换热网络与夹点技术
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经济最优对小的变化 不敏感。 对大多典型的充分发 展流体流动，20℃； 对高产量或连续三班 倒的操作，取10℃。 对低温系统，制冷费 用极高， ΔTmin 在 2~3K，且常采用板式 换热器。
• b列出所有物流，并根据温差调整温度，即 位移温度。 • 以热物流温度表示所有温度，所有冷物流 温度增加ΔTmin; • 以冷物流温度表示所有温度，所有热物流 温度减少ΔTmin;
2在夹点处将网络分为两个独立子网络
• 较简单的网络仅有一个夹点，但在引入多 公用工程情况下，特别是低等级公用工程， 往往会出现一个或多个公用工程夹点，进 而引进多夹点网络设计，使用平衡网格图。
• （对于近夹点，可以用问题表格计算出热 流率。较大的偏离意味着近夹点有效转变 为新夹点，称为网络夹点，是由网络结构 的选择而不是物流数据的本质引起。）
• d取出工艺夹点位置，及QHmin及Qcmin，从而 确定公用工程的最小值，方便后续设定能 量目标 • e得出温度区间图
• 建立能量目标，经济目标，单元设备目标 和换热面积目标
能量目标
• 通过温焓图的组合曲线，根据温差确定最 小热、冷公用工程得到H2414kW，C1231kW
面积目标
单元设备目标
• 在换热网络中，对于换热设备存在欧拉广 义网络理论： • U=N+L-S • U为单位数，N为物流数，L为回路数，S为 独立的子网络； • 通常使L=0，不存在子集同等S=1，（但为了 减少单元数，可改变负荷强迫子集同等） • Umin=N-1
费用目标
• • • • • • • 能量费用目标 CE=CHQH+CCQC 换热器费用，假定换热单元为Umin CN=Umin[a+b(ΣA/Umin)c]管壳式 总年度费用 CT=CEB+CN/R B—年运行时间；R—设备折旧年限
减排重点工程
8160
循环经济重点工程
5680
总计
23660
夹点技术提出
• 夹点技术(Pinch Technoloy)始创于 20 世纪 70 年代末, 是由英国学者 Linnhoff B 提出的。 由英国帝国化学公司( ICI)率先在工程设计中 采用这种全新的设计方法, 取得了令人瞩目 的节能效果。在新建工厂的设计中, 每个工 程项目比常规设计平均节能30%, 并且还节 省了设备投资; 在现场装置技术改造的应用 中, 投资回收期一般为 12 个月左右。
网络改造
• 针对网络改造，需要注意尽量利用现有换 热器设备装置及管线。有些工艺中还涉及 禁止匹配和强制匹配。
1 改造设 备
Mer设 计
3
3
现有设 备
2
改造手段主要有四种
• 1重排，可以点到两台换热器的顺序，研究 热回收； • 2重新配管，类似于重排，但可能用于其他 新匹配； • 3增加新匹配； • 4分流，分流一股物流，同时减少夹点匹配 包含的物流负荷。 • 四种方法可能吧加点移动道不同的夹点匹 配，因此需要反复应用已达到最终目标。
存在问题
• 2由于将换热网络分为两个子系统设计，当 起始最小温差改变时，拓扑陷阱的潜在影 响增大，且最终会影响费用—ΔTmin的准确 度。 • 3先形成基本网络，然后减少单元数，能量 回收减少在初始网络产生以后,再考虑单元 数和面积。解决这一问题的根本途径是在 产生初始网络的同时,就应同步考虑单元数 和面积。
夹点技术优势
• (1)在设计过程中,设计者有选择的余地。当 然这种余地对设计者来说,既是方便之处,也 包藏着隐患,因为设计者实际上很难在构成 组合爆炸的多种选择中,仅依靠PDM的直觉 和简单的计算就能找到其中的最佳选择; • (2)易懂,适于手算; • (3)能够较快产生不同拓扑结构的网络; • (4)在过程系统中,已经有成功的应用实例,并 取得了显著的效益。
存在问题
• 4设计的第(6)步骤,依赖的物理基础是垂直换 热模型。这是逆流换热在网络设计中的推 广。垂直换热模型仅在物流的膜传热系数 完全相同的情况下,才能正确预报网络的最 小面积。另外,实现垂直换热模型需要多得 多的单元数。 • 解决办法，改良逆流热交换，引入修正因 子FT=f（R,P)，R是热物流温差对冷物流温差 比值，P是冷物流温差与热、冷物流进口温 差比值。
存在问题
• 1能量松弛需要协调单元数、公用工程的消 耗量和面积3个因素,使网络的总费用最低。 PDM依赖使用者的直觉和简单的计算,所得 网络的公用工程的消耗量实际上对应着一 个新的夹点温差，这一自相矛盾的根源在 于网络中的所有单元均使用了单一的ΔTmin。 严格区分确定网络能量回收水平的最小温 差ΔTmin=HRAT和网络中换热器换热所允许 的最小温差ΔTmin=EMAT这两个基本概念,从 而形成了一种双温差法(或伪夹点技术)。
