一種包含非等溫相變流體的換熱網(wǎng)絡(luò)最大熱回收潛力的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)熱交換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是一種包含非等溫相變流體的換熱 網(wǎng)絡(luò)最大熱回收潛力的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)過(guò)程中，為了滿足工藝的技術(shù)需要，一些冷的流體要被加熱到工藝條件指 定的溫度狀態(tài)，而另外一些熱的流體則要被冷卻到工藝條件指定的溫度狀態(tài)。通過(guò)合理地 將這些熱、冷流股進(jìn)行匹配換熱，充分利用工業(yè)過(guò)程內(nèi)部物流的熱量，用熱的流體去加熱冷 的流體，用冷的流體去冷卻熱的流體，使物流達(dá)到指定的溫度和相態(tài)，通過(guò)回收系統(tǒng)內(nèi)部的 熱量來(lái)減少對(duì)外部公用工程的消耗，這就是工業(yè)熱交換網(wǎng)絡(luò)（換熱網(wǎng)絡(luò)）的作用。換熱網(wǎng)絡(luò) 用于回收系統(tǒng)中可以利用的能量，降低對(duì)外部公用工程的需求，是石化、化工、冶金、造紙、 水泥、食品、電力等工業(yè)系統(tǒng)的一個(gè)重要子系統(tǒng)。換熱網(wǎng)絡(luò)回收利用工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部熱量的程 度直接決定了工業(yè)系統(tǒng)的能耗和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)節(jié)能減排有著重要影響。
[0003] 在換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，一個(gè)重要問(wèn)題是工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部可以加以回收利用的熱量宄 竟有多少，即如何確定最大熱回收潛力。換熱網(wǎng)絡(luò)的最大熱回收潛力決定了工業(yè)系統(tǒng)的最 小能耗需求和節(jié)能潛力的大小。
[0004] 夾點(diǎn)法是換熱網(wǎng)絡(luò)的常用設(shè)計(jì)方法，該方法以熱力學(xué)為依據(jù)來(lái)確定換熱網(wǎng)絡(luò)的最 大熱回收潛力。夾點(diǎn)法建立在物質(zhì)比熱容為常數(shù)這一假設(shè)之上，即流體所吸收或釋放的熱 量與其溫度變化成正比。石化、化工、氣體加工、低溫工業(yè)等工業(yè)過(guò)程通常包含諸多蒸餾或 精餾、蒸發(fā)、冷凝、再沸等操作單元，所涉及的流體常常是多組分混合物，流體的非等溫相變 過(guò)程非常常見(jiàn)。對(duì)包含非等溫相變的流體的換熱網(wǎng)絡(luò)，其熱流量與溫度之間的關(guān)系呈現(xiàn)出 比較顯著的非線性特征，此時(shí)傳統(tǒng)夾點(diǎn)法就無(wú)法正確地估計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)的最大熱回收潛力， 甚至嚴(yán)重誤判工業(yè)系統(tǒng)的能耗需求。目前在公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道中尚未出現(xiàn)包含非等溫相變流體 的換熱網(wǎng)絡(luò)最大熱回收潛力的確定方法方面的成果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有夾點(diǎn)法不能正確估計(jì)包含非等溫相變流體的換熱網(wǎng)絡(luò)的最大熱回 收潛力的局限性，本發(fā)明提供一種基于流體實(shí)際物性的、包含非等溫相變流體的換熱網(wǎng)絡(luò) 最大熱回收潛力的確定方法。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種包含非等溫相變流體的換熱網(wǎng)絡(luò)最大熱回收潛力的確定方法，所述方法包括 以下步驟：
[0008] 1)提取流體的工藝參數(shù)和物性數(shù)據(jù)
[0009] 物流的工藝參數(shù)和物性數(shù)據(jù)包括：組成，流量，進(jìn)口溫度Tin，出口溫度Twt，焓和比 熱容，采用流體實(shí)際的溫焓物性關(guān)系；
[0010] 2)設(shè)置換熱網(wǎng)絡(luò)的最小傳熱溫差A(yù)Tmin
[0011] 3)進(jìn)行冷、熱流體溫度修正
[0012] 將冷流體的溫度升高ATmin/2,將每股熱流體的溫度降低ATmin/2,從而確保熱流 體的溫度高于冷流體的溫度，并滿足最小傳熱溫差A(yù)Tmin的要求，冷、熱流體溫度修正分別 參照公式（1)-⑵：
[0013] Tlj^Tcj^2 (1)
