چكيده:

با توجه به اينكه در صنعت از جمله صنايع پالايش و پتروشيمي مبدل حرارتي وجود دارند كه از لحاظ مصرف انرژي بهينه نمي‌باشند و از لحاظ اقتصادي مناسب نيستند و از طرفي ممكن است بعد از مدتي مشكلاتي از نظر عملياتي نيز در فرآيند ايجاد نمايند. دانشمندان به فكر اصلاح (Retrofit) شبكه مبدل‌هاي حرارتي افتادند بطوري كه هدفشان كاهش مصرف انرژي و طبعاً كاهش هزينه‌هاي عملياتي بوده است بنابراين متدهاي گوناگوني را ارائه داده‌اند كه از جمله اين متدها مي‌توان به متد‌هاي رياضي و تحليلي اشاره نمود ما در اين سمينار روش تحليلي را انتخاب نموده و به بيان متد Pinch براي Retrofit شبكه‌هاي مبدل حرارتي كه توسط Linnhoff پايه‌گذاري شده است پرداخته‌ايم در ابتداي امر هدف در اصلاح شبكه‌هاي مبدل حرارتي را توضيح داده گفته شده كه چگونه بايستي امر هدف يابي را انجام داده سپس اين سئوال مطرح گرديد كه چگونه بايستي از عهدة پروژه‌هاي بهبود (Retrofit) برآمد. كه سه روش 1- اصلاح شبكه بوسيله بازبيني مستقيم ساختمان آن. 2- اصلاح شبكه به صورت يك طرح جديد (جستجوي كامپيوتري). 3- اصلاح با استفاده از تكنولوژي Pinch مطرح و به توضيح آنها پرداخته ولي از ميان سه روش فوق متد اصلاح با استفاده از تكنولوژي Pinch بحث اصلي اين سمينار را تشكيل مي‌دهد. در توضيح متد Pinch ابتدا هدف‌يابي در فن‌آوري Pinch مورد بررسي قرار گرفته بطوري كه پروژه را در يك محدود سرمايه‌گذاري مشخص به سمت زمان برگشت قابل قبولي هدايت نمايد. سپس فلسفه هدف‌يابي شرح داده شده است و در فلسفه  هدف‌يابي گفته شده كه در اولين گام مي‌بايستي وضعيت شبكه موجود را نسبت به شرايط بهينه مشخص نمائيم كه بهترين ابزار براي اين كار استفاده از منحني سطح حرارتي برحسب انرژي مي‌باشد سپس به تفضيل به بيان روش هدف‌يابي پرداخته‌ايم و بعد از بيان مسئله هدف‌يابي در فصل سوم ابزار طراحي را معرفي نموده و گفته شد كه طراحي شبكه در پروژه‌هاي Retrofit بسيار مشكل‌تر از طراحي ابتدائي است زيرا يكسري مبدل قبلاً نصب شده‌اند و در كل، طرح توسط ساختمان شبكه موجود محدود شده است و تغيير موقعيت مبدل‌ها مستلزم صرف هزينه مي‌باشد.

لذا جهت كاهش هزينه طراحي لازم است تا جايي كه امكان دارد از وسايل موجود حداكثر استفاده را نمود بنابراين احتياج مي‌باشد كه به آزمايش هر مبدل به طور جداگانه و بررسي تأثير آن در عملكرد كلي شبكه پرداخته شود به اين ترتيب مي‌توان دريافت كه كدام مبدل اثر مثبت در شبكه دارند و بايد به عنوان مبدل مناسب حفظ گردد و كدام مبدل به طور نامناسب جايگذاري شده‌اند و بايستي تصحيح گردد از اين رو به روش‌هايي كه براي اين بررسي وجود دارد پرداخته كه عبارتند از : 1- مبدل‌هاي عبوري از Pinch. 2- منحني نيروي محركه. 3- تحليل مسئله باقي مانده. 4- تغيير موقعيت مبدل‌ها.

