夹点技术的原理与最新应用

王俊美，陈金华

（海工英派尔工程有限公司，山东 青岛266061）

夹点技术的原理与最新应用

王俊美，陈金华

（海工英派尔工程有限公司，山东 青岛266061）

能源危机的到来，节能降耗已是大势所趋。夹点技术是换热网络、水网络优化最实用的节能技术。本文主要介绍了夹点技术的基本原理以及近几年在工程设计中的广泛应用和良好前景。

节能降耗；点技术；换热网络；水网络

在换热网络的综合优化方法中最为实用的就是夹点技术。采用夹点技术[1]，对新厂设计而言，比传统方法可节能30%～50%，节省投资10%左右；对老厂改造而言，通常可节能20%～35%，改造投资的回收年限一般0．5～3a。随着夹点技术的发展，其不仅局限于热力学问题，在水系统设计中的应用对解决水资源危机意义重大。水夹点技术在炼厂和化工厂中的应用可节水20%～30%，可见，夹点技术在推动以低能耗、低污染、低排放为特点的低碳经济发展方面优势显著。

1 夹点技术的基本原理

夹点技术是以化工热力学为基础，以经济费用为目标函数，对换热网络的整体进行优化设计。优化过程包括冷热物流之间的匹配，冷热公用工程的类型和能级选择；加热器、冷却器及系统中一些分离器、蒸发器等设备在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的三维权衡。最终的优化目标是确定出具有最小的设备 (换热器、加热器和冷却器)投资费用和操作（公用工程加热与冷却）费用，并满足把每一个工艺物流由初始温度加热或冷却到目标温度的换热网络。

2 最小传热温差的确定

Linn Hoff．B教授[2]首先提出在换热网络中存在一个最小的允许传热温差△Tmin，这一点即为夹点。最小温差是换热网络综合中的一个关键因素。△Tmin=0是冷热物流能量回收达到最大的极限值，此时冷、热公用工程最小，但是设备费用却无限增大。随着△Tmin越大，能量回收减少，同时增加冷、热公用工程用量，且能量回收的减少正好等于冷、热公用工程用量的增加值。

最小传热温差可由经验值给定，此时需考虑公用工程和设备投资的价格、换热工质、传热系数、操作弹性等因素的影响。Linn Hoff．B提出了一组适用于壳管式换热器的△Tmin的经验值，见表1。

表1 △Tmin的经验值

最小夹点温差，也可由作图法和问题表格法来确定：

2.1 作图法

无论多复杂的热量传递网都可以按一定的规则合成热量组合曲线，热流组合曲线与冷流组合曲线之间的最小垂直温差即为网络的夹点。在热量组合曲线图中，用由初始温度指向目标温度的直线表示热（冷）流股。具体合成过程如下：将热（冷）流股的起始目标温度按高低次序排出，计算出各温度区间内热（冷）流股的总放（吸）热量，然后将数据绘制在温度-焓曲线图上。下图表示热量组合曲线的合成过程。两组合曲线横坐标重叠部分为热量传递系统的换热负荷，左边为公用工程冷却负荷，右边为公用工程加热负荷，通过选取适当的夹点温差就可以达到最小的公用工程负荷，达到热量最经济的匹配以实现节能的目的。

2.2 问题表格法

问题表格法的主要思想：将问题分成若干个子问题，即子网络，每一个子网络的热冷物流的传热温差都≥△Tmin。对各个子网络进行热量衡算，算出每个子网络多余或亏损的热量，然后计算各个子网络的累积热量，在“累积”输出列中，负值绝对值最大处就是在一定△Tmin条件下该网络所需的最小热公用工程量，“热流量”最后一个子网络的输出的“输出”就是该网络所需要的最小冷公用工程；热流量的“输出列”，数值为零处（在该点热交换为零），即为夹点位置，夹点温度为该处冷、热物流温度的平均值。

式中：

Ti—第i区间端点温度，℃；FcCpc冷流体热容流率，KW/℃；FhCph—热流体热容流率，KW/℃；Qi—第i区间热流量，KW。

然后再进行热级联算，找到最小公用工程加热量Qh和冷却量Qc，最后根据夹点处级联热流量为0确定夹点位置，可迅速得到夹点温度和最小公用工程消耗。

3 夹点技术的黄金法则

由上述确定夹点的方法可以看出，夹点具有两个特征：一是该处热、冷物流间的传热温差最小，刚好等于规定的△Tmin；二是该处（温位）过程系统的热流量为零。由此可理解夹点的意义如下：

（1）夹点限制了过程系统能量的进一步回收，构成系统用能的“瓶颈”，若想进一步回收能量必须“改善”夹点以“解瓶颈”。

（2）夹点把系统分为两个独立的子系统，夹点上方为热端，只需引入热公用工程；夹点下方，为冷端，只需引入冷公用工程。

为保证过程系统能量回收最大化，应遵守三条基本原则即夹点技术的黄金法则：夹点处不能有热流量穿过；夹点上方不能引入冷公用工程；夹点下方不能引入热公用工程。夹点位置确定的同时，该系统所需的最小热、冷公用工程负荷以及最大热回收量也随之确定。

