（机械工程专业论文）蜡油加氢处理装置的能量系统分析与换热网络集成.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 蜡油加氢处理装置的能量系统分析与换热网络集成 机械工程 伊西青( 签名) 周三平( 签名) 赵振辉( 签名) 要 能源的高效合理利用与中国社会和经济的可持续发展战略密切相关。提高能源利用 率在炼化企业是至关重要的目标和任务。 本文阐述了能量利用系统分析的火盼析方法和夹点分析方法的基本原理及其应用方 法。针对蜡油加氢工艺装置的能量利用系统进行研究，采用热力学炯分析方法对工艺装 置中换热器、空冷器和加热炉等主要单元换热设备进行分析，获得了的时獭率分布特性， 甄别出需提高性能的关键换热设备，并相应地提出了可行的节能方案；采用夹点分析方 法对蜡油加氢工艺装置的整个换热网络进行了系统深入的分析和计算，以降低装置能耗 为目标，提出了用能优化的措施和方案。 对工艺装置中主要单元换热设备的热力学分析研究表明：装置中换热器e 5 1 0 1 、蒸 汽发生器e 5 1 1 0 和加热炉f 5 1 0 2 的必灏值和必l 损率较大，可以通过改变工艺操作参数、 增加预热等方法减小传热温差减小该单元设备火用损失，提高能量利用的效率。 采用换热网络优化分析软件p i n c h2 0 对蜡油加氢装置的现行换热网络进行分析表 明现行网络夹点温度较高，热源的温位较高，可考虑用来发生蒸汽。通过计算分析，本 文阐明了现行换热网络与简化换热网络的等价性。针对简化换热网络的分析表明：当最 小温差不大于1 4 时，该换热网络属于阈值问题，不需要加热公用工程，理论上所需的 最小冷却公用工程用量为1 0 7 3 6 9 9 k w ；当最小温差大于1 4 时，该换热网络成为夹点 问题，当将装置的换热网络作为阂值问题进行优化优化时，可仅通过降低加热炉的能消 耗获得较大的节能潜力。 本文以适当降低加热炉的热负荷为原则，充分考虑工程实际的限制因素，提出了5 个可行的节能改进方案，并进行了技术经济分析，可根据工程实际要求对方案进行选择 和组合，达到降低装置综合能耗的目的。 关键词：蜡油加氢装置换热网络她纷析夹点分析改造方案 论文类型：应用研究 l l 英文摘要 s u b j e c t ：a n a l y s i so ft h ee n e r g yu t i l i z a t i o ns y s t e mo fh y d r o t r e a t i n go nw a x yo i la n d t h ei n t e g r a t i o no fh e a te x c h a n g en e t w o r k s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a b s t r a c t h i g h e f f i c i e n ta n dr a t i o n a lu t i l i z a t i o no fe n e r g yi si n t i m a t e l yr e l a t e dt ot h es o c i a la n d e c o n o m i cd e v e l o p m e n ts u s t a i n a b l es t r a t e g i e si nc h i n a t h e r e f o r e ，t h ec r i t i c a lg o a la n dt a s ki n p e t r o - c h e m i c a li n d u s t r i e sa r et oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c i e so fe n e r g yu t i l i z a t i o ni np r o c e s s e s t h ef u n d a m e n t a l sa n da p p l i c a t i o n so fe x e r g e t i ca n a l y s i sm e t h o da n dp i n c ha n a l y s i s t e c h n o l o g y , w h i c hi se x t r e m e l ye f f e c t u a li nt h ea n a l y s i so fe n e r g yu t i l i z a t i o ns y s t e m ，w e r e d e m o n s t r a t e di nt h i st h e s i s r e g a r d i n gt h ee n e r g yu t i l i z a t i o ns y s t e mo fw a x yo i lh y d r o t r e a t i n g u n i t ，t h em a j o rh e a te x c h a n g ef a c i l i t i e s ，s u c ha u sh e a te x c h a n g e r s ，a i rc o o l e r sa n dh e a t i n g f u r n a c e s ，w e r ea n a l y z e dt h r o u g ht h ee x e r g e t i ca n a l y s i sm e t h o d 。