بررسی کاربرد مبدل های حرارتی در صنایع

چكیده:

با توجه به اینكه در صنعت از جمله صنایع پالایش و پتروشیمی مبدل حرارتی وجود دارند كه از لحاظ مصرف انرژی بهینه نمی‌باشند و از لحاظ اقتصادی مناسب نیستند و از طرفی ممكن است بعد از مدتی مشكلاتی از نظر عملیاتی نیز در فرآیند ایجاد نمایند. دانشمندان به فكر اصلاح (Retrofit) شبكه مبدل‌های حرارتی افتادند بطوری كه هدفشان كاهش مصرف انرژی و طبعاً كاهش هزینه‌های عملیاتی بوده است بنابراین متدهای گوناگونی را ارائه داده‌اند كه از جمله این متدها می‌توان به متد‌های ریاضی و تحلیلی اشاره نمود ما در این سمینار روش تحلیلی را انتخاب نموده و به بیان متد Pinch برای Retrofit شبكه‌های مبدل حرارتی كه توسط Linnhoff پایه‌گذاری شده است پرداخته‌ایم در ابتدای امر هدف در اصلاح شبكه‌های مبدل حرارتی را توضیح داده گفته شده كه چگونه بایستی امر هدف یابی را انجام داده سپس این سئوال مطرح گردید كه چگونه بایستی از عهدة پروژه‌های بهبود (Retrofit) برآمد. كه سه روش 1- اصلاح شبكه بوسیله بازبینی مستقیم ساختمان آن. 2- اصلاح شبكه به صورت یك طرح جدید (جستجوی كامپیوتری). 3- اصلاح با استفاده از تكنولوژی Pinch مطرح و به توضیح آنها پرداخته ولی از میان سه روش فوق متد اصلاح با استفاده از تكنولوژی Pinch بحث اصلی این سمینار را تشكیل می‌دهد. در توضیح متد Pinch ابتدا هدف‌یابی در فن‌آوری Pinch مورد بررسی قرار گرفته بطوری كه پروژه را در یك محدود سرمایه‌گذاری مشخص به سمت زمان برگشت قابل قبولی هدایت نماید. سپس فلسفه هدف‌یابی شرح داده شده است و در فلسفه  هدف‌یابی گفته شده كه در اولین گام می‌بایستی وضعیت شبكه موجود را نسبت به شرایط بهینه مشخص نمائیم كه بهترین ابزار برای این كار استفاده از منحنی سطح حرارتی برحسب انرژی می‌باشد سپس به تفضیل به بیان روش هدف‌یابی پرداخته‌ایم و بعد از بیان مسئله هدف‌یابی در فصل سوم ابزار طراحی را معرفی نموده و گفته شد كه طراحی شبكه در پروژه‌های Retrofit بسیار مشكل‌تر از طراحی ابتدائی است زیرا یكسری مبدل قبلاً نصب شده‌اند و در كل، طرح توسط ساختمان شبكه موجود محدود شده است و تغییر موقعیت مبدل‌ها مستلزم صرف هزینه می‌باشد.

لذا جهت كاهش هزینه طراحی لازم است تا جایی كه امكان دارد از وسایل موجود حداكثر استفاده را نمود بنابراین احتیاج می‌باشد كه به آزمایش هر مبدل به طور جداگانه و بررسی تأثیر آن در عملكرد كلی شبكه پرداخته شود به این ترتیب می‌توان دریافت كه كدام مبدل اثر مثبت در شبكه دارند و باید به عنوان مبدل مناسب حفظ گردد و كدام مبدل به طور نامناسب جایگذاری شده‌اند و بایستی تصحیح گردد از این رو به روش‌هایی كه برای این بررسی وجود دارد پرداخته كه عبارتند از : 1- مبدل‌های عبوری از Pinch. 2- منحنی نیروی محركه. 3- تحلیل مسئله باقی مانده. 4- تغییر موقعیت مبدل‌ها.

