海水冷卻系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡的夾點求解

史玉蓮，劉淑靜，單 科

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

海水冷卻系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡的夾點求解

史玉蓮，劉淑靜，單 科

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

針對目前國內海水直流冷卻系統(tǒng)熱能損失嚴重，存在海水冷卻溫排水和氯制殺生劑等環(huán)境影響問題，以某一采用海水冷卻系統(tǒng)的合成氨生產裝置為例，用夾點設計法對氨循環(huán)過程的換熱網(wǎng)絡進行用能診斷和優(yōu)化.采用簡潔、方便的電子表格建模法求解換熱網(wǎng)絡夾點，假定最小夾點溫差為12℃，計算得出夾點位于子網(wǎng)絡SN9與SN10之間，夾點在平均溫度116℃處，換熱網(wǎng)絡所需的最小加熱公用工程為19.91 MW、最小冷卻公用工程為22.66 MW，與大型模擬軟件的計算結果相近，驗證了方法的可行性，并以此為依據(jù)，對該系統(tǒng)過程用能及工藝提出優(yōu)化建議.

換熱網(wǎng)絡綜合；海水冷卻；電子表格法；夾點救解

海水直流冷卻技術具有系統(tǒng)運行管理簡單、可節(jié)約大量淡水資源等優(yōu)點，被廣泛用于沿海電廠、核電站、化工及石化等行業(yè).隨著環(huán)保意識的增強，如何減輕溫排水和氯制殺生劑的環(huán)境影響成為關系該技術應用發(fā)展的一個關鍵問題.近幾年，沿海大型化工、石化園區(qū)不斷增多，采用海水直流冷卻的工程也越來越多，與之而來的環(huán)境問題備受關注.目前此類工程中的溫海水處置問題卻鮮有報道，而具有節(jié)能降耗作用的夾點技術是目前較成熟和實用的換熱網(wǎng)絡優(yōu)化設計方法，多年來國內外不少學者在夾點技術的開發(fā)、求解及應用方面做了大量工作[1-10]，其在新廠設計及老廠改造的能量回收方面效果顯著，產生了重大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益.本文以某一采用海水冷卻系統(tǒng)的合成氨生產裝置項目為例[11]，針對海水冷卻系統(tǒng)工程特點，簡要說明夾點設計法在診斷和調優(yōu)此類工程中的應用，并利用電子表格法對采用海水直流冷卻系統(tǒng)的尿素生產過程的換熱網(wǎng)絡進行夾點分析，找出了系統(tǒng)用能的不足之處，為進一步優(yōu)化系統(tǒng)用能提供數(shù)據(jù)支撐.通過計算可知，該方法與大型模擬軟件的計算結果十分接近.

1 合成氨生產裝置物流數(shù)據(jù)收集

該尿素合成裝置包含二氧化碳壓縮和液氨輸送工序、尿素合成工序、分解與氨吸收工序、蒸發(fā)造料工序4個單元，主要原料是來自附近氨廠的氨和CO2氣體.

抽取尿素合成裝置中參與用能的過程流股及其物流參數(shù).現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡熱流為9股，冷流為7股，物流數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 現(xiàn)有換熱器及物流數(shù)據(jù)Tab.1 Current heat exchangers and stream data

表1中統(tǒng)計得到現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡的加熱和冷卻公用工程分別為：

2 現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡能量分析

由于項目中冷、熱物流較多，采用問題表格法確定夾點位置，取過程中的所有冷、熱物流的初始溫度和目標溫度建立溫度問題表.假定ΔTmin=12℃.

2.1 計算區(qū)間邊界溫度

提取過程中冷、熱物流溫度，在Excel電子表格中，分別列出各物流的進、出口溫度，根據(jù)熱物流降低（ΔTmin/2）、冷物流增加（ΔTmin/2）的原則，按照電子表格中的主要計算公式，分別求出冷、熱物流的邊界溫度，計算結果如圖1所示.

圖1 換熱網(wǎng)絡基礎數(shù)據(jù)和邊界溫度Fig.1 HEN basic data and sector boundary temperature

利用Excel的排序功能將所有區(qū)間邊界溫度排序，劃分成21個溫度區(qū)，每2個溫度間隔對應1個子網(wǎng)絡，共形成21個子網(wǎng)絡，分別用SN1…SN21表示.如果上述排序中有2個或2個以上的數(shù)據(jù)相同，則僅保留1個數(shù)據(jù)點，其他數(shù)據(jù)點刪除.排序后的結果如圖2中的B列.

根據(jù)各物流區(qū)間的初、終溫度數(shù)據(jù)，把熱物流溫度按由高到低、冷物流由低到高的順序繪成有方向的垂直線，得問題表格（1），如圖2所示.

圖2 問題表格（1）Fig.2 Problem table（1）

2.2 溫度區(qū)間內的熱量衡算

根據(jù)下列各公式，分別計算每個溫區(qū)內的熱平衡，以確定各溫區(qū)所需的加熱量和冷卻量.

式中：Dk表示k子網(wǎng)絡為達到熱平衡所需加熱量（kW）；Ik表示k子網(wǎng)絡自外界輸入的熱量（kW）；Ok表示k子網(wǎng)絡向外界或其他子網(wǎng)絡輸出的熱量（kW）；ΣCpkC表示k子網(wǎng)絡中所有冷物流熱容流率之和（kW/℃）；ΣCpkH表示k子網(wǎng)絡中所有熱物流熱容流率之和（kW/℃）；ΔTk表示子網(wǎng)絡SNk邊界溫度差（℃）；Tk、Tk+1分別為該溫區(qū)的進、出口溫度（℃）.

