2夹点技术换热网络优化综合

对于多流股系统，则必须采用过程复合 曲线表示。图6-5表示两个冷物流AB和CD组 成过程复合曲线的构造方法，折线AEFD即为 两流股的过程复合曲线。 对于多流股热物流和多流股冷物流的换 热网络系统，可按上述方法将所有的热物流 合并为一条热流股过程复合曲线，将所有的 冷流股合并为一条冷流股过程组合曲线，并 通过这两条复合曲线在T-H图上表示多流股系 统的换热过程。
上述这些流股可以匹配进行换热，工艺流 股与工艺流股之间匹配的换热器以下简称换 热器。 现要求由换热器、加热器和冷却器及联 络管线组成一个系统，即一般称之为换热网 络，使工艺流股达到要求的费用和设备费用。
为简化起见，运行费用只指公用工 程的消耗，而设备折旧费可按简化的换 热面积公式计算，即
对包含4个工艺物流的换热系统，已 知流股数据表格如下：
取最小传热温差△Tmin=100C，作 出复合曲线，可找出夹点位置80-900C处， 最小公用工程负荷为QH,min=50， Qc,min=60。
二、换热网络的调优规则
规则一 比较初始网络中各换热设备的热负荷大 小，剔除具有最小换热量的换热器、加热器或冷却器， 增加其与工艺物流或公用工程物流的热负荷。重复进 行这一合并换热设备的过程，每合并一次都要算一下 是否有改进，直到得到的网络总费用已不能再减小为 止。 规则二 如果网络中含有一个局部的子网络，其 中一热（或冷）物流与前已匹配过的同一冷（或热） 物流再次匹配，则把这两次匹配合并为一次匹配。 规则三 以物流的不分支代替物流的分支。在没 有物流分支的网络中，按每一物流输入和输出温度算 术平均值递减的次序匹配热、冷物流。
第二部分 夹点技术与换热网络优化综合
主讲人：尹洪超 教授
大连理工大学能源动力学院 博士生导师 大连理工大学能源管理与节能研究中心 主任
夹点技术讲座内容
换热网络及其综合方法简述 换热网络综合的直观推断-调优法 换热网络的夹点及最小公用工程消耗 换热网络综合的夹点设计法 夹点技术的网络调优 夹点技术的门槛、分流与网络的改造
在现代的工业生产过程中，特别是在动力、 炼油、化工等生产装置中，能量的回收及再 利用有着极其重要的意义。（三环节） 而热能的回收主要是通过各种工艺物流之 间的热交换获得的。在这些生产工艺装置或 过程中，常常是一些物流需要加热，而另一 些物流需要冷却。 显然，合理的把这些物流匹配在一起， 充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的 热回收能力，尽可能地减少辅助加热和辅助 冷却负荷，将提高整个工艺装置或过程中的 能量利用的有效性和经济性。
合理有效地组织物流间的换热问题，涉及 到如何确定物流间匹配换热的结构以及相应 的换热负荷的匹配。
换热网络的系统综合就是要确定出这样的 换热器网络，它有较小或最小的设备投资费 用和运行费用，并满足把每一个工艺物流由 初始温度达到指定的目标温度。
第一节
换热网络及其综合方法简述
一、换热器网络及问题表述
复合T-H曲线图比较直观，物理意义明显， 对于较简单的问题，可用作图法确定夹点和 最小公用工程消耗。但这种方法并不准确， 也无法计算机化，特别是对于复杂的网络系 统，用作图法很难进行定量计算。这时可用 Linnhoff等人提出的所谓“问题表格法”来加 以计算。
问题表格法的主要步骤是根据给定的各 物流的供给温度Ts、目标温度Tt及相应的最小 允许温差△Tmin，将网络划分为若干温度区间， 并确定相应的区间温度，这些温度区间相当 于一系列的子网络； 然后对各温度区间（或子网络）进行热 平衡计算，以确定其热量的亏盈； 最后通过计算确定最小公用工程消耗以 及热亏盈量为零的区界—夹点的位置。现结 合一实例来说明这种方法。
自从C.S.Hwa于1965年首次提出换热器网 络优化问题以来，许多学者对换热器网络进 行了深入的研究，提出了多种最优或接近最 优的综合方法。根据研究方法的侧重面不同， 大体上可以分为以下几类：
第一类 数学规划法 即把问题归结为有约束的多变量优化问题。 目前虽然有一些成熟的数学方法可以利用， 但由于问题的维数太高，大规模非线性迭代 运算效率较低，致使现代的计算机也难以完 成。所以只好把问题加以简化，并在算法上 加以改进。这方面的代表性工作有80年代以 来的以美国CMU的Grossmann等人为代表的 MILP和MINLP方法。
第二类 采用经验规则方法 即应用一些经验积累下来的直观推断规则， 剔除一些不可能和不合理的方案，大大缩小 搜索空间，很快得到一个趋于最优的可行解。 这种方法也称为直观推断法、试探法或启发 式方法，虽然没有经过严格证明，但基本上 是正确的，是比较成熟和实用的。
第三类 夹点方法 上述两种方法所取得的成果主要还是学 术上的，而夹点技术则在工程实践中得到了 应用。夹点技术的换热器网络综合的首要目 标是运用热力学方法追求网络系统的能耗最 少，因此也称热力学综合方法或热力学目标 法。
