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利用夹点技术优化设计换热网络的换热设备点击：2093 日期：[ 2014-04-26 21:35:34 ] |
| 利用夹点技术优化设计换热网络的换热设备 王 瑞,付 峰,高晓明,尹梦龙 (延安大学化工学院,陕西 延安 716000) 摘 要:本文主要介绍了利用夹点技术设计换热网络的原则及需要注意的问题,并利用夹点技术对延安某炼油厂300万t/年常压蒸馏装置换热网络进行优化设计,使其物流能流合理地匹配,从而达到减少换热单元数目的目的。经过优化设计后,与原有的换热网络相比,换热网络的换热设备数目减少5个,使设备数目达到最优化,从而节省了设备的投资。 关键词:夹点技术;换热网络;优化设计;换热单元 中图分类号:TE974+·4 文献标识码:A 文章编号:1002-6339 (2009) 02-0149-05 1 前 言 能源与人类文明和社会的发展一直紧密地联系在一起,是社会发展的物质基础。在当今的世界上,能源问题更是渗透到社会生活的各个方面,直接关系到整个社会经济发展和人们物质文化生活水平的提高。随着能源危机日益加深,过程集成方法成为热点话题,而夹点技术以其独有的实用、简单、直观和灵活〔1〕的优点正在被广泛使用,经过20多年的发展,夹点技术已从热回收的特殊工具发展成为一种卓有成效的过程设计方法,它是过程系统综合的强有力方法,其研究和应用对促进企业技术进步、增加经济效益、提高竞争能力等都有重大意义,在我国的工业和企业中有着广阔的应用前景。 本文主要是利用夹点技术对延安某炼油厂300万t/年常压蒸馏装置换热网络进行优化设计,使其物流更合理的匹配,从而达到减少换热单元数目和节省设备投资的目的。 2·利用夹点技术对炼油厂300万t/年常压蒸馏装置换热网络进行优化设计 2·1 工艺流程说明 延安炼油厂300万t/年常压蒸馏装置的换热系统生产规模为加工混合原油(混合比为65:35)300万t/年,年开工时间为8 000 h。该装置由电脱盐部分、闪蒸部分、常压蒸馏部分、换热系统部分等组成,本文只是针对换热系统进行说明。为了简明的表示炼油厂的换热情况以及为本文计算部分提供方便,我们将实际工艺工程绘制成换热网络栅格图,如图1所示。 (图注:本网络栅格图中的原始数据取于延安炼油厂,每一条水平线代表一股物流,箭头指向右端的是热流,箭头指向左端的是冷流;左端是高温区,右端是低温区,箭头末尾的温度是物流的供应温度,箭头边的温度是目标温度,H表示加热炉,C表示冷却器,两个用同一数字标注并用线连接起来的小圆圈表示一个换热器,圆圈所在的两股物流即为进行换热的冷、热流体,Q表示的是冷、热流股在经过换热器后所交换的热量,CP表示的是各流股的平均热容流率。后面图中符号含义相同,不再重复) 2·2 夹点温度 最小传热温差ΔTmin通常为10~20℃,通过计算中我们取了夹点温差ΔTmin为14℃,从而得到了换热网络夹点平均温度为198℃(热流温度为205℃,冷流温度为191℃)。 2·3 夹点技术设计准则 在设计换热网络时,首先设计具有最大热回收(即达到能量目标)的换热网络,然后再根据经济性进行调优。 在夹点处,冷、热流体之间的传热温差最小,需要注意以下几个方面: (1)不要有跨越夹点的传热,即夹点处不能有热量穿过。 (2)不要在夹点以上设置任何公用工程冷却器,这意味着夹点之上所有的热流股都应依靠与冷流股换热达到夹点温度,而冷流股可以用加热器加热到目标温度。 (3)不要在夹点以下设置任何公用工程加热器,这意味着夹点之下所有的冷流股都应依靠与热流股换热达到夹点温度,而热流股可以用冷却器冷却到目标温度〔1〕。 这些使夹点成为设计中约束最多的地方,因而要先从夹点着手,将换热网络分成夹点上、下两部分分别向两头进行物流间的匹配换热。 在夹点设计中,物流的匹配应遵循以下准则: (1)物流数目准则,夹点设计法的可行性规则要求夹点上方的热工艺物流数目Nh不大于冷工艺物流数目Nc,即满足Nh≤Nc;夹点下方满足Nh≥Nc。 如果实际系统中物流数目不能满足上述准则,则应通过将物流人为地分流来满足该准则。该准则主要是针对夹点处的物流,夹点处的物流必须遵循该准则;而在远离夹点处,只要温度许可,物流可逐次进行匹配,不必遵循该准则。 (2)热容流率准则,夹点之上须满足CPh≤CPc,夹点之下满足CPh≥CPc(注:CPh热流的热容流率,CPc冷流的热容流率)。 如果夹点处的实际物流不能满足该准则,就应通过分流来减少夹点之上所需匹配的热容流率或夹点之下所需的冷流的热容流率。 (3)最大换热负荷准则,为保证最小数目的换热单元,每一次匹配应换完两股物流中的一股〔2〕。 2·4 初始网络的生成 换热网络的初始网络应是最大热回收网络,即具有最小公用工程。为达此目的,就要没有跨越夹点的传热。下面是采用夹点设计法对延安某炼油厂300万t/年常压蒸馏装置换热网络初始网络生成的设计过程。 2·4·1 夹点之上和夹点之下的匹配 由图1可知,夹点之上:热流四股,冷流三股,不能满足物流数目准则,为满足物流数目准则需要将一股冷流分为两股,要分流哪一股冷流需要根据实际情况确定。根据热容流率准则及相关内容,匹配的结果及一些数据如图2所示。夹点之下:热流七股,冷流五股,满足物流数目准则,匹配的结果及一些数据如图3所示。 2·4·2 换热网络系统主体方案图 综合夹点之上和夹点之下匹配的结果,在夹点处将夹点之上换热网络子系统和夹点之下换热网络子系统连接起来,形成换热网络系统主体方案图,如图4所示。 2·5 热负荷回路的断开与换热单元的合并由于最大能量回收网络的设计是分夹点上、下分别进行匹配,而有些在夹点上、下重复计算,这就不可避免地使网络换热单元总数大于将整个系统作为一体对待时的最小换热单元数目。而换热单元数目对设备投资的影响很大,一般来说,换热单元数目的增加将导致投资费用的增加,而且相对换热面积而言,单元数目对设备投资费用的影响更大〔3〕,因此有必要通过合并换热单元对换热网络进行调优。 2·5·1 换热单元数目目标 一个换热网络的最小单元数目可由欧拉通用网络定理来描述: Umin= N+L-S (1) 式中 U———换热单元数目,包括换热器、加热器、冷却器; N———流股数目,包括工艺物流以及加热和冷却公用工程; L———独立的换热回路数目; S———可能分离成不相关子系统的数目。 当系统中某一热物流的热负荷和某一冷物流的热负荷恰好相等,且其间各处传热温差均不小于规定的最小传热温差(即夹点温差)ΔTmin时,则该两物流一次匹配换热就完成了各自所要求的换热负荷。此时,该两物流与其他物流没有关系,可以分离出作为独立的子系统。当系统中存在这样一个独立的子系统时,整个系统就可以分离成两个不相关的子系统。 通常,系统往往没有可能分离成不相关子系统,故S =1;一般希望避免多余的换热单元,因此尽量消除回路,使L =0;于是式(1)变成 Umin= N-1(2) 另外,在设计之前,通常认为加热公用工程物流为1,冷却公用工程也为1〔1〕。 2·5·2 热负荷回路 当网络的换热单元数目超过将整个系统作为一体对待时的最小换热单元时,根据欧拉通用网络定理,即式(1),可知,网络中必然构成了热负荷回路。热负荷回路的定义是:在网络中从一股物流出发,沿与其匹配的物流找下去,又回到此物流,则称在这些匹配的单元之间构成热负荷回路,这里所说的物流也包括公用工程物流。 一个系统中独立的热负荷回路数可以如下确定: 独立的热负荷回路数=实际换热单元数-最小换热单元数所谓独立的负荷回路,是指热负荷回路相互独立,不会由其中几个的加减而得到另一个〔2〕。例如图5示简单网络,本来一个换热单元就可完成的换热,却由三个换热单元来完成,故有两个独立的热负荷回路。但在辨认热负荷回路的时候,却可找出三个,分别是1—2,1—3,2—3。可见这三个热负荷回路相互不独立,独立的只有两个。 在确定最小换热单元数目时,分别取加热公用工程数目和冷却公用工程数目各为1,不同的加热器用的是同一股公用工程物流,可以连起来;不同的冷却器用的是同一股公用工程物流,也可以连起来,有分流的工艺物流,实际上是一股物流,可将不同的支流上的换热器直接连起来〔1〕。 下面则用以上说明对延安炼油厂300万t/年常压蒸馏装置换热网络初始网络寻找回路。在图4所示网络中,共有物流16股(包括一股加热和一股冷却公用工程),换热单元19个(包括17个换热器,1个加热器和1个冷却器)。 如果将所有的物流作为一个系统,在没有热负荷回路的条件下,用式(2)可求得最小换热单元数目为15个,而该网络中用了19个换热单元,说明回路数目L=4。 根据热负荷回路的定义,在图4所示的网络中,可以找到4个独立的热负荷回路,分别是:从常二中热流股经换热单元1→3→12→9回到常二中热流股,常三线热流股经换热单元6→10→2→3回到常三线热流股,常二线热流股经换热单元5→16→14→12→9→4回到常二线热流股,常二线热流股经换热单元11→10→2→3→14→16回到常二线热流股。还可以写出若干热负荷回路,但独立回路只有4个。 