基于物流焓值的換熱網絡夾點設計方法

申 玲 張飛龍,2 趙新紅 佀慧娜

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

換熱網絡是能量回收利用的一個重要子系統，普遍應用于煉油、化工、冶金及制藥等大型工業企業的過程能量系統中，發揮著回收熱量和降低企業能耗的重要作用[1]。高校學者和企業技術人員對換熱器的方方面面進行了較深入的研究，柏楊進等設計了換熱器的實時監控系統[2]；張俊峰等針對常減壓裝置旁路控制管殼式換熱器的PID參數進行了整定[3]；嚴巳杰等基于粒子群優化算法優化了板翅式換熱器[4]；郭崇志和林嬌采用預變形加載方式分析了預應力對換熱器性能的影響[5]；李金科等設計開發了新型急冷換熱器[6]。同時，關于換熱網的合成，各國學者研究出了不同的方法[7～15]，其中夾點設計方法因其簡便易行且效果顯著成為目前在實際工程應用中最為廣泛的換熱網絡設計方法，是20世紀80年代英國曼徹斯特科技大學的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在特性，從宏觀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[16]，并給出了“解瓶頸”的方法[17]。后人在此方法的基礎上做了大量研究，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]等條件下的夾點技術法。

Linnhoff夾點技術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絡夾點位置[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，進而計算熱容流率時誤差較大[21]；再者，石油物流常利用焓值關聯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絡夾點設計法。

1 夾點位置的確定①

下面結合某生產企業的石油常減壓換熱網絡系統為例，介紹基于物流焓值的換熱網絡夾點設計法。某石油常減壓換熱網絡系統的物流數據見表1。

表1 物流基礎數據

(續表1)

首先劃分溫度區間，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據合并后排序從而確定溫區端點溫度T1，T2，…，Tn+1，可劃分出n個溫度區間；其次，根據公式對每個溫區進行物流焓平衡計算，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；

T——溫度，K；

以表1數據為例，取ΔTmin=25℃進行計算，其結果見表2，在取最小溫差ΔTmin為25℃時，確定出子網絡區間SN6～SN7的熱流量為0，由此可知夾點溫度對于熱物流而言為298℃，對冷物流而言為273℃；該熱回收網絡所需的最小外加熱量為6 914.58kW、最小外冷卻量為525.15kW。其結果如圖1所示。

表2 最小溫差ΔTmin為25℃的問題表格

(續表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絡而言，當ΔTmin=25℃時，確定出子網絡區間10～11的熱流量為零。此時，夾點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絡夾點設計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絡基本夾點設計法計算的結果減少50.36%，同樣公用工程冷源用量減少33.81%。其結果如圖1、2所示。

圖2 ΔTmin=25℃時的溫焓圖(物流平均熱容流率)

2 最優夾點溫差ΔTmin的確定

一個最大能量回收的初始網絡進行調優的目的，就是使其所含的換熱設備數降至或接近最少，以減少設備投資，但這常會引起操作費用的增加。因此必須對最大能量回收的公用工程費用與設備投資費用進行權衡。隨著ΔTmin的增大，換熱器的熱負荷減小，設備投資費用降低，但公用工程費用增加。所以存在一個最佳的ΔTmin，此時總費用最低。

取最小溫差ΔTmin分別為5、10、15、20、25、30、35℃，分別確定夾點位置和最小公用工程消耗，進一步計算出設備費用、公用工程費用和總成本，建立如圖3所示的費用對比圖。

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℃，但總投資費用不同，基于物流平均熱容流率的換熱網絡基本夾點設計法所確定的總投資費用為2 327.827萬元/年，而基于物流焓值的換熱網絡夾點設計法所確定的總投資費用僅為2 047.659萬元/年，因此基于物流平均熱容流率的換熱網絡基本夾點設計法設計的換熱網絡估計的價格有可能高于實際所需的投資費用。

3 結論

3.1以Linnhoff夾點技術為基礎，提出了基于物流焓值的換熱網絡夾點設計法確定夾點位置的方法。

3.2在一定的最小溫差ΔTmin下，基于物流焓值的換熱網絡夾點設計法與基于物流平均熱容流率的換熱網絡基本夾點設計法所確定的夾點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生變化較大的石油換熱網絡系統而言，基于物流焓值的換熱網絡夾點設計法與基于物流平均熱容流率的換熱網絡基本夾點設計法所估算的投資費用有較大差距，其中基于物流焓值的換熱網絡夾點設計法所估計的投資費用更接近實際投資。