و مفصلاً روش‌های فوق را مورد بحث قرار داده و به نتیجه‌گیری در مورد روش‌های فوق پرداخته و بعد از آن طراحی را آغاز نموده. در ابتدا مراحل طراحی را بیان نموده كه عبارتند از:

1- تحلیل مبدل‌های موجود. 2- تصحیح مبدل‌های نامناسب. 3- جایگذاری مبدل‌های جدید. 4- اعمال تغییرات ممكن در طرح.

و سپس به توضیح مراحل فوق پرداخته و در نهایت به اعمال محدودیت‌های فرآیند در روش طراحی اشاره شده است با توجه به اینكه در فصل دوم یك روش هدف‌یابی برای متد Pinch بیان شده بود در فصل چهارم یك روش هدف‌یابی جدیدی برای بهبود (Retrofit) شبكه مبدل‌های حرارتی ارائه شده است كه این روش به نام تحلیل مسیری عنوان شده و به ارزیابی زیر ساختار‌ها (یعنی اجزا مستقل شبكه موجود) به منظور بدست آوردن اقتصادی‌ترین و عملی‌ترین فرصت برای ذخیره انرژی را ارائه كرده است و همانطور كه در پیشینه اشاره شد اصلاح شبكه از طریق روش و سنتز ریاضی روش‌های متعددی دارد كه ما در فصل پنجم این سمینار فقط بطور گذرا و خیلی مختصر روش مركب برای اصلاح شبكه مبدل‌های حرارتی و مدل Synheat را معرفی نموده.

پیشینة اصلاح مبدل‌های حرارتی:

امروزه طراحی بهبود یافته شبكه‌های مبدل‌های حرارتی (HERL) نقش مهمی در سامانه‌های ذخیره انرژی ایفا می‌نماید.

شبكه‌های موجود بیش از فرآیندهای جدید بایستی برای بهبود در بازگشت انرژی مورد توجه قرار گیرند.

اصلاح شبكه‌های حرارتی (HEN) موجود را می‌توان با استفاده از دو رویة عمده به انجام رسانید بطوریكه افراد متعددی در این زمینه فعالیت نموده‌اند.

1- روش تحلیل Pinch : 

این روش بر‌پایه ترمودینامیك (و مفاهیم فیزیكی) و فرآیندهای كاوشی است.

از جمله افرادی كه پایه‌گذار این روش بوده‌اند می‌توان به T.N. Tjoe and B.linnhoff در سال 1986 اشاره نمود علاوه بر اینها افرادی همچون Van Reisen, Graham T.Polley در سال 1997 یك روش اساسی به نام تحلیل مسیری برای ارزیابی زیر ساختارها یا بعبارتی زیر شبكه‌ها (یعنی اجزاء مستقل شبكه‌ها) به منظور بدست آوردن اقتصادی‌ترین و عملی‌ترین فرصت‌ها برای ذخیره انرژی را ارائه داده‌اند.

2- روش برنامه‌ریزی ریاضی:

در این روش شبكه‌های مبدل حرارتی به صورت مدل‌های ریاضی نشان داده می‌شوند.

از جمله افرادی كه در زمینه مدل‌های خطی كار كرده‌اند می‌توان به

S.A. Papoulias, I.E. Grossmann  در سال 1983 اشاره نمود كه از مدل خطی برای تعیین حداقل هزینه تأسیسات وسایل و حداقل تعداد واحدها استفاده نموده‌اند.

اما در زمینه مدل‌های غیر خطی C.A. Floudas, A.R. Ciric 1983 و 1991 و T.F. Yee, E.I. Grossmann در سال 1990 تعدادی از مدل‌های غیرخطی را كه از لحاظ محاسباتی گرانتر هستند هم برای به حداقل رساندن هزینه‌های سطحی و هم برای به حداقل رساندن همزمان تأسیساتی (تعداد واحدها و سطوح مبدل‌های حرارتی) ارائه نموده‌اند.

