一種包含非等溫相變流體的換熱網(wǎng)絡(luò)最小熱公用需求的確定方法
【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)最小熱公用需求的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)過程中，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)，通過回收系統(tǒng)內(nèi)部的 熱量來減少對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 過程非常常見。對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)法就無法正確地估計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)的最小熱公用需求， 甚至嚴(yán)重誤判工業(yè)系統(tǒng)的能耗需求。目前在公開文獻(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)最小熱公用需求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)的最小熱公 用需求的局限性，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) 最小熱公用需求的確定方法。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種包含非等溫相變流體的換熱網(wǎng)絡(luò)最小熱公用需求的確定方法，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Δ Tmin/2,將每股熱流體的溫度降低Λ Tmin/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ΔΤ_的要求，冷、熱流體溫度修正分別 參照公式⑴-⑵：
[0013] r；,;=rc,;+A7； mn/2 (1)
[0014] (2)
[0015] 在式（1)-(2)中，ATmin為步驟2)指定的最小傳熱溫差；Tiu和T aj分別為熱流股 i和冷流股j的實(shí)際溫度；和7^/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：1\、 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)編號從1到 N1，第k個(gè)溫區(qū)[Tk，Tk+1]以溫度范圍1\+1到1\定義，且T k> 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):
[0020]
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 在式（3)-(7)中，Qk⑴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T e [Tk+1，Tk] ; {hot} k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； {cold}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,…，Nl ;流體的 焓H為溫度和流量的函數(shù)；盡0-/)為熱流體i在溫度Γ/處的焓，溫度Γ/由公式（4)計(jì)算； Hi (Th)為熱流體i在溫度Th處的洽，溫度T h由公式（6)計(jì)算；",(TT)為冷流體j在溫度JT 處的焓，溫度G由公式（5)計(jì)算；HjCT)為冷流體j在溫度Γ處的焓，溫度T ^由公式（7)計(jì) 算；
[0026] 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
[0027] 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)；
[0028] 7)重新劃分溫度區(qū)間
[0029] 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N2+1 ;
[0030] 8)重新計(jì)算每個(gè)溫度區(qū)間的可用熱量
[0031] 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；
[0032] 9)計(jì)算各溫區(qū)的累積熱流量
[0033] 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)間可以傳遞到下一個(gè)溫度區(qū) 間的累積熱流量，參照公式（8):
[0034]
[0035] 在公式（8)中，Ck為從第k個(gè)溫區(qū)傳遞到第k+Ι個(gè)溫區(qū)的累積熱流量；C tl= 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)，可以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+Ι個(gè)溫區(qū)的熱流方向?yàn)檎?，即較高溫 區(qū)存在多余的熱量可以傳遞給下一溫區(qū)加以回收利用；Ck為負(fù)值，則表示溫區(qū)k傳遞到第 k+Ι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；
[0036] 10)確定最小熱公用工程需求
[0037] 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Cmin， 并確定最小熱公用工程需求Qh，參照公式（9)-(10):
[0038] Cmin= min [C q: CN2] (9)
[0039] Qh=-Cmin (1〇)
[0040] 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，以滿足 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。
[0041] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：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。
[0042] 本發(fā)明利用局部溫區(qū)可用熱量的極值點(diǎn)將溫區(qū)分割為一系列熱流量隨溫度單調(diào) 變化的子區(qū)間，這樣可以客觀地反映出流體非線性溫焓物性對熱交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的影響。當(dāng) 流體的比熱容是定值時(shí)，各溫度區(qū)間內(nèi)可用熱量隨溫度的變化單調(diào)地增加或者減少；而在 流體非線性溫焓物性關(guān)系的影響下，各溫度區(qū)間內(nèi)可用熱量隨溫度的變化情況有可能出現(xiàn) 反轉(zhuǎn)態(tài)勢，即存在極值點(diǎn)，極值點(diǎn)是指可用熱量隨溫度