（1）衡算子網(wǎng)絡熱量.按照圖2中各物流所在的溫度區(qū)間，將各物流的熱容流率分別復制到相應區(qū)間，并按照公式（4）和（5）求出每一溫度區(qū)間的冷、熱物流熱容流率之和ΣCpkC和ΣCpkH，根據(jù)公式（3）求出各子網(wǎng)絡的ΔΣCpk.計算結果如圖3中的S列、T列、U列.

圖3 各子網(wǎng)絡的冷、熱物流熱容流率求和Fig.3 Confirm heat capacity flowratefor all streams of every sub-network

（2）計算各子網(wǎng)絡的熱通量（外界無熱量輸入）.無外界熱量輸入時，SN1子網(wǎng)絡的輸入熱量為0（I1= 0），其他子網(wǎng)絡的輸入熱量（Ik，k＞1）等于上一子網(wǎng)絡的輸出（Ok-1，k＞1）熱量，依據(jù)公式（1）分別計算各子網(wǎng)絡的輸出熱量，結果如圖4所示.

圖4 問題表格（2）Fig.4 Problem table（2）

（3）確定最小公用工程加熱用量.步驟（2）計算結果顯示，有些區(qū)間存在輸入或輸出熱量值為負值的現(xiàn)象.實際工程中，這種情況需要額外的公用工程來為系統(tǒng)提供能量.因此，找到整個系統(tǒng)的最大輸入熱量（本系統(tǒng)為19 907.9 kW），各區(qū)間依此一次性輸入該熱量，即可為整個系統(tǒng)提供能量支持，由此可得出最小公用工程加熱量QH·min.

（4）計算外界輸入最小公用工程加熱量時各子網(wǎng)絡之間的熱通量.在圖4問題表格（2）的I1′處添加外界輸入的最小熱量19 907.9 kW，再次計算各溫度區(qū)間的熱量衡算，可以得出圖4中第H-I列.其中，最后子網(wǎng)絡SN21輸出的熱量值22 658.06 kW即為系統(tǒng)最小公用工程冷卻量QC·min.

2.3 確定夾點位置

由圖4可以看出，夾點位于子網(wǎng)絡SN9與SN10之間，此處熱通量為零，即夾點在平均溫度116℃（其中熱流溫度為122℃，冷流溫度為110℃）處.換熱網(wǎng)絡的最小加熱和冷卻公用工程分別為：

而原文獻中采用模擬軟件計算結果轉換為標準計量單位后的數(shù)值為：最小加熱公用工程量QH·min= 19.91 MW；最小冷卻公用工程量QC·min=22.64 MW；夾點位于SN9和SN10之間，即夾點在平均溫度117℃（其中熱流溫度為122℃，冷流溫度為112℃）處.

計算結果與文獻中采用模擬軟件計算結果十分相近，說明運用Excel電子表格建模求解換熱網(wǎng)絡夾點及所需最小公用工程能量的目標方法可以與模擬軟件相互驗證使用.

3 系統(tǒng)優(yōu)化建議

從圖2中可以看出，冷物流C5、C7出現(xiàn)了跨越夾點的換熱，熱物流H7出現(xiàn)在夾點之上，這些都違背了夾點設計三原則，需要對該換熱網(wǎng)絡進行優(yōu)化，根據(jù)近夾點匹配原則[12]，綜合經(jīng)濟效益分析，在不改變換熱器數(shù)目的情況下，可將熱物流H7與冷物流C3匹配換熱，熱物流H9與冷物流C5、C7匹配換熱，可得優(yōu)化后的加熱、冷卻公用工程為：

由此可以看出，加熱公用工程和冷卻公用工程的減少，可以降低公用工程費用和海水冷卻水的使用量，從而減少海水溫排水的排放量和氯制殺生劑的使用量.

4 結束語

運用Excel電子表格法的計算結果與化工模擬軟件計算結果十分接近，可以簡單、快捷地求出系統(tǒng)所需的最小加熱、冷卻公用工程用量及夾點位置.

通過理論分析與數(shù)學計算，論證了換熱網(wǎng)絡在海水為冷卻水的大型能耗企業(yè)進行節(jié)能優(yōu)化的有效性.目前我國沿海地區(qū)采用海水冷卻技術的大型鋼鐵、石化企業(yè)園區(qū)越來越多，采用電子表格建模法可以方便求解出換熱網(wǎng)絡的用能瓶頸，為進一步優(yōu)化系統(tǒng)用能提供依據(jù).

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Figuring out pinch point on heat exchanger network of seawater cooling system

SHI Yu-lian，LIU Shu-jing，SHAN Ke
（The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization，SOA（Tianjin），Tianjin 300192，China）

Presently in China,several common problems exist in once-through seawater cooling system,such as the great losses of heat energy,and the problems of environmental pollution from the discharge of heated water and the chlorination biocide,etc.Taking a case study of seawater cooling for an ammonia production process as an example,the research used the pinch point design method to diagnose and optimize the energy utilization.Then the research used the simple and convenient spreadsheet modeling method to resolve pinch point in heat exchanger network.A minimum temperature difference is chosen to be 12℃,the location of the pinch point is between SN9and SN10,the average pinch temperature of the heat exchanger network is 116℃,the minimal requirement of the hot utility and the minimal requirement of the cold utility are 19.91 MW and 22.66 MW,the calculation results are close to the results from the large-scale simulation software,therefore,the feasibility of the method is verified.Meanwhile,the research aims to provide the basisfor further optimization ofthe cooling system.

heat exchanger networks synthesis；seawater cooling；spreadsheet method；figuring out pinch point

TK172；TB11

A

1671-024X（2014）01-0085-04

2013-06-25

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目（K-JBYWF-2008-G18）

史玉蓮（1978—），女，碩士，工程師.E-mail：sd_ssyyll@163.com