夾點(diǎn)技術(shù)在建材工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用和研究

趙婉霞，趙小蔚

(1、Curtin University(Australia)，浙江 杭州 310012;2、浙江省建筑材料科學(xué)研究所，浙江 杭州 310012)

1 引言

夾點(diǎn)技術(shù)是一種使工業(yè)工程系統(tǒng)的能源消耗整體優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。夾點(diǎn)技術(shù)的特點(diǎn)就是把整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)集成的整體，這樣就可以在設(shè)計(jì)上做到使整體設(shè)計(jì)最優(yōu)化，也就是說(shuō)達(dá)到能耗最低、費(fèi)用最小和環(huán)境污染最少。該方法具有物理意義清晰的特點(diǎn)，方法靈活簡(jiǎn)便，所以易于被工程技術(shù)人員掌握的特點(diǎn)。夾點(diǎn)技術(shù)最早是由英國(guó)曼徹斯特科技大學(xué)的B.Linnhoff教授及其同事率先提出的，此法一經(jīng)推出，即得到廣泛的重視和采用，以后又在實(shí)踐中不斷得到發(fā)展和完善。目前歐美等國(guó)已有大型工程的新設(shè)計(jì)和改造采用了該方法，而且都取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。一般改造項(xiàng)目的投資費(fèi)用回收年限均在兩年以?xún)?nèi)。采用這種技術(shù)對(duì)于新裝置設(shè)計(jì)而言，比傳統(tǒng)方法節(jié)能30%—50%;近幾年夾點(diǎn)技術(shù)也逐漸應(yīng)用于老裝置和老設(shè)備的節(jié)能技術(shù)改造中，并且也能取得較好的節(jié)能目的。

2 夾點(diǎn)技術(shù)的典型方法

在本文中，將重點(diǎn)介紹如何使用夾點(diǎn)技術(shù)的幾種典型的方法和工具，如冷熱組合曲線(xiàn) 問(wèn)題表格算法 綜合復(fù)合曲線(xiàn)和熱交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，進(jìn)行優(yōu)化能源分布和配置，從而達(dá)到最大限度地降低能耗成本。

2.1 冷熱組合曲線(xiàn)

冷熱組合曲線(xiàn)是用作圖的方法，在溫－焓圖上作出熱物流和冷物流的組合曲線(xiàn)，熱物流組合曲線(xiàn)應(yīng)在冷物流組合曲線(xiàn)的上方，當(dāng)兩條曲線(xiàn)垂直距離最近時(shí)，也就是達(dá)到最小的最佳溫度差ΔT－min，此處的溫度就是夾點(diǎn)溫度。此外，右側(cè)為的最小加熱效能QHmin，左側(cè)為最小冷卻效能QCmin。

舉個(gè)例子，在一個(gè)比較簡(jiǎn)單的熱物流公用工程中有四個(gè)數(shù)據(jù)流，包括兩個(gè)熱物流和兩個(gè)冷物流，相關(guān)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示，冷熱組合曲線(xiàn)就可以用來(lái)確定它的夾點(diǎn)溫度。如果ΔT－min在這種情況下是10°C，圖1給出了最佳的熱和冷物流的夾點(diǎn)溫度之間的溫差和冷熱組合曲線(xiàn)。

表1 熱物流公用工程數(shù)據(jù)

Stream Supply temp，TS(℃)Target temp，TT(℃)Heat capacity flow rate，CP(kW/℃) ΔH(kW)C1 30 135 2 210 C2 80 140 5 300

圖1 冷熱組合曲線(xiàn)

2.2 問(wèn)題表格算法

表2 移位的物流的溫度

問(wèn)題表格算法的建立步驟可分為如下幾步:

2.2.1 建立移位溫度T*

由于問(wèn)題表格算法是使用溫度區(qū)間為單位，所以要建立一個(gè)統(tǒng)一的溫度規(guī)模來(lái)做計(jì)算。但是，如果使用的實(shí)際溫度流，由于有一些熱量不能及時(shí)收回，會(huì)造成數(shù)據(jù)誤差，因此，為了避免此問(wèn)題，建立一個(gè)移位溫度T*來(lái)重新建立溫度標(biāo)示。當(dāng)ΔTmin確定后，為了執(zhí)行能量定位，熱和冷物流相應(yīng)移位。可以通過(guò)移位溫度T*減去(ΔTmin)/2為熱物流使其冷卻，而添加(ΔTmin)/2為冷物流以使其更熱。例如，在表2的最后兩列顯示移位后物流的溫度，當(dāng)ΔTmin的=10℃。列出所有轉(zhuǎn)移溫度升降溫度形成的溫度區(qū)間。

