夾點(diǎn)技術(shù)的原理與最新應(yīng)用

王俊美，陳金華

（海工英派爾工程有限公司，山東 青島266061）

夾點(diǎn)技術(shù)的原理與最新應(yīng)用

王俊美，陳金華

（海工英派爾工程有限公司，山東 青島266061）

能源危機(jī)的到來，節(jié)能降耗已是大勢所趨。夾點(diǎn)技術(shù)是換熱網(wǎng)絡(luò)、水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化最實(shí)用的節(jié)能技術(shù)。本文主要介紹了夾點(diǎn)技術(shù)的基本原理以及近幾年在工程設(shè)計中的廣泛應(yīng)用和良好前景。

節(jié)能降耗；點(diǎn)技術(shù)；換熱網(wǎng)絡(luò)；水網(wǎng)絡(luò)

在換熱網(wǎng)絡(luò)的綜合優(yōu)化方法中最為實(shí)用的就是夾點(diǎn)技術(shù)。采用夾點(diǎn)技術(shù)[1]，對新廠設(shè)計而言，比傳統(tǒng)方法可節(jié)能30%～50%，節(jié)省投資10%左右；對老廠改造而言，通?？晒?jié)能20%～35%，改造投資的回收年限一般0．5～3a。隨著夾點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展，其不僅局限于熱力學(xué)問題，在水系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用對解決水資源危機(jī)意義重大。水夾點(diǎn)技術(shù)在煉廠和化工廠中的應(yīng)用可節(jié)水20%～30%，可見，夾點(diǎn)技術(shù)在推動以低能耗、低污染、低排放為特點(diǎn)的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面優(yōu)勢顯著。

1 夾點(diǎn)技術(shù)的基本原理

夾點(diǎn)技術(shù)是以化工熱力學(xué)為基礎(chǔ)，以經(jīng)濟(jì)費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，對換熱網(wǎng)絡(luò)的整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化過程包括冷熱物流之間的匹配，冷熱公用工程的類型和能級選擇；加熱器、冷卻器及系統(tǒng)中一些分離器、蒸發(fā)器等設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的合適放置位置；節(jié)能、投資和可操作性的三維權(quán)衡。最終的優(yōu)化目標(biāo)是確定出具有最小的設(shè)備 (換熱器、加熱器和冷卻器)投資費(fèi)用和操作（公用工程加熱與冷卻）費(fèi)用，并滿足把每一個工藝物流由初始溫度加熱或冷卻到目標(biāo)溫度的換熱網(wǎng)絡(luò)。

2 最小傳熱溫差的確定

Linn Hoff．B教授[2]首先提出在換熱網(wǎng)絡(luò)中存在一個最小的允許傳熱溫差△Tmin，這一點(diǎn)即為夾點(diǎn)。最小溫差是換熱網(wǎng)絡(luò)綜合中的一個關(guān)鍵因素?！鱐min=0是冷熱物流能量回收達(dá)到最大的極限值，此時冷、熱公用工程最小，但是設(shè)備費(fèi)用卻無限增大。隨著△Tmin越大，能量回收減少，同時增加冷、熱公用工程用量，且能量回收的減少正好等于冷、熱公用工程用量的增加值。

最小傳熱溫差可由經(jīng)驗(yàn)值給定，此時需考慮公用工程和設(shè)備投資的價格、換熱工質(zhì)、傳熱系數(shù)、操作彈性等因素的影響。Linn Hoff．B提出了一組適用于殼管式換熱器的△Tmin的經(jīng)驗(yàn)值，見表1。

表1 △Tmin的經(jīng)驗(yàn)值

最小夾點(diǎn)溫差，也可由作圖法和問題表格法來確定：

2.1 作圖法

無論多復(fù)雜的熱量傳遞網(wǎng)都可以按一定的規(guī)則合成熱量組合曲線，熱流組合曲線與冷流組合曲線之間的最小垂直溫差即為網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)。在熱量組合曲線圖中，用由初始溫度指向目標(biāo)溫度的直線表示熱（冷）流股。具體合成過程如下：將熱（冷）流股的起始目標(biāo)溫度按高低次序排出，計算出各溫度區(qū)間內(nèi)熱（冷）流股的總放（吸）熱量，然后將數(shù)據(jù)繪制在溫度-焓曲線圖上。下圖表示熱量組合曲線的合成過程。兩組合曲線橫坐標(biāo)重疊部分為熱量傳遞系統(tǒng)的換熱負(fù)荷，左邊為公用工程冷卻負(fù)荷，右邊為公用工程加熱負(fù)荷，通過選取適當(dāng)?shù)膴A點(diǎn)溫差就可以達(dá)到最小的公用工程負(fù)荷，達(dá)到熱量最經(jīng)濟(jì)的匹配以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

