چکیده:
با توجه به اینکه در صنعت از جمله صنایع پالایش و پتروشیمی مبدل حرارتی وجود دارند که از لحاظ مصرف انرژی بهینه نمی‌باشند و از لحاظ اقتصادی مناسب نیستند و از طرفی ممکن است بعد از مدتی مشکلاتی از نظر عملیاتی نیز در فرآیند ایجاد نمایند. دانشمندان به فکر اصلاح (Retrofit) شبکه مبدلهای حرارتی افتادند بطوری که هدفشان کاهش مصرف انرژی و طبعاً کاهش هزینه‌های عملیاتی بوده است بنابراین متدهای گوناگونی را ارائه داده‌اند که 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 شبکه‌های مبدل حرارتی که توسط Linnhoff پایه‌گذاری شده است پرداخته‌ایم در ابتدای امر هدف در اصلاح شبکه‌های مبدل حرارتی را توضیح داده گفته شده که چگونه بایستی امر هدف یابی را انجام داده سپس این سئوال مطرح گردید که چگونه بایستی از عهدة پروژه‌های بهبود (Retrofit) برآمد. که سه روش 1- اصلاح شبکه بوسیله بازبینی مستقیم ساختمان آن. 2- اصلاح شبکه به صورت یک طرح جدید (جستجوی کامپیوتری). 3- اصلاح با استفاده از تکنولوژی Pinch مطرح و به توضیح آنها پرداخته ولی از میان سه روش فوق متد اصلاح با استفاده از تکنولوژی Pinch بحث اصلی این سمینار را تشکیل میدهد. در توضیح متد Pinch ابتدا هدف‌یابی در فن‌آوری Pinch مورد بررسی قرار گرفته بطوری که پروژه را در یک محدود سرمایهگذاری مشخص به سمت زمان برگشت قابل قبولی هدایت نماید. سپس فلسفه هدف‌یابی شرح داده شده است و در فلسفه هدف‌یابی گفته شده که در اولین گام می‌بایستی وضعیت شبکه موجود را نسبت به شرایط بهینه مشخص نمائیم که بهترین ابزار برای این کار 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 که طراحی شبکه در پروژه‌های Retrofit بسیار مشکل‌تر از طراحی ابتدائی است زیرا یکسری مبدل قبلاً نصب شده‌اند و در کل، طرح توسط ساختمان شبکه موجود محدود شده است و تغییر موقعیت مبدلها مستلزم صرف هزینه میباشد.
لذا جهت کاهش هزینه طراحی لازم است تا جایی که امکان دارد از وسایل موجود حداکثر استفاده را نمود بنابراین احتیاج میباشد که به آزمایش هر مبدل به طور جداگانه و بررسی تأثیر آن در عملکرد کلی شبکه پرداخته شود به این ترتیب میتوان دریافت که کدام مبدل اثر مثبت در شبکه دارند و باید به عنوان مبدل مناسب حفظ گردد و کدام مبدل به طور نامناسب جایگذاری شده‌اند و بایستی تصحیح گردد از این رو به روش‌هایی که برای این بررسی وجود دارد پرداخته که عبارتند از : 1- مبدلهای عبوری از Pinch. 2- منحنی نیروی محرکه. 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 که عبارتند از:
1- تحلیل مبدلهای موجود. 2- تصحیح مبدلهای نامناسب. 3- جایگذاری مبدلهای جدید. 4- اعمال تغییرات ممکن 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 اینکه در فصل دوم یک روش هدف‌یابی برای متد Pinch بیان شده بود در فصل چهارم یک روش هدف‌یابی جدیدی برای بهبود (Retrofit) شبکه مبدلهای حرارتی ارائه شده است که این روش به نام تحلیل مسیری عنوان شده و به ارزیابی زیر ساختارها (یعنی اجزا مستقل شبکه موجود) به منظور بدست آوردن اقتصادی‌ترین و عملی‌ترین فرصت برای ذخیره انرژی را ارائه کرده است و همانطور که در پیشینه اشاره شد اصلاح شبکه از طریق روش و سنتز ریاضی روشهای متعددی دارد که ما در فصل پنجم این سمینار فقط بطور گذرا و خیلی مختصر روش مرکب برای اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی و مدل Synheat را معرفی نموده.
