一种现行换热器及所组成的换热网络能效评价方法与流程

本发明涉及工业企业换热网络能效评估领域，特别涉及一种现行换热器及所组成的换热网络能效评价方法。
背景技术：
：工业生产中换热器是发生能(热)量交换的主要设备，随着节能减排工作的深入开展，对换热器提出越来越高的要求，同时对换热器能效评价方法也提出了更高的要求。从前基于热力学第一定律的单体换热器能效指标评价方法，并没有从系统层级考虑换热网络能效水平，已经无法跟上形势。需要提出一种新的评价方法将热力学第一、二定律结合，即在能量平衡的基础上，强调换热网络中冷热能流的能量品位区别，从系统层级评判换热网络中有效能的损失。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是：提供一种现行换热器及所组成的换热网络能效评价方法，从系统整体考虑了换热网络中冷热能流的能量品位，仅需根据换热器冷热流体进出口温度，即可通过计算分析评价出单台换热器及其组成的换热网络两个层级的能效水平。本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种现行换热器及所组成的换热网络能效评价方法，包括如下步骤：步骤一、获得换热网络基本构成、冷热流体进出口温度、质量流量及定压比热容的基本信息；步骤二、使用效率和传热有效度评价单台换热器的能效水平；步骤三、判断换热网络属于夹点还是阈值问题，指出现行换热网络问题所在，计算现行换热网络潜在能效提升率。优选的，在步骤三中，使用夹点技术原理根据换热网络基本构成以及冷热流体的进出口温度、质量流量及定压比热容数据信息判断换热网络是否存在夹点，若存在夹点为夹点问题；若不存在夹点，为阀值问题。优选的，若为夹点问题，根据换热网络的数据确定夹点位置，将换热网络分为上下两部分，寻找夹点之上不应设置的冷却公用工程，夹点之下不应设置的加热公用工程以及跨越夹点的换热，取常用夹点温差，进一步分析得到理想换热网络所需最小公用工程量。优选的，若为阀值问题，加热公用工程的热端阀值问题换热网络视为至存在夹点之下部分，指出不应设置加热公用工程，并从换热网络的高温侧开始分配热量，保证较高温度下的冷物流能从热物料获取能量，以过程物流换热取代冷却过程，最终计算分析得到理想换热网络所需最小冷却公用工程；冷却公用工程的冷端阈值问题换热网络视为只存在夹点之上部分，同理指出不应设置冷却公用工程，最终计算分析得到理想换热网络所需最小加热公用工程量。优选的，判断夹点问题包括如下步骤：s1、分别将所有热流和所有冷流的进、出口温度从小到大排列；s2、将热流体的温度降低δtmin/2，冷流体的温度增加δtmin/2进而计算冷热流体的平均温度，其中，δtmin为指定的最小允许传热温差，th,i和tc,i分别为热流体和冷流体第i组的温度，和分别为热流体和冷流体第i组的平均温度；s3、将所有冷热流体的平均温度从小到大排列；根据平均温度从大到小划分多个温度区间；s4、计算各个温度区间内的亏缺热量δh：其中，δhj为第j温度区间的亏缺热量，cph,j为第j温度区间的热流体热容流率，cpc,j为第j温度区间的冷流体热容流率；s5、计算各温度区间的累计热q*：设第一温度区间的累计热输入则其输出的累计热为第j温度区间的累计热输入为第j温度区间的累计热输出为s6、计算各温度区间的热通量q：使各温度区间之间的热通量均大于零，从外界输入热量使原来的负值至少变为零，得到最小加热公用工程量设第b温度区间的输入热通量qin,b＝0kw，则其输出的热通量为第j温度区间的输入热通量为qin,j＝qout,j-1，第j温度区间的输出热通量为最后温度区间输出的热通量为最小冷却公用工程用量qmin；s7、确定夹点位置：在第b-1温度区间和第b温度区间的热通量均为零，此处为夹点。与现有技术相比，本发明的优点在于：基于此方法开发的换热网络能效检测装置，可降低夹点技术在节能推广工作中的技术门槛，使得非能源专业背景的检测人员可通过简单的温度数据采集等操作，具备初步判断企业现行换热网络能效水平高低的能力。若判断为能效水平低下，还可具体指出换热网络中制约整个系统能效的“瓶颈”(具体到某一台换热器)，给出换热网络可实现的最大节能潜力，为之后提出基于不同优化目标(能量、经济、co2排放目标等)的优化整改方案提供数据基础。