Пинч анализ статья. Пинч-анализ

Общая характеристика

Пинч-анализ - методология минимизации энергопотребления процесса посредством расчета термодинамически обоснованных объемов энергопотребления и приближения к ним с помощью оптимизации теплопередачи между процессами, методов энергоснабжения и характеристик технологических процессов. Хотя иногда этот метод называют интеграцией процессов или энергетической интеграцией , фактически, пинч-анализ является одним из средств такой интеграции.

В контексте пинч-анализа каждый оптимизируемый процесс рассматривается как совокупность горячих и холодных потоков. Горячими называются потоки, которые нуждаются в охлаждении, а холодными - потоки, нуждающиеся в нагреве. Для каждого процесса может быть построена одна кривая на диаграмме «энтальпия-температура», представляющая совокупность всех горячих потоков, и одна кривая, представляющая совокупность всех холодных потоков процесса. Эти кривые называются соответственно горячей и холодной составными кривыми. Построение кривой продемонстрировано на рис. 2.11 и 2.12. На первом из них показаны два горячих потока на диаграмме «энтальпия-температура».

Рисунок 2.11: Два горячих потока

Поток 1 охлаждается с 200 до 100 °C. Его потоковая теплоемкость CP (произведение массового расхода на удельную теплоемкость вещества) равна 1; поэтому от потока отводится 100 кВт тепла. Поток 2 охлаждается со 150 до 50 °C. CP этого потока равна 2; следовательно, от потока отводится 200 кВт тепла.

Горячая составная кривая строится посредством простого сложения потребностей в отведении тепла для каждого диапазона температур:

в диапазоне от 200 до 150°C существует только один поток, имеющий CP = 1. Следовательно, в этом диапазоне температур необходимо отведение 50 кВт тепла;

в диапазоне от 150 до 100°C существует два горячих потока с суммарным CP = 3. Общая потребность в отведении тепла в данном диапазоне составляет 150 кВт. Составная кривая на участке температур 150-100 C является более пологой, поскольку суммарная величина CP в этом диапазоне больше, чем в диапазоне 200-150°C;

в диапазоне от 100 до 50°C существует только один поток, имеющий CP = 2. Следовательно, в этом диапазоне температур необходимо отведение 100 кВт тепла.

Горячая составная кривая показана на рис. 2.12.

Рисунок 2.12. Горячая составная кривая

Холодная составная кривая строится аналогичным образом. На практике количество потоков в составе процесса, как правило, оказывается гораздо больше, но составные потоки строятся точно так же, как было показано в этом упрощенном примере.

На рис. 2.13 горячая и холодная составные кривые построены на одной и той же диаграмме «температура - энтальпия». Эти кривые представляют совокупные потребности процесса в охлаждении и нагреве.

Рисунок 2.13: Составные кривые, пинч, и теоретические потребности в «холодных» и «горячих» энергоресурсах

Проекции кривых на ось энтальпии перекрываются. Это означает, что тепло, отводимое от горячей составной кривой (совокупности горячих потоков), может быть использовано для нагрева холодной составной кривой (совокупности холодных потоков) посредством организации передачи тепла между потоками. Однако у каждой из составных кривых существует участок, проекция которого на ось энтальпии не перекрывается проекцией второй кривой. Это означает, что в своей верхней части холодная составная кривая нуждается во внешнем источнике тепла (мощностью QH,min), а горячая составная кривая в своей нижней части нуждается во внешнем источнике охлаждения (мощностью QC,min). Эти величины представляют собой теоретические потребности в горячих и холодных энергоресурсах.

Точка, в которой расстояние между кривыми по оси температуры минимально, называется «пинч»27. В точке пинча разность температур между кривыми достигает минимума - ΔTmin. При этом область перекрытия проекций двух кривых на ось энтальпии представляет возможности для передачи тепла между процессами (рекуперации тепла), а величины QH,min и QC,min являются минимальными теоретическими потребностями в энергоресурсах.

