换热网络优化综合.ppt

第四部分夹点技术与换热网络优化综合 在现代的工业生产过程中，特别是在动力、炼油、化工等生产装置中，能量的回收及再利用有着极其重要的意义。而热能的回收主要是通过各种工艺物流之间的热交换获得的。在这些生产工艺装置或过程中，常常是一些物流需要加热，而另一些物流需要冷却。 显然，合理的把这些物流匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回收能力，尽可能地减少辅助加热和辅助冷却符合，将提高整个工艺装置或过程中的能量利用的有效性和经济性。 合理有效地组织物流间的换热问题，涉及到如何确定物流间匹配换热的结构以及相应的环热负荷的匹配。换热器网络的系统综合就是要确定出这样的换热器网络，它有较小或最小的设备投资费用和运行费用，并满足把每一个工艺物流由初始温度达到指定的目标温度。 本讲座包括的内容 换热网络及其综合方法简述 换热网络综合的直观推断-调优法 换热网络的夹点及最小公用工程消耗 换热网络综合的夹点设计法 夹点技术的网络调优 夹点技术的门槛、分流与网络的改造 问题 第一章  换热网络及其综合方法简述 一、换热器网络及问题表述 在热能工程领域中，要降低能量的消耗，提高能量利用率，不仅要合理有效的产生、利用和输送热能，还要合理有效的回收热能。而热能的回收主要是通过换热器网络进行的，因此换热器网络也称为热量回收网络，它对于降低企业的能耗具有重要意义。 上图表示某反应需要在3000C才能开始进行，而由于反应放热，出口温度高达4000C，但燃料及产品均系常温。最简单的解决办法，就是在反应器前设置两台加热器，在反应器后设置一台冷却器。 在能源问题不太突出的时代，一般均采用这种一对一的方式。根据加热温位的要求，设置加热炉或预热器，水冷器或空冷器，为此在全厂设置有加热炉、锅炉房、变电所、凉水塔等公用工程设施。 随着能源问题的日益紧张，人们认识到上述方式的浪费。提出可以用反应器出口物流来预热进料，如图（b）。由于传热温差的影响，第二进料经预热后，其温度尚达不到要求，因此还需再设一个补充加热器。但加热器和冷却器的负荷都显著降低了。 图（c）是进一步改进后的另一种热回收结构，由于热流股的分流，两个冷流股的温度要求均可得到满足，从而又可以省去一个加热器。可见，正确的结构匹配能带来明显的节能和节省投资的双重效果。 换热网络综合自60年代开始受到重视，至今发表的文章已逾千篇。问题的普遍表示形式如下： 有Nh个工艺流股，其流量F和比热容cp为已知（两者乘积为热容流率Fcp），由已知的供应温度Ts冷却到给定的目标温度Tt，Ts≥Tt，这些流股称为热流股或热物流； 有Nc个工艺流股与此相反，也是给定上述数据，但需要吸收热量，即Ts≤Tt，这些流股称为冷流股或冷物流； 已知Nhu个不同的热公用工程，如烟气、大气，冷冻盐水等，其温位为已知，但用量不给定； 已知Ncu个不同的冷公用工程，如冷却水、不同压力的加热蒸汽、燃气轮机排气等，其温位为已知，但用量不给定。 上述这些流股可以匹配进行换热，工艺流股与工艺流股之间匹配的换热器以下简称换热器。 现要求由换热器、加热器和冷却器及联络管线组成一个系统，即一般称之为换热网络，使工艺流股达到要求的温度条件，而且使规定的目标函数为最优。一般以年成本作为目标函数，包括运行费用和设备费用。 为简化起见，运行费用只指公用工程的消耗，而设备折旧费可按简化的换热面积公式计算，即 式中 为第k种公用工程用于第l台加热器的年消耗量， 为单价，Ai为第I台换热器、加热器或冷却器的换热面积，a和b是计算设备费的常数 ， 是年折旧率 。在计算换热面积时，往往取换热系数为常数。 二、换热器网络的综合方法 自从C.S.Hwa于1965年首次提出换热器网络优化问题以来，许多学者对换热器网络进行了深入的研究，提出了多种最优或接近最优的综合方法。根据研究方法的侧重面不同，大体上可以分为以下几类： 第一类 数学规划法，即把问题归结为有约束的多变量优化问题。目前虽然有一些成熟的数学方法可以利用，但由于问题的维数太高，大规模非线性迭代运算效率较低，致使现代的计算机也难以完成。所以只好把问题加以简化，并在算法上加以改进。这方面的代表性工作有80年代以来的以美国CM