وبلاگ

تا كنون روش های ریاضی و ترمودینامیكی مختلفی برای بهینه سازی و طراحی سیستم سرویس های جانبی و انتخاب سطوح فشار خطوط اصلی بخار پیشنهاد شده است كه در سطور آینده به برخی از آنها  اشاره می گردد.
یكی از مهمترین مسائل در طراحی سیستم سرویس های جانبی، انتخاب سطوح فشار خطوط اصلی بخار می باشد. در سال 1977، نیشیو برای اولین بار موضوع انتخاب سطوح بهینه فشار خط اصلی بخار را مطرح كرد و یک روش جستجوی مستقیم را كه با حل همزمان معادلات كوپل شده بود، ارائه نمود]1[.
سپس نیشیو و جانسون[1] یک روش ترمودینامیکی را پیشنهاد کردند، در این کار نیشیو و همکارانش از یک مدل LP  نیز به منظور انتخاب بهینه وسایلوتجهیزات مورد استفاده در سیستمهای تولید و توزیع بخار و توان و پیش بینی هزینه حداقل سرویسهای جانبی (Utilities ) استفاده كردند. این روش تلاش می کرد وسایلی برای سرویس جانبی انتخاب کند که اتلاف انرژی در دسترس برای هر واحد را حداقل کند و گرداننده های مورد استفاده  در فرایند ( Drivers ) اعم از توربینها و موتورهای الکتریکی را با بهره گرفتن از برنامه ریزی خطی (LP)  بصورت بهینه مشخص كند. تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی انرژی در دسترس، بر مبنای یک دسته از قوانین ابتکاری که برای تعیین ساختار کارخانه و شرایط طراحی به کار برده می شد، صورت می گرفت . اگر چه حداقل کردن اتلاف انرژی در دسترس به حداكثر کردن بازده کارخانه می انجامید، اما هزینه های سرمایه گذاری مربوط به واحدهای سرویس جانبی در این قسمت مورد توجه قرار نگرفته بود. همچنین یکی از نقاط ضعف چنین روشی این بود که برخی تصمیمات اصلی برای تعیین شکل کارخانه بر مبنای قوانین ابتکاری[2] بوده و در نتیجه ممكن است تعدادی از رناتیوهایی که شامل راه حل بهینه نیز باشند، را از دست بدهد. محدودیت مهم دیگر این بود كه هزینه های سرمایه گذاری با ظرفیت ها ، مطلقاً خطی در نظر گرفته شده بودند و بنابراین افزایش تولید به منظور سرشکن کردن هزینه سربار[3] در این مدل لحاظ نشده بود ]2[.
پترولاس و ركلاتیس[4] یک روش تجزیه و تحلیل برای سیستم سرویسهای جانبی بر مبنای تجزیه ای از دو زیرشاخه كه با هم کوپل شده اند را پیشنهاد کردند. اولین زیرشاخه تعداد خطوط اصلی بخار بعلاوه فشار در هر خط اصلی را تعیین می کرد و به عنوان یک برنامه ی پویا[5] که اتلاف انرژی های در دسترس را حداقل می کرد، مدل شده بود. دومین زیرشاخه شامل انتخاب درایور بود و به عنوان یک LP با هدف حداقل کردن انرژیهای ورودی (بخار و الکتریسیته)، فرمول بندی شده بود. به عبارت دیگر آنها یک روش برنامه ریزی پویا را برای بهینه كردن شرایط خط اصلی بخار به عنوان متغیر های پیوسته و یک روش LP را برای تعیین مكان بهینة درایورها  با هدف عمومی حداقل كردن اتلاف كار واقعی، به كار بردند. در این روش چنین عنوان شده بود كه اگر نیاز به وجود دیگ بخار باشد، این دیگ بخار باید در بالاترین سطح فشار، بخار تولید كند، زیرا کوپل کردن دو زیرشاخه در بازده درایورها و بار حرارتی دیگ بخار تأثیر می گذاشت. اما در مسئله بهینه سازی نیاز به تخمین شرایط بخار با فشار خیلی بالا (VHPS)، دمای هر سطح بخار، بار حرارتی دیگ بخار، سرویس جانبی خنك كننده و كار محوری تولیدی بوسیله شبكه توربین بخار در هر منطقه نیز می‌باشد كه در این روش لحاظ نشده است. محدودیت دیگر این روش این بود که هزینه های سرمایه گذاری واحدهای کارخانه را به حساب نمی آورد و امکان استفاده از درایور توربینهای گازی را در نظر نمی گرفت. همچنین ممكن است فرمول بندی LP برای مسئله انتخاب درایور در بعضی موارد مناسب نباشد، به عنوان مثال ممکن است توربینهای بخاری با چند ورودی یا دو درایور مختلف (توربین بخار و موتور الکتریکی) انتخاب شود، اما این مدل همان نیاز کار و توان قبل را به دست می‌داد ]3[.
در راستای استفاده از روش های ترمودینامیكی، در سال 1982 براون[6]  نشان داد  كه هر سیستم سرویس جانبی ممكن است با نسبت توان به گرمای فرایند (P/H) مشخص شود كه این نسبت  وابستگی ضعیفی به نوع سوخت مصرفی دارد. ( برای وسایل صنعتی عمومی ،  نسبت P/H  مورد نیاز كمتر از دو درصد است . )]4[
جدول 1-1 نسبت P/H متناسب برای هر سیستم سرویس جانبی را نشان می دهد. مطابق جدول صفحه بعد ، زمانیكه نسبت P/H بالا