2·6 合并换热器 为了使换热单元数目为最小,就应使热负荷回路数L=0,即需要把网络中的热负荷回路断开。热负荷回路的一个主要特点是,回路中各单元的热负荷可以相互转移而使回路中一个换热单元的热负荷为零(合并换热单元),从而断开回路达到合并换热器目的。 2·6·1 换热器合并方法 (1)保证各换热单元的热负荷不小于零。 合并的过程如下:从要合并的单元开始,按回路所经的顺序排出换热单元次序,然后从各奇数位置的单元设备的热负荷中减去所要合并的单元(位置1)的热负荷,在各偶数位置的单元中加上所要合并的单元的热负荷。一般来说,总是合并回路中热负荷最小的换热器。这样可以保证合并后回路各单元的热负荷不小于零,同时也使合并换热单元对系统的影响最小。 (2)传热温差的考虑与适当增加公用工程用量 通常,合并换热器后,会使局部传热温差减小,因此,在合并换热器后,应检验传热温差,看是否满足最小传热温差的限制。当采用适当增加公用工程用量来维持最小传热温差时,首先要定义一个概念,就是路径:网络中连接一个加热器和一个冷却器的一条热流路线,它包括沿此路线的所有换热器。换热器可以这样沿路径转移,给加热器中增加负荷X,则该加热器所在的物流的另一换热器中减少热负荷X,以维持该物流的总热负荷不变:而在负荷减少的换热器中与该物流匹配的另一股物流同时减少了热负荷X,必须在这股物流的另一个或冷却器中再加上热负荷X;当冷却器增加了热负荷X后,热负荷转移结束,整个路径的热负荷平衡。 (3)采用分支维持最小传热温差〔3〕。 2·6·2 换热器的合并过程 根据换热器合并方法,以1→3→12→9的热负荷回路(如图6所示)为例,合并换热器1后的局部网络图如图7所示;(由于篇幅有限,其余图省略)同理可将6→10→2→3的热负荷回路中的换热器6合并,将5→6→14→12→9→4的热负荷回路中的换热器5合并;将11→10→2→3→14→16的热负荷回路中的换热器11合并。 2·6·3 总体规划 综合上述断开换热回路、合并换热器的过程,需要对换热网络做适当的调整,才能够使网络合理。 具体如下:合并换热器后,14换热单元的热负荷为1 955·26 kW, 16换热单元的热负荷为3 949·61 kW,原有的热容流率不能满足要求,因为它们都是脱前原油总的分流,在合并的过程中进行了热负荷转移,这样就需要将它们的热容流率进行重新的分配,分配的结果为脱前原油总(2)的热容流率为106·75 kW/℃。为了使传热温差能够得到满足,需要进行热负荷的转移,热负荷转移的路径为H→(3→14→17)→C。为了使14换热单元在常三线上端的温度达到161·04℃,需要转移的热负荷为2 008·54 kW,则3换热单元的热负荷变为3 392·31 kW; 14换热单元的热负荷变为3 963·8 kW;17换热单元的热负荷变为232·55 kW;冷却器的热负荷变为2 897·87 kW;加热器的热负荷变为20 207·33 kW。(原来冷却器和加热器的热负荷分别为889·33 kW、18 198·79 kW)冷却器在常一线上端的温度为133·56℃。其他的计算比较简单,不在此详细说明。具体数据在图8中标注。综合以上所述得到新的延安炼油厂300万t/年常压蒸馏装置换热网络栅格图如图8所示。 3·结 论 通过利用夹点技术对延安炼油厂300万t/年常压蒸馏装置换热网络进行优化设计后可得:合并换热器以后,换热器的数目减少,换热面积增加,但是相对设备投资费用而言,换热面积对投资费用影响很小,因为每台换热器的费用中封头、外壳、土建基础等占很大比例,而管束面积只是费用中的一部分,而且占得比例很小。通常把换热单元数目目标看做是比换热面积更重要的目标。现在的换热网络只需要1个加热器,1个冷却器和13个换热器(从图8可知),共15个换热设备,而原来的换热网络需要1个加热器,3个冷却器和16个换热器(从图1可得),共20个换热设备,所以在换热设备数目上比原有网络减少了5个,一台空气冷却器市场价大约3万多,换热器根据实际需要以及土建费用一台总投资10万左右,这样就可以节省费用近40万,从而为化工生产节省了设备投资。 参考文献 〔1〕赵峭梅,张理平,付峰·化工设计与技术经济〔M〕·延安:陕西科学技术出版社,2003,166-190· 〔2〕冯霄·化工节能原理与技术〔M〕·北京:化学工业出版社,2004,125-136· 〔3〕李有润·过程系统的原理及其应用〔M〕·北京:中国石化出版社,1994,22-34· |
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