CN101526804A

CN101526804A - 一种造纸机干燥部换热系统的分析方法

Info

Publication number: CN101526804A
Application number: CN200910038737A
Authority: CN
Inventors: 刘焕彬; 李玉刚; 李继庚; 陶劲松
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2009-09-09

Abstract

本发明公开了一种造纸机干燥部换热系统的分析方法，该方法结合了造纸机干燥部换热系统的特征和各个换热设备的特点，提取该换热网络的物流数据，然后应用夹点分析技术绘出该换热系统的问题表格，用问题表格法找出该换热网络的夹点，并绘制出参与换热的冷热物流的复合曲线图，在该复合曲线上描述所述夹点的位置，通过夹点在复合曲线上的变化，来评价换热系统的热回收水平，找出该换热系统节能的潜力并进行优化。本方法计算量少、无需试差，可以简单直观的通过夹点技术分析出造纸机干燥部换热系统存在的问题和能量利用和回收状况，有针对性地实现换热系统的优化，增加热量的回收，减少能源浪费。

Description

一种造纸机干燥部换热系统的分析方法

技术领域

本发明涉及造纸过程的能量系统集成技术，特别涉及一种造纸机干燥部换热系统的分析方法。

背景技术

造纸产业是能源消耗密集型的产业，是国家轻工产业中的能耗大户。纸机干燥部能耗约占全厂生产能耗50％～60％，因此做好纸机干燥部的节能十分重要。

纸页干燥的主要原理是利用通高温高压蒸汽的烘缸组来加热纸页，蒸发其中的水分，通过在气罩内通高温的新鲜空气来带走从湿纸页中的蒸发出来的水分，该过程有大量能量传递，在夹杂着湿蒸汽的高温空气中蕴含着大量的能量。造纸机干燥部热回收系统是通过不同形式的换热来充分利用干燥部的热能。造纸机干燥部热回收系统的实质是干燥部热能回收利用的换热系统。

通过现场调查发现，目前造纸机干燥部实际的换热系统存在严重的问题：(1)对于公用工程运行能耗的需要量没有准确计量。(2)换热系统的运行参数在设计安装时由机械供应商进行设定，很少再进行调整，，在长时间运行之后没有校正和改进。(3)热回收部分的蒸汽消耗量计量仪表不完备，其对生产的影响往往无法统计。因此，对造纸机干燥部的换热系统进行科学的诊断与分析，进行运行参数的优化，才能达到节能降耗的目的。

目前，在对化工过程换热网络的研究中，夹点技术得到了广泛的应用，它的提出是换热网络合成领域一个大的突破。它是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，以最大限度的能量回收为出发点，来发现过程中的节能潜力。夹点技术简单实用，在很多过程领域中都得到了应用，但目前利用夹点技术来对造纸机干燥部的换热系统进行分析以实现该系统的优化尚属空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运用夹点技术对造纸机干燥部的换热系统进行能量回收和利用水平分析并进行优化的方法。

为实现本发明的目的采用的技术方案：一种造纸机干燥部换热系统的分析方法，其特征是，包括如下步骤：

第一步，分别提取造纸机干燥部冷、热物流的数据；

第二步，根据提取的数据作出该换热系统换热过程的问题表格，确定该换热系统的夹点位置；

第三步，绘制该换热系统干燥部冷热物流的复合曲线，在该复合曲线上描述所述夹点的位置，通过夹点在复合曲线上的变化，来评价该换热系统的热回收水平，找出该换热系统节能的潜力并进行优化。

为了更好地实现本发明，所述第一步中分别提取造纸机干燥部冷、热物流的数据是指分别提取测量点采集到的冷、热物流的数据；所述数据包括：(1)气体物流的流量、压力、湿度、温度和焓值；(2)液体物流的温度、流量和焓值。

所述测量点的设置方法是：在该换热系统中任一组换热器的每个换热设备的物流进口处和出口处至少各设置一个。

所述测量点还包括至少一个设置在与所述换热设备连接的管道上的测量点。这样可以提高采集数据的精确度，这些测量点设置于管道上易于测量的位置。

所述第二步中根据提取的数据作出该换热系统换热过程的问题表格，确定该换热系统的夹点位置包括如下步骤：

a)将该换热系统中所有冷、热物流的初始温度和终了温度作为温度水平线，分隔出一系列的温度间隔，按照问题表格子网络温度应依次降低的原则，将每个温度间隔对应构成一个问题表格子网络的温度边界，根据这些温度边界绘制出问题表格；所述冷物流是指新鲜空气和过程水；所述热物流是指热空气和湿热汽；

b)在每个温度间隔内，根据参与换热的冷、热物流的温差，按照夹点分析原则，对所述问题表格的子网络依次进行热量恒算；

c)通过对所有子网络的联合恒算，计算出该换热系统的能量利用和公共工程消耗情况，确定公用工程最小用量，此时最小传热温差所在的位置即为夹点。

所述c)步中按照夹点分析原则，对所述问题表格的子网络进行热量恒算的方法是：令

O_k＝I_k-D_k

D_k＝(∑CP_cold-∑CP_hot)(T_k-T_k+1)k＝1，2，.....，K

其中，O_k为第k个子网络本身的赤字，表示需要外界供给的热量或者向外界提供的热量；I_k表示由其它子网络提供的热量；D_k表示向其它子网络提供的热量；∑CP_cold，∑CP_hot分别表示子网络中冷、热物流的热流率之和；T_k-T_k+1表示子网络间的温度间隔。

