（化学工程专业论文）锦西石化南蒸馏装置节能改造.pdf

中文摘要 锦西石化公司南蒸馏装置比较陈旧，能耗一直较高，2 0 0 0 年平均能耗 达1 8 1 9 k g e o t ，距达标要求( 指标l o 8k g e o t ) 相距甚远。经分析 后得知，其最根本原因是其装置的换热网络安排不当，导致原油换热终温 低( 约2 7 0 ) ，加上其它一些设备上的原因，致使燃料、电力、水、蒸 汽等公用工程消耗量过大。为了降低操作成本，提高经济效益，必须进行 以换热流程优化为主，设备更新改造为辅的节能技术改造工作。 窄点技术是8 0 年代由b l i n n h o f f 教授等人提出的合成换热网络的一 种新理论，该技术以其较强的实用性而引人注目，经过多年的应用研究， 已成为过程工业节能的一种先进且特别实用的技术，广泛应用于炼油、石 油化工、造纸、制药、水处理等几乎所有过程工业部门。以窄点技术为核 心的a s p e np i n c h 软件首次在本院应用，解决了南蒸馏装置换热网络优化 设计的问题，取得了良好的效果。 针对南蒸馏装置的特点，在本次工程设计中采用的降低装置能量消耗 的途径有： 优化调整整个换热流程，提高原油换热终温，降低产品冷却负荷， 提高装置热回收率； 优化装置的操作参数，常、减压塔采取适当的回流取热比例，充分 利用高温位热源； 改造常、减压加热炉，提高热效率，降低燃料消耗； 改造电脱盐设施，降低电脱盐系统电耗： 采用电机调频技术。 南蒸馏装置在2 0 0 2 年8 月底改造工作完成，9 月一次开车成功。经标 定，原油换热终温稳定达到3 1 0 ，装置能耗1 0 8 k g e o t 原料，节能指 标全部达标。 锦西石化南蒸馏装置节能改造的成功，再一次显示了窄点理论在指导 炼油装置节能设计中的巨大作用。 关键词：蒸馏节能换热网络窄点 a b s t r a c t t h es o u t hd i s t i l l a t i o nu n i to fj i n x ip e t r o c h e m i c a lc o m p a n yi s d a t e d ， a n di t se n e r g yc o n s u m p t i o ni su pt o18 - 19 k g e o t ，w h i c hi sm o r eh i g h e rt h a n t h es t a n d a r dl e v e l ( g o 8 k g e o t ) i ti sa n a l y z e dt h a tt h ev i t a lr e a s o ni st h e i l l o g i c a l h e a t e x c h a n g en e t w o r k ，w h i c h l e a d st ol o w e rh e a t e dc r u d e t e m p e r a t u r e ( 2 7 0 ) t h e n ，t h eu t i l i t yc o n s u m p t i o ns u c ha sf u e l ，w a t e r ， e l e c t r i c i t ya n ds t e a mi se x t r e m e l yo v e r l o a d i n g i no r d e rt od e c r e a s et h e o p e r a t i n gc o s ta n di n c r e a s et h ee c o n o m i cb e n e f i t ，t h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n r e v a m p i n gm u s tb ed o n ei n c l u d i n go p t i m i z i n gh e a te x c h a n g en e t w o r ka n d u p d a t i n gs o m ee q u i p m e n t s t h ep i n c ht e c h n o l o g yi san e wt h e o r yo nc o m b i n e dh e a te x c h a n g e n e t w o r k ，w h i c hi sr a i s e db yp r o f e s s o rb l i n n h o f fa n ds oo ni n1 9 8 0 s i th a s b e e np a i dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s eo fi t s p r a c t i c a b 订i t y i th a sb e c o m ea n a d v a n c e da n dp r a c t i c a le n e r g yc o n s e r v a t i o nt e c h n o l o g yi np r o c e s s i n gi n d u s t r y i th a sb e e nu s e di na