夹点技术在建材工业生产上的应用和研究

赵婉霞，赵小蔚

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

1 引言

夹点技术是一种使工业工程系统的能源消耗整体优化的设计方法。夹点技术的特点就是把整个系统作为一个集成的整体，这样就可以在设计上做到使整体设计最优化，也就是说达到能耗最低、费用最小和环境污染最少。该方法具有物理意义清晰的特点，方法灵活简便，所以易于被工程技术人员掌握的特点。夹点技术最早是由英国曼彻斯特科技大学的B.Linnhoff教授及其同事率先提出的，此法一经推出，即得到广泛的重视和采用，以后又在实践中不断得到发展和完善。目前欧美等国已有大型工程的新设计和改造采用了该方法，而且都取得了巨大的经济效益。一般改造项目的投资费用回收年限均在两年以内。采用这种技术对于新装置设计而言，比传统方法节能30%—50%;近几年夹点技术也逐渐应用于老装置和老设备的节能技术改造中，并且也能取得较好的节能目的。

2 夹点技术的典型方法

在本文中，将重点介绍如何使用夹点技术的几种典型的方法和工具，如冷热组合曲线 问题表格算法 综合复合曲线和热交换网络设计，进行优化能源分布和配置，从而达到最大限度地降低能耗成本。

2.1 冷热组合曲线

冷热组合曲线是用作图的方法，在温－焓图上作出热物流和冷物流的组合曲线，热物流组合曲线应在冷物流组合曲线的上方，当两条曲线垂直距离最近时，也就是达到最小的最佳温度差ΔT－min，此处的温度就是夹点温度。此外，右侧为的最小加热效能QHmin，左侧为最小冷却效能QCmin。

举个例子，在一个比较简单的热物流公用工程中有四个数据流，包括两个热物流和两个冷物流，相关的数据见表1所示，冷热组合曲线就可以用来确定它的夹点温度。如果ΔT－min在这种情况下是10°C，图1给出了最佳的热和冷物流的夹点温度之间的温差和冷热组合曲线。

表1 热物流公用工程数据

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

图1 冷热组合曲线

2.2 问题表格算法

表2 移位的物流的温度

问题表格算法的建立步骤可分为如下几步:

2.2.1 建立移位温度T*

由于问题表格算法是使用温度区间为单位，所以要建立一个统一的温度规模来做计算。但是，如果使用的实际温度流，由于有一些热量不能及时收回，会造成数据误差，因此，为了避免此问题，建立一个移位温度T*来重新建立温度标示。当ΔTmin确定后，为了执行能量定位，热和冷物流相应移位。可以通过移位温度T*减去(ΔTmin)/2为热物流使其冷却，而添加(ΔTmin)/2为冷物流以使其更热。例如，在表2的最后两列显示移位后物流的温度，当ΔTmin的=10℃。列出所有转移温度升降温度形成的温度区间。

2.2.2 ΔH平衡

在此步骤中，先计算出在每个温度区间的热容量流速的总和。在乘以热容量流率的区间温差，就可以得到ΔH平衡。此外，当ΔH是向上的，这意味着热物流占主导地位，这时可以向外提供热量，相反，当ΔH向下时，这意味着冷物流占主导地位，需要外界提供热量。图2所示的的ΔH平衡图示例子。

图2 ΔH平衡

2.2.3 热级联(子网络)

图3是一个比较典型的热级联(子网络)图表，在热级联的第一列是指移位的温度，第二列是千焦耳/小时的焓值，第三列是指以kJ/小时的热负荷。开始的热级联为零。按温位将系统中的物流划分为若干个热级联(子网络)，求出热级联的输入和输出热负荷，在负荷为零处，如表3中可以计算出夹点为85，这样，热物流的夹点温度就为90℃，热物流的夹点温度就为80℃。

图3 热级联(子网络)

2.3 综合复合曲线(GCC)

综合复合曲线是用于设置多个能量程序目标的工具，，图3就是比较典型的综合复合曲线。建立一个综合复合曲线，首先我们要将热物流的温度进行调整。该曲线是通过减去的一部分从热气流温度的允许温度的方法和加入剩余部分的容许温度的方法向冷物流温度偏移，然后根据所得的工艺温度绘制一个综合复合曲线，然后根据曲线显示的整体的热物流过程中消耗温度绘制出从焓(水平)在不同温度下的移位的复合曲线之间的差异。

在图3中，此曲线显示一个焓等于零，此点就是夹点温度。另外，在该曲线上，还可以看到一个过程的热物流的能量交换到另一个区域。这个区域被称为“热口袋”。口袋中的曲线代表的区域中冷热物流的热交换是足以自由交换的，而不需要外界给予能量。所以在这个区域，严格来说是没有任何能量程序和热交换器的。

