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1、清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University一、一、概论概论二、二、换热网络综合简介换热网络综合简介三、三、夹点理论夹点理论四、四、换热网络综合的目标换热网络综合的目标五、五、最优夹点温差的确定最优夹点温差的确定六、六、夹点设计方法夹点设计方法七、七、调优合并换热器调优合并换热器八、八、多级公用工程多级公用工程第二章能量系统集成1清清 华华 大大 学学. .化化 工工
2、系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University九、九、 阈值问题阈值问题十、十、换热网络综合实例换热网络综合实例十一、十一、 换热网络模拟换热网络模拟十二、十二、 换热网络综合的数学规划法换热网络综合的数学规划法十三、十三、 换热网络的改造换热网络的改造十四、十四、 换热网络综合的其它问题换热网络综合的其它问题十五、十五、 热能动力系统集成热能动力系统集成十六、十六、 全厂总能系统全厂总能系统2清清 华华 大大
3、 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University1.节能的意义节能的意义2.能量系统的范畴能量系统的范畴3.节能潜力分析节能潜力分析4.节能的实践节能的实践5.节能的研究方法节能的研究方法6.过程系统节能技术的发展过程系统节能技术的发展7.热力学基础热力学基础、概论、概论3清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r
4、 f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University1 1、节能的意义、节能的意义n能源消耗逐年增加能源消耗逐年增加n过程系统能耗总量很大过程系统能耗总量很大n过程工业产品单耗高，节能潜力大过程工业产品单耗高，节能潜力大n节能的四个方面：节能的四个方面：加强管理加强管理改进设备改进设备改进工艺改进工艺改进能量回收系统改进能量回收系统4清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i
5、 a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University2 2、能量系统的范畴、能量系统的范畴核心是换热网络核心是换热网络三个子系统互相影响密切相关，严格整体优三个子系统互相影响密切相关，严格整体优化，系统分解优化化，系统分解优化5清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University过程系统框图过程系统框图工艺过程子系统工艺
6、过程子系统热回收热回收子系统子系统蒸汽动力蒸汽动力子系统子系统废热排出废热排出原料原料产品产品能量供给能量供给6清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University3 3、节能潜力分析、节能潜力分析满足工艺生产过程对各种形式能量需求的满足工艺生产过程对各种形式能量需求的能量系统的设计方案是多种多样的。能量系统的设计方案是多种多样的。什么样的能量系统设计方案是经济上合理什么样的能
7、量系统设计方案是经济上合理的、技术上可行的、投资和能耗费用最小的的、技术上可行的、投资和能耗费用最小的方案？通过什么方法可以获得这样的设计方方案？通过什么方法可以获得这样的设计方案。案。7清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University130 oC21Reactor3170 oC190 oC200 oC90oC125 oC110 oC130 oC250 oC150 oCH
8、120KWC 100KW SepC2100 oCH1H2C18清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University4 4、节能的实践、节能的实践 Linnhoff Linnhoff 提出夹点理论，创办提出夹点理论，创办UMIST/DPIUMIST/DPI以以及及Linnhoff MatchLinnhoff Match公司，与公司，与ASPENASPEN竞争。竞争。迄今为止，夹点
9、技术仍是过程系统工程领域迄今为止，夹点技术仍是过程系统工程领域近几十年来最大的一个突破。日本学者近几十年来最大的一个突破。日本学者UmedaUmeda也也同时提出夹点思想。同时提出夹点思想。 Linnhoff Match Linnhoff Match公司夹点实践，每个项目平公司夹点实践，每个项目平均收益几十万美元均收益几十万美元/ /年，投资回收期为几个月年，投资回收期为几个月几十个月，表几十个月，表1 17 7表明过程系统节能约占表明过程系统节能约占5050。国内实践，炼厂，几百万人民币国内实践，炼厂，几百万人民币/ /年，原油终温年，原油终温上升上升1010度，节约燃油。早期设计的改造潜力
10、大。度，节约燃油。早期设计的改造潜力大。9清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University5 5、节能的研究方法、节能的研究方法1)1)热力学方法热力学方法2)2)数学规划法（数学规划法（Mathematical ProgrammingMathematical Programming）3)3)人工智能方法：专家系统人工智能方法：专家系统10清清 华华 大大 学学. .化化
