窄点换热技术.doc

以下是我以前在论坛中收集的) i- g1 i% H9 F2 # o0 u) i+ V1.窄点技术原理:$ G% h% s: B9 e3 N! J7 r- r7 I. # Q 热能专业目前最前沿的是优化控制问题，这是一种动态的最优化问题。它对应的数学模型是一组微分方程式，目标函数是积分形式，所得的最优解是时间的函数。而本文中介绍的窄点分析方法是一种静态最优化问题，它对应的数学模型是一组代数方程式，因此该方法更加简便。* E8 o; f: & w 过程系统最优化方法的核心技术是窄点技术，它主要是对过程系统的整体进行优化设计，包括冷热物流之间的恰当匹配，冷热公用工程的类型和能级选择；加热器、冷却器及系统中的一些设备如分离器、蒸发器等设备在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的三维权衡。最终的优化目标是总年运行费用与初投资费用之和最小。* V! t6 B; Y/ Z9 s# K3 b X 在优化的目标方面，窄点技术最初是以能量为系统的目标，然后发展为以总费用为目标，又进一步考虑过程系统的安全性、可操作性、对不同工况的适应性和对环境的影响等非定量的过程目标。因此窄点技术不仅可以用于热回收换热网络的优化集成，而且可用于合理设置热机和热泵、确定公用工程的等级和用量，去除“瓶颈”、提高生产能力，分离设备的集成，减少生产用水，减少废气污染排放等。8 s( L) 4 a; F$ n0 gJ2.窄点分析法应用步骤 Y2 G5 D8 z# C7 0 t 窄点分析法是一种分析过程系统中换热器IE热效果及取得最大能量回收的综合分析方法。牙该方法解决问题时，不管是新工程还是旧工程，妇造项目一般都应遵循以下步骤：$ 6 U! H e0 O V: P$ s (1)列出工程中的冷、热流股及公用工程流肚冷流股是指在公用工程中需要加热升温的流；热流股则是指需要冷却降温的物流，例如储存需要冷却的wiki化工/wiki产品；公用工程流股是指当冷热股间的热交换不经济或不能实现时，用来加热、冷冷热流股的物流。$ L& z9 a; b. k 辨别冷热流股时需要注意，有些流股尽管发温度变化，但不是通过热交换实现的，该物流就不算作冷流股。例如：某气体流股被压缩时，温度高，但没有发生物流间的热交换，所以该流股不是流股。1 W6 u8 O% t* | (2)确定各种流股的热力学参数) N H |) E5 W2 ) 需要确定的热力学参数包括：初始温度、目标温度、热容流率以及吸、放热量。在该方法的每个步骤中，都应充分考虑以上参数的影响。任何参数出错，都将导致错误的结论。! t; k, F5 J* # J (3)确定最小传热温差DTmin的值Et( s% f3 | DTmin是对整个网络的最小传热温差，为保证实现能量目标，要求窄点处传热温差等于DTmin，远离窄点处的传热温差不得小于DTmin。DTmin等于零是冷热物流能量回收达到最大的极限值，此时冷、热公用工程负荷均达到最小值。DTmin越大、冷、热公用工程最小负荷越大，随着DTmin增大，能量巨收减少，同时增加冷、热公用工程最小负荷，且能量回收的减少量正好等于冷、热公用工程最小负荷的增加量。典型的DTmin的经验值可在有关参考文献中查到，Linnoff1提出了一组适用于壳管式换热器的DTmin的经验值2，见表1。2 A% s, ! | B9 W$ m7 x& m; W. k% n. E. ?! _9 x, l) u& b) f: # m0 S& X6 X$ / u3 & H- H, _) G* y# % o) r v% u- ; V (4)绘制综合曲线图& f. l5 X N9 l0 y 所谓的综合曲线图是指温度一焙曲线图，其中包括热综合曲线和冷综合曲线。综合曲线用绘图的方式表示出冷、热公用工程最小负荷。在综合曲线图中，用由初始温度指向目标温度的直线表示劫H流率恒定的冷、热流股。具体画法如下：将热流股的起始、目标温度按高低次序排出，计算出各温度区间内热流股的总放热量，冷流股也同样处理。为防止错误，最好将计算数据列入表格。然后将表格中的数据画在温度一焙曲线图上。