t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe x e r g y l o s sr a t i od i s t r i b u t i o nw e r eo b t a i n e d a tt h em e a nt i m e ，t h ec r i t i c a lh e a te x c h a n g ef a c i l i t i e si n w h i c ht h ep e r f o r m a n c e sn e e dt ob ei m p r o v e dw e r ei d e n t i f i e d 。t h ef e a s i b l er e t r o f i ts c h e m e s w e r ep r o p o s e df o re n e r g yc o n s e r v a t i o n i no r d e rt od e c r e a s et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h e e n t i r es y s t e m ，p i n c ha n a l y s i st e c h n o l o g yw e r ea d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n o ft h ew a x yo i lh y d r o t r e a t i n gu n i t , a n ds o m eo p t i m a lm e a s u r e sa n ds c h e m e sw e r ep u tf o r w a r d t h er e s u l t so ft h ee x e r g e t i ca n a l y s i so nt h em a j o rh e a te x c h a n g ef a c i l i t i e si nt h eu n i t r e v e a lt h a tt h e r ee x i s tl a r g e re x e r g yl o s s e sa n dh i g h e re x e r g yl o s sr a t i o si nh e a te x c h a n g e r e 5101 ，s t e a mg e n e r a t o re 5110a n df u r n a c ef 510 2 t h ee n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c i e so ft h e s e f a c i l i t i e sc a nb ei n c r e a s e db yd e c r e a s et h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e si nh e a te x c h a n g e ，f o r e x a m p l e s ，c h a n g i n go p e r a t i o np a r a m e t e r s ，p r e - h e a t i n gt h er e l a t e ds t r e a m s p i n c h2 0 ，w h i c hi sas o f t w a r ep a c k a g ef o rh e a te x c h a n g en e t w o r ka n a l y s i s ，w a s a d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h eh e a te x c h a n g en e t w o r ko ft h ew a x yo i lh y d r o t r e a t i n gu n i t t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep i n c ht e m p e r a t u r ei nt h ep r e s e n tn e t w o r ki sh i g h t h eg e n e r a t i o no f s t e a mc o u l db eaf e a s i b l ew a yd u et oah i g h e rt e m p e r a t u r el e v e lo ft h eh e a ts o u r c e i nt h i s t h e s i s ，t h ee q u i v a l e n c eo ft h ep