l m o s ta l lp r o c e s s i n gi n d u s t r ys u c ha sp e t r o l e u mr e f i n i n g ， p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，p a p e rm a k i n g ，p h a r m a c y a n dw a t e r d i s p o s i n g a d o p t i n gt h ea s p e np i n c hs o f t w a r eb a s e do np i n c ht e c h n o l o g yf o rt h ef i r s t t i m e ，w es u c c e e di no p t i m i z i n gh e a te x c h a n g en e t w o r ko fs o u t hd i s t i l l a t i o n u n i t a c c o r d i n gt ot h es o u t hd i s t i l l a t i o nu n i t ，t h ef o l l o w i n gm e t h o d sh a v e b e e na d o p t e dt od e c r e a s et h ec o n s u m p t i o no ft h eu n i t o p t i m i z i n gt h ew h o l eh e a te x c h a n g en e t w o r k ，r a i s i n gt h ee n dh e a t e d t e m p e r a t u r eo ft h ec r u d e ，d e c r e a s i n gc o o l i n gc a p a c i t yo fp r o d u c t sa n d i n c r e a s i n gt h ey i e l do fh e a ts a v i n g o p t i m i z i n go p e r a t i o np a r a m e t e r s ，a d o p t i n gp r o p e rr e f l u xr a t i oi n a t m o s p h e r i cv a c u u mc o l u m nd e s i g n i n g ，f u l l yu t i l i z i n gt h ee n e r g yo fh i g h t e m p e r a t u r ep u m p a r o u n ds t r e a m s r e v a m p i n gt h ef u r n a c et oi m p r o v eh e a te f f i c i e n c ya n dd e c r e a s i n g t h ef u e lc o n s u m p t i o n r e v a m p i n g t h ee l e c t r i c a ld e s a l t e rt o d e c r e a s i n g t h e p o w e r c o n s u m p t i o n a d o p t i n gf r e q u e n c yg o v e r n i n gt e c h n o l o g y t h er e v a m p i n gp r o j e c tw a sf i n i s h e di na u g u s t2 0 0 2a n dt h eu n i tr a ni n g o o ds t a t es i n c es e p t e m b e r2 0 0 2 i tw a st e s t e dt h a tt h ee n dh e a t e dt e m p e r a t u r e o ft h ec r u d ei su pt o310 c ，a n dt h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o nw a sl o w e rt h a n 1 0 8 k g e o t t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nt a r g e tw a sa c h i e v e d t h er e v a m p i n go ft h eu n i ta g a i np r o v e st h a tt h ep i n c ht e c h n o l o g yp l a y sa g r e a tr o l ei ne n e r g yc o n s e r v a t i o nd e s i g n k e y w o r d s ：d i s t i l l a t i o n ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，h e a te x