所述第三步中绘制该换热系统干燥部冷热物流的复合曲线，包括如下步骤：

第I步，在一定的湿度下，以温度为纵坐标，焓值为横坐标，分别绘制出冷、热物流的温焓图；

第II步，根据问题表格和冷、热物流的温焓图，按照夹点分析复合曲线的作法，作出冷热物流的复合曲线图。

所述第三步中通过夹点在复合曲线上的变化，来评价换热系统的热回收水平，找出该换热系统节能的潜力并进行优化是指：按照实际的生产需要，对照复合曲线图中夹点的变化对该换热系统热回收水平产生的影响，通过调节冷物流的湿度、温度和流量参数或者通过调节设备的运行参数来改善热量回收过程，提高能量回收效率。另外夹点技术也能间接发现由设备管道老化、堵塞、结垢等引发的问题，通过清理也能到达参数调优的目的，这些调节可以在不影响纸机正常运行的情况下，通过逐步调优完成。

本发明相对于现有技术的主要优点和效果是：本发明的分析方法计算量少、无需试差，可以简单直观的通过夹点技术分析出造纸机干燥部换热系统存在的问题和能量利用和回收状况，有针对性的实现换热系统的优化，增加热量的回收，减少能源浪费。

附图说明

图1是本发明公开的造纸机干燥部换热系统的分析方法的实现流程图；

图2是实施例中造纸机干燥部换热系统的物流数据采集点分布示意图；

图3是实施例中根据物流数据采集点的数据绘制的冷热物流复合曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

以产量为470t/D的纸机为例，该纸机的换热系统包括两组相同的换热器(分别为换热器组8和换热器组9)，每组换热器均包括两台换热设备——气气换热器(CHR)10和气液换热器(AHR)11，采用本发明公开的方法对该换热系统作分析：

第一步，在每组换热器上设置7个数据测量点(如图2所示，以换热器组8为例，换热器组9与换热器组8相同)，7个测量点分别设置在气气换热器10、气液换热器11的物流进口处、出口处，以及与气气换热器10和/或气液换热器11连接的管道上易于测量的位置，分别为测量点1～7。物流包括冷物流和热物流，冷物流是指新鲜空气和过程水；热物流是指热空气和湿热汽。在上述7个数据测量点，用专用设备如Testo 400多功能测量仪(可以测量温度、湿度、焓值等参数)，Fluke Ti 40热像仪(用于设备管道便面温度的测量)以及安装在管道上的流量和温度测量设备测量数据，其中气体物流要测量的数据为流量、压力、温度和焓值；液体物流要测量的数据为温度、湿度、流量和焓值(流量和焓值也可以通过查化工常用的热力学参数表得到)。测量点1测得的数据是：湿热空气的温度、流量和湿度；测量点2测得的数据是：过程水的温度和流量；测量点3测得的数据是：过程水的温度；测量点4测得的数据是：湿热空气的温度和湿度；测量点5测得的数据是：新鲜空气的温度和流量；测量点6测得的数据是：新鲜空气的温度和流量；测量点7测得的数据是：湿热空气的流量、温度和湿度；各测量点测量到的数据如表1所示：

表1：

第二步，根据表1的数据作出该换热系统换热过程的问题表格1(见表2)，具体过程是：将该换热系统中所有冷、热物流的初始温度和终了温度作为温度水平线，分隔出一系列的温度间隔，按照问题表格子网络温度应依次降低的原则，将每个温度间隔对应构成一个问题表格子网络的温度边界，根据这些温度边界绘制出问题表格；例如问题表格1中子网络SN3的温度间隔是由热空气的终了温度和过程水的终了温度确定的，按照换热设备的要求(即为了保证换热器能够有效传热)，冷热物流的传热温差应为20℃，从而确定该子网络上下界面的其他两个温度。其他子网络的温度间隔确定方法也类似。按照夹点分析的原则，依次对表2中的各个子网络进行热量恒算，找出需要的公用工程加热量和冷却量：将上一个子网络的热量恒算结果传递到下一个子网络，最后得出各个换热子网络的热量赤字(D_k)、输入热量(I_k)和排出热量(O_k)，具体计算结果如问题表格2(表3)所示。

表2：

问题表格1

表3

按照夹点分析的原则，对各个子网络的热量恒算应遵循以下原则：令

O_k＝I_k-D_k

D_k＝(∑CP_cold-∑CP_hot)(T_k-T_k+1) k＝1，2，.....，K

其中，O_K是第k个子网络本身的赤字，表示需要外界供给的热量或者向外界提供的热量；I_k表示由其它子网络提供的热量；D_k表示向其它子网络提供的热量；∑CP_cold，∑CP_hot表示子网络中冷、热物流的热流率之和；T_k-T_k+1表示子网络间的温度间隔；

从表3可以看出，假如没有公用工程加热，单靠回收的热量是不能满足进气罩和袋通风的空气需要的。而且通过计算我们还可以知道这个系统不完整，需要外界向其提供热量。当外界提供最小热量的时候该系统出现夹点，即公用工程的用量最小，此时最小传热温差所在的位置即为夹点。最小传热温差(Tmin)是确定换热网络冷热物流匹配换热的最小温差。为保证节能和能量优化目标的实现，要求夹点处的目标温度为最小传热温差Tmin，其他位置的温差要比Tmin大。

第三步，绘制该换热系统中冷热物流的复合曲线，具体步骤是：

在该复合曲线上描述所述夹点的位置，通过夹点在复合曲线上的变化，来评价换热系统的热回收水平，找出该换热系统节能的潜力：在复合曲线图(如图3所示)上我们可以看到，当系统的换热温差由MN’变化到MN时，这时候夹点位置确定，即最小传热温差确定。整个系统的热回收水平、最小冷负荷以及最小热负荷随之确定。虚线表明了传热温差增大后，系统的热回收水平下降，也即表示换热系统散失的热量增多，这同时就引起了系统冷热负荷的增大。而在最小传热温差下系统的热负荷和冷负荷分别变小，由A’B’和E’F’变为AB、EF。系统得到了最大的回收热量，曲线由C’D’变为CD。

通过夹点在复合曲线上的变化，来对该换热系统进行优化：按照实际的生产需要，对照复合曲线图中夹点的变化对该换热系统热回收水平产生的影响，通过调节冷物流的湿度、温度和流量参数或者通过调节设备的运行参数来改善热量回收过程，提高能量回收效率。另外夹点技术也能间接发现由设备管道老化、堵塞、结垢等引发的问题，通过清理也能到达参数调优的目的，这些调节可以在不影响纸机正常运行的情况下，通过逐步调优完成。经过系统调优和换热器参数的优化，可以增加约10％的热量回收，增加过程水的加热量和热公用工程的回收量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种造纸机干燥部换热系统的分析方法，其特征是，包括如下步骤：

第一步，分别提取造纸机干燥部冷、热物流的数据；

第三步，绘制该换热系统干燥部冷热物流的复合曲线，在该复合曲线上描述所述夹点的位置，通过夹点在复合曲线上的变化，来评价换热系统的热回收水平，找出该换热系统节能的潜力并进行优化。

2、根据权利要求1所述的造纸机干燥部换热系统的分析方法，其特征是，所述第一步中分别提取造纸机干燥部冷、热物流的数据是指提取测量点采集到的冷、热物流的数据；所述数据包括：(1)气体物流的流量、压力、湿度、温度和焓值；(2)液体物流的温度、流量和焓值。

3、根据权利要求2所述的造纸机干燥部换热系统的分析方法，其特征是，所述测量点的设置方法是：在该换热系统中任一组换热器的每个换热设备的物流进口处和出口处至少各设置一个。

4、根据权利要求3所述的造纸机干燥部换热系统的分析方法，其特征是，所述测量点还包括至少一个设置在与所述换热设备连接的管道上的测量点。

5、根据权利要求1所述的造纸机干燥部换热系统的分析方法，其特征是，所述第二步中根据提取的数据作出该换热系统换热过程的问题表格，确定该换热系统的夹点位置包括如下步骤：

a)将该换热系统中所有冷、热物流的初始温度和终了温度作为水平线，分隔出一系列的温度间隔，按照问题表格子网络温度应依次降低的原则，将每个温度间隔对应构成一个问题表格子网络的温度边界，根据这些温度边界绘制出问题表格；所述冷物流是指新鲜空气和过程水；所述热物流是指热空气和湿热汽；

6、根据权利要求5所述的造纸机干燥部换热系统的分析方法，其特征是，所述c)步中按照夹点分析原则，对所述问题表格的子网络进行热量恒算的方法是：令

O_k＝I_k-D_k

D_k＝(∑CP_cold-∑CP_hot)(T_k-T_k+1) k＝1，2，.....，K

7、根据权利要求1所述的造纸机干燥部换热系统的分析方法，其特征是，所述第三步中绘制该换热系统干燥部冷热物流的复合曲线，包括如下步骤：

8、根据权利要求1所述的造纸机干燥部换热系统的分析方法，其特征是，所述第三步中通过夹点在复合曲线上的变化，来评价换热系统的热回收水平，找出该换热系统节能的潜力并进行优化是指：按照实际的生产需要，对照复合曲线图中夹点的变化对该换热系统热回收水平产生的影响，通过调节冷物流的湿度、温度和流量参数或者调节设备的运行参数来改善热量回收过程，提高能量回收效率。