Синтез системы теплообмена на основе задачи о назначении

 

В работе [7] был рассмотрен случай, когда числа холодных и горячих потоков равны N = М, а число теплообменников также равно N. Далее в работе было положено, что при сделанных предположениях задача синтеза ТС может быть сведена к специальной задаче целочисленного линейного программирования - задаче о назначениях. Было введены двоичные переменные хij следующим образом;

 

если есть теплообмен между горячим потоком Shi

и холодным потоком Scj

если нет теплообмена между горячим потоком Shi

и холодным потоком Scj

 

Матрица X = ||хij|| называлась матрицей назначения. Поскольку в ТС на каждом горячем и холодном потоке мог стоять только один теплообменник, переменные хij должны были удовлетворять следующим соотношениям:

 

 

Задача оптимизации ТС записывалась автором следующим образом:

 

 

Это специальная задача целочисленного линейного программирования, которая носит название задачи о назначениях. Для нее имеются хорошо разработанные методы решения..

1.5 Температурно - энтальпийные диаграммы и пинч - методы[8]

 

Горячий и холодный потоки, принимающие участие в теплообмене могут быть представлены в виде температурно - энтальпийной диаграммы.

Перекрытие этих потоков на диаграмме соответствует количеству теплоты рекуперации между этими потоками Qp, а Qp и Qp - количеству теплоты, которое необходимо отвести от горячего потока и подвести к холодному для достижения их конечных температур. Количество теплоты рекуперации может быть увеличено при уменьшении минимально допустимой движущей силы процесса теплопередачи Dtmin (рисунок 1.9, б).

Все горячие и холодные потоки на температурно - энтальпийной диаграмме могут быть объединены в составные или композитные кривые. Для этого ось ординат делится на температурные интервалы, соответствующие начальным и конечным температурам потоков (рисунок 1.10, а). В каждом интервале энтальпия постоянна. Затем необходимо просуммировать энтальпию потоков, попавших в общий температурный интервал (рисунок 1.10, б). В итоге получается композитная кривая (рисунок 1.10, в).

Композитные кривые горячих и холодных потоков размещаются вместе на одной диаграмме (рисунок 1.11). Перекрытие композитных кривых соответствует количеству рекуперированной теплоты, переданной от горячих к холодным потокам.

 

Рисунок 1.10 - Построение композитной кривой для горячих потоков (а - в - этапы построения).

 

Точка наибольшего сближения композитных кривых называется точкой пинча или просто пинчом, Точка пинча делит композитные кривые на две области. Выше точки пинча вся теплота, соответствующая композитной кривой горячих потоков, передается композитной кривой холодных потоков. Недостаток теплоты горячих потоков компенсируется нагревом холодных потоков вспомогательными теплоносителями. Ниже точки пинча избыток теплоты горячих потоков компенсируется охлаждением вспомогательными теплоносителями.

Рисунок 1.11 - Композитные кривые для горячих и холодные потоков: а - Dt > Dtmin; б - Dt = Dtmin.

 

Иногда удобнее использовать транспонированную температурно - энтальпийную диаграмму, т.е. энтальпийно - температурную диаграмму (ЭТД) (рисунок 1.12).

Уравнения композитных кривых могут быть получены следующим образом.

Для удобства построений температуры всех потоков сдвигаются на половину Dtmin:

 

 ;

 

Все начальные и конечные температуры всех потоков выстраиваются в порядке возрастания:

 

, ;

 

Композитная кривая холодных потоков строится следующим образом:

 

где Jxi - подмножество холодных потоков, удовлетворяющих неравенствам

 

 

Рисунок 1.12 - Энтальпийно - температурная диаграмма.