r e s e n tn e t w o r ka n das i m p l i f i e dn e t w o r kw a sp r o v e d t h e c o m p u t a t i o n a lr e s u l t sf o rt h es i m p l i f i e dn e t w o r ki n d i c a t et h a tt h eo p t i m i z a t i o no f t h en e t w o r k i sat h r e s h o l dp r o b l e m ，w h e r en oh e a t i n gu t i l i t yi sn e c e s s a r y , w h e nt h em i n i m u mt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eo ft h en e t w o r ki sn o tg r e a t e rt h a n14 。c t h et h e o r e t i c a lm i n i m u mc o o l i n gu t i l i t y i i i 英文摘要 c o n s u m p t i o ni s10 7 3 6 9 9 k w i nc o n t r a s t ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h en e t w o r ki sap i n c hp r o b l e m w h e nt h em i n i m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo ft h en e w - w o r ki sl e s st h a n1 4 ( 2 al a r g e re n e r g y s a v i n gp o t e n t i a lc o u l db er e a c h e dt h r o u g hr e d u c i n gt h eh e a t i n gl o a do f t h ef u r n a c e sw h e nt h e h e a te x c h a n g en e t w o r ki sc o n s i d e r e dat h r e s h o l dp r o b l e m i nt h i st h e s i s ，g i v e nt h a tr e d u c i n gt h eh e a tl o a do ft h ef u r n a c e si st h ep r i n c i p l em e a s u r e ， 5f e a s i b l ee n e r g ys a v i n gs c h e m e sw e r ep r o p o s e du n d e rt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gc o n s t r a i n t s , a n dt h et e c h n o e c o n o m i ca n a l y s i sw a sc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et a r g e to f d e c r e a s i n ge n e r g yc o n s u m p t i o no ft h eu n i t c a l lb e a c h i e v e dt h r o u g ht h es e l e c t i o na n d c o m b i n a t i o no ft h ep r o p o s e ds c h e m e si nt e r m so f p r a c t i c a ls i t u a t i o n s k e y w o r d s ：w a x yo i lh y d r o t r e a t i n gu n i t , h e a te x c h a n g e rn e t w o r k , e x e r g e t i ca n a l y s i s ， p i n c ht e c h n o l o g y , r e t r o f i ts c h e m e t h e s i s ： a p p l i c a t i o ns t u d y i v 主要符号表 a a 热量妩 蜀初始状态炯 e z 末期状态炯 e q i 过程的火用损值 励设备的总炯损值 助- 热介质进入换热设备时的炯 e q h ：热介质离开换热设备时的炯 如冷介质进入换热设备时的火用 艮：冷介质离开换热设备时的火用 场_ 换热设备的供给炯 勘换热设备的有效炯 b系统的炯值 e q 热量火用 h o 物系处在环境态的焓值 日，物系的焓值 p o环境的压力 q 热量 跏- 最小加热公用工程用量 主要符号表 q o 面最小冷却公用工程用量 s o物系处在环境态的熵值 s ，物系的熵值 丁。