c h a n g en e t w o r k ， p i n c h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取雩的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘鲎或其他教育机构的学位主证 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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： z 磊 签字日期：上m ，年，2 月马 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的援定 特授权叁鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸吁检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： z ；磊 l 导师签名：彳、牛 冈 签字日期：一，年忆月闩签字日期：反x 名年月 刁 第一章前言 第一章前言 1 1 当前经济形势下节能的意义 进入2 1 世纪，面对中国经济进入新一轮高速增长周期的能源瓶颈， 中国已处于能源发展战略的关键时期。要完成政府确立的到2 0 2 0 年基 本实现工业化和全面建设小康社会的目标，必须坚持把能源作为经济 社会发展的战略重点。针对中国国情，国家提出“提高效率，保护环 境，保障供给，持续发展”的中国能源发展战略的构建依据。因此， 中国能源发展战略要坚持开发节约并举，确立节能首要位置，提高能 源利用效率 近期，由国家发展和改革委员会组织编制的我国第一个节能中 长期专项规划正式对外发布，该规划将是我国中长期节能工作 的指导性文件和节能项目建设的依据。按照规划内容，石油石化业等 七个行业将成为节能的重点领域。其中，石油石化工业的节能方向中 包括石油炼厂提高装置开工负荷和换热效率及回收余热等。 随着科学技术进步，采用先进工艺技术、提高企业装备水平和管 理水平，以及建立节能型社会，是当前我国提高能效、有效挖掘节能 潜力的重要措施。针对石油炼化工业，对装置合理利用能源，降低消 耗，提出了更高的要求，越来越重视节能新技术的开发应用。 目前，国内炼油企业常减压装置与国外发达国家相比，不仅规模 小而且能耗高。这样，在我国石化企业为与国际接轨而提高装置经济 效益的扩能改造中，对整个装置系统进行能量优化、换热网络优化、 装置各单元设备优化则显得尤为重要。 1 2 炼油厂中蒸馏装置的作用 原油蒸馏装置是炼油厂原油加工的龙头装置，原油经过蒸馏分离 成各种油品和下游加工装置的原料。原油蒸馏装置设计和操作的好坏， 对炼油厂的产品质量、收率及对原油的有效利用都有很大影响。蒸馏 装置消耗的能量约占炼厂总用能量的1 5 2 5 ，蒸馏装置燃料消耗 一般占炼油厂自用燃料油的比重最大，降低原油蒸馏装置的能耗对炼 油厂提高节能水平和经济效益具有重要意义。 第一章前言 在炼油生产过程中要消耗大量的能量，所消耗的各种形式的能量 主要来源于燃料和电力，据测算心，9 0 年代初原油加工总计消耗能量 折合原油约6 6 5 m t 年，占原油加工量的6 5 7 。炼油生产过程 节能可以直接增加石油产品、降低加工成本，关系到石油资源的合理 利用和企业的经济效益 能量的合理利用是蒸馏装置流程选择的重要课题，直接关联着装 置技术经济指标的优劣。因此，合理安排换热流程，充分利用低温位 热源和加热炉烟气余热，适当调整工艺操作参数，减少燃料及水、电、 汽、风等公用工程的消耗。 提高热回收率是蒸馏装置节能的关键之一，而换热又是回收热量 的主要手段。 近年来，通过积极地将节能新技术和新工艺成果应用到工程设计 和装置技术改造中，石化企业在技术进步和经济效益方面都有了较大 的提高。通过采用新技术和新工艺，解决了石化企业发展中存在的瓶 颈问题，达到了节能、节资、降低操作费用的效果。 1 3 本文主要研究内容 在本论文中，针对锦西石化公司南蒸馏装置能耗高，影响全厂生 产成本的生产实际问题，经分析后得知，其最根本原因是其装置的换 热网络安排不当，导致原油换热终温低( 约2 7 0 ) ，加上其它一些设 备上的原因，致使燃料、电力、水、蒸汽等公用工程消耗量过大，2 0 0 0 年平均能耗达1 8 1 9 k g e o t 。为了降低操作成本，提高经济效益，决 定对其进行以换热流程优化为主，设备更新改造为辅的节能技术改造 工作。 针对以上分析结果，结合南蒸馏装置现状及当前蒸馏装置节能设 计的最新成果，提出以下设计方案： 利用窄点技术为指导，优化南蒸馏装置的整个换热网络，提高原 油换热终温，降低产品冷却负荷，提高装置热回收率，这也是本次改 造设计的重点内容； 优化装置的操作参数，常、减压塔采取适当的回流取热比例，充 分利用高温位热源； 改造常、减压加热炉，提高热效率，降低燃料消耗； 第一章前言 改造电脱盐设旌，降低电脱盐系统电耗； 采用电机调频技术。 以上设计方案已经得到具体实施，锦西石化南蒸馏装置在2 0 0 2 年 8 月底改造工作完成，9 月一次开车成功。经标定，原油换热终温稳定 达到3 1 0 ，装置能耗1 0 8 k g e o t 原料，节能指标全部达标。 