پیشینة اصلاح مبدلهای حرارتی:
امروزه طراحی بهبود یافته شبکه‌های مبدلهای حرارتی (HERL) نقش مهمی در سامانه‌های ذخیره انرژی ایفا می‌نماید.
شبکه‌های موجود بیش از فرآیندهای جدید بایستی برای بهبود در بازگشت انرژی مورد توجه قرار گیرند.
اصلاح شبکه‌های حرارتی (HEN) موجود را میتوان با استفاده از دو رویة عمده به انجام رسانید بطوریکه افراد متعددی در این زمینه فعالیت نموده‌اند.
1- روش تحلیل Pinch :
این روش بر‌پایه ترمودینامیک (و مفاهیم فیزیکی) و فرآیندهای کاوشی است.
از جمله افرادی که 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 یک روش اساسی به نام تحلیل مسیری برای ارزیابی زیر ساختارها یا بعبارتی زیر شبکه‌ها (یعنی اجزاء مستقل شبکه‌ها) به منظور بدست آوردن اقتصادی‌ترین و عملی‌ترین فرصت‌ها برای ذخیره انرژی را ارائه داده‌اند.
2- روش برنامه‌ریزی ریاضی:
در این روش شبکه‌های مبدل حرارتی به صورت مدل‌های ریاضی نشان داده میشوند.
از جمله افرادی که در زمینه مدل‌های خطی کار کرده‌اند میتوان به
S.A. Papoulias, I.E. Grossmann در سال 1983 اشاره نمود که 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 که 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 بلکه برای شرایط عملیاتی مطلوب، تحت فرض قابل کنترل دینامیک بسط داده‌اند ولی این مدل برای مسائل با مقیاس بزرگ قابل استفاده نمی‌باشد. چون روش‌هایی که بر مبنای الگوریتم برنامه‌ریزی غیر خطی صحیح مرکب MINLP)) هستند برای دسترسی به شکل بهبود یافته مشکلات محاسباتی زیادی دارند بویژه در حالتی که 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 شبکه مبدلهای حرارتی استفاده نموده‌اند هرچند به حالات Retrofit توجه دقیق و کاملی نداشته‌اند.
علاوه بر روشهای فوق یک روش گرافیکی برای انتگراسیون حرارتی یک سایت کامل ابتدا توسط Linnhoff و Dhole در سال 1992 ارائه گردید و سپس توسط Raissi در سال 1994 موشکافی شد.
X.X. Zhu and N.D.K. Asante در سال 1996 یک روش تحلیل ریاضی که 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 یک روش تکاملی میباشد.
3-4) تحلیل مسئله باقیمانده (REMAINING PROBLEM ANALYSIS)
a) انرژی باقی مانده: روش طراحی pinch، طراحی شبکه مبدلهای حرارتی را از نقطه pinch و نقاط نزدیک pinch آغاز میکند و بتدریج آنرا به طرف بالا و پایین pinch گسترش میدهد و برای اینکار از قوانین اساسی طراحی استفاده میکند.
سپس با استفاده از الگوریتم خاص چک میکند که آیا Match ها (Linnhoff, 1983,b) با اهداف انرژی طرح هماهنگی دارد یا نه؟ در چنین وضعیتی برای matchهای باقی مانده دو حالت ممکن است اتفاق بیفتد: یا مسئله باقیمانده به همان میزان انرژی که 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. که در شکل (3-6) نشان داده شده است.
این تحلیل یک ابزار مفید برای تخمین توالی جایگذاری مبدلها در یک شبکه میباشد و میتواند آنرا بر اساس میزان مصرف انرژی محاسبه نماید.
b) سطح حرارتی باقیمانده: در پروژه‌های اصلاح باید دید که چه راندمانی از سطح حرارتی مورد نیاز است و برای اینکار باید سطح حرارتی باقی مانده مورد بررسی قرار بگیرد. با توجه به توانائی تعیین سطح حرارتی کلی، میتوان سطح حرارتی مورد نیاز را برای مسئله باقی مانده نیز تعیین نمود؛ و بدین ترتیب با مقایسه سطح حرارتی کلی مسئله با مجموع سطح حرارتی باقی مانده و سطح حرارتی مبدل مورد نظر، میتوان حداکثر راندمان سطح حرارتی را برای match پذیرش شده مشخص نمود. یعنی:
معادله (3-1)
که در آن میباشد. یک match ایده‌آل است و این تحلیل سطح حرارتی باقی مانده میباشد که در شکل (3-7) نشان داده شده است.
