夾點(diǎn)理論及其在換熱網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)化分析

劉智勇，李志偉，霍 磊

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

隨著能源的日漸緊張，過(guò)程集成已成為熱點(diǎn)話題。過(guò)程集成中目前最實(shí)用的是夾點(diǎn)技術(shù)。

乙烯是有機(jī)化工工業(yè)的一種重要的基礎(chǔ)原料，世界各國(guó)都以乙烯產(chǎn)量作為衡量石油化工的發(fā)展水平的重要標(biāo)志［1］。我國(guó)的乙烯工業(yè)起步較晚，基礎(chǔ)薄弱、技術(shù)落后以及規(guī)模小是當(dāng)今企業(yè)的弱點(diǎn)，以此依托老基地，采用乙烯裝置技術(shù)發(fā)展的最新成果，充分挖掘老裝置的潛力，通過(guò)技術(shù)改造;消除瓶頸制約，走擴(kuò)大生產(chǎn)能力與提高技術(shù)裝備水平、內(nèi)涵挖潛與擴(kuò)能改造相結(jié)合的道路，是改變我國(guó)乙烯工業(yè)落后現(xiàn)狀的必然選擇［2］。

1 夾點(diǎn)技術(shù)簡(jiǎn)介

夾點(diǎn)技術(shù)是英國(guó)學(xué)者Linhoff于20世紀(jì)70年代在總結(jié)前人研究基礎(chǔ)之上提出的，并逐漸發(fā)展成為一整套換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)法［3］。該技術(shù)是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從宏觀的角度分析過(guò)程系統(tǒng)中能量流沿溫度的分布，從中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能的“瓶頸”所在。夾點(diǎn)技術(shù)以整個(gè)系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，同以前只著眼于局部、只考慮某幾股熱流的回收、某個(gè)設(shè)備或車間的改造的節(jié)能技術(shù)相比，節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益要顯著得多.應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)可以方便地找出換熱網(wǎng)絡(luò)中不合理的用能設(shè)備，對(duì)優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)提供指導(dǎo)，使能量達(dá)到最大回收。

1.1 夾點(diǎn)的基本原理

夾點(diǎn)技術(shù)以化工熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)出發(fā)，選用年總費(fèi)用、設(shè)備投資費(fèi)用、最大熱量回收量、最少換熱器數(shù)目等作為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)［4－6］，首先通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法或數(shù)學(xué)優(yōu)化估算確定夾點(diǎn)溫差，采用復(fù)合溫－焓曲線或用問(wèn)題表法的途徑得出夾點(diǎn)，從而確定最小加熱公用工程量及最小冷卻公用工程量，通過(guò)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則找出流程中不合理的換熱過(guò)程及換熱設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，從而使換熱網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最優(yōu)［7］。夾點(diǎn)技術(shù)已成功地在世界范圍內(nèi)取得了顯著的節(jié)能效果。采用這種技術(shù)對(duì)新廠設(shè)計(jì)而言，比傳統(tǒng)方法可節(jié)能30%～50%;對(duì)老廠改造而言，通?？晒?jié)能20%～35%，改造回收年限一般只有0.5～3年［8］。

1.2 夾點(diǎn)的形成與含義

在利用夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法或數(shù)學(xué)優(yōu)化估算確定夾點(diǎn)溫差△Tmin，這是整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)允許的最小傳熱溫差。

1.2.1 工藝物流的特性曲線

將過(guò)程所有熱物流按溫度變化區(qū)間和相應(yīng)的焓的變化值在溫－焓圖上連續(xù)繪出，見(jiàn)圖1，由高溫到低溫，形成熱物流組合曲線(曲線ABCD);同理，可以做出從低溫到高溫的冷物流組合曲線(曲線EFGH)，物流的熱量變化量用橫坐標(biāo)兩點(diǎn)間的焓差△H表示，冷熱物流組合曲線沿H軸平移，不改變物流的溫位和熱量變化。

