公用的工程系统能量集成综合优化方法

1、第五局部公用工程系统顶层分析法与能量集成综合优化法 主讲人：尹 洪 超 大连理工大学能源动力学院 教授 化工系统工程研究所 博士 能源管理与节能研究中心 主任 一页，共七十页。讲 课 内 容 一、公用工程系统顶层分析法二、公用工程系统能量集成综合优化方法三、石化企业蒸汽动力系统优化四、实例研究 第二页，共七十页。公用工程系统能量集成综合优化方法 大型化工或石油化工企业的全局过程系统一般可分为3个子系统： 工艺过程、换热网络和公用工程其中公用工程系统向各过程提供所需的动力、电力、热能和蒸汽等公用工程，其中尤以蒸汽动力系统最为重要。 公用工程系统一般具有几个不同压力等

2、级的蒸汽管网向过程输送蒸汽或热量，同时回收过程余热，各级管网之间通过蒸汽透平产生过程所需的动力或电力，亏盈量可由电网购入或输出电力。 因此公用工程系统本身也是过程工业中的耗能大户，它的优化设计和节能改造具有很大的节能潜力，对全局系统的能量利用率和经济性具有重要影响。 第三页，共七十页。一公用工程系统能量集成综合优化方法 1公用工程系统顶层分析优化 2过程全局夹点分析3超结构MINLP的能量集成最优综合法 第四页，共七十页。一、公用工程系统顶层分析优化 主要思想 剩余热负荷的产生 剩余热负荷的转化途径分析 剩余热负荷转化途径的效益分析 应用顶层分析法能量集成的步骤 应用实例 第五页，共七十页。

3、主要思想 这种方法与传统的洋葱模型相反，是从公用工程子系统出发，由上及下(top-down-philosophy)逐层深入进展能量集成改造。其主要思路就是首先对公用工程系统进展分析和用能诊断，找出全局节能潜力所在，确定剩余热的最优转化途径和最经济的改造方向。与传统的方法相比，它仅需要公用工程系统的有关信息，所需工作量大大减少，是用于全局过程节能改造的实用新方法。图1 洋葱模型与顶层分析法比较 第六页，共七十页。 主要思想 顶层分析法需要分析剩余蒸汽作功的各转化途径的热效率。对于凝汽式发电作功装置，其热效率一般在0.350.45；而对于大型复杂的过程系统，为满足各装置的热功需求，采用合理的热电联

4、产公用工程系统，其热效率可达0.9以上。 因此，对现有的全局过程系统，以公用工程系统为出发点进展节能改造具有巨大的节能潜力。 第七页，共七十页。 剩余热负荷的产生 具有热电联产的公用工程系统，假设对与其相关的过程系统或换热网络进展节能改造，如此可减少过程的蒸汽用量或增加余热回收产汽量。例如对于VHP与HP级蒸汽间有减温减压器的公用工程系统，过剩热负荷可直接以减少VHP产量的形式归结为节省燃料。对于VHP与HP蒸汽间不设减温减压器时，假设减少VHP蒸汽产量以平衡HP蒸汽，将导致VHP-HP间透平做功能力下降。 图2 剩余热负荷的产生 第八页，共七十页。 剩余热负荷的产生 这两种结果都将打破公用工

5、程系统原有的平衡关系，产生剩余蒸汽。从而可使公用工程系统获得蒸汽和燃料的节省，但这并不一定获得公用工程本钱的节省。假设蒸汽量的节省不影响透平的作功能力，其结果为公用工程本钱的节省；假设蒸汽量的节省影响了透平的作功能力，还必须进展热功权衡才能确定公用工程本钱是否节省。 第九页，共七十页。 剩余热负荷的转化途径分析 a.用剩余热负荷通过发电透平做功 b.剩余热负荷通过工艺透平作功 c.通过外购电节省剩余热负荷及锅炉燃料第十页，共七十页。 a.用剩余热负荷通过发电透平做功 公用工程系统有剩余热负荷存在，即相当于VHP蒸汽过剩。在复杂的公用工程系统中，由于存在多级透平，可以利用过剩的VHP做功的途径很

