第二章	能量系统集成 一、	概论 二、	换热网络综合简介 三、	夹点理论 四、	换热网络综合的目标 五、	最优夹点温差的确定 六、	夹点设计方法 七、	调优合并换热器 八、	多级公用工程 九、 	阈值问题 十、	换热网络综合实例 十一、	换热网络模拟 十二、	换热网络综合的数学规划法 十三、	换热网络的改造 十四、	换热网络综合的其它问题 十五、	热能动力系统集成 十六、	全厂总能系统  －、概论 节能的意义 能量系统的范畴 节能潜力分析 节能的实践 节能的研究方法 过程系统节能技术的发展 热力学基础 1、节能的意义 能源消耗逐年增加 过程系统能耗总量很大 过程工业产品单耗高，节能潜力大 节能的四个方面： 加强管理 改进设备 改进工艺 改进能量回收系统  2、能量系统的范畴 	核心是换热网络 	三个子系统互相影响密切相关，严格整体优化，系统分解优化  过程系统框图 3、节能潜力分析 		满足工艺生产过程对各种形式能量需求的能量系统的设计方案是多种多样的。  		什么样的能量系统设计方案是经济上合理的、技术上可行的、投资和能耗费用最小的方案？通过什么方法可以获得这样的设计方案。 4、节能的实践 		 Linnhoff 提出夹点理论，创办UMIST/DPI以及Linnhoff Match公司，与ASPEN竞争。 		迄今为止，夹点技术仍是过程系统工程领域近几十年来最大的一个突破。日本学者Umeda也同时提出夹点思想。 		 Linnhoff Match公司夹点实践，每个项目平均收益几十万美元/年，投资回收期为几个月～几十个月，表1－7表明过程系统节能约占50％。国内实践，炼厂，几百万人民币/年，原油终温上升10度，节约燃油。早期设计的改造潜力大。 5、节能的研究方法 热力学方法 数学规划法（Mathematical Programming） 人工智能方法：专家系统 热力学方法 		热力学方法物理概念清楚，系统能量目标准确、设计规则有据，很适于工程设计人员在工程实际中应用。以热力学目标和投资费用目标相结合作为总的设计目标，以热力学方法为主，并结合经济目标优化的方法。 数学规划法 		将所研究的问题整理成有目标函数和约束条件组成的数学模型，然后根据数学模型的类型选择适宜的优化方法进行求解。 		用数学规划法求能量系统的最优系统流程和最优操作条件，理论上可得给定条件下的严格最优解。现有的计算方法和计算机能力仍难于求解大型复杂系统的优化问题，很难得到全局最优解。数学优化方法的另一个缺点是计算过程不透明，物理概念不清晰，难于被过程设计人员掌握而直接使用。 人工智能方法 		应用专家系统，离工业实际应用尚有一定距离。 		这三类方法是互相结合，相互渗透的，常是以某一方法为主，再辅以其它方法。例如以热力学方法确定能量系统的基本流程结构，以此为基础，再以数学规划法求得某些关键设计参数的优化值，对这样的结果再根据专家的经验考虑若干工程实际条件加以调整，以得到符合实际的优化方案。 6、过程系统节能技术的发展 7、热力学基础 热力学第一、二定律 能量平衡分析 	   、焓 二、换热网络综合简介 	1、概述		 		一组初始温度为	   的冷物流要求被加热到    ，另一组初始温度为    的热物流要求被冷却到目标温度     ，在给定的最小传热温差      条件下，通过确定物流的匹配关系，使所有物流均达到其目标温度，同时使投资费用和操作费用最小。 	进展： 		Whistler 1948年以T-H图表示换热过程，Hwa(1965)以后开始研究换热组合问题，此后分为四个阶段： （1）Hohmann（1971）的开创性工作： 		两个目标：最小公用工程 		                    最小单元数 （2）早期的方法： 	Lee分枝界限法（1970），Nishida（1971）热谱图法，Pho(1973)树搜索法，	Ponton（1974）直观推断法。逐步被淘汰 （3）Linnhoff 夹点理论（1979) （4）Grossmann（1980’s）数学规划法 	超结构概念 2、网络的表达： 	三种方法＋热容图（不常用） 	流程图 	温焓图 	栅格图 	 流程图 	优点是可以较清楚地表示网络的结构及换热物流的匹配。 	缺点是不能直接地表示物流的温度分布以及每台换热单元的热负荷，因而对分析换热网络的热力学特性不利。 温焓图 		优点在于可直观表示物流的温位和热负荷。缺点是不能清楚地表示出换热网络的流程结构。 		常用于热力学分析。 4TC2问题的物流温焓线 4TC2问题的物流温焓线 栅格图 		优点是表示能流匹配情况，特别是当物流分流时很方便。 		缺点是不能直观地表示换热网络的结构，对于比热有变化乃至相变的物流状态无法表示。 		常用于结构分析。 	还有一种热容图，使用不多。 	 	对换热网络的分析综合，多用温焓图和栅格图来表示。但工程设计中则多用流程图表示。 三、夹点理论 	目前换热网络设计方法已一致趋向于用夹点设计方法和数学规划法，而数学规划法的热力学基础也是夹点理论。 1、夹点的形成 		两股物流换热 		组合温焓曲线（Composite Curve) 			FCp为常数 		多股物流换热 			 ?Tmin决定QHmin和QCmin  2、夹点分析的问题表(Problem Table)法 	问题表的构建 （1）按各物流的入口、出口温度分成若干温度区间。每一区间热物流比冷物流温度高?Tmin，以保证区间内冷热物流的温差要求。 （2）计算温度区间内的热平衡，以确定此区间内所需的加热量和冷却量，按所需外加热量计算。 （3）各温度区间之间可有自上而下的热量流通，但不能有逆向热量流通。 （4）为保证各温度区间之间的热通量≥0，根据级联计算，所需由外界加入的最小热量，即为最小加热公用工程用量，而由最后的一个温度区间流出的热量，即为最小冷却公用工程用量。 （5）温度区间之间的热通量为零处，即为夹点。 问题表的计算         累积热量表示外界输入加热公用工程量为零时，各温度区间之间的热通量。即： 	热量输出＝热量输入－?H 区间3、4之间热通量为零，夹点（热流温度90℃，冷流温度70℃，平均80℃）  3、夹点的意义 		夹点上下的热通量是零。夹点上是热端，只有换热和加热公用工程，成为热阱（heat sink）。夹点下是冷端，只有换热和冷却公用工程，成为热源（heat source）。确定QHmin和QCmin 		如果有横过夹点的传热a，即夹点上热物流与夹点下冷物流进行换热匹配，则造成夹点上加热公用工程和夹点下冷却公用工程用量均增加a。 夹点方法设计法则： 不应有横过夹点的传热。 夹点上不应设置冷却公用工程冷却器。 夹点下不应设置加热公用工程加热器。 四、换热网络综合的目标 1、能量目标： QHmin和QCmin 2、换热单元的目标：Nmin 3、换热面积目标 		理论最小面积 		夹点理论不能实现此目标 		首先需要确定最小传热温差 五、最优夹点温差的确定 	1、经验给出 	2、优化得出    如何优化？ 	 物流和温度   累积热量， kW   热通量， kW   温度 区间   冷流   温度℃   热流   1(2.5) 2(3)     3(2)      4(8)   亏缺热 量ΔH= 冷－热   输入   输出=输入 －ΔH   输入 
2006化工系统综合与优化2－能量集成1.ppt