圖1 冷熱復(fù)合線溫－焓線

在溫—焓圖上，熱物流組合曲線在左上方，冷物流組合曲線在右下方，沿H軸平移冷組合曲線使之靠近熱組合曲線，在這個(gè)過(guò)程中各部位的傳熱溫差△T逐漸變小，冷、熱負(fù)荷曲線在某點(diǎn)重合時(shí)該系統(tǒng)內(nèi)部換熱達(dá)到極限，重合點(diǎn)傳熱溫差為零，該點(diǎn)即為夾點(diǎn)［9］。但是，在夾點(diǎn)溫差為零時(shí)操作所需要無(wú)限大的傳熱面積，是不現(xiàn)實(shí)的。不過(guò)可以通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)來(lái)確定一個(gè)系統(tǒng)最小的傳熱溫差—夾點(diǎn)溫差△Tmin。因此，可定義為冷熱負(fù)荷溫焓線上傳熱溫差最小的地方。確定了夾點(diǎn)溫差后的冷熱負(fù)荷曲線如圖1所示。冷、熱曲線重疊的部分ABCEFG，為過(guò)程內(nèi)部冷、熱流體的換熱區(qū)，包括多股熱流和多股冷流，物流的焓變?nèi)客ㄟ^(guò)換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn);冷負(fù)荷曲線上端剩余部分GH，已沒(méi)有合適的熱流與之換熱，需要公用工程加熱器使這部分冷流升高到目標(biāo)溫度，GH為在該夾點(diǎn)溫度下所需的最小加熱公用工程量QH，min;熱負(fù)荷曲線下端剩余部分CD，已沒(méi)有合適的冷流與之換熱，需要公用工程冷卻器使這部分熱流降低到目標(biāo)溫度，CD為在該夾點(diǎn)溫差下所需的最小冷卻公用工程量QC，min。

夾點(diǎn)的出現(xiàn)將整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)分成了兩部分;夾點(diǎn)之上和夾點(diǎn)之下。夾點(diǎn)之上是熱端，只有換熱和加熱公用工程，沒(méi)有任何熱量流出，可看做是一個(gè)凈熱井;夾點(diǎn)之下是冷端，只有換熱和冷卻公用工程，沒(méi)有任何熱量流入，可看做是一個(gè)熱源［10］。

1.2.2 采用問(wèn)題表格計(jì)算

問(wèn)題表格法的計(jì)算步驟如下:

(1)以冷、熱流體的平均溫度為尺寸，劃分溫度區(qū)間。冷、熱流體平均相對(duì)熱流體下降1/2個(gè)夾點(diǎn)溫差(△Tmin/2)，相對(duì)冷流體上升1/2個(gè)夾點(diǎn)溫差(△Tmin/2)。這樣可保證每個(gè)溫區(qū)內(nèi)熱流體比冷流體高△Tmin，而滿足傳熱的需要。

(2)計(jì)算每個(gè)溫區(qū)內(nèi)的熱平衡，以確定各溫區(qū)所需的加熱量和冷卻量，計(jì)算式

式中 ΔHi——第i區(qū)間所需要的外加熱量/kW;

∑CpC、∑CpH——該溫區(qū)內(nèi)冷、熱物流熱熔流率之和/kW·℃－1;

Ti、Ti+1——該溫區(qū)的進(jìn)出口溫度/℃。

(3)進(jìn)行熱級(jí)聯(lián)計(jì)算。第一步，計(jì)算外界無(wú)熱量輸入時(shí)各溫區(qū)間的熱通量。此時(shí)，各溫區(qū)之間可有自上而下的熱流流通，但不能有逆向的熱流流通。第二，為了保證各溫區(qū)之間的熱通量不小于零，根據(jù)第一步級(jí)聯(lián)計(jì)算結(jié)果，取絕對(duì)值最大的為負(fù)的熱通量的絕對(duì)值為所需外界加入的最小熱通量，即最小加熱公用工程用量，由第一個(gè)溫區(qū)輸入;然后計(jì)算外界輸入最小加熱公用工程量時(shí)各溫區(qū)之間的熱通量;而由最后一個(gè)溫區(qū)流出的熱量，就是最小冷卻公用工程用量。

(4)溫區(qū)之間熱通量為零處，即為夾點(diǎn)。

1.3 夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用的基本準(zhǔn)則

在設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先設(shè)計(jì)最大熱回收(即達(dá)到能量目標(biāo))的換熱網(wǎng)絡(luò)，然后再根據(jù)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)性進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

1.3.1 在夾點(diǎn)處冷、熱流體之間的溫差傳熱最小，需要注意以下幾方面:

(1)不要有跨越夾點(diǎn)的傳熱，即夾點(diǎn)處不能有熱量穿過(guò)。

(2)不要在夾點(diǎn)之上設(shè)置任何公用工程冷卻器，如果在夾點(diǎn)之上系統(tǒng)中設(shè)置冷卻器，用冷卻公用工程移走的那部分熱量，必然有加熱公用工程額外輸入。