После того, как для процесса определены пинч и теоретические потребности в энергоресурсах, для оптимизации процесса могут быть использованы три «золотых правила» пинч-анализа. Процесс может быть рассмотрен как две отдельные системы, находящиеся соответственно выше пинча и ниже пинча. Система, находящаяся выше пинча, требует подведения тепла из внешнего источника и, следовательно, является стоком тепла. Система, находящаяся ниже пинча, требует отведения тепла за свои границы и поэтому является источником тепла.

Рисунок 2.14: Схематическое представление систем, находящихся выше и ниже пинча

Три основных правила состоят в следующем:

не должно быть передачи тепла через пинч;

не должно быть внешнего охлаждения системы, находящейся выше пинча;

не должно быть подведения тепла из внешних источников к системе, находящейся ниже пинча.

Если через пинч передается количество тепла α, это означает, что это же количество тепла (α) должно быть дополнительно подведено к «верхней» системе и дополнительно отведено от «нижней» (см. рис. 2.15). Аналогичным образом, любое внешнее охлаждение системы-стока и любое подведение тепла извне к системе-источнику означают дополнительные потребности в энергоресурсах по сравнению с минимальными теоретическими значениями.

Рисунок 2.15: Передача тепла через пинч от стока к источнику

Таким образом:

T = A - α Уравнение 2.1

T - теоретическое минимальное энергопотребление;

A - фактическое энергопотребление;

α - поток энергии через пинч.

Для достижения минимума энергопотребления необходимо исключить поток тепла через пинч.

Экологические преимущества

Оптимизация энергетического баланса производственного предприятия.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

Как предполагается, отсутствует.

Производственная информация

Важнейшим условием эффективного использования пинч-анализа является наличие фактических данных, в особенности, в том случае, если технологический процесс не является непрерывным. Такие данные не могут быть заменены никакими оценками или предположениями; для достижения энергосбережения (и соответствующего снижения затрат) необходимо детальное измерение характеристик (в т.ч. временных) всех технологических потоков в составе процесса.

Применимость

Пинч-анализ может применяться на предприятиях широкого круга отраслей, где используются технологические потоки, имеющие различные температуры. Этот метод используется при проектировании новых предприятий или производственных единиц, модернизации производственных мощностей, а также таких исследованиях деятельности предприятия, как:

ü энергетический анализ производственных единиц;

ü анализ систем энергоресурсов, включая тепловые и электроэнергетические системы;

ü проектирование и анализ теплообменных систем;

ü комплексный анализ производств с целью оптимизации процессов и интеграции использования различных энергоресурсов;

ü анализ водородных и водных систем.

Первоначально пинч-анализ применялся в нефтехимии, нефтепереработке и на крупных предприятиях химической промышленности, где результатом его использования было энергосбережение и сокращение капитальных затрат. Однако в последнее время эта методология успешно применяется к различным технологическим процессам широкого круга отраслей. В частности, пинч-анализ используется в когенерации, фармацевтической, целлюлозно-бумажной и цементной промышленности, а также различных подотраслях пищевой промышленности (например, пивоварении, производстве кофе, мороженого и молочных продуктов). См. «Примеры» ниже.

Пинч-анализ успешно применяется к технологическим процессам различных типов, включая периодические, полунепрерывные и непрерывные процессы, и способен учитывать различные характеристики этих процессов, включая использование различных видов сырья и энергоресурсов, сезонные колебания спроса, а также ограничения, связанные с качеством продукции, и ограничения природоохранного характера.

Экономические аспекты

См. сроки окупаемости инвестиций, приведенные в таблице.

Пинч-анализ имеет репутацию дорогостоящей и сложной в применении методологии. Однако в случае несложных процессов расчеты могут выполняться вручную или при помощи программных инструментов (в т.ч. распространяемых бесплатно). Уровень, с которого начинается стоимость проектов по пинч-анализу, составляет около 5 тыс. евро. Несложный анализ может выполняться даже на основе незначительного количества данных. В настоящее время пинч-анализ включен во многие программы обучения промышленных инженеров.