图4 综合复合曲线

此外，GCC是用于选择所需的冷却和加热公用工程的基本方法之一。GCC表示出的热和冷物流的焓和温度可以区分在不同温度水平的工程处理方面的要求。在不同的温度下，选用不同的工程设备，以最大限度的降低设备成本.就像在图5中的，MP蒸汽选用的从高压蒸汽排出的富余蒸汽，而不是直接使用高压蒸汽，这样成本可大大降低。

图5 使用GCC单个和多个蒸汽水平

总之，综合复合曲线是用于选择适当的效用水平和针对一个给定集合的多个效用水平中使用的夹点分析的最基本的工具之一。它针对涉及到的各种能效水平设置适当的负载，使效能最大化和成本最小化。

2.4 换热网络设计(HEN)

根据夹点技术设计换热网络设计，由于其简单，高效而被广泛采用。换热网络设计分别采用上下两个夹点进行设计。首先，该区域被划分成上面和下面的夹点网格图。通过充分回收热量和添加额外的热量来进行热和冷的物流工程设计，最终可以得到换热网络设计的上、下夹点网格图见图6和图7所示。

3 小结

夹点的两个特征:一是该处的冷热物流间的热流温差最小，在该处可以得到ΔTmin;二是该处的工程系统的热流量为零。这也就说明夹点限制了工程系统能量的进一步回收，形成了该处的系统能量回收的“瓶颈”，如果要想进一步回收能量，就必须解开“瓶颈”，这就需要“优化”夹点，夹点技术的意义就在于如何“优化”夹点。另外，夹点把工程系统分成上下两个系统，夹点的上方为热网络，需要公用工程进行加热，而夹点下方为冷网络，需要公用工程进行冷却。另外，为了保证系统能量的回收做到最大化，应遵守三条基本原则:(1)夹点处不能有热流量流过;(2)夹点上方不能导入冷公用工程;(3)夹点下方不能导入热公用工程。

图6 换热器网络的上夹点网格

图7 换热器网络的下夹点网格

4 成本目标

对于不同的值ΔTmin，夹点温度也会随着改变，当选择较低的值ΔTmin，使用的能量将减少，但将增加换热面积。使用的能源量会影响经营成本，而换热器的面积会影响投资成本。因此，如何在建设成本和运营成本之间找到了平衡也是一个非常重要的工作。使用成本目标法就可以获得最佳的总成本目标.

建设成本和运营成本之间的平衡取决于每单位面积的换热器，加热和冷却的成本，投资成本，投资回收期等多方面的因素。另外建设成本是一次性的投资。而能源和工程运营成本，是多年累积的。因此，要计算总成本时，资本成本和运行成本必须建立在一个相同的基础。常用的方法，是评估在一个固定的期间内，经营成本和资本成本的回报期通常是用来作为那个时期来考虑。图8显示根据增加ΔTmin的资本成本，经营成本和总成本之间的关系。

预测一个网络的资本成本可以根据一个简单的关系成本:

图8 ΔTmin时的资金，运营成本和总成本的变化

其中，a，b和c是根据建筑，压力等级和类型的热交换器中的材料而有所不同的成本定律常数。此外，当执行定位成本，网络交换机之间的区域分布是未知的。因此，它只是假定所有的热交换器具有相同的面积，然后网络成本可以表示为:

其中，N是单位的数目

5 结论

目前，夹点技术在国外得到了越来越多的企业的重视，许多国际知名的大公司都在开始采用夹点技术，虽然我国的建材行业仍然还在快速的发展，但由于国家对环境保护的要求越来越高，建材行业也面临着严峻的挑战，许多企业由于能源消耗，环境污染等一系列问题无法解决，面临着转产搬迁的问题.为了解决此问题，利用夹点技术来进行企业的技术改造以降低能耗，减少废气，污水排放，净化环境和优化投资将会给建材行业带来受益匪浅的好处.近几年，夹点技术的研究已经延伸到水系统的设计，水夹点技术的应用对于节约工业系统的水量，减少废水的排放有着明显的优势，所以如果能综合全面的在企业的技术改造方面应用夹点技术那节能减耗的效果就更明显了。

［1］张济民 夹点技术及其应用［J］.化学工程师，2004(6):45－47.

［2］蒋楚生，等.工业节能的热力学基础和应用.北京:化学工业出版社，1990∶248.

［3］孟继安，等.夹点技术基本原理与应用［J］.黑龙江石油化工.1997(2).

［4］姚平经.换热器系统的模拟优化与综合.北京:化学工业出版社，1992∶127.

［5］李英等.水夹点技术的应用研究［J］.计算机与应用化学，2008(3).