بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
اصلاح ساختار شبکه مبدل هاي حرارتي واحد کاهش گرانروي پالايشگاه بندرعباس به منظور صرفه جويي در مصرف انرژي به کمک تکنولوژي پينچ
چکيده
در اين مقاله شبکه مبدل هاي حرارتي واحد کاهش گرانروي پالايشگاه بندرعباس به منظور صرفه جويي در مصرف انرژي با استفاده از تکنولوژي پينچ مورد تحليل و تغيير ساختار قرار مي گيرد. اصلاح ساختار شبکه مبدل هاي حرارتي با افزودن چهار مبدل حرارتي و حذف يک هيتر و يک کولر انجام شده است تا علاوه بر اجراي اصول پينچ در واحد، طرح اصلاحي داراي توجيه اقتصادي و فرايندي نيز باشد. با انجام اين تغييرات در شبکه مبدل هاي واحد از هدر رفت ٢٥٥٧ کيلووات انرژي جلوگيري مي شود و با هزينه کردن مبلغ ٨٤٩٥٥ دلار جهت اضافه نمودن چهار مبدل به شبکه مي توان, سالانه مبلغ ٢٧١٩ هزار دلار در هزينه هاي کلي و سالانه مبلغ ٢٢٨٠ هزار دلار در هزينه هاي عملياتي شبکه صرفه جويي کرد. مبلغ سرمايه گذاري جهت نصب و تامين چهار مبدل حرارتي جديد، طبق محاسبات نرم افزار حدود ٧ ماه قابل برگشت مي باشد.
همچنين با انجام اين تغييرات، نياز انرژي شبکه مبدل ها، به منابع حرارتي گرم خارجي از ٣١١٦ کيلووات به ١٤٢٥ کيلووات و منابع حرارتي سرد خارجي از ١٩٤٧٠ کيلووات به ١٧٧٩٠ کيلووات کاهش مي يابد که معادل ٥٤ درصد صرفه جويي در مصرف منابع حرارتي گرم خارجي و ٩ درصد صرفه جويي در مصرف منابع حرارتي سرد خارجي مي باشد.
کلمات کليدي
واحد کاهش گرانروي پالايشگاه بندرعباس، تکنولوژي پينچ ، انرژي ، مبدل حرارتي
مقدمه
بهره وري پائين انرژي در صنايع نفت و گاز به علت برخورداري از منابع عظيم اين ذخاير بايد بيش از پيش مورد توجه قرار گيرد. از اين رو استفاده بهينه و ممانعت از هدر رفتن امکانات امري اساسي است . اين نکته هنگامي اهميت بيشتري پيدا مي کند که موضوع انرژي مطرح و از نقطه نظر اقتصاد ملي مطلوب واقع مي شود. از اين رو صرفه جويي انرژي بر اساس مديريت انرژي، نقش موثري در کاهش هزينه هاي عملياتي و در نتيجه افزايش سود دهي خواهد داشت . يکي از راه هاي ذخيره سازي، هدايت مناسب الگوهاي مصرف بر اساس تکنولوژي پينچ مي باشد. پينچ به صورت موثر دربعضي صنايع از جمله نفت و گاز و بسياري از صنايع شيميايي به کار برده مي شود. کاهش هزينه توليد متضمن بقاي صنايع در شرايط امروزي مي باشد. علاوه بر اين ، کاهش مصرف انرژي روي مسايل زيست محيطي نيز تاثير گذار است که خود حساسيت هاي ويژه اي را بر مي انگيزد. کليه واحدهاي صنعتي متناسب با تکنولوژي زمان خود طراحي شده اند، به علاوه طراحان همواره ضريب اطمينان بالاتري را براي دست يابي به نتايج از پيش تعيين شده در طرح خود لحاظ مي دارند. در طول سرويس واحد نيز گاها بنا به مصالحي تغييراتي در واحد ايجاد مي گردد، از اين رو استفاده از تکنولوژي روز، براي اصلاح سيستم باعث پويايي و قابليت رقابت صنايع مي گردد. تا کنون تحقيقاتي در مورد اصلاح ساختار شبکه مبدل هاي واحد هاي پالايشگاهي صورت گرفته است که در ادامه به تعدادي از آنها اشاره مي شود.