(3)不要在夾點(diǎn)之下設(shè)置任何公用工程加熱器，如果在夾點(diǎn)之下系統(tǒng)中設(shè)置加熱器，用加熱公用工程移走的那部分熱量，必然有冷卻公用工程額外輸入。

這些使夾點(diǎn)成為設(shè)計(jì)中約束最多的地方，因而需要從夾點(diǎn)著手，將換熱網(wǎng)絡(luò)分為夾點(diǎn)上、下兩部分分別向兩頭進(jìn)行物流間的匹配換熱。

1.3.2 在全局用能網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化中，要使夾點(diǎn)處冷、熱流體之間的傳熱溫差最小，需要注意:

(1)物流數(shù)目準(zhǔn)則，夾點(diǎn)設(shè)計(jì)的可行性規(guī)劃要求夾點(diǎn)上方的熱工工藝物流數(shù)目NH不大于冷工藝物流數(shù)目NC，即滿足NH≤NC;夾點(diǎn)下方滿足NH≥N C。

(2)熱熔率準(zhǔn)則，夾點(diǎn)之上須滿足CpH≤CpC，夾點(diǎn)之下應(yīng)滿足CpH≥CpC。如果夾點(diǎn)處的實(shí)際物流不能滿足該準(zhǔn)則，就應(yīng)通過(guò)分流來(lái)減少夾點(diǎn)之上所需匹配的熱熔流率或夾點(diǎn)之下所需的冷流的熱熔流率。

(3)最大換熱負(fù)荷準(zhǔn)則，為保證最小數(shù)目的換熱單元，每一次匹配應(yīng)該換完;兩股中的一股。

1.3.3 為了對(duì)現(xiàn)有裝置進(jìn)行最好熱回收方案設(shè)計(jì)，應(yīng)該做到:

(1)檢查現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別違背夾點(diǎn)的設(shè)備。

(2)得到一個(gè)最節(jié)能的設(shè)計(jì)，盡可能和基礎(chǔ)工況兼容。

(3)當(dāng)匹配存在時(shí)，特別是原理夾點(diǎn)區(qū)域，最好選擇已存在的匹配。

(4)通過(guò)換熱網(wǎng)絡(luò)面積分析，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)面積進(jìn)行評(píng)估，盡可能回復(fù)現(xiàn)有單元的面積值。

(5)對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行模擬優(yōu)化。

2 工程實(shí)例

本文利用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)某乙烯生產(chǎn)的能量系統(tǒng)進(jìn)行了分析，找出了其能量利用不合理的環(huán)節(jié)?；趭A點(diǎn)技術(shù)的設(shè)計(jì)原則，提出了一種節(jié)能效果顯著的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

2.1 數(shù)據(jù)的提取

根據(jù)乙烯系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)提取的冷、熱數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 乙烯換熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

如表2所示，其中有20股冷流及14股熱流。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)夾點(diǎn)溫差一般為10～20℃，通過(guò)計(jì)算我們選取換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)溫差為10℃，計(jì)算的夾點(diǎn)位置為75℃，65℃之間。所需最小加熱公用工程為44 000 kW，最小冷卻公用工程為52 400 kW。生成的組合曲線如圖2所示。

圖2 組合曲線

2.2 原換熱網(wǎng)絡(luò)分析

如圖3中所示各換熱器后的數(shù)字表示溫度，單位為℃，箭頭向右的為熱物流或加熱公用工程，溫度逐漸降低，箭頭向左為冷物流或冷卻公用工程，溫度逐漸升高。該換熱系統(tǒng)共有36組換熱器，其中中壓蒸汽、低壓蒸汽、制冷器10為公用工程加熱器。冷卻水、乙烯冷劑－100、乙烯冷劑－76、乙烯冷劑－54、丙烯冷劑－34、丙烯冷劑+00、丙烯冷劑+10為公用工程冷卻器。其中有四組換熱器穿越夾點(diǎn)。分別為急冷水與OFUSRS穿越夾點(diǎn)能量浪費(fèi)2 877 kW;急冷水與C3再沸器穿越夾點(diǎn)換熱能量浪費(fèi)6 508 kW。低壓蒸汽與進(jìn)料1能耗為89 kW。干燥氣與冷卻水穿越夾點(diǎn)換熱能量浪費(fèi)2 747 kW。夾點(diǎn)之下使用了2個(gè)冷卻器，由制冷器10加熱，分別為制冷器10加熱C2再沸器能量浪費(fèi)10 257.5 kW;制冷器10加熱C2PROD能量浪費(fèi)3 810 kW。加熱公用工程總換熱器數(shù)目為9個(gè)，熱負(fù)荷總量為78 192 kW，每年消耗的公用工程加熱費(fèi)用為3 735萬(wàn)元。冷卻公用工程總換熱數(shù)目為13個(gè)，冷負(fù)荷總量為85 716 kW，每年消耗的公用工程的冷卻費(fèi)用為8 594萬(wàn)元。

