夾點技術理論及其求解方法討論

胡海蘭（蘭州石化公司研究院）

夾點技術理論及其求解方法討論

胡海蘭（蘭州石化公司研究院）

換熱網(wǎng)絡優(yōu)化目前主要有3種方法：試探法、夾點技術、數(shù)學規(guī)劃法。在實際應用中，夾點技術十分有效，經(jīng)濟效益顯著。文中給出了夾點技術中幾個關鍵問題的求解方法以及如何準確快捷地找出換熱網(wǎng)絡中的夾點。應用這些方法可以有效地進行換熱網(wǎng)絡的最優(yōu)設計，做到最大限度地利用能量。在分析夾點技術的基礎理論和熱力學原理的基礎上，提出了夾點技術的理論局限性、相關原因及克服辦法。

夾點技術 換熱網(wǎng)絡 優(yōu)化設計 局限性

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.05.001

夾點技術（Pinch Technology）始創(chuàng)于20世紀70年代末，是由英國學者Linnhoff B提出的。英國帝國化學公司（ICI）率先在工程設計中采用了這一全新的設計方法，取得了令人矚目的節(jié)能效果。在新建工廠的設計中，每個工程項目比常規(guī)設計平均節(jié)能30%，并且還節(jié)省了設備投資；在現(xiàn)場裝置技術改造應用中，投資回收期一般為1年左右。夾點技術立足于嚴格的熱力學和數(shù)學規(guī)則，具有完備的理論基礎，計算簡單、可靠，方法靈活、實用，工程技術人員容易掌握。夾點技術代表了一種全新的、強有力的設計方法。

1 基本原理

夾點技術是從能量回收有極限值的觀點出發(fā)，通過組合溫焓曲線或問題表格找出能量回收的瓶頸，建立一個最大限度能量回收的初始網(wǎng)絡，進行投資費用與運轉費用的權衡，對網(wǎng)絡進一步調優(yōu)，得到一個最優(yōu)換熱網(wǎng)絡，其理論依據(jù)是熱力學第二定律。

2 夾點及夾點溫差的確定

對于新設計的過程系統(tǒng)，設計者須選定適宜的最小允許傳熱溫差ΔTmin；對于一個現(xiàn)有的裝置系統(tǒng)，這應根據(jù)經(jīng)驗選擇一個適宜的最小允許傳熱溫差ΔTmin。對于操作型的夾點設計，需要通過迭代計算，使得計算的公用工程用量與實際相符合，此時的夾點才是系統(tǒng)裝置的真正夾點，所得最小允許傳熱溫差ΔTmin才是實際過程的ΔTmin。最優(yōu)夾點溫差的確定傳統(tǒng)上是由經(jīng)驗確定，但這樣就有可能存在一些不必要的誤差，而采用Super Targeting和問題表格方法在原則上可以避免這一類問題的出現(xiàn)。

2.1 最優(yōu)夾點溫度的確定

2.1.1 Super Targeting法

按照夾點技術，采用Super Targeting法可以在設計網(wǎng)絡之前，就能預測最佳夾點溫差。其主要步驟是：

◇根據(jù)ΔTmin=HRAT，采用問題表格法或者溫焓圖確定能量回收量，進而計算網(wǎng)絡的年運行費；

◇采用垂直換熱模型確定網(wǎng)絡的面積，采用圖論中的歐拉定律確定夾點兩邊子網(wǎng)絡的最小單元數(shù)，并按照每一單元分配相等面積的規(guī)則計算出網(wǎng)絡的投資，進而計算相應的年費用；

◇費用相加得到總的年費用，不同的ΔTmin對應不同的年費用，其關系見圖1。

2.1.2 問題表格法

問題表格法可以確定夾點的位置和最小公用工程消耗量。首先，按照冷熱物流的初始溫度t0和目標溫度t1確定區(qū)界溫度，區(qū)界溫度的確定應考慮傳熱溫差；其次，對由區(qū)界溫度構成的每一溫度區(qū)間進行熱量換算[1]：

式中：

ti——第i區(qū)間端點溫度，℃；

FcCpc——冷流體熱容流率，kW/℃；

FhCph——熱流體熱容流率，kW；

Q——第 i區(qū)間熱流量，kW。

然后再進行熱級聯(lián)算，找到最小公用工程加熱量Qh,min和冷卻量Qc,min，最后根據(jù)夾點處級聯(lián)熱流量為0確定夾點位置，可迅速得到夾點溫度和最小公用工程消耗，其程序結構見圖2。

2.2 物流存在相變時夾點的確定

確定夾點時，如物流有相變，同樣可以采用問題表格來確定夾點的位置。具體的方法是在發(fā)生相變的溫度點多劃分出一個溫度區(qū)間。在計算該溫度區(qū)間內的虧損熱量時，由于對應溫差為0，只記入相變熱。對于不發(fā)生相變的區(qū)間，其計算方法與取值按無相變區(qū)間處理[2]。物流有相變時，溫焓線上可以看出這樣一個規(guī)律：如圖3所示，假設曲線ABCD為冷流復合溫焓線，A1B1C1D1為熱流復合溫焓線，此時熱物流存在相變，從圖3可以看出系統(tǒng)的夾點不可能在B1點，只有可能是C點，這樣在問題表格的溫度區(qū)間取值時將C1點作為一個區(qū)間端點，再將這個區(qū)間內熱物流的相變熱計入?yún)^(qū)間的熱量平衡計算，同樣可以求得系統(tǒng)夾點；如果冷流在換熱過程中出現(xiàn)相變，即ABCD為熱流的復合溫焓線，A2B2C2D2為冷流復合溫焓線，同理夾點只能出現(xiàn)在B點，將這一點設置為溫度區(qū)間的端點，同樣可以取得系統(tǒng)夾點[3-4]。

