物流间的换热问题在物流工程中的影响
Abstract: in this paper, the heat exchanger network pinch point design method and optimization method based on the energy relaxation in petrochemical units, heat recovery network flow presents a synthesis of heat exchanger network optimization method is simple and practical, and has obtained good effects in the application of.
摘要:本文在换热网络夹点设计法及能量松弛调优法的基础上,针对石油化工装置的热回收网络流程提出了换热网络综合调优的简捷实用方法,在应用中取得了良好效果.
关键词:换热网络综合;夹点技术;调优方法
1前言
在现代化工业生产过程中,特别是在石油、化工、动力等生产装置中,能量的回收及再利用有着极其重要的作用。在许多生产装置中,常常是一些物流需要加热(称为冷物流),而另一些物流则需要冷却(称为热物流)。将这些物流合理地匹配在一起,充分利用热物流去加热冷物流,提高系统的热回收能力,尽可能减少蒸汽和冷却水等辅助加热和冷却用的公用工程(即能源)耗量,可以提高系统的能量利用率和经济性。
合理有效地组织物流间的换热问题,涉及如何确定物流间匹配换热的网络结构及相应的换热负荷分配。换热网络系统综合就是在满足把每个物流由初始温度达到指定的目标温度的前提下,设计具有最佳热回收效果和设备投资费用的换热器网络.
换热网络系统的综合研究已成为一个专门课题,并在学术上和实用中取得了巨大成就。根据研究方法侧重面的不同,大体上可分为三类[lJ.一是经验规则法,即应用一些经验积累下来的直观推断规则进行冷、热物流间的匹配,得到一个可行的初始方案后再利用调优规则进一步调优。这种方法是建立换热网络综合专家系统的基础;二是以Linnhoff的夹点技术为代表的热力学目标法,这类方法从热力学基本原理出发,提出了换热网络能量回收最大(或能耗最小)及换热单元数最少为设计目标的综合方法;三是Grasslnann的转运模型为代表的数学规划法,即把问题归结为有约束的多变量纯数学优化问题。这三种方法的划分并不是绝对的,它们往往结合起来使用。其中在实用中最有突破性的方法是夹点技术。本文在夹点技术的基础上,提出了一种简便实用的换热网络综合调优方法,在石化装置预热系统的网络设计应用中取得了良好效果.
2换热网络综合的夹点设计法
热回收换热网络综合问题的一般表述形式为:有多个热物流,需要从初温冷却到给定的目标温度,其流量F和比热容q均已知(两者乘积称为热容流率FCP);同样有多个冷物流需要从初温加热到给定的目标温度,需要设计一换热网络,将这两组冷、热物流充分换热以回收一部分热量,不足的加热和冷却负荷由热、冷公用工程提供.当系统达到最大热回收时,冷、热公用工程耗量最小。
冷、热物流间的换热量与公用工程耗量的关系可用图l(T一H图)表示。多股冷、热物流在图1的T一H图上可分别合并为一条冷物流复合曲线和一条热物流复合曲线。两条复合曲线在H轴上投影的重叠部分即为冷、热物流间的换热量,未重叠部分即为冷、热公用工程耗量。当两曲线在水平方向上相互移近时,热回收量Q、增大,而公用工程耗量QC和Q。减小,各部位的传热温差也减小.当曲线靠拢到某一点达到最小允许传热温差△几。(通常取10一20℃)时,就达到了实际可能的极限,即热回收量达最大(Q、~),冷、热公用工程耗量达最小(Qct二。,QH,二n)。两曲线纵坐标最接近的位置就称为“夹点(或挟点、窄点)”,它对网络的分析和设计具有重要意义.