افرادی مانند E.N. Pistikopoulos و  K.P. Popalexandri در سال 1994 مدل‌های بهینه‌سازی MINLP را نه ‌تنها برای تعیین طراحی بلكه برای شرایط عملیاتی مطلوب، تحت فرض قابل كنترل دینامیك بسط داده‌اند ولی این مدل برای مسائل با مقیاس بزرگ قابل استفاده نمی‌باشد.  چون روش‌هایی كه بر مبنای الگوریتم برنامه‌ریزی غیر خطی صحیح مركب MINLP)) هستند برای دسترسی به شكل بهبود یافته مشكلات محاسباتی زیادی دارند بویژه در حالتی كه مسئله مقیاس آن بسیار بزرگ باشد Ca. Athier & P. Floquet در سال 1996 روش‌های بهینه‌سازی تصادفی همراه روش‌های جبری را برای حل مسائل طراحی فرآیند مطرح نمودند بعنوان مثال از روش‌های NLP و شبیه‌سازی بازپخت برای حل طراحی  شبكه مبدل‌های حرارتی استفاده نموده‌اند هرچند به حالات Retrofit توجه دقیق و كاملی نداشته‌اند.

علاوه بر روش‌های فوق یك روش گرافیكی برای انتگراسیون حرارتی یك سایت كامل ابتدا توسط Linnhoff و Dhole در سال 1992 ارائه گردید و سپس توسط Raissi در سال 1994 موشكافی شد.

X.X. Zhu and N.D.K. Asante  در سال 1996 یك روش تحلیل ریاضی كه بدنبال ساده‌ترین تغییرات می‌باشد و بیشترین صرفه‌جویی در انرژی را داشته باشند هر چند آنها برای رسیدن به این صرفه‌جویی سرمایه‌گذاری مورد نیاز را نادیده می‌گیرند و از طرفی این روش یك روش تكاملی می‌باشد.

3-4) تحلیل  مسئله باقی‌مانده (REMAINING PROBLEM ANALYSIS)

a) انرژی باقی مانده: روش طراحی pinch، طراحی شبكه مبدلهای حرارتی را از نقطه pinch و نقاط نزدیك pinch آغاز می‌كند و بتدریج آنرا به طرف بالا و پایین pinch گسترش میدهد و برای اینكار از قوانین اساسی طراحی استفاده میكند.

سپس با استفاده از الگوریتم خاص چك می‌كند كه آیا Match ها (Linnhoff, 1983,b) با اهداف انرژی طرح هماهنگی دارد یا نه؟  در چنین وضعیتی برای matchهای باقی مانده دو حالت ممكن است اتفاق بیفتد: یا مسئله باقی‌مانده به همان میزان انرژی كه قبلاً نیاز داشت، احتیاج دارد و یا نیازمند انرژی بیشتری است. در حالت اول match ارائه شده، نمی‌تواند تمام انرژی مورد نیاز را منتقل نماید و در حالت دوم match انتخاب شده، خطای انرژی خواهد داشت. كه در شكل (3-6) نشان داده شده است.

این تحلیل یك ابزار مفید برای تخمین توالی جایگذاری مبدلها در یك شبكه میباشد و می‌تواند آنرا بر اساس میزان مصرف انرژی محاسبه نماید.

b) سطح حرارتی باقی‌مانده: در پروژه‌های اصلاح باید دید كه چه راندمانی از سطح حرارتی مورد نیاز است و برای اینكار باید سطح حرارتی باقی مانده مورد بررسی قرار بگیرد. با توجه به توانائی تعیین سطح حرارتی كلی، می‌توان سطح حرارتی مورد نیاز را برای مسئله باقی مانده  نیز تعیین نمود؛ و بدین ترتیب با مقایسه سطح حرارتی كلی مسئله با مجموع سطح حرارتی باقی مانده و سطح حرارتی مبدل مورد نظر، می‌توان حداكثر راندمان سطح حرارتی  را برای match پذیرش شده مشخص نمود. یعنی:

معادله (3-1)                                                   

كه در آن  می‌باشد.  یك match ایده‌آل است و این تحلیل سطح حرارتی باقی مانده میباشد كه در شكل (3-7) نشان داده شده است.