В более сложных ситуациях может потребоваться группа опытных специалистов, хорошо знакомых с пинч-анализом, особенностями конкретного производства, а также методиками моделирования процессов и оценки затрат.

Мотивы внедрения

Сокращение эксплуатационных и капитальных затрат.

При применении пинч-анализа к существующей деятельности предприятия во многих случаях удалось добиться улучшения характеристик производственного процесса, что позволило, например, повысить гибкость производства, «расшить» узкие места в технологических процессах, увеличить производительность и снизить масштаб негативных эффектов (например, образования накипи).

Примеры Примеры экономического эффекта, полученного в результате применения пинч-анализа1 (в долларах США2,

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Домашнее задание

по дисциплине «Информационные технологии в энергосбережении»

Пинч-анализ

Вариант 6

Выполнил:

Василенко Н.П.

Студент гр. БЭ-310

Проверил: доц. каф. “Теплоэнергетика”

Январёв И.А.

Исходные данные:

Вид потока

Начальная Т,

Конечная Т,

Холодный

Холодный

Холодный

В настоящее время снижение отходов одна из самых больших проблем, стоящих перед перерабатывающими отраслями промышленности. Сточные воды, которые являются самыми большими отходами, требуют наиболее пристального внимания для идентификации и создания лучших водных систем для многократного использования.

Пинч-анализ - математический метод, нашедший применение в промышленности более 20 лет назад, позволяет улучшать эффективное использование энергии, воды и сырья (водород), сократить потоки, направляемые на очистку и соответствующие затраты в различных отраслях промышленности, включая нефтепереработку.

За время его использования метод получил значительное развитие и стал предпочтительным для определения экономически эффективных способов наибольшего извлечения тепла и уменьшения спроса на внешние его источники (пар и охлаждающая вода). Он применим для определения экономии энергии как для самого процесса производства, так и для систем его обслуживания. Достижение экономии во многом зависит от задач, предусматриваемых проектом.

Пинч-технология (или пинч-анализ) является надежным, структурированным подходом для решения широкого ряда проблем, связанных с повышением эффективности основного технологического процесса и вспомогательных систем обслуживания. Принимая во внимание, что стоимость использования товара-продукта (энергия, вода, водород) есть функция его количества и качества, анализируются предложение и спрос (источники и сливы) энергии (энергетический пинч). Во всех случаях основным принципом является достижение соответствия между индивидуальным спросом на продукт и подходящими поставками. Это соответствие зависит от требуемого количества и предлагаемого качества продукта. Для тепла качеством является его температура, а для воды и водорода - чистота и давление. Максимизируя соответствие между поставками и спросом, минимизируется объем требуемых покупки продуктов.

Например, энергетический пинч определяет минимальную стоимость получения пригодного тепла, а также проекты, которые позволяют достичь этих целей на практике (или приблизиться к ним).

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.

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 температур.

пинч технология кривая энергия

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

    Сущность и краткая характеристика видов энергии. Особенности использования солнечной и водородной энергии. Основные достоинства геотермальной энергии. История изобретения "ошейника" А. Стреляемым, принцип его работы и потребления энергии роста растений.

    презентация , добавлен 20.12.2009

    Доля альтернативных источников энергии в структуре потребления РФ. Производство биогаза из органических отходов. Технический потенциал малой гидроэнергетики. Использование низкопотенциальных геотермальных источников тепла в сочетании с теплонасосами.

    курсовая работа , добавлен 20.08.2014

    История развития энергетики как науки, общая и вторичная энергетика, понятие "энергия", пути решения энергетических проблем. Электроэнергетика как самостоятельная отрасль. Технологии, используемые в процессе получения, передачи и использования энергии.