6、多，必须进展热功转化途径分析，才能确定最优的剩余蒸汽转化途径。第十一页，共七十页。 a.用剩余热负荷通过发电透平做功 图2所示的过剩热负荷,可以通过T1,T3两个透平做功发电后以全凝方式排出系统；也可以通过T2透平背压后以LP蒸汽放空形式排出系统。图3 剩余热负荷转化途径示意图 第十二页，共七十页。 a.用剩余热负荷通过发电透平做功图4 Qf、Qp、Qloss和W的关系 第十三页，共七十页。 a.用剩余热负荷通过发电透平做功 不同的做功途径会产生不同的效益。过剩热负荷QP通过某一途径转化可增加系统做功量W，而节省QP对应的燃料消耗量的变化为 QF。 QF与QP之间的关系如图4所示，即 QF =

7、 (QP + W + Qloss)/boiler 式中，Qloss由QP引起的乏汽热损失的变化， boiler 锅炉效率。 过剩热负荷转化途径的做成效率为 = = boiler 1Qloss与对应的乏汽焓和回收凝液焓有关 Qloss = H乏汽H凝液 2 由式(1)、(2)计算各路径的效率后，即可找出效率最大的做功途径。第十四页，共七十页。 a.用剩余热负荷通过发电透平做功 设计发电透平时，一般要限定蒸汽的最大用量Vsmax和最小用量Vsmin，正常操作时透平的用汽量介于二者之间。 顶层分析法着眼于寻找剩余热负荷的转化途径，当通过某透平转化有较高的效率时，可根据剩余热负荷的量增加该透平用汽量至

8、最大，以最大限度地利用现有设备产生经济效益；当通过某透平转化效率较低时，可调节该透平用汽量至最小，以节省蒸汽，将形成的剩余热负荷转移至效率最优转化途径。第十五页，共七十页。 b.剩余热负荷通过工艺透平作功 在复杂的石化过程公用工程系统中，许多工艺压缩机或机泵都是采用工艺透平直接做功驱动。这种工艺透平的做功对象为工艺物流，工艺物流的状态参数又为过程所规定。因此，剩余热负荷用于工艺透平的作功量是有限制的，这与发电透平存在本质区别。 工艺透平直接驱动机泵耗用的轴功与工艺物流的体积流量成正比，亦即与装置的生产负荷成正比。因此，蒸汽用量的变化与工艺物流负荷的变化成正比。定义= qv/qvd为工艺物流的负

9、荷率，其中qvd为工艺物流的设计负荷，qv为工艺物流的操作负荷，如此蒸汽用量 qs=qsd 式中，qs操作状态下的蒸汽用量； qsd设计状态下的蒸汽用量。第十六页，共七十页。 b.剩余热负荷通过工艺透平作功 当公用工程系统存在剩余热负荷，且通过某一途径效率最大的透平途径作功时，对发电透平可增加蒸汽用量使剩余热负荷通过该途径效率最大的透平产生动力，其用汽最大可增加量为qsmax-qs；对工艺透平亦可增加蒸汽用量使剩余热负荷通过途径效率最大的工艺透平作功，其最大可调节量为 qsmax- qs。 当1 时, qsmax-qs =qsmax-qs 当1 时, qsmax-qs qsmax-qs第十七页

10、，共七十页。 b.剩余热负荷通过工艺透平作功 假设不考虑工艺透平与发电透平作功的区别，当1 时，仍将工艺透平的蒸汽用量调至qsmax，一如此可能造成工艺物流出口参数偏离操作要求，使生产过程产生波动而达不到工艺目的；二如此压缩机局部可能因采用工艺物流走旁路循环的方式，抵消了增加蒸汽量所多作的功，从而失去了剩余热负荷转化的意义。 因此，运用顶层分析必须区分发电透平和工艺透平，才能确保剩余热负荷的高效转化。第十八页，共七十页。 c.通过外购电节省剩余热负荷及锅炉燃料 对于必须进展热功权衡的公用工程系统，节省剩余热负荷QP就等于节省了VHP蒸汽，其结果是燃料消耗减少QF，同时造成了系统做功量的下降。为

