холодные потоки объединенные в холодную составную тепловую кривую

Slide Number: 9 Горячие потоки на диаграмме температура-энтальпия Горячие потоки объединенные в горячую составную тепловую кривую

Slide Number: 10 Холодная и горячая составные тепловые кривые на одной диаграмме Рекуперация тепла ХТС Внешний горячий теплоноситель Внешний холодный теплоноситель Пинч

Slide Number: 11 Изменения в ΔTmin и в структуре ХТС ведут к увеличению/уменьшению потребности во внешних энергоносителях Рекуперация тепла ХТС Внешний горячий теплоноситель Внешний холодный теплоноситель Пинч

Slide Number: 12 Целевые значения: Горячего теплоносителя, Холодного теплоносителя, Рекуперации тепла ХТС Пинч C H Проектирование СТ Система теплообменников Сложная ХТС

Slide Number: 13 Пинч-Метод проекирования позволяет достигать целевых значений потребления внешних теплоносителей

Slide Number: 14 Обширный послужной список Проекты в рамках правительственной демонстрационной энергетической программы Великобритании

Slide Number: 15 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 Современные подходы к проектированию и модернизации

Slide Number: 16 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

Slide Number: 17 Стохастическая оптимизация Избегает попадания в локальные оптимумы Генерирует оптимальные решения независимо от начальных приближений Не требуется градиентов Медленнее, чем детерминированные методы например, Алгоритм Модельной "Закалки" (Simulated Annealing) - аналогия с процессом закалки металла

Slide Number: 18 Низкостоимостные технологические решения для улучшения производства 1. Моделирование действующего производства 2. Идентификация ограничений в оборудовании и системах контроля 3. Список технологических решений для преодоления ограничений 4. Применение подходящих технологий для модернизации действующего оборудования 5. Оптимизация нового производственного плана 6. Определение эффекта от внедрения новых технологий

Slide Number: 19 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 Потенциальные возможности энергосбережения

Slide Number: 20 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 Потенциальные возможности энергосбережения

Slide Number: 21 Модернизация действующих систем теплообменников Если следовать классическому пинч-методу, модернизизация СТ потребует слишком много дорогостоящих изменений в структуре СТ. Пример модернизации простой СТ:

Slide Number: 22 Что мы предлагаем ?

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 Новый подход UNIMAN-PIL-CalGavin Модернизация действующих систем теплообменников Пример модернизации простой СТ:

Slide Number: 24 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 Модернизация действующих систем теплообменников

Slide Number: 25 Интенсификация теплообмена 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 Трубное пространство

Slide Number: 26 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 Интенсификация теплообмена

Slide Number: 27 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 Интенсификация теплообмена

Slide Number: 28 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. Интенсификация теплообмена

Slide Number: 29 Реконструкция действующей системы теплообменников После оптимизации заполняется таблица: 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 Число модификаций Число действующих ТО, требующих модернизацию/ интенсификаци ю Число действующих ТО, требующих дополнительной площади поверхности Новые ТО Действующие ТО со старым кожухом и новым трубным пучком Энерго- сбереже ние 0 1 …

Slide Number: 30 Пример

Slide Number: 31 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: 32 Модель технологической схемы

Slide Number: 33 Конфигурация действующей системы теплообменников

Slide Number: 34 Пинч анализ - составные тепловые кривые Pinch Hot Duty Cooling duty Enthalpy (MW) Temperature (ºC)

Slide Number: 35 Пинч анализ - результаты Целевые значения ΔT min (без интенсификации): 20 o C ΔT min (с интенсификацией): 5 o C Максимальная температура на входе в печь: 268 o C Пинч-температура горячих потоков: 253 o C Горячий энергоноситель: 54.6 МВт Холодный энергоноситель: 33 МВт Целевые значения ΔT min (без интенсификации): 20 o C ΔT min (с интенсификацией): 5 o C Максимальная температура на входе в печь: 268 o C Пинч-температура горячих потоков: 253 o C Горячий энергоноситель: 54.6 МВт Холодный энергоноситель: 33 МВт

Slide Number: 36 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 Структура СТ осталась БЕЗ изменений

Slide Number: 37 Предложенный вариант модификации Модифицированные ТОЭнерго- сбережение (МВт) Интенсификация действующего оборудования (кВт/м 2 · K) EX4 ( ), EX6 ( ), EX16 ( ), EX17 ( ), EX18 ( ), EX20 ( ), EX21 ( ), EX22 ( ), EX23 ( ), EX24 ( ), EX26 ( ), EX27 ( ), EX28 ( ), EX29 ( ) 6.4 Добавление площади поверхности (новые ТО) (м 2 ) EX4 (175262), EX6 (650796), EX16 (129131), EX17 ( ), EX18 ( ), EX20 ( ), EX21 (28 42), EX22 (83 125), EX23 (42 62), EX24 ( ), EX26 (300337), EX27 ( ), EX28 ( ), EX29 ( ) 6.4

Slide Number: ТО будут модифицированы (интенсификаторы или увеличение площади поверхности теплообмена) Если бы был выбран вариант увеличения площади поверхности, общая дополнительная площадь составила бы 2509 m 2 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 Предложенный вариант модификации

Slide Number: 39 Оптимизированная конфигурация Красным цветом обозначены модифицированные ТО

Slide Number: 40 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: 41 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: Fax: