【文章內(nèi)容簡介】 度為：熱物流 150~145℃ ，冷物流僅 125℃ ； SN2子網(wǎng)絡對應的溫度為：熱物流 145~120℃ ，冷物流 125~120℃ ； SN5子網(wǎng)絡對應的溫度為：熱物流僅 60℃ ，冷物流為 40~25℃ ； SN6子網(wǎng)絡對應的溫度為：熱物流僅 60℃ ，冷物流為 25~20℃ 總綜合曲線 總綜合曲線的兩個示例第一個圖形，窄點溫度 180℃ ，可發(fā)生低壓蒸汽及供出低溫余熱；第二個圖形，第一個窄點溫度 260℃ ，第二個窄點溫度 120℃ ，中間可發(fā)生中壓蒸汽，背壓發(fā)電后，再供出 ，利用中間富裕的溫差作功。 窄點技術中的金法則（ 1）不通過窄點傳遞熱量；（ 2）窄點以上吸熱部分不使用冷公用工程；（ 3）窄點以下放熱部分不使用熱公用工程 。 實際意義是： 盡量使冷熱綜合曲線平行，溫差均衡分配，使在合理回收能量的前提下，使投資最小，實際上是節(jié)能基本原則的應用 。 冷熱綜合曲線、解題表和總綜合曲線是來自于同一熱力學分析的三種表示方式，其中冷熱綜合曲線和總綜合曲線可以從解題表中的數(shù)據(jù)推出來。解題表易于尋找能量目標和熱級流動情況，冷熱綜合曲線更便于對窄點技術的基本概念進行理解，而總綜合曲線特別適用于選擇公用工程的適當配置方案。4． 3 窄點技術超目標方法 確定了窄點溫差，就確定了冷、熱公用工程目標，但窄點溫差如何在具體設計之前選??？ 因此窄點技術中發(fā)展出了一個超目標方法，即在換熱網(wǎng)絡還沒有具體設計的情況下，運用一些模型，優(yōu)化選取窄點溫差。假如把每一個窄點溫差下的換熱網(wǎng)絡都設計出來，而進行選取，其工作量太大，工程上不實用，也沒有這個必要。 超目標方法的實質(zhì)是利用冷熱綜合曲線的 “ 垂直換熱 ” 傳熱面積模型、殼程數(shù)模型以及泵功模型，預測每一個窄點溫差情況下的最小傳熱面積、最小殼程數(shù)，從而預測出投資，當然選取一個窄點溫差，就可確定了冷熱工程目標，也就可以確定能耗費用。綜合選取年操作費用最低的窄點溫差即為優(yōu)化值。 4． 4窄點設計法 老式設計法 在窄點設計法中，核心的問題是窄點處的換熱匹配，即不使熱量傳遞通過窄點，以免造成冷熱公用工程目標的增大。 窄點設計法主要包括以下五個步驟： （ 1）將換熱網(wǎng)絡由窄點分成兩個分離網(wǎng)絡； （ 2）這兩個分離網(wǎng)絡的設計由窄點處開始往窄點換熱器以遠發(fā)展，主要的窄點匹配方案以及是否或如何進行物流分流，應用可行性準則來確定（物流數(shù)包括分流準則、熱容流率不等式約束準則、熱容流率差準則）； （ 3）當窄點處存在可挑選的方案時，設計者根據(jù)自己的經(jīng)驗確定； （ 4）窄點換熱器的熱負荷取決于消去探試法。當有問題時，如增加公用工程用量或?qū)е路钦c換熱器的溫差不足時，可在窄點處選用其它方案或降低熱負荷； （ 5）非窄點換熱器的匹配往往是自由匹配，設計者可以根據(jù)經(jīng)驗確定所希望的匹配。新式設計法 實際上，這種老式的窄點設計法比較機械，設計出的換熱網(wǎng)絡也比較復雜。為此后來發(fā)展出了雙溫差設計法，即確定冷熱公用工程目標時，用一個窄點溫差，也稱為熱回收窄點 PTD（如 20℃ ）。而在實際設計換熱器時，選取較小的一個傳熱溫差別值（如 10℃ ） ，這樣設計出的換熱網(wǎng)絡比較簡單實用。而且一般設計時，也不是從窄點處分開，而是在確定冷熱公用工程目標后，直接從吸熱部的最高溫度開始匹配。4． 5 公用工程能級優(yōu)選法 對大多數(shù)工藝過程來說，為了滿足它在窄點以上的熱量需求，通常要對不同的熱公用工程系統(tǒng)進行選擇。而對窄點以下的子系統(tǒng)，要盡量將其有效熱量作熱源用來產(chǎn)生低壓蒸汽、預熱空氣和鍋爐給水以及產(chǎn)生低溫余熱等，最后再將剩余熱量排放到冷卻水或空氣中。 熱機、熱泵的位置 熱機的位置：不能跨越窄點，應放于窄點 之上，或窄點之下； 熱泵的位置：應跨越窄點 但由于熱泵能提高的溫度不是很高，只有對前圖中的溫度提高不大的情況下才能適應。 4． 