锦西石化南蒸馏装置节能改造的成功，再一次显示了窄点理论在 指导炼油装置节能设计中的巨大作用。 第二章国内外研究状况 第二章国内外研究状况 2 1 常减压装置的用能特点及主要环节 常减压装置主要用能形式是热、蒸汽、流动能。其中热、功、蒸 汽是由电和燃料转化过来的( 加热炉、机泵等) 。 转换设备提供能量进入分馏塔后，连同能量回收系统( 中段回流等) 完成工艺过程。除一部分进入产品，大部分进入能量回收系统，反映 在工艺指标上即为：常压加热炉实际提供能量是约在2 9 0 3 6 0 这一 段。 能量在一系列的转换和传输过程中，其强度参数( 主要是温度、压 力等) 不断下降，直到装置不能回收，最终通过冷却、散热等渠道排放 到环境中，连同转换过程中的损失一起构成了装置能耗。 在上述过程中，我们可以发现常减压装置用能的三个主要环节： 将一次、二次能源转化为工艺过程能够直接利用的能量转换和传输环 节；工艺核心过程( 分馏实现) 的能量利用环节。 2 2 蒸馏装置能耗的一般情况 2 0 0 1 年中国石化的蒸馏装置平均能耗为1 1 8 5 k g e o t ，先进水平 为1 0 4 7 k g e o t ，国际先进水平达到1 0 0 2 k g e o t 1 。 降低能耗仍然是常减压蒸馏装置的重要任务。按照单体设备节 能、装置内节能和系统综合节能三个层次，应采取不同的技术。燃料 消耗占常减压蒸馏装置能耗的7 0 以上，所以，节能的首要任务是提高 加热炉的热效率。中国石化炼油事业部2 0 0 1 年对公司内5 4 台加热炉 进行了调查，平均热效率为8 5 2 ，比设计值低了3 。中国石油炼油 与销售分公司也对部分炼油企业的加热炉进行了摸底，一般企业常减 压加热炉的热效率在8 7 8 9 ，全厂平均热效率在8 5 8 6 ，比较好 的企业约为8 7 。加热炉的主要问题是烟气氧浓度超标，许多在5 以 上，设计的氧化镐仪表不能发挥作用。也存在炉子老化失修、积灰严 重、露点腐蚀等问题。 塔的优化设计和优化操作，是常减压蒸馏装置单体设备节能的又 一个重点但常常被忽视。从设计方面看，存在合理的理论板数和工艺 第二章国内外研究状况 用能之间的优化问题，也就是投资和运行费之间的优化问题。近年来， 常压塔的塔板数有增加的趋势，一般为5 2 层，新设计的常压塔有的设 计了5 4 层。合理的塔板数和优化的回流取热分配相呼应，对常压塔的 节能非常有利，可以充分发挥好这些技术在节能中的作用。个别炼厂 的常压塔由原来的板式塔改造为规整填料的常压塔后，产品分离精度 增加，轻油收率也有所提高。 优化换热网络是常减压蒸馏装置提高换热终温，降低燃料消耗的 必要措施。采用窄点技术优化的蒸馏装置换热网络，热量的回收率一 般可以达到8 6 以上。大庆炼化分公司二套常减压蒸馏装置设计能耗为 4 4 7 9 9m j t ，初馏塔底油换热终温能够达到3 0 5 ，但存在常二线油 收率低、常压塔进料温度偏高、中段回流取热量不优化等问题，经过 装置内部能量的优化匹配后，柴油收率提高0 8 ，初馏塔底油换热终 温提高5 8 ，燃料消耗降低2 0 0 2 5 0k g h ，取得了较好的经济效 益。 过汽化率的控制和轻质油收率之间也有一个优化问题。应根据原 油性质、产品质量要求、装置负荷、操作压力、汽提蒸汽量的不同进 行适当调整。 常减压蒸馏装置是能量系统优化的重点之一。首先应考虑到为下 游装置提供热进料：其次要用装置自身的低温位热能加热系统的热阱， 比如加热锅炉给水、低温热制冷等：第三是考虑把其它装置的高温位热 量引入装置加热原油，降低燃料消耗，如催化裂化油浆加热初馏塔塔 底油的技术已经在几个企业得到成功应用。 2 3 蒸馏装置的节能方法 常减压装置的节能经历了三个阶段，即：生产管理上的撇浮油阶 段( 如加强加热炉操作管理的“三门一板”等) ；投资较少的单体设备 提高效率的改造阶段( 如塔板的改造等) ；投资较大的以换热流程为主 体的装置改造阶段。 提高热回收率是原油蒸馏装置节能的关键之一，而换热又是回收 热量的主要手段。为了提高原油换热终温，一般采用下列措施瞄1 ： 第二章国内外研究状况 2 3 1 分馏塔取热合理分配，增加高温位热源的热量 分馏塔剩余热量是用塔顶回流和中段回流取出的，热流的温位 自上而下逐渐升高。因此，在保证产品收率和质量的前提下，尽量多 从塔的中下部取出高温位热源，使其在换热系统中得到充分的利用。 目前国内各厂常压塔取热分配大致为：顶冷回流5 ，顶循环回流2 5 ，一中回流3 0 ，二中回流4 0 。减压塔取热分配大致为：项塔回 流7 1 0 ，一中回流4 0 4 3 ，二中回流5 0 。两塔的剩余热量回 收率均可达到8 50 左右。中段回流量和返塔温差之间存在优化问题， 增加中段回流量虽然增加了电耗，但在给定取热负荷下，提高了返塔 温度，有利于利用热源的温位，要根据具体情况作出选择。 2 3 2 充分利用中、低温热源 原油蒸馏装置的热源较多，温位高低不一，热容量大小迥异。 绝大部分热源除可用于与原油换热外，尚可用一部分中温位热源发生 装置自用蒸汽。塔顶或经换热后小于1 3 0 的低温热源还可用于加热锅 炉上水、油罐保温用水、乃至生活取暖用水等，有效地提高装置的总 热回收率。 