حسينعلي پور و همکاران[٢]، در سال ١٣٨٤، اصلاح شبکه مبدل هاي حرارتي واحد کاهش گرانروي پالايشگاه تهران، را مورد مطالعه قرار دادند. آنها مبدل هاي شبکه واحد را با کمک تکنولوژي پينچ بررسي نمودند. در بررسي انجام شده، مشخص گرديد که مقدار نياز منابع حرارتي گرم خارجي اين واحد ٤٣١٥٨ مگاوات و مقدار نياز منابع حرارتي سرد خارجي ١١٠٧٣٠ مگاوات مي باشد. آنها با افزودن دو مبدل جديد به مساحت کل ٢٨٥ مترمربع به شبکه مبدل هاي حرارتي توانستند، مصرف انرژي شبکه را اصلاح نمايند.
اين کار باعث کاهش ميزان مصرف منابع حرارتي سرد و گرم خارجي به مقدار ٣٣٩٢ کيلووات گرديد. ارزش صرفه جويي در مصرف انرژي ذکر شده برابر با ٢٨٨١٢٠ دلار درسال، بود. با توجه به محاسبات ايشان دوره بازگشت سرمايه براي نصب اين دو مبدل جديد در شبکه مبدل هاي واحد کاهش گرانروي پالايشگاه تهران شش ماه مي باشد.
قاسمي و همکاران[٣]، در سال ١٣٩٠، شبکه مبدل هاي حرارتي واحد جدا سازي ميعانات گازي مجتمع پارس جنوبي(واحد١٠٧، فاز ٩ و ١٠) را با هدف اصلاح مصرف انرژي و با کمک تکنولوژي پينچ مورد تحليل و بررسي قرار دادند. آنها ابتدا توسط نرم افزار Aspen HX-Net مقادير مصرف انرژي منابع گرم و سرد خارجي و همچنين مساحت مورد نياز مبدل هاي حرارتي را هدف گذاري نمودند و سپس با انجام شبيه سازي و اصلاح شبکه مبدل هاي حرارتي واحد مقادير بدست آمده را با هدف گذاري مقايسه نمودند که نتايج حاصله بيانگر کاهش ٦% بار حرارتي منابع گرم خارجي و ٥% بار حرارتي منابع سرد خارجي و ٧١% سطح مورد نياز مبدل هاي حرارتي و کاهش هزينه هاي کل سال به ميزان ٥٠% با اجراي اصلاحات انجام گرفته بود.
خشه و همکاران[٤]، در سال ١٣٩١، شبکه مبدل هاي حرارتي واحد تبديل کاتاليستي پالايشگاه آبادان را با هدف اصلاح مصرف انرژي مبدل هاي حرارتي 1-P-E , 1-H-E با استفاده از نرم افزار Aspen Pinch و Hint، مورد مطالعه قرار دادند که پيشنهاد آنان جهت استفاده بهتر از جريان هاي گرم و سرد واحد، افزودن دو مبدل حرارتي بود. با انجام اصلاحات انجام گرفته بر روي شبکه مبدل هاي حرارتي مورد تحقيق ايشان، به ميزان ١٨٢٠٨ کيلووات در مصرف منابع حرارتي سرد خارجي و ٢٣٦٢١ کيلووات در مصرف مصرف منابع حرارتي گرم خارجي واحد صرفه جويي خواهد گرديد، که اين ميزان صرفه جويي معادل با ٣٩ درصد از مصرف انرژي کل واحد مي باشد و با اين صرفه جويي سهم بسزايي در اصلاح مصرف انرژي واحد مي توان انجام داد. با توجه به مرور مقالات گذشته و از آنجايي که تا کنون در مورد اصلاح ساختار شبکه مبدل هاي واحد کاهش گرانروي پالايشگاه بندرعباس کاري صورت نگرفنه است ، هدف مقاله حاضر بررسي اصلاح ساختار شبکه مبدل هاي واحد با کمک تکنولوژي پينچ به منظور صرفه جويي در مصرف انرژي مي باشد.
معرفي مسئله ، معادلات حاکم و روش حل عددي مسئله
در واحد کاهش گرانروي پالايشگاه بندرعباس تعداد ٢٧ مبدل حرارتي موجود مي باشدکه به سيزده دسته مبدل هاي ٠٣٠٠١،
٠٣٠٠٢، ٠٣٠٠٣، ٠٣٠٠٤، ٠٣٠٠٦، ٠٣٠٠٨، ٠٣٠٠٩، ٠٣٠١٠، ٠٣٠١١، ٠٣٠١٢، ٠٣٠١٣، ٠٣٠١٤ و ٠٣٠١٥ تقسيم مي شوند.