    курсовая работа , добавлен 03.02.2012

    Изучение истории рождения энергетики. Использование электрической энергии в промышленности, на транспорте, в быту, в сельском хозяйстве. Основные единицы ее измерения выработки и потребления. Применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

    презентация , добавлен 22.12.2014

    Источники энергии Древнего мира, раннего Средневековья и Нового времени. Технологии, используемые в процессе получения, передачи и использования энергии. Тепловые двигатели, двигатели внутреннего сгорания, электрогенераторы. Развитие ядерной энергетики.

    презентация , добавлен 15.05.2014

    Проблемы утилизации промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов. Переход от эры "ресурсной расточительности" к эпохе рационального потребления ресурсов: вторичные материальные ресурсы. Истощение земных недр, альтернативные источники энергии.

    презентация , добавлен 19.01.2011

    Пути и методики непосредственного использования световой энергии Солнца в промышленности и технике. Использование северного холода как источника энергии, его потенциал и возможности. Аккумулирование энергии и повышение коэффициента полезного действия.

    реферат , добавлен 20.09.2009

    Направления применения плазмы в технике и технологии. Управляемые термоядерные реакции, основные пути их осуществления. Принцип извлечения энергии из ядер легких элементов. Лазерный термояд. Получение электроэнергии из тепловой энергии плазменного потока.

    реферат , добавлен 15.07.2014

    Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов. Основные причины большого потребления топливно-энергетических ресурсов на предприятиях пищевой промышленности, пути сбережения тепловой энергии. Использование вторичных энергоресурсов.

    реферат , добавлен 11.02.2013

    География мировых природных ресурсов. Потребление энергии - проблема устойчивого развития. Статистика потребления мировой энергии. Виды нетрадиционных (альтернативных) источников энергии и их характеристика. Хранение отработавшего ядерного топлива.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Домашнее задание

по дисциплине «Информационные технологии в энергосбережении»

Пинч-анализ

Вариант 6

Выполнил:

Василенко Н.П.

Студент гр. БЭ-310

Проверил: доц. каф. Теплоэнергетика

Январёв И.А.

Исходные данные:

ПотокиВид потокаНачальная Т,Конечная Т,НагрузкаСР*1Горячий3102002200202Горячий2501604500503Горячий180806000604Горячий2901105400305Холодный603302700106Холодный901604900707Холодный150230480060

В настоящее время снижение отходов одна из самых больших проблем, стоящих перед перерабатывающими отраслями промышленности. Сточные воды, которые являются самыми большими отходами, требуют наиболее пристального внимания для идентификации и создания лучших водных систем для многократного использования.

Пинч-анализ - математический метод, нашедший применение в промышленности более 20 лет назад, позволяет улучшать эффективное использование энергии, воды и сырья (водород), сократить потоки, направляемые на очистку и соответствующие затраты в различных отраслях промышленности, включая нефтепереработку.

За время его использования метод получил значительное развитие и стал предпочтительным для определения экономически эффективных способов наибольшего извлечения тепла и уменьшения спроса на внешние его источники (пар и охлаждающая вода). Он применим для определения экономии энергии как для самого процесса производства, так и для систем его обслуживания. Достижение экономии во многом зависит от задач, предусматриваемых проектом.

Пинч-технология (или пинч-анализ) является надежным, структурированным подходом для решения широкого ряда проблем, связанных с повышением эффективности основного технологического процесса и вспомогательных систем обслуживания. Принимая во внимание, что стоимость использования товара-продукта (энергия, вода, водород) есть функция его количества и качества, анализируются предложение и спрос (источники и сливы) энергии (энергетический пинч). Во всех случаях основным принципом является достижение соответствия между индивидуальным спросом на продукт и подходящими поставками. Это соответствие зависит от требуемого количества и предлагаемого качества продукта. Для тепла качеством является его температура, а для воды и водорода - чистота и давление. Максимизируя соответствие между поставками и спросом, минимизируется объем требуемых покупки продуктов.

Например, энергетический пинч определяет минимальную стоимость получения пригодного тепла, а также проекты, которые позволяют достичь этих целей на практике (или приблизиться к ним).

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 температур.