环境的温度 丁，始态的温度 丁z终态的温度 丁曲最小传热温差 死热力学平均温度 埘g 热容流率 u o 系统在环境状态下的内能 u 1系统的内能 系统在环境状态下的容积 n系统的容积 耽。一最大有用功 占设备的热力学完善度 r l 。设备的炯效率 e “i 过程的炯损率 见i 过程的炯损系数 i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名丝重豸 日期：缈o 矿 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：彦9 嘭i o ， 日期：d 磊矽廖，么，p 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 名茵一罕 函一适 芝压一 壁& 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国炼油产业的现状 炼油产业是我国国民经济的支柱，也是重要的能源和原材料基础工业，关系着国家 经济的命脉和能源安全。2 0 世纪后半叶，我国的炼油产业得到了快速的发展，形成了较 完整的工业体系，跻身世界炼油大国的行列。截至2 0 0 6 年，我国炼油能力已达3 7 亿吨 侔，居世界第二位，加工原油3 0 7 亿吨，开工负荷率达8 3 ，生产汽煤柴三大类成品 油1 8 2 亿吨。随着炼油工业结构调整，炼油企业的竞争能力和整体抗风险能力不断提高。 2 0 0 6 年，我国炼厂平均规模已由1 9 9 0 年的1 4 7 万吨年增长到2 9 0 万吨年，中国石油、 中国石化两大国有集团公司的平均规模已达5 0 0 万吨年左右【1 1 4 3 1 。 在规模、布局不断调整的同时，我国炼油产品结构也不断改善。为适应交通运输与 石化工业发展的需要，原油加工深度不断提高，中国石油、中国石化两大集团的轻油收 率已从1 9 9 8 年的6 6 增至2 0 0 6 年的7 4 ：柴汽比不断提高，从1 9 9 8 年的1 4 2 升至2 0 0 6 年的 2 0 8 。化工轻油收率也不断提高，从1 9 9 8 年的1 0 ，8 升至2 0 0 6 年的1 2 1 1 1 。多年来，通 过自主开发和科技创新，我国已拥有当代世界主要的先进炼油技术，先后成功开发包括 重油催化裂化、加氢裂化、渣油加氢处理等在内的一系列有特色的成套技术，部分技术 已达到国际先进水平。例如，具有独创性的催化裂解技术( d c c ) 【2 】。 然而，能源消费的加剧与炼油产业规模不断扩大的同时，原油的短缺、加工原油劣 质化、环境法规的加强和炼油工艺的节能降耗等问题日益凸现，特别是炼油工艺和生产 过程的节能降耗问题必须引起高度重视【3 h 4 1 。 1 2 能量利用过程系统的集成与节能 能源消费的加剧和能源供应的紧张是当今世界面临的挑战之一。世界各国研究人员 都在积极寻求各种解决的途径，更加有效地开发和利用能源。随着中国经济和社会的发 展，能源的消费在过去的2 0 年里已经翻了一番，超过1 3 亿吨标准煤，成为全球第二能 源消费大国，由能源和能源消费引起的资源和环境的相关问题已经成为制约我国经济和 社会可持续发展的重要问题之一。 中国是一个能源资源丰富的国家，水力资源居世界第一位；煤炭以探明可采储量居 世界第三位；石油可采资源总量在世界1 0 3 个产油国中居第十一位：天然气可采储量居 世界第二十一位。但我国能源仍十分紧张，人均能源可采储量远低于世界平均水平，2 0 0 3 年人均石油开采储量只有2 6 吨，人均天然气可采储量1 0 7 4 立方米，人均煤炭可采储量 9 0 吨，分别为世界平均值的1 1 1 、4 3 和5 5 4 。同许多发展中国家一样，能源短缺 和能源有效利用率低是我国经济发展突出制约因素。目前，我国单位g d p 的能耗是美国 的2 4 倍，是日本的6 8 倍。因此，节能在工业生产中具有举足轻重的作用，也是我国可 持续发展战略的重要途径之一。 进入二十一世纪后，世界各国都十分重视节能工作，各大跨国公司开发带有各自特 西安石油大学硕士学位论文 色的节能技术竞争日趋激烈，并取得了很大成效。但我国与国外同行业的差距还很大。 在工业实际生产运行过程中，其能耗均不同程度地高出设计能耗，这种现象在我国尤为 严重。统计数据表明，我国工业企业的节能潜力很大，经过能量系统集成优化后其能耗 可降低5 - - 一3 5 。 所谓能量系统集成是指从系统合理用能的角度出发，把整个系统集成起来作为一个 有机整体对待所开展的节能工作。它有别与单元操作设备的节能。它是将能量过程系统 进行整体分析、优化设计，可为现有石油化工装置的换热流程进行优化，并提出换热流 程优化设计方案和优化节能技术改造方案，达到合理用能和优化节能的技术。国外在过 程集成研究方面最引人注目的是上个世纪8 0 年代发展的用于过程系统节能的夹点技术， 据报道夹点技术已经应用的工业项目超过2 0 0 0 个，大多有2 0 , - - 一3 0 的节能效果。采用 夹点技术对换热流程进行优化节能在国内外已经得到普遍应用f 5 卜 9 1 。 