• 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。 • 通过分流实现
• (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。 • 注应该尽量避免热量穿过夹点，夹点之上 应该尽量避免引入公用工程冷却物流;夹点 之下应该尽量避免引入公用工程加热物流; 应该尽量避免热量穿过夹点否则导致能量 惩罚
ΔTmin 的权衡
• • • • • • • 低ΔTmin 1公用工程能量降低，能量费用↓ 2换热量增大，投资↑ 3推动力变小，换热器变大，投资↑ 4热负荷减小，加热器，冷却器减小，投资↓ 5依照回收期限，总费用估计 最终平衡将取决于换热器面积费用、加热和 冷却费用以及回收投资的回报期。
最优ΔTmin
总结
• 夹点分析在对过程系统热力学特性进行深 刻理解基础上，根据热力学和图论法为过 程系统的能量优化综合建立起了简单的图 形工具和优化原则；并能充分发挥工程师 的工程经验，再详细建立优化目标，并考 虑过程的可操作性、装置不知、安全性等 因素，驱动过程设计达到一个热力学搞笑 和实际可接受的解决方案。
• 根据以上规则，由上到下，分别是热公用 工程物流，常规热物流，常规冷物流，冷 公用工程物流。在各物流区域内从上到下 温度升序排布。 • 需要考虑温度推动力，GB换热器的换热面 积及使用范围，传热系数设置，完成能量 会匹配。
• 适当采用循环匹配，无限个小的换热器循 环匹配，则没有能量惩罚。循环匹配顺序， 温度是关键，离夹点远的物流应外部匹配。
wenku.baidu.com
十二五节能规划
• 到2015年，全国万元国内生产总值能耗下 降到0.869吨标准煤(按2005年价格计算)，比 2010年的1.034吨标准煤下降16%(比2005年 的1.276吨标准煤下降32%)。“十二五”期 间，实现节约能源6.7亿吨标准煤。
具体节能目标
指标 单位 2010 2015 变化率 -21%左右 单位工业增加 % 值（规模以上） 能耗
The end!
希望老师同学们批评指正 谢谢！
• Umin=Umin，1+Umin，2
• 以最小的能量牺牲，降低设备单元数的 “能量松弛”的方法如下： • 1若存在回路，识别这条回路（跨越夹点） • 2通过加减负荷的方法来断开回路 • 3重新计算网络温度并判断是否违背ΔTmin • 4寻找松弛路径和T=f（x） • 5恢复ΔTmin
• 然后重复该方法应用于其他回路和路径， 得到具体不同设备单元数和能量用量的范 围。通常删除能量较小的设备单元。
1在没有特殊说明情况下，常规夹点 温差，一般取10~20℃
a首先要考虑的是物流选取： 任何需要加热或冷却的但其组成保持保持 不变的流动成为称为物流。 反应过程不是物流，因为它在组成上发生 了变化；补充物不是物流，因为他不需要 加热或冷却。 物流热容流率随温度存在变化，需要分段。 物流分割不宜太多，增加网络复杂性。
原油加工综合能 千克标准煤/吨 99 耗
乙烯综合能耗 千克标准煤/吨 886
86 857 1350
-13 -29 -52
合成氨综合能耗 千克标准煤/吨 1402
“十二五”节能减排规划投资需求
工程名称 节能重点工程 投资需求（亿元） 9820 节能减排能力（万吨） 30000（标准煤） 420（化学需氧量）、277 （二氧化硫）、40（氨氮）、 358（氮氧化物） 支撑实现上述节能减排能力
4两个子网络想加，形成一个总体初 始网络，该网络完成预定的能量回 收目标；
• 在夹点处注意换热器的合并，初步分析总 网络的能量分布。
• 注意物流热容流率的变化，尤其是存在拓 扑陷阱的问题（温差下，净热流量大）。
5能量松弛
• • • • 夹点之上： Umin，1=N1-L1-S1 夹点之下： Umin，2=N2-L2-S2
能量的集成优化
研究小组：
节能 背景
存在 问题
换热 网络
夹点 技术
夹点 应用
节能研究背景
• 能源与人类文明和社会的发展一直紧密地 联系在一起。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。我国国内生产总值约占世界的 8.6%，但能源消耗占世界的19.3%，单位国 内生产总值能耗仍是世界平均水平的2倍以 上。
• 用位移温度，它是一种平均值，所有热物 流温度减少ΔTmin/2,所有热物流温度减少 ΔTmin/2.
