基于最大熱回收下三廠間接熱集成的串并結(jié)合的連接方式

宋潤潤，王彧斐，馮霄

（1中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049）

基于最大熱回收下三廠間接熱集成的串并結(jié)合的連接方式

宋潤潤1，王彧斐1，馮霄2

（1中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049）

采用中間介質(zhì)的廠際熱集成可以有效地回收系統(tǒng)內(nèi)的余熱資源，大大降低能耗，而廠際間中間介質(zhì)循環(huán)的連接方式關(guān)系到最大熱回收潛力和投資成本的大小。本文在中間介質(zhì)循環(huán)串聯(lián)、分流和并聯(lián)3種基本的連接方式的基礎(chǔ)上，提出了串并結(jié)合的連接方式，并介紹了其廠際位移復(fù)合曲線和中間介質(zhì)線的形成。選取的案例表明：串并結(jié)合模式的最大熱回收潛力可以高于串聯(lián)和分流式，甚至可以與3種基本連接方式中熱回收潛力最大的并聯(lián)式相當(dāng)；中間介質(zhì)循環(huán)管線的成本隨廠際間距離的不同而變化，應(yīng)根據(jù)其距離特點(diǎn)選取合適的連接方式。

廠際熱集成；中間介質(zhì)；連接方式

對(duì)過程系統(tǒng)采用熱集成的方法，可以取得顯著的節(jié)能效果。隨著節(jié)能減排工作的不斷深入，所涉及的對(duì)象系統(tǒng)的邊界尺度在不斷擴(kuò)大。廠際熱集成可以有效地回收系統(tǒng)內(nèi)的余熱資源，大大降低能耗。但隨著參與熱集成的廠數(shù)的增加，不僅問題的復(fù)雜性增加，也呈現(xiàn)出一些亟待解決的科學(xué)問題。

由于廠際之間的距離通常比較遠(yuǎn)，直接使用工藝物流在廠際間進(jìn)行換熱的熱集成方式并不現(xiàn)實(shí)，因此考慮采用中間介質(zhì)進(jìn)行廠際間換熱的間接熱集成的方式。DHOLE和LINNHOFF[1]首先提出了廠際熱集成的概念，在他們的工作中，主要基于夾點(diǎn)技術(shù)提出了廠際熱源-熱阱圖，以確定可用來發(fā)生蒸汽的量。HU和AHMAD[2]進(jìn)一步發(fā)展了DHOLE和LINNHOFF的工作并考慮了多級(jí)蒸汽系統(tǒng)的應(yīng)用。KLEME?等[3]進(jìn)一步提出全局復(fù)合曲線（total site profiles，TSP）的方法，以此確定廠際的夾點(diǎn)，并且該方法可以用來同時(shí)優(yōu)化各廠的用能及公用工程系統(tǒng)。RODERA和BAGAJEWICZ[4]基于夾點(diǎn)技術(shù)中的熱級(jí)聯(lián)法，首次提出了“有助”和“無助”熱傳遞的概念，研究了通過打破熱源廠夾點(diǎn)之下或/和熱阱廠夾點(diǎn)之上的“口袋”獲得更大的廠際熱回收量的可能。BADE和BANDYOPADHYAY[5]研究了采用導(dǎo)熱油為中間介質(zhì)時(shí)，最小中間介質(zhì)流率的優(yōu)化方法。CHANG等[6]建立了一個(gè)混合整數(shù)非線性（mixed integer nonlinear programming，MINLP）模型用于求解采用熱水為中間介質(zhì)的兩廠熱集成。SONG等[7]研究了在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中提取比余熱/阱品位更高的物流，以增大廠際熱回收潛力的方法。但是，之上的研究都沒有考慮廠際間中間介質(zhì)具體的連接方式，而這實(shí)際上關(guān)系到廠際最大熱回收潛力和管線成本。

WANG等[8]首次提出了間接廠際熱集成中間介質(zhì)3種基本的連接方式，即并聯(lián)、分流和串聯(lián)式，具體研究了不同連接方式下熱回收和管線距離的不同。而實(shí)際上，中間介質(zhì)熱容流率和廠際間距離都會(huì)影響管線成本，因此，本文基于以上3種基本的廠際連接方式，提出了一種新型的串并結(jié)合的連接方式，并提出一個(gè)中間介質(zhì)管線費(fèi)用定性比較因子α，用于定性考量中間介質(zhì)的熱容流率CP和管線長度L兩個(gè)因素對(duì)管線費(fèi)用的影響。

