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7.6实际工程项目的换热网络合成7.6.1数据提取•工艺流程图是提取数据最主要的依据。换热网络设计所需的数据为物流的温度、流量及热容。•热容流率与温度与一定的关系，尤其是温度变化范围较大或存在相变时。此时可以将物流分段，分别对各段进行线性处理。•许多工艺设计过程提供了换热装置的热负荷与物流温度的关系图（即T－H图），可以根据此图决定是否有必要对物流分段，如何分段需要注意以下问题：•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以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•相变点必须作为分段点7.6.2选择物流•工艺流程中的许多物流，往往不是从起始温度直接加热或冷却到最终指定温度，而是要经过几次加热或冷却。•另外还遇到物流的混合与分解。•如何选取物流，以便最大程度地发挥换热网络设计的作用，是解决实际问题时应考虑的问题如：在蒸馏预热串联系统中，原料从10℃加热到150℃后进入蒸馏塔，在进行换热网络设计时，物流的选取有下列三种方法：1)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℃2)将进料分为二股物流，第一股从10℃到25℃，第二股从25℃到150℃3)将进料看作一股物流，从10℃到150℃•按第一种方法设计的结果，可能会和原有流程一致，因为每段物流都与原有物流完全吻合，因此起不到换热网络设计的作用。•第二种方法提供了网络设计的自由度，但实际上，要求常温储存的物料并不是必须在25℃，因此将25℃作为指定温度又限制了网络的设计。•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。•因此，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。•出现物流混合和分解时，物流的选取就更加复杂。•图a：两股起始温度不同的物流A、B，混合为C后被加热到共同的目标温度。•实际的工艺流程通常为图b的形式，这种方式是否合理就要看物流混合时的温度的变化是否跨越了夹点。•设A、B混合后的温度为60℃，夹点温度为100℃，则可以按的图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。图c两条冷物流的直接混合将违背夹点匹配原则，即夹点之上与夹点之下的物流进行了换热，将导致公用工程的消耗的增加。•因此，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，经过与其它物流换热达到同一温度T后再混合成C，也就是保证物流A、B在等温状态下混合。•若混合温度T=120℃，则系统被看作了两条物流。若T120℃，则应将C选作一条物流从T加热到120℃，系统实际上是被看作了三条物流。•因此，为了保证最小公用工程用量，应当避免物流的非等温混合，但会增加换热单元数•物流分解也是工艺流程中常遇到的情况•如图所示，物流A被分解成B、C，物流B、C的具有不同的目标温度。•实际工艺流程中可能采用图b、c所示的两种不同方式•图b，系统被看作两条物流•图c，则系统中有一条物流参与了匹配，节省了一台换热器，但旁路物流D、E的混合构成了物流混合问题，需慎重对待7.6.3老厂改造•老厂改造项目多是节能改造。在做换热网络设计时，不仅要考虑节省能量，还要考虑原有设备的利用，因为这涉及到装置的投资费用。•利用夹点方法，很容易计算出最小能耗目标，并找到最好的匹配方案，问题是，改进后的方案与对原来的流程改动程度有多大。•显然，在各种改进方案中，应该选取那些最能充分利用原有设备管线的方案，即和原有流程具有最大兼容性的方案（Linnhoff）•图a为一个换热网络的原有匹配流程，其中热公用工程消耗为196kW，冷公用工程消耗为175.3kW。•取△Tmin＝10℃，利用所给数据进行计算，得到夹点位置在149~159℃，最小热公用工程消耗为106.4kW，最小冷公用工程消耗为85.7kW，可见热量的节能潜力高达46％。