تحلیل سطح حرارتی باقی مانده،  را بر اساس احتیاجات انرژی ثابت محاسبه می‌كند و خطای سطح حرارتی را كه ناشی از استفاده بد نیروی محركه دمائی می‌باشد، تخمین میزند. این متد ابزاری است كه میتواند یك تشخیص كمی از موقعیت مبدلها ارائه نماید. مهم اینست كه تفاوت بین راندمان سطح حرارتی شبكه  و  تشخیص داده شود. زیرا  مربوط به یك شبكه كامل است، ولی  حداكثر راندمان سطح حرارتی قابل دسترس میباشد، بشرط آنكه موقعیت مبدل به عنوان بخشی از شبكه كلی پذیرفته شده باشد.

3-6 ) نتیجه‌گیری:

تاكنون چهار ابزار معرفی گردید كه میتوانند جهت مشخص ساختن و تصحیح مبدلهای نامناسب در شبكه مورد استفاده واقع گردند. این ابزارها عبارتند از: تحلیل مبدلهای عبوری از Pinch، منحنی نیروی محركه ، تحلیل مسئله باقی مانده (سطح حرارتی و ) و انتقال مبدلها.

تحلیل مبدلهای عبوری از Pinch، گر چه اطلاعاتی در مورد جریانهای عبوری از Pinch می‌دهد ولی هیچ اطلاعی در مورد اینكه چگونه میتوان این مبدلها را در سطح شبكه مورد استفاده قرار داد ارائه نمیدهد. اصلاح مبدلهای عبوری از Pinch، كاهش Criss crossing و بدین ترتیب بهبود استفاده از سطح حرارتی در ناحیه Pinch را بدنبال خواهد داشت. ولی در مورد مبدلهای دور از Pinch هیچ كاری صورت نمیدهد در حال كه هر دو ممكن است به یك میزان مهم باشند.

منحنی نیروی محركه می‌تواند برای تعیین اینكه آیا یك مبدل موجود خوب جایگزین شده است یا نه، مورد استفاده واقع گردد؛ اما این فقط یك بیان كیفی بر حسب نیروی محركه دمائی است و تأثیر هر مبدل مشخص را در جهت بهبود عملكرد كلی شبكه صریحاً نشان نمیدهد. علیرغم این اشكال منحنی نیروی محركه نشان میدهد كه چگونه می‌توان یك مبدل نامناسب را با توجه به حداكثر استفاده مجدد از سطح حرارتی موجود تصحیح نمود.

تحلیل سطح حرارتی باقی مانده، یك مقیاس كمی از جایگزینی مناسب مبدل بر حسب حداكثر استفاده مجدد از سطح حرارتی ارائه میدهد و بدین ترتیب عمل منحنی نیروی محركه را تكمیل میكند. تحلیل سطح حرارتی باقیمانده همچنین خطای نتیجه‌گیری شده ناشی از استفاده نامناسب نیروی محركه را نیز تخمین میزند این تحلیل با تعیین  تكمیل میگردد. تحلیل مسئله باقی مانده (سطح حرارتی و ) ابزار مناسبتری می‌باشد؛ زیرا می تواند برای ارزیابی عملكرد هر مبدل جداگانه در شبكه مورد استفاده  قرار گیرد. مبدلهائی كه بطور مناسب جایگذاری شده‌اند باقی میمانند و مبدلهای نامناسب تصحیح شده و یا در جای دیگر مورد استفاده واقع میشوند. بنابراین در حالت كلی تركیب تحلیل مسئله باقی مانده، منحنی نیروی محركه  و انتقال مبدل، یك روش بسیار قدرتمند برای طرحهای اصلاح ارائه میدهند.

3-7) طراحی:

در بخش قبلی ابزارهای كلیدی برای اصلاح شبكه مشخص گردید. در این بخش طراحی شبكه مبدلهای حرارتی در  پروژه‌های اصلاح مورد توجه قرار خواهد گرفت. طراحی پروژه اصلاح بستگی زیادی به طراح و نحوه استفاده وی از ابزار طراحی دارد. ولی به طور كلی می‌توان آنرا در چهار مرحله تقسیم‌بندی نمود كه در جدول 3-1 نشان داده شده است.

