蒸汽动力系统优化综合与换热网络中的热功集成

蒸汽动力系统优化综合与换热网络中的热功集成讲义内容公用工程的选择换热网络中的热功集成热功集成的热负荷和温位限制

过程系统中的冷、热流体通过换热网络回收热量后，仍需要蒸汽动力系统提供加热和冷却公用工程。此外，任何企业的生产还需要动力，因此许多都有自己的自备电站。此时，如何使动力的发生与热能的供应结合起来，而最有效地利用燃料，就是蒸汽动力系统优化综合的内容。另外，有时企业中还有热泵装置，如何正确布置热泵从而获取节能和经济效益，也是蒸汽动力系统优化综合的内容。

现代化大型生产企业合理用能的特点之一就是生产工艺系统与公用工程系统有机结合，在能量的合理利用和有效利用方面有较好的匹配关系，即所谓的能量集成。图6-33（a）为一典型热功集成系统，生产工艺过程本身需要外界输入热量QH和功量W，同时向冷却塔排放热量Qc。为满足生产过程的动力需求，热机从高温热公用工程吸收热量Q，向低温热公用工程排放热量（Q-W）。

如果热机所排放的热量具有足够的温位来代替生产过程的部分用热，则可将两者集成为图6-33（b）所示的系统。这不仅减少外界供热量和向外界的排热量，而且使系统所承受的热负荷减少，即设备投资费用降低。因此，能量集成往往具有节能和节省投资费用的双重功效。一、公用工程的选择

在前面的讨论中，是假定只有一种热公用工程，其温位足够高，可以完成所要求的加热负荷；只有一种冷公用工程，其温位足够低，可以完成所要求的冷却负荷。但在实际同时使用几种不同温位的公用工程可能更为合理。例如，热源可以是几种不同压力等级的加热蒸汽，也可以是锅炉或工业炉烟气或燃气轮机排气。用总复合曲线和热级联图来讨论多个公用工程的选择和限制条件是很直观和方便的。

总复合曲线仍采用T-H坐标。但前面讲过的热（冷）复合曲线使全部热（冷）流股加合的温-焓关系，而总复合曲线使不同温度下冷复合曲线减去热负荷曲线的焓差，这里的温度是中间温度Ti，对于热流股取T-△Tmin/2，对于冷流股取T+△Tmin/2。

以图6-7的冷热复合曲线为例，做出总复合曲线如图6-34所示。总复合曲线上的点表示当公用工程耗量最低时，不同温度下从高温位传向低温位的热量。在夹点处传热量为0，在其他温度下传热量均为正值。

图6-34的最高点1（Ti=1550C）的焓值为50。是热公用工程最低耗量QH,min；最低点6的焓值为60，是冷公用工程最低耗量Qc,min；从点1到点2的子网络，焓值由50增加到80，表明该子网络换热后还盈余30单位的热量，可送到下一个子网络；子网络2-3，焓值由80增加到82.5，即盈余2.5单位；子网络3-4焓值由82.5减小到0，即该范围内的热量亏损为82.5。由于前两个子网络已经盈余30+2.5单位热量，因此只需热公用工程量82.5-32.5=50，即为点1的焓值。为了充分利用系统内部换热，应当用上一个子网络的热量盈余来弥补下一个子网络的热量亏损。

因而，图中1-2-3的热量可以传递给

3-1‘范围。这种热能传递是可行的，传热温差大于△Tmin。真正需要热公用工程的范围是1’-4,若考虑传热温差的影响，公用工程热源的温度不低于128.30C即可，而不必要求高于冷流股的最高温度。

夹点以下的子网络采用同样的处理方法，如图6-34中5-6段所需热量由6‘-5段提供，冷公用工程的温度只要不高于6’点即可。如果按图所示的温位条件引入热公用工程和冷公用供工程，则没有热量在点1‘和6’的上下区间流过，即出现了新的夹点。这两个夹点称为公用工程夹点。公用工程夹点决定了可供选择的较低温度的热源或较高温位的冷源的最大用量。