2.2 問題表格法

問題表格法的主要思想：將問題分成若干個子問題，即子網(wǎng)絡(luò)，每一個子網(wǎng)絡(luò)的熱冷物流的傳熱溫差都≥△Tmin。對各個子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行熱量衡算，算出每個子網(wǎng)絡(luò)多余或虧損的熱量，然后計算各個子網(wǎng)絡(luò)的累積熱量，在“累積”輸出列中，負(fù)值絕對值最大處就是在一定△Tmin條件下該網(wǎng)絡(luò)所需的最小熱公用工程量，“熱流量”最后一個子網(wǎng)絡(luò)的輸出的“輸出”就是該網(wǎng)絡(luò)所需要的最小冷公用工程；熱流量的“輸出列”，數(shù)值為零處（在該點(diǎn)熱交換為零），即為夾點(diǎn)位置，夾點(diǎn)溫度為該處冷、熱物流溫度的平均值。

式中：

Ti—第i區(qū)間端點(diǎn)溫度，℃；FcCpc冷流體熱容流率，KW/℃；FhCph—熱流體熱容流率，KW/℃；Qi—第i區(qū)間熱流量，KW。

然后再進(jìn)行熱級聯(lián)算，找到最小公用工程加熱量Qh和冷卻量Qc，最后根據(jù)夾點(diǎn)處級聯(lián)熱流量為0確定夾點(diǎn)位置，可迅速得到夾點(diǎn)溫度和最小公用工程消耗。

3 夾點(diǎn)技術(shù)的黃金法則

由上述確定夾點(diǎn)的方法可以看出，夾點(diǎn)具有兩個特征：一是該處熱、冷物流間的傳熱溫差最小，剛好等于規(guī)定的△Tmin；二是該處（溫位）過程系統(tǒng)的熱流量為零。由此可理解夾點(diǎn)的意義如下：

（1）夾點(diǎn)限制了過程系統(tǒng)能量的進(jìn)一步回收，構(gòu)成系統(tǒng)用能的“瓶頸”，若想進(jìn)一步回收能量必須“改善”夾點(diǎn)以“解瓶頸”。

（2）夾點(diǎn)把系統(tǒng)分為兩個獨(dú)立的子系統(tǒng)，夾點(diǎn)上方為熱端，只需引入熱公用工程；夾點(diǎn)下方，為冷端，只需引入冷公用工程。

為保證過程系統(tǒng)能量回收最大化，應(yīng)遵守三條基本原則即夾點(diǎn)技術(shù)的黃金法則：夾點(diǎn)處不能有熱流量穿過；夾點(diǎn)上方不能引入冷公用工程；夾點(diǎn)下方不能引入熱公用工程。夾點(diǎn)位置確定的同時，該系統(tǒng)所需的最小熱、冷公用工程負(fù)荷以及最大熱回收量也隨之確定。

4 夾點(diǎn)技術(shù)的最新應(yīng)用

鑒于夾點(diǎn)技術(shù)的節(jié)能減排效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益（顯著），其在石油、化工等過程工業(yè)中[3，4]的應(yīng)用越來越廣泛。

常減壓裝置消耗的能量約占煉油廠總用能的25%～30%，已成為煉油廠消耗量最大的裝置。某規(guī)模為250萬t/a的常減壓裝置[5]，換熱網(wǎng)絡(luò)終溫較低，裝置能耗較高，換熱網(wǎng)絡(luò)的操作彈性差。針對此問題，在夾點(diǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，李哲等[5]結(jié)合工藝流程模擬軟件（HYSYS）和換熱網(wǎng)絡(luò)計算軟件（HEXTRAN）對原有常減壓裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，得到了近于最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)。新的換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行后，使原油的換熱終溫提高了27℃，裝置能耗降低了2．35kg標(biāo)油/t原油，年創(chuàng)效益接近1200萬元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

中國石油寧夏煉化公司100萬t/a常壓蒸餾裝置建成投產(chǎn)后[6]，長期處于低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，近年來隨著原油加工量不斷增加，裝置“瓶頸”逐步顯現(xiàn)——原油換熱終溫偏低、加熱爐效率低、產(chǎn)品出裝置溫度高等，能耗長期偏高，迫使裝置進(jìn)行優(yōu)化改造。采用夾點(diǎn)技術(shù)改造后，原油換熱終溫由271℃提高到294℃，裝置加工量由140萬t提高到了200萬 t，裝置能耗由原來的 10．5kgEO/t降低到9．76kgEO/t，加熱爐效率由 85．72%提高到了90．36%。由以上數(shù)據(jù)可以看出，裝置能量利用率和裝置加工量提高顯著。