-4) بهینه‌سازی تركیبی:

این روش بر مبنای كاربرد یك روش بهینه‌سازی تصادفی، بعنوان مثال الگوریتم كداختگی مصنوعی (SA) (kirkpatrick et al, 1982) ، استوار است. از روش تصادفی برای انتخاب پیكربندی‌های مختلف شبكه مبدلهای حرارتی و برای كنترل فرآیند بهینه سازی استفاده می‌شود. و توضیح آن در اینجا نخواهد آمد. با وجود این در اینجا، فقط راه تغییر  پیكربندی شبكه مبادله كننده حرارتی را ارائه می‌كنیم (كه در روش SA حركات یا (اقدامات) نامیده می‌شوند).

روش مدیریت این اقدامات یكی از مهمترین مفاهیم بكارگیری SA می‌باشد. ما پنج اقدام ساده مختلف وابسته به همه تغییرات ساختاری ممكن برای مسئله بهبود HEN را گسترش داده‌ایم. در هر بار تكرار الگوریتم SA ، یكی از این اقدامات انتخاب شده و با احتمال مشابه اجرا می‌شود. شرح اقدامات در زیر آمده است.

I) یك مبدل حرارتی در یك نقطه از شبكه كه بطور تصادفی انتخاب شده است. اضافه كنید. هزینه سرمایه‌‌گذاری بواسطه این اقدام توسط هزینه خرید  مبادله كننده حرارتی و هزینه لوله‌گذاری مجدد  كه به پیكربندی شبكه وابسته است، ارائه می‌شود.

II) یك مبدل حرارتی را كه بطور تصادفی انتخاب شده است، حذف كنند. توجه داشته باشید كه این احتمال فقط به مبادله كننده‌های حرارتی كه قبلاً اضافه شده بودند وابسته است. مبدلهای حرارتی پیكربندی اولیه را نمی‌توان حذف كرد. در نتیجه برای این اقدام هیچ ضریب هزینه‌ای وجود ندارد. اضافه كردن و حذف یك مبدل حرارتی معادل است با اینكه هیچ اقدامی صورت نگیرد. هزینه حاصله صفر است. این اقدام همچنین اگر یكی از قسمت‌هایش هیچ مبدل حرارتی نداشته باشد، یك شكاف را حذف می‌كند.

III) دو واحد مبادله كننده را معكوس (پس و پیش) كنید این اقدام به مبدلهای  حرارتی شبكه اولیه و تأسیسات گرم و سرد، وابسته هستند. فقط زمانی كه واحدهای مبادله كننده مشابه باشند، می‌توان یك تأسیسات سرد و گرم یا یك تأسیسات با یك مبادله كننده حرارتی را با هم معكوس كرد. هزینه سرمایه‌گذاری توسط دو هزینه واگذاری مجدد  بدست می‌آید. توجه داشته باشد كه از آن جائیكه هیچ تغییری در پیكربندی فعلی وجود ندارد، هیچ هزینه‌ای مربوط به لوله‌گذاری وجود نخواهد داشت.

VI) یك اسپلتر (شكافنده) در یك نقطه كه بطور تصادفی انتخاب شده و یك یا دو مبادله كننده بسته به توپولوژی پیكربندی فعلی و موقعیت اسپلیتر، اضافه كنید.

V) یك سطح تاسیساتی یا مشخصه مبدل حرارتی، شبكه اولیه را در یك واحد مبادله كننده كه بطور تصادفی و در حضور واحدهای متعدد، انتخاب شده است. تغییر دهید. این اقدام به واحدهای مبادله كننده اولیه بستگی ندارد . در نتیجه این تغییر، هزینه‌ای در بر ندارد.

5-5) فرمولاسیون غیرخطی:

بعد از بیان مسئله تغییر و تعیین پیكربندی HEN ، یك فرمولاسیون برنامه ریزی غیرخطی بمنظور بهینه‌سازی پارامترهای عامل، ارائه می‌نمائیم.

