基于_分析的换热网络和热经济优化_原海峰.pdf

节能技术与应用51NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION基于分析的换热网络和热经济优化原海峰1 张文景2 闫逢吉1 吕伟良1 焦传宝1 秦敏1 李军亮1 毛舒扬1（1.阳城国际发电有限责任公司，山西 晋城 048000；2.中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华北电力试验研究院，北京 100043）摘要：现有换热网络布置比较固定，随着供热需求的变化，换热网络不能一直保持较高的换热效率，因此能量不能很好地实现梯级利用。为了使整个供热过程保持较高的效率，需要对换热网络和机组同时进行供热改造。利用能量的梯级利用原理和热力学第一、第二定律，对不同室外温度情况下的供热情况进行计算，给出不同换热网络的连接方式，利用Aspen软件进行换热网络的模拟计算，寻找不同室外温度下的最优换热网络和热负荷分配方案；根据不同的热负荷提出串并联可调的换热网络。关键词：换热网络优化；梯级加热；串并联可调；损失中图分类号：TQ021.8 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）05-0051-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.013引言随着供热需求的多元化，供热面临的考验已经逐渐从供足热、供够热转变成如何提高供热效率、如何实现智能供热。因此，换热网络的综合优化成为深入研究对象。金红光1等以能量传递原理为方向，提出“温度对口、梯级利用”原则。林振娴2等提出的串联方式在换热器中的应用，实现了热量的阶梯传导。Ernst3等、倪锦4等相继对旁路展开研究。热网加热器普遍采取并联的方式进行供热时，不能很好地实现能量的梯级利用，不符合国家节能环保的要求5。因此，根据原供热网络进行改造，提出串并联可调节的换热网络连接方式，根据不同的热负荷进行串并联切换，通过Aspen模拟软件建立模型并进行计算，分析不同加热器热负荷占比不同对供热系统的影响，通过对比几种方案，寻找不同热负荷下的最优供热方案。1梯级加热在热网加热器中的应用对内蒙古某350 MW供热机组进行供热改造，随着供热量增加，原供热首站采用4台热网加热器不再满足供热需求，导致整个供热首站的效率降低，达不到供热改造目的。原有换热网络布置比较固定，随着供热需求的变化，换热网络不能一直保持较高的换热效率，导致高品位能量浪费。为了使整个供热过程保持较高的效率，需要对换热网络和机组同时进行供热改造。通过对换热器进行串并联调节，实现能量的梯级利用，提出串并联可调的换热网络。此换热网络尽可能地实现供热机组能量梯级利用，且在发生故障时能够灵活调节，极大地提高了换热网络的适用范围和供热效率。室外温度较高时，供热所需负荷小，热网供水温度较低，汽轮机排汽进行一次加热即可满足供热需求；随着环境温度下降，热负荷需求增大，热网供水所需温度升高，汽轮机排汽不再满足供热需求，需要利用汽轮机抽汽进行二次加热6-8。如果仅利用汽轮机抽汽加热会导致加热温差太大，造成大量的损失，此时如果串联热网加热器，进行梯级加热，会减少供热过程的损失9-12。热网加热器串并联布置方式的分析如图1所示。由图1可知，横坐标表示吸热量值，纵坐标表示能质系数，过程12表示热网循环水吸热升温过程，过程34和过程3a表示高品位热源的放热过程，过程b4表示低品位热源的放热过程13。仅采用汽轮机抽汽进行供热时，放热过程为过程34；采用汽轮机排汽和汽轮机抽汽进行梯级加热时，放热过程为过程3ab4。图中所有阴影面积（过程3412）表示仅采用汽轮机抽汽（高品位蒸汽）换热过程的损失14；除了小矩形面积外的阴影面积（过程3ab412）表示采用汽轮机抽汽（高品位蒸汽）和汽轮机排汽（低品位蒸汽）换热过程的损失；小矩形阴影面积（过程a4图1热网加热器串并联布置方式的分析作者简介：原海峰（1977），男，本科，研究方向为火电系统分析、运行与控制。