تحلیل سطح حرارتی باقی مانده، را بر اساس احتیاجات انرژی ثابت محاسبه میکند و خطای سطح حرارتی را که ناشی از استفاده بد نیروی محرکه دمائی میباشد، تخمین میزند. این متد ابزاری است که میتواند یک تشخیص کمی از موقعیت مبدلها ارائه نماید. مهم اینست که تفاوت بین راندمان سطح حرارتی شبکه و تشخیص داده شود. زیرا مربوط به یک شبکه کامل است، ولی حداکثر راندمان سطح حرارتی قابل دسترس میباشد، بشرط آنکه موقعیت مبدل به عنوان بخشی از شبکه کلی پذیرفته شده باشد.
3-6 ) نتیجه‌گیری:
تاکنون چهار ابزار معرفی گردید که میتوانند جهت مشخص ساختن و تصحیح مبدلهای نامناسب در شبکه مورد استفاده واقع گردند. این ابزارها عبارتند از: تحلیل مبدلهای عبوری از Pinch، منحنی نیروی محرکه ، 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 اینکه چگونه میتوان این مبدلها را در سطح شبکه مورد استفاده قرار داد ارائه نمیدهد. اصلاح مبدلهای عبوری از Pinch، کاهش 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 کاری صورت نمیدهد در حال که هر دو ممکن است به یک میزان مهم باشند.
منحنی نیروی محرکه میتواند برای تعیین اینکه آیا یک مبدل موجود خوب جایگزین شده است یا نه، مورد استفاده واقع گردد؛ اما این فقط یک بیان کیفی بر حسب نیروی محرکه دمائی است و تأثیر هر مبدل مشخص را در جهت بهبود عملکرد کلی شبکه صریحاً نشان نمیدهد. علیرغم این اشکال منحنی نیروی محرکه نشان میدهد که چگونه میتوان یک مبدل نامناسب را با توجه به حداکثر استفاده مجدد از سطح حرارتی موجود تصحیح نمود.
تحلیل سطح حرارتی باقی مانده، یک مقیاس کمی از جایگزینی مناسب مبدل بر حسب حداکثر استفاده مجدد از سطح حرارتی ارائه میدهد و بدین ترتیب عمل منحنی نیروی محرکه را تکمیل میکند. تحلیل سطح حرارتی باقیمانده همچنین خطای نتیجه‌گیری شده ناشی از استفاده نامناسب نیروی محرکه را نیز تخمین میزند این تحلیل با تعیین تکمیل میگردد. تحلیل مسئله باقی مانده (سطح حرارتی و ) ابزار مناسبتری میباشد؛ زیرا می تواند برای ارزیابی عملکرد هر مبدل جداگانه در شبکه مورد استفاده قرار گیرد. مبدلهائی که بطور مناسب جایگذاری شده‌اند باقی میمانند و مبدلهای نامناسب تصحیح شده و یا در جای دیگر مورد استفاده واقع میشوند. بنابراین در حالت کلی ترکیب تحلیل مسئله باقی مانده، منحنی نیروی محرکه و انتقال مبدل، یک روش بسیار قدرتمند برای طرحهای اصلاح ارائه میدهند.
3-7) طراحی:
در بخش قبلی ابزارهای کلیدی برای اصلاح شبکه مشخص گردید. در این بخش طراحی شبکه 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 کلی میتوان آنرا در چهار مرحله تقسیم‌بندی نمود که در جدول 3-1 نشان داده شده است.
-4) بهینه‌سازی ترکیبی:
این روش بر مبنای کاربرد یک روش بهینه‌سازی تصادفی، بعنوان مثال الگوریتم کداختگی مصنوعی (SA) (kirkpatrick et al, 1982) ، استوار است. از روش تصادفی برای انتخاب پیکربندی‌های مختلف شبکه مبدلهای حرارتی و برای کنترل فرآیند بهینه سازی استفاده می‌شود. و توضیح آن در اینجا نخواهد آمد. با وجود این در اینجا، فقط راه تغییر پیکربندی شبکه مبادله کننده حرارتی را ارائه می‌کنیم (که در روش SA حرکات یا (اقدامات) نامیده میشوند).
