Aspen Energy Analyzer换热网络设计学习资料PPT学习教案

会计学1Aspen Energy Analyzer换热网络设计换热网络设计学习资料学习资料光盘5-Aspen Energy Analyzer第1页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer夹点技术夹点技术（Pinch technology）是以热力学）是以热力学为基础，以最小能耗为主要目标的换热网络综合为基础，以最小能耗为主要目标的换热网络综合方法。方法。1978年，年，Linnhoff等提出了换热网络的夹点等提出了换热网络的夹点问题，指出夹点限制了换热网络可能达到的最大问题，指出夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收。热回收。1983年，年，Linnhoff比较系统的提出了用于比较系统的提出了用于换热网络综合的夹点技术，并推广应用于整个过换热网络综合的夹点技术，并推广应用于整个过程的能量分析与调优。程的能量分析与调优。第2页/共62页1.1 基本概念和术语基本概念和术语1. 基本概念：基本概念： 夹点、冷物流、热物流、热容流率夹点、冷物流、热物流、热容流率2. 温焓图温焓图3. 复合曲线复合曲线4. 总复合曲线总复合曲线光盘5-Aspen Energy Analyzer第3页/共62页夹点夹点根据热能回收的观点，在换热网络中根据热能回收的观点，在换热网络中存在某一特定温度，如果热能传递通过这一温存在某一特定温度，如果热能传递通过这一温度将造成能源浪费，这一特定温度则称夹点。度将造成能源浪费，这一特定温度则称夹点。冷物流冷物流初始温度较低且需要加热的物流。初始温度较低且需要加热的物流。热物流热物流初始温度较高且需要冷却的物流。初始温度较高且需要冷却的物流。热容流率热容流率工艺物流单位时间内每变化工艺物流单位时间内每变化1K所所发生的焓变，物流质量流率与比热容的乘积。发生的焓变，物流质量流率与比热容的乘积。1. 基本概念基本概念光盘5-Aspen Energy Analyzer第4页/共62页工艺物流在温焓图上的表示工艺物流在温焓图上的表示BAH光盘5-Aspen Energy Analyzer第5页/共62页冷、热物流在同一温焓图上的表示冷、热物流在同一温焓图上的表示光盘5-Aspen Energy Analyzer第6页/共62页构造复合曲线的方法：构造复合曲线的方法：（1）首先把热过程物流分别标绘在）首先把热过程物流分别标绘在T-H图上；图上；（2）然后分割成若干个温度区间；）然后分割成若干个温度区间；（3）在每个温度区间内把物流的热负荷累加起来）在每个温度区间内把物流的热负荷累加起来， 用一个虚拟物流代表；用一个虚拟物流代表；（4）将各温度区间的虚拟物流首尾相接。）将各温度区间的虚拟物流首尾相接。光盘5-Aspen Energy Analyzer第7页/共62页H1H2T0H复合曲线图构造图解复合曲线图构造图解光盘5-Aspen Energy Analyzer第8页/共62页HT0总复合曲线图总复合曲线图光盘5-Aspen Energy Analyzer第9页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer第10页/共62页hcHTHcHh过程的能量没有回收，过程的能量没有回收，全部用公用工程来进行冷却和加热。全部用公用工程来进行冷却和加热。过程的能量有部分回过程的能量有部分回收收Hr，回收热量的程度由最小接近温差决定，其余部分用，回收热量的程度由最小接近温差决定，其余部分用公用工程来进行冷却和加热。公用工程来进行冷却和加热。Hr最小最小接近接近温差温差此时回收的热量最大，公用此时回收的热量最大，公用工程用量最小，但重合点的传热温差为零，所需的传热面工程用量最小，但重合点的传热温差为零，所需的传热面积为无限大。积为无限大。光盘5-Aspen Energy Analyzer第11页/共62页hcT夹夹点点重合部分重合部分过程内部垂直换热，为节约能源。过程内部垂直换热，为节约能源。HhHcHh热公用工程用量热公用工程用量Hc冷公用工程用量冷公用工程用量夹点下方夹点下方-热热源源夹点上方夹点上方-热阱热阱光盘5-Aspen Energy Analyzer第12页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer第13页/共62页问题表格法求解步骤：问题表格法求解步骤：光盘5-Aspen Energy Analyzer第14页/共62页问题表格法求解步骤：问题表格法求解步骤：物流温度之差均可。