2 3 3 优化换热流程 无论是炼油工业，还是其他石油、化工工业经常遇到换热流程 工艺计算。换热流程中的冷热物流、换热器、加热器、冷却器、混合 器和分流器等的组合便构成了换热网络。众所周知，换热物流的合理匹 配是实现节能降耗的关键，而通过换热网络模拟对已有换热网络的操 作弹性作定量的预测与分析是重要的手段。 在实际生产中，因为不可避免的工艺路线或条件的局部变更； 设备的改造或技术革新造成的工艺条件变更；处理量和操作条件的变 更；运转初、末期结垢热阻的变化；设计合成换热网络时逐台设备留 有的换热面积余量等等因素，都会造成实际网络偏离最优的网络操作 条件下运转。因此需要用换热网络模拟计算来预测或检验实际网络的 运转效果，分析遇到的瓶颈问题和操作弹性范围。 利用窄点理论，结合装置实际情况，把所有可资利用的冷流和热 流( 包括装置外可以利用的冷源和热源) 分块匹配、合理安排换热顺序， 第二章国内外研究状况 优选合适换热器规格，使整个换热系统达到平均温差合理、传热系数 高、热流密度大，各路压降低，实现接近最优的条件。使用先进的计 算机优化程序，可使原油换热后的终温过去的2 5 0 2 7 0 提高到2 8 5 3 1 0 ，相应地减少了常压炉的热负荷，燃料耗量降低3 6 4 8 。一 般来讲，换热流程的优化对于蒸馏装置来说，是降低装置能耗的最有 效手段。 2 3 4 选用新型换热器 高效换热设备可在较小的压力损失情况下，获得较高的传热系 数，不易结垢，有利于长周期运行。一些新型换热器如螺纹管换热器 应用在原油蒸馏装置中，可有效地节省建设投资。如一个新建的3 5 m r a 燃料一润滑油型蒸馏装置由于较多地选用了螺纹管换热器，节省了 约2 5 0 0 m 2 换热面积，占总换热面积的2 4 6 ，使装置在换热器的投资 降低了四分之一。折流杆换热器可以提高管外膜传热系数，减少壳程 压力降，目前也已部分应用于工业上。 2 3 5 塔设备的改造 在满足一定的分馏精度条件下，增加塔盘数或者提高塔盘效率， 都会减少分馏的用能，可以通过投资与操作费用的比较选择最经济的 塔盘数和相应的回流比。常压塔和减压塔是多侧线的复杂精馏塔，设 置中段回流后，对中段回流以下的分馏效果没有影响，但减少了中段 回流以上分馏段的回流比。在满足塔顶和上部侧线产品分馏要求的前 提下，应尽量增加下部高温位中段回流的取热，这是一个全塔优化的 问题。现在国外一些新的常压塔通过适当增加塔盘数，取消了塔顶冷 回流，用塔顶循环回流代替冷回流。塔顶循环回流的温位较高，有利 于换热，同时还有减少塔顶冷凝冷却系统的负荷，减少塔顶压降，降 低投资等优点。 2 3 6 提高加热炉热效率 燃料消耗是常减压装置最大的用能项目，对于一个1 0 o m t a 的常减压装置，其常压炉和减压炉的热负荷之和可达1 5 0 m w 以上，即 使加热炉热效率为9 0 ，全年燃料消耗量也在1 2 0 k t 以上。热效率每 提高l ，全年的燃料消耗量可降低1 2 0 0 t 以上，可见对大型常减压装 第二章国内外研究状况 置，加热炉热效率问题的重要性。 2 3 7 降低电耗量 常减压装置机泵数量多、流量大，不少机泵的扬程高，电耗是仅 次于燃料消耗的重要耗能项目，一般约占装置总能耗的1 0 2 5 。 影响耗电量的主要因素是泵的效率、电机效率以及机泵的运行区域是 否处于其高效区近年来，已不断推出各种新型的节能泵和高效电机。 常减压装置一般都要加工多种原油，各物流的流量变化范围往往很大， 使用变频调速电机节能的潜力往往很大，由于电机轴功率与电机转速 的三次方成正比，所以转速下降，电机消耗功率将显著降低，从而达 到节电的效果。此外，使用变频调速电机还有控制平稳，降低设备磨 损，维护工作量少和噪音低等优点。 此外，不同的电脱盐设备，电耗差别较大。 第二章换热网络优化设计技术 第三章换热网络优化设计技术 3 1 换热网络优化技术综述 在石油、化工生产过程中，一些工艺物流需要加热，而另一些工 艺物流需要冷却，如何合理地将这些物流匹配在一起，充分利用热物 流去加热冷物流、提高过程的热回收率，以便尽可能地减少公用工程 加热和冷却负荷是一个多方案、多目标的集成问题。换热网络合成就 是确定出这样的换热流程，使它具有最小的冷换设备( 换热器、加热器 和冷却器) 投资费用和操作( 公用工程) 费用，并将每一个过程物流由初 始温度达到指定的目标温度。除此之外换热网络还要求具备较好的灵 活性、可操作性和可控性等。 由于一般的换热网络系统中，含有数十股物流需要加热或冷却， 因此换热网络设计面临着大量的冷热物流匹配的组合问题，近3 0 年来 一直是热量利用系统工程学科中最活跃的研究领域。7 0 年代，换热网 络设计方法”主要是启发探试法，即在数以百计的换热组合中，根据 工程经验逐一排除不可行的换热网络设计方案，这种方法的缺点是数 学计算量特别大而且还容易漏掉较好的设计方案。8 0 年代以后， l i n n h o f f 等人提出了换热网络窄点( p i n c h ) 的概念和“窄点技术”合 成换热网络的方法，该技术以其较强的系统性特别是实用性而引入注 目。换热网络设计大多以窄点为分界点，分别将换热网络分为两部分 进行设计，最后合并为一个完整的换热网络。 换热网络合成是多目标优化问题，同时也是包括工程实际限制条 件在内的多约束下的寻优问题。