• 热容流率CP=质量流率W(kg/s) ×比热容 Cp[kJ/(kg· K)]
• c温度排序划分子区间，各自区间热量换算， 确定夹点，确定区间Qi
ΔHi=(Si-Si-1)(Σ CPh-ΣCPc)i
夹点技术的基本方法
1给定初始夹点温差，或根据要求确定温差，确 定夹点温差； 2在夹点处将网络分为两个独立子网络； 3从夹点开始，采用可行性规则分别设计子网络； 4两个子网络想加，形成一个总体初始网络，该 网络完成预定的能量回收目标； 5采用能量松弛； 6剩余问题分析(RpA一Remaining Problem Analysis) 和驱动力图(DFP一Driving Foree Plot) 7改变夹点温差，进行迭代，直至找到最优。
3从夹点开始，采用可行性规则分别 设计子网络
• 确定夹点，由夹点向外设计。夹点附近需要严 格处理。夹点上方的子系统是热阱系统, 夹点 下方的子系统是热源系统,利用夹点技术对换 热网络进行设计时,必须遵循3个基本原则: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 ≥ N c。
6通过剩余问题分析和驱动力图进一 步优化网络。
• RPA可通过关注能量目标和投资费用目标来 完成，可在放置换热器，加热器和冷却器 后使用，常应用在能量分配上难为后续设 计打基础。
驱动力
• 需要考虑动力设置以及应用 • 包括蒸汽透平，燃气透平，柴油/天燃气内 燃机的选择 • 选择标准主要取决于工厂规模和现场的热 功比、输出动力潜力和过程需要的热的温 度。
• a. 根据 $Tmin= HRAT 采用问题表格法或者温 焓图确定能量回收量, 进而计算网络的年运 行费用; • b. 采用垂直换热模型确定网络的面积, 采用 图论中的欧拉定律确定夹点两边的子网络 的最小单元数, 并按照每一单元分配相等面 积的规则计算出网络的投资, 进而计算相应 的年费用; • c. 费用相加得到总的年费用。不同的 $T min 对应不同的年费用
• b列出所有物流，并根据温差调整温度，即 位移温度。 • 以热物流温度表示所有温度，所有冷物流 温度增加ΔTmin; • 以冷物流温度表示所有温度，所有热物流 温度减少ΔTmin;
2在夹点处将网络分为两个独立子网络
• 较简单的网络仅有一个夹点，但在引入多 公用工程情况下，特别是低等级公用工程， 往往会出现一个或多个公用工程夹点，进 而引进多夹点网络设计，使用平衡网格图。
• （对于近夹点，可以用问题表格计算出热 流率。较大的偏离意味着近夹点有效转变 为新夹点，称为网络夹点，是由网络结构 的选择而不是物流数据的本质引起。）
• d取出工艺夹点位置，及QHmin及Qcmin，从而 确定公用工程的最小值，方便后续设定能 量目标 • e得出温度区间图
• 建立能量目标，经济目标，单元设备目标 和换热面积目标
能量目标
• 通过温焓图的组合曲线，根据温差确定最 小热、冷公用工程得到H2414kW，C1231kW
面积目标
单元设备目标
• 在换热网络中，对于换热设备存在欧拉广 义网络理论： • U=N+L-S • U为单位数，N为物流数，L为回路数，S为 独立的子网络； • 通常使L=0，不存在子集同等S=1，（但为了 减少单元数，可改变负荷强迫子集同等） • Umin=N-1
费用目标
• • • • • • • 能量费用目标 CE=CHQH+CCQC 换热器费用，假定换热单元为Umin CN=Umin[a+b(ΣA/Umin)c]管壳式 总年度费用 CT=CEB+CN/R B—年运行时间；R—设备折旧年限
减排重点工程
8160
循环经济重点工程
5680
总计
23660
夹点技术提出
• 夹点技术(Pinch Technoloy)始创于 20 世纪 70 年代末, 是由英国学者 Linnhoff B 提出的。 由英国帝国化学公司( ICI)率先在工程设计中 采用这种全新的设计方法, 取得了令人瞩目 的节能效果。在新建工厂的设计中, 每个工 程项目比常规设计平均节能30%, 并且还节 省了设备投资; 在现场装置技术改造的应用 中, 投资回收期一般为 12 个月左右。
网络改造
• 针对网络改造，需要注意尽量利用现有换 热器设备装置及管线。有些工艺中还涉及 禁止匹配和强制匹配。
