海水冷却系统换热网络的夹点求解

史玉莲，刘淑静，单 科

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

海水冷却系统换热网络的夹点求解

史玉莲，刘淑静，单 科

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

针对目前国内海水直流冷却系统热能损失严重，存在海水冷却温排水和氯制杀生剂等环境影响问题，以某一采用海水冷却系统的合成氨生产装置为例，用夹点设计法对氨循环过程的换热网络进行用能诊断和优化.采用简洁、方便的电子表格建模法求解换热网络夹点，假定最小夹点温差为12℃，计算得出夹点位于子网络SN9与SN10之间，夹点在平均温度116℃处，换热网络所需的最小加热公用工程为19.91 MW、最小冷却公用工程为22.66 MW，与大型模拟软件的计算结果相近，验证了方法的可行性，并以此为依据，对该系统过程用能及工艺提出优化建议.

换热网络综合；海水冷却；电子表格法；夹点救解

海水直流冷却技术具有系统运行管理简单、可节约大量淡水资源等优点，被广泛用于沿海电厂、核电站、化工及石化等行业.随着环保意识的增强，如何减轻温排水和氯制杀生剂的环境影响成为关系该技术应用发展的一个关键问题.近几年，沿海大型化工、石化园区不断增多，采用海水直流冷却的工程也越来越多，与之而来的环境问题备受关注.目前此类工程中的温海水处置问题却鲜有报道，而具有节能降耗作用的夹点技术是目前较成熟和实用的换热网络优化设计方法，多年来国内外不少学者在夹点技术的开发、求解及应用方面做了大量工作[1-10]，其在新厂设计及老厂改造的能量回收方面效果显著，产生了重大的经济效益和环境效益.本文以某一采用海水冷却系统的合成氨生产装置项目为例[11]，针对海水冷却系统工程特点，简要说明夹点设计法在诊断和调优此类工程中的应用，并利用电子表格法对采用海水直流冷却系统的尿素生产过程的换热网络进行夹点分析，找出了系统用能的不足之处，为进一步优化系统用能提供数据支撑.通过计算可知，该方法与大型模拟软件的计算结果十分接近.

1 合成氨生产装置物流数据收集

该尿素合成装置包含二氧化碳压缩和液氨输送工序、尿素合成工序、分解与氨吸收工序、蒸发造料工序4个单元，主要原料是来自附近氨厂的氨和CO2气体.

抽取尿素合成装置中参与用能的过程流股及其物流参数.现行换热网络热流为9股，冷流为7股，物流数据如表1所示.

表1 现有换热器及物流数据Tab.1 Current heat exchangers and stream data

表1中统计得到现行换热网络的加热和冷却公用工程分别为：

2 现行换热网络能量分析

由于项目中冷、热物流较多，采用问题表格法确定夹点位置，取过程中的所有冷、热物流的初始温度和目标温度建立温度问题表.假定ΔTmin=12℃.

2.1 计算区间边界温度

提取过程中冷、热物流温度，在Excel电子表格中，分别列出各物流的进、出口温度，根据热物流降低（ΔTmin/2）、冷物流增加（ΔTmin/2）的原则，按照电子表格中的主要计算公式，分别求出冷、热物流的边界温度，计算结果如图1所示.

图1 换热网络基础数据和边界温度Fig.1 HEN basic data and sector boundary temperature

利用Excel的排序功能将所有区间边界温度排序，划分成21个温度区，每2个温度间隔对应1个子网络，共形成21个子网络，分别用SN1…SN21表示.如果上述排序中有2个或2个以上的数据相同，则仅保留1个数据点，其他数据点删除.排序后的结果如图2中的B列.

根据各物流区间的初、终温度数据，把热物流温度按由高到低、冷物流由低到高的顺序绘成有方向的垂直线，得问题表格（1），如图2所示.

图2 问题表格（1）Fig.2 Problem table（1）

2.2 温度区间内的热量衡算

根据下列各公式，分别计算每个温区内的热平衡，以确定各温区所需的加热量和冷却量.

式中：Dk表示k子网络为达到热平衡所需加热量（kW）；Ik表示k子网络自外界输入的热量（kW）；Ok表示k子网络向外界或其他子网络输出的热量（kW）；ΣCpkC表示k子网络中所有冷物流热容流率之和（kW/℃）；ΣCpkH表示k子网络中所有热物流热容流率之和（kW/℃）；ΔTk表示子网络SNk边界温度差（℃）；Tk、Tk+1分别为该温区的进、出口温度（℃）.

（1）衡算子网络热量.按照图2中各物流所在的温度区间，将各物流的热容流率分别复制到相应区间，并按照公式（4）和（5）求出每一温度区间的冷、热物流热容流率之和ΣCpkC和ΣCpkH，根据公式（3）求出各子网络的ΔΣCpk.计算结果如图3中的S列、T列、U列.

