4-3 附录三 换热网络设计

换热网络设计 SJTU设计团队：闵行F5小组成员：冯一峰 陈加航 方颖 路会超 王卫秦设计单位：上海交通大学设计时间：2017年7月换热网络设计山西武乡21000MW火力发电机组氨法烟气脱硫目录换热网络设计31.1概述31.2换热网络设计31.2.1工艺物流信息41.2.2夹点提取41.2.3工艺换热网络设计51.2.4过程节能及能耗计算6换热网络设计1.1概述 在大型过程系统中，存在大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被被冷却。大型过程系统可以提供的外部公用工程种类繁多，如不同压力等级的蒸汽，不同温度的冷冻剂、冷却水等。为提高能量利用率，节约资源与能源，就要优先考虑系统中各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配，以实现最大限度的热量回收，尽可能提高工艺过程的热力学效率。热集成网络的分析与合成，本质上是设计一个由热交换器组成的换热网络，使系统中所有需要加热和冷却的物流都达到工艺流程所规定的出口温度，使得基于热集成网络运行费用与换热设备投资费用的系统总费用最小。Aspen能量分析器软件采用过程系统最优化的方法进行过程热集成的设计，其核心是夹点技术。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度运行费用与设备投资费用之和（总年度费用目标）最小，同时兼顾过程系统的安全性、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，夹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，减少生产用水消耗，减少废气污染排放等。1.2换热网络设计 为了充分利用该工艺过程的能量，降低公用工程消耗，需进行能耗的综合分析。我们借助AspenEnergyAnalyzer软件，将aspen源文件导入，结合实际生产工艺，进行换热网络设计。通过结果分析，试分析是否需要换热网络设计；若需要，怎样设计可以最大化的降低能耗和成本。1.2.1工艺物流信息表6.1换热物流一览表 从表发现有些物流AspenEnergyAnalyzer按不同的MCP值，把有些物流分成了几段。每段除了有不同的MCP值外，还有不同的初温度、末温度和功率。在热集成中我们把这种物流仍算成一股物流。1.2.2夹点提取由AspenEnergyAnalyzer对流股进行分析，可以得出总成本与最小换热温差的关系（图6-1）以及温焓图（图6-2）。图6.1总成本-最小传热温差关系图图6.2温焓图 由图6.1可以看出，当最小传热温差为20.5时，总成本达到最小，故取最小传热温差为20.5。 由图6.2可以看出，系统在较大的焓值区间有较好的换热潜力，进行物流之间的换热匹配，根据夹点原理，系统可以实现最大程度的热量集成。1.2.3工艺换热网络设计 综合考虑系统中物流换热潜力、物流性质、以及物流输送，即可进行物流之间的换热匹配，在物流间的换热设计过程中，还需要考虑设备个数，以及由于换热面积所产生的设备投资费用。在设计完所有的物流间换热后，其余的物流换热则通过冷热公用工程实现，进而完成整个系统的全部换热。 综合考虑系统中物流换热潜力、 物流性质、 以及物流输送 ，即可进行物流之间的换热匹配，在物流间的换热设计过程中，还需要考虑设备个数，以及由于换热面积所产生的设备投资费用。在设计完所有的物流间换热后 ，其余的物流换热则通过冷热公用工程实现，进而完成整个系统的全部换热。 通过各流股物料信息以及夹点提取，得到最初的换热集成网络，如下：图6.3初步换热集成网络图 得到初步换热集成网络图后，我们主要从破回路以及减少换热单元等方面以总费用最低为优化目标对换热网络进行优化。优化后，换热网络集成图如下：图6.4优化换热集成网络图1.2.4过程节能及能耗计算 对本流程物流全用公用工程，则需冷公用工程158416kW，热公用工程10900kW，且经济费用较高。 以经济投入和能量节省的综合效应为准则，我们设计了如上图6.4的换热网络集成图。优化后的换热网络所需换热器数目为8台，包含3个流股间换热的换热器。热集成前后冷热公用系