كمينه‌سازي عملياتي توان مصرفي چرخه‌هاي تبريد چندمرحله‌اي پالايشگاه‌هاي گاز با تلفيق روش‌هاي آناليز ترموديناميكي و تكنولوژي پينچ

Operational minimization of multi-Stage refrigeration cycles’ power consumption in gas refineries based on the combination of thermodynamics analysis and pinch technology

وجود منابع عظيم گازي در كشور ايران و تقاضاي جهاني براي جايگزيني اين سوخت‌ پاك به جاي ساير سوخت‌هاي فسيلي، صادرات گاز در مقياس وسيع را به يكي از مباحث مهم تبديل كرده است. يكي از روش‌هاي صادرات گاز در مقياس وسيع، مايع‌سازي آن است كه توسط چرخه تبريد صورت مي‌پذيرد. فرايندهاي مايع‌سازي گازها، فرايندهايي انرژي‌بر هستند و همين موضوع، ضرورت استفاده بهينه از انرژي و كاهش مصرف آن را در صنعت مايع‌سازي گازها نمايان مي‌سازد. علي‌رغم اينكه مطالعات فراواني بر روي بهينه‌سازي مصرف انرژي چرخه‌هاي تبريد صورت گرفته است ولي به دليل آنكه محدوديت‌هاي عملكردي اجزاء سيستم تبريد، در اين بررسي‌ها مد نظر قرارگرفته نشده است، روش‌هاي ارائه شده قابليت پياده‌سازي بر روي چرخه‌هاي تبريد موجود در پالايشگاه‌هاي كشور را ندارند. هدف از اين مقاله، ارائه روشي سيستماتيك براي كمينه‌سازي عملياتي توان مصرفي چرخه‌هاي تبريد در حال استفاده در فرايندهاي مايع‌سازي گاز با در نظر گرفتن محدوديت‌هاي عملكردي تجهيزات سيستم تبريد و اندركنش‌هاي موجود بين سيستم تبريد و هسته فرايندي مي‌باشد. در اين تحقيق با استفاده از تلفيق ديدگاه‌هاي ترموديناميكي و تكنولوژي پينچ و در نظرگرفتن محدوديت‌هاي فوق الذكر، يك روش سيستماتيك جهت فرمول‌بندي مسئله كمينه‌سازي توان مصرفي چرخه‌هاي تبريد چندمرحله‌اي به صورت تابعي از متغيرهاي مستقل ارائه شده است. با پياده‌سازي روش ارائه شده در اين تحقيق بر روي يك چرخه تبريد سه مرحله‌اي در حال بهره‌برداري در يكي از واحدهاي مايع‌سازي گاز پروپان كشور حدود 15% كاهش در توان مصرفي ويژه چرخه تبريد حاصل شد.

The existence of huge gas resources in Iran and the global demand for the replacement of fossil fuels with this cleaner energy resource has triggered interest in the large-scale gas export. One of the methods for large-scale gas exports is liquefaction which is done by refrigeration cycle. Considering the importance of the efficient use and the reduction in energy consumption, particularly in large energy consumers like liquefaction plants, it is imperative to optimize the refrigeration cycles used in these plants. While there have been many studies focusing on the power consumption minimization of refrigeration cycles, in most of these studies the performance limitations of the refrigeration cycle components have not been considered. Therefore, the results of such studies are not practical for in-use refrigeration cycles in gas refineries. The main goal of this paper is to propose a systematic method to minimize the power consumption of in-use refrigeration cycles in gas liquefaction processes by taking into account the performance limitations of refrigeration cycle components and the interactions between the refrigeration cycle and the core process. In this regard, a combination of thermodynamic viewpoints and pinch technology is used in addition to considering the above mentioned limitations, to express the multi-stage refrigeration cycles’ power consumption minimization problem as a function of several independent variables. Up to 15% reduction in the specific power consumption is achieved when the proposed method is implemented on the optimization of a typical in-use three-stage refrigeration cycle, used in a propane liquefaction plant.