 

Композитная кривая горячих потоков строится следующим образом:

 

 

где Jxi - подмножество холодных потоков, удовлетворяющих неравенствам

 

 

Положение пинч-точки вычисляется следующим образом. Если ЭТД определяется уравнениями (1.11) и (1.13), тогда обратно транспонированные композитные кривые температурно - энтальпийной диаграммы определяются как обратные функции:

 

,

 

Теплота может быть передана, когда

 

;

 

Так как функции (1.15) - монотонно возрастающие функции, то в терминах ЭТД условие передачи тепла может быть представлено в виде:

 

 

Это неравенство и определяет положение пинч-точки:

 

 

Тогда максимальное суммарное количество теплоты Qp, которое может быть передано между потоками, определяется следующим образом:

 

 

Данный метод, как и предыдущие, базируется на температурно - энтальпийных кривых потоков, что позволяет быстро оценить термодинамический потенциал схемы теплообмена. Существенным преимуществом является то, как эти кривые группируются в композитные кривые. Такая группировка наглядно показывает нам распределение нагрузок между интервалами температур.

Также данный метод довольно легко реализуется вручную для небольших схем, для более сложных схем необходимо привлечение расчетных программ, вследствие большего количества рутинных расчетов.

Однако, метод дает нам всего лишь базовые данные, а именно: теплоту рекуперации и точку пинча, условно делящую все потоки на две части. Обвязка схемы в дальнейшем осуществляется при помощи уже известных нам методов, например с применением эвристик.

Цель и задачи работы

 

Цель данной работы - проекта - выявить возможности снижения энергозатрат на блоке подогрева нефти установки ЭЛОУ - АВТ - 6 при условии сохранения режимных параметров всех колонн.

Исходя из вышеизложенного, задачами дипломной работы являются:

изучение основных закономерностей процесса теплопередачи в теплообменных аппаратах;

рассмотрение взаимосвязи технологических параметров, а также их влияния на интенсивность теплообмена;

создание с использованием приложения HYSYS модели процесса, обеспечивающей заданные температуры нефти и горячих потоков на входе и выходе из системы теплообмена.

проведение оценки качества разработанной модели путем сравнения реальных и расчетных данных, анализ полученных результатов;

рассмотрение возможных вариантов оптимизации теплообмена на установке.

Экспериментальная часть

.1 Описание схемы установки ЭЛОУ-АВТ-6 Киришского НПЗ [9]

 

Сырая нефть прокачивается тремя параллельными потоками через теплообменники, где нагревается до температуры не более 160оС.

Первый поток сырая нефть прокачивается последовательно по трубному пространству теплообменников Т-1/1, Т-1/2, Т-16/1, в которых нагревается за счет теплоносителей (в зависимости от работы вакуумного блока):

а) без работы вакуумного блока: первый поток нефти обогревается мазутом после;

б) при работе вакуумного блока: первый поток сырой нефти нагревается теплом I (II циркуляционного орошения К-10) циркуляционного орошения колонны К-10; затем - теплом II циркуляционного орошения колонны К-10.

Далее нефть с температурой не более 160оС поступает в коллектор перед I ступенью блока ЭЛОУ.

Второй поток сырая нефть проходит последовательно по трубному пространству теплообменников: Т-2/2, где нагревается за счет тепла фракции 220-280оС, Т-2/1, где нагревается за счет тепла I (или II циркуляционного орошения К-2) циркуляционного орошения колонны К-2; Т-17/1, где нагревается за счет тепла II циркуляционного орошения К-2.

Далее нефть с температурой не более 160оС поступает в коллектор перед I ступенью блока ЭЛОУ.

Третий поток сырая нефть проходит последовательно по трубному пространству теплообменников Т-51/1, Т-51/2, Т-52/1, Т-52/2, где нагревается за счет тепла теплоносителей (в зависимости от работы вакуумного блока):

а) без работы вакуумного блока: сырая нефть III поток нагревается за счет тепла I циркуляционного орошения колонны К-2; затем за счет тепла фракции 280-350оС (или за счет тепла I циркуляционного орошения колонны К-2); затем за счет тепла фракции 280-350оС (или за счет тепла мазута, гудрона - при работе вакуумного блока); далее - за счет тепла мазута.