1 改造设 备
Mer设 计
3
3
现有设 备
2
改造手段主要有四种
• 1重排，可以点到两台换热器的顺序，研究 热回收； • 2重新配管，类似于重排，但可能用于其他 新匹配； • 3增加新匹配； • 4分流，分流一股物流，同时减少夹点匹配 包含的物流负荷。 • 四种方法可能吧加点移动道不同的夹点匹 配，因此需要反复应用已达到最终目标。
存在问题
• 2由于将换热网络分为两个子系统设计，当 起始最小温差改变时，拓扑陷阱的潜在影 响增大，且最终会影响费用—ΔTmin的准确 度。 • 3先形成基本网络，然后减少单元数，能量 回收减少在初始网络产生以后,再考虑单元 数和面积。解决这一问题的根本途径是在 产生初始网络的同时,就应同步考虑单元数 和面积。
夹点技术优势
• (1)在设计过程中,设计者有选择的余地。当 然这种余地对设计者来说,既是方便之处,也 包藏着隐患,因为设计者实际上很难在构成 组合爆炸的多种选择中,仅依靠PDM的直觉 和简单的计算就能找到其中的最佳选择; • (2)易懂,适于手算; • (3)能够较快产生不同拓扑结构的网络; • (4)在过程系统中,已经有成功的应用实例,并 取得了显著的效益。
存在问题
• 4设计的第(6)步骤,依赖的物理基础是垂直换 热模型。这是逆流换热在网络设计中的推 广。垂直换热模型仅在物流的膜传热系数 完全相同的情况下,才能正确预报网络的最 小面积。另外,实现垂直换热模型需要多得 多的单元数。 • 解决办法，改良逆流热交换，引入修正因 子FT=f（R,P)，R是热物流温差对冷物流温差 比值，P是冷物流温差与热、冷物流进口温 差比值。
存在问题
• 1能量松弛需要协调单元数、公用工程的消 耗量和面积3个因素,使网络的总费用最低。 PDM依赖使用者的直觉和简单的计算,所得 网络的公用工程的消耗量实际上对应着一 个新的夹点温差，这一自相矛盾的根源在 于网络中的所有单元均使用了单一的ΔTmin。 严格区分确定网络能量回收水平的最小温 差ΔTmin=HRAT和网络中换热器换热所允许 的最小温差ΔTmin=EMAT这两个基本概念,从 而形成了一种双温差法(或伪夹点技术)。
• 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。 • 通过分流实现
• (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。 • 注应该尽量避免热量穿过夹点，夹点之上 应该尽量避免引入公用工程冷却物流;夹点 之下应该尽量避免引入公用工程加热物流; 应该尽量避免热量穿过夹点否则导致能量 惩罚
ΔTmin 的权衡
• • • • • • • 低ΔTmin 1公用工程能量降低，能量费用↓ 2换热量增大，投资↑ 3推动力变小，换热器变大，投资↑ 4热负荷减小，加热器，冷却器减小，投资↓ 5依照回收期限，总费用估计 最终平衡将取决于换热器面积费用、加热和 冷却费用以及回收投资的回报期。
最优ΔTmin
总结
• 夹点分析在对过程系统热力学特性进行深 刻理解基础上，根据热力学和图论法为过 程系统的能量优化综合建立起了简单的图 形工具和优化原则；并能充分发挥工程师 的工程经验，再详细建立优化目标，并考 虑过程的可操作性、装置不知、安全性等 因素，驱动过程设计达到一个热力学搞笑 和实际可接受的解决方案。
• 根据以上规则，由上到下，分别是热公用 工程物流，常规热物流，常规冷物流，冷 公用工程物流。在各物流区域内从上到下 温度升序排布。 • 需要考虑温度推动力，GB换热器的换热面 积及使用范围，传热系数设置，完成能量 会匹配。
• 适当采用循环匹配，无限个小的换热器循 环匹配，则没有能量惩罚。循环匹配顺序， 温度是关键，离夹点远的物流应外部匹配。
wenku.baidu.com
十二五节能规划
• 到2015年，全国万元国内生产总值能耗下 降到0.869吨标准煤(按2005年价格计算)，比 2010年的1.034吨标准煤下降16%(比2005年 的1.276吨标准煤下降32%)。“十二五”期 间，实现节约能源6.7亿吨标准煤。
具体节能目标
指标 单位 2010 2015 变化率 -21%左右 单位工业增加 % 值（规模以上） 能耗
The end!