 باشد از سیكل های تركیبی بخار-گاز استفاده می شود؛ لازم به ذكر است كه پیچیده ترین نوع سرویس جانبی، سیكل های تركیبی بخار-گاز است.

اما موضوع مهم در این كار مسئله طراحی و تجزیه و تحلیل برای یافتن سیستمی است كه بتواند گرما و توان مورد نیاز وسائل را با توجه به حداقل كردن مصرف انرژی و هزینه ی كل تأمین كند. روند كار چنین است كه نسبت توان به گرمای فرایند برای وسایل، در یک مقدار مشخص شده، طراحی می شود. به عبارت دیگر نیازهای گرما و توان مورد نیاز باید به درستی تطابق داشته باشند، سپس مصرف گرما كه بوسیله گرمای خالص سوخت ورودی تعریف می شود، باید در نظر گرفته شود. از آنجا كه قیمت انرژی سیستم سرویس جانبی فاكتوری مهم در تجزیه و تحلیل و توزیع قیمت سالانه می باشد، در صورتیكه این موضوع مورد توجه قرار نگیرد مقدار واقعی هزینه ی كل ارزیابی نخواهد شد.
اما در راستای استفاده از روش های ریاضی، پاپولیاس و گروسمن[1] در سال 1983 مسئله تركیبی تولید توان و گرما(CHP) را در زمینه یكپارچه سازی انرژی فرایندهای شیمیایی ،  بررسی كرده اند .آنها مقالاتی در راستای استفاده از برنامه ریزی ریاضی برای چگونگی یكپارچه سازی شبكه سرویسهای جانبی ارائه كردند. در اولین مقاله، سیستم سرویس جانبی در قالب یک ابرساختار مدل شده است و می تواند با تأمین نیازها، بهینه شود. آنها برای بهینه سازی ساختار و پارامترهای سیستم سرویس جانبی با نیازهای ثابت توان و بخار، از یک روش MILP استفاده كردند. سیستم سرویس جانبی بهینه از یک ابرساختار  بدست آمد و با بهره گرفتن از توازنهای ساده ، مدل شد. كار بعدی آنها با احتساب تغییرات پیش بینی شده در نیازهای فرایند به شكل یک الگوی نیاز سرویس جانبی چند مرحله ای توسعه یافت ؛ در دومین مقاله (پاپولیاس و گروسمن، (1983)، بارهای حرارتی ابرساختار سیستم سرویس جانبی ، متغیرهایی در فرمول بندی نمودار حرارت می شوند كه محاسبه تولید تركیبی كار مكانیكی و حداقل انرژی مورد نیاز را ممكن می سازد و در سومین مقاله، مدلهای سرویس جانبی و نمودار آبشاری گرما با یک روش MILP  عمومی برای سنتز كل سیستم، یكپارچه می شوند ]5،6 و 7 [.
در سال 1984 به منظور انتخاب فشار خطوط اصلی بخار، لینهوف و مورتون[2] منحنی های مركب گراند را پیشنهاد كردند ]8[ و در سال 1989، سوانی[3] یک سری انتقالی برای طراحی شبكه ها شامل موتورهای حرارتی و پمپ های حرارتی را گسترش داد. این راه حل رناتیوهای طراحی را مشخص می كرد و زمینه ای برای تصمیم گیری  در انتخاب جانمایی نهایی طرح را فراهم می آورد ]9[.