附图说明图1现行换热网络图；图2冷热流体温区分布图；图3优化改造后换热网络图。具体实施方式下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。本实施例涉及一种现行换热器及所组成的换热网络能效评价方法。该能效评价方法操作流程结合现行换热网络图图1，具体实施步骤如下：步骤一、获得换热网络基本构成、冷热流体进出口温度、质量流量及定压比热容的基本信息；通过直接测量得到冷热流体进出口温度、质量流量以及定压比热容，然后在通过质量流量乘以定压比热容等于热容流率，计算出相应的热容流率。步骤二、使用效率和传热有效度评价单台换热器的能效水平；步骤三、判断换热网络属于夹点还是阈值问题，指出现行换热网络问题所在，计算现行换热网络潜在能效提升率。以下结合某化工厂某工艺流程的换热网络对本文提出的能效评价方法进行说明。表1为工艺过程中冷热物流的相关参数。该换热网络中的工艺物流共有5股，其中热物流两股包括：塔底液体、产物c，冷物流包括反应物a和反应混合物。通过夹点技术分析确定该换热网络的夹点位置以及最小加热公用工程量和最小冷却公用工程量。表1、各物流的相关参数分别从单台换热器及其组成的换热网络两个层级具体展开介绍该方法：第一层级，针对单台换热器而言，在步骤二中，将使用效率和传热有效度两种参数评价单台换热器的实际换热过程能效水平，具体评价结果如表2所示。传热有效度(换热器效率)只能从热力学第一定律说明它所能传递的热量的相对能力大小，显然无法独立作为单台换热器的能效水平评价标准。需要从能源合理利用的角度对其能效水平进一步评价，此处选择基于热力学第二定律得到的效率，可从能量品位高低评价换热过程的能效水平。结果表明图1所示的现行换热网络中塔底回流与反应物a进行热量交换的1#换热器的传热有效度及效率均处于较低水平。前者表明该换热器实际传热量与逆流情况下最大可能换热量相差较多，后者表明冷热流体在换热器中由于冷热流体传热或流动造成的损失较大，换热器整体处于较低的能效水平。表2、现行换热网络单台换热器的相关参数及能效评价指标其中，效率和传热有效度，这两个参数均可由冷热流体进出口温度计算得出，具体的计算方式如下。传热有效度:ε＝q/qmax＝δtmax/(t'1-t'2)，传热有效度反映了换热器本身在结构设计上的能效水平。其中，q为换热器实际传热量，qmax为逆流换热器的最大可能换热量，δtmax表示两流体的温度变化值中较大者(即小热容流率的流体)的温度变化值，t'1为热流体的进口温度，t'2为冷流体的进口温度。效率：其中，δe1、δe2分别表示热流体和冷流体的变化量；g1，g2分别表示热流体和冷流体的质量流量；cp1，cp2分别表示热流体和冷流体的定压比热容；t'1，t”1和t'2，t”2分别表示热流体和冷流体进出口的温度；t0表示环境温度。表2中的热负荷可以由流体进出口温差和定压比热容相乘得到。通过质量流量乘以定压比热容等于热容流率，计算得出相应的热容流率。第二层级，针对换热器所组成的换热网络而言，在步骤三中，应从系统全局考虑，以是否充分利用系统内部不同能量品位的冷/热能流作为能效水平评价标准。首先使用夹点技术原理根据换热网络基本构成以及冷热流体进出口温度、质量流量及定压比热容等数据信息判断该换热网络是否存在夹点。如存在，则判断为夹点问题。根据换热网络数据确定夹点位置，将换热网络分成上下两部分，寻找如夹点之上不应设置的冷却公用工程，夹点之下不应设置的加热公用工程以及跨越夹点的换热。取常用夹点温差，进一步分析得到理想换热网络所需最小公用工程量。这里计算分析主要是基于夹点技术原理开展的，这个寻找过程是不需要的，结果非常直观，如果存在一眼就能看到，不需要计算分析。后面的阈值问题也一样，并不需要寻找过程，有则有，无则无。如不存在夹点，则判断为阈值问题。其中，只需要加热公用工程的热端阈值问题换热网络可视为只存在夹点之下部分，指出不应设置加热公用工程，并从换热网络的高温侧开始分配热量，保证较高温度下的冷物流能从热物流获取热量，尽可能的以过程物流换热取代冷却过程，最终计算分析得到理想换热网络所需最小冷却公用工程量。而冷端阈值问题换热网络可视为只存在夹点之上的部分，同理需要指出不应设置的冷却公用工程，最终计算分析得到理想换热网络所需最小加热公用工程量。