6 加熱爐在過程組合中的適宜布局 （ 1）加熱爐煙氣溫焓模型 傳統(tǒng)的過程設計中，加熱爐的設計僅僅是為了滿足工藝負荷的要求，在有剩余煙氣余熱的情況下用于空氣預熱和鍋爐給水預熱等。 加爐爐的傳熱一般分為輻射和對流兩段。 輻射段溫度驅(qū)動力不是設計需考慮的主要因素。而在對流段由于煙氣溫度要低得多，所以爐管傳熱面積可按煙氣和工藝物流間的溫差驅(qū)動力來確定。加熱爐的溫焓曲線可簡化為一條直線，煙氣可以恒定熱容流率（質(zhì)量流率與比熱容的乘積）表示，使之從理論火焰溫度冷卻至大氣溫度 T0。雖然實際上達不到理論火焰溫度且煙氣熱容是溫度的函數(shù)，但為了說明問題方便，仍可以此溫度作為煙氣溫度溫焓線的參考起始點，并可以得到較為正確的結(jié)果，因為在對流段的較低溫度區(qū)間內(nèi)，煙氣的熱容隨溫度的變化很小。 將煙氣溫焓線和過程總綜合曲線畫在一起，就可以確定最小燃料耗量。這是在工藝過程設計和加熱爐設計之前就可以獲得目標燃料耗量的方法，即不需知道爐管根數(shù)、管徑及其出入爐溫度和其它參數(shù)。 （ 2）傳統(tǒng)的空氣預熱方法 習慣上總是認為增加空氣預熱可以提高加熱爐效率和降低燃料耗量。如下圖所示可以看出其影響。圖中不帶煙氣預熱的煙氣溫焓線以虛線表示，而空氣對燃料比率保持不變的帶空氣預熱的煙氣線以實線表示，顯然空氣預熱后理論火焰溫度上升，其結(jié)果是煙氣線的斜率變陡了，導致煙氣從煙囪排棄的熱損失降低，降低的燃料耗量熱值相當于助燃空氣所獲得的熱量。 如右圖所示：工藝過程所需的最低供熱量為 Qhmin，當窄點溫差為 50 ℃ 時是 1300kW，窄點溫度為 400 ℃ （煙氣窄點溫度為 425 ℃ ，工藝冷流窄點溫度為 375 ℃ ）。如不用空氣預熱則理論火焰溫度為 1500 ℃ 。 如尾端煙氣在熱流窄點溫度下離開加熱爐時，所需燃料為： 燃料 =Qhmin+(煙氣窄點溫度－ T0)*煙氣熱容流率 ＝ 1790kW 然而， 425℃ 的煙氣是足以用來預熱空氣的，設最小允許離開煙囪的煙氣溫度為 200℃ ，則最高空氣預熱溫度是 270℃ 這時新的理論火焰溫度為 1725℃ ，并可計算出新的燃料耗量： 燃料＝Ｑ hmin+(200T0)*煙氣熱容流率 =1480kW 所以助燃空氣預熱可節(jié)省燃料 17%。 以上是有傳統(tǒng)方法設計的優(yōu)化結(jié)果，煙氣流率和煙囪排棄溫度已經(jīng)是最低了，似乎沒有改進的余地了。（ 3）用窄點技術考慮的空氣預熱如果把工藝過程和加熱爐作為一個整體來考慮，預熱空氣就意味著引入了一股以前沒有考慮的冷物流，根據(jù)窄點金法則，引入冷物流只有當其溫度低于窄點時才是有效的，因為它增加了低于窄點部分的冷物流熱量從而有助于降低冷公用工程（如冷卻水）。同時窄點金法則也告訴我們：最大的空氣預熱溫度應該等于冷流的窄點溫度。如果空氣和燃料的預熱需要 QR的熱量，則工藝過程所消耗的冷公用工程量也下降 QR，但更重要的是燃料耗量也按下式降低了（即燃料量等于煙氣放熱量減去空氣和燃料的預熱量）。 燃料 =Qhmin+(TPHT0)*Cp煙氣 （ TPCT0） *（ Cp空氣 +Cp燃料 ） 由于 Cp煙氣 =Cp空氣 +Cp燃料 燃料 =Qhmin+（ TPHTPC） *Cp煙氣 也即 燃料 =Qhmin+窄點溫差 *Cp煙氣 (1) 如果燃料不預熱或沒有預熱到窄點溫度，則上式做如下修改： 燃料 =Qhmin+窄點溫差 *Cp煙氣 +Cp燃料 *（ TPC–T燃料 ） (1a)TPH熱物流窄點溫度TPC冷物流窄點溫度T燃料 燃料溫度 以上述公式為前提的結(jié)果令人吃驚，因為當窄點溫差為 0且燃料又完全預熱的話，可以得到燃料量等于最小熱公用工程 Qhmin，即可以得到 100%的加熱爐效率。即使窄點溫差在合理的范圍內(nèi)，且假定燃料不預熱，也可以算出很高的加熱爐效率。 用公式（ 1a）可以計算得出這時的燃料是 1379kW，而用傳統(tǒng)優(yōu)化方法所得到的燃料是 1480kW，其差別主要在于加熱爐和過程是否組合在一起考慮。