пинч технология кривая энергия

Пинч-анализ - это метод, позволяющий обеспечить уже на ранней стадии проектирования один оптимальный путь решения поставленной задачи, был предложен профессором Б.Линнхоффом. Дальнейшее развитие метод получил в работах Б.Линнхоффа и профессора Р.Смита с сотрудниками (Манчестерский университет института науки и технологии, Великобритания). Применительно к холодильным машинам и установкам имеет смысл для анализа эффективности работы, в основном, теплообменных аппаратов. Приведем пример использования метода пинч-анализа применительно к нефтяной энергетической установке.

Начальная стадия метода заключается в формализации потоковой схемы технологического процесса в виде сеточной диаграммы (рисунки 4а и 4б). Рекуперативные теплообменники (в которых происходит теплообмен между технологическими потоками) представлены в виде соединенных попарно действующих кружков, которые расположены на соответствующих потоках, обменивающихся теплом. Теплообменники, в которых одна из сред является вспомогательной (пар со стороны, охлаждающая вода, воздух и т.п.), представлены в виде одного кружка. Он расположен на том технологическом потоке, который нагревается (с буквой «h » внутри) или охлаждается (с буквой «c » внутри).

Пользуясь сеточной диаграммой, всегда возможно построить составные кривые всех горячих и всех холодных потоков (рисунок 5). Горячие кривые всегда «горячее» холодных по крайней мере на DTmin (минимально возможная разность температур в данном технологическом процессе). На рисунке горячие утилиты - тепло, подводимое к данному технологическому процессу в печах, котлах, пароподогревателях и т.п., холодные утилиты - тепло, отводимое от процесса охлаждающей водой, воздухом и т.д. Составные кривые показывают суммарное энтальпийное изменение в системе потоков во всех интервалах температуры.

Таким образом, составные кривые относятся к внешним слоям концентрической диаграммы. Они построены на основе данных, которые описывают тепловой и материальный баланс процесса. Пространство между кривыми («перекрытие» кривых) показывает значение возможной утилизации тепла. Место наибольшего сближения кривых называется Пинчем. Если от горячих теплоносителей поступает тепла больше, чем могут принять технологические потоки выше Пинча, то излишек теплоты должен быть передан через Пинч (рисунок 6). То же можно сказать при увеличенном потреблении холодных энергоносителей.

Благодаря этому утверждению мы можем заменить трудоемкий процесс проектирования, осуществляемый перебором различных тепловых (рабочих) схем с целью оптимизации энергопотребления более простым «запрещением переноса» энергии через Пинч». Это достигается объединением потоков выше и ниже Пинча раздельно. В результате получается почти очевидный путь проектирования тепловых систем с минимальным потреблением энергии. Данный метод проектирования полностью основан на термодинамических законах и позволяет:

  • - установить энергетические цели перед проектированием;
  • - проектировать тепловые сети с минимальным потреблением энергии раздельно выше и ниже Пинча;
  • - контролировать проект на каждом месте развития.

При модернизации существующих производств методы Пинч-анализа позволяют максимально использовать уже установленное оборудование, что снижает капитальные вложения на реконструкцию. Методами Пинч-анализа можно определить стоимостной компромисс между всеми поставленными целями и капитальными вложениями при заданном времени окупаемости, которому и должен удовлетворять окончательный проект.

За последние десять лет с применением Пинч-анализа выполнено более 1500 проектов для более чем 100 компаний-производителей в нефтепереработке, химической, металлургической, пищевой промышленности, энергетике и т.д.

Результаты выполнения некоторых проектов приведены в нижеследующих таблицах:

Таблица 1 - Результаты применения Пинч-технологии в «Union Carbide»

Тип проекта

Экономия за счет энергетических затрат, $/год

Капитальные вложения, $

Время окупаемости, мес.

Нефтехимический

Специальной химии

Специальной химии

Лицензионная установка

экономия

Органической объемной химии

Органической объемной химии

Органической объемной химии

Специальной химии

Таблица 3 - Анализ применения Пинч-технологии в различных отраслях промышлености