11、工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University热力学方法热力学方法热力学方法物理概念清楚，系统能量目标热力学方法物理概念清楚，系统能量目标准确、设计规则有据，很适于工程设计人员准确、设计规则有据，很适于工程设计人员在工程实际中应用。以在工程实际中应用。以热力学目标和投资费热力学目标和投资费用目标相结合作为总的设计目标用目标相结合作为总的设计目标，以热力学，以热力学方法为主，并结合经济目标优化的方法。方法为
12、主，并结合经济目标优化的方法。11清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University数学规划法数学规划法将所研究的问题整理成有目标函数和约束条将所研究的问题整理成有目标函数和约束条件组成的数学模型，然后根据数学模型的类型选件组成的数学模型，然后根据数学模型的类型选择适宜的优化方法进行求解。择适宜的优化方法进行求解。用数学规划法求能量系统的最优系统流程和用数学规划法求能量系统的
13、最优系统流程和最优操作条件，理论上可得给定条件下的最优操作条件，理论上可得给定条件下的严格最严格最优解优解。现有的计算方法和计算机能力仍难于求解。现有的计算方法和计算机能力仍难于求解大型复杂系统的优化问题，很难得到全局最优解。大型复杂系统的优化问题，很难得到全局最优解。数学优化方法的另一个缺点是计算过程不透明，数学优化方法的另一个缺点是计算过程不透明，物理概念不清晰，难于被过程设计人员掌握而直物理概念不清晰，难于被过程设计人员掌握而直接使用。接使用。12清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d
14、 u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University人工智能方法人工智能方法应用专家系统，离工业实际应用尚有一定应用专家系统，离工业实际应用尚有一定距离。距离。13清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University这三类方法是互相结合，相互渗透的，常这三类方法是互相结合，相互渗透的，常是以某一方法为
15、主，再辅以其它方法。例如是以某一方法为主，再辅以其它方法。例如以热力学方法确定能量系统的基本流程结构，以热力学方法确定能量系统的基本流程结构，以此为基础，再以数学规划法求得某些关键以此为基础，再以数学规划法求得某些关键设计参数的优化值，对这样的结果再根据专设计参数的优化值，对这样的结果再根据专家的经验考虑若干工程实际条件加以调整，家的经验考虑若干工程实际条件加以调整，以得到符合实际的优化方案。以得到符合实际的优化方案。14清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E
16、 c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University6 6、过程系统节能技术的发展、过程系统节能技术的发展（范围）（范围）总能系统总能系统蒸汽动力系统蒸汽动力系统换热系统换热系统新设计新设计改造（类型）改造（类型）热力学目标热力学目标费用目标费用目标工程目标工程目标( (目标）目标）15清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua Univers
17、ity7 7、热力学基础、热力学基础热力学第一、二定律热力学第一、二定律能量平衡分析能量平衡分析 、焓、焓16清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University二、换热网络综合简介二、换热网络综合简介1 1、概述、概述一组初始温度为一组初始温度为 的冷物流要求被加热的冷物流要求被加热到到 ，另一组初始温度为，另一组初始温度为 的热物流要的热物流要求被冷却到目标温度求被冷却到目
18、标温度 ，在给定的最小传，在给定的最小传热温差热温差 条件下，通过确定物流的匹配条件下，通过确定物流的匹配关系，使所有物流均达到其目标温度，同时关系，使所有物流均达到其目标温度，同时使投资费用和操作费用最小。使投资费用和操作费用最小。17清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University进展：进展：Whistler 1948Whistler 1948年以年以T-HT-H图表示
19、换热过程，图表示换热过程，Hwa(1965)Hwa(1965)以后开始研究换热组合问题，此以后开始研究换热组合问题，此后分为四个阶段：后分为四个阶段：（1 1）HohmannHohmann（19711971）的开创性工作：）的开创性工作：两个目标：最小公用工程两个目标：最小公用工程 最小单元数最小单元数18清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University（2 2）早期的方法
20、：）早期的方法：LeeLee分枝界限法（分枝界限法（19701970），），NishidaNishida（19711971）热谱图法，热谱图法，Pho(1973)Pho(1973)树搜索法，树搜索法，PontonPonton（19741974）直观推断法。逐步被淘汰）直观推断法。逐步被淘汰（3 3）Linnhoff Linnhoff 夹点理论（夹点理论（1979)1979)（4 4）GrossmannGrossmann（1980s1980s）数学规划法）数学规划法超结构概念超结构概念19清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n