在实际中有时要采用多种公用工程或变位公用工程，他们的选择必须满足一定的极限条件。图6-35（a）表示一个系统的冷、热复合曲线。图(b)是其总复合曲线。

由于温位高的加热蒸汽价格要比温位低的高，而温位低的冷却介质要比冷却水贵得多，所以，在实际工程中应合理采用不同温位的公用工程。总复合曲线是分析多级公用工程配置的重要工具。

加热公用工程的选择在夹点上方，为了减少加热公用工程的费用，根据总复合曲线应选择尽量接近净热阱的加热公用工程级别。这种分段加热的处理，实际上就是用温位较低的蒸汽加热夹点上方温位较低的物流。注意：虽然公用工程级别越多，高温位的加热公用工程用量越少，从而运行费用越少，但是这样却增加了换热网络的复杂性，所以要结合工程实际全面考虑。另外，给定公用工程温位后，各级加热公用工程用量也可由总复合曲线求出。

图（c）是把加热蒸汽也纳入复合曲线之内的热、冷复合曲线图。

图(d)是图（c）对应的总复合曲线。它清楚的表明出现了新的公用工程夹点。原夹点d以上部分分解为3个相互独立的绝热子系统ac,cb,bd。

对于变温的加热公用工程，如热油加热、烟道气加热等，则存在入口温度、出口温度和流量的选择。一般说来，在工艺条件允许的情况下，进口温度应尽可能高；在入口温度一定时，加热公用工程流量越大，操作费用越大，但是其出口温度越高，传热温差越大，传热面积越小，投资费用越小，因此，存在一个权衡投资费用和操作费用的问题。

图6-35（e）是以变温公用工程作为热介质的总复合曲线图。为满足传热要求，烟道气的任何一点均不得低于总复合曲线。最低温度限的烟道气的T-H曲线如图中的ecd所示。

若把烟道气也作为热流股作出新的热复合曲线，如图6-35（f）中的ecfd曲线，图中虚线表示复合线的制作过程。

图6-35（g）为包含烟道气在内的总复合曲线。可见在c点和d点出现了两个公用工程夹点。

实际上，这种情况可能不现实，因为烟道气的T-H曲线由夹点d和c的位置决定了其斜率（即烟道气的流率），夹点以下的烟道气未被利用，烟道气始温e点也是由外推法得到的，未必可行。

燃气轮机是另一种常见的热机，燃气透平循环排气与过程热阱的匹配关系。

如果燃气轮机排气温度低，则燃气轮机作功效率高，但排出的热量较少；排气温度高，则燃气轮机作功效率低，但排出的热量较多。因此，燃气轮机的排气温度选择，要综合考虑燃气作功的效率和排气加热的效益。冷却公用工程的选择在夹点下方，为了减少操作费用，应选择尽可能高的冷却公用工程，以减少低温冷量的使用。另外，如果净热源的温位足够高，应考虑用来产生蒸汽，以创造经济效益。发生蒸汽的级别和流量可以根据总复合曲线分析确定。二、换热网络中的热功集成

公用工程系统不仅向工艺系统和换热网络系统提供热量和冷量，有时还通过热机提供动力，因此公用工程系统与生产工艺系统和换热网络系统的能量集成是需要认真考虑的，运用夹点技术实现热机和热泵与换热网络系统的热功集成方法是十分重要的。1.热机系统的集成

在过程系统中，热机有三种可能的设置方式：（1）在夹点上方（2）跨越夹点（3）在夹点下方热机系统集成的几种情况

图6-36（a）所表示的热机系统，输入和输出的热量分别为Q1和Q2，功为W。Q1来自热公用工程；而Q2由于温位低于夹点，排入夹点以下的工艺子系统。显然，这种集成并不能节能，热公用工程消耗是(QH,min+Q1)，冷公用工程消耗是(Qc,min+Q2)，与两个独立子系统无异。

图6-36（b）表示热机从夹点以上的工艺系统吸收余热Q1，而Q2仍排入夹点以下的工艺子系统，这种热功集成同样也不能节能。事实上，这两种方式都违背了夹点设计的最低能耗原则，有热量通过夹点，没有收到热功集成的结果。

