刘智勇，李志伟，霍 磊

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州730070)

随着能源的日渐紧张，过程集成已成为热点话题。过程集成中目前最实用的是夹点技术。

乙烯是有机化工工业的一种重要的基础原料，世界各国都以乙烯产量作为衡量石油化工的发展水平的重要标志［1］。我国的乙烯工业起步较晚，基础薄弱、技术落后以及规模小是当今企业的弱点，以此依托老基地，采用乙烯装置技术发展的最新成果，充分挖掘老装置的潜力，通过技术改造;消除瓶颈制约，走扩大生产能力与提高技术装备水平、内涵挖潜与扩能改造相结合的道路，是改变我国乙烯工业落后现状的必然选择［2］。

1 夹点技术简介

夹点技术是英国学者Linhoff于20世纪70年代在总结前人研究基础之上提出的，并逐渐发展成为一整套换热网络的设计法［3］。该技术是以热力学为基础，从宏观的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。夹点技术以整个系统为出发点，同以前只着眼于局部、只考虑某几股热流的回收、某个设备或车间的改造的节能技术相比，节能效果和经济效益要显著得多.应用夹点技术可以方便地找出换热网络中不合理的用能设备，对优化换热网络提供指导，使能量达到最大回收。

1.1 夹点的基本原理

夹点技术以化工热力学为基础，从整个过程系统出发，选用年总费用、设备投资费用、最大热量回收量、最少换热器数目等作为经济目标函数［4－6］，首先通过经验法或数学优化估算确定夹点温差，采用复合温－焓曲线或用问题表法的途径得出夹点，从而确定最小加热公用工程量及最小冷却公用工程量，通过夹点设计准则找出流程中不合理的换热过程及换热设备进行改进，从而使换热网络达到最优［7］。夹点技术已成功地在世界范围内取得了显著的节能效果。采用这种技术对新厂设计而言，比传统方法可节能30%～50%;对老厂改造而言，通常可节能20%～35%，改造回收年限一般只有0.5～3年［8］。

1.2 夹点的形成与含义

在利用夹点技术设计换热网络时，首先通过经验法或数学优化估算确定夹点温差△Tmin，这是整个换热网络允许的最小传热温差。

1.2.1 工艺物流的特性曲线

将过程所有热物流按温度变化区间和相应的焓的变化值在温－焓图上连续绘出，见图1，由高温到低温，形成热物流组合曲线(曲线ABCD);同理，可以做出从低温到高温的冷物流组合曲线(曲线EFGH)，物流的热量变化量用横坐标两点间的焓差△H表示，冷热物流组合曲线沿H轴平移，不改变物流的温位和热量变化。

图1 冷热复合线温－焓线

在温—焓图上，热物流组合曲线在左上方，冷物流组合曲线在右下方，沿H轴平移冷组合曲线使之靠近热组合曲线，在这个过程中各部位的传热温差△T逐渐变小，冷、热负荷曲线在某点重合时该系统内部换热达到极限，重合点传热温差为零，该点即为夹点［9］。但是，在夹点温差为零时操作所需要无限大的传热面积，是不现实的。不过可以通过技术经济评价来确定一个系统最小的传热温差—夹点温差△Tmin。因此，可定义为冷热负荷温焓线上传热温差最小的地方。确定了夹点温差后的冷热负荷曲线如图1所示。冷、热曲线重叠的部分ABCEFG，为过程内部冷、热流体的换热区，包括多股热流和多股冷流，物流的焓变全部通过换热器来实现;冷负荷曲线上端剩余部分GH，已没有合适的热流与之换热，需要公用工程加热器使这部分冷流升高到目标温度，GH为在该夹点温度下所需的最小加热公用工程量QH，min;热负荷曲线下端剩余部分CD，已没有合适的冷流与之换热，需要公用工程冷却器使这部分热流降低到目标温度，CD为在该夹点温差下所需的最小冷却公用工程量QC，min。