两流股换热的必要条件是热流股的温度 高于冷流股的温度,如图b。在换热器中的换热 量为两流股在横轴上投影的重叠部分Qx，而 未重叠部分为热、冷公用工程消耗量QH、Qc， 但两者都减少了。
当两流股在某截面处的温差减小到允许 的最低温度△Tmin时，换热量达到最大极限 Qx,max，如图c。此时的公用工程量最小，即 QH=QH,min和Qc=Qc,min。 随着△Tmin的减小，公用工程耗量降低。 因此△Tmin是基建费与能耗折衷考虑的结果。
一、换热器网络综合中的直观推 断规则
规则一 总是从最热的热物流开始，使其与最热 的冷物流相匹配换热，用热物流进口温度与冷物流出 口温度相配对（逆流换热）。 规则二 如果上述匹配不可行（温差太小），采 用一个加热器来加热冷物流的热端，以减低这个换热 器的出口温度，直到上述匹配称为可能为止。 规则三 一个流股匹配换热开始，就应当尽可能 地进行下去，直到实现下列情况之一为止： （1）热物流已经冷却到其目标温度； （2）冷物流已经加热到其目标温度； （3）冷、热物流之间温度已达到最小允许温差 △Tmin.。
第三节
换热网络的夹点及最小 公用工程消耗
夹点技术提出的两个最主要原则：
夹点技术原则一 降低公用工程消耗是 系统优化的主要目标。 夹点技术原则二 在相同的的公用工程 消耗前提下，设备台数越少则设备费用越低。 上述两个原则对换热网络综合指明了方 向，从而不必在明显不利的网络上下功夫， 而且还给出了网络综合的极限值，即给定物 流集合的极限公用工程消耗量和最少设备数。 这两个指标都是在进行系统综合之处就预先 给出的，因而大大发挥了这两个原则的指导 作用。
在热能工程领域中，要降低能量的 消耗，提高能量利用率，不仅要合理有 效的产生、利用和输送热能，还要合理 有效的回收热能。而热能的回收主要是 通过换热器网络进行的，因此换热器网 络也称为热量回收网络，它对于降低企 业的能耗具有重要意义。
上图表示某反应需要在3000C才能开始进 行，而由于反应放热，出口温度高达4000C， 但燃料及产品均系常温。最简单的解决办法， 就是在反应器前设置两台加热器，在反应器 后设置一台冷却器。 在能源问题不太突出的时代，一般均采用 这种一对一的方式。根据加热温位的要求， 设置加热炉或预热器，水冷器或空冷器，为 此在全厂设置有加热炉、锅炉房、变电所、 凉水塔等公用工程设施。
上图6-6表示热、冷流股的两条复合曲线，
根据复合曲线在T-H图上求最小公用工程消耗 的方法与单流股相同； 图中两条曲线在H轴上投影的重叠部分代 表了换热网络中物流之间可能的换热量；热、 冷物流复合曲线投影的未重叠部分表示冷、 热公用工程负荷Qc、QH。
由于物流之间的热量交换需要有一定的温差，当 冷物流复合曲线沿H轴向左平移靠拢热物流复合曲线 时，各部位的传热温差△Tmin逐步减小，冷、热物流 间的换热量增大，而冷、热公用工程负荷减小，最后 某一部位的传热温差首先达到设定的最小传热温差 △Tmin（通常为10-200C）,这时就达到了实际可能的极 限位置，即物流间的换热量达最大(Qx,max)，而冷、热 公用工程的热负荷达最小(Qc,min，QH,min)。 图中热、冷复合曲线纵坐标最接近的一点，即温 差最小的位置，称为“夹点”。它对整个换热网络的 分析具有十分重要的意义。
二、最小公用工程消耗及问题表 格算法
通过两条复合曲线的相对平移可以改变换热网络 中物流之间的换热量。 两条复合曲线互相靠近，物流间的换热量虽然增 大，但传热温差却减少，因而必需的传热面积就要增 大，从而投资费用亦增大。可见两条曲线在水平方向 上相对移动，可用来探讨换热网络的投资费用与热回 收目标之间的权衡关系。 对流股数据均已知的换热网络系统进行夹点分析 时，如果实际消耗的QH或Qc大于最小公用工程消耗量 QH,min或Qc,min，则表明这个系统有节能潜力，只需改 变换热网络的结构就可以节能，即超出的QH,min或 Qc,min公用工程耗量是可以避免的。
随着能源问题的日益紧张，人们认识 到上述方式的浪费。提出可以用反应器 出口物流来预热进料，如图（b）。 由于传热温差的影响，第二进料经预 热后，其温度尚达不到要求，因此还需 再设一个补充加热器。但加热器和冷却 器的负荷都显著降低了。
图（c）是进一步改进后的另一种热 回收结构，由于热流股的分流，两个冷 流股的温度要求均可得到满足，从而又 可以省去一个加热器。
Tt
Ts
若物流的热容流率Fcp为常数，则加入物流的热量 Q=Fcp(Tt-Ts)=△H 这样，冷物流的加热过程就可以用T-H图上相应的线 段来表示。
同样，热物流的冷却过程也可以在T-H上 的一条线段来表示，如图a所示，图中假设Fcp 为常数，相应的流股过程在T-H上为直线段， 线段的斜率即为热容流率的倒数。对于比热 容随温度变化，或多组份混合物相变的情况， 则T-H线应是一曲线段。 每个流股可画在横轴的任何位置，任意作水 平移动，因焓值只有相对意义。线段始末两 点在横轴上的投影就是所需要的换热量。图 中示出了热流股所需冷却量Qc和冷流股所需 加热量QH。
第二节
换热网络综合的直观推断-调优法