Пинч-технология. Энергосбережение в промышленности

Учебное пособие для вузов

И. С. Булатов

Пинч-технология. 
Энергосбережение 
в Промышленности

СТРАТА
Санкт-Петербург
2018

И. С. Булатов

Учебное пособие для вузов по направлению  
«Теплоэнергетика и теплотехника»

СТРАТА 

Санкт-Петербург
2018

Пинч-технология. 
Энергосбережение 
в Промышленности

УДК 338.45: 662.6
ББК 31.15
Б 90

Рецензенты:  Член-корреспондент РАН, профессор, д. т. н. Мешалкин В. П.
 
(РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия)
 
Ректор НТУ ХПИ, профессор, д. т. н. Товажнянский Л. Л.
 
Профессор НТУ ХПИ, к. т. н. Капустенко П. А.
 
(Национальный Технический Университет «Харьковский 
 
Политехнический Институт», Украина)

Б 90  Булатов И. С.
Пинч-технология. Энергосбережение в промышленности – 
СПб.: Страта, 2018. – 140 с.

ISBN 978-586983-113-2

В учебном пособии рассмотрены вопросы интегрирования тепла и энергии с использованием пинч-технологии, которая зарекомендовала себя как 
одна из наиболее эффективных концепций энергосбережения в перерабатывающей промышленности. Учебное пособие предназначено для студентов 
при изучении курсов «Механика жидкости и газа», «Гидрогазодинамика», 
«Гидравлика» как в технических вузах, так и в классических университетах. 
Будет интересно для специалистов, занимающихся решением теоретических и прикладных задач по гидродинамике, тепло- и массообмену. Книга 
будет полезна аспирантам и магистрантам при выполнении НПР и работе 
над магистерскими и кандидатскими диссертациями.

ISBN 978-586983-113-2
© 
И. С.Булатов, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

ВВЕДЕНИЕ / INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

ГЛАВА I. СОСТАВНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ КРИВЫЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.1. Энтальпийные диаграммы тепловых потоков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.2. Составные тепловые кривые технологических потоков . . . . . . . . . . . .20

ГЛАВА II. ПИНЧ-МЕТОД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
2.1. Сущность пинч-метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
2.2. Эвристические правила проектирования оптимальных  
энергносберегающих ХТС на основе пинч-метода . . . . . . . . . . . . . . . .25

ГЛАВА III. ТАБЛИЧНЫЙ АЛГОРИТМ 
 И СЕТОЧНЫЕ ДИАГРАММЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
3.1. Табличный алгоритм определения целевых значений  
рекуперируемой в ХТС энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
3.2. Методика построения сеточных диаграмм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

ГЛАВА IV. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ  
С МАКСИМАЛЬНОЙ РЕКУПЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА . . . . . . . . . . . . . . . . . .47

ГЛАВА V. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ КОМПРОМИССЫ  
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ . . . . . . .59
5.1. Локальные и глобальные экономические компромиссы . . . . . . . . . . . .59
5.2. Экономические компромиссы  
«капитальные затраты – расход энергии» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
5.3. Прогнозирование величины капитальных затрат  
на проектируемые теплообменные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
5,4. Определение глобальных значений целевых функций  
(капитальных и эксплуатационных затрат) при проектировании  
оптимальных теплообменных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73

ГЛАВА VI. ВЫБОР ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ (УТИЛИТ)  . . . . . . . . . . . . . . .78
6.1. Общие предпосылки к выбору утилит . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
6.2. Методика выбора утилит технологической схемы  
с использованием составных кривых  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
6.3. Методика выбора энергоносителей предприятия  
с использованием больших составных кривых  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
6,4. Области применения больших составных кривых . . . . . . . . . . . . . . . . .87
Тепловые машины  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
Тепловые насосы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99

