摘要：随着经济的发展，人们对于能源的需求日益加强。随之而来的是能源的短缺、环境的破坏，以及工业成本和生活成本的提高，因此，节能减排，势在必行。利用夹点算法的基本思想，对换热网络进行梯级改造，是实现能源优化利用的一个行之有效的方法。而智能电网园区夹点算法的应用不能解决能源优化利用的问题，因此，对夹点算法进行改进，是非常有必要的。改进夹点算法，提供了一种多能源优化分析方法，既能从换热角度得到理论上的能耗最低值，又能为多能源优化利用提供一定的改进思路，适用于智能电网园区的工业用户、公共机构、数据中心等多种用户。
关键词：智能电网园区；换热网络；夹点算法
1 面向非流体设备的夹点算法
1.1夹点算法简介
化工生产或智能电网园区往往包含冷、热、电等多种负荷类型的能耗设备。这些设备会消耗大量的燃料或者电能。它们在生产或智能电网园区中进行内能的交换，可以被视为一张网络。这样的网络就被称为换热网络。将生产中的吸热环节和放热环节分别简化为冷流和热流。能源最理想的应用方式，应是热流放出的热量恰好都被冷流吸收。但是，由于受热力学第二定律的限制，热流必须比冷流高出一定的温度，才能实现余热的回收。我们必须让冷热流按一定的规则进行交换，也就是冷流的高温部分与热流的高温部分换热；冷流的低温部分与热流的低温部分换热。这个过程很像实验室中冷凝管，逐段地进行余热利用。而在实际生产中，冷热流在换热时，必须要高于一个温差值。所以我们需要平移冷流，以确保每个换热点的温差在极限值以上。冷热流的温差达到这个极限值的点，就被称为夹点，这个算法，就是夹点算法。
夹点算法严格根据热力学原理提出了一系列概念、原理、规则和图表工具，可在设计之前估算出最小能耗目标和最小投资目标，能够指出从热力学角度看哪些能量损失可以避免，哪些不能避免，并进一步指出如何匹配物流以使能量损失最小化。由于夹点技术物理概念清晰、目标明确、理论规则明了、图表计算工具丰富。很快被广大工程技术人员接受，广泛地应用于各种工业生产的连续工艺和间歇工艺，如化工、炼油等过程工业系统的设计和改造。其最早的成功应用是换热网络，现已延伸到除反应过程以外的几乎所有化工过程。在换热网络里，电能可以精确地控制温度，可以转化为其他形式的能量，具有不可替代的作用。有效地分析和发现换热网络中可以进行能量交换的环节，利用电能在制冷以及制热方面的特点，结合节点算法，优化换热网络能耗结构，可以取得理想的节能效果。
1.2夹点算法的计算过程
夹点算法总体思路是，绘制区域内的温焓图，然后综合各类换热物质的流速、比热容等数据，简化温焓图，最后计算温焓图中的夹点，得到分析的计算结果。具体地说，包含以下步骤。（1）绘制初始的温焓图。以温度为纵坐标，以能量为横坐标。如图1所示，经过测量每个工艺环节的初始温度和能耗，得到了初始的温焓图。（2）对温焓图进行简化。设热（冷）流1与热（冷）流2都经历了从温度t1到温度t2的变化过程。在该过程中，能耗分别为ΔＨ1和ΔＨ2，如果将这两段热（冷）流视为同一个流，那么新的热（冷）流就是原始的两段之和，用公式可以表示如下：ΔＨ12＝ΔＨ1＋ΔＨ2利用上述计算过程，可以得到简化后的温焓图。（3）进行冷流的平移。首先，依据工程的实际情况，确定换热的差值温度ΔTmin。当冷流与热流的温差小于该差值时，换热速度极慢，在工程上不具备可行性。ΔTmin取决于现场气温、介质导热性、换热设备距离等多个因素。ΔTmin的确定方法不属于本文的讨论范围。但在实际的工程中，一般ΔTmin的取值在5～30℃之间。确定ΔTmin之后，将冷流沿着焓值的轴线横向平移。冷流和热流的垂直距离最小的两个点被称为夹点。当夹点温差大于ΔTmin时，有热量被浪费。当夹点温差小于ΔTmin时，换热不能进行。只有当恰好达到ΔTmin时，整个系统消耗的能量才达到最小。
2智能电网园区夹点算法的改进
2.1夹点算法在智能电网园区应用中面临的问题
随着流体走完全部工艺过程，能量的交换也随之完成。但在考察智能电网园区等系统时，面临两个问题。一是，园区中往往存在光伏发电、风力发电、燃气等多类型的能源结构。单纯地通过夹点算法，难以清洁用能。另一个问题是，智能电网中，往往存在空调、供暖、照明、机械负荷等多类型的负荷。这些设备的特征是不具有流动性，其温度在短时间内是可以视为一成不变的。我们称这些设备为非流体设备。可以看出，非流体设备的能耗特征在温焓图中是无法表示出来的。因此，对于包含有非流体设备的智能电网园区，通过理想的流体间能量交换，不能解决能源优化利用的问题。针对智能电网园区非流体设备的特点，对夹点算法进行改进，使其能够应用于智能电网园区，是非常有必要的。
2.2夹点算法的改进
非流体设备在进行换热时，将释放或吸收能量，其公式可以表示如下：ΔＨ＝（T初－T终）FC式中：T初和T终分别为初始和终点温度；FC为热容流率。在智能电网园区的场景下，很多设备的隔热性不佳。因此，随着温度的升高，其散热速度会加快，所消耗的能量也要增加。此时，FC可视为随温度变化的函数FC（T）。
