石化能量系统分析方法概论讲解材料课件

石油化工过程能量系统 分析方法与低温余热利用,主讲人：尹 洪 超 大连理工大学 能源与动力学院 教授 博导 能源管理与节能（监测）研究中心 主任 电话传真E-mail：,讲座内容,第一部分 石化过程能量系统分析方法概论 第二部分 夹点技术换热网络优化设计 第三部分 换热网络热功集成 第四部分 全局夹点与系统能量集成 第五部分 公用工程系统能量集成优化 第六部分 低温余热回收利用技术,第一部分 石化过程能量系统 分析方法概论,主讲人：尹 洪 超 大连理工大学 能源与动力学院 教授 博导 能源管理与节能（监测）研究中心 主任 电话传真E-mail：,第一部分 石化过程能量系统分析方法概论,（一）热力学第一定律分析法 （二）热力学第二定律分析法 （三）热经济学分析法 （四）过程系统能量优化分析法 （五）石油化工过程能量系统的主要问题,（一）热力学第一定律分析法,热力学第一定律即能量守恒定律：能量是物质运动的量度，当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，数量不变。 该分析法得到了广泛应用，它主要是用热效率的高低来估计节能潜力，热效率越低说明节能潜力越大。 能量平衡工作正是基于这一定律，把能量的来龙去脉搞清楚，确定多少能量被利用，多少能量损失掉。 优点：简单直观，容易理解和掌握，运用得当对节能工作能起到重要作用。 缺点：由于它所依据的仅是能量数量上的守恒性，在挖掘节能潜力时有较大的局限性和不合理性。,（二）热力学第二定律分析法,热力学第二定律：当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，其品位只可能降低或贬值，绝不可能提高。这样能量在数量的守恒性和质量上的贬值性，就构成了能量的全面本性。 克劳修斯：传热；开尔文：单一热源；卡诺效率：=1 - T2T1 现代节能原理是同时依据热力学第一、第二定律，并通过直观实用的方式，来体现能的全面本性，由此建立的节能理论和方法，称为第二定律分析法。 熵分析法、火用分析法,（二）热力学第二定律分析法,火用分析法认为：能量=火用+火无 火用是在给定环境的作用下，可以完全连续地转化为任何一种其它形式的能量，而火无是一种不可能转化的能量形式。 火用主要是针对热提出的，即热量 中最大能转化为功的部分。 采用火用分析法，能从本质上找出 能量损失,例题解析,求解下列两种情况下，由不可逆传热造成的 火用损失，设Q=100kJ，环境温度T0=23： （1）tA=420，tB=420； （2）tA=70，tB=50。,例题解析,某蒸汽动力系统的能量平衡和火用分析,分析,蒸汽动力系统中造成火用损失最大的设备是锅炉，为59.81%。锅炉的火用损失主要是燃烧不可逆损失和燃烧产物与工质的热交换损失。尽管凝汽器的能量损失很大（54.7%），但由于温度很低，火用损失仅占5%，改进凝汽器的效率对提高整个系统的火用效率作用不大。 由此可见，提高蒸汽动力系统能量利用率的关键在于提高锅炉的火用效率。 例如提高蒸汽的压力和温度，以减少炉 内传热过程的火用损失等，这样可以在发电 作功量相同的条件下，减少燃料的供入量。 同时为了减少凝汽器的能量损失，可以通过 热电联产，将汽轮机排汽压力提高作为供热 热源用，才可使燃料能量得到充分利用。,（三）热经济学分析法,20世纪60年代以来，在节能领域产生了将火用分析法与经济因素及优化理论有机结合的热经济学，即除了研究体系与自然环境之间的相互作用外，还要研究一个体系内部的经济参量与环境经济参量之间的相互作用。 一般来说，第一定律和第二定律分析法，在方案比较中仅能给出一个参考方向，而不能得出具体结论。 热经济学分析法可以直接给出结果，这种方法特别适用于解决大型、复杂的能量系统分析、设计和优化。,1、 夹点分析法 2、数学规划法 3、全局能量集成与最优综合法 4、顶层分析法 5、三环节理论,（四）过程系统能量优化分析法,1979年，英国UMIST的B.Linnhoff等人开发出夹点技术。 夹点技术最初是源于热回收换热网络的优化集成。在成功地应用于热回收换热网络的基础上，其应用范围扩展到蒸汽动力系统公用工程子系统，而后又进一步发展成为包括热回收换热网络子系统和蒸汽动力系统子系统的总能系统。 另一方面，应用夹点技术考虑在工艺过程子系统中的分离设备的节能取得了初步的成功，在此基础上，开始考虑分离设备在过程系统中的集成。,1、夹点分析法,夹点是冷热复合温焓曲线中传热温差最小的地方，此处热流量为零。 夹点将整个换热网络分割成两部分： （1）夹点上方是热端，只有换热和加热公 用工程，没有任何热量流出，可以看成是一个热阱； （2）夹点下方是冷端，只有换热和冷却公 用工程，没有任何热量流入，可以看成是一个热源； （3）在夹点处，热流量为零。,1、夹点分析法,夹点技术的应用范围：适用于过程系统的设计和节能改造，具体以下几个方面： 1、换热网络设计和改造 2、蒸汽动力系统的设计和改造 3、换热网络和蒸汽动力系统的能量集成 4、工艺过程系统中的分离设备节能 5、分离设备在过程系统中的能量集成 进一步发展出：全局夹点分析； 水夹点；氢夹点,1、夹点分析法,数学规划法的实质就是将过程系统设计问题归结为一个最优化问题。所采用的数学规划方法主要有线性规划(LP)，非线性规划(NLP)，混合整数线性规划(MILP )和混合整数非线性规划(MINLP)。 