2.2.2 ΔH平衡

在此步驟中，先計(jì)算出在每個(gè)溫度區(qū)間的熱容量流速的總和。在乘以熱容量流率的區(qū)間溫差，就可以得到ΔH平衡。此外，當(dāng)ΔH是向上的，這意味著熱物流占主導(dǎo)地位，這時(shí)可以向外提供熱量，相反，當(dāng)ΔH向下時(shí)，這意味著冷物流占主導(dǎo)地位，需要外界提供熱量。圖2所示的的ΔH平衡圖示例子。

圖2 ΔH平衡

2.2.3 熱級(jí)聯(lián)(子網(wǎng)絡(luò))

圖3是一個(gè)比較典型的熱級(jí)聯(lián)(子網(wǎng)絡(luò))圖表，在熱級(jí)聯(lián)的第一列是指移位的溫度，第二列是千焦耳/小時(shí)的焓值，第三列是指以kJ/小時(shí)的熱負(fù)荷。開(kāi)始的熱級(jí)聯(lián)為零。按溫位將系統(tǒng)中的物流劃分為若干個(gè)熱級(jí)聯(lián)(子網(wǎng)絡(luò))，求出熱級(jí)聯(lián)的輸入和輸出熱負(fù)荷，在負(fù)荷為零處，如表3中可以計(jì)算出夾點(diǎn)為85，這樣，熱物流的夾點(diǎn)溫度就為90℃，熱物流的夾點(diǎn)溫度就為80℃。

圖3 熱級(jí)聯(lián)(子網(wǎng)絡(luò))

2.3 綜合復(fù)合曲線(xiàn)(GCC)

綜合復(fù)合曲線(xiàn)是用于設(shè)置多個(gè)能量程序目標(biāo)的工具，，圖3就是比較典型的綜合復(fù)合曲線(xiàn)。建立一個(gè)綜合復(fù)合曲線(xiàn)，首先我們要將熱物流的溫度進(jìn)行調(diào)整。該曲線(xiàn)是通過(guò)減去的一部分從熱氣流溫度的允許溫度的方法和加入剩余部分的容許溫度的方法向冷物流溫度偏移，然后根據(jù)所得的工藝溫度繪制一個(gè)綜合復(fù)合曲線(xiàn)，然后根據(jù)曲線(xiàn)顯示的整體的熱物流過(guò)程中消耗溫度繪制出從焓(水平)在不同溫度下的移位的復(fù)合曲線(xiàn)之間的差異。

在圖3中，此曲線(xiàn)顯示一個(gè)焓等于零，此點(diǎn)就是夾點(diǎn)溫度。另外，在該曲線(xiàn)上，還可以看到一個(gè)過(guò)程的熱物流的能量交換到另一個(gè)區(qū)域。這個(gè)區(qū)域被稱(chēng)為“熱口袋”?？诖械那€(xiàn)代表的區(qū)域中冷熱物流的熱交換是足以自由交換的，而不需要外界給予能量。所以在這個(gè)區(qū)域，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是沒(méi)有任何能量程序和熱交換器的。

圖4 綜合復(fù)合曲線(xiàn)

此外，GCC是用于選擇所需的冷卻和加熱公用工程的基本方法之一。GCC表示出的熱和冷物流的焓和溫度可以區(qū)分在不同溫度水平的工程處理方面的要求。在不同的溫度下，選用不同的工程設(shè)備，以最大限度的降低設(shè)備成本.就像在圖5中的，MP蒸汽選用的從高壓蒸汽排出的富余蒸汽，而不是直接使用高壓蒸汽，這樣成本可大大降低。

圖5 使用GCC單個(gè)和多個(gè)蒸汽水平

總之，綜合復(fù)合曲線(xiàn)是用于選擇適當(dāng)?shù)男в盟胶歪槍?duì)一個(gè)給定集合的多個(gè)效用水平中使用的夾點(diǎn)分析的最基本的工具之一。它針對(duì)涉及到的各種能效水平設(shè)置適當(dāng)?shù)呢?fù)載，使效能最大化和成本最小化。

2.4 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)(HEN)

根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，由于其簡(jiǎn)單，高效而被廣泛采用。換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分別采用上下兩個(gè)夾點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，該區(qū)域被劃分成上面和下面的夾點(diǎn)網(wǎng)格圖。通過(guò)充分回收熱量和添加額外的熱量來(lái)進(jìn)行熱和冷的物流工程設(shè)計(jì)，最終可以得到換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的上、下夾點(diǎn)網(wǎng)格圖見(jiàn)圖6和圖7所示。

3 小結(jié)