4 夹点技术的最新应用

鉴于夹点技术的节能减排效应和经济效益（显著），其在石油、化工等过程工业中[3，4]的应用越来越广泛。

常减压装置消耗的能量约占炼油厂总用能的25%～30%，已成为炼油厂消耗量最大的装置。某规模为250万t/a的常减压装置[5]，换热网络终温较低，装置能耗较高，换热网络的操作弹性差。针对此问题，在夹点技术的基础上，李哲等[5]结合工艺流程模拟软件（HYSYS）和换热网络计算软件（HEXTRAN）对原有常减压装置换热网络进行优化，得到了近于最优的换热网络。新的换热网络实际运行后，使原油的换热终温提高了27℃，装置能耗降低了2．35kg标油/t原油，年创效益接近1200万元，取得了良好的经济效益。

中国石油宁夏炼化公司100万t/a常压蒸馏装置建成投产后[6]，长期处于低负荷状态下运行，近年来随着原油加工量不断增加，装置“瓶颈”逐步显现——原油换热终温偏低、加热炉效率低、产品出装置温度高等，能耗长期偏高，迫使装置进行优化改造。采用夹点技术改造后，原油换热终温由271℃提高到294℃，装置加工量由140万t提高到了200万 t，装置能耗由原来的 10．5kgEO/t降低到9．76kgEO/t，加热炉效率由 85．72%提高到了90．36%。由以上数据可以看出，装置能量利用率和装置加工量提高显著。

蔡砚等[7]对一套20世纪80年代引进的加氢裂化装置进行用能分析，发现存在跨越夹点的传热的不合理用能情况。结合工程实际和经济因素，运用夹点技术对装置进行分析，发现该装置节能潜力高达31323kw/h。根据夹点换热原则结合对现有换热网络的利旧问题的考虑，得出两种具有显著优势的换热网投资1122．7万元，可获得节省2174．4万元/a的经济效益。方案二节能效果较显著：改造投资1707．4万元，可节省操作费用2707．8万元/a，缺点是回收期比方案一长两个月。

夹点技术不仅局限于热力学问题，更加广泛的延伸到水系统设计中。近年来，水夹点技术的应用对于节约过程工业的新鲜水、大幅减少废水排放量方面优势显著。中油公司大庆石化分公司炼油厂[8]应用水夹点技术确定了全系统最小的新鲜水用量9．83t/h，与原用新鲜水量为24．3t/h相比，该项目实施可使该厂用水量节约59．5%，在获得81．02万元/a的经济效益的同时，对解决目前面临的水资源危机意义重大。袁一星等[9]运用水夹点技术对M炼油厂进行分析计算，得出了最小用水量114．25t/h，与原用水量为148t/h相比，该项目实施可使该厂用水量节约23%。

总之，当前能源供应短缺成为经济增长的“颈瓶”之一，对于石油、化工等典型的过程工业，用夹点分析的方法对过程系统的用能、用水状况进行诊断，可找到过程系统的用能“瓶颈”所在，夹点技术在换热网络、水网络中的应用为国民经济的发展带来巨大的经济效益和社会效益。大量的工程实例证明，利用夹点分析技术，指导具体过程系统工程的改造或设计，能降低公用工程消耗量和初期的投资费用，实施方法简单，具有明显的优势，应用前景广阔。

［1］ Linnhoff B,Hindmarsh E．The Pinch Design method for Exchanger Network[J]．Chemical Engineer Science,1983,38（5）:45-74．

［2］ Linhoff．B and FlowerJ．R．Synthesis of heat exchanger networks：PartⅠ：SystematicGeneration of energy optimal networks，AICHEJ．1978，24(4)：633-642．PartⅡ：Evolutionary generation of networks with variouse criteria of optimality，AICHEJ，24(4)：642-654．

［3］ 徐文斌．常减压蒸馏换热网络优化与改进 [J]．高桥石化，2006，21（3）：16-17．

［4］ 张玉巍．常减压装置加工高酸原油工艺方案探讨[J]．河南化工，2006，23（7）：35-36．

［5］ 李哲，康久常，佟韶辉．常减压装置换热网络的优化设计[J]．当代化工，2009，38（4）：380-381．

［6］ 姜磊．常减压装置能量系统优化改造 [J]．石油化工应用，2008，27（6）：73-74．

［7］ 蔡砚，冯霄．加氢裂化装置换热网络的节能改造[J]．现代化工，2006，26：289-290．

［8］ 陈丽．水夹点技术在炼油厂的应用 [J]．计算机与应用化学，2009，26（9）：1153-1154．

［9］ 袁一星，钟丹，高金良．水夹点技术在炼油厂的应用实例[J]．工业用水与废水，2009，40（3）：48-50．

Principle and new application of pinch point theory

WANG Jun-mei,CHEN Jin-hua (COOEC ENPAL Engineering Co.Ltd,Shandong Qingdao 266061)

At present,energy resource is in a lacking condition,so saving energy and cutting down consumption of energy and water is the clever behavior．Pinch analysis is the most practical technology in the synthesis and integration of heat networks water netuorks．This paper mainly explain the basic principle and the application of pinch technology，and the examples in the petroleum projects proved that pinch technology can be used more and more widely．

saving energy;pinch analysis;heat networks;water networks

book=3,ebook=119

10．3969/j．issn．1008-1267．2010．03．014

TQ083

A

1008-1267（2010）03-037-03

2009-09-25

王俊美（1982-），毕业于青岛科技大学，现就职于海工英派尔工程有限公司工艺室。