و مفصلاً روش‌هاي فوق را مورد بحث قرار داده و به نتيجه‌گيري در مورد روش‌هاي فوق پرداخته و بعد از آن طراحي را آغاز نموده. در ابتدا مراحل طراحي را بيان نموده كه عبارتند از:

1- تحليل مبدل‌هاي موجود. 2- تصحيح مبدل‌هاي نامناسب. 3- جايگذاري مبدل‌هاي جديد. 4- اعمال تغييرات ممكن در طرح.

و سپس به توضيح مراحل فوق پرداخته و در نهايت به اعمال محدوديت‌هاي فرآيند در روش طراحي اشاره شده است با توجه به اينكه در فصل دوم يك روش هدف‌يابي براي متد Pinch بيان شده بود در فصل چهارم يك روش هدف‌يابي جديدي براي بهبود (Retrofit) شبكه مبدل‌هاي حرارتي ارائه شده است كه اين روش به نام تحليل مسيري عنوان شده و به ارزيابي زير ساختار‌ها (يعني اجزا مستقل شبكه موجود) به منظور بدست آوردن اقتصادي‌ترين و عملي‌ترين فرصت براي ذخيره انرژي را ارائه كرده است و همانطور كه در پيشينه اشاره شد اصلاح شبكه از طريق روش و سنتز رياضي روش‌هاي متعددي دارد كه ما در فصل پنجم اين سمينار فقط بطور گذرا و خيلي مختصر روش مركب براي اصلاح شبكه مبدل‌هاي حرارتي و مدل Synheat را معرفي نموده.

پيشينة اصلاح مبدل‌هاي حرارتي:

امروزه طراحي بهبود يافته شبكه‌هاي مبدل‌هاي حرارتي (HERL) نقش مهمي در سامانه‌هاي ذخيره انرژي ايفا مي‌نمايد.

شبكه‌هاي موجود بيش از فرآيندهاي جديد بايستي براي بهبود در بازگشت انرژي مورد توجه قرار گيرند.

اصلاح شبكه‌هاي حرارتي (HEN) موجود را مي‌توان با استفاده از دو روية عمده به انجام رسانيد بطوريكه افراد متعددي در اين زمينه فعاليت نموده‌اند.

1- روش تحليل Pinch :

اين روش بر‌پايه ترموديناميك (و مفاهيم فيزيكي) و فرآيندهاي كاوشي است.

از جمله افرادي كه پايه‌گذار اين روش بوده‌اند مي‌توان به T.N. Tjoe and B.linnhoff در سال 1986 اشاره نمود علاوه بر اينها افرادي همچون Van Reisen, Graham T.Polley در سال 1997 يك روش اساسي به نام تحليل مسيري براي ارزيابي زير ساختارها يا بعبارتي زير شبكه‌ها (يعني اجزاء مستقل شبكه‌ها) به منظور بدست آوردن اقتصادي‌ترين و عملي‌ترين فرصت‌ها براي ذخيره انرژي را ارائه داده‌اند.

2- روش برنامه‌ريزي رياضي:

در اين روش شبكه‌هاي مبدل حرارتي به صورت مدل‌هاي رياضي نشان داده مي‌شوند.

از جمله افرادي كه در زمينه مدل‌هاي خطي كار كرده‌اند مي‌توان به

S.A. Papoulias, I.E. Grossmann  در سال 1983 اشاره نمود كه از مدل خطي براي تعيين حداقل هزينه تأسيسات وسايل و حداقل تعداد واحدها استفاده نموده‌اند.

اما در زمينه مدل‌هاي غير خطي C.A. Floudas, A.R. Ciric 1983 و 1991 و T.F. Yee, E.I. Grossmann در سال 1990 تعدادي از مدل‌هاي غيرخطي را كه از لحاظ محاسباتي گرانتر هستند هم براي به حداقل رساندن هزينه‌هاي سطحي و هم براي به حداقل رساندن همزمان تأسيساتي (تعداد واحدها و سطوح مبدل‌هاي حرارتي) ارائه نموده‌اند.