夾點(diǎn)的兩個(gè)特征:一是該處的冷熱物流間的熱流溫差最小，在該處可以得到ΔTmin;二是該處的工程系統(tǒng)的熱流量為零。這也就說(shuō)明夾點(diǎn)限制了工程系統(tǒng)能量的進(jìn)一步回收，形成了該處的系統(tǒng)能量回收的“瓶頸”，如果要想進(jìn)一步回收能量，就必須解開(kāi)“瓶頸”，這就需要“優(yōu)化”夾點(diǎn)，夾點(diǎn)技術(shù)的意義就在于如何“優(yōu)化”夾點(diǎn)。另外，夾點(diǎn)把工程系統(tǒng)分成上下兩個(gè)系統(tǒng)，夾點(diǎn)的上方為熱網(wǎng)絡(luò)，需要公用工程進(jìn)行加熱，而夾點(diǎn)下方為冷網(wǎng)絡(luò)，需要公用工程進(jìn)行冷卻。另外，為了保證系統(tǒng)能量的回收做到最大化，應(yīng)遵守三條基本原則:(1)夾點(diǎn)處不能有熱流量流過(guò);(2)夾點(diǎn)上方不能導(dǎo)入冷公用工程;(3)夾點(diǎn)下方不能導(dǎo)入熱公用工程。

圖6 換熱器網(wǎng)絡(luò)的上夾點(diǎn)網(wǎng)格

圖7 換熱器網(wǎng)絡(luò)的下夾點(diǎn)網(wǎng)格

4 成本目標(biāo)

對(duì)于不同的值ΔTmin，夾點(diǎn)溫度也會(huì)隨著改變，當(dāng)選擇較低的值ΔTmin，使用的能量將減少，但將增加換熱面積。使用的能源量會(huì)影響經(jīng)營(yíng)成本，而換熱器的面積會(huì)影響投資成本。因此，如何在建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本之間找到了平衡也是一個(gè)非常重要的工作。使用成本目標(biāo)法就可以獲得最佳的總成本目標(biāo).

建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本之間的平衡取決于每單位面積的換熱器，加熱和冷卻的成本，投資成本，投資回收期等多方面的因素。另外建設(shè)成本是一次性的投資。而能源和工程運(yùn)營(yíng)成本，是多年累積的。因此，要計(jì)算總成本時(shí)，資本成本和運(yùn)行成本必須建立在一個(gè)相同的基礎(chǔ)。常用的方法，是評(píng)估在一個(gè)固定的期間內(nèi)，經(jīng)營(yíng)成本和資本成本的回報(bào)期通常是用來(lái)作為那個(gè)時(shí)期來(lái)考慮。圖8顯示根據(jù)增加ΔTmin的資本成本，經(jīng)營(yíng)成本和總成本之間的關(guān)系。

預(yù)測(cè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資本成本可以根據(jù)一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系成本:

圖8 ΔTmin時(shí)的資金，運(yùn)營(yíng)成本和總成本的變化

其中，a，b和c是根據(jù)建筑，壓力等級(jí)和類(lèi)型的熱交換器中的材料而有所不同的成本定律常數(shù)。此外，當(dāng)執(zhí)行定位成本，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之間的區(qū)域分布是未知的。因此，它只是假定所有的熱交換器具有相同的面積，然后網(wǎng)絡(luò)成本可以表示為:

其中，N是單位的數(shù)目

5 結(jié)論

目前，夾點(diǎn)技術(shù)在國(guó)外得到了越來(lái)越多的企業(yè)的重視，許多國(guó)際知名的大公司都在開(kāi)始采用夾點(diǎn)技術(shù)，雖然我國(guó)的建材行業(yè)仍然還在快速的發(fā)展，但由于國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高，建材行業(yè)也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，許多企業(yè)由于能源消耗，環(huán)境污染等一系列問(wèn)題無(wú)法解決，面臨著轉(zhuǎn)產(chǎn)搬遷的問(wèn)題.為了解決此問(wèn)題，利用夾點(diǎn)技術(shù)來(lái)進(jìn)行企業(yè)的技術(shù)改造以降低能耗，減少?gòu)U氣，污水排放，凈化環(huán)境和優(yōu)化投資將會(huì)給建材行業(yè)帶來(lái)受益匪淺的好處.近幾年，夾點(diǎn)技術(shù)的研究已經(jīng)延伸到水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，水夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于節(jié)約工業(yè)系統(tǒng)的水量，減少?gòu)U水的排放有著明顯的優(yōu)勢(shì)，所以如果能綜合全面的在企業(yè)的技術(shù)改造方面應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)那節(jié)能減耗的效果就更明顯了。

［1］張濟(jì)民 夾點(diǎn)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.化學(xué)工程師，2004(6):45－47.

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