11、弥补这局部做功能力的减少，公用工程系统需从外界购入动力或电力。 假设购置单位燃料所需费用为CF，外购单位动力所需费用为Cp，定义外购动力的效率为 in =CF/Cp 3 通过计算各途径效率和透平能力限度，即可依次排列出剩余热负荷转化的最优途径及转化量、较佳途径及转化量等，为进一步优化改造过程或换热网络提出了节省/多产蒸汽的等级及数量上的要求，确定过程节能的改造方案。第十九页，共七十页。 剩余热负荷转化途径的效益分析 假设将1MJ燃料的热负荷从现有途径移至最优效率途径可多产功Wadd为 Wadd = Wm - Wc = m - c 4式中，C为现有途径效率，m为最优途径效率。 为保持公用工程系统

12、产/用功的平衡，多产的功量Wadd 可从效率最差的途径减少相应的功量，相应的燃料节省 QF=Wadd/least=m - c/ least5式中，least为最差途径效率。 第二十页，共七十页。 剩余热负荷转化途径的效益分析 即在公用工程系统中，1MJ燃料的热负荷从现有途径移至最优效率途径可多做功Wadd；通过做成效率最差的途径减少做功Wadd，即可实现最大的燃料节省，其对应的燃料费用节省 CF QF = CFm - c/ least 6 假设1吨蒸汽相当于Qs MJ燃料，经济效益B B=CF Qsm - c/least (元/t) 7式中，Qs = ( Qp+ Qloss)/boiler第二

13、十一页，共七十页。 应用顶层分析法能量集成的步骤 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。第二十二页，共七十页。 应用实例 某石化公司3105t/a乙烯装置公用工程系统如图5所示，该系统有工艺透平4台，每台透平的现有运行负荷均高于最低设计负荷。原系统中没有低压蒸汽回收设施，蒸汽冷凝热全部损失。要求在不改造透平的前提下对整个公用工程系统调优。透平T1、T2、T3、T4的工艺物流负荷率分别为0.9，1.0，1.0

14、4，0.95；各透平的功与各级用汽的关系1，开工锅炉效率b=0.92。第二十三页，共七十页。 应用实例 图5 公用工程示意图 第二十四页，共七十页。 a.现有途径分析 当冷凝热全部损失时，采用顶层分析法求得的剩余热负荷用现有作功途径的效率如表1和图6的阴影面积的下边折线所示,其中 Qsmax为蒸汽最大节省量。图6 剩余热负荷转化途径比照 第二十五页，共七十页。 a.现有途径分析表1 现有作功途径的效率 Tab.1 The efficiencies of current paths 蒸汽等级 途径 Qsmax/th-1 HP T1 0.057 20 HP T2 0.061 35 MP T1 0.

15、134 30 MP T3 0.160 55 LP T3 0.218 12 LP T2 0.232 32第二十六页，共七十页。 b.剩余热负荷途径优化 采用顶层分析法得到的剩余热负荷转化途径效率如表2所示, 其中Qmax为剩余热负荷上限。可见，最优剩余热可转化途径为T4透平满负荷运行(多用3.5t/h)，其余热负荷以少产VHP形式节省，由于VHP负荷降低而减少的作功能力可用外购电力形式弥补，如图6的阴影面积的上边线所示。 由图中的两条曲线可对优化的途径和现有途径进展比较，它不但给出了剩余热负荷转化途径优化前后的效率变化阴影局部，而且给出了各等级蒸汽的最大节省量，阴影面积正比于改变前后的经济收益。