其中还包含非定量的目标，如柔性、 操作性、安全性等m ， 3 2 窄点技术的概述 窄点技术的原理 1 9 7 8 年由英国曼彻斯特大学的b l i n n h o f f 教 授提出，经过多年的应用研究，已成为过程工业节能的一种先进且特 别实用的技术，广泛应用于炼油、石油化工、造纸、制药、水处理等 几乎所有过程工业部门。据一项1 9 9 4 年的统计资料，窄点技术在全世 界的工业应用项目在2 5 0 0 个以上。 第二章换热网络优化设计技术 传统方法的缺点为热力学第一定律不能真正说明能量损失的原 因，而第二定律又很抽象，实际过程中难以应用，并且传统方法到目 前还仅限于换热物流数目较少的网络，对复杂网络，数学方法还很不 成熟，不仅经常得不到答案，而且合成的网络很复杂，难于实际应用。 窄点技术的显著特点就是简单实用。使用简单的图表加上一定的 工程经验即可对复杂的装置和系统，同时优化权衡能量与投资。它特 别强调技术人员对问题和目标的理解，所有的决定由技术人员自己做 出，因为技术人员始终了解发生的所有事情，能在具体设计之前，就 可提出很好的实用解决方案。 窄点技术主要是优化广义的换热网络，也即是以冷热物流相联系 的网络，如装置内、装置问及装置与蒸汽动力系统的冷热物流，当然 也包括加热炉烟气、热机、热泵等。据此，石化工业是窄点技术大有 作为的一个工业。窄点技术开始是针对换热网络合成问题的，从热力 学角度找出约束最苛刻的部位一窄点，现今已逐步推广应用到分离序 列、公用工程系统、污水处理系统，乃至整个过程系统的综合以及现 有生产装置的节能降耗改造。 石油化工等行业中，热量回收的优劣直接影响着装置的能耗水平。 换热网络的设计涉及的方面很广，冷、热流变量又很多，所以问题比 较复杂，从理论上说来，可能的换热方案几乎是无限多个，因此在选 择方案时涉及到最优化的问题。换热流程的正确设计对装置的投资， 能源消耗和操作费用有重要的影响，关于热回收网络的最优设计与模 拟问题，一直是一个很活跃的学术研究领域。当l i n n h o f f 教授提出利 用窄点理论合成最大热量回收网络的方法后，这一观点迅速被研究者 所接受并付诸实施。 3 2 1 窄点技术中的基本概念 所谓窄点【6 j 【7 1 1 8 l ：是指在换热网络中存在一个最小的传热温差( t m i 。) 点，即是冷热流综合曲线间垂直距离最窄的点，它限制了网络最 大热量的回收。无论多么复杂的热量传递网络，都可以按一定的规则 合成热量组合曲线。 3 2 2 组合曲线 为了赢观地描述换热网络中物流( 6 】1 7 】i8 1 ，一般采用温一焓( t - h ) 图 第三章换热网络优化设计技术 表示物流的情况。在温焓图上可以方便地描述工艺物流及公用工程物 流的热性质。横轴为焓，纵轴为温度t 。 多个热过程物流可以用热流组合曲线在t - h 图上表示。构造组合 曲线的方法是：首先把热过程物流分别标绘在t - h 图上，然后分割成 若干个温度区间；在每个温度区间内把物流的热负荷累加起来，根据 温度高低顺序，从高往低或从低往高将各温度段问的温度一热焓曲线 连接，用一个具有累加负荷的虚拟物流代表该温度区间内的所有热物 流，各温度间隔的虚拟物流首尾连接起来就构成了热组合曲线，见图 3 - l 。 从图3 - 1 中可以清楚地分析出：冷物流组合曲线沿水平横轴移动 时，冷热物流组合曲线相互重叠的长度发生变化，即冷热物流之间换 热的负荷量发生变化。沿t 焓图上冷热物流组合曲线的起点和终点画 垂直线，冷热物流组合曲线重叠的部分的h 即为换热网络的换热负 荷，热流组合曲线末端与冷流组合曲线没有重叠的部分是换热网络中 需要用公用工程设施进行冷却的负荷，冷流组合曲线末端与热流组合 曲线没有重叠的部分是换热网络中需要用公用工程设施进行加热的负 荷，冷热组合曲线之间垂直距离最小的距离为换热网络的最小传热温 差。 图3 - 1 冷、热流组合曲线矿 棒 f i g u r e3 - 1 c o l dh o ts t r e a mc o m p o s i t ec u r v e 注：上图中a 、b 分别为冷( c ) 、热( h ) 物流的进出口焓差，同 时也分别是最小冷、热公用工程的能耗目标。 如图3 1 所示，热流组合曲线与冷流组合曲线之间最小垂直温差 即为网络的窄点，窄点将综合曲线分成二个部分：吸热部分和放热部 分。高于窄点温度的区域需要热公用工程加热，故称之为吸热部分。 低于窄点温度的区域需要冷公用工程冷却，故称之为放热部分。而只 第二章换热网络优化设计技术 要热流不通过窄点，就可以达到公用工程耗量最小的目标。如果有热 量从吸热部的热流流出，跨过窄点而流向放热部的冷流中，则势必既 增加热公用工程消耗又增加冷公用工程消耗。 3 2 3 窄点温差( t 。l 。) 的确定 早期工程设计换热网络的方法【6 】【 ，一般是根据热流和冷流的温位 将冷流由低至高进行手工匹配，换热网络冷热物流数目较多的时候， 仅能凭经验进行冷热物流匹配选择，合成的换热网络往往具有随意性 和不定性，不知道在t 。i n 下网络可以达到的最大换热负荷值和最小 公用工程负荷值。随着窄点理论的重大进展，发现在给定的t 。j 。的 情况下，该换热网络即确定了相应的热量回收率及公用工程负荷，它 限制了换热网络最大可能的热量回收，无论采用何种换热网络设计方 法，都不能再提高热量回收率。 