ГЛАВА VII. ПИНЧ-МЕТОД РЕКОНСТРУКЦИИ 
ДЕЙСТВУЮЩИХ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ . . . . . . . . . . . . . . .103
7.1. Существующие методы реконструкции теплообменных систем . . . .103
7.2. Теоретические основы пинч-метода реконструкции теплообменных 
систем с использованием действующих теплообменников . . . . . . . . .105
Ограничения в структуре теплообменных систем 
с использованием действующих теплообменников . . . . . . . . . .105
Определение пинч-точки теплообменных систем . . . . . . . . . . . . .107
Кривые целевых значений для реконструируемых 
теплообменных систем с использованием действующих  
теплообменников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
Устранение пинча теплообменной системы . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
Выбор изменений структуры при реконструкции 
теплообменной системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
Определение возможности разделения потоков 
в теплообменной системе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114
7.3. Комплексный алгоритм оптимальной реконструкции теплообменной 
системы с использованием действующих теплообменников  . . . . . . .115
Этап диагностики и структурных изменений . . . . . . . . . . . . . . . .116
Этап оптимизации  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117

ГЛАВА VIII. ПИНЧ-МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
8.1. Расширенный пинч-методдля проектирования оптимальных 
энергосберегающих производственных комплексов . . . . . . . . . . . . . .119
Энергетическая кривая производственного комплекса . . . . . . . . .120
Большая составная кривая энергоресурсов  
производственного комплекса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
8.2. Пример проектирования оптимального энергосберегающего  
комплекса первичной нефтепереработки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ / CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132

ПРИЛОжЕНИЕ: Список рекомендуемой литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . .135

ПРИЛОжЕНИЕ: Глоссарий  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139

Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ

Наличие больших запасов природных сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в бывшем Советском Союзе привело в 80-х годах прошлого столетия к ситуации, когда при наращивании объемов производства 
практически прямо пропорционально росли потери ресурсов. В итоге, например, расход энергии на единицу продукции, выпускаемой построенными в тот период предприятиями, в полтора-два раза выше, чем на аналогичных предприятиях индустриально развитых стран Западной Европы, 
которые успешно преодолели энергетический кризис 1970-х годов и последующие этапы роста цен на сырье и энергоносители. 

Опасность этой ситуации не только в том, что расходуется больше ресурсов на производство требуемой продукции и уменьшаются их резервы 
для грядущих поколений. Все непроизводительные потери ресурсов выбрасываются обратно в окружающую среду в виде отходов, стоков, выбросов углекислого газа, что повышает концентрацию опасных для окружающей среды веществ, тепловую эмиссию. Все это ставит под вопрос 
возможность устойчивого развития общества в долгосрочной перспективе, делает состояние окружающей среды в ряде промышленных регионов 
катастрофическим. Вклад России, Украины и других стран постсоветского 
пространства в глобальные процессы ухудшения состояния окружающей 
среды на планете значительно превышает их долю в общем объеме промышленного производства.

С 1991 года, после распада Советского Союза, в странах на его территории все больше набирают обороты и разворачиваются кампании по энергосбережению. Судя по тем шагам, которые предпринимают руководители независимых государств, это долговременные программы в комплексном 
плане модернизации промышленности этих стран. Способствовать развитию в этом направлении может применение опыта индустриально развитых 
стран Европейского Союза и передовых разработок отечественных ученых. 
Серьезным препятствием для этого является весьма ограниченное количество русскоязычной литературы для широкого круга инженерно-технических работников, специалистов и менеджеров промышленных предприятий, 

Предисловие

излагающей в доступной форме основные принципы современных методов 
рационального использования энергии.