（a）（b）两种情况的热机跨越了夹点，即吸热在夹点上方，排热在夹点下方。这样使得加热和冷却公用工程用量均增加了相应热机做功的数值，可见，此种设置作功消耗的热量与单独放置的热机将排热直接排给冷源的效果一样，不能改善能量利用率。真正能够达到节能目的的热功联产系统与生产工艺系统的能量集成方式是图6-36（c）和（d）。

图（c）表示热机设置在夹点上方，热机从热源吸收热量Q1，向外做功W，排放热量Q2到夹点上方。从热功转换效率来看，多耗的热公用工程量等于W，且100%转变为功。因此这种转换是合理有效的，比单独使用热机的效率高得多。图（d）表示热机回收夹点下方的剩余热量，使冷公用工程的减少量是W，可以认为热能转变为功的效率也是100%。热机设置在夹点下方，为余热发电的情形，这时对夹点上方的加热公用工程没有影响，而在夹点下方，不单额外获得了功，还减少了冷却公用工程用量，大大提高了能源利用率。结论

热机的设置原则，不能穿越夹点。夹点上方热机与过程的匹配夹点上方设置热机，就是热电联产，过程所需的全部或部分热量，要由热机提供。热机的设计或选型，要以总复合曲线为依据。热机与过程的匹配原则：热机的抽汽或背压蒸汽的放热线与过程总复合曲线的热阱部分尽可能吻合，且尽可能用温位较低的蒸汽加热，这样使蒸汽在抽出前尽可能地多作功。夹点下方热机与过程的匹配夹点下方设置的热机，就是余热的动力回收。根据总复合曲线来确定工作介质以及发生蒸汽的温度和蒸汽量。在考虑余热动力回收时，由于余热回收率和热机热效率往往变化趋势相反，因此希望热机发生的总功最大。2.热泵系统的集成

热泵（或制冷）是热机的逆向循环系统，它利用机械能W使热能的温位提高，即从低温热源吸收热量Q1向高温热汇排出热量Q2=Q1+W。由于工厂存在着大量的低温余热，因此恰当的采用热泵（制冷）系统实现供热（或制冷）可以达到节能的目的。热泵的设置也有三种可能的设置方式：（1）在夹点上方（2）跨越夹点（3）在夹点下方

利用夹点技术同样可以分析热泵系统与生产工艺系统的能量集成是否适宜。图6-37是热泵相对于夹点的3种设计方式。图（a）用机械能W代替同等数量的热公用工程；图(b)使消耗的机械能W转变为同等数量的废热而被冷公用工程带走。这两种情况等效于单纯的对热端或冷端网络的“电加热”装置，是不适宜的装置。图（c）为热泵跨越夹点的设置，把夹点下方的废热Q1连同输入的功W一起作为供热量打到夹点上方，从而使热、冷公用工程负荷分别减小了Q2和Q1。因此，这种热泵跨越夹点的设置方式是有效的能量集成。（a）表示了热泵的第一种可能的设置方式，即其吸热和放热均在夹点上方。此时热泵只是将一部分加热公用工程的热量用外加功代替了，这显然是一种浪费，更不用说还得给热泵装置投资了。（b）热泵设置在夹点下方，把外加功全部转化成了排向冷却公用工程的废热，不但没有节省能量，反而浪费了外加功，并增加了冷却公用工程负荷，造成能量的浪费极大，更不可取。（c）表示热泵跨越夹点的设置方式，这样，热泵从夹点下方吸热，使得冷却公用工程负荷减少，热泵向夹点上方排热，使得加热公用工程减少，因此节省了能量。结论：热泵设置的原则：跨越夹点3.生产工艺系统的能量集成

上述原则还可以分析更复杂系统的能量集成。设有一独立的蒸发-冷凝系统，所需热量和排出热量相等，但温位不同。将此装置安排在一个换热网络中，利用热工艺流股的热量代替加热蒸汽，并用冷工艺流股的热量代替冷却水。这样的设置并非总是节