换热网络合成【6 1 17 】是一个多目标优化的问题，这些目标包括定量的 ( 如费用、换热面积等) 和非定量的( 如操作性、安全性、工程可行性等) ， 而且相互之间存在着一定的联系和矛盾。对于已经确定工艺操作条件 的装置来说，最佳的换热网络热量回收对装置的经济效益是十分重要 的。理论上装置回收的热量越多，装置的能耗就越低；但是装置回收 的热量越多，网络设备平均温差就越小，所需的传热面积就越大，各 设备投资费用就越高。在装置公用工程操作费用价格和冷换设备价格 给定的前提下，为了取得最佳的经济效益，一般以换热网络的年总费 用最小为目标。因为换热网络的年总费用即每年的操作费用( 包括加热 炉燃料消耗、蒸汽及冷却水消耗和电力消耗等) 和年折旧费用( 将装置投 资费用按折旧年限折合成每年的消耗数值) 之和，最能反映出装置的经 济效益水平。 从窄点的定义可以看出 6 1 1 换热网络的热量回收率是和t 。 。 一一对应的，即不同的t 。i 。对应不同的热量回收率。窄点研究表明， 热量回收率与窄点温差t 。i 。成反比关系。在工程上可行的t 。i 。范围 内，对每个t 。i 。可以确定换热网络相应热量回收率、设备投资费用、 操作费用和年总费用。以年总费用最小为目标，设计中就可以确定出 网络最佳的t 。i 。和热量回收率，并以此确定网络的加热与冷却的公 用工程负荷和网络的利用水平。因此，根据窄点理论对系统网络进行 热力学分析是实现热量传递网络最优合成的第一步，也是关键的一步。 第三章换热网络优化设计技术 3 2 4 窄点规则1 6 1 1 7 i i 。i 窄点设计法所要求的主要规则如下； ( 1 ) 不通过窄点传递热量。 ( 2 ) 窄点以上的吸热部分不使用冷公用工程。 ( 3 ) 窄点以下的放热部分不使用热公用工程。 ( 4 ) 网络设计从窄点处向两侧进行，窄点匹配必须满足可行性规 则。 ( 5 ) 当匹配有余地时，遵守经验规则。 经典的窄点设计法要求遵守可行性规则，窄点匹配必须满足的可 行性规则有： ( 1 ) 窄点上方：n a n c ：( m c p ) h ( m c p ) c ( 2 ) 窄点下方；n h n c ：( m c p ) h ( m c p ) c 式中：n h 一热流及其分流数； n c 一冷流及其分流数； ( m c p ) h 一热流或其分流的热容流率； ( m c p ) c 一冷流或其分流的热容流率 n 可行性规则是为了保证窄点上方不引入公用工程冷却负荷，或 者窄点下方不引入公用工程加热负荷。 m c p 可行性规则是为了保证在窄点附近，窄点匹配传热温差不小 于允许的最小传热温差at 。即离开窄点处的匹配其传热温差 都增大了 上述两个可行性规则，对于窄点匹配来说是必须遵守的，离开窄 点后的冷、热物流匹配换热可以不遵守该规则，工程设计中可以根据 热容流率及传热温差灵活进行匹配。由于在满足可行性规则约束的前 提下还存在多种匹配的选择，基于热力学和传热学原理，以及减少换 热单元数目、简化换热流程和减少设备投资费用的客观原因，可采用 下述经验规则。 ( 1 ) 选择每个换热匹配的热负荷等于该匹配的冷、热物流中热 负荷较小者，使之一次匹配可以使一个物流( 即热负荷较小者) 由 初始温度达到终了温度。这样的匹配使系统所需的换热单元数目 最小，简化了换热流程和设备投资。 ( 2 ) 如有可能，应尽量选择热容流率相近的冷、热物流进行匹 配换热，这就使得所选择的换热器在结构上相对合理，并且在相 第三章换热网络优化设计技术 同热负荷及相同有效能损失的前提下传热温差最大，减少了设备 费用。 3 2 5 窄点技术在工程设计中的应用1 6 1 1 7 1 1 8 i 窄点技术的优点在于： 此法在确定最小允许温差( t 。i 。) 后，可以获得最小公用工程能 耗目标；此方法可在接近最小用能目标下控制换热器台数接近最少； 此方法提供了物流是否分流以及如何分流的方法。 在应用中需注意尽量使冷热综合曲线平行，温差均衡分配，在合 理回收能量的前提下，使投资最小，实际上也是节能基本原则的应用。 在窄点设计法中，核心的问题是窄点处的换热匹配，即不使热量 传递通过窄点，以免造成冷热公用工程目标的增大。 新工程项目的窄点设计法主要包括以下五个步骤： ( 1 ) 将换热网络由窄点分成两个分离网络； ( 2 ) 这两个分离网络的设计由窄点处开始往窄点换热器以远发 展，主要的窄点匹配方案以及是否或如何进行物流分流，应用可行性 准则来确定( 物流数包括分流准则、热容流率不等式约束准则、热容 流率差准则) ； ( 3 ) 当窄点处存在可挑选的方案时，设计者根据自己的经验确定； ( 4 ) 窄点换热器的热负荷取决于消去探试法。当有问题时，如增 加公用工程用量或导致非窄点换热器的温差不足时，可在窄点处选用 其它方案或降低热负荷； ( 5 ) 非窄点换热器的匹配往往是自由匹配，设计者可以根据经验 确定所希望的匹配。 对大多数工艺过程来说，为了满足它在窄点以上的热量需求，通 常要对不同的热公用工程系统进行选择。而对窄点以下的子系统，要 尽量将其有效热量作热源用来产生低压蒸汽、预热空气和锅炉给水以 及产生低温余热等，最后再将剩余热量排放到冷却水或空气中。 针对装置改造项目，由于它的特殊性设计方法与新设计有较大的 不同。 