由综合曲线图可以得出冷、热公用工程最小负荷，及冷、热流股窄点温度值。图1为DTmin= 10时某工程a的综合曲线图，由图可知：冷、热公用工程最小负荷分别为：60kW、20kW，冷、热流股窄点温度分别为：90、80。; 1 |% pE5 ( H. C! P& T% a7 k& i/ g- rn) |$ X B0 J9 y- ; g9 v) s& X0 m a1 x$ qH& T3 p* z% M0 l- M p% b; o4 qb* Q( F 图2为DTmin=20时的综合曲线图，此时冷、热公用工程的最小负荷分别为：105kW、65kW，明显比窄点温度为10时的情况大，因为窄点温度增大即最小传热温差增加使可回收的能量减少，从而需要外界向系统提供更多能量才能满足要求，所以冷、热公用工程的最小负荷均增大。( Dl- N7 I z7 _: R8 d8 b3 7 b9 U 由综合曲线图可知，窄点将整个过程分为相互独立的两个子系统，窄点上方只需从热公用工程吸热，窄点下方则只需对冷公用工程放热，因此，不要在窄点上方设置任何公用工程冷却器，不要在下方设置任何公用工程加热器，从而避免跨越窄点的换热。所谓跨越窄点的换热是指窄点上方的热流体与窄点下方的冷流体之间进行的换热，如果跨越窄点热量为，则会造成冷、热公用工程负荷同时增加。* Q A% o! l2 C l$ # k- A (5)初始网络的生成3 # s2 W; j+ Y) K: 4 _ y 在初步网络图中，冷、热流股均用水平线表示，并将初始温度和目标温度标注在线的两端，中间的竖直线标注窄点温度。图中的圆用来表示换热器，没有连接起来的圆则表示与公用工程物流进行换热的换热装置。工程a的初始网络如图3所示。# w# g9 G B7 J& tx+ t _, - ( S7 U& Z/ ti5 W, q5 M/ V( R( D) h- Q& H: y( y% q Z8 n. R# C. n/ ( e5 Q8 $ Y9 t+ % B v- N 形成初步网络时，对窄点上、下两部分分别进行物流匹配，同时要注意以下几点：: g8 n4 M W4 |* X8 i: J 匹配先在窄点处进行，然后逐步远离窄点，在窄点处应遵循W准则的限制，即：在窄点上方，热物流的热容流率应不大于冷物流的热容流率；在窄点下方，热物流的热容流率应不小于冷物流的热容流率，以保证网络中的传热温差。远离窄点处的匹配可以不受W准则的制约，但仍要满足最小传热温差不小于DTmin。9 a, F2 A. H/ c& 1 Z y+ U 尽量使换热器的热负荷最大，以减少换热设备数。3 u: m, B t% R) uo 注意窄点上方只设热公用工程，下方只设冷公用工程。, N1 F6 s% p) i1 n& 6 q- p 采用物流分流技术。因为窄点上方不允许设冷却器，所以窄点上方的冷流股数必须大于（等于）热流股数，相反，窄点下方则必须满足热流股数大于（等于）冷流股数。不满足时，应采取分流技术，同时，流股数满足，但不符合W准则时，也要采取分流技术。 V0 D Y+ Y: D$ r3 G$ O8 M (6)网络的进一步优化整合3 v+ 2 Y- kV u2 m 满足能耗目标的初始网络并不是最优的，它仅反映了经常运行费用在给定的DTmin下达到最小，而初次投资费用并不一定最小，因此应在能耗和初投资之间进行权衡。进行网络整合时，需要依次执行三条规则，分别是：, ) h9 O( y; 4 3 M 沿路径和环路进行能量松弛，以减少网络的变动，具体做法为：先做能量目标分析，删除超过冷、热公用工程最小负荷的加热器和冷却器，以及超过最小换热设备数的小负荷换热器。 s$ K% r1 p h9 k 所谓的路径是指，通过物流和换热器在热公用工程之间或冷公用工程之间以及冷、热公用工程之间形成的一个连续通道。- 6 u x- t$ F. d) 7 $ G 环路是指换热网络中不同换热设备间形成的一个闭合通道的系统。: a# i7 P M% K2 z; N 当变动冷、热公用工程的位置时，总是把冷却器移向低温部分，把加热器移向高温部分；当把两股物流上的两个加热（冷却）器合并到一股物流上成为一个较大的加热（冷却）器时，应使合并后的加热（冷却）器具有较高（较低）的物流平均温度。 