21、t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University2 2、网络的表达：、网络的表达：三种方法热容图（不常用）三种方法热容图（不常用）流程图流程图温焓图温焓图栅格图栅格图 20清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University流程图流程图优点是可以较清楚地表示网络的
22、结构及换热优点是可以较清楚地表示网络的结构及换热物流的匹配。物流的匹配。缺点是不能直接地表示物流的温度分布以及缺点是不能直接地表示物流的温度分布以及每台换热单元的热负荷，因而对分析换热网每台换热单元的热负荷，因而对分析换热网络的热力学特性不利。络的热力学特性不利。21清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University130 oC21Reactor3170 oC190 oC20
23、0 oC90oC125 oC110 oC130 oC250 oC150 oCH 120KWC 100KW SepC2100 oCH1H2C122清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University温焓图温焓图优点在于可直观表示物流的温位和热负荷。优点在于可直观表示物流的温位和热负荷。缺点是不能清楚地表示出换热网络的流程结缺点是不能清楚地表示出换热网络的流程结构。构。常用于热力学
24、分析。常用于热力学分析。23清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University4TC24TC2问题的物流温焓线问题的物流温焓线24清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghu
25、a University4TC24TC2问题的物流温焓线问题的物流温焓线25清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University栅格图栅格图优点是表示能流匹配情况，特别是当物流优点是表示能流匹配情况，特别是当物流分流时很方便。分流时很方便。缺点是不能直观地表示换热网络的结构，缺点是不能直观地表示换热网络的结构，对于比热有变化乃至相变的物流状态无法表对于比热有变化乃至相变的物流状
26、态无法表示。示。常用于结构分析。常用于结构分析。26清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University还有一种热容图，使用不多。还有一种热容图，使用不多。 对换热网络的分析综合，多用温焓图和栅格对换热网络的分析综合，多用温焓图和栅格图来表示。但工程设计中则多用流程图表示。图来表示。但工程设计中则多用流程图表示。27清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态
27、工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University三、夹点理论三、夹点理论目前换热网络设计方法已一致趋向于用夹点设计方目前换热网络设计方法已一致趋向于用夹点设计方法和数学规划法，而数学规划法的热力学基础也是法和数学规划法，而数学规划法的热力学基础也是夹点理论。夹点理论。1 1、夹点的形成、夹点的形成两股物流换热两股物流换热组合温焓曲线（组合温焓曲线（Composite Curve)Composite Curve)FCpFCp为常数为常数
28、多股物流换热多股物流换热 T Tminmin决定决定Q QHminHmin和和Q QCminCminP75图4-7（a）（c）图4-8加入夹点动画28清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University(a)(c)图4-7 两股物流换热过程夹点动画夹点动画29清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r
29、f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University图4-8 组合温焓线30清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University2 2、夹点分析的问题表、夹点分析的问题表(Problem Table)(Problem Table)法法问题表的构建问题表的构建（1 1）按各物流的入
30、口、出口温度分成若干温度区间。每一）按各物流的入口、出口温度分成若干温度区间。每一区间热物流比冷物流温度高区间热物流比冷物流温度高TminTmin，以保证区间内冷热物，以保证区间内冷热物流的温差要求。流的温差要求。（2 2）计算温度区间内的热平衡，以确定此区间内所需的加）计算温度区间内的热平衡，以确定此区间内所需的加热量和冷却量，按所需外加热量计算。热量和冷却量，按所需外加热量计算。（3 3）各温度区间之间可有自上而下的热量流通，但不能有）各温度区间之间可有自上而下的热量流通，但不能有逆向热量流通。逆向热量流通。（4 4）为保证各温度区间之间的热通量）为保证各温度区间之间的热通量00，根据级联
31、计算，根据级联计算，所需由外界加入的最小热量，即为最小加热公用工程用量，所需由外界加入的最小热量，即为最小加热公用工程用量，而由最后的一个温度区间流出的热量，即为最小冷却公用而由最后的一个温度区间流出的热量，即为最小冷却公用工程用量。工程用量。（5 5）温度区间之间的热通量为零处，即为夹点。）温度区间之间的热通量为零处，即为夹点。31清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua Univer