希望老师同学们批评指正 谢谢！
• Umin=Umin，1+Umin，2
• 以最小的能量牺牲，降低设备单元数的 “能量松弛”的方法如下： • 1若存在回路，识别这条回路（跨越夹点） • 2通过加减负荷的方法来断开回路 • 3重新计算网络温度并判断是否违背ΔTmin • 4寻找松弛路径和T=f（x） • 5恢复ΔTmin
• 然后重复该方法应用于其他回路和路径， 得到具体不同设备单元数和能量用量的范 围。通常删除能量较小的设备单元。
1在没有特殊说明情况下，常规夹点 温差，一般取10~20℃
a首先要考虑的是物流选取： 任何需要加热或冷却的但其组成保持保持 不变的流动成为称为物流。 反应过程不是物流，因为它在组成上发生 了变化；补充物不是物流，因为他不需要 加热或冷却。 物流热容流率随温度存在变化，需要分段。 物流分割不宜太多，增加网络复杂性。
原油加工综合能 千克标准煤/吨 99 耗
乙烯综合能耗 千克标准煤/吨 886
86 857 1350
-13 -29 -52
合成氨综合能耗 千克标准煤/吨 1402
“十二五”节能减排规划投资需求
工程名称 节能重点工程 投资需求（亿元） 9820 节能减排能力（万吨） 30000（标准煤） 420（化学需氧量）、277 （二氧化硫）、40（氨氮）、 358（氮氧化物） 支撑实现上述节能减排能力
4两个子网络想加，形成一个总体初 始网络，该网络完成预定的能量回 收目标；
• 在夹点处注意换热器的合并，初步分析总 网络的能量分布。
• 注意物流热容流率的变化，尤其是存在拓 扑陷阱的问题（温差下，净热流量大）。
5能量松弛
• • • • 夹点之上： Umin，1=N1-L1-S1 夹点之下： Umin，2=N2-L2-S2
能量的集成优化
研究小组：
节能 背景
存在 问题
换热 网络
夹点 技术
夹点 应用
节能研究背景
• 能源与人类文明和社会的发展一直紧密地 联系在一起。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。我国国内生产总值约占世界的 8.6%，但能源消耗占世界的19.3%，单位国 内生产总值能耗仍是世界平均水平的2倍以 上。
• 用位移温度，它是一种平均值，所有热物 流温度减少ΔTmin/2,所有热物流温度减少 ΔTmin/2.
• 热容流率CP=质量流率W(kg/s) ×比热容 Cp[kJ/(kg· K)]
• c温度排序划分子区间，各自区间热量换算， 确定夹点，确定区间Qi
ΔHi=(Si-Si-1)(Σ CPh-ΣCPc)i
夹点技术的基本方法
1给定初始夹点温差，或根据要求确定温差，确 定夹点温差； 2在夹点处将网络分为两个独立子网络； 3从夹点开始，采用可行性规则分别设计子网络； 4两个子网络想加，形成一个总体初始网络，该 网络完成预定的能量回收目标； 5采用能量松弛； 6剩余问题分析(RpA一Remaining Problem Analysis) 和驱动力图(DFP一Driving Foree Plot) 7改变夹点温差，进行迭代，直至找到最优。
3从夹点开始，采用可行性规则分别 设计子网络
• 确定夹点，由夹点向外设计。夹点附近需要严 格处理。夹点上方的子系统是热阱系统, 夹点 下方的子系统是热源系统,利用夹点技术对换 热网络进行设计时,必须遵循3个基本原则: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 ≥ N c。
6通过剩余问题分析和驱动力图进一 步优化网络。
• RPA可通过关注能量目标和投资费用目标来 完成，可在放置换热器，加热器和冷却器 后使用，常应用在能量分配上难为后续设 计打基础。
驱动力
• 需要考虑动力设置以及应用 • 包括蒸汽透平，燃气透平，柴油/天燃气内 燃机的选择 • 选择标准主要取决于工厂规模和现场的热 功比、输出动力潜力和过程需要的热的温 度。
• a. 根据 $Tmin= HRAT 采用问题表格法或者温 焓图确定能量回收量, 进而计算网络的年运 行费用; • b. 采用垂直换热模型确定网络的面积, 采用 图论中的欧拉定律确定夹点两边的子网络 的最小单元数, 并按照每一单元分配相等面 积的规则计算出网络的投资, 进而计算相应 的年费用; • c. 费用相加得到总的年费用。不同的 $T min 对应不同的年费用