[0014] T^i=Tlla-ATmmZl (2)
[0015] 在式（1)-(2)中，ATmin為步驟2)指定的最小傳熱溫差；Tiu和Taj分別為熱流股 i和冷流股j的實(shí)際溫度；T 分別為熱流股i和冷流股j進(jìn)行溫度修正之后的溫 度；
[0016] 4)劃分原始溫度區(qū)間
[0017] 以步驟3)中冷、熱流體修正之后的進(jìn)、出口溫度為依據(jù)，劃分溫度區(qū)間，將所有 冷、熱流體經(jīng)步驟3)修正之后的進(jìn)口溫度和出口溫度按從高到低的順序排列，記為：!\、 T2、…、TN1、TN1+1，其中N1+1為溫度端點(diǎn)的個(gè)數(shù)，所劃分的溫區(qū)個(gè)數(shù)為N1，溫區(qū)編號(hào)從1到 N1，第k個(gè)溫區(qū)[Tk，Tk+1]以溫度范圍Tk+jljTk定義，且Tk>Tk+1;
[0018] 5)計(jì)算各溫區(qū)內(nèi)的可用熱量
[0019] 在步驟4)所劃分的每一溫度區(qū)間，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，基于流體真實(shí)的溫焓關(guān) 系，計(jì)算各個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)可用熱量隨溫度的數(shù)值變化關(guān)系，參照公式（3)_公式（7):
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種包含非等溫相變流體的換熱網(wǎng)絡(luò)最大熱回收潛力的確定方法，其特征在于：所 述方法包括W下步驟： 1) 提取流體的工藝參數(shù)和物性數(shù)據(jù) 物流的工藝參數(shù)和物性數(shù)據(jù)包括；組成，流量，進(jìn)口溫度Ti。，出口溫度T"t，洽和比熱 容，采用流體實(shí)際的溫洽物性關(guān)系； 2) 設(shè)置換熱網(wǎng)絡(luò)的最小傳熱溫差A(yù)Tmi。 3) 進(jìn)行冷、熱流體溫度修正 將冷流體的溫度升高ATmh/2,將每股熱流體的溫度降低ATmh/2,從而確保熱流體的 溫度高于冷流體的溫度，并滿足最小傳熱溫差A(yù)Tmi。的要求，冷、熱流體溫度修正分別參照 公式（1)-似：
在式（1)-(2)中，ATmi。為步驟2)指定的最小傳熱溫差；Th,i和Tu分別為熱流股i和 冷流股j的實(shí)際溫度；T\郝分別為熱流股i和冷流股j進(jìn)行溫度修正之后的溫度； 4) 劃分原始溫度區(qū)間 W步驟3)中冷、熱流體修正之后的進(jìn)、出口溫度為依據(jù)，劃分溫度區(qū)間，將所有冷、熱 流體經(jīng)步驟3)修正之后的進(jìn)口溫度和出口溫度按從高到低的順序排列，記為；Ti、T2、…、 Tm、Tww，其中N1+1為溫度端點(diǎn)的個(gè)數(shù)，所劃分的溫區(qū)個(gè)數(shù)為N1，溫區(qū)編號(hào)從1到N1，第k個(gè) 溫區(qū)化，Tw]W溫度范圍Tw到T淀義，且Tk>TW; 5) 計(jì)算各溫區(qū)內(nèi)的可用熱量 在步驟4)所劃分的每一溫度區(qū)間，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，基于流體真實(shí)的溫洽關(guān)系， 計(jì)算各個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)可用熱量隨溫度的數(shù)值變化關(guān)系，參照公式（3)-公式（7):
在式（3)-(7)中，Qk(T)為第k個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)的可用熱量，可用熱量的大小隨溫度T變化；溫度TG[Tw，TJ;化otik代表第k個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)所有的熱流股構(gòu)成的熱流體集； {col山k代表第k個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)所有的冷流股構(gòu)成的冷流體集；k= 1，2, 3,…，N1 ;流體的 洽H為溫度和流量的函數(shù)；//，.巧;''）為熱流體i在溫度於處的洽，溫度巧由公式（4)計(jì)算； &滬）為熱流體i在溫度Th處的洽，溫度Th由公式做計(jì)算；//，巧')為冷流體j在溫度r/ 處的洽，溫度C由公式（5)計(jì)算嗎(r)為冷流體j在溫度r處的洽，溫度Tt由公式（7)計(jì) 算； 6) 判斷各個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)是否存在熱流方向的轉(zhuǎn)折 利用步驟5)得到的各個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)可用熱量隨溫度的數(shù)值變化關(guān)系，尋找各個(gè)溫區(qū) 