32、sity问题表的计算问题表的计算物流和温度累积热量，kW热通量，kW温度区间冷流 温度 热流1(2.5)2(3) 3(2) 4(8)亏缺热量H=冷热输入输出=输入H输入输出TI110010107.5117.5TI212.5102.5117.5105TI31052.5107.51050TI4135107.527.50135TI582.527.55513552.5TI612.555-67.552.54015012514510012070904060252032清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n
33、d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University累积热量表示外界输入加热公用工程量为零时，累积热量表示外界输入加热公用工程量为零时，各温度区间之间的热通量。即：各温度区间之间的热通量。即：热量输出热量输入热量输出热量输入H H区间区间3 3、4 4之间热通量为零，夹点（热流温度之间热通量为零，夹点（热流温度9090，冷流温度，冷流温度7070，平均，平均8080）33清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u
34、 s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University-1012.5105-13582.512.5107.5热热公公用用工工程程冷冷公公用用工工程程15014512090604540130125100704025201012.582.512.5105117.5105013552.540135QH = 212.5 QHmin = 107.5QC = 145QCmin = 4034清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u
35、s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University3 3、夹点的意义、夹点的意义夹点上下的热通量是零。夹点上是热端，夹点上下的热通量是零。夹点上是热端，只有换热和加热公用工程，成为热阱（只有换热和加热公用工程，成为热阱（heat heat sinksink）。夹点下是冷端，只有换热和冷却公）。夹点下是冷端，只有换热和冷却公用工程，成为热源（用工程，成为热源（heat sourceheat source）。确定）。确定Q QHminHmin和和Q QCminCmin如果有横过夹点的传热如果有横过夹点的传热a a，即夹点上热
36、物，即夹点上热物流与夹点下冷物流进行换热匹配，则造成夹流与夹点下冷物流进行换热匹配，则造成夹点上加热公用工程和夹点下冷却公用工程用点上加热公用工程和夹点下冷却公用工程用量均增加量均增加a a。35清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University图4-11 夹点的意义36清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n
37、 t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University夹点方法设计法则：夹点方法设计法则：不应有横过夹点的传热。不应有横过夹点的传热。夹点上不应设置冷却公用工程冷却器。夹点上不应设置冷却公用工程冷却器。夹点下不应设置加热公用工程加热器。夹点下不应设置加热公用工程加热器。37清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. En
38、g. Dept., Tsinghua UniversityQCminTmin夹点夹点4 4、图示、图示QHmin38清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University 图4-12 最小换热单元数的确定Umin=N-1式中 N-包括公用工程在内的物流总数目39清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r
39、f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University四、换热网络综合的目标四、换热网络综合的目标1 1、能量目标、能量目标： Q QHminHmin和和Q QCminCmin2 2、换热单元的目标、换热单元的目标：N Nminmin3 3、换热面积目标、换热面积目标理论最小面积理论最小面积夹点理论不能实现此目标夹点理论不能实现此目标首先需要确定最小传热温差首先需要确定最小传热温差40清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e
40、 r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University图4-13换热面积分区计算图 （4-4） （4-5）41清清 华华 大大 学学. .化化 工工 系系. .生生 态态 工工 业业 研研 究究 中中 心心C e n t e r f o r I n d u s t r i a l E c o l o g yChem. Eng. Dept., Tsinghua University五、最优夹点温差的确定五、最优夹点温差的确定1 1、经验给出、经验给出2 2、优化得出、优化得出 如何优化？如何优化？ 42