图3 各子网络的冷、热物流热容流率求和Fig.3 Confirm heat capacity flowratefor all streams of every sub-network

（2）计算各子网络的热通量（外界无热量输入）.无外界热量输入时，SN1子网络的输入热量为0（I1= 0），其他子网络的输入热量（Ik，k＞1）等于上一子网络的输出（Ok-1，k＞1）热量，依据公式（1）分别计算各子网络的输出热量，结果如图4所示.

图4 问题表格（2）Fig.4 Problem table（2）

（3）确定最小公用工程加热用量.步骤（2）计算结果显示，有些区间存在输入或输出热量值为负值的现象.实际工程中，这种情况需要额外的公用工程来为系统提供能量.因此，找到整个系统的最大输入热量（本系统为19 907.9 kW），各区间依此一次性输入该热量，即可为整个系统提供能量支持，由此可得出最小公用工程加热量QH·min.

（4）计算外界输入最小公用工程加热量时各子网络之间的热通量.在图4问题表格（2）的I1′处添加外界输入的最小热量19 907.9 kW，再次计算各温度区间的热量衡算，可以得出图4中第H-I列.其中，最后子网络SN21输出的热量值22 658.06 kW即为系统最小公用工程冷却量QC·min.

2.3 确定夹点位置

由图4可以看出，夹点位于子网络SN9与SN10之间，此处热通量为零，即夹点在平均温度116℃（其中热流温度为122℃，冷流温度为110℃）处.换热网络的最小加热和冷却公用工程分别为：

而原文献中采用模拟软件计算结果转换为标准计量单位后的数值为：最小加热公用工程量QH·min= 19.91 MW；最小冷却公用工程量QC·min=22.64 MW；夹点位于SN9和SN10之间，即夹点在平均温度117℃（其中热流温度为122℃，冷流温度为112℃）处.

计算结果与文献中采用模拟软件计算结果十分相近，说明运用Excel电子表格建模求解换热网络夹点及所需最小公用工程能量的目标方法可以与模拟软件相互验证使用.

3 系统优化建议

从图2中可以看出，冷物流C5、C7出现了跨越夹点的换热，热物流H7出现在夹点之上，这些都违背了夹点设计三原则，需要对该换热网络进行优化，根据近夹点匹配原则[12]，综合经济效益分析，在不改变换热器数目的情况下，可将热物流H7与冷物流C3匹配换热，热物流H9与冷物流C5、C7匹配换热，可得优化后的加热、冷却公用工程为：

由此可以看出，加热公用工程和冷却公用工程的减少，可以降低公用工程费用和海水冷却水的使用量，从而减少海水温排水的排放量和氯制杀生剂的使用量.

4 结束语

运用Excel电子表格法的计算结果与化工模拟软件计算结果十分接近，可以简单、快捷地求出系统所需的最小加热、冷却公用工程用量及夹点位置.

通过理论分析与数学计算，论证了换热网络在海水为冷却水的大型能耗企业进行节能优化的有效性.目前我国沿海地区采用海水冷却技术的大型钢铁、石化企业园区越来越多，采用电子表格建模法可以方便求解出换热网络的用能瓶颈，为进一步优化系统用能提供依据.

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[12]吴斌.冶金行业节能设计新思路—窄点分析法[J].钢铁技术，2009（2）：51-54.

Figuring out pinch point on heat exchanger network of seawater cooling system

SHI Yu-lian，LIU Shu-jing，SHAN Ke
（The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization，SOA（Tianjin），Tianjin 300192，China）

Presently in China,several common problems exist in once-through seawater cooling system,such as the great losses of heat energy,and the problems of environmental pollution from the discharge of heated water and the chlorination biocide,etc.Taking a case study of seawater cooling for an ammonia production process as an example,the research used the pinch point design method to diagnose and optimize the energy utilization.Then the research used the simple and convenient spreadsheet modeling method to resolve pinch point in heat exchanger network.A minimum temperature difference is chosen to be 12℃,the location of the pinch point is between SN9and SN10,the average pinch temperature of the heat exchanger network is 116℃,the minimal requirement of the hot utility and the minimal requirement of the cold utility are 19.91 MW and 22.66 MW,the calculation results are close to the results from the large-scale simulation software,therefore,the feasibility of the method is verified.Meanwhile,the research aims to provide the basisfor further optimization ofthe cooling system.

heat exchanger networks synthesis；seawater cooling；spreadsheet method；figuring out pinch point

TK172；TB11

A

1671-024X（2014）01-0085-04

2013-06-25

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（K-JBYWF-2008-G18）

史玉莲（1978—），女，硕士，工程师.E-mail：sd_ssyyll@163.com