1 3 蜡油加氢处理装置节能问题的提出 随着石油资源的日益短缺和劣质化以及环境法规的日益加强，清洁能源的生产已经 成为石化企业生存和加强竞争力的重要手段之一。石油的加氢处理是石油产品精制、改 质和重质馏分油深加工的核心工艺之一，它不仅是炼油工业生产轻质清洁油品的重要手 段，而且也是石油化工企业的关键技术之一，有着不可替代的地位和作用。 目前，我国对蜡油的加工主要采用脱碳型装置。蜡、渣油加氢型装置与脱碳型装置 相比，在原油资源的有效利用、实现清洁生产、提高产品清洁性上有明显优势，但在投 资费用与运行成本上则存在明显劣势【l o l 【1 1 1 。表1 1 是美国k b r 公司对1 m t a i 可拉伯中质减 压渣油采用焦化、催化裂化、加氢裂化三种工艺加工时投资成本的比较【1 2 l 。表l l 和表 l 一2 是美国斯坦福研究所( s p a ) 对每年) j i - v 2 m t j 可拉伯重质与轻质混合原油渣油时三种渣 油转化工艺固定成本的比较。两表均说明了加氢裂化的投资成本和固定成本较高。 表1 - 1 三种渣油转化装置投资成本比较f 1 2 】 装置类型投资成本，美元b b l 1 延迟焦化 渣油催化裂化 渣油加氢裂化 2 0 0 0 4 5 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 7 0 0 0 表1 - - 2 三种渣油转化工艺固定成本比较【1 2 】 装置类型固定成本1 0 4 美元 延迟焦化 渣油催化裂化 渣油加氢裂化 1 6 4 1 0 2 1 1 0 0 3 4 9 0 0 由于加氢型蜡渣油加工装置的投资成本与运行成本高，制约着加氢型装置的发展， 2 第一章绪论 从世界范围看，加氢型装置的比例也不高。要使我国蜡油加氢装置的能力有明显增长， 必须通过开发新工艺、新技术，实现蜡油加氢型装置关键设备国产化，改进蜡油中压加 氢裂化工艺和高压加氢裂化工艺，降低投资成本与加工成本。 蜡油高压加氢裂化尽管投资费用和运行成本高，但其蜡油转化率可高达9 0 ，并且 中间馏分油收率高，轻油与中馏分油收率调节余地大，所生产的喷气燃料烟点低，柴油 十六烷值指数高，尾油b m c 值低，宜用于生产高粘度指数润滑油或乙烯原料。其次产 品的硫含量也更低，更适合处理含硫较高的蜡油和中间基环烷基原油的蜡油【1 3 l 。 在原油资源的有效利用、实现清洁生产、提高产品的清洁性等方面，蜡油加氢装置 具有明显的优势。加氢处理工艺具有高压、强放热反应的主要特点，生产工艺中的原料 预热、反应物加热、产品冷却和物流换热等过程贯穿工艺过程的始终。 因此，针对加氢处理工艺装置进行系统的能量利用分析，降低生产操作能耗，对于 提高加氢处理工艺装置的经济性，降低生产成本具有重要的工程意义。 1 4 炼化企业中的过程能量系统集成 在炼化企业的生产系统中，从原料到产品的整个生产过程，始终伴随着能量的供应、 转换、利用、回收、生产、排弃等环节。例如，进料需要加热，产品需要冷却，冷、热 物流之间换热构成了热回收换热系统，加热不足的部分就必须消耗电力或由公用工程提 供的燃料或蒸汽，冷却不足的部分就必须消耗冷却公用工程所提供的冷却水、冷却空气 或冷量；泵和压缩机的运行需要消耗电力或由蒸汽透平直接驱动等等。 ： 从工艺过程的角度来看，整个工艺系统可以分为工艺过程子系统、热回收换热网络 子系统和蒸汽动力公用工程子系统等三个子系统，如图l l 所示。工艺过程子系统是指 由反应器、分离器等单元设备的组成的由原料到产品的生产流程，它是生产系统中的主 体。热回收换热网络子系统是指在生产过程中由换热器、加热器、冷却器组成的系统， 其目的在于把冷、热物流加热或冷却到所需要温度，并尽量回收利用热物流的热量。蒸 汽动力公用工程子系统，它包括锅炉、透平、废热锅炉、给水泵、蒸汽网管等设备，其 作为公用工程系统的核心。 3 西安石油大学硕士学位论文 图l l 炼化企业的能量利用系统 节能技术发展的初期主要着眼于局部单元过程，但系统各单元操作之间存在有机联 系。例如工艺条件或路线的改变将影响对换热网络和蒸汽动力系统的要求：换热网络回 收率的提高将减少加热公用工程量和冷却公用工程量：蒸汽压力级别的确定影响回收工 艺热量发生蒸汽的数量。因此，更大的节能效果在于对整个过程系统的能量供求关系上 进行分析，从全局的观点出发，改进现有的工艺及设备，达到合理有效的用能的目的， 这就是全过程系统能量集成的问题。 过程系统能量集成是一个极为复杂的多目标优化问题，长期以来主要依赖于经验。 近年来。相关的研究工作主要有集中在换热网络的集成优化、分离序列的集成优化、反 应器网络的集成优化和公用工程系统的集成优化等方面。 1 5 过程能量系统的集成方法与研究进展 1 5 1 基于经验和专家系统的分析方法 在炼化企业能量系统集成研究的初期，能量系统集成主要是基于经验规则的集成方 法。主要是现场工程技术人员长期实践所积累的经验，也有基于计算机对大量的实例进 行定量研究所总结出的经验规则。 通过经验法则的积累，在目前的数据库技术发展的基础上，产生了基于专家系统的 分析方法。 专家系统即将某一领域中专家们的知识和经验整理成规则，作为知识库存放于计算 机中，根据用户输入的原始条件和设计要求等信息，经过专家系统中的规则进行推理， 符合规则条件的就执行其结果，否则就不执行，从而得出一个符合专家知识的优化结果。 