蔡硯等[7]對一套20世紀(jì)80年代引進(jìn)的加氫裂化裝置進(jìn)行用能分析，發(fā)現(xiàn)存在跨越夾點(diǎn)的傳熱的不合理用能情況。結(jié)合工程實(shí)際和經(jīng)濟(jì)因素，運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)對裝置進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該裝置節(jié)能潛力高達(dá)31323kw/h。根據(jù)夾點(diǎn)換熱原則結(jié)合對現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)的利舊問題的考慮，得出兩種具有顯著優(yōu)勢的換熱網(wǎng)投資1122．7萬元，可獲得節(jié)省2174．4萬元/a的經(jīng)濟(jì)效益。方案二節(jié)能效果較顯著：改造投資1707．4萬元，可節(jié)省操作費(fèi)用2707．8萬元/a，缺點(diǎn)是回收期比方案一長兩個月。

夾點(diǎn)技術(shù)不僅局限于熱力學(xué)問題，更加廣泛的延伸到水系統(tǒng)設(shè)計中。近年來，水夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用對于節(jié)約過程工業(yè)的新鮮水、大幅減少廢水排放量方面優(yōu)勢顯著。中油公司大慶石化分公司煉油廠[8]應(yīng)用水夾點(diǎn)技術(shù)確定了全系統(tǒng)最小的新鮮水用量9．83t/h，與原用新鮮水量為24．3t/h相比，該項目實(shí)施可使該廠用水量節(jié)約59．5%，在獲得81．02萬元/a的經(jīng)濟(jì)效益的同時，對解決目前面臨的水資源危機(jī)意義重大。袁一星等[9]運(yùn)用水夾點(diǎn)技術(shù)對M煉油廠進(jìn)行分析計算，得出了最小用水量114．25t/h，與原用水量為148t/h相比，該項目實(shí)施可使該廠用水量節(jié)約23%。

總之，當(dāng)前能源供應(yīng)短缺成為經(jīng)濟(jì)增長的“頸瓶”之一，對于石油、化工等典型的過程工業(yè)，用夾點(diǎn)分析的方法對過程系統(tǒng)的用能、用水狀況進(jìn)行診斷，可找到過程系統(tǒng)的用能“瓶頸”所在，夾點(diǎn)技術(shù)在換熱網(wǎng)絡(luò)、水網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。大量的工程實(shí)例證明，利用夾點(diǎn)分析技術(shù)，指導(dǎo)具體過程系統(tǒng)工程的改造或設(shè)計，能降低公用工程消耗量和初期的投資費(fèi)用，實(shí)施方法簡單，具有明顯的優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。

［1］ Linnhoff B,Hindmarsh E．The Pinch Design method for Exchanger Network[J]．Chemical Engineer Science,1983,38（5）:45-74．

［2］ Linhoff．B and FlowerJ．R．Synthesis of heat exchanger networks：PartⅠ：SystematicGeneration of energy optimal networks，AICHEJ．1978，24(4)：633-642．PartⅡ：Evolutionary generation of networks with variouse criteria of optimality，AICHEJ，24(4)：642-654．

［3］ 徐文斌．常減壓蒸餾換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與改進(jìn) [J]．高橋石化，2006，21（3）：16-17．

［4］ 張玉?。p壓裝置加工高酸原油工藝方案探討[J]．河南化工，2006，23（7）：35-36．

［5］ 李哲，康久常，佟韶輝．常減壓裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計[J]．當(dāng)代化工，2009，38（4）：380-381．

［6］ 姜磊．常減壓裝置能量系統(tǒng)優(yōu)化改造 [J]．石油化工應(yīng)用，2008，27（6）：73-74．

［7］ 蔡硯，馮霄．加氫裂化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能改造[J]．現(xiàn)代化工，2006，26：289-290．

［8］ 陳麗．水夾點(diǎn)技術(shù)在煉油廠的應(yīng)用 [J]．計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2009，26（9）：1153-1154．

［9］ 袁一星，鐘丹，高金良．水夾點(diǎn)技術(shù)在煉油廠的應(yīng)用實(shí)例[J]．工業(yè)用水與廢水，2009，40（3）：48-50．

Principle and new application of pinch point theory

WANG Jun-mei,CHEN Jin-hua (COOEC ENPAL Engineering Co.Ltd,Shandong Qingdao 266061)

At present,energy resource is in a lacking condition,so saving energy and cutting down consumption of energy and water is the clever behavior．Pinch analysis is the most practical technology in the synthesis and integration of heat networks water netuorks．This paper mainly explain the basic principle and the application of pinch technology，and the examples in the petroleum projects proved that pinch technology can be used more and more widely．

saving energy;pinch analysis;heat networks;water networks

book=3,ebook=119

10．3969/j．issn．1008-1267．2010．03．014

TQ083

A

1008-1267（2010）03-037-03

2009-09-25

王俊美（1982-），畢業(yè)于青島科技大學(xué)，現(xiàn)就職于海工英派爾工程有限公司工藝室。