Книга И. C. Булатова «Пинч-технология. Энергосбережение в промышленности» представляет собой краткое и доступное для широкого круга 
специалистов изложение основных принципов теории интеграции энерго-технологических систем на основе пинч-анализа. Это направление науки о рациональном использовании энергии хорошо зарекомендовало себя 
при проектировании новых и модернизации действующих промышленных 
предприятий. Основанная на фундаментальных термодинамических принципах, методология позволяет оценить минимальные экономически целесообразные значения энергопотребления в сложных энерго-технологических 
системах современных промышленных предприятий и производственнотерриториальных комплексов. Это делает пинч-технологию действенным 
инструментом при энергетическом аудите предприятий, позволяет оценить 
потенциальные возможности экономии энергии. Энергетический аудит методом пинч-анализа ряда действующих предприятий нефтехимии в России 
и Украине показал возможность экономии от 30 до 70 % потребляемой энергии, аналогичные показатели получены при обследовании ряда коксохимических комбинатов, сахарных и спиртовых заводов.

Важным этапом совершенствования методологии является развитие пинч-метода проектирования производственных комплексов. Согласно работам, выполненным в Манчестерском университете (The 
University of Manchester) под руководством профессора Робина Смита 
(Robin Smith), включение в состав комплекса жилых кварталов позволяет оптимально использовать излишки тепла промышленных предприятий для нужд коммунального теплоснабжения. Успеху в проведении 
работ по сокращению удельного потребления энергии в странах бывшего социалистического лагеря, вступивших в Европейский Союз, способствовало создание в рамках программы «Мария Кюри» (программа 
международного обмена научными кадрами «International Research Staff 
Exchange Scheme») Центра по интеграции технологических процессов 
в венгерском Университете Паннония в г. Веспрем (Pannon Egyetem, 
Veszprém) под руководством профессора Йржи Клемеша (Jiří Klemeš), 
до того около тридцати лет проработавшего в Манчестерском университете. Интересны разработки этого центра по совершенствованию методов интеграции процессов для включения в состав территориально-производственного комплекса альтернативных источников энергии.

Особый интерес в книге представляет изложение принципов пинчтехнологии представителем кафедры интеграции процессов Манчестерско

Предисловие

го университета (ранее Научно-технологического института Манчестерского университета – UMIST). На этой кафедре в 1980-х годах положено 
начало этому плодотворному направлению в науке и в настоящее время 
проводятся активные исследования, дополняющие и расширяющие возможности прикладного применения методологии. Ранее Игорь Станиславович Булатов окончил РХТУ им. Д. И. Менделеева, где в 1996 году защитил кандидатскую диссертацию и избрал интеграцию технологических 
процессов как основное направление своей научной деятельности. 

Ясная и доступная форма изложения материала на русском языке позволяет надеяться на расширение применения научно обоснованных методов энергосбережения в промышленности России и других стран постсоветского пространства.

Член-корреспондент РАН, профессор,  
д. т. н. Мешалкин В. П.
(РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия)
 
Профессор,  
д. т. н. Товажнянский Л. Л.
Профессор НТУ ХПИ,  
к. т. н. Капустенко П. А.
(Национальный Технический Университет  
«Харьковский Политехнический Институт», Украина)

INTRODUCTION

Process Integration often referred to as Pinch Technology is a 
family of technologies which combine several flowsheets to reduce 
resource consumption and/or minimise emissions. Process Integration initially – from 1970s – was 
being developed as Heat and Power 
Integration in the wake of the energy crisis which heavily hit western 
countries. During last 30 years this 
methodology has been widely used 
in process industries and also energy generation. Heat Integration as a 
field of knowledge, studies potential 
improvements in and optimisation of 
heat transfer between heat sources 
and sinks aimed at reduction of external heat sources (utilities), hence 
the reduction of costs and emissions. 
Today, this methodology has a set of 
tools and procedures which enable 
the engineer to design processes with 
the highest possible level of energy 
saving.
There are quite a few definitions 
for Heat Integration. Probably the 
most comprehensive definition is the 
one given by the International Energy Agency: systematic and general methods for designing integrated 
production systems ranging from individual processes to total sites and 
special emphasis on the efficient use 
of energy and reducing environmental effects.