1 廠際熱集成的3種基本的連接方式

根據(jù)WANG等[8]的研究，以“1熱源2熱阱”的情形為例，廠際間3種基本的連接方式如圖1所示，分別為并聯(lián)式、分流式和串聯(lián)式。

在這3種基本的連接方式中，采用并聯(lián)式相比于其他兩種方式總是能夠獲得最大的熱回收潛力，但同時(shí)所需的管線也最長；當(dāng)兩熱阱的冷物流溫位相近時(shí)，分流式將變得更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榇藭r(shí)采用該方式可以用較短的中間介質(zhì)管線獲得較大的熱回收潛力；當(dāng)兩熱阱的冷物流溫位相差較大時(shí)，串聯(lián)式則表現(xiàn)更優(yōu)，因?yàn)榇藭r(shí)采用該方式可以用最短的中間介質(zhì)管線獲得較大的熱回收潛力。

基于這3種基本的連接方式，可以組合出更多可行的連接方式，為廠際熱集成的實(shí)現(xiàn)提供更多的可行方案。對(duì)于三廠間接熱集成，本文提出了一種“串并結(jié)合”的連接方式。

圖1 間接廠際熱集成3種基本的連接方式

2 串并結(jié)合的連接方式

首先需要說明的是，對(duì)于三廠廠際熱集成，本文所有案例均采用的是“1熱源2熱阱”的情形，“2熱源1熱阱”的情形可以用同樣的方法推出。本文提出串并結(jié)合的連接方式，以為廠際間的熱集成提供更多的選擇。串并結(jié)合的方式有以下兩種情形，如圖2(a)和圖2(b)所示，分別定義為串并結(jié)合模式Ⅰ和串并結(jié)合模式Ⅱ。

圖2 串并結(jié)合的兩種方式

2.1 串并結(jié)合的連接方式的分解

對(duì)于圖2(a)中的情形，可以將熱阱廠C的冷物流分解為溫位高和溫位低的兩個(gè)區(qū)間，分別為sink1和sink2。那么按照?qǐng)D2(a)中的連接方式，一股中間介質(zhì)從熱源廠A吸收熱量以后，按照串聯(lián)的方式，依次將熱量再傳遞給熱阱廠B和sink2，另一股中間介質(zhì)從熱源廠A吸收熱量以后將熱量傳遞給sink1，然后這兩股釋放完熱量的中間介質(zhì)再合為一股回到熱源廠A，完成一次循環(huán)，這一過程如圖3(a)所示。因此，對(duì)與中間介質(zhì)來說，就有兩股中間介質(zhì)在熱源廠被加熱到兩個(gè)不同的溫度，在分別向熱阱廠釋放完熱量以后，又合為一股以一個(gè)較低的溫度回到熱源廠。因?yàn)樵跍仂蕡D（T-H圖）上，曲線的斜率等于物流熱容流率的倒數(shù)，因此該情形下，中間介質(zhì)曲線的形狀如圖3(b)所示。同樣，對(duì)于圖2b中的情形，連接方式的分解和中間介質(zhì)曲線在T-H圖上的形狀分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖3 串并結(jié)合模式Ⅰ的分解及其中間介質(zhì)曲線

圖4 串并結(jié)合模式Ⅱ的分解及其中間介質(zhì)曲線

2.2 中間介質(zhì)曲線的確定

對(duì)于采用中間介質(zhì)的間接廠際熱集成，中間介質(zhì)需要在熱源/阱廠間進(jìn)行兩次換熱，因?yàn)槊總€(gè)廠的最小傳熱溫差可能并不一致，因此首先采用SONG等[7]提出的廠際位移復(fù)合曲線（interplant shifted composite curves，ISCC），以將各熱源和熱阱的復(fù)合曲線繪制在同一T-H圖上。

采用一個(gè)簡單的案例進(jìn)行說明，熱源和熱阱的物流數(shù)據(jù)列于表1，熱源廠A、熱阱廠B和C的最小傳熱溫差分別為15℃、10℃和5℃。按照廠際位移復(fù)合曲線的作法，首先將A廠熱物流的進(jìn)出口的溫度減去15℃，B廠冷物流的進(jìn)出口溫度加上10℃，C廠冷物流的進(jìn)出口溫度加上5℃，再根據(jù)位移后的溫位將各廠冷熱物流分別復(fù)合繪制在同一T-H圖上即可，如圖5所示。這樣一來，冷熱復(fù)合曲線所夾的區(qū)域即為中間介質(zhì)的可行域，中間介質(zhì)曲線只要在此區(qū)域內(nèi)并且不跨越某一段復(fù)合曲線理論上都是可行的，并且中間介質(zhì)曲線的縱坐標(biāo)代表其真實(shí)的溫位。

