基于物流焓值的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)方法

申 玲 張飛龍,2 趙新紅 佀慧娜

(1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，蘭州 730050；2. 蘭州理工大學(xué)溫州泵閥工程研究院，浙江 溫州 325105)

換熱網(wǎng)絡(luò)是能量回收利用的一個重要子系統(tǒng)，普遍應(yīng)用于煉油、化工、冶金及制藥等大型工業(yè)企業(yè)的過程能量系統(tǒng)中，發(fā)揮著回收熱量和降低企業(yè)能耗的重要作用[1]。高校學(xué)者和企業(yè)技術(shù)人員對換熱器的方方面面進(jìn)行了較深入的研究，柏楊進(jìn)等設(shè)計(jì)了換熱器的實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)[2]；張俊峰等針對常減壓裝置旁路控制管殼式換熱器的PID參數(shù)進(jìn)行了整定[3]；嚴(yán)巳杰等基于粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化了板翅式換熱器[4]；郭崇志和林嬌采用預(yù)變形加載方式分析了預(yù)應(yīng)力對換熱器性能的影響[5]；李金科等設(shè)計(jì)開發(fā)了新型急冷換熱器[6]。同時，關(guān)于換熱網(wǎng)的合成，各國學(xué)者研究出了不同的方法[7～15]，其中夾點(diǎn)設(shè)計(jì)方法因其簡便易行且效果顯著成為目前在實(shí)際工程應(yīng)用中最為廣泛的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，是20世紀(jì)80年代英國曼徹斯特科技大學(xué)的Linnhoff B教授提出的，該方法是通過建立物理模型較深入地揭示問題的內(nèi)在特性，從宏觀角度分析過程系統(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[16]，并給出了“解瓶頸”的方法[17]。后人在此方法的基礎(chǔ)上做了大量研究，提出了考慮過程物流相變[8]、壓降[18]、熱容流率隨溫度變化[19]及熱損失[20]等條件下的夾點(diǎn)技術(shù)法。

Linnhoff夾點(diǎn)技術(shù)法是基于物流平均熱容流率，利用問題表格法來確定換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)位置[16]，而石油物流熱容隨溫度變化較大，因此熱容流率隨溫度變化較大[19]；其次，對于石油物流通過查圖法求取其熱容，進(jìn)而計(jì)算熱容流率時誤差較大[21]；再者，石油物流常利用焓值關(guān)聯(lián)式來求取物流在一定溫度下的焓值[21]。因此筆者提出了基于物流焓值的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法。

1 夾點(diǎn)位置的確定①

下面結(jié)合某生產(chǎn)企業(yè)的石油常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，介紹基于物流焓值的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法。某石油常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的物流數(shù)據(jù)見表1。

表1 物流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(續(xù)表1)

首先劃分溫度區(qū)間，第一步將熱物流的初溫度和終溫度排序后分別減去ΔTmin/2，第二步將冷物流的初溫度和終溫度排序后分別加上ΔTmin/2，然后將以上兩步得到的數(shù)據(jù)合并后排序從而確定溫區(qū)端點(diǎn)溫度T1，T2，…，Tn+1，可劃分出n個溫度區(qū)間；其次，根據(jù)公式對每個溫區(qū)進(jìn)行物流焓平衡計(jì)算，以確定熱量凈需求量(虧損熱量)，具體公式如下：

ΔH=Ii-Qi=Hpc-Hph

Hph=∑(HLhi-HLhi+1)Fhi

Hpc=∑(HLci-HLci+1)Fci

HL=A1(T-144.28)+A2[T2-(144.28)2]+

A3[T3-(144.28)3]

A2=10-6[(1.0+0.82463KW)×(234.8209-

A3=10-9[(1.0+0.82463KW)×(72.9184-

式中F——流率，kg/h；

HL——焓值，kJ/kg；

KW——特性因數(shù)；

T——溫度，K；

以表1數(shù)據(jù)為例，取ΔTmin=25℃進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果見表2，在取最小溫差ΔTmin為25℃時，確定出子網(wǎng)絡(luò)區(qū)間SN6～SN7的熱流量為0，由此可知夾點(diǎn)溫度對于熱物流而言為298℃，對冷物流而言為273℃；該熱回收網(wǎng)絡(luò)所需的最小外加熱量為6 914.58kW、最小外冷卻量為525.15kW。其結(jié)果如圖1所示。

表2 最小溫差ΔTmin為25℃的問題表格

(續(xù)表2)

圖1 ΔTmin=25℃時的溫焓圖(物流焓值)

但是對于基于物流平均熱容流率的換熱網(wǎng)絡(luò)而言，當(dāng)ΔTmin=25℃時，確定出子網(wǎng)絡(luò)區(qū)間10～11的熱流量為零。此時，夾點(diǎn)位置對于熱物流而言為235℃，對冷物流而言為210℃。并且確定出最小的熱公用工程為13 930.25kW，最小的冷公用工程用量為793.41kW。由此可見，基于物流焓值的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法確定出的最小公用工程熱源用量，比基于物流平均熱容流率的換熱網(wǎng)絡(luò)基本夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法計(jì)算的結(jié)果減少50.36%，同樣公用工程冷源用量減少33.81%。其結(jié)果如圖1、2所示。

圖2 ΔTmin=25℃時的溫焓圖(物流平均熱容流率)

2 最優(yōu)夾點(diǎn)溫差ΔTmin的確定

一個最大能量回收的初始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)優(yōu)的目的，就是使其所含的換熱設(shè)備數(shù)降至或接近最少，以減少設(shè)備投資，但這常會引起操作費(fèi)用的增加。因此必須對最大能量回收的公用工程費(fèi)用與設(shè)備投資費(fèi)用進(jìn)行權(quán)衡。隨著ΔTmin的增大，換熱器的熱負(fù)荷減小，設(shè)備投資費(fèi)用降低，但公用工程費(fèi)用增加。所以存在一個最佳的ΔTmin，此時總費(fèi)用最低。

取最小溫差ΔTmin分別為5、10、15、20、25、30、35℃，分別確定夾點(diǎn)位置和最小公用工程消耗，進(jìn)一步計(jì)算出設(shè)備費(fèi)用、公用工程費(fèi)用和總成本，建立如圖3所示的費(fèi)用對比圖。

a. 基于物流焓值

b. 基于物流平均熱容流率

由圖3可以看出，兩種方法確定的最小溫差均為20.2℃，但總投資費(fèi)用不同，基于物流平均熱容流率的換熱網(wǎng)絡(luò)基本夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法所確定的總投資費(fèi)用為2 327.827萬元/年，而基于物流焓值的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法所確定的總投資費(fèi)用僅為2 047.659萬元/年，因此基于物流平均熱容流率的換熱網(wǎng)絡(luò)基本夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)估計(jì)的價(jià)格有可能高于實(shí)際所需的投資費(fèi)用。

3 結(jié)論

3.1以Linnhoff夾點(diǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了基于物流焓值的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法確定夾點(diǎn)位置的方法。

3.2在一定的最小溫差ΔTmin下，基于物流焓值的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法與基于物流平均熱容流率的換熱網(wǎng)絡(luò)基本夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法所確定的夾點(diǎn)位置和公用工程消耗有較大差距。

3.3對熱容流率隨溫度發(fā)生變化較大的石油換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，基于物流焓值的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法與基于物流平均熱容流率的換熱網(wǎng)絡(luò)基本夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法所估算的投資費(fèi)用有較大差距，其中基于物流焓值的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法所估計(jì)的投資費(fèi)用更接近實(shí)際投資。