夹点的出现将整个换热网络分成了两部分;夹点之上和夹点之下。夹点之上是热端，只有换热和加热公用工程，没有任何热量流出，可看做是一个净热井;夹点之下是冷端，只有换热和冷却公用工程，没有任何热量流入，可看做是一个热源［10］。

1.2.2 采用问题表格计算

问题表格法的计算步骤如下:

(1)以冷、热流体的平均温度为尺寸，划分温度区间。冷、热流体平均相对热流体下降1/2个夹点温差(△Tmin/2)，相对冷流体上升1/2个夹点温差(△Tmin/2)。这样可保证每个温区内热流体比冷流体高△Tmin，而满足传热的需要。

(2)计算每个温区内的热平衡，以确定各温区所需的加热量和冷却量，计算式

式中 ΔHi——第i区间所需要的外加热量/kW;

∑CpC、∑CpH——该温区内冷、热物流热熔流率之和/kW·℃－1;

Ti、Ti+1——该温区的进出口温度/℃。

(3)进行热级联计算。第一步，计算外界无热量输入时各温区间的热通量。此时，各温区之间可有自上而下的热流流通，但不能有逆向的热流流通。第二，为了保证各温区之间的热通量不小于零，根据第一步级联计算结果，取绝对值最大的为负的热通量的绝对值为所需外界加入的最小热通量，即最小加热公用工程用量，由第一个温区输入;然后计算外界输入最小加热公用工程量时各温区之间的热通量;而由最后一个温区流出的热量，就是最小冷却公用工程用量。

(4)温区之间热通量为零处，即为夹点。

1.3 夹点技术应用的基本准则

在设计换热网络时，首先设计最大热回收(即达到能量目标)的换热网络，然后再根据经济目标性进行调优。

1.3.1 在夹点处冷、热流体之间的温差传热最小，需要注意以下几方面:

(1)不要有跨越夹点的传热，即夹点处不能有热量穿过。

(2)不要在夹点之上设置任何公用工程冷却器，如果在夹点之上系统中设置冷却器，用冷却公用工程移走的那部分热量，必然有加热公用工程额外输入。

(3)不要在夹点之下设置任何公用工程加热器，如果在夹点之下系统中设置加热器，用加热公用工程移走的那部分热量，必然有冷却公用工程额外输入。

这些使夹点成为设计中约束最多的地方，因而需要从夹点着手，将换热网络分为夹点上、下两部分分别向两头进行物流间的匹配换热。

1.3.2 在全局用能网络的优化中，要使夹点处冷、热流体之间的传热温差最小，需要注意:

(1)物流数目准则，夹点设计的可行性规划要求夹点上方的热工工艺物流数目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。

(2)热熔率准则，夹点之上须满足CpH≤CpC，夹点之下应满足CpH≥CpC。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熔流率或夹点之下所需的冷流的热熔流率。

(3)最大换热负荷准则，为保证最小数目的换热单元，每一次匹配应该换完;两股中的一股。

1.3.3 为了对现有装置进行最好热回收方案设计，应该做到:

(1)检查现有网络，识别违背夹点的设备。

(2)得到一个最节能的设计，尽可能和基础工况兼容。

(3)当匹配存在时，特别是原理夹点区域，最好选择已存在的匹配。

(4)通过换热网络面积分析，对现有网络面积进行评估，尽可能回复现有单元的面积值。

(5)对最优方案进行模拟优化。

2 工程实例

本文利用夹点技术对某乙烯生产的能量系统进行了分析，找出了其能量利用不合理的环节。基于夹点技术的设计原则，提出了一种节能效果显著的换热网络优化。

2.1 数据的提取

根据乙烯系统的现场网络提取的冷、热数据，见表1。

表1 乙烯换热网络数据

如表2所示，其中有20股冷流及14股热流。根据经验夹点温差一般为10～20℃，通过计算我们选取换热网络夹点温差为10℃，计算的夹点位置为75℃，65℃之间。所需最小加热公用工程为44 000 kW，最小冷却公用工程为52 400 kW。生成的组合曲线如图2所示。