ВВЕДЕНИЕ

Интеграция процессов, очень часто 
называемая также пинч-технологией 
(Pinch Technology), представляет собой 
семейство технологий, комбинирующих несколько технологических систем 
для уменьшения потребления ресурсов 
и (или) сокращения вредных выбросов. 
Интеграция 
процессов 
поначалу – 
с 70-х годов прошлого века – разрабатывалась как интеграция тепла (и энергии), под влиянием энергетического 
кризиса, охватившего западные страны. 
За последние 30 лет эта методология нашла широчайшее применение в перерабатывающих отраслях, а также в сфере 
генерирования энергии. Интеграция 
тепла, как область знаний, исследует 
потенциальные возможности улучшения и оптимизации теплообмена между 
источниками и потребителями тепла 
для сокращения потребностей во внешних энергоресурсах и, следовательно, 
для уменьшения затрат и выбросов. 
В настоящее время эта методология обладает широким набором инструментов 
и процедур, позволяющих проектировать перерабатывающие производства 
с высочайшим уровнем энергосбережения.
Существует несколько определений 
интеграции тепла. Пожалуй, наиболее 
полное определение было дано Международным энергетическим агентством 
(International Energy Agency, IEA): пинчтехнология – 
это 
систематические 
и обобщенные методы проектирования 

As it is often the case in science 
and technology, scientists from different countries and universities together with engineers from industry 
were in parallel searching the energy efficiency improvement solutions. Interesting research works on 
thermodynamic approaches for heat 
process integration were published 
in the 70s in US, Europe and Japan. 
The systematic basis for that work 
was provided in the 80s by researchers lead by Professor Bodo Linnhoff 
at the Centre and later Department 
of Process Integration, University of 
Manchester Institute of Science and 
Technology (at present, it is again 
the Centre for Process Integration, 
The University of Manchester, led 
by Professor Robin Smith). The Department/Centre became the world 
recognised centre of excellence in 
Pinch Technology development and 
application. Shortly after the Center 
was set up, it established Process 
Integration Research Consortium. 
At different times the members of 
the Consortium included or still include leading oil, petrochemical and 
chemical 
companies, 
engineering 
firms and universities (e. g. ExxonMobil, British Petroleum, Petrobras, 
Total, EDF, British Gas, Shell Global 
Solutions, Saudi Aramco, Universiti 
Teknologi Petronas, Statoil, etc.) The 
members of the Consortium have access to the latest research of the Centre which otherwise is published only 
few years later. This definitely gives 
competitive edge to the Consortium 
members. The Centre also provides 
tailor-made research for the Consor
интегрированных 
производственных 
систем от индивидуальных технологических процессов до производственных 
комплексов с особым упором на эффективное 
использование 
ресурсов 
и уменьшение воздействия на окружающую среду.
Как это часто бывает в науке, ученые 
из разных стран и университетов совместно с практиками в промышленности, параллельно шли к решению задач 
повышения энергоэффективности производств. В 70-е годы были опубликованы интересные работы в США, Европе 
и Японии посвященные термодинамическим подходам при интегрировании 
тепловых процессов. Систематическую 
базу под эти исследования в 80-е годы 
подвели сотрудники Центра, а потом кафедры интеграции процессов под руководством профессора Бодо Линнхоффа 
из Научно-технологического института 
Манчестерского университета (в настоящее время это снова Центр интеграции 
процессов под руководством профессора Робина Смита в Манчестерском университете). Именно кафедра (Центр), 
стали 
общепризнанными 
лидерами 
в области разработки и применения 
пинч-технологии. При кафедре (Центре) с первых лет существования был 
организован и по сей день успешно 
функционирует Исследовательский консорциум интеграции процессов. В консорциум на разных этапах входили или 
входят ведущие нефтяные и химические компании, инжинириговые фирмы 
и университеты (например, ExxonMobil, 
British Petroleum, Petrobras, Total, EDF, 
British Gas, Shell Global Solutions, Saudi 
Aramco, Universiti Teknologi Petronas, 
Statoil и др.) Партнеры консорциума 

Введение 
Introduction