3 夾點技術的局限性及原因

在分析其理論局限性前，回顧一下夾點技術的主要設計步驟：

◇確定初始夾點溫差，利用問題表格或溫焓圖確定夾點相應位置；

◇在夾點處將換熱網(wǎng)絡分成上下兩個初始網(wǎng)絡；

◇根據(jù)夾點設計規(guī)則，分別形成夾點上下兩個初始網(wǎng)絡；

◇合并夾點上下兩個換熱網(wǎng)絡，形成初始換熱網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡完成預定能量回收目標；

◇調優(yōu)，采用能量松弛法，切斷回路，減少單元數(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡；

◇通過剩余問題分析進一步優(yōu)化網(wǎng)絡。

通過以上步驟可以明顯地看出，夾點技術的優(yōu)勢在于簡單、靈活，適于手算，且能較快地產(chǎn)生多種不同的換熱網(wǎng)絡，在實踐中取得了顯著的經(jīng)濟效益；但正如Gaggioli所指出的那樣，顯著的效果并非僅僅是由方法或技術產(chǎn)生的，還有可能是基礎設計或原設計本來就存在著很大的改進潛力。夾點技術同樣面臨著這樣的質疑，其主要原因在于技術本身具有一定的局限性，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）在初始確定ΔTmin時，如果選擇了不恰當?shù)膴A點溫差ΔTmin，從而使夾點位置與最優(yōu)位置偏離，就有可能產(chǎn)生完全不同的換熱網(wǎng)絡，且遠遠偏離最優(yōu)解。這種情況下，無論后繼步驟如何完善都不可能達到期望的最低費用目標。

（2）夾點技術是分步驟對面積目標、換熱單元數(shù)目標和公用工程消耗量目標進行調節(jié)，首先完成能量回收目標，其次完成換熱單元目標和換熱面積目標，但在設計過程中，其初始網(wǎng)絡一旦形成，其基本拓樸結構也已確定，其后的改進步驟都是在以確定的網(wǎng)絡上進行的，造成這一結果的根本原因就在于沒有將網(wǎng)絡設計作為一個整體考慮，而是分塊進行，這勢必造成設計結果遠遠偏離最優(yōu)解。

（3）在調優(yōu)過程中夾點技術采用能量松弛法，即以增大公用工程量為代價減小單元數(shù)，減少投資。這實際上是調節(jié)單元數(shù)、換熱面積、公用工程量三者之間的關系，然而，解后的網(wǎng)絡對應一個新的ΔTmin，這與設計開始時所規(guī)定的ΔTmin是相互矛盾的，ΔTmin的改變勢必又會引起夾點位置的改變，那么整個網(wǎng)絡也就隨之改變了。

（4）在設計的最后一步所依賴的物理基礎是垂直換熱模型，如果物流在換熱過程中存在相變，其物流溫度不變，焓值增加，在溫焓圖上表現(xiàn)出來的是一段平行于橫軸的線段，這一溫位物流在夾點設計中勢必引起交叉?zhèn)鳠帷鴥纫延形墨I報道，在物流膜傳熱系數(shù)相差一個數(shù)量級時，其誤差可達50%以上，即使物流的膜傳熱系數(shù)相同，其傳熱過程也不是嚴格意義上的垂直換熱。

（5）在夾點設計中，整個系統(tǒng)采用同一個ΔTmin，且認為熱回收網(wǎng)絡的最小傳熱溫差、劃分溫度區(qū)間溫差與熱交換器內最小傳熱溫差相等，這是不經(jīng)濟的，也是不可取的。造成這些結果的直接原因就是夾點技術本身的特點，由于夾點技術將換熱網(wǎng)絡分塊進行設計，這大大簡化了設計的復雜度，但也正是由于這種簡化將換熱網(wǎng)絡的整體性打破，形成了一個個孤立的系統(tǒng)，彼此間不能很好地協(xié)調，從而影響系統(tǒng)的整體性能。換一個角度來講，即使是每個單獨的子網(wǎng)絡經(jīng)過分析、協(xié)調，達到了各自的最優(yōu)點，那它們組合起來的網(wǎng)絡也不一定就是最優(yōu)的。要克服這些問題，只有將換熱網(wǎng)絡視為一個整體加以考慮，子系統(tǒng)間相互協(xié)調，這樣在一定范圍內才可以有效地避免上述問題。

[1]肖云漢，朱明善，王補宣.換熱網(wǎng)絡設計方法的研究進展[J].化工進展，1994(1)：9-13．

[2]徐亦方.可變冷熱流換熱網(wǎng)絡的夾點和最小外界供熱調優(yōu)[J].石油大學學報，1989(6)：13-15．

[3]朱明善，肖云漢，王補宣.換熱網(wǎng)絡的一種新的自動設計方法[J].石油煉制，1993，24：23-27．

[4]白潤生，李有潤.分流約束下?lián)Q熱網(wǎng)絡的面積目標[J]．化工學報，1993，44：3-8．

胡海蘭，2010年畢業(yè)于華東理工大學，工程碩士，高級工程師，從事能量優(yōu)化節(jié)能管理工作，E-mail：cnhhl@163.com，地址：甘肅省蘭州市西固區(qū)清水街17號，730060。

2011-04-18)