I; v1 a4 s8 o, P% w 在某些场合下，可以借分流变合流来减少换热设备数，在另一些场合下，又可以借合流变分流或采用旁通的方法来减少换热设备数。1 7 c9 a n/ s# j. I 综合来看，该方法可分为三个阶段：目标分析，对应（1）至（4）步；生成初始网络，即第（5）步；最后一个阶段，对网络的进一步优化整合。! i! W0 ( B1 E& o( 6 5窄点技术的应用& % C( X7 S# ( t 窄点技术适用于过程系统的设计和节能改造。过程系统就是以处理能量流为目的的行业，如化工、冶金、炼油、造纸、水泥、食品、医药、电力等行业。在过程工业的生产系统中，从原料到产品的整个生产过程，始终伴随着能量的供应、转换、利用、回收、生产、排弃等环节。例如，进料需要加热，产品需要冷却，冷、热流体之间换热构成了热回收换热系统，加热不足的部分就必须消耗热公用工程提供的燃料或蒸汽，冷却不足的部分就必须消耗冷公用工程提供的冷却水、冷却空气或冷量；泵和压缩机的运行需要消耗电力或由蒸汽透平直接驱动等。- J2 k( B4 _8 a9 F9 m: i: W+ j& i! z 过去20年中，窄点分析法得到了广泛的应用，例如某石油公司的原油分馏系统由于规模扩大，需要进行改造。一承建商提出必须增加加热器才能解决问题，公司考虑到节能、安全性及可行性等间题，决定采用窄点技术对原有系统进行改造，最终不但没有增加加热器，每年还可节能10%。 S$ ?7 p5 a$ j4 E& B/ q+ g 首先对该系统进行目标分析，根据Linnoff提出的DTmin的经验值，取DTmin为20，绘出综合曲线图，从而得出冷、热流股窄点温度分别为148和168，冷、热公用工程所需最小负荷分别111.2MW、103.4MW。! % ! # o1 L# C4 G7 d& E 第二阶段，生成初始网络如图C其中币换热器负荷分别为：44.112、32.165、33.384、8.3、12.118、0.67、11.2、22.29、39.95MW。Cl一C7冷却器负荷分别为：22.26、19.16、10.79、13.29、1.30.38、26.52MW。加热器H的负荷为：88.12MW。 $ u1 FQ8 H# R2 E0 z* u* ; M7 a) 4 H: K/ E Y6 L7 r8 O0 Q0 u) s- r3 E4 j; x5 T) T/ D* X, % n A5 K: B& O4 Y% w2 r 第三阶段，根据窄点分析法中的网络整合规则，对初始网络进行优化：沿图4中虚线所示的路径进行能量松弛，将小负荷换热器删去，得到方案如图5所示。其中，C5要增加0.67MW，换热器增加0.67MW，同时C3减少0.67MW。6 s0 B9 N! ?1 ?! E/ V0 i* Q n: t( P) j2 S* u1 w2 r- Q8 T& _1 |! b0 e: W/ m) u6 _9 w+ N* Q1 Z/ C. 7 c1 o+ ? 松弛后的方案更合理一些，因为在保证目标分析中冷、热公用工程实现最小负荷的前提下，删去了小负荷换热器，减少了换热设备数，降低了初投资从而使总投资降低，同时达到节能的目标。$ p+ C! f0 Q4 Y) wQ 在我国，对于窄点技术的节能效果认识还不够，窄点技术的应用比较少，还有许多工作需要做。以过程系统中热泵的设置为例，热泵有三种可能的设置方式：在窄点之上、在窄点之下、跨越窄点。在点之上，即其吸、放热均在窄点之上。此时的热泵是将一部分加热公用工程所提供的热量，用外加功W取代了，过程输入的能量数量不变。; A d0 2 q6 C $ x- i 热泵设置在窄点之下时，把外加功全部转换成了排向冷却公用工程的废热，不仅没有节省能量，反而浪费了外加功，并增加了冷却公用工程负荷，造成的能量浪费极大，更不可取。跨越窄点的设置，即吸热在窄点之下，放热在窄点之上。这样，过程在窄点之下为净热源，而在窄点之上，热泵向其提供热量，从而节省能量。因此，在过程系统中，热泵设置的原则是跨越窄点。跨越窄点的设置只是给出了一个原则，要适当的应用热泵，还得了解各种热泵的特性和工作范围，并将其与过程总复合曲线合理匹配。由此可见，窄点技术的应用与我们专业是