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1、能量的集成优化,研究小组：,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。,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,“十二五”节能减排规划投资需
2、求,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。,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
3、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。,1在没有特殊说明情况下，常规夹点温差，一般取1020,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。,a.根据$Tmin=HRAT 采用问题表格法或者温焓图确定能量回收量,进而计算网络的年运行费用;b.采用垂直换
4、热模型确定网络的面积,采用图论中的欧拉定律确定夹点两边的子网络的最小单元数,并按照每一单元分配相等面积的规则计算出网络的投资,进而计算相应的年费用;c.费用相加得到总的年费用。不同的$T min对应不同的年费用,Tmin 的权衡,低Tmin1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Tmin,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，Tmin 在
5、23K，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Tmin;以冷物流温度表示所有温度，所有热物流温度减少Tmin;用位移温度，它是一种平均值，所有热物流温度减少Tmin/2,所有热物流温度减少Tmin/2.,热容流率CP=质量流率W(kg/s)比热容CpkJ/(kgK),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,Hi=(Si-Si-1)(CPh-CPc)i,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
6、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-SU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UminCN=Umina+b(A/Umin)c管壳式总年度费用CT=CEB+CN/RB年运行时间；R设备折旧年限,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
7、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。）,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
8、流数目Nc,即满足Nh Nc;夹点下方满足Nh N c。,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
9、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,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。,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,
10、夹点之上：Umin，1=N1-L1-S1夹点之下：Umin，2=N2-L2-S2Umin=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Tmin 4寻找松弛路径和T=f（x）5恢复Tmin 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。,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。,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
11、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。,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。,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
12、,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,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Tmin。严格区分确定网络能量回收水平的最小温差Tmin=HRAT和网络中换热器换热所允许的最小温差Tmin=E
13、MAT这两个基本概念,从而形成了一种双温差法(或伪夹点技术)。,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Tmin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。,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。,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。,The end!希望老师同学们批评指正谢谢！,