افرادي مانند E.N. Pistikopoulos و  K.P. Popalexandri در سال 1994 مدل‌هاي بهينه‌سازي MINLP را نه ‌تنها براي تعيين طراحي بلكه براي شرايط عملياتي مطلوب، تحت فرض قابل كنترل ديناميك بسط داده‌اند ولي اين مدل براي مسائل با مقياس بزرگ قابل استفاده نمي‌باشد.  چون روش‌هايي كه بر مبناي الگوريتم برنامه‌ريزي غير خطي صحيح مركب MINLP)) هستند براي دسترسي به شكل بهبود يافته مشكلات محاسباتي زيادي دارند بويژه در حالتي كه مسئله مقياس آن بسيار بزرگ باشد Ca. Athier & P. Floquet در سال 1996 روش‌هاي بهينه‌سازي تصادفي همراه روش‌هاي جبري را براي حل مسائل طراحي فرآيند مطرح نمودند بعنوان مثال از روش‌هاي NLP و شبيه‌سازي بازپخت براي حل طراحي  شبكه مبدل‌هاي حرارتي استفاده نموده‌اند هرچند به حالات Retrofit توجه دقيق و كاملي نداشته‌اند.

علاوه بر روش‌هاي فوق يك روش گرافيكي براي انتگراسيون حرارتي يك سايت كامل ابتدا توسط Linnhoff و Dhole در سال 1992 ارائه گرديد و سپس توسط Raissi در سال 1994 موشكافي شد.

X.X. Zhu and N.D.K. Asante  در سال 1996 يك روش تحليل رياضي كه بدنبال ساده‌ترين تغييرات مي‌باشد و بيشترين صرفه‌جويي در انرژي را داشته باشند هر چند آنها براي رسيدن به اين صرفه‌جويي سرمايه‌گذاري مورد نياز را ناديده مي‌گيرند و از طرفي اين روش يك روش تكاملي مي‌باشد.

و از طرفي همين دو فرد در سال 1999 روش مركب برنامه‌ريزي رياضي و تحليل ترموديناميكي را بيان داشتند بيشتر تحقيقات اخير به سمت روش‌هاي پيشرفته‌تر جهت‌گيري داشته‌اند مثلاً بهبود HEN با در نظر گرفتن افت‌هاي فشار

Nie,X.X.Zhu X.R.    كه در سال 1999 ارائه نموده‌اند.

روش دو مرحله‌اي با استفاده از دماي معبر ثابت در قدم اول و MINLP براي نهايي كردن طراحي در مرحله دوم  كه توسط Ma, k.L, T.F, Yee, … در سال 2000 ارائه گرديد و تغييرات همزمان فرايند و بهبود HEN كه بوسيله Zhany ,.X.X. Zhu . J در سال 2000 ارائه شد.

با اين وجود انتخاب همزمان انواع مختلف HE بطور همزمان با بهبود HEN توسط

A. Sorsak & Z.Karavanj a  در سال‌هاي 1999 تا 2002 ارائه گرديد علاوه بر اين  

K-M. Bjork & T,Westerlund در سال 2002 مدل Synheat كه توسط

 T.F, Yee & E.I, Grossmann  در سال 1991 بيان شده بود را بدون ساده‌سازي فرض‌هايي  از قبيل توابع هزينه سطحي خطي، فرض عدم شكاف جرياني و فرض‌هاي مشابه به حالت كلي مطلوب حل كرده‌اند ولي چون مدل Yee و K-M. Bjork كه در سال 2002 بيان شده بود فقط طراحي شبكه مبدل حرارتي Grassroot را مورد توجه قرار مي‌داد لازم بود كه مدل‌هاي ديگري پيدا شود بطوري كه چندين مقاله اين موضوع را مورد توجه قرار دادند مثلاً Yee & Grossmann  در سال 1991 و يا مقاله اخيري كه در سال 2005 توسط K-m. Bjork & T, Westerlund بيان شد و آمدند مدل Synheat را براي رسيدن به هدف بهبود خود تغيير دادند مدل Synheat  تغيير يافته بر اساس آنچه كه در سال 2002 مطرح شده بود فرمول نويسي شده است و براي شبكه‌هاي شامل مسائل مقياس بزرگ مي‌باشد و براي حل مدل Synheat  تغيير يافته از مدل هيبريد استفاده نموده‌اند.