دال و لینهوف در سال 1992، با هدف حداقل كردن مصرف سیستم سرویس جانبی فرایند كل با بهره گرفتن از پروفیل های چشمه و چاه، روش یكپارچه سازی كل واحد برای چند فرایند را ارائه كردند. در این روش پروفیل های چشمه وچاه، میزان تولید و مصرف گرمای خالص در فرایند كل را ارائه می كند (به این مفهوم كه میزان گرمای خالص مورد نیاز و دفع شونده به سرویس های جانبی را پس از حداكثر شدن بازیافت حرارت در فرایندها نشان می دهد). تجزیه وتحلیل گلوگاهی (پینچ) راه حل بهینه كلی را به دست نمی دهد، چرا كه این راه كار نمی تواند بصورت همزمان با موازنه های مواد به كار برده شود، اما قادر است  به سرعت ساختارهای یكپارچه شده خوبی را بین فرایندهای نسبتا پیچیده ارائه دهد، لذا این روش، به عنوان روشی كه می تواند به سرعت ساختارهای مناسبی نزدیک به حالت بهینه را برای فرایندهای پیچیده ارائه كند، قابل استفاده است ]10[.
در سال 1994، رایسی با بهره گرفتن از روش تجزیه و تحلیل فرایند كل، تعیین سطوح بهینه بخار و در نتیجه ی آن حداقل شدن مصرف سوخت (MFR) یا هزینه سرویس های جانبی (MUC) را ارائه كرد ]11[.
 همانطور كه ذكر شد یكپارچه سازی شبكه بخار مرحله ای مهم در انتگراسیون سیستم سرویس جانبی با هدف حداقل كردن هزینه ی انرژی مورد نیاز (MCER) می باشد، زیرا در فرایند های صنعتی، شبكه بخار نقش خیلی مهمی را ایفا می كند و آن عبارت است از انتقال انرژی به داخل فرایند و مابین فرایند ها. از آنجا كه بخار می تواند قبل از مصرف در فرایند برای تولید توان مكانیكی بوسیله توربینها منبسط شود، شبكه بخار به تولید تركیبی توان و گرما مرتبط می شود. در ابتدا مارشال و كالیتونتزف یک فرمول بندی MILP عمومی كه یكپارچه سازی سرویسهای جانبی برای تأمین انرژی مورد نیاز در كمترین هزینه را ممكن می ساخت، ارائه كردند. این فرمول بندی شامل توازن توان مكانیكی بود كه تولید تركیبی را امكانپذیر می نمود. سپس روشی بر مبنای مفاهیم ترمودینامیكی كه تعیین فشار بهینه در شبكه بخار را ممكن می سازد، ارائه كردند. مبنای كار آنها استفاده از سیكل رانكین می باشد. تجزیه و تحلیل انتگراسیون سیكل رانكین نشان می دهد كه این سیكل می تواند با مستطیلهای یكپارچه در منحنی تركیبی جامع (G.C.C.) موازنه شده، ارتباط داده شود؛ به این صورت كه اضلاع افقی مستطیل بوسیله دماهای تبخیر و میعان تعریف شوند و كار مكانیكی تولید شده متناسب با سطح مستطیلها باشد و بوسیله سیكل كارنو به صورت تقریبی تخمین زده شود. در نهایت مشخصات سیكل رانكین، به عبارت دیگر سطوح فشار و دمای فوق اشباع، از تعیین مستطیل ها به  دست خواهد آمد(شكل 1-1).
[1]. Papoulias & Grossmann
8 . Morton & Linnhoff

9. Swaney

9. Nishio & Johnson

9. Heuristic

9. Economy of Scale

9. Petroulas & Reklaitis

9. Dynamic

9. Brown