مبدل هاي ٠٣٠٠١ و ٠٣٠٠٢، هرکدام داراي ٧ مبدل مي باشند که بصورت سري بهم متصل هستند،مبدل هاي ٠٣٠٠٣ و ٠٣٠٠٩، هر کدام داراي ٢ مبدل و مابقي هر کدام تک مبدل هستند. در اين واحد از سه فن هوايي ٠٣٠٠١، ٠٣٠٠٣ و ٠٣٠٠٤ نيز جهت سرمايش محصولات نهايي استفاده مي گردد. در اين واحد فرايندي بخار فشار متوسط به عنوان منابع حرارتي گرم و آب دريا و فن هاي هوايي به عنوان منابع حرارتي سرد خارجي در دسترس مي باشد.
هدف از حل اين مسئله تحليل شبکه مبدل هاي واحد از نظر مصرف منابع حرارتي گرم و سرد خارجي و اصلاح شبکه مبدل ها از نظر مصرف انرژي مي باشد. در مرحله اول با استفاده از اطلاعات بدست آمده از طراحي اوليه و اطلاعات عملياتي واحد، مسئله تحليل مي گردد و سپس با استفاده از تکنولوژي پينچ ، ساختار شبکه مبدل هاي واحد اصلاح مي گردد. در جدول ١ جريان هاي مسئله نشان داده شده است .
حرارت و انرژي بصورت خودبخودي و طبيعي از دماي بالاتر به جسمي با دماي کمتر منتقل مي شود ويا به عبارت ديگر براي انتقال حرارت بين دو منبع گرم و سرد، بايد اختلاف دما وجود داشته باشد. فرايندهاي واقعي بر مبناي ترکيب قوانين اول و دوم ترموديناميک استوار هستند. با دانستن قانون اول و دوم ترموديناميک و ترکيب آنها در انجام فرايندها مي توان رابطه زير را براي هر محدوده حرارتي در يک فرايند نوشت [١].
که در آن i معرف محدوده مورد بررسي است .
در تجزيه و تحليل شبکه مبدل هاي حرارتي، از شش معادله زير براي تعيين درجه آزادي سيستم استفاده مي شود.معادلات (٢) تا (٧) براي هر مبدل در شبکه بصورت جداگانه نوشته مي شود.
براي هر تقسيم کننده جريان در شبکه معادله (٥) اضافه مي گردد.
براي هر مخلوط کننده در شبکه معادله (٦) به معادلات اضافه مي شود.
که N تعداد شاخه ها است .
براي قسمتي از جريان که به دماي مورد نظر نرسيده است ، معادله (٧) بيان مي گردد.
مجموعه معادلات (٢) تا (٧) معادلات مورد نياز براي محاسبه درجه آزادي شبکه مي باشند. متغيرهاي مجهول موجود در اين معادلات شامل دما، بار حرارتي و سطح مي باشند [١و٥].
براي بدست آوردن حداقل سطح انتقال حرارت در شبکه مبدل هاي حرارتي از نمودار ترکيبي مسئله استفاده مي گردد.
براي شروع کار، در هر کجا که خطوط تغيير شيب مي دهند، خطي عمودي رسم شود، هر فاصله يک يا چند مبدل را نشان مي دهد. اگر هر کدام از اين محدوده هاي دمايي را به صورت يک مبدل فرض کنيم ، با توجه به مشخص بودن دماي ابتدايي و انتهايي جريان هاي گرم و سرد، بار حرارتي آن محدوده و همچنين جريان هاي موجود در آن ناحيه ، مي توان سطح انتقال حرارت آن ناحيه را محاسبه نمود که از جمع سطح تمام محدوده ها، مي توان سطح مورد نياز شبکه را بدست آورد. از روي اين منحني مي توان بار حرارتي هر مبدل را محاسبه نمود. حال اگر منحني هاي گرمايش و سرمايش مربوط به يک جريان منفرد باشند، مي توان ضريب انتقال حرارت خاص هر جريان و همچنين ضريب کلي انتقال حرارت را يافت :
که در آن hi، ضريب انتقال حرارت جريان ورودي و ho، ضريب انتقال حرارت جريان خروجي از مبدل مي باشد. ذکر اين نکته ضروري است که ضريب انتقال حرارت کلي مبدل، خود به ضرايب انتقال حرارت جريان هاي سرد و گرم و ضريب انتقال حرارتي فلز بکار رفته در مبدل بستگي دارد. چون مقاومت حرارتي فلزات پايين است ، با تقريب قابل قبولي مي توان از مقاومت حرارتي فلز صرف نظر نمود.