应用专家系统对工业的系统能量集成具有一定的优越性。因为能量系统的优化问题， 从过程实际角度看是一个十分复杂的问题。系统的优化综合不仅要考虑定量的指标，如 4 第一章绪论 能耗、投资和操作费用等，还要考虑若干定性的要求，如安全性、可靠性，这些定性的 目标很难用数学形式来表述，单纯的数学优化法难以奏效，而专家系统正是可以起到这 种作用的工具。但是，目前有关这方面的应用工作还处于研究工作阶段【1 5 】【1 8 l 。 1 5 2 基于热力学分析的方法 近几十年来，热力学分析和热经济学分析在理论方面取得了显著的进展。使人们对 能量重新进行认识，不只是从数量的多少，而更注重其质量高低。通过热力学方法可以 定量地研究有效能的性质、效率、费用及其与过程参数之间的关系，从用能地本质上对 过程能量系统进行分析和评价【阱9 1 【2 1 1 。热力学分析法与热经济学分析法，即从能量的量和 质的角度上分析问题，又在企业最关心的经济效益上分析问题，全面考虑了过程用能合 理情况，同时也是其它用能分析方法的理论基础。但是，企业能量系统的物流数目较多、 成分繁杂，这样熵分析法和炯j 析法的计算量和复杂程度增加，提高了求解的难度。 基于热力学第二定律的热力学分析法就是在总能量分析的基础上，对系统进行火盼 析，找出系统必灏较大的单元和子系统，以提高系统能量在量和质两方面的利用。 能量系统的热力学分析方法主要有 ( 1 ) 能量平衡法：通过能量衡算确定过程的能量损失和能量利用率，从能量的量上说明 系统中能量利用情况，进出系统的能量平衡： ( 2 ) 熵分析法：通过计算过程的不可逆熵产量，以确定过程的煳失和热力学效率， 由不可逆因素引起的火用损失： ( 3 ) 煳析法：通过火甩平衡确定过程的埘陨失和必瞰率。 能量在“质”上的高低，体现为在一定环境中它包含的可用能在相应的可逆过程中 完成的功量。为了衡量用能过程的热力学完善程度，需要了解煳失及分布情况。炯 分析法就是通过对各个环节上可用能利用效果的分析，从而把握全局的分析方法，它与 热力学第一定律分析方法共同揭示了能量流动的全过程。煳析法的本质是结合热力学 第一定律和第二定律( 以第二定律为主) ，从能量的数量和质量结合的角度出发分析和 揭示了能量中的火用( 有效能) 在装置或设备中的转换、传递、利用和损失情况。腑析 方法比能分析方法能够更深刻的揭示能量流动的本质。它不仅能更科学的评价能量系统， 而且还能够正确的揭示能量系统影响热力学完善性的薄弱环节或部位，为改进系统指明 方向。 册析方法在工程中已被广泛采用，如在炼油和石油化工装置中的非绝热精馏流程， 炼油厂的热泵及热变压器系统，重质原油的炼焦及综合气化联合循环机组，炼油和石化 单位的燃料电池系统等中均有应用【2 0 j 。此外，在海水淡化系统中，利用炯分析的方法对 海水加热器、热回收段的传热过程和闪蒸过程( 物理= j 佣变化、化学必肢化) 、热排放段 的传热过程和闪蒸过程、浓海水排放的物理火用损和化学煳等诸环节进行计算，用来 更好的进行系统热力学设计、性能评价、热经济学分析和优化【2 l l 。 近年来，腑析方法已逐步走出了工程热力学的狭小空间，在其它学科如经济学、 气 西安石油大学硕士学位论文 生态学、宇宙学、管理学、信息等领域均得到了广泛的应用。利用火用分析和现有的模拟、 分析、优化程序结合起来的科技方法进行了必腔济和埘h 生态的研究，可以查找出低效率 并且评估出其经济后果，以此来确定实际生产成本的流程和其对环境的影响【矧。 1 5 3 数学模型优化法 ( 1 ) 数学规划法【2 4 卜【2 8 l 数学规划法是通过建立换热网络集成优化问题的数学模型，求解所建立的目标函数 的最小值，从而得到最优的换热网络。 数学最优化方法可将过程优化集成问题用严格的数学语言描述，求解结果也不因设 计者而变化，可以克服基于知识等方法的局限性。用数学规划方法进行能量系统优化时， 需要涉及到系统的大规模组合特性、复杂的过程计算、m i n l p 建模和非凸问题求解等一 系列困难，所以被认为是极具挑战性的过程设计问题。 通常的能量系统优化问题在数学上一般可表示为混合整数非线性规划( m i n l p l 问 题，即 m i n z = f ( x ，y ) s t g ( x ，y ) 0 h ( x ，y ) 0 x x ，y y 其中f ( x y ) 为目标函数，通常选为能量系统的总费用，x 为系统操作参数的连续变量，如 温度、压力及流量等，x 表示所有可能的x 的集合，y 是描述系统结构的离散变量，一 般为0 1 变量。如果问题中的约束和目标函数都是线性的，则对应为m i l p 问题。 m i l p m i n l p 模型优化方法，亦称超结构优化法，一般包括4 个基本步骤：建立一 个理论上能包括所有可能分离方案的“超结构：将超结构的拓扑结构转化为等价的 m i n l p 问题，或称问题的模型化；建立一个对候选流程进行评价的经济目标函数： 用一定的数学最优化算法求解m m _ 一p 模型，即得到最优的流程结构和操作参数。 