常减压换热网络优化及窄点技术应用

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1、常减压换热网络优化及窄点技术应用一、换热网络的组成及其重要性换热网络是常减压装置热能回收系统中一个十分重要的组成部分，典型的换热网络如图1所示，其中换热单元数为20～50个，换热器台数为3～60台。原油分多路与初常顶油气、侧线油、中段回流、减底油进行多次换热，构成一个十分复杂的网络系统。原油预热流程如不经网络优化，原油进常压炉的温度较低。70年代以前，国内大多数常减压装置原油进炉温度为230℃～250℃，装置消耗的燃料油约为加工原油的1.5%～2%。经过网络优化后，燃料油下降到0.8%～1%，从而大范围的降

2、低了装置的能耗。表9-1列出了国内几个装置原油换热系统的技术指标，从中可以看出：网络优化得出的换热流程能够产生很大的经济效益。常减压装置，由于采用了网络优化并逐步改善网络优化技术，装置能耗已从18.29万千卡/吨原油降至10～12万千卡/吨原油，常减压装置设计的能耗水平已居世界同类装置的前列。二、换热网络优化及窄点技术应用1、换热网络合成及优化方法热交换网络的最优化合成是过程合成的一个重要内容，而一个热交换器网络的合成和其他过程合成一样，既要寻找最优的外形结构，又要对给定的外形结构进行设计变量和操作变量的优

3、化。所谓外形结构，就是要解决物流的分流，冷热流的匹配、排序以及决定冷、热流进出系统的次数。而所谓设计变量和操作变量，主要是指设备的选型、冷、热流在热交换器中管程壳程的流向，物流的流体力学状态和传热系数，物性数据与温度的关系，系统总压降的限制与在各换热设备上的分配等，这里涉及到数值与非数值优化问题，而且这些变量都是以复杂的非线性关系存在。因此，一个热交换器网络的合成问题是一个非线性混合整数规划问题。主要包括下列问题：a)选取换热系统的最小接近温差△Tmin，该温差一般由换热网络的投资费和操作费极小化决定。b)

4、在给定△Tmin下取得最大热能回收率或最高换热终温。c)在保证最大热回收率的前提下，寻求最优化形结构，一般指换热单元数和换热器台数的极小化。d)网络投资费和操作费的极小化，一般指总传热面积和系统总压降的权衡和优化。2、窄点设计方法介绍及其问题•Linnhoff利用热力学原理将系统的冷热流资源分别合并成热综合曲线，标绘在T/Q图上，如图9-2所示：热能回收与热综合最小传热温差△Tmin•图中：•SH——热流热综合曲线；•SC——冷流热综合曲线；•QC——冷公用工程负荷；•QH——热公用工程负荷；•QEX——热

5、能回收负荷；•△Tmin——最小接近温差（窄点）。•从图9-2可以看出，冷热流综合曲线的重叠部分QEX为热能回收负荷。QC、QH为热流需要进一步冷却或冷流需要进一步加热的公用工程负荷。图上所定义的最小接近温差△Tmin是综合曲线最接近的部位，这一点被定义为热回收“窄点”。可以看出，随着热回收负荷QEX的增加，QC、DH相应减少，热回收窄点处的最小温差也相应减小，如图9-2的b)、c)所示。•窄点原理可归纳如下：•a)窄点指导系统分解为热力学上彼此分离的上下两部分，它们与各自的公用工程负荷处于焓平衡状态；•b

6、)窄点上部是作为热陷而存在，它要求热公用工程负荷QH，窄点下部是作为热源而存在，它要求冷公用工程负荷QC；•c)在一定的△Tmin条件下，QC、QH的值是确定的，这时没有热量流经窄点，如有W热量流经窄点，则冷热公用工程负荷就分别增加，W的负荷应满足焓平衡的要求。•窄点设计的原则是：•a)在窄点上部不允许有冷公用工程负荷；•b)在窄点下部不允许有热公用工程负荷；•c)不允许过程热负荷流经窄点。•在△Tmin确定以后，最大能量回收的热交换器网络合成问题不允许过程热负荷流经窄点条件下，处理好冷、热组合曲线重叠部分

7、物流的匹配问题，这就大大简化了问题的规模，排除了大量的不可行解和劣解。•随着工业应用的发展，发现存在以下问题：•a)热交换器网络所定义的最小接近温差△Tmin往往不是热交换器设计的最小温差，特别是从窄点开始，如果热流数多于冷流数，需要进行多处分流、合并、再分流，不仅增大了投资费，而且增加了操作困难。•b)Linnhoff的窄点设计方法的特点是把合成问题分解为连续的两个阶段，即满足最小公用工程要求的最大能量回收设计和在这基础上对能量进行某些松驰，满足单元设备数极小化。这就意味着需要有一部分热量流过窄点，从而使

8、冷、热公用工程耗量都增大。•c)能量回收最终将反映到费用最优，即系统的操作费和投资费总和极小化，而目前这方面存在的问题是操作费和投资费计算方法过于简化，不能反映由于物流分流，管线复杂化，压降、散热等因素所引起的潜在费用的增加。3、换热网络合成及优化方法的指导思想及其算法•一个适合于工程设计和改造的热交换网络，必须遵循以下几条原则：•a)工程设计是以实用为目标的设计方法，一般不追求理论的完整性，而以解决实际问题作为