图2 组合曲线

2.2 原换热网络分析

如图3中所示各换热器后的数字表示温度，单位为℃，箭头向右的为热物流或加热公用工程，温度逐渐降低，箭头向左为冷物流或冷却公用工程，温度逐渐升高。该换热系统共有36组换热器，其中中压蒸汽、低压蒸汽、制冷器10为公用工程加热器。冷却水、乙烯冷剂－100、乙烯冷剂－76、乙烯冷剂－54、丙烯冷剂－34、丙烯冷剂+00、丙烯冷剂+10为公用工程冷却器。其中有四组换热器穿越夹点。分别为急冷水与OFUSRS穿越夹点能量浪费2 877 kW;急冷水与C3再沸器穿越夹点换热能量浪费6 508 kW。低压蒸汽与进料1能耗为89 kW。干燥气与冷却水穿越夹点换热能量浪费2 747 kW。夹点之下使用了2个冷却器，由制冷器10加热，分别为制冷器10加热C2再沸器能量浪费10 257.5 kW;制冷器10加热C2PROD能量浪费3 810 kW。加热公用工程总换热器数目为9个，热负荷总量为78 192 kW，每年消耗的公用工程加热费用为3 735万元。冷却公用工程总换热数目为13个，冷负荷总量为85 716 kW，每年消耗的公用工程的冷却费用为8 594万元。

图3 原换热网络图(单位:℃)

2.3 改造方案

根据夹点设计步骤及设计准则，对该换热网络进行改造。要求不应有穿越夹点的换热，符合热熔流率准则，合理改造换热网络。改造后换热网络流程图如图4所示。工程改造后总换热器数目为40组。急冷水先于C2C3再沸器换热至夹点温度75℃后分流与其他网络换热，则节约能量9 385 kW。干燥气与C3C4再沸器换热至夹点温度75℃后再与其他网络换热，节约能量2 747 kW。进料1与干燥气换热至夹点温度65℃再被低压蒸汽加热，节约能量89 kW。C2再沸器直接与C3凝液换热则节约加热及冷却公用工程10 257.5 kW。C2PROD与系统内物流换热减少加热及冷却公用工程3 810 kW。综上所诉共节约能量33 262 kW。换热网络加热公用工程总换热器数目为6个，总热负荷为44 867 kW，每年消耗的加热公用工程费用为2 613万元。冷却公用工程总换热器数目为11个，冷负荷总量为52 454 kW，每年消耗冷却公用工程费用为6 767万元。

图4 改造后换热网络图(单位:℃)

2.4 经济分析

原换热网络总换热其数目为36组，改造后为40组，增加了4组换热器。新增设备及改造费用约为2 900万元。改造后节约加热公用工程量为33 262 kW，节约冷却公用工程的经济费用约为2 949万元，约一年即可回收。

3 结论

工程实例证明夹点技术应用于乙烯生产等，在复杂换热网络优化中具有计算简便、准确度高的特点。利用夹点技术对该工程乙烯原换热网络进行分析后节省能量约占加热公用工程的42%。换热网络改造后一年就可回收，使换热网络能耗最大回收。然而夹点附近有严格的要求，具体情况总结如下:

(1)夹点附近严格要求最小能量损失，而使夹点附近换热设备数目增加，使工厂前期投资及改造费用太高。

(2)夹点附近的热容流率准则及物流数目准则要求:夹点之上必须遵循CpH≤CpC及NH≤NC，而夹点之下必须遵循CpH≤CpC及NH≥NC。不符合之处需要进行分流，如图3所示夹点之下热物流数目小于冷物流数目，所以物流急冷水需要分流。同样增加了初期的投资及网络的复杂性。

基于以上问题一般可以通过网络松弛以最小能量牺牲来降低设备单元数方法如下:

(1)若物流分流是不期望的，可以通过循环匹配或网络松弛来消除分流。

(2)物流分流增加了网络的复杂性和灵活性，故若物流不分流，可以找到最小换热面积方案，通常优先于物流分流方案。

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