用作图法确定夹点位置和最小公用工程耗量虽然直观,但不准确。通常采用“问题表格法”确定,可以利用相应的计算机程序来计算[2]。夹点设计法的核心是网络分解.夹点把换热网络分解为夹点之上(称为热端或热阱)和夹点之下(称为冷端或热源)两个子网络.夹点为能耗最低的换热网络综合提供了三条基本原则:(l)不应有热量通过夹点;(2)夹点以上的子网络不应采用冷公用工程;(3)夹点以下的子网络不应采用热公用工程.这三条原则是最低能耗换热网络的充分必要条件.夹点设计法先从夹点着手进行冷、热物流间的匹配,然后向两侧分热端和冷端分别完成两个子网络的设计.对于夹点匹配,必须满足冷、热物流数及热容流率的可行性规则[l]。离开夹点后虽然约束减少了,也应遵循以减少换热设备台数为目的的设计规则,夹点设计法程序。
3.网络调优与双温
输输出网络设计方案案由夹点设计法所获得的初始网络虽然可以获得最大能耗量回收效果,但包含的换热设备台数往往较多.以一个简单的四流股为例,其最小能耗网络中有9台换热设备,而网络的投资费用主要取决于换热设备数目.在实际的换热网络中所含的物流数目往往多达十几甚至几十股,夹点设计法所得的初始网络势必十分复杂,且设备投资较大.必须对网络进一步调优,以适当的能量松弛(即允许一定热流穿过夹点或增大△T、。以减少热回收量)来简化网络结构或减少换热设备台数和换热面积,以达到年度总费用最小的目标。
换热网络中换热设备台数太多的主要原因是存在热负荷回路。因此换热网络调优就需要从初始网络中识别并断开热负荷回路,通过热负荷转移使某个换热设备的热负荷为零,从而消除该换热设备,达到简化网络的目的。这种换热器合并是以能量松弛为代价,因而网络调优实际上是换热设备投资与热回收量之间的一种权衡。
若换热网络复合曲线的最刁传热温差为△TI拍n(或记为HRAT),则对应的最小公用工程耗量为Qc,、。和QH,二n;当冷、热复合曲线进一步靠拢时形成一新的夹点,称为伪夹点,此时的最小传热温差△T’二n(或记为EMAT)小于△T‘。,对应的最小公用工程耗量Q,c,二。和Q’H.二n分别小于Qc,二。和Q、二。。因此,若以△T二。作为换热设备的最小允许温差来产生网络,则相对△几。而言,允许有一富余能量△Q二QH,二。一Q’H二。跨越伪夹点而不会招致公用工程耗能的增加。这种方法称为双温差法,它实际上是允许有△Q的能量穿过夹点的能量松弛,因而可以简化网络结构。
4换热网络综合调优的简捷方法
目前国内炼油厂常减压装置的原油预热系统普遍采用图3所示的流程,原油脱盐前一般分为两股,脱盐后至初馏塔分为2一4股,出塔后再分两路进行换热,最后进人加热炉.对这样一个冷流股较少而热流股较多的换热网络一若在夹点设计法所获得的复杂初始网络基础上进行调优,工作量较大。可以采用本文提出的一种比较简捷实用的换热网络综合调优方法,其步骤如下:(1)计算每股热流和冷流的热容流率,将冷、热流股按温位的高低排序。(2)若冷流分成两股或三股,则热流也分成两组或三组,每组的总热容流率之间的比值应视冷流的分流比而定,以减少重新混合后的有效能损失。(3)在T一H图上将所有流股的初、终温度及热容流率(其倒数为直线斜率)之间的关系以直线形式表示出来。这里假定热容流率不随温度而变化。(4)将表示冷流的直线沿纵轴方向抬高△T~,这里△T二。由设计者确定,其目的是保证冷热流股匹配时有一最小传热温差.(5)对某股冷流,从与之待换热的热流组中选初温最高的热流,将其平移至该冷流直线右端对齐的位置,求两直线的交点,得到第一个换热区间的热负荷和流股换热后的温度,由此得到第一个子网络(如图4).换热后的热流在以后的低温段中仍可回收热量,故将其编人待换热的流股组中,并重新排序.若初温最高的热流仍不足以保证换热,则考虑引入热公用工程。(6)重复(5)的过程,对冷流股依次匹配,即可获得以换热区间(子网络)形成表示的换络总体结构,并以索引矩阵形式存储.(7)对(6)所得的索引矩阵根据其热负荷大小选用换热器类型。选型时还应考虑热负荷大小、流股的流量和粘度对压降的影响,流体的腐蚀性、冷热流温差及换热器价格等因素。对于网络改造问题还要考虑现有流程情况和已有换热器的利用问题。
种方法对于冷流数目少而其热容流率较大的网络综合问题简捷实用,其最大优点是所获得的初始网络本身不太复杂,大大减少了进一步调优的难度,在常减压装置换热网络设计应用中得到了良好的效果。
5结语
夹点技术是换热网络综合调优的有效实用方法,但对多流股问题其初始网络比较复杂,进一步调优的工作量较大.对于图3所示的这类流程采用上述方法进行换热网络综合调优具有很大的优越性,不仅简便实用,所得的初始网络比较简单,进一步调优亦不困难。作为它的辅助工具,现已开发出了相应的换热网络模拟软件和调优专家系统.利用模拟软件可以了解和预测一个网络的性能,而网络调优专家系统可以对所获得的换热网络结构进一步修改,并在实际应用方面进行了尝试和探索。
参考文献
1.崔峨、尹洪超、张爱友.热能系统分析模拟与最优综合.大连理工大学出版社.1994年.
2.Yao Ping, Zheng Xuanrong. http://www.51lunwen.org/ The heat exchanger system simulation, optimization and synthesis of Chemical Industry Press.