收稿日期：2022-09-20引用本文：原海峰，张文景，闫逢吉，等.基于分析的换热网络和热经济优化 J.节能，2023，42（5）：51-54.节能技术与应用52节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 20234b）表示采用梯级加热技术相对于汽轮机抽汽直接加热减少的损失15。因此，采用多热源进行梯级加热技术可以有效减少换热过程的损失。2换热网络的优化采用梯级加热技术可以减少损失。因此文中在原供热网络的基础上，增加1股抽汽，共3股蒸汽加热循环回水，实现梯级加热的目的。通过在不同环境温度下进行供热模拟，找出损失最小的供热方式，为实际供热运行提供指导。2.1供热需求分析根据往年的供热经验和研究计算得到供热网络一次供回水的温度与室外温度的关系。室外温度与供回水温度的关系如图2所示。2.2代表性工况的选择和不同换热网络的计算根据往年的供热情况，选择4组具有代表性的室外温度（4、-5、-10、-19）。供热蒸汽采用汽轮机排汽和二股抽汽作为加热热源，蒸汽的相关参数如表1所示。模拟计算采用Aspen Plus V12软件进行，通过对换热网络进行结构设计与分析，以为评价换热网络优化的标准，找出最优的换热网络方式，并根据不同室外温度的换热网络连接方式，提出可以对换热器连接方式进行调节的换热网络，满足不同室外温度下的供热需求。原供热网络共有2台热网凝汽器和4台热网加热器，分别采用并联连接。根据蒸汽A的参数，考虑换热器端差，蒸汽A最高可以将供热回水加热至70。当室外温度不低于-7 时，仅采用蒸汽A可以满足供热需求。该工况下，热源仅有蒸汽A，无法进行梯级加热。串并联方式下的损失并无区别，但是考虑并联连接方式的事故承受能力高于串联连接方式，因此采用并联作为在4 和-5 时换热网络的连接方式。室外温度为-10 时，仅采用蒸汽A不再满足供热需求，需要采用汽轮机抽汽蒸汽B和蒸汽C，提出4种换热网络连接方式进行计算。4种换热网络连接方式如图3所示。原机组连接和传统并联方式均采用蒸汽A和蒸汽C进行加热，原机组的供热方式使用蒸汽A通过两台并联的热网凝汽器将部分热网循环水加热至50，再使用蒸汽C通过4台并联的热网加热器将另一部分热网回水加热至90，最后两股热网循环水混合为所需设计供水温度；传统并联方式先通过两台并联热网凝汽器采用蒸汽A加热热网循环水到70，再使用蒸汽C通过4台并联的热网加热器加热热网循环水到所需温度。原机组连接方式需值40 431.79 GJ，效率为0.728 7；传统并联方式需值36 671.62 GJ，效率为0.803 4。蒸汽B加热温度与值和效率的关系（室外温度-10）如图4所示。图2室外温度与供回水温度的关系表1蒸汽的相关参数蒸汽组蒸汽A蒸汽B蒸汽C压力/MPa0.0350.0570.400进口温度/75.089.3245.9出口温度/72.584.6143.6进口焓/(kJ/kg)2 635.282 690.132 956.12出口焓/(kJ/kg)303.49354.32604.67焓差/(kJ/kg)2 331.782 335.802 351.45图34种换热网络连接方式节能技术与应用53NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION多级加热混合A和多级加热混合B将热网加热器改为串联，引入蒸汽B对前一个热网加热器进行加热，实现梯级加热，降低了损失；多级加热混合B与多级加热混合A的区别为将1个热网凝汽器串联在热网加热器前，并将其加热到70，两种方式的关键是蒸汽B加热的回水温度，对整个换热网络的效率具有很大的影响。环境温度为-10 的情况下，蒸汽B和蒸汽C的抽气量均不超过200 t/h，由计算结果可知，几种供热连接方式均符合要求。利用多级加热混合B方式优于多级加热混合A方式，蒸汽B加热到88 时，加热效果最好，所需值为34 603 GJ，远小于其他几种连接方式的值，且效率最高。环境温度为-10 时，采用多级加热混合B方式，利用蒸汽B加热到88 的供热方式进行供热，此时需要蒸汽A、蒸汽B、蒸汽C各296.79 t/h、48.51 t/h、5.28 t/h。