圖3 原換熱網(wǎng)絡(luò)圖(單位:℃)

2.3 改造方案

根據(jù)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)步驟及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)該換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造。要求不應(yīng)有穿越夾點(diǎn)的換熱，符合熱熔流率準(zhǔn)則，合理改造換熱網(wǎng)絡(luò)。改造后換熱網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖4所示。工程改造后總換熱器數(shù)目為40組。急冷水先于C2C3再沸器換熱至夾點(diǎn)溫度75℃后分流與其他網(wǎng)絡(luò)換熱，則節(jié)約能量9 385 kW。干燥氣與C3C4再沸器換熱至夾點(diǎn)溫度75℃后再與其他網(wǎng)絡(luò)換熱，節(jié)約能量2 747 kW。進(jìn)料1與干燥氣換熱至夾點(diǎn)溫度65℃再被低壓蒸汽加熱，節(jié)約能量89 kW。C2再沸器直接與C3凝液換熱則節(jié)約加熱及冷卻公用工程10 257.5 kW。C2PROD與系統(tǒng)內(nèi)物流換熱減少加熱及冷卻公用工程3 810 kW。綜上所訴共節(jié)約能量33 262 kW。換熱網(wǎng)絡(luò)加熱公用工程總換熱器數(shù)目為6個(gè)，總熱負(fù)荷為44 867 kW，每年消耗的加熱公用工程費(fèi)用為2 613萬(wàn)元。冷卻公用工程總換熱器數(shù)目為11個(gè)，冷負(fù)荷總量為52 454 kW，每年消耗冷卻公用工程費(fèi)用為6 767萬(wàn)元。

圖4 改造后換熱網(wǎng)絡(luò)圖(單位:℃)

2.4 經(jīng)濟(jì)分析

原換熱網(wǎng)絡(luò)總換熱其數(shù)目為36組，改造后為40組，增加了4組換熱器。新增設(shè)備及改造費(fèi)用約為2 900萬(wàn)元。改造后節(jié)約加熱公用工程量為33 262 kW，節(jié)約冷卻公用工程的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用約為2 949萬(wàn)元，約一年即可回收。

3 結(jié)論

工程實(shí)例證明夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用于乙烯生產(chǎn)等，在復(fù)雜換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中具有計(jì)算簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。利用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)該工程乙烯原換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析后節(jié)省能量約占加熱公用工程的42%。換熱網(wǎng)絡(luò)改造后一年就可回收，使換熱網(wǎng)絡(luò)能耗最大回收。然而夾點(diǎn)附近有嚴(yán)格的要求，具體情況總結(jié)如下:

(1)夾點(diǎn)附近嚴(yán)格要求最小能量損失，而使夾點(diǎn)附近換熱設(shè)備數(shù)目增加，使工廠前期投資及改造費(fèi)用太高。

(2)夾點(diǎn)附近的熱容流率準(zhǔn)則及物流數(shù)目準(zhǔn)則要求:夾點(diǎn)之上必須遵循CpH≤CpC及NH≤NC，而夾點(diǎn)之下必須遵循CpH≤CpC及NH≥NC。不符合之處需要進(jìn)行分流，如圖3所示夾點(diǎn)之下熱物流數(shù)目小于冷物流數(shù)目，所以物流急冷水需要分流。同樣增加了初期的投資及網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

基于以上問(wèn)題一般可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)松弛以最小能量犧牲來(lái)降低設(shè)備單元數(shù)方法如下:

(1)若物流分流是不期望的，可以通過(guò)循環(huán)匹配或網(wǎng)絡(luò)松弛來(lái)消除分流。

(2)物流分流增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和靈活性，故若物流不分流，可以找到最小換熱面積方案，通常優(yōu)先于物流分流方案。

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