基于物流焓值的换热网络夹点设计方法

申 玲 张飞龙,2 赵新红 佀慧娜

(1.兰州理工大学石油化工学院，兰州 730050；2. 兰州理工大学温州泵阀工程研究院，浙江 温州 325105)

换热网络是能量回收利用的一个重要子系统，普遍应用于炼油、化工、冶金及制药等大型工业企业的过程能量系统中，发挥着回收热量和降低企业能耗的重要作用[1]。高校学者和企业技术人员对换热器的方方面面进行了较深入的研究，柏杨进等设计了换热器的实时监控系统[2]；张俊峰等针对常减压装置旁路控制管壳式换热器的PID参数进行了整定[3]；严巳杰等基于粒子群优化算法优化了板翅式换热器[4]；郭崇志和林娇采用预变形加载方式分析了预应力对换热器性能的影响[5]；李金科等设计开发了新型急冷换热器[6]。同时，关于换热网的合成，各国学者研究出了不同的方法[7～15]，其中夹点设计方法因其简便易行且效果显著成为目前在实际工程应用中最为广泛的换热网络设计方法，是20世纪80年代英国曼彻斯特科技大学的Linnhoff B教授提出的，该方法是通过建立物理模型较深入地揭示问题的内在特性，从宏观角度分析过程系统中能量流沿

温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在[16]，并给出了“解瓶颈”的方法[17]。后人在此方法的基础上做了大量研究，提出了考虑过程物流相变[8]、压降[18]、热容流率随温度变化[19]及热损失[20]等条件下的夹点技术法。

Linnhoff夹点技术法是基于物流平均热容流率，利用问题表格法来确定换热网络夹点位置[16]，而石油物流热容随温度变化较大，因此热容流率随温度变化较大[19]；其次，对于石油物流通过查图法求取其热容，进而计算热容流率时误差较大[21]；再者，石油物流常利用焓值关联式来求取物流在一定温度下的焓值[21]。因此笔者提出了基于物流焓值的换热网络夹点设计法。

1 夹点位置的确定①

下面结合某生产企业的石油常减压换热网络系统为例，介绍基于物流焓值的换热网络夹点设计法。某石油常减压换热网络系统的物流数据见表1。

表1 物流基础数据

(续表1)

首先划分温度区间，第一步将热物流的初温度和终温度排序后分别减去ΔTmin/2，第二步将冷物流的初温度和终温度排序后分别加上ΔTmin/2，然后将以上两步得到的数据合并后排序从而确定温区端点温度T1，T2，…，Tn+1，可划分出n个温度区间；其次，根据公式对每个温区进行物流焓平衡计算，以确定热量净需求量(亏损热量)，具体公式如下：

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——特性因数；

T——温度，K；

以表1数据为例，取ΔTmin=25℃进行计算，其结果见表2，在取最小温差ΔTmin为25℃时，确定出子网络区间SN6～SN7的热流量为0，由此可知夹点温度对于热物流而言为298℃，对冷物流而言为273℃；该热回收网络所需的最小外加热量为6 914.58kW、最小外冷却量为525.15kW。其结果如图1所示。

表2 最小温差ΔTmin为25℃的问题表格

(续表2)

图1 ΔTmin=25℃时的温焓图(物流焓值)

但是对于基于物流平均热容流率的换热网络而言，当ΔTmin=25℃时，确定出子网络区间10～11的热流量为零。此时，夹点位置对于热物流而言为235℃，对冷物流而言为210℃。并且确定出最小的热公用工程为13 930.25kW，最小的冷公用工程用量为793.41kW。由此可见，基于物流焓值的换热网络夹点设计法确定出的最小公用工程热源用量，比基于物流平均热容流率的换热网络基本夹点设计法计算的结果减少50.36%，同样公用工程冷源用量减少33.81%。其结果如图1、2所示。

图2 ΔTmin=25℃时的温焓图(物流平均热容流率)

2 最优夹点温差ΔTmin的确定

一个最大能量回收的初始网络进行调优的目的，就是使其所含的换热设备数降至或接近最少，以减少设备投资，但这常会引起操作费用的增加。因此必须对最大能量回收的公用工程费用与设备投资费用进行权衡。随着ΔTmin的增大，换热器的热负荷减小，设备投资费用降低，但公用工程费用增加。所以存在一个最佳的ΔTmin，此时总费用最低。

取最小温差ΔTmin分别为5、10、15、20、25、30、35℃，分别确定夹点位置和最小公用工程消耗，进一步计算出设备费用、公用工程费用和总成本，建立如图3所示的费用对比图。

a. 基于物流焓值

b. 基于物流平均热容流率

由图3可以看出，两种方法确定的最小温差均为20.2℃，但总投资费用不同，基于物流平均热容流率的换热网络基本夹点设计法所确定的总投资费用为2 327.827万元/年，而基于物流焓值的换热网络夹点设计法所确定的总投资费用仅为2 047.659万元/年，因此基于物流平均热容流率的换热网络基本夹点设计法设计的换热网络估计的价格有可能高于实际所需的投资费用。

3 结论

3.1以Linnhoff夹点技术为基础，提出了基于物流焓值的换热网络夹点设计法确定夹点位置的方法。

3.2在一定的最小温差ΔTmin下，基于物流焓值的换热网络夹点设计法与基于物流平均热容流率的换热网络基本夹点设计法所确定的夹点位置和公用工程消耗有较大差距。

3.3对热容流率随温度发生变化较大的石油换热网络系统而言，基于物流焓值的换热网络夹点设计法与基于物流平均热容流率的换热网络基本夹点设计法所估算的投资费用有较大差距，其中基于物流焓值的换热网络夹点设计法所估计的投资费用更接近实际投资。