能耗的计算公式如下：ΔＨ＝。对于一个非流体设备，可以发现，它的温度是不变的，但是它却在消耗或产生着能量。这些能量最终是以内能的形式，扩散到周围的环境当中的，如照明、数据中心的服务器等。这些设备的能耗情况，如果用温焓图来刻画，将是一条水平的直线。还有一些设备，随着温度的变化，其能源的消耗（生产）速度，会发生变化。因此，智能电网包含几个传统换热网络所没有的特征。一是冷流和热流存在水平线和间断点。二是部分设备的温度可变。以空调散热管为例，空调冷风温度低时，其散热管温度就高；反之，空调散热管温度就会较低。更值得关注的是，如果采用流水等降温措施，空调的散热管将不会达到此前的温度。而对于传统的换热网络，采用能量优化措施与否，对冷热流起始温度没影响。在这一点上，两者是截然不同的。
对于包含非流体设备的换热网络，其优化算法如下：对于存在水平线的换热网络，热流以水平线的最右端为基准，冷流以水平线的最左端为基准，平移曲线；如果不存在水平线，则依据换热网络的基本原理，采用上文中的算法，平移冷热流；当冷热流的垂直距离达到极限温差时，将相应的点设为夹点。通过上述算法，焓值以千瓦为单位，把水平曲线简化后，可以将非流体设备的用能情况纳入到温焓图中，统一进行能源的分析和优化。下文将进一步探讨包含温度可调的非流体设备以及多类能源这两种场景下的夹点算法，从而实现智能电网园区能源的梯级利用。
3智能电网园区多能源综合利用的改进夹点算法的应用
3.1非流体设备的温度设定。
在智能电网园区内，很多用能或者产能设备是与化工生产场景下的设备不同的。这个不同点主要体现在运行过程。传统场景的运行过程往往伴随着物质的流动，流体在这个过程释放或者吸收热量。在智能电网园区内，通常不存在这样贯穿始终的流体。取而代之的，是相对固定的设备。这些设备在运行一段时间后，温度相对恒定，不存在与外界交互热量的流体。而且，这些设备的温度并不像化工生产的工
业流程那样严格。它们往往可以在一定的范围内波动，甚至，它们的温度会受到自然环境的影响。以太阳能热水器为例，冬季和夏季，晴天和雨天，其产能的效率、温度都是不同的。再以数据中心的服务器为例，服务器进行数据的计算，但在计算的同时，会产生热量。但是，服务器的温度是有一定的许可范围的，即20～65℃都是正常的。对于换热网络而言，如果严格设定产热设备的温度为50℃，而洗手间热水器的水温需要加热到40℃，这将无法实现换热过程。冷流的温度高于热流。这导致换热过程不能正常进行。但是，在事实上，数据中心的温度并非必须保持在15℃，即使20℃以上，也是可以接受的。这里面临的一个问题，就是温焓图的表示方法，掩盖了部分设备的温度可调这一事实。
在面对温度可调的非流体设备时，作出如下规定：（1）如果冷流可以接受的最低温度高于室温，那么用最低温度标识冷流，否则以室温标识冷流；（2）如果热流可以接受的最高温度低于室温，那么用最高温度标识热流，否则以室温标识热流；（3）温焓图中，温度可调的设备应注明温度可调范围。上述规定的设定，主要在于平衡换热可行性和最大节能这两个需求。对于冷流而言，温度过高，不利于释放更多的热能；温度过低，则换热的可行性将不复存在。按照上述规定，温焓图可以优化为下述形式。在智能电网中，为了便于耗电量的计算，以千瓦为单位。如图2所示，优化后的温焓图实现了能源的梯级利用，减少了能耗。
3.2电能与其他能源的等效替代。
各类能源之间存在着相互替代的关系。通过能源的等效替代作用，能够有效提高系统对可再生能源的利用率，并进一步降低系统的运行成本。对不同类型的负荷需求实现联合调度，极大地提高了系统对清洁能源的利用率，降低了与外部电网之间的能源交互量，有效地提高了系统运行的经济性。通过对能源以不同能量形式在时序上的转移，可以在一定程度上降低了系统的运行成本。电能可以完全转化为内能，也可以几乎全部转化为其他形式的能量。而对于热能，就不可能彻底转化为其他形式的能量。在应用夹点算法进行能效分析时，使用以下补偿算法：（1）优先产生价值较高的能源；（2）对当前状态下的能源使用情况进行夹点分析；（3）如果热能等价值较低的能量不足，优先使用可再生能源进行补偿。系统生产的能源用虚线表示。如图3所示，将产能设备纳入温焓图中，可以将相应的能源进行综合考察。
3.3面向智能电网园区的能源分析。
以上算法根据智能电网园区的实际情况，对非流体设备进行了重点分析，实现了将其纳入到温焓图中优化的目标。针对园区内部分设备温度可以在一定范围内波动的情况，增加了夹点算法的计算环节，进一步提高了节能的效果。本文的算法可以找到智能电网园区内能源利用的理论最优值。这里所谓的最优，是指在不考虑多程换热以及实际施工可行性的前提下，通过夹点，选择冷热流的换热范围，从而使园区内的能耗达到最小。
4结语
综上所述，本文首先介绍了夹点算法及其应用情况，然后针对智能电网园区夹点算法存在的问题，对夹点算法进行了改进，最后探讨了智能电网园区多能源综合利用的改进夹点算法的应用，非流体设备的温度设定和电能与其他能源的等效替代。因此，本文实现了面向智能电网园区的夹点算法，也初步实现了面型智能电网园区的梯级用能和低碳化用能。
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论文作者:魏翠
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/24
标签：电网论文; 算法论文; 冷流论文; 园区论文; 温度论文; 热流论文; 换热论文; 《电力设备》2017年第16期论文;