光盘5-Aspen Energy Analyzer第15页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer问题表格法求解步骤：问题表格法求解步骤：第16页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer第17页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer第18页/共62页集成问题。光盘5-Aspen Energy Analyzer第19页/共62页换热网络合成换热网络合成就是确定出这样的流就是确定出这样的流程，使它具有最小的冷换设备（换热器、程，使它具有最小的冷换设备（换热器、加热器和冷却器）投资费用和操作费用，加热器和冷却器）投资费用和操作费用，并将每一个过程物流由初始温度达到指定并将每一个过程物流由初始温度达到指定的目标温度。除此之外，换热网络还要求的目标温度。除此之外，换热网络还要求具备较好的灵活性、操作性和可控性。具备较好的灵活性、操作性和可控性。光盘5-Aspen Energy Analyzer 2 夹点技术与换热网络夹点技术与换热网络第20页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer第21页/共62页U 换热单元数，包括换热器、加热器和冷凝器；换热单元数，包括换热器、加热器和冷凝器；N 冷热物流总数，包括公用工程物流，不包括冷热物流总数，包括公用工程物流，不包括物物 流分支数目；流分支数目；L 独立的热负荷回路数；独立的热负荷回路数；S 该系统内分离为独立的子系统数。该系统内分离为独立的子系统数。minUNL S光盘5-Aspen Energy Analyzer第22页/共62页 一般情况，当系统中不能分离出独立的子一般情况，当系统中不能分离出独立的子系统时，即系统时，即S=1。若使。若使U达到最小，必定使达到最小，必定使L=0，即把换热网络中所有的热负荷回路断，即把换热网络中所有的热负荷回路断开，则开，则minU1N光盘5-Aspen Energy Analyzer1. 换热单元数目目标换热单元数目目标第23页/共62页1jjlmijqAiThjjjilmihqTA12. 最小传热面积目标最小传热面积目标换热面积分区计算图换热面积分区计算图光盘5-Aspen Energy Analyzer第24页/共62页年操作费用年操作费用+设备投资费用设备投资费用=年总费用年总费用年操作费用：年操作费用：公用工程费用公用工程费用+人工操作费用人工操作费用设备投资费用：设备投资费用：设备投资费用设备投资费用+管道安装管道安装+折旧率等折旧率等光盘5-Aspen Energy Analyzer第25页/共62页n在网络的设计中在网络的设计中, Tmin的取的取值对能量的回收和系统的投资运值对能量的回收和系统的投资运行费用有直接影响。行费用有直接影响。nTmin取值较小取值较小,系统回收热系统回收热量多量多,冷、热公用工程费用小冷、热公用工程费用小, 但但换热面较大换热面较大,系统造价高系统造价高;nTmin取值较大取值较大,系统回收热系统回收热量小量小,冷、热公用工程的费用大冷、热公用工程的费用大, 但换热面积小但换热面积小,系统设备投资小。系统设备投资小。最小传热温差对费用的影响最小传热温差对费用的影响换热网络中存在换热网络中存在最优的夹点温差最优的夹点温差光盘5-Aspen Energy Analyzer第26页/共62页（1）避免有热流量通过夹点换热；）避免有热流量通过夹点换热；（2）夹点上方应该避免使用公用工程冷却物流；）夹点上方应该避免使用公用工程冷却物流；（3）夹点下方应该避免使用热公用工程加热物流）夹点下方应该避免使用热公用工程加热物流。光盘5-Aspen Energy Analyzer第27页/共62页可行性规则可行性规则1 对于靠近夹点处的夹点上方，热工艺物流（包括其对于靠近夹点处的夹点上方，热工艺物流（包括其分支物流）数目分支物流）数目NH不大于冷工艺物流（包括其分支物不大于冷工艺物流（包括其分支物流）数目流）数目NC，即，即NH NC 对于靠近夹点处的夹点下方，热工艺物流（包括其对于靠近夹点处的夹点下方，热工艺物流（包括其分支物流）数目分支物流）数目NH不小于冷工艺物流（包括其分支物不小于冷工艺物流（包括其分支物流）数目流）数目NC，即，即NH NC 光盘5-Aspen Energy Analyzer第28页/共62页可行性规则可行性规则2 对于靠近夹点处的夹点上方，每一夹点匹配中对于靠近夹点处的夹点上方，每一夹点匹配中的热物流的热容流率的热物流的热容流率MCph不大于冷物流的热容不大于冷物流的热容流率流率MCpc ，即，即MCphMCpc 对于靠近夹点处的夹点下方，每一夹点匹配中对于靠近夹点处的夹点下方，每一夹点匹配中的热物流的热容流率的热物流的热容流率MCph不小于冷物流的热容不小于冷物流的热容流率流率MCpc ，即，即MCphMCpc光盘5-Aspen Energy Analyzer第29页/共62页3. 