其中前两种方法主要用于流程结构基本确定的系统进行设计参数或操作参数条件的有约束连续变量优化；后两种方法统称为混合整数规划法(MIP )，它不仅包含表示设计参数(如设备尺寸)和操作条件(如压力、温度、流量等)的连续变量，而且还包含表示流程结构和单元选择的离散变量(整数变量或0-1变量)，因而它可以同时进行流程结构优化和操作条件的优化。,2、数学规划法,MILP方法是对过程系统综合的一种线性近似，它对一般的非线性系统模型无能为力。近十年来，人们开始对MINLP方法这一富有挑战性的研究领域予以重视。一个典型的MINLP模型形式如下：,2、数学规划法,其中x为n维连续变量，表示系统的操作参数或设计参数，其上、下界为xL, xU；y为m维0-1变量，表示系统中可能存在的过程单元取舍的结构参数；目标函数c=f(x,y)一般为变量x,y的非线性函数，表示所追求的目标，通常取系统的总费用最小或总收益最大；等式或不等式约束方程表示超结构必须满足的物料平 衡、能量平衡、物理性能约束、设计规定以 及逻辑条件等约束。,2、数学规划法,MINLP问题的求解算法，主要有以下几类： 分支定界法(Branch and Bound Method) 广义Benders分解法(Generalized Benders Decomposition Method，简称GBD法) 外逼近法(Outer-approximation Algorithm简称OA法) 上述这些算法一般假设问题为凸的，而 对非凸的多峰问题则无能为力，或只能获得 局部最优解。MINLP问题的求解是数学规划 和运筹学中最有意义，也是最为困难的领域 之一。,2、数学规划法,从混合整数非线性规划算法的研究现状来看，大体上有三个发展趋势：一是进一步改进和完善现有的算法，使之更为有效；二是针对问题的具体情况开发一些松弛或转化为非线性问题的一类算法，它们只能实用于一些特殊模型；三是以遗传算法和模拟退火算法为代表的新的智能化随机优化算法的研究，这是最有希望的研究方向，在理论研究和工程实践应用上均己有某些进展。,2、数学规划法,（1）全局夹点分析法,3、全局能量集成与最优综合法,（2）全局系统能量集成优化法 一般的工艺生产系统可以看成是由生产工艺系统、热回收系统和公用工程系统构成的。在工艺生产过程中的各个阶段，除有物流出入和热量交换外，还必须提供一定形式和数量的公用工程才能维持生产的顺利进行，包括机械能、电能、不同温位的热能和冷能。也有一些工序则可向外提供机械能和热能。 过程系统合理用能的特点之一就是生产工艺系统与公用工程系统有机的结合，在能量的合理利用和有效利用方面有良好的匹配关系，即所谓的能量集成。现代化的公用工程系统把工艺系统的能量需求和余热回收进行统一的综合考虑，通过能量集成显著地提高能量的利用率和经济性。,3、全局能量集成与最优综合法,图(a)为一典型热功集成系统，生产工艺过程本身需要外界输入热量QH和功量W，同时向冷却塔排放热量QC。为满足生产过程的动力需求，热机从高温热公用工程吸收热量Q，向低温冷公用工程排放热量(Q-W)。如果热机所排放的热量具有足够的温位来代替生产过程的部分用热，则可将两者集成为图(b)所示的系统。这不仅减少外界供热量和向外界的排热量，而且使系统所 承受的热负荷减少，即设备投资费用降低。,3、全局能量集成与最优综合法,总体系统综合的联合优化策略,生产工艺系统,热回收网络,公用工程系统,原料,产品,燃料 电力 水,电力,工艺蒸汽,动力,热公用工程,冷公用工程,冷流股,热流股,对于极小化费用目标函数，可转化为混合整数非线性规划(MINIP)求解,“顶层分析(Top Level Analysis)法”， 即从公用工程出发，先进行公用工程系统的用能诊断，寻找出全局节能的潜力所在，充分发挥公用工程系统的各种剩余热负荷转化途径作用，使剩余热发挥最大的效益。对于公用工程系统难以利用的剩余热，再结合相关过程，利用全局夹点分析法进行全局能量集成。这与新过程设计的传统的“洋葱模型”相反，不是从工艺过程子系统出发，由内及外逐步完成能量集成，而是从公用工程系统出发由外及内逐层深入进行全局能量集成改造。,4、顶层分析法,4、顶层分析法,这种顶层分析与全局过程集成相结合的方法非常适合于全局过程的节能改造，节能效益显著。,4、顶层分析法,顶层分析的基本方法 ： 剩余热负荷的产生 用剩余热负荷通过发电透平做功 外购动力节省剩余热负荷 剩余热负荷转化途径的经济效益分析,顶层分析法基本步骤 ： a)收集公用工程数据； b)计算现有蒸汽消耗途径效率及负荷限制； c)计算可选蒸汽消耗途径效率及负荷限制； d)计算节省剩余热负荷外购动力途径效率； e)比较现有途径、可选途径和外购动力效率； f)选择最优转化途径； g)计算优化后的效益。,4、顶层分析法,5、三环节理论,华南理工大学华贲从能量在过程系统中的作用和追踪其变化线索入手，揭示出能量在过程系统中的转换、利用、回收和排出的普遍规律，提出了“三环节”能量结构模型。 三个环节中，最重要的是能量的工 艺利用环节，简称利用环节，主要包括 各种反应、分立、混合过程和设备。,5、三环节理论,（五）石油化工过程能量系统 的主要问题,过程工业能量系统优化或节能改造的四大内容及其间的相互关系 工艺装置能量优化 工艺装置及与其它单元之间的热联合 全厂低温热优化利用 蒸汽动力系统综合优化,蒸汽动力系统的综合优