夾點理論及其在換熱網絡中的優化分析

劉智勇，李志偉，霍 磊

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州730070)

隨著能源的日漸緊張，過程集成已成為熱點話題。過程集成中目前最實用的是夾點技術。

乙烯是有機化工工業的一種重要的基礎原料，世界各國都以乙烯產量作為衡量石油化工的發展水平的重要標志［1］。我國的乙烯工業起步較晚，基礎薄弱、技術落后以及規模小是當今企業的弱點，以此依托老基地，采用乙烯裝置技術發展的最新成果，充分挖掘老裝置的潛力，通過技術改造;消除瓶頸制約，走擴大生產能力與提高技術裝備水平、內涵挖潛與擴能改造相結合的道路，是改變我國乙烯工業落后現狀的必然選擇［2］。

1 夾點技術簡介

夾點技術是英國學者Linhoff于20世紀70年代在總結前人研究基礎之上提出的，并逐漸發展成為一整套換熱網絡的設計法［3］。該技術是以熱力學為基礎，從宏觀的角度分析過程系統中能量流沿溫度的分布，從中發現系統用能的“瓶頸”所在。夾點技術以整個系統為出發點，同以前只著眼于局部、只考慮某幾股熱流的回收、某個設備或車間的改造的節能技術相比，節能效果和經濟效益要顯著得多.應用夾點技術可以方便地找出換熱網絡中不合理的用能設備，對優化換熱網絡提供指導，使能量達到最大回收。

1.1 夾點的基本原理

夾點技術以化工熱力學為基礎，從整個過程系統出發，選用年總費用、設備投資費用、最大熱量回收量、最少換熱器數目等作為經濟目標函數［4－6］，首先通過經驗法或數學優化估算確定夾點溫差，采用復合溫－焓曲線或用問題表法的途徑得出夾點，從而確定最小加熱公用工程量及最小冷卻公用工程量，通過夾點設計準則找出流程中不合理的換熱過程及換熱設備進行改進，從而使換熱網絡達到最優［7］。夾點技術已成功地在世界范圍內取得了顯著的節能效果。采用這種技術對新廠設計而言，比傳統方法可節能30%～50%;對老廠改造而言，通常可節能20%～35%，改造回收年限一般只有0.5～3年［8］。

1.2 夾點的形成與含義

在利用夾點技術設計換熱網絡時，首先通過經驗法或數學優化估算確定夾點溫差△Tmin，這是整個換熱網絡允許的最小傳熱溫差。

1.2.1 工藝物流的特性曲線

將過程所有熱物流按溫度變化區間和相應的焓的變化值在溫－焓圖上連續繪出，見圖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兩點間的焓差△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，在這個過程中各部位的傳熱溫差△T逐漸變小，冷、熱負荷曲線在某點重合時該系統內部換熱達到極限，重合點傳熱溫差為零，該點即為夾點［9］。但是，在夾點溫差為零時操作所需要無限大的傳熱面積，是不現實的。不過可以通過技術經濟評價來確定一個系統最小的傳熱溫差—夾點溫差△Tmin。因此，可定義為冷熱負荷溫焓線上傳熱溫差最小的地方。確定了夾點溫差后的冷熱負荷曲線如圖1所示。冷、熱曲線重疊的部分ABCEFG，為過程內部冷、熱流體的換熱區，包括多股熱流和多股冷流，物流的焓變全部通過換熱器來實現;冷負荷曲線上端剩余部分GH，已沒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溫度，GH為在該夾點溫度下所需的最小加熱公用工程量QH，min;熱負荷曲線下端剩余部分CD，已沒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溫度，CD為在該夾點溫差下所需的最小冷卻公用工程量QC，min。

夾點的出現將整個換熱網絡分成了兩部分;夾點之上和夾點之下。夾點之上是熱端，只有換熱和加熱公用工程，沒有任何熱量流出，可看做是一個凈熱井;夾點之下是冷端，只有換熱和冷卻公用工程，沒有任何熱量流入，可看做是一個熱源［10］。

1.2.2 采用問題表格計算

問題表格法的計算步驟如下:

(1)以冷、熱流體的平均溫度為尺寸，劃分溫度區間。冷、熱流體平均相對熱流體下降1/2個夾點溫差(△Tmin/2)，相對冷流體上升1/2個夾點溫差(△Tmin/2)。這樣可保證每個溫區內熱流體比冷流體高△Tmin，而滿足傳熱的需要。

(2)計算每個溫區內的熱平衡，以確定各溫區所需的加熱量和冷卻量，計算式

式中 ΔHi——第i區間所需要的外加熱量/kW;

∑CpC、∑CpH——該溫區內冷、熱物流熱熔流率之和/kW·℃－1;

Ti、Ti+1——該溫區的進出口溫度/℃。

(3)進行熱級聯計算。第一步，計算外界無熱量輸入時各溫區間的熱通量。此時，各溫區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，為了保證各溫區之間的熱通量不小于零，根據第一步級聯計算結果，取絕對值最大的為負的熱通量的絕對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，由第一個溫區輸入;然后計算外界輸入最小加熱公用工程量時各溫區之間的熱通量;而由最后一個溫區流出的熱量，就是最小冷卻公用工程用量。

(4)溫區之間熱通量為零處，即為夾點。

1.3 夾點技術應用的基本準則

在設計換熱網絡時，首先設計最大熱回收(即達到能量目標)的換熱網絡，然后再根據經濟目標性進行調優。

1.3.1 在夾點處冷、熱流體之間的溫差傳熱最小，需要注意以下幾方面:

(1)不要有跨越夾點的傳熱，即夾點處不能有熱量穿過。

(2)不要在夾點之上設置任何公用工程冷卻器，如果在夾點之上系統中設置冷卻器，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)不要在夾點之下設置任何公用工程加熱器，如果在夾點之下系統中設置加熱器，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。

這些使夾點成為設計中約束最多的地方，因而需要從夾點著手，將換熱網絡分為夾點上、下兩部分分別向兩頭進行物流間的匹配換熱。

1.3.2 在全局用能網絡的優化中，要使夾點處冷、熱流體之間的傳熱溫差最小，需要注意:

(1)物流數目準則，夾點設計的可行性規劃要求夾點上方的熱工工藝物流數目NH不大于冷工藝物流數目NC，即滿足NH≤NC;夾點下方滿足NH≥N C。

(2)熱熔率準則，夾點之上須滿足CpH≤CpC，夾點之下應滿足CpH≥CpC。如果夾點處的實際物流不能滿足該準則，就應通過分流來減少夾點之上所需匹配的熱熔流率或夾點之下所需的冷流的熱熔流率。

(3)最大換熱負荷準則，為保證最小數目的換熱單元，每一次匹配應該換完;兩股中的一股。

1.3.3 為了對現有裝置進行最好熱回收方案設計，應該做到:

(1)檢查現有網絡，識別違背夾點的設備。

(2)得到一個最節能的設計，盡可能和基礎工況兼容。

(3)當匹配存在時，特別是原理夾點區域，最好選擇已存在的匹配。

(4)通過換熱網絡面積分析，對現有網絡面積進行評估，盡可能回復現有單元的面積值。

(5)對最優方案進行模擬優化。

2 工程實例

本文利用夾點技術對某乙烯生產的能量系統進行了分析，找出了其能量利用不合理的環節。基于夾點技術的設計原則，提出了一種節能效果顯著的換熱網絡優化。

2.1 數據的提取

根據乙烯系統的現場網絡提取的冷、熱數據，見表1。

表1 乙烯換熱網絡數據

如表2所示，其中有20股冷流及14股熱流。根據經驗夾點溫差一般為10～20℃，通過計算我們選取換熱網絡夾點溫差為10℃，計算的夾點位置為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 原換熱網絡分析

如圖3中所示各換熱器后的數字表示溫度，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。分別為急冷水與OFUSRS穿越夾點能量浪費2 877 kW;急冷水與C3再沸器穿越夾點換熱能量浪費6 508 kW。低壓蒸汽與進料1能耗為89 kW。干燥氣與冷卻水穿越夾點換熱能量浪費2 747 kW。夾點之下使用了2個冷卻器，由制冷器10加熱，分別為制冷器10加熱C2再沸器能量浪費10 257.5 kW;制冷器10加熱C2PROD能量浪費3 810 kW。加熱公用工程總換熱器數目為9個，熱負荷總量為78 192 kW，每年消耗的公用工程加熱費用為3 735萬元。冷卻公用工程總換熱數目為13個，冷負荷總量為85 716 kW，每年消耗的公用工程的冷卻費用為8 594萬元。

圖3 原換熱網絡圖(單位:℃)

2.3 改造方案

根據夾點設計步驟及設計準則，對該換熱網絡進行改造。要求不應有穿越夾點的換熱，符合熱熔流率準則，合理改造換熱網絡。改造后換熱網絡流程圖如圖4所示。工程改造后總換熱器數目為40組。急冷水先于C2C3再沸器換熱至夾點溫度75℃后分流與其他網絡換熱，則節約能量9 385 kW。干燥氣與C3C4再沸器換熱至夾點溫度75℃后再與其他網絡換熱，節約能量2 747 kW。進料1與干燥氣換熱至夾點溫度65℃再被低壓蒸汽加熱，節約能量89 kW。C2再沸器直接與C3凝液換熱則節約加熱及冷卻公用工程10 257.5 kW。C2PROD與系統內物流換熱減少加熱及冷卻公用工程3 810 kW。綜上所訴共節約能量33 262 kW。換熱網絡加熱公用工程總換熱器數目為6個，總熱負荷為44 867 kW，每年消耗的加熱公用工程費用為2 613萬元。冷卻公用工程總換熱器數目為11個，冷負荷總量為52 454 kW，每年消耗冷卻公用工程費用為6 767萬元。

圖4 改造后換熱網絡圖(單位:℃)

2.4 經濟分析

原換熱網絡總換熱其數目為36組，改造后為40組，增加了4組換熱器。新增設備及改造費用約為2 900萬元。改造后節約加熱公用工程量為33 262 kW，節約冷卻公用工程的經濟費用約為2 949萬元，約一年即可回收。

3 結論

工程實例證明夾點技術應用于乙烯生產等，在復雜換熱網絡優化中具有計算簡便、準確度高的特點。利用夾點技術對該工程乙烯原換熱網絡進行分析后節省能量約占加熱公用工程的42%。換熱網絡改造后一年就可回收，使換熱網絡能耗最大回收。然而夾點附近有嚴格的要求，具體情況總結如下:

(1)夾點附近嚴格要求最小能量損失，而使夾點附近換熱設備數目增加，使工廠前期投資及改造費用太高。

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

基于以上問題一般可以通過網絡松弛以最小能量犧牲來降低設備單元數方法如下:

(1)若物流分流是不期望的，可以通過循環匹配或網絡松弛來消除分流。

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

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