б) при работе вакуумного блока: сырая нефть III поток нагревается за счет тепла I циркуляционного орошения колонны К-2; затем - за счет тепла фракции 280-350оС (или за счет тепла I циркуляционного орошения колонны К-2); затем - за счет тепла фракции 280-350оС (или за счет гудрона); далее - за счет тепла мазута.

После Т-52/2 нефть с температурой не более 160оС поступает в коллектор перед I ступенью блока ЭЛОУ.

После электродегидраторов II ступени обессоленная нефть с температурой распределяется на 3 параллельных потока.

Первый поток обессоленной нефти.

а) без работы вакуумного блока: нефть обессоленная нагревается за счет тепла мазута с низа колонны К-2.

б) при работе вакуумного блока: нефть обессоленная нагревается в теплообменнике за счет тепла II циркуляционного орошения колонны К-10, затем - за счет тепла гудрона с низа колонны К-10.

Второй поток обессоленной нефти проходит последовательно: по трубному пространству теплообменника Т-17/2, затем по межтрубному пространству теплообменника Т-18, где нагревается за счет тепла II циркуляционного орошения колонны К-2, затем проходит межтрубное пространство теплообменников Т-81/1, Т-81/2, где нагревается за счет тепла мазута колонны К-2 (или за счет тепла III циркуляционного орошения колонны К-10 при работающем вакуумном блоке) и с температурой TIR 145 поступает под 24 тарелку колонны К-1. Температура нефти после теплообменника Т-17/2 контролируется по TIR 153.

Третий поток обессоленной нефти проходит параллельно: по трубному пространству Т-53/1, где нагревается за счёт тепла фракции 280-350оС, и по трубному пространству Т-61, где нагревается за счёт тепла III вакуумного погона колонны К-10 при работе вакуумного блока; затем последовательно нефть проходит по межтрубному пространству Т-53/2, где нагревается за счет тепла мазута, и по трубному пространству Т-53/3, где нагревается за счет тепла мазута и поступает под 24 тарелку колонны К-1.

Температура в электродегидраторах при необходимости может регулироваться за счет перераспределения тепла фр.280-350оС и мазута в теплообменниках Т-52/1,2 и Т-53/1,2,3 (до и после ЭЛОУ).

 

Исходные данные

 

В таблице 3.1 приведён перечень потоков, имеющихся на установке.

 

Таблица 3.1. Перечень потоков установки АВТ-6.

Поток	Начальная температура, 0С	Конечная температура, 0С	Нагрузка, ГДж/ч	Средняя теплоемкость, кДж/кг*0С	Массовый расход, кг/ч
1 ЦО К-2	178	75	36,86342	2,39	149200
ДТ К-7	132	56	18,86016	2,18	113800
ЛВГО К-10	151	67	21,40996	2,17	117500
ТВГО К-10	250	92	89,42274	2,55	222000
2 ЦО К-2	247	110	78,11584	2,55	224400
Гудрон К-10 (а)	331	206	33,52903	2,77	97000
Гудрон К-10 (б)	206	163	10,16994	2,47	95000
Затемн. Фр. (3 ЦО) К-10	320	267	16,50264	2,84	109000
Мазут К-2	346	91	88,93786	2,59	135000
Бензин К-1	123	53	27,57546	6,79	58150
Бензин К-2	137	64	27,8806	6,57	58150
Нефть до ЭЛОУ	19	120	166,4476	2,12	776100
Нефть после ЭЛОУ	105	275	309,6431	2,59	702000

 

3.3 Создание расчетной схемы существующего варианта блока подогрева нефти

 

Первостепенной задачей курсового проектирования являлся расчет существующей схемы теплообмена, для этого был применен метод математического моделирования процесса. В качестве инструмента математического моделирования был выбран Aspen HYSYS v. 2006. Полученная математическая модель помимо того, что являлась расчетной и содержала в себе всю информацию о процессе, она также являлась отправной точкой для следующего этапа курсового проектирования, а именно, синтеза новой более выгодной системы теплообмена.