16、第二十七页，共七十页。 b.剩余热负荷途径优化 根据图6分段对改变剩余热负荷转化途径前后的公用工程系统的经济收益按式7进展计算，得到改变剩余热负荷转化途径后的经济效益如图7所示。 图中折线下的面积为每小时节约各等级蒸汽剩余热负荷所产生的收益6843.73元/h，全年按运行8000h计，年收益为5.47107元/a。以上分析是以减少锅炉新汽VHP为根底，但实际中由于开工锅炉的最小运行负荷为不低于设计负荷的87% ，所以VHP只有30t/h左右的调节余地。假设按节省30t/h蒸汽计算，年实现经济效益为1541.11万元。可见选择优化的转化途径可明显增加全局公用工程的经济效益。 第二十八页，共七十页

17、。 b.剩余热负荷途径优化 表2 剩余热负荷转化途径及能源价格Tab.2 The conversion paths of residual heat 序号 途 径 Qmax /th-1 1 T4冷凝 0.364 3.5 2 外购电 0.277 3 T2放空 0.232 15 4 T1-MP-减温减压放空 0.218 40 注:外购电价0.3元/kWh; 燃料价格0.083元/kWh第二十九页，共七十页。 b.剩余热负荷途径优化图7 不同途径的经济效益比较 第三十页，共七十页。二、过程全局夹点分析与超结构MINLP相结合的能量集成最优综合法 全局夹点分析与MINLP优化相结合的方法 公用工程换热

18、网络超结构 公用工程换热网络的超结构最优综合 MINLP模型 应用实例 第三十一页，共七十页。二、过程全局夹点分析与超结构MINLP相结合的能量集成最优综合法 对公用工程对子系统之间的能量集成联合优化，目前多采用传统的分步优化法，即将整体问题分解,依次进展各子系统的设计，因而很难实现总体系统的优化匹配。 Linnhoff和Zhu等人将单过程夹点分析进一步扩展到全过程的夹点分析和能量集成，可以得到全局热回收的潜力和目标，但不能给出具体的匹配方案；Grossmann等人基于线性化分解算法提出了超结构混合整数非线性规划(MINLP)综合策略，可以进展各子系统的同步热集成联合优化，但超结构中可能的组合

19、方案太多而难于求解。而对于现有过程的扩产节能改造，成熟的优化设计方法亦不多见。将过程全局夹点分析与过程热集成超结构MINLP法相结合，使用基于全局夹点分析的公用工程与过程热冷物流产用汽换热网络热集成联合优化的超结构MINLP方法进展过程改造可得到明显的节能效果和经济效益。 第三十二页，共七十页。 全局夹点分析与MINLP优化相结合的方法 a.全局过程夹点分析 单过程夹点 一个过程中可能有许多需要冷却的热物流和需要加热的冷物流，由夹点技术可建立单过程的复合曲线和总复合曲线。总复合曲线可以指出过程内部物流换热后所需的最小冷、热公用工程负荷，即剩余的热源和热阱。第三十三页，共七十页。第三十四页，共七

20、十页。第三十五页，共七十页。第三十六页，共七十页。第三十七页，共七十页。多过程全局夹点对于多个过程，由于各过程的夹点位置一般不同，可将各过程的剩余热源和热阱分别组合到一起,得到全局温焓分布图，它明确热源局部的剩余热量和热阱局部的需求热量。可考虑用某些过程的热源局部产生高、中、低压(HP,MP,LP)蒸汽,加热另一些过程的热阱局部，从而构成过程物流产用、汽的换热网络公用工程换热网络和全局公用工程分布曲线。由全局公用工程分布曲线，可以看出冷热物流少用和多产各级蒸汽的潜力，为公用工程换热网络的优化匹配提供了目标。第三十八页，共七十页。第三十九页，共七十页。第四十页，共七十页。第四十一页，共七十页。

