夾點技術在建材工業生產上的應用和研究

趙婉霞，趙小蔚

(1、Curtin University(Australia)，浙江 杭州 310012;2、浙江省建筑材料科學研究所，浙江 杭州 310012)

1 引言

夾點技術是一種使工業工程系統的能源消耗整體優化的設計方法。夾點技術的特點就是把整個系統作為一個集成的整體，這樣就可以在設計上做到使整體設計最優化，也就是說達到能耗最低、費用最小和環境污染最少。該方法具有物理意義清晰的特點，方法靈活簡便，所以易于被工程技術人員掌握的特點。夾點技術最早是由英國曼徹斯特科技大學的B.Linnhoff教授及其同事率先提出的，此法一經推出，即得到廣泛的重視和采用，以后又在實踐中不斷得到發展和完善。目前歐美等國已有大型工程的新設計和改造采用了該方法，而且都取得了巨大的經濟效益。一般改造項目的投資費用回收年限均在兩年以內。采用這種技術對于新裝置設計而言，比傳統方法節能30%—50%;近幾年夾點技術也逐漸應用于老裝置和老設備的節能技術改造中，并且也能取得較好的節能目的。

2 夾點技術的典型方法

在本文中，將重點介紹如何使用夾點技術的幾種典型的方法和工具，如冷熱組合曲線 問題表格算法 綜合復合曲線和熱交換網絡設計，進行優化能源分布和配置，從而達到最大限度地降低能耗成本。

2.1 冷熱組合曲線

冷熱組合曲線是用作圖的方法，在溫－焓圖上作出熱物流和冷物流的組合曲線，熱物流組合曲線應在冷物流組合曲線的上方，當兩條曲線垂直距離最近時，也就是達到最小的最佳溫度差ΔT－min，此處的溫度就是夾點溫度。此外，右側為的最小加熱效能QHmin，左側為最小冷卻效能QCmin。

舉個例子，在一個比較簡單的熱物流公用工程中有四個數據流，包括兩個熱物流和兩個冷物流，相關的數據見表1所示，冷熱組合曲線就可以用來確定它的夾點溫度。如果ΔT－min在這種情況下是10°C，圖1給出了最佳的熱和冷物流的夾點溫度之間的溫差和冷熱組合曲線。

表1 熱物流公用工程數據

Stream Supply temp，TS(℃)Target temp，TT(℃)Heat capacity flow rate，CP(kW/℃) ΔH(kW)C1 30 135 2 210 C2 80 140 5 300

圖1 冷熱組合曲線

2.2 問題表格算法

表2 移位的物流的溫度

問題表格算法的建立步驟可分為如下幾步:

2.2.1 建立移位溫度T*

由于問題表格算法是使用溫度區間為單位，所以要建立一個統一的溫度規模來做計算。但是，如果使用的實際溫度流，由于有一些熱量不能及時收回，會造成數據誤差，因此，為了避免此問題，建立一個移位溫度T*來重新建立溫度標示。當ΔTmin確定后，為了執行能量定位，熱和冷物流相應移位。可以通過移位溫度T*減去(ΔTmin)/2為熱物流使其冷卻，而添加(ΔTmin)/2為冷物流以使其更熱。例如，在表2的最后兩列顯示移位后物流的溫度，當ΔTmin的=10℃。列出所有轉移溫度升降溫度形成的溫度區間。

2.2.2 ΔH平衡

在此步驟中，先計算出在每個溫度區間的熱容量流速的總和。在乘以熱容量流率的區間溫差，就可以得到ΔH平衡。此外，當ΔH是向上的，這意味著熱物流占主導地位，這時可以向外提供熱量，相反，當ΔH向下時，這意味著冷物流占主導地位，需要外界提供熱量。圖2所示的的ΔH平衡圖示例子。

圖2 ΔH平衡

2.2.3 熱級聯(子網絡)

圖3是一個比較典型的熱級聯(子網絡)圖表，在熱級聯的第一列是指移位的溫度，第二列是千焦耳/小時的焓值，第三列是指以kJ/小時的熱負荷。開始的熱級聯為零。按溫位將系統中的物流劃分為若干個熱級聯(子網絡)，求出熱級聯的輸入和輸出熱負荷，在負荷為零處，如表3中可以計算出夾點為85，這樣，熱物流的夾點溫度就為90℃，熱物流的夾點溫度就為80℃。

圖3 熱級聯(子網絡)

2.3 綜合復合曲線(GCC)

綜合復合曲線是用于設置多個能量程序目標的工具，，圖3就是比較典型的綜合復合曲線。建立一個綜合復合曲線，首先我們要將熱物流的溫度進行調整。該曲線是通過減去的一部分從熱氣流溫度的允許溫度的方法和加入剩余部分的容許溫度的方法向冷物流溫度偏移，然后根據所得的工藝溫度繪制一個綜合復合曲線，然后根據曲線顯示的整體的熱物流過程中消耗溫度繪制出從焓(水平)在不同溫度下的移位的復合曲線之間的差異。