سطح انتقال حرارت مورد نياز براي مبدل از رابطه (٩) بدست مي آيد:
ولي اگر در هر فاصله ، جريان هايي چندگانه وجود داشته باشند، بايد از روشي مناسب براي ضريب کلي انتقال حرارت استفاده کرد که مي توان از معادله (١٠) براي محاسبه سطح انتقال حرارت استفاده نمود.
nC و nH به ترتيب نشان دهنده تعداد جريان هاي سرد و گرم در محدوده k و Qk بار حرارتي در محدوده k مي باشد. به اين رابطه Bath Area Formulaمي گويند. با جمع کردن مساحتهاي تمام محدوده ها، مي توان تخمين مناسبي از کل مساحت لازم براي انتقال حرارت در شبکه مورد نظر را ارائه داد [٦].
براي تعيين قيمت خريد مبدل هاي حرارتي از رابطه زير استفاده مي شود [١].
ضريب a مربوط به هزينه هاي نصب ، b مربوط به جنس مبدل و c تابعي از حرکت دو سيال در داخل مبدل و A سطح انتقال حرارت مي باشد. نيکنام و همکاران در سال ١٣٩٠، تعيين قيمت مبدل پوسته لوله از جنس کربن استيل را براي استفاده در داخل کشور بر اساس بشکه نفت خام و فشار عملياتي ٢٠ تا ٣٠ بار با رابطه زير بيان نمودند [٧].
در اين رابطه سطح مبدل بر حسب مترمربع و قيمت مبدل بر حسب تعداد بشکه نفت خام محاسبه مي شود. براي بدست آوردن قيمت خالص يک مبدل حرارتي با استفاده از رابطه بالا مقدار بدست آمده را در قيمت روز يک بشکه نفت خام اوپک ضرب کرده تا قيمت خالص تخميني يک مبدل بر اساس دلار آمريکا محاسبه گردد.
بنابراين هزينه کل شبکه مبدل هاي حرارتي يک واحد فرايندي را با رابطه زير مي توان محاسبه نمود [١]:
Amin سطح نتقال حرارت براي کل شبکه است که از Bath Area محاسبه مي شود.
روش حل عددي مسئله
مسئله ذکر شده در اين مقاله توسط نرم افزار Aspen HX-Net حل خواهد شد. اين نرم افزار از زير نرم افزار هاي شرکت Aspen Tech مي باشد. اين نرم افزار قابليت طراحي و اصلاح شبکه مبدل هاي واحدهاي شيميايي و پالايشگاهي را دارد و بصورت جداگانه يا بطور همزمان مي توان با آن محاسبات و طراحي شبکه مبدل ها و اصلاحات مربوط به مصرف انرژي را انجام داد. در حل اين مسئله بدليل اينکه طراحي شبکه مبدل هاي واحد کاهش گرانروي پالايشگاه بندرعباس از قبل انجام گرفته است و هدف از انجام اين پروژه اصلاحات شبکه با توجه به قوانين طلايي پينچ مي باشد از قسمت مطالعه اثر تغييرات مبدل ها بر شبکه مبدل هاي حرارتي استفاده مي شود. با استفاده از جدول ١ اطلاعات جريان هاي واحد در نرم افزار وارد مي گردد. طول عمر واحد ١٨ سال در نظر گرفته شده است و براي محاسبه هزينه هاي مبدل هاي حرارتي از معادله (١٢) بر اساس قيمت هر بشکه نفت خام ٧٦ دلار در تاريخ ١٣٩٣.٩.٥ استفاده مي گردد. قيمت حاملهاي انرژي در پالايشگاه بندرعباس نيز در جدول ٢ بر اساس قيمت پايه و قيمت انرژي گزارش گرديده است . همچنين در اين جدول براي يکپارچه سازي قيمت ها و بر اساس قيمت مرجع دلار ٢٦٥٠٠ريال درتاريخ ١٣٩٣.٩.٥، در ستون آخر قيمت انرژي بر حسب دلار گزارش گرديده است .