روش مدیریت این اقدامات یکی از مهمترین مفاهیم بکارگیری SA میباشد. ما پنج اقدام ساده مختلف وابسته به همه تغییرات ساختاری ممکن برای مسئله بهبود HEN را گسترش داده‌ایم. در هر بار تکرار الگوریتم SA ، یکی از این اقدامات انتخاب شده و با احتمال مشابه اجرا می‌شود. شرح اقدامات در زیر آمده است.
I) یک مبدل حرارتی در یک نقطه از شبکه که بطور تصادفی انتخاب شده است. اضافه کنید. هزینه سرمایهگذاری بواسطه این اقدام توسط هزینه خرید مبادله کننده حرارتی و هزینه لوله‌گذاری مجدد که به پیکربندی شبکه وابسته است، ارائه می‌شود.
II) یک مبدل حرارتی را که بطور تصادفی انتخاب شده است، حذف کنند. توجه داشته باشید که این احتمال فقط به مبادله کننده‌های حرارتی که قبلاً اضافه شده بودند وابسته است. مبدلهای حرارتی پیکربندی اولیه را نمی‌توان حذف کرد. در نتیجه برای این اقدام هیچ ضریب هزینه‌ای وجود ندارد. اضافه کردن و حذف یک مبدل حرارتی معادل است با اینکه هیچ اقدامی صورت نگیرد. هزینه حاصله صفر است. این اقدام همچنین اگر یکی از قسمت‌هایش هیچ مبدل حرارتی نداشته باشد، یک شکاف را حذف میکند.
III) دو واحد مبادله کننده را معکوس (پس و پیش) کنید این اقدام به مبدلهای حرارتی شبکه اولیه و تأسیسات گرم و سرد، وابسته هستند. فقط زمانی که واحدهای مبادله کننده مشابه باشند، میتوان یک تأسیسات سرد و گرم یا یک تأسیسات با یک مبادله کننده حرارتی را با هم معکوس کرد. هزینه سرمایهگذاری توسط دو هزینه واگذاری مجدد بدست می‌آید. توجه داشته باشد که از آن جائیکه هیچ تغییری در پیکربندی فعلی وجود ندارد، هیچ هزینه‌ای مربوط به لوله‌گذاری وجود نخواهد داشت.
VI) یک اسپلتر (شکافنده) در یک نقطه که بطور تصادفی انتخاب شده و یک یا دو مبادله کننده بسته به توپولوژی پیکربندی فعلی و موقعیت اسپلیتر، اضافه کنید.
V) یک سطح تاسیساتی یا مشخصه مبدل حرارتی، شبکه اولیه را در یک واحد مبادله کننده که بطور تصادفی و در حضور واحدهای متعدد، انتخاب شده است. تغییر دهید. این اقدام به واحدهای مبادله کننده اولیه بستگی ندارد . در نتیجه این تغییر، هزینه‌ای در بر ندارد.
5-5) فرمولاسیون غیرخطی:
بعد از بیان مسئله تغییر و تعیین پیکربندی HEN ، یک فرمولاسیون برنامه ریزی غیرخطی بمنظور بهینه‌سازی پارامترهای عامل، ارائه می‌نمائیم.
5-6) مدل SYNHEAT :
یک مدل ریاضی جدید که برای پاسخ مسائل شبکه مبدلهای حرارتی بهبود یافته توسط Kej-Mikael Bjorh ارائه شده بر پایه مدل heat Qun است.
در حالیکه تغییر یافته است تا بتواند از عهدة حالات بهبود یافته برآیند از آنجائیکه بسیاری از مسائل بهینه‌سازی شبکه مبدل های حرارتی بهبود یافته در مقیاس بزرگ هستند در فاز بهینه‌سازی از یک روش هیبرید استفاده شده زیرا روش هیبرید به ابعاد مسأله خیلی حساس نمی‌باشد و این روش بر الگوریتم ژنتیک تکیه دارد. بطوریکه که هر جریان را به مجموعه ای از زیر سیستم ها اختصاص میدهد در حالیکه زیر سیستم‌ها با هم هیچ فعل و انفعالی ندارند روند کلی این مدل بطور مفصل و کامل و همراه با برنامه کامپیوتری در پایان‌نامه کارشناسی 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