表1 示范案例的物流數(shù)據(jù)

如果采用串并結(jié)模式Ⅰ的連接方式，首先，按照WANG等[8]提出的方法作出串聯(lián)模式下熱回收最大的中間介質(zhì)曲線。此時(shí)，熱阱廠C中溫度范圍從110.7℃到120℃的部分熱阱不能在串聯(lián)模式下被加熱，這部分即為sink1，C廠剩余部分即為sink2，如圖6所示。然后，串聯(lián)的部分可以和sink1按照?qǐng)D2(a)的連接方式進(jìn)行集成。作sink1部分的簡化曲線，即為第二條中間介質(zhì)循環(huán)，并取串聯(lián)部分中間介質(zhì)曲線125℃以下的部分與其作混合曲線，即表明這兩條中間介質(zhì)在向各自熱阱放完熱，混合后以同一個(gè)較低的溫度回到熱源廠，完成一次循環(huán)。需要注意的是，這一步兩條中間介質(zhì)曲線作的是混合曲線，這一段在T-H圖上表現(xiàn)為一段直線，而不是兩段式的復(fù)合曲線?；旌锨€與串聯(lián)部分剩余部分復(fù)合即形成串并結(jié)合模式Ⅰ的中間介質(zhì)曲線，左右平移使其與熱源位移復(fù)合曲線重新形成夾點(diǎn)，兩者重疊部分在橫軸上的投影長度即為串并結(jié)模式Ⅰ下最大的熱回收潛力，如圖7所示。類似的，可以作出串并結(jié)合模式Ⅱ下熱阱廠B的分解，如圖8所示。

圖5 示范案例的廠際位移復(fù)合曲線

圖6 串并結(jié)合模式Ⅰ下熱阱的分解

圖7 串并結(jié)合模式Ⅰ的中間介質(zhì)曲線及其最大熱回收

圖8 串并結(jié)合模式Ⅱ下熱阱的分解

2.3 廠際間新增管線費(fèi)用的定性分析

WANG等[8]在之前的研究中只考慮了不同連接方式下管線長度的不同，事實(shí)上，由于不同的連接方式下每條中間介質(zhì)管線的熱容流率也不盡相同，所以長度只是影響管線費(fèi)用的一個(gè)因素。假定管線的內(nèi)徑為D(m)，長度為L(m)，中間介質(zhì)的流量為(kg/s)，熱容流率為CP(W/℃)，管線每單位質(zhì)量的購置費(fèi)用為C($/kg)，為了簡化，只考慮管線的購置費(fèi)用，設(shè)為Costpipe($)，顯然，D∝1/2，CP∝，Costpipe∝C×D×L。因此，Costpipe∝CP1/2×L，將每一步連接的CP1/2×L值求和并將其定義為中間介質(zhì)管線費(fèi)用定性比較因子α，如式(1)所示。

α可定性分析出中間介質(zhì)的熱容流率CP和管線長度L兩個(gè)因素對(duì)其費(fèi)用的影響，α越大，說明管線費(fèi)用越多。

3 案例

采用WANG等[8]報(bào)道過案例數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，各熱源/阱廠的物流數(shù)據(jù)如表2所示。其中，三廠之間的距離LA-B、LA-C、LB-C分別為1.8km、2.0km、1.5km，A、B、C三廠的最小傳熱溫差分別為10℃、5℃和5℃。

表2 研究案例的物流數(shù)據(jù)

按照本文所提的兩種串并結(jié)合的連接方式，計(jì)算該案例數(shù)據(jù)，并將結(jié)果與WANG等[8]所報(bào)道的結(jié)果相比較，列于表3當(dāng)中。