5-6) مدل SYNHEAT :

یك مدل ریاضی جدید كه برای پاسخ مسائل شبكه مبدل‌های حرارتی بهبود یافته توسط Kej-Mikael Bjorh ارائه شده بر پایه مدل heat Qun است.

در حالیكه تغییر یافته است تا بتواند از عهدة حالات بهبود یافته برآیند از آنجائیكه بسیاری از مسائل بهینه‌سازی شبكه مبدل های حرارتی بهبود یافته در مقیاس بزرگ هستند در فاز بهینه‌سازی از یك روش هیبرید استفاده شده زیرا روش هیبرید به ابعاد مسأله خیلی حساس نمی‌باشد و این روش بر الگوریتم ژنتیك تكیه دارد. بطوریكه كه هر جریان را به مجموعه ای از  زیر سیستم ها اختصاص می‌دهد در حالیكه زیر سیستم‌ها با هم هیچ فعل و انفعالی ندارند روند كلی این مدل بطور مفصل و كامل و همراه با برنامه كامپیوتری در پایان‌نامه كارشناسی ارشد توضیح داده خواهد شد.

چکیده:   ۱
پیشینة اصلاح مبدل‌های حرارتی:   ۴
۱- روش تحلیل Pinch :   ۴
۲- روش برنامه‌ریزی ریاضی:   ۴
مقدمه:   ۸
فصل اول :   ۹
۱-۱) هدف :   ۹
هدف در اصلاح (retrofit) شبکه‌های مبدل‌های حرارتی چیست؟   ۱۰
۱-۲) روش‌های موجود در اصلاح شبکه:   ۱۱
۱-۲-۱- اصلاح شبکه بوسیله بازبینی مستقیم ساختمان آن:   ۱۱
۱-۲-۲- اصلاح شبکه بصورت یک طرح جدید (اصلاح کامپیوتری):   ۱۱
فصل دوم :   ۱۳
۲-۱) اصلاح شبکه با استفاده از تکنولوژی Pinch:   ۱۳
۲-۲ ) هدف‌یابی در متد pinch برای بهبود شبکه مبدل‌ حرارتی:   ۱۴
۲-۳) فلسفه هدف‌یابی:   ۱۵
۲-۴) روش هدف‌یابی:   ۱۹
۲-۵) منحنی سرمایه‌گذاری بر حسب ذخیره‌سازی انرژی:   ۲۷
فصل سوم :   ۳۰
۳-۱) ابزار طراحی:   ۳۰
۳-۲) بررسی مبدلهای عبوری از PINCH :   ۳۲
۳-۳) منحنی‌ نیروی محرکه (DRIVING FORCE PLOT):   ۳۳
۳-۴) تحلیل  مسئله باقی‌مانده (REMAINING PROBLEM ANALYSIS)   ۳۶
۳-۵) تغییر موقعیت مبدلها (EXCHANGER SHIFTING):   ۴۲
۳-۶ ) نتیجه‌گیری:   ۵۱
۳-۷) طراحی:   ۵۲
۳-۸) روش طراحی:   ۵۲
۳-۹) اعمال محدودیت‌های فرآیند در روش طراحی:   ۵۷
فصل چهارم :   ۵۸
روش جدید هدف‌یابی ساختاری بر اساس تحلیل مسیری   ۵۸
۴-۱)‌ مقدمه:   ۵۸
۴-۲) تحلیل مسیری: اساس هدف‌یابی ساختاری:   ۵۹
فصل پنجم :   ۶۶
حل مسائل بهبود شبکه‌های مبدلهای حرارتی با روشهای بهینه‌سازی ریاضی   ۶۶
(۵-۱) مقدمه:   ۶۶
۵-۲) روش مرکب برای retrofit شبکه‌های مبدل‌های حرارتی:   ۶۷
۵-۳) خلاصه استراتژی بهبود دادن:   ۶۷
۵-۴) بهینه‌سازی ترکیبی:   ۷۰
۵-۵) فرمولاسیون غیرخطی:   ۷۱
۵-۶) مدل SYNHEAT :   ۷۱
فهرست منابع لاتین :   ۷۳