y e e 和g r o s s m a n 2 9 i 构造了换热网络的超结构( s u p e r s t r u c t u r e ) ，并以此为基础建立线 性约束混合整数数学模型，直接通过求解模型而得到最优的换热网络结构。解新安【3 0 1 等 人通过建立换热网络的超结构，以换热网络年费用( 包括设备费用和操作费用) 最小为 优化目标，分别对无分流换热网络和可变的温度条件下的换热网络进行数学规划求解， 均得到了较为满意的优化结果。 然而，对于实际的换热网络，实际相关的影响因素非常多，而且十分复杂，如果将 这些对网络优化有很大影响的因素全部都包括进来，模型就极难建立，即使建立了也非 常难于求解。因此，数学规划法至今未能在工程设计中得到广泛应用。 ( 2 ) 随机优化方法【3 1 1 1 3 2 1 随机优化方法法是根据概率和数理统计原理开发的一类优化算法，如遗传算法 ( g a ) 、模拟退火算法( s a ) 、进化算法( e a ) 、列队竞争算法( l a ) 等。同纯数学规划方法相 6 第一章绪论 比，这类算法可以有效求解组合优化问题，同时对目标函数的具体形式没有特殊要求， 因此具有比较广泛的通用性。应用随机优化方法时，对离散流程结构的合理表达和实现 混合变量的同步优化是其中最重要的两个环节。几十年来人们对其进行了广泛的研究， 应用较多的是模拟退火算法。陈中洲等提出用模拟退火优化流程结构的同时，用线性规 划来优化操作参数( 即s a l p 算法) ，但问题的线性化将带来较大误差。由于问题的复杂 性，要真正做到“模型化 和“最优化”还有相当大的距离，各种最优化方法均未达到 成熟、适用化的程度，真正用于实际工业领域的例子还鲜见报道。 1 5 4 夹点分析法与换热网络的设计与改造 2 0 世纪7 0 年代末期，英国学者l i n n h o f f 等人基于对换热过程的热力学分析，提出 了描述换热网络中能量流的新方法一“夹点法”。该夹点限制了换热器网络可能达到的 最大热回收量，其核心贡献在于将复杂、相互制约的概念简化。2 0 世纪8 0 年代初，l i n n h o f f 将用于换热网络综合的夹点技术推广到整个过程系统的能量分析与调优。目前，该方法 已经在工业中能量利用系统获得广泛的应用【3 3 1 1 【3 6 l 。 换热网络的集成优化有两种类型：一类就是新换热网络的综合设计方法；另一类是 原有换热网络的改造设计方法1 3 7 1 。【4 2 1 。 通常换热网络的改造设计比新换热网络的设计更为复杂，受到的约束更多，要考虑 的因素也更多。对于已有装置的换热网络改造设计问题，国外学者做了很多探索研究， 如b i 6 r k 和n o r d m 肌1 4 3 l 在前人研究的基础上提出了改进的s y n h e a t 模型，能够较好的解决中 等规模的换热网络改造问题，但对于大型换热网络的改造还有待进一步研究。b r i o n e s 和 k o k o s s i s l “1 提出了一种换热网络改造设计的精确的系统最优化方法，这种方法将数学规 划和夹点技术相结合分析换热网络，兼顾了换热网络结构和换热面积的变化、换热网络 的最优化的复杂性和经济性的权衡。 国内专家学者在换热网络的优化设计研究和改造实践上已经进行了大量研究，并取 得了许多成功的范例f 4 5 】删l ，特别是在能耗较大的精馏塔系的热集成方面，已经取得了很 大进展h 9 h 5 2 i 。但国内学者在换热网络改造的理论上所作研究较少，至今仍未形成系统的 理论方法。对于现有装置的换热网络的改造，首先希望尽可能的利用原有的换热器：其 次，原有的系统结构也会限制进行的改造，例如，工艺设备的位置已经确定，某些流股 会因为距离太远而不便进行换热；再比如为了不更换流体输送泵，有时需要限制换热器 中的流速或新增换热器的数目，以避免流体压降过大。因此在改造中，要综合考虑各种 因素1 5 3 1 ( 5 4 1 。 1 5 5 余热利用的途径 企业的能源利用率平均在3 0 4 0 ，还有大量余能尚未被充分利用。由于消耗的能 源中以燃料为主，所以余能中绝大部分是以热能的形式存在。余热资源属于二次能源。 7 西安石油大学硕士学位论文 从广义来说，凡是具有一定温度的排气、排液和高温待冷却的物料所包含的热能均属于 余热。它包括燃料燃烧产物经利用后的排气显热、高温成品的显热、高温废渣的显热、 冷却水带走的显热。在不同的工序有着不同的种类和形态。余热的温度水平以及数量也 有很大差别。 在考虑余热回收方案前，首先要调查提高装置本身的热效率是否还有提高的潜力。 提高装置热效率会减少余热量，可以直接节约能源消耗，比通过余热装置回收更为经济、 有效。同时，如果不考虑装置本身的潜力而设置了余热回收装置，则当装置提高效率后， 余热源会减少，余热回收装置就再不能充分发挥作用。第二步应考虑余热能否返回到装 置本身。它可以起到直接减少装置的能源消耗，节约高质能源的效果。它比回收余热供 其他用途时节能效果要大。第三步是具体研究回收的方案。余热回收方案的考虑顺序如 图l 一2 所示。 图1 2 余热回收方案考虑顺序 余热利用的原则是：根据余热资源的数量和品质以及用户的需求，尽量做到能级的 匹配，在符合技术经济原则的条件下，选择适宜的系统和设备，使余热发挥最大的效果。 