经验规则经验规则经验规则经验规则1-所需换热单元数目最小所需换热单元数目最小 选择每个换热匹配的热负荷等于该匹配的冷、选择每个换热匹配的热负荷等于该匹配的冷、热物流中热负荷较小者，使之一次匹配可使一个热物流中热负荷较小者，使之一次匹配可使一个物流（即热负荷较小者）由初始温度达到终了温物流（即热负荷较小者）由初始温度达到终了温度。度。经验规则经验规则2-传热温差最大传热温差最大 在考虑经验规则在考虑经验规则1的前提下，如有可能，应尽量的前提下，如有可能，应尽量选择热容流率值相近的冷、热物流进行匹配换热。选择热容流率值相近的冷、热物流进行匹配换热。光盘5-Aspen Energy Analyzer第30页/共62页1.将换热网络从夹点处分隔成两部分，即热端将换热网络从夹点处分隔成两部分，即热端-夹点上方和冷端夹点上方和冷端夹点下方，分别进行匹配处理；夹点下方，分别进行匹配处理；2.对于与夹点相邻的子网络，按照夹点匹配的可对于与夹点相邻的子网络，按照夹点匹配的可行性规则考虑冷、热物流的匹配换热，根据情况决行性规则考虑冷、热物流的匹配换热，根据情况决定物流是否需要分支；定物流是否需要分支；3.离开夹点后离开夹点后,确定物流匹配换热的自由度较大，确定物流匹配换热的自由度较大，工程师可以考虑系统操作性、弹性及具体工程项目工程师可以考虑系统操作性、弹性及具体工程项目的有关要求等；的有关要求等；4.将热端和冷端的匹配结果合并起来，作为初步将热端和冷端的匹配结果合并起来，作为初步的换热网络设计结果。的换热网络设计结果。2.3 夹点设计法的步骤夹点设计法的步骤光盘5-Aspen Energy Analyzer第31页/共62页3 Aspen Energy AnalyzerAspen Energy Analyzer（能量分析器）（能量分析器）是是AspenTech公司旗下的产品，是进行换热网公司旗下的产品，是进行换热网络优化设计的一个功能强大的概念设计包，络优化设计的一个功能强大的概念设计包，提供了夹点分析和换热网络优化设计的环境提供了夹点分析和换热网络优化设计的环境，是，是Aspen在工程应用上的一个重要工具。在工程应用上的一个重要工具。光盘5-Aspen Energy Analyzer第32页/共62页n计算能量和设备投资目标计算能量和设备投资目标n进一步改善能量热集成项目，从而进一步改善能量热集成项目，从而减少操作费用、设备投资费用并使能量利减少操作费用、设备投资费用并使能量利用最大化用最大化n提供过程能量优化的工具提供过程能量优化的工具n提供图表结合使用的方法提供图表结合使用的方法3.1 Aspen Energy Analyzer的功能的功能光盘5-Aspen Energy Analyzer第33页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer第34页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer第35页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer第36页/共62页工工具具介介绍绍从从Hysys流程中导入数据流程中导入数据从从Aspen流程中导入数据流程中导入数据从从Excel中导入数据中导入数据打开目标查看窗口打开目标查看窗口打开复合曲线窗口打开复合曲线窗口打开总复合曲线窗口打开总复合曲线窗口打开公用工程复合曲线窗口打开公用工程复合曲线窗口打开换热网络网格图窗口打开换热网络网格图窗口光盘5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer简介简介第37页/共62页夹点温度夹点温度能量目标能量目标所需换热设备数所需换热设备数光盘5-Aspen Energy Analyzer第38页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer第39页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer第40页/共62页光盘5-Aspen Energy Analyzer绘制换热网络网格图绘制换热网络网格图设计工具设计工具添加换热器添加换热器冷公用工程冷公用工程热公用工程热公用工程工艺物流工艺物流第41页/共62页热流热流冷流冷流热流入口温度设定热流入口温度设定热流出口温度设定热流出口温度设定冷流出口温度设定冷流出口温度设定冷流入口温度设定冷流入口温度设定换热器热负荷换热器热负荷换热器面积换热器面积换热器参数设定窗口换热器参数设定窗口光盘5-Aspen Energy Analyzer第42页/共62页换热网络网格图换热网络网格图光盘5-Aspen Energy