在圖3中，此曲線顯示一個焓等于零，此點就是夾點溫度。另外，在該曲線上，還可以看到一個過程的熱物流的能量交換到另一個區域。這個區域被稱為“熱口袋”。口袋中的曲線代表的區域中冷熱物流的熱交換是足以自由交換的，而不需要外界給予能量。所以在這個區域，嚴格來說是沒有任何能量程序和熱交換器的。

圖4 綜合復合曲線

此外，GCC是用于選擇所需的冷卻和加熱公用工程的基本方法之一。GCC表示出的熱和冷物流的焓和溫度可以區分在不同溫度水平的工程處理方面的要求。在不同的溫度下，選用不同的工程設備，以最大限度的降低設備成本.就像在圖5中的，MP蒸汽選用的從高壓蒸汽排出的富余蒸汽，而不是直接使用高壓蒸汽，這樣成本可大大降低。

圖5 使用GCC單個和多個蒸汽水平

總之，綜合復合曲線是用于選擇適當的效用水平和針對一個給定集合的多個效用水平中使用的夾點分析的最基本的工具之一。它針對涉及到的各種能效水平設置適當的負載，使效能最大化和成本最小化。

2.4 換熱網絡設計(HEN)

根據夾點技術設計換熱網絡設計，由于其簡單，高效而被廣泛采用。換熱網絡設計分別采用上下兩個夾點進行設計。首先，該區域被劃分成上面和下面的夾點網格圖。通過充分回收熱量和添加額外的熱量來進行熱和冷的物流工程設計，最終可以得到換熱網絡設計的上、下夾點網格圖見圖6和圖7所示。

3 小結

夾點的兩個特征:一是該處的冷熱物流間的熱流溫差最小，在該處可以得到ΔTmin;二是該處的工程系統的熱流量為零。這也就說明夾點限制了工程系統能量的進一步回收，形成了該處的系統能量回收的“瓶頸”，如果要想進一步回收能量，就必須解開“瓶頸”，這就需要“優化”夾點，夾點技術的意義就在于如何“優化”夾點。另外，夾點把工程系統分成上下兩個系統，夾點的上方為熱網絡，需要公用工程進行加熱，而夾點下方為冷網絡，需要公用工程進行冷卻。另外，為了保證系統能量的回收做到最大化，應遵守三條基本原則:(1)夾點處不能有熱流量流過;(2)夾點上方不能導入冷公用工程;(3)夾點下方不能導入熱公用工程。

圖6 換熱器網絡的上夾點網格

圖7 換熱器網絡的下夾點網格

4 成本目標

對于不同的值ΔTmin，夾點溫度也會隨著改變，當選擇較低的值ΔTmin，使用的能量將減少，但將增加換熱面積。使用的能源量會影響經營成本，而換熱器的面積會影響投資成本。因此，如何在建設成本和運營成本之間找到了平衡也是一個非常重要的工作。使用成本目標法就可以獲得最佳的總成本目標.

建設成本和運營成本之間的平衡取決于每單位面積的換熱器，加熱和冷卻的成本，投資成本，投資回收期等多方面的因素。另外建設成本是一次性的投資。而能源和工程運營成本，是多年累積的。因此，要計算總成本時，資本成本和運行成本必須建立在一個相同的基礎。常用的方法，是評估在一個固定的期間內，經營成本和資本成本的回報期通常是用來作為那個時期來考慮。圖8顯示根據增加ΔTmin的資本成本，經營成本和總成本之間的關系。

預測一個網絡的資本成本可以根據一個簡單的關系成本:

圖8 ΔTmin時的資金，運營成本和總成本的變化

其中，a，b和c是根據建筑，壓力等級和類型的熱交換器中的材料而有所不同的成本定律常數。此外，當執行定位成本，網絡交換機之間的區域分布是未知的。因此，它只是假定所有的熱交換器具有相同的面積，然后網絡成本可以表示為:

其中，N是單位的數目

5 結論

目前，夾點技術在國外得到了越來越多的企業的重視，許多國際知名的大公司都在開始采用夾點技術，雖然我國的建材行業仍然還在快速的發展，但由于國家對環境保護的要求越來越高，建材行業也面臨著嚴峻的挑戰，許多企業由于能源消耗，環境污染等一系列問題無法解決，面臨著轉產搬遷的問題.為了解決此問題，利用夾點技術來進行企業的技術改造以降低能耗，減少廢氣，污水排放，凈化環境和優化投資將會給建材行業帶來受益匪淺的好處.近幾年，夾點技術的研究已經延伸到水系統的設計，水夾點技術的應用對于節約工業系統的水量，減少廢水的排放有著明顯的優勢，所以如果能綜合全面的在企業的技術改造方面應用夾點技術那節能減耗的效果就更明顯了。

［1］張濟民 夾點技術及其應用［J］.化學工程師，2004(6):45－47.

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