根据余热的温度水平不同，余热利用的途径主要有三方面：直接利用、动力回收和 供热泵用。如果有合适的热用户直接利用余热，那么最为经济、方便。对于高温余热， 采用余热发电系统更符合能级匹配的原则。对较低温度的余热，在没有适当的热用户的 情况下，将余热转换成电能再加以利用，也是一种可以选择的回收方案。对不能直接利 用的低温余热，可以将它作为热泵系统的低温热源，通过热泵提高其温度水平，然后加 以利用。 对于余热回收的研究，早期主要是只考虑某股热流的回收、某个设备或单元的节能 改造，般采用在反应器前设置加热器、反应器后设置冷却器这种一对一的方式。而不 是整个的热回收系统，大多着眼于能量的数量的节省。只考虑局部而没有考虑整个系统 的余热回收方案是有弊病的，轻则方案没有达到最好，随着工作的发展，还要进一步改 r 第一章绪论 造：重则可能出现从全系统考虑不仅不节能，反而耗能的情况，同时还增加了投资费用。 近年来随着能源问题的日益突出，过程系统技术的不断发展，人们意识正确的结构 匹配能带来明显的节能和节省投资的双重效果。近年来，过程集成技术在设计和改造中 的显著节能效果使得该方法成为节能研究的热点。过程集成方法中目前最实用的是夹点 技术。夹点技术与余热回收相结合进行夹点之下余热回收已经有较为详尽的研究。而夹 点之上一般是高温位的热量，通常通过匹配合适的热阱来平衡，夹点之上的余热回收目 前还少有这方面的报道。 1 6 本论文的目标与主要工作 本论文针对蜡油加氢工艺装置的能量利用系统进行研究，目标在于通过计算和分析 寻找能量利用系统中的高能耗单元设备，并通过对整个系统的分析，获得系统的最大节 能潜力，提出相应的改进方案和措施。 本文主要完成以下研究工作： ( 1 ) 采用热力学火用分析方法对工艺装置中的主要单元换热设备进行分析，获得换热 器、空冷器和加热炉等的埘陨率分布特性； ( 2 ) 基于热力学火甩分析方法，甄别出需提高性能的关键换热设备，并提出相应的提高 换热设备能量利用效率的方案和措施； ( 3 )采用夹点分析方法对蜡油加氢工艺装置的整个换热网络进行了系统深入的分析和 计算，为了便于流股匹配，简化换热网络，并证明简化后换热网络与原始网络在 能量利用特性上的等价性： ( 4 ) 采用夹点分析方法对蜡油加氢工艺装置的原始换热网络的节能潜力进行了分析和 计算： ( 5 ) 以降低装置能耗为目标，提出了蜡油加氢工艺装置用能优化的5 个节能技术方案， 并对所提出的技术方案进行了技术经济分析。 9 西安石油大学硕士学位论文 第二章能量利用过程系统分析与优化的原理 2 1 能量利用过程的煳析方法 2 1 1 煳析原理 对于一个系统，能量守恒定律或热力学第一定律只解决了系统变化前后能量数量的 关系问题，但并不是说只要满足了热力学第一定律的过程就可能发生，许多满足热力学 第一定律的过程被证明是永远也不可能发生的。譬如，热不可能1 0 0 地转变成功，但 功可1 0 0 地转变为热。能量除了有数量方面的特征外，还有品质方面的特征，亦即不 同的能量，其品质是不同的。品质高的能量用途多而大，品质低的能量用途就少而小。 能量的品质特征就可以以它能转化为功的能力来确定。如果转化为功的能力强品质 就高，转化为功的能力弱品质就低。用能量中能够转变为有用功部分的多少作为衡量能 量品质的指标，将使我们对能量的认识更全面、更深入。能量中最大转化为可用功的部 分称为“火用”。 将火用( e x e r g y ) 作为衡量能量品质的指标具有普遍意义。火甩分析法的本质是结合热 力学第一定律和第二定律，从能量的数量和质量结合的角度出发分析和揭示了能量中的 艚装置或设备中的转换、传递、利用和损失情况。 2 2 2 炯的定义与热量火用的计算 能量转换过程总是在一定的自然环境条件下进行的。当物系处于自然环境状态时， 即物系与自然环境建立了完全热力学平衡时，就不再有任何自发过程发生，因而其火用 值为零。所以，自然环境是火用的自然零点。 真实的环境是复杂的，其温度和压力因时因地而变同一元素可组成环境中存在的 各式各样的物质。因此，在煳析中所说的自然环境，是一种概念性的环境，既有客观 的实在性，又有人为的规定性，要根据所研究的具体对象而定。 在煳析方法中，自然环境具有以下特点：它是一个范围很大的静止物系，其各部 分温度、压力相等，组成均匀，且不随时间而变：它是一个庞大而恒定的热源和物质源， 不会因为得到或给出热量、物质而使其温度、压力或组成发生变化：因此，任何过程都 不会对环境的热力学性质产生影响。 热量是一个系统通过边界以传热的形式传递的能量。热量中包含热量黼热量妩 热量炯是指系统所传递的热量在给定环境条件下采用可逆方式所能作出的最大有用功。 热量舸以采用以下方法计算： 设将传递的热量可逆地加给一个低温热源为自然环境的可逆热机，如图2 1 所示， 则此可逆热机所能做出的有用功就是该热量的火用。 1 0 第二章能量利用过程系统分析与优化的原理 图2 一l 可逆热机与热量炯 根据热量炯的定义，可逆热机作出的最大有用功就是可逆地加给系统的热量火甩即： 岛= 呢一= q r o f 2 s q r = r ( 1 一t o t ) # q ( 2 - 1 ) 热量煳： 如2 q 一岛一瓦j 。8 q t ( 2 - 2 ) 因为j 1 2 万q r 是系统在可逆吸热时熵