傳統(tǒng)的方法中，空氣預熱溫度只能加熱到 270℃ ，而冷流窄點溫度卻是 375℃ 通過上圖中總綜合曲線可以清楚看出：低于窄點溫度處尚有多余的工藝過程熱量可利用，就可把空氣預熱到 375℃ ，燃料耗量降到 1379kW,進一步降低了 6%的燃料消耗。這時燃料耗量才真正降到最低值了。 應注意的是：加熱爐效率是不可能等于 100%的，之所以出現(xiàn)前面的結(jié)果是因為：空氣預熱的一部分熱量是由工藝過程物流提供的。 4． 7 易污垢換熱的網(wǎng)絡設計法 對待污垢的傳統(tǒng)設計方法很簡單，就是增大易導致結(jié)垢換熱器的傳熱面積。而發(fā)展的窄點技術中，則推薦相反的方法，減少易導致結(jié)垢換熱器的傳熱面積，而增大其下游的不易結(jié)垢的傳熱面積。某換熱網(wǎng)絡見下圖： 物流 3在溫度超過 125 ℃ 以后就易結(jié)垢，結(jié)垢趨勢是典型的漸近線型，即在 6個月后（裝置操作周期為 12個月）達到最高峰后就平緩了。換 1總傳熱系數(shù)是 120W/，操作 6個月后降至 81W/。裝置的要求是：物流 1和 2的終溫并不嚴格，而物流 4的終溫則必須滿足要求。所以不管有無結(jié)垢，物流 3的終溫必須是17 ℃ 。利用傳統(tǒng)設計方法，則換 1需增加 148M2的傳熱面積，且為確保裝置正常運轉(zhuǎn)，在換 1增設旁路，流經(jīng)旁路的流量應隨換 1結(jié)垢的嚴重逐步減少，直到 6個月后把旁路關死。裝置能耗在運轉(zhuǎn)期間維持在 1850kW。傳統(tǒng)設計法的缺點： （ 1）增加面積的利用率低，投資沒有充分利用。另一個可能方案是在換 1后增設一臺加熱器，但這樣不僅設備利用率低，而且還增加了能耗。 （ 2）增加面積的換熱器的布局不好。在換熱網(wǎng)絡不同換熱器中增加面積的成本效益是不同的。如將增加的面積放在較好布局中將有利于投資的回收。 （ 3）設計安全系數(shù)過大往往會進一步導致結(jié)垢。因為選用大富裕量換熱器或使用旁路時，通過換熱器的物流流速會降低，污垢加快，膜傳熱系數(shù)降低以致影響管壁溫度，而壁溫度又對結(jié)垢有較大影響。 （ 4）結(jié)垢后往往在裝置繼續(xù)操作的同時，必須把換熱器切除負荷進行清洗，這時設備沒有被利用。新方案及優(yōu)點 新方案： 由于換熱網(wǎng)絡特有的靈敏性能，即在一個地方增加額外傳熱面積會促使該換熱器物流溫度變化而進一步影響到其它物流溫度變化，可在網(wǎng)絡中不產(chǎn)生污垢或污垢較少的地方增加額外面積以解決結(jié)垢問題。因此推薦的方案是加大不結(jié)垢的換 3面積。計算結(jié)果表明：換 3增加不大于 103M2的面積完全可以補償換 1結(jié)垢的影響。換 3增加的面積比原方案少 30%，該方案的另一優(yōu)點是：加大換 3換熱量后，換 1負荷降低，換 2負荷增大而使物流 4的加熱器負荷下降，從而減少熱公用工程量 15%。 新方案優(yōu)點如下 ： （ 1）額外增加面積的利用率高； （ 2）額外增加面積不僅得到了充分利用，而且還降低了能耗； （ 3）不會加速結(jié)垢； （ 4）不存在清洗問題。4． 8 用于裝置改造 裝置改造有它的特殊性，與新設計有較大的不同。 （ 1）改造設計的窄點技術導則 工藝過程的物料平衡和能量平衡是換熱網(wǎng)絡的設計依據(jù)，而工藝參數(shù)的改變可以作為改進網(wǎng)絡設計的輔助手段。操作參數(shù)的改變很多，如反應器的轉(zhuǎn)化深度，蒸發(fā)段數(shù)及壓力溫度、分餾塔壓力及回流比、中段回流流率及返塔溫度、進料汽化壓力等。根據(jù)窄點技術的金法則，可以總結(jié)以下技術導則： （ a）增加高于窄點溫度的熱流負荷； （ b）降低高于窄點溫度的冷流負荷； （ c）降低低于窄點溫度的熱流負荷； （ d）增加低于窄點溫度的冷流負荷。 簡單地講，就是盡量提高熱流溫度，盡量降低冷流溫度。(2)改造設計的目標途徑在新的網(wǎng)絡設計中，各溫段間的匹配基本是垂直匹配，相當于各臺換熱器均系純逆流傳熱，所以總傳熱面積是最小的（見下圖）。對裝置換熱網(wǎng)絡進行改造是因為，一是許多物流跨越