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、	实际换热网络综合问题 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  六、夹点设计方法 	夹点设计法是从夹点处开始分别向上、向下进行匹配安排。传统的设计方法是从物流高温位处开始，以高温位的热物流与高温位的冷物流相换热，依次匹配下去。 1、设计步骤 夹点分析 从夹点向上综合网络 从夹点向下综合网络 调优  2、夹点处物流匹配准则 物流数目准则 热容流量准则 热容流量差准则 最大换热负荷准则 夹点处物流的匹配应遵循以下准则： 物流数目准则 	夹点上每股热物流均必须与夹点上冷物流换热，在夹点以上的热流数目NH应小于或等于冷物流数目NC。 	NH≤NC 	如果实际物流数目满足不了上述准则，则应通过分流以增加冷物流数目。 	在夹点以下，为保证每股冷物流都被匹配，则 	NH≥NC 热容流量准则 	夹点以上：FCpH≤FCpC 	夹点以下：FCpH≥FCpC 热容流量差准则 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。  由此得出的换热网络是确保QHmin、QCmin和Nmin 	 3、实例与分析 	TC3问题 	远离夹点的匹配不必满足上面2的要求 	夹点设计方法不能直接求出面积最小的方案 	分流要求有多种 图4-21匹配2是远离夹点处的匹配，匹配时不必拘泥上述准则，但应保证传热温差大于?Tmin，并以每次换完一股物流的负荷为准。 夹点设计方法不能直接求出面积最小的方案  七、调优合并换热器 		夹点设计得出的网络夹点以上、以下都是Nmin的，但总的就不一定是Nmin了，因为有的物流夹点上下重复计数，这时可通过合并换热器，减少单元数目。 1、识别热负荷回路 	换热单元多于最小数时，必定存在热负荷回路。在一个回路中，热负荷可以互相转移（直至某一个为0就可以减去一个单元） 		  	 	识别回路的方法（模拟课中有介绍）：独立回路个数L 	例：图4-27 2、合并换热器    要保证Q≥0 3、维持最小传热温差的合并 		增加QH、QC 		分流或旁通 		逐个检验温差，若不满足，则： （1）增加公用工程用量 		找到有关通路（连接此换热器和相关冷热公用工程单元）进行热负荷转移 （2）通过分流或旁通 		例  图4-30～33 		单元减少也需付出代价－－以总费用最小为目标。 		有时任何结构都不行，只能增大公用工程或增加面积。 八、多级公用工程 	用不同温位的公用工程，费用会更少。 	热公用工程分级：燃料加热、热油、烟气、40kg压力蒸汽，10kg, 3kg  	冷共用工程：夹点以下得高温位可以用来副产蒸汽，其次加热热水、空气冷却、冷却水和冷冻等。 	   TC3问题示例  具体确定多级公用工程配置的方法——总组合线 1、总组合线图（Grand Composition Curve) 各级温度区间－热通量图 	冷热平均温度（在每个温度点都表示热流比冷流高出△Tmin） 夹点以上有净冷－热阱 夹点以下有净冷－热源 总组合线图4-35（b） 热公用工程 冷公用工程 此外有局部热源ABC（夹点以上） 此外有局部热阱DEF（夹点以下）   2、多级公用工程配置 （1）加热公用工程的选择 		根据图来确定热公用工程的级别和温位（三级，也可更多），级别的多少由总费用最小考虑       图4-37 	（2）公用工程夹点 	热通量为0处都是夹点 	公用工程线与总组合线相交处 	多级公用工程 可能－ 多个夹点 	图4-38 （3）冷却公用工程 	发生蒸汽：既节约冷却费用，又创造经济效益 	发生蒸汽的量（给定要求温度）由总组合线给出，注意还有预热热水段所需的热量 	图4-40  CD与总组合线相交，构成了新的夹点，限制了蒸汽的发生量。 3、多级公用工程夹点设计 	关键在于两点夹点之间部分的设计：从较容易的一端开始匹配 	中间级别的公用工程以物流形式引入  合并换热器 	不限制蒸汽发生量－等于松弛公用工程夹点 九、阀值问题 	不存在夹点问题 	夹点消失时的最小温差称为阀值温差  	夹点问题和阀值问题处理方法不同，因此应先判断。 	若给定△Tmin，则很容易 	若△Tmin是由优化来确定，则经分析，图4-45。 	网络综合总步骤  图4-46  十、实际换热网络综合问题 1.数据提取 实际过程中，热容流率与温度有一定的关系，尤其是温度变化范围较大或存在相变时，可以将物流分段，分别对各段进行线性处理。 在对分段的物流进行线性处理时，需要注意以下问题： 在T-H图上，夹点处对温度误差最为敏感，因此在夹点附近必须尽可能的取得准确的热容流率值。 为了防止低估能量消耗值，对热物流所作线性的逼近不能高于热物流线，对冷物流所作的线性逼近不能低于冷物流线，如图(见下页)所示。 相变点必须作为分段点。 物流数据的线性逼近 十、实际换热网络综合问题   2.选择物流 		蒸馏预热串连系统，原料从10℃加热到150℃后进入蒸馏塔，物流的选取有下列三种方法： 将进料分为三股物流，第一股从10℃到25℃，第二股从25℃到70℃，第三股从70℃到150℃； 将进料分为二股物流，第一股从10℃到25℃，第二股从25℃到150℃； 将进料看作一股物流，从10℃到150℃ 		第三种方法最大限度地提供了自由设计空间，有可能找到更好的换热方案。 		在选取物流时，应尽量避免过细地将物流拆开；当物流中间有指定温度时，应当分析一下该温度是否可以调整。 蒸馏预热系统(Linnhoff, 1982) 十、实际换热网络综合问题 2.选择物流 		当出现物流混合和分解（如下图）时，物流的选取就更加复杂。 		设A、B混合后的温度为60℃，如果夹点温度为100℃，则可以按图(b)的方式直接混合，然后看作只有一股物流C参与匹配。 		如果夹点温度为80℃，则不能简单地按上述方式处理。在物流混合出现温度跨越时，为了避免过多地消耗公用工程，必须先将物流A、B看作两条不同的热物流和冷物流，经过与其他物流换热达到同一温度T后再混合成C。如果混合温度T＝120℃，则该系统实际上是被看作了两条物流。如果T 120℃，则还应当将物流C作为一条物流从T加热到120℃，即系统实际上是被看作了三条物流。  物流混合 3.乙烯 4.原油预热 最优夹点温差计算 总组合线与多级别公用工程 改造违反夹点理论的匹配  十一、换热网络模拟 1、步骤 2、单元模块数学模拟 	换热器、混合器 3、流程模拟 	序贯模块法 	联立方程法 	联立模块法 4、换热网络模拟和综合软件 		ADVENT			ASPEN 		HEXTRAN			SIMSCI 		SUPERTARGET		Linnhoff 		ESOP			清华 		ESCC			青岛科技大学 十二、换热网络综合的数学规划法 	严格最优解	夹点技术达不到 	分层优化：三层 	LP= Qmin,TP MILP= Nmin及相应热负荷 NLP= 最小费用流程结构 1、确定最小公用工程费用的转运模型 	换热网络＝运输问题 	温度区间＝仓库 2、最小单元数
2006化工系统综合与优化3－能量集成2.ppt