工艺过程的物料平衡和能量平衡是换热网络的设计依据，而工艺 参数的改变可以作为改进网络设计的辅助手段。操作参数的改变很多， 如蒸发段数及压力温度、分馏塔压力及回流比、中段回流流率及返塔 第二章换热网络优化设计技术 温度、进料汽化压力等。根据窄点技术的金法则，可以总结以下技术 导则： ( 1 ) 增加高于窄点温度的热流负荷： ( 2 ) 降低高于窄点温度的冷流负荷； ( 3 ) 降低低于窄点温度的热流负荷； ( 4 ) 增加低于窄点温度的冷流负荷。 简单地讲，就是尽量提高热流温度，尽量降低冷流温度。 在新的网络设计中，各温段间的匹配基本是垂直匹配，相当于各 台换热器均系纯逆流传热，所以总传热面积是最小的。对装置换热网 络进行改造是因为，一是许多物流跨越了窄点造成冷热公用工程目标 较大，另一个是有许多物流错流换热，造成传热面积较大。 3 2 6 改造项目需考虑的一些因素 装置小规模改造时，由于需要利旧原有换热设备及改造时间、空 间等因素的考虑，不可能废弃已有的网络，因此应该沿差小的曲线进 行改造。即增加一定的传热面积，而使能量目标降低。 改造设计步骤： ( 1 ) 鉴别有无错流匹配的换热器存在； ( 2 ) 消除跨越窄点的换热器； ( 3 ) 完成网络，确定新换热器； ( 4 ) 网络改进。 常减压装置的换热网络系统是石油化工装置中最复杂的热交换系 统之一。它的热物流主要是常压塔和减压塔的各侧线产品，有时还会 有其他装置的热物流( 例如，减粘裂化装置的减粘渣油、催化裂化装置 的油浆等) ，一般热物流的数目在十个以上；它的冷物流是需要加工的 原油、闪底油和重沸器所需的热源以及预热水和发生蒸汽用水。换热 网络设计的好坏直接影响到装置的能耗水平和冷换设备的选用，其意 义十分重大。 要看到影响换热网络终温的因素是很多的，如原油性质、负荷率、 各塔中段回流分配、各中段回流的出入塔温差、各抽出线出塔温度， 其中特别重要的是流量最大的减压渣油的温度，有无外来高温位热源 的利用等，最后才取决于换热网络优化技术和换热器单台优选。 第三章换热网络优化设计技术 3 2 7 低温热的利用 石化工业有大量的低温余热( 一般指热源温度在1 5 0 c 以下) ，低 温余热回收和利用的好坏也标志着一个企业的用能水平，故它始终是 困扰节能工作的一个问题。 低温余热的回收利用原则 ( 1 ) 首先改进降低工艺用能，优化工艺装置换热流程，尽量少产 低温余热； ( 2 ) 低温余热的回收和利用必须经济合理、运行可靠，防止不合 理的方案产生。 ( 3 ) 低温余热的利用应优先考虑长周期运行的同级利用( 低温热 量直接代替了原使用的二次能源) ，如空气预热、除盐水加热、工艺装 置重沸器热源、储罐加热，其次考虑全年中部分时间利用的同级利用， 如采暖，最后才考虑升级利用，即热泵、制冷、发电。 3 3 换热网络优化设计过程中使用的主要计算软件 3 3 1a s p e np l u s 流程模拟软件9 0 1 a s p e np l u s 是大型通用流程模拟系统，源起于美国能源部在七十 年代后期在麻省理工学院m i t 组织的第三代流程模拟软件会战。这个 项目称为”先进过程工程系统( a d v a n c e ds y s t e mf o rp r o c e s s e n g i n e e r i n g ) 简称a s p e n 。1 9 8 2 年a s p e nt e c h 公司成立将其商品化， 称为a s p e np l u s 。这一软件经过1 5 年不断改进、扩充、提高，已经历 了1 0 余个版本，成为全世界公认的标准大型流程模拟软件，用户接近 上千个。全世界各大化工、石化生产厂家及著名工程公司都是a s p e n p l u s 的用户。它以严格的机理模型和先进的技术赢得广大用户的信赖， 它具有以下特性： ( 1 ) a s p e np l u s 使用最新的软件工程技术通过它的m i c r o s o f t w i n d o w s 图形界面和交互式客户- n 务器模拟结构使得工程生产力最 大。 ( 2 ) a s p e np l u s 拥有精确模拟范围广泛的实际应用所需的工程能 力，这些实际应用包括从炼油到非理想化学系统到含电解质和固体的 工艺过程。 第三章换热网络优化设计技术 ( 3 ) a s p e np l u s 是a s p e nt e c h 的集成聪明制造系统技术的一个 核心部分，该技术能使用户在整个工程范围内捕获过程专业知识并充 分利用。 在实际应用中，a s p e np l u s 广泛应用于化工过程的研究开发、设 计、生产过程的控制、优化，可以帮助工程师解决快速工艺计算、设 计一个新的工艺过程、查找一个化工装置的故障或者优化一个化工装 置的操作等工程和操作的关键问题。 a s p e np l u s 软件中具有的 p e t r o f r a c 模块能针对原油蒸馏塔进行严格的模拟计算，能够快速准确 地制定出合理的控制方案，其内置的数据库十分丰富，非常适宜进行 原油常减压蒸馏的模拟计算。a s p e np l u s 软件与a s p e np i n c h 软件可 无缝对接，由a s p e np l u s 输出的计算结果及工艺流程可直