分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)該案例，串并結(jié)合模式Ⅰ的熱回收大于串聯(lián)式和分流式，熱回收潛力與3種基本的連接方式中熱回收潛力最大的并聯(lián)式相當(dāng)；串并結(jié)合模式Ⅱ的熱回收只高于分流式，這是因?yàn)樵谠撃Ｊ较?，一股中間介質(zhì)在熱源廠A被加熱到一個(gè)較高的溫度后用于加熱熱阱廠B中溫位較低的sink2部分，造成了能量品位上的浪費(fèi)。在該案例中，串并結(jié)合模式Ⅰ的中間介質(zhì)管線成本高于并聯(lián)式，當(dāng)熱源廠與兩熱阱廠之間的距離較大，兩熱阱廠之間的距離相對(duì)較小時(shí)，串并結(jié)合模式Ⅰ的管線投資成本將低于并聯(lián)式；例如，當(dāng)三廠之間的距離LA-B、LA-C、LB-C由現(xiàn)有的1.8km、2.0km和1.5km改為2.8km、2.0km和1.0km時(shí)，并聯(lián)式和串并結(jié)合模式Ⅰ的中間介質(zhì)管線費(fèi)用定性比較因子α則分別變?yōu)?26.51和114.56，此時(shí)，并聯(lián)式的管線費(fèi)用高于串并結(jié)合模式Ⅰ。因此，在實(shí)際的案例中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況權(quán)衡熱回收和管線成本以選擇廠際熱集成的實(shí)現(xiàn)方式。

表3 計(jì)算結(jié)果比較

4 結(jié)論

對(duì)于采用中間介質(zhì)的三廠熱集成，本文基于3種基本的中間介質(zhì)循環(huán)連接方式，提出了串并結(jié)合的連接方式，并介紹了其廠際位移復(fù)合曲線和中間介質(zhì)線的形成。提出了一個(gè)中間介質(zhì)管線費(fèi)用定性比較因子α，其基于熱容流率CP和管線長度L兩個(gè)因素定性考量中間介質(zhì)的管線費(fèi)用。案例研究表明：在一定的情況下，串并結(jié)合模式的最大熱回收潛力高于串聯(lián)和分流式，其熱回收潛力可以與3種基本連接方式中熱回收潛力最大的并聯(lián)式相當(dāng)；兩者中間介質(zhì)循環(huán)管線的成本隨廠際間距離的不同而變化，當(dāng)并聯(lián)式中兩連接的距離相對(duì)較大時(shí)，串并結(jié)合模式的成本更低。

符號(hào)說明

C—— 管線每單位重量的購置費(fèi)用，$/kg

Costpipe—— 管線費(fèi)用，$

CP—— 熱容流率，kW/℃

D—— 管線內(nèi)徑，m

ISCC——廠際位移復(fù)合曲線

L——管線長度或廠際間距離，km

MINLP——混合整數(shù)非線性模型

Q——熱負(fù)荷，kW

TSP——全局復(fù)合曲線

Ts——起始溫度，℃

Tt——終止溫度，℃

α——中間介質(zhì)管線費(fèi)用定性比較因子

[1]DHOLE V R，LINNHOFF B. Total site targets for fuel，co-generation，emissions，and cooling[J]. Computers & Chemical Engineering，1993，17（s1）：S101-S109.

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[3]KLEME? J，DHOLE V R，RAISSI K，et al. Targeting and design methodology for reduction of fuel，power and CO2on total sites[J]. Applied Thermal Engineering，1997，17（8/9/10）：993-1003.

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A serial-parallel combined connection pattern for indirect heat integration among three plants based on maximum heat recovery

SONG Runrun1，WANG Yufei1，F(xiàn)ENG Xiao2
（1State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China；
2School of Chemical Engineering and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）

More opportunity to utilize the waste heat in several plants can be brought by indirect interplant heat integration through an intermediate medium. The connection patterns of intermediate medium circles concern the maximum heat recovery potential and investment costs. The three basic connection patterns of intermediate medium circles are serial，split，and parallel，respectively. Based on these patterns，a serial-parallel combined connection pattern was presented in this paper. Furthermore，the interplant shifted composite curves and intermediate medium curves of this pattern were also illustrated. Results of a case study showed that，the serial-parallel combined connection pattern can recover more heat than the serial and spilt patterns. Its maximum heat recovery potential even approaches to that of the parallel pattern，which can always recover the most heat among the three basic connection patterns. The pipe costs of intermediate medium circles vary with the distances between plants. A proper connection pattern should be selected according to the characteristics of distances between plants.

interplant heat integration；intermediate medium；connection pattern

TQ021.8

A

1000–6613（2017）04–1529–05

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.049

2016-09-05；修改稿日期：2016-09-18。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2012CB720500）及國家自然科學(xué)基金（21476256）項(xiàng)目。

宋潤潤（1989—），男，博士研究生，研究方向?yàn)槎鄰S熱集成。E-mail：songrunrun@gmail.com。聯(lián)系人：馮霄，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榛は到y(tǒng)工程。E-mail：xfeng@cup.edu.cn。