Analyzer第43页/共62页自动设计换热网络自动设计换热网络首先将首先将Case文件转换为文件转换为Project文件文件光盘5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer简介简介第44页/共62页HI Project光盘5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer简介简介第45页/共62页右击右击Case1选择选择Recommended Designs光盘5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer简介简介第46页/共62页Recommend Designs参数设置窗口参数设置窗口 设置每股物流的最大分离数和最大设计方案数设置每股物流的最大分离数和最大设计方案数光盘5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer简介简介第47页/共62页自动设计方案窗口自动设计方案窗口优优化化工工具具光盘5-Aspen Energy Analyzer3.2 Aspen Energy Analyzer简介简介第48页/共62页各方案比较各方案比较 可比较总费用、换热器面积、换热单元数、设备投资费可比较总费用、换热器面积、换热单元数、设备投资费用、冷热公用工程费用、操作费用，还可查看各参数目标值。用、冷热公用工程费用、操作费用，还可查看各参数目标值。如果以年度总费用最小为目标，则选择如果以年度总费用最小为目标，则选择A_Design2方案。方案。光盘5-Aspen Energy Analyzer第49页/共62页改造模式（改造模式（Retrofit） 对换热方案进一步优化对换热方案进一步优化改造工具改造工具光盘5-Aspen Energy Analyzer第50页/共62页物流热容流率,kW/初始温度,目标温度,热负荷,kWH12.015060180.0H28.09060240.0C12.520125262.5C23.025100225.0光盘5-Aspen Energy Analyzer第51页/共62页1.输入工艺流股数据输入工艺流股数据光盘5-Aspen Energy Analyzer第52页/共62页2.选择公用工程选择公用工程光盘5-Aspen Energy Analyzer第53页/共62页3.设定设定Tmin=20，得到夹点位置，得到夹点位置夹点处热物流的温度为夹点处热物流的温度为90，冷物流的温度为，冷物流的温度为70光盘5-Aspen Energy Analyzer第54页/共62页4. 按夹点技术设计换热网络按夹点技术设计换热网络手动设计方案手动设计方案热端（夹点上方）的设计热端（夹点上方）的设计H1HC1C2夹点夹点夹点上方夹点上方H1150907012510070CPQ2.02.53.0120137.590.0经验规则经验规则1 一次换热处理完一股物流一次换热处理完一股物流经验规则经验规则2 匹配物流热容流率应相近匹配物流热容流率应相近118CPH CPCNH NC光盘5-Aspen Energy Analyzer第55页/共62页冷端（夹点下方）的设计冷端（夹点下方）的设计3CCPH CPCNH NC2180夹点夹点H2C1C2夹点下方夹点下方H1CPQ2.08.02.53.0602401251356060202590907070283.54.5将冷、热两端设计方案合并即为总的换热网将冷、热两端设计方案合并即为总的换热网络络光盘5-Aspen Energy Analyzer4. 按夹点技术设计换热网络按夹点技术设计换热网络手动设计方案手动设计方案第56页/共62页5. 自动设计换热网络自动设计换热网络将将Case文件转换为文件转换为Project文件文件光盘5-Aspen Energy Analyzer第57页/共62页设置自动设计方案参数设置自动设计方案参数光盘5-Aspen Energy Analyzer5. 自动设计换热网络自动设计换热网络第58页/共62页三个自动设计方案，一个手动设计方案三个自动设计方案，一个手动设计方案光盘5-Aspen Energy Analyzer第59页/共62页n如果以年度总费用最小为目标，则选择如果以年度总费用最小为目标，则选择Design1方案，即手动设计方案为初步设计的方案，即手动设计方案为初步设计的换热网络。换热网络。n将将Design1方案设置为改造模式，可进方案设置为改造模式，可进一步优化换热网络。一步优化换热网络。光盘5-Aspen Energy Analyzer第60页/共62页1 李志强原油蒸馏工艺与工程李志强原油蒸馏工艺与工程M北京：中国石化出版北京：中国石化出版社，社，20102 刘巍，邓方义冷换设备工艺计算手册刘巍，邓方义冷换设备工艺计算手册M 北京：中北京：中国石化出版社，国石化出版社，2003光盘5-Aspen Energy Analyzer参考文献参考文献第61页/共62页