可用熱量的極值點(diǎn)，極值點(diǎn)是指可用熱量隨溫度的變化關(guān)系發(fā)生了改變，從溫區(qū)1到溫區(qū) N1，分別找出每個(gè)溫區(qū)內(nèi)所有的可用熱量的極值點(diǎn)； 7) 重新劃分溫度區(qū)間 將步驟4)中所有原始溫區(qū)的溫度端點(diǎn)與步驟6)找到的極值點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)合并在 一起，按從高溫到低溫的順序排列，重新劃分溫度區(qū)間，溫區(qū)個(gè)數(shù)記為N2,溫度區(qū)間端點(diǎn)數(shù) 為肥+1 ; 8) 重新計(jì)算每個(gè)溫度區(qū)間的可用熱量 在步驟7)新劃分的溫度區(qū)間的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式（3)-公式（7)，重新計(jì)算所有溫度區(qū) 間內(nèi)的可用熱量； 9) 計(jì)算各溫區(qū)的累積熱流量 在步驟7)所劃分的每一溫度區(qū)間，計(jì)算每個(gè)溫度區(qū)間可W傳遞到下一個(gè)溫度區(qū)間的 累積熱流量，參照公式巧）：
在公式做中，Ck為從第k個(gè)溫區(qū)傳遞到第k+1個(gè)溫區(qū)的累積熱流量；Cu=0;k= 1，2, 3,…，N2,根據(jù)每個(gè)溫度區(qū)間的累計(jì)熱流量的正負(fù)，可W判斷熱回收的可能性和熱量傳 遞的方向，Ck為正值，則表示從溫度區(qū)間k傳遞到第k+1個(gè)溫區(qū)的熱流方向?yàn)檎?，即較高溫 區(qū)存在多余的熱量可W傳遞給下一溫區(qū)加W回收利用；Ck為負(fù)值，則表示溫區(qū)k傳遞到第 k+1個(gè)溫區(qū)的熱流方向?yàn)樨?fù)，即該溫區(qū)需要從外界吸收熱量，該溫區(qū)不存在多余的熱量可供 下一溫區(qū)回收利用； 10) 確定最小熱公用工程需求 從步驟9)得到的溫區(qū)1到溫區(qū)N2的累積熱流量，找到累積熱流量的最小值Cmi。，并確 定最小熱公用工程需求也，參照公式巧)-(10): Cm化=min[C〇:Cj (9) Qh二-Cmin (10) 外界至少需要提供熱量Qh，才能使得所有溫區(qū)的累積熱流量均不為負(fù)值，W滿足所有 溫區(qū)的熱量需求，此時(shí)換熱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的熱回收量最大； 11) 確定最小冷公用工程需求 將每個(gè)溫區(qū)的累計(jì)熱量加上也，即為外加熱公用工程之后每個(gè)溫區(qū)的熱流量，此時(shí)最 后一個(gè)溫區(qū)的累積熱流量即為最小冷公用工程需求，并且換熱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的熱回收量達(dá)到最 大值，參照公式（11)確定最小冷公用工程需求量Q。： Qc=Qh+CN2 (11) 12) 確定最大熱回收潛力 確定換熱網(wǎng)絡(luò)的最大熱回收潛力，參考式（12): (12； 公式（12)中，Qt。。為換熱網(wǎng)絡(luò)的最大熱回收潛力；化ot}代表所有的熱流體集合； {col山代表所有的冷流體集合；Hi(Tj為熱流體i在進(jìn)口溫度Ti。處的洽；Hi(LJ為熱流 體i在出口溫度T"t處的洽；HJ為冷流體j在進(jìn)口溫度Ti。處的洽；H^T"t)為冷流體j 在出口溫度Twt處的洽；Qh為步驟10)確定的最小熱公用工程需求；Q。為步驟11)確定的最 小冷公用工程需求。
【專利摘要】一種包含非等溫相變流體的換熱網(wǎng)絡(luò)最大熱回收潛力的確定方法，基于流體的實(shí)際物性，采用流體實(shí)際的溫焓物性關(guān)系，確定熱交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的可用熱量隨溫度的分布關(guān)系，根據(jù)非線性物性對(duì)局部溫區(qū)可用熱流量的大小和方向的影響，將整個(gè)溫度區(qū)間劃分為一系列熱流量隨溫度單調(diào)變化的子區(qū)間，進(jìn)而根據(jù)各溫區(qū)累積熱流量的大小和方向確定換熱網(wǎng)絡(luò)的最小熱公用需求、最小冷公用需求和最大熱回收潛力。本發(fā)明能獲得可靠的熱流量計(jì)算結(jié)果，正確地估計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)的最大熱回收潛力和最小公用工程能耗需求情況。
【IPC分類】G05B13-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104793495
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510177805
【發(fā)明人】蔣寧, 徐英杰, 李韓偉
【申請(qǐng)人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月15日