•利用夹点匹配技术，分别对夹点之上和夹点之下的子系统进行设计。•夹点之上，只有一种能够满足最小能量消耗的匹配方式。匹配4为新增加的。•夹点之下，有多个方案，图b与原有流程的兼容性最大，只需要增加一个新匹配5。•将两个子系统合并，得到图8-28c的换热网络，它比原有网络多了匹配4和匹配5。这意味着能量消耗的降低将以增加两台换热器为代价节能•为了减少换热单元，利用能量松驰法进行改进。•匹配4、匹配5与两台冷却器构成一个回路。由于匹配4造成了物流5的分解，这是原有流程中不存在的，因此在断开回路时将匹配4合并到匹配5上。•结果使T1、T2违反了允许温差的约束，利用能量松驰法进行调整，得到下图。•匹配方案方案与原有流程比较接近，只多了匹配5，可以作为一个较好的改进方案•加热器、匹配5与冷却器仍构成回路，因此可将网络继续改进。•因为匹配5为新增加的换热单元，选择将匹配5消去，得到下图。这一改进造成能量的进一步松驰，即公用工程消耗增加。•利用将物流3和物流4之间匹配的能量“绷紧”(即将T1从77℃调整到80℃)，可以节省2.7个单位的能量，得到下图。•与原有流程进行比较，所有装置都为原来存在的装置，热量节省5％，其中匹配1和匹配3的负荷有所增加，匹配2的负荷有所降低。•对各方案的能量回收与设备增加情况进行比较•方案Ⅰ能量回收潜力最大，但需要增加和改造的设备也最多，方案Ⅲ能量回收潜力较小，但设备投资也最小。设备投资改造方案节能增加装置改造装置方案1（图7-28a）46％２２方案2（图7-28c）34％１２方案3（图7-28e）5％３原有流程7.6.4禁止匹配与强制匹配•在实际工程设计中，可能会对物流的匹配提出一些限制。•如考虑到腐蚀、操作安全、设备布置、管线铺设、操作方便等问题，可能会禁止某些物流间的匹配或强制进行某些物流间的匹配。•老厂改造时应充分利用原有设备，就属于强制匹配。•这些限制有时会影响到能量的回收。•热物流H1、H2的品位高于冷物流C1、C2时，如果禁止或强制匹配，可能不会增加外加热量消耗•热物流H2的品位低于冷物流C1时，当禁止热物流H1与冷物流C1匹配时，则可能要增加外加热量。•再如，前面的老厂改造例题，当要求保留原有设备时，夹点之下仍能找到满足最小能量消耗的方案，因此强制匹配不会影响能量回收。•总之，对于存在禁止或强制匹配的问题，应该先找出满足最小公用工程消耗的方案，然后检查增加的限制是否会影响到能量回收，影响的程度有多大，是否存在解决方案7.6.5阈值问题•夹点问题的冷、热公用工程消耗随△Tmin单调变化，且二呈平行关系。即使△Tmin为0，这种平行关系也不变。•对于夹点问题存在能量与设备投资的折衷，需要考虑△Tmin的选择。•在实际问题中，并不是所有的问题都存在夹点。•不存在夹点的问题称为非夹点问题•图a即需要蒸汽也需要冷却水，将组合曲线平移，冷公用工程用量随着△Tmin的减小而消失•继续减小△Tmin，高端的蒸汽用量会继续减少，在低端却出现了对蒸汽的需求，结果造成总的热公用工程消耗量不变•△Tmin对公用工程的影响有一个转折点，称为阈值△T阈。•高于这个阈值，关系特性符合夹点问题，低于此阈值，公用工程用量与△Tmin无关，因此也就不存在能量与设备投资的折衷问题。•由于非夹点问题的存在，在进行实际项目设计时，应该首先判断问题是否为夹点问题•如果是，则按前面介绍的夹点技术进行设计。•如果为非夹点问题，则应找出△Tmin与公用工程的关系曲线，并确定阈值位置•如果实际要求的△Tmin高于阈值，仍可运用夹点技术进行设计，并进行能量与设备数的调优•如果实际要求的△Tmin低于阈值，则不能进行能量与换热设备数的权衡。7.6.6多品位公用工程•在前面利用夹点技术进行换热网络设计时，一直把公用工程放在物流的末端，即热公用工程处在物流温度的最高端，冷却公用工程处在温度的最低端。•而实际工程中，可选择的公用却不止一种品位，如热公用工程有高压蒸汽，中压蒸汽，低压蒸汽等，冷公用工程有一级、二级冷却水、及以用于发生蒸汽的软水等。•对于这种多品位公用工程问题，仍可夹点方法进行设计•当公用工程不在物流的最末端，而是落在某个中间温区时，公用工程就当作一条物流看待，假设其热容流率当作无穷大，然后利用夹点匹配的基本原则参与匹配