室外温度为-19 时，也需要3股蒸汽进行加热。在此工况下提出3种换热网络连接方式。3种换热网络连接方式如图5所示。原机组采用蒸汽A和蒸汽C加热，使用蒸汽A通过两台并联的热网凝汽器将热网循环水加热至70，再使用蒸汽C通过4台并联的热网加热器将部分热网回水加热至95，与旁路混合，达到所需供水温度。原机组连接方式需值43 567.80 GJ，效率为0.765 7；传统并联方式需值43 991.60 GJ，效率为0.758 4。蒸汽B加热温度与值和效率的关系（室外温度-19）如图6所示。（a）值另外2种连接方式均需3股蒸汽进行分级加热，原机组连接方式改串联根据蒸汽 C 的加热温度分为加热到95 和99 两种情况，多级加热混合C由蒸汽A加热循环水到70，由蒸汽B和蒸汽C加热循环水到90。这两种连接方式的效率与蒸汽B加热到的温度密切相关，利用Aspen软件进行计算模拟。（a）值（b）效率图4蒸汽B加热温度与值和效率的关系（室外温度-10）图53种换热网络连接方式（b）效率图6蒸汽B加热温度与值和效率的关系（室外温度-19）节能技术与应用54节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023环境温度为-19 的情况下，考虑蒸汽B和蒸汽C的抽气量均不超过200 t/h；在多级加热混合C的连接方式供热情况下，蒸汽B只能在加热到7486 的情况下运行；在原机组连接方式改串联，将5 060 t/h的流体加热到95 再进行混合的供热情况下，蒸汽B只能在加热到7488 的情况下运行；在原机组连接方式改串联，将4 425 t/h的流体加热到99 再进行混合的供热情况下，蒸汽B只能在加热到7588 的情况下运行。综合考虑各种蒸汽的用量和不同的供热连接方式，在-19 室外温度供热时，采用多级加热混合C方式，利用蒸汽B加热到86，既能满足供热需求，又能保证损失最小，供热效益最好，需值38 285.65 GJ，效率为0.855 8。由于室外温度的变化和其他供热条件的变化会导致换热网络的连接方式不同，但不可能设计几套换热网络进行供热，因此提出可以对换热器的连接方式进行调节的换热网络，以满足不同的供热需求。可调节的换热网络可以根据不同的需求进行调节，极大地提高了供热的稳定性和经济性。换热网络布置方式如图7所示。由图7可知，可以通过控制1号20号阀门的开关切换换热器的连接方式，实现不同的供热方式，从而组成不同的换热网络。环境温度为 4 和-5 时，1 号、2号、4号、5号、6号阀门开启，其余阀门关闭，以实现供热；环境温度为-10 时，1 号、2 号、5 号、7 号、9号、10号、15号、16号、17号、18号、20号阀门开启，其余阀门关闭，以实现供热；环境温度为-19 时，1号、2号、4号、5号、7号、9号、10号、15号、16号、17号、18号阀门开启，其余阀门关闭，以实现供热。不同供热需求下均可以通过 1 套可调节的换热网络实现供热。3结语对能量的梯级利用进行介绍，分析不同室外温度下不同供热方式的效率，通过对不同的换热网络进行计算对比，找到不同供热情况下的最优供热模式；根据不同情况下的最优换热网络提出可以通过阀门调节换热器连接方式的换热网络，实现不同换热网络之间的切换，提高了换热过程的效率，节约了大量的高温热源。该换热网络符合能量梯级利用、分级加热要求，能够在很大程度上提高节能降耗，对发电厂供热换热网络的运行具有一定的指导意义。参考文献1 金红光，林汝谋.能的综合梯级利用与燃气轮机总能系统 M.北京：科学出版社，20082 林振娴，杨勇平.供热系统串联布置方式的应用 J.中国电机工程学报，2010，30（35）：13-17.3 Ernst P，Fieg G，Luo X.Efficient synthesis of large-scale heat exchanger networks using monogenetic algorithmJ.Heat and Mass Transfer，2010，46（10）：1087-1