无论是夹点问题还是阈值问题，最终将理想换热网络所需与现行所需公用工程量比较得到潜在能效提升率，以此来评价换热网络整体能效水平。下面针对夹点问题进行具体的探讨。判断夹点问题包括如下步骤：s1、结合图1和表1的信息，分别将所有热流体和所有冷流体的进、出口温度从小到大排列，设热流体和冷流体各有k组数据；热流体(℃)206090130冷流体(℃)206070110s2、将热流体的温度降低δtmin/2，冷流体的温度增加δtmin/2进而计算冷热流体的平均温度，其中，δtmin为指定的最小允许传热温差，th,i和tc,i分别为热流体和冷流体第i组的温度，和分别为热流体和冷流体第i组的平均温度，i的取值为1≤i≤k；热流体(℃)17.557.587.5127.5冷流体(℃)22.562.572.5112.5s3、将所有冷热流体的平均温度从小到大排列；冷热流体：17.522.557.562.572.587.5112.5127.5根据平均温度从大到小划分多个温度区间；第1温区(℃)127.5112.5第2温区(℃)112.587.5第3温区(℃)87.572.5第4温区(℃)72.562.5第5温区(℃)62.557.5第6温区(℃)57.522.5第7温区(℃)22.517.5s4、结合冷热流体温区分布图图2，计算各个温度区间内的亏缺热量δh：其中，δhj为第j温度区间的亏缺热量cph,j，为第j温度区间的热流体热容流率，cpc,j为第j温度区间的冷流体热容流率，j的取值为1≤j≤2k-1；第一温区δh1＝-5.0(127.5-112.5)＝-75kw第二温区δh2＝(9.6-5)(112.5-87.5)＝115kw第三温区δh3＝12.75kw第四温区δh4＝-87.5kw第五温区δh5＝-31.25kw第六温区δh6＝-43.75kw第七温区δh7＝-18.75kws5、结合下面的表3，计算各温度区间的累计热q*：设第一温度区间的累计热输入则其输出的累计热为第j温度区间的累计热输入为第j温度区间的累计热输出为s6、结合下面的表3，计算各温度区间的热通量q：使各温度区间之间的热通量均大于零，从外界输入热量使原来的负值至少变为零，得到最小加热公用工程量根据表3可知其最小加热公用工程量为52.75kw。表3、各温区之间的热通量设第b温度区间的输入热通量qin,b＝0kw，则其输出的热通量为第j温度区间的输入热通量为qin,j＝qout,j-1，第j温度区间的输出热通量为最后温度区间输出的热通量为最小冷却公用工程用量qmin；根据表3可知其最小冷却公用工程量为181.25kw。s7、确定夹点位置：在第b-1温度区间和第b温度区间的热通量均为零，此处为夹点。结合表3分析，可知温区三和温区四之间热通量为零，此处就是夹点，即夹点在平均温度72.5℃(热流温度75℃，冷流温度70℃)处。根据换热网络中夹点位置。现行换热网络中存在问题：(1)换热器1和换热器2均存在跨越夹点的换热；(2)存在夹点之上不应设置的冷却公用工程。进一步分析得到理想换热网络所需最小公用工程量，与实际所需公用工程量比较评价换热网络整体能效水平，对比结果见表4。现行换热网络中实际公用工程用量分别为326kw加热量和456kw冷却量。根据总结出的问题进一步优化设计后的理想换热网络见图3，该理想换热网络的公用工程用量分别为53kw加热量和181kw冷却量，相较于现行换热网络潜在能效提升率分别为83.7％的60.3％。而优化后换热网络中单台换热器的相关参数及能效评价指标见表5，结果表明优化设计后的理想换热网络中用于冷热流体交换热量的四台换热器无论是传热有效度还是效率均处于较高水平。综上，本能效评价方法可以较为客观的从两个层级分别评价现行单台换热器及其组成的换热网络的能效水平。表4、现行换热网络与理想换热网络能效对比加热冷却实际公用工程用量(kw)326456理想公用工程用量(kw)53181理想节能量(kw)273275潜在能效提升率(％)83.760.3表5、优化后换热网络中单台换热器的相关参数及能效评价指标本发明的有益效果为：此方法不仅评价了单台换热器的能效水平，还从系统整体考虑了换热网络中冷热能流的能量品位，仅需根据换热器冷热流体进出口温度，即可通过计算分析评价出换热网络整体能效水平。上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。当前第1页12