21、同过程夹点一样，全局夹点表示了全局热回收的瓶颈。全局夹点可以直观的判断全局用能水平，它位于公用工程之间不再可能产生重叠的部位，而不是冷、热温焓曲线相交的位置，全局夹点随公用工程等级选择的变化而变化。 全局夹点分析用于过程节能改造可以直观地分析热回收(产汽)量、过程加热用公用工程耗量、热功联产的可能功量等能量集成目标，但不能给出过程物流与公用工程之间产用汽匹配换热网络具体方案，而且这些方案不是唯一的，各方案之间有很大差异甚至可能相互矛盾和制约，需要进一步寻求最优方案。第四十二页，共七十页。 全局夹点分析与MINLP优化相结合的方法 b.全局夹点分析与MINLP相结合的最优综合策略 可以将全局夹点

22、分析与混合整数非线性规划法相结合，即根据全局夹点分析得到的目标和结果提出过程全局能量集成改造的各种可行的和较优的方案，建立包含这些可能方案的能量集成超结构,并建立描述超结构的MINLP模型。将过程综合的联合优化和能量集成问题归结成一个纯数学的规划问题，采用优化方法寻找最优解。这样不仅满足过程全局夹点分析所规定的能量回收及热功集成等原如此和目标，而且超结构中所包含的都是较好的可行方案，控制了问题的规模，防止了组合方案爆炸的困难，可以充分发挥两种方法的优点，抑制各自的缺点，获得能耗或年度费用最小的改造方案。 第四十三页，共七十页。 公用工程换热网络超结构 在过程内部热、冷物流匹配换热后，还有些热物

23、流可副产蒸汽或由原来产低等级蒸汽改产高等级蒸汽；有些冷物流需要用蒸汽加热或原来由高等级蒸汽加热改为低等级蒸汽加热。 因此，热冷物流与各等级公用工程之间的换热网络超结构应包含各种可能的匹配方案，如图1所示。第四十四页，共七十页。 公用工程换热网络超结构图8 公用工程换热网络超结构 第四十五页，共七十页。 假设公用工程共有新汽、高压、中压和低压VHP，HP，MP和LP4个蒸汽等级和一个冷公用工程等级CW，且温位，如此热物流Hi在冷却降温过程中可产生VHP，HP，MP和LP蒸汽，最后被冷却水CW冷却；冷物流Cj的升温过程可用LP、MP、HP和VHP依次加热。这样的超结构就包含了各种可能的产汽、用汽换

24、热网络匹配方案。对每个换热单元设置一个表示其取舍的0-1变量z，假设该换热器存在z取1，否如此取0。第四十六页，共七十页。 公用工程换热网络超结构 对实际的网络改造问题，可从全局夹点分析和热力学可行性出发，对公用工程换热网络的超结构进展简化。如图8所示，假设热物流Hi入口温度为160,出口温度为40，如此该物流只能产生LP蒸汽并用冷公用工程冷却。假设冷物流Cj入口温度为180，出口温度为310，如此需用MP、HP和VHP分段加热，或用HP和VHP分两段加热，也可用VHP单独加热。简化后的超结构中某些0-1变量取值已定，可进一步简化问题规模，易于确定最优方案。第四十七页，共七十页。 公用工程换热

25、网络的超结构最优综合MINLP模型 在如图8所示的公用工程换热网络超结构的根底上，适当设置表示温度、热容流率、匹配热负荷等连续变量和表示匹配单元选择与费用取舍的0-1变量，可建立起公用工程换热网络MINLP模型。第四十八页，共七十页。 a.约束方程 (1) 每个流股的总热平衡 K (Tiin-TioutCPi =Qi,k ; i=1,2,.,I 1 k=1 (2) 每个换热器的热平衡约束 Ti,k = Ti,k+1 + Qi,k/ CPi ; i=1,2,.,I;k=1,2,.,K2 Tj,k = Tj,k+1 + Qj,k/ CPj ; j=1,2,.,J;k=1,2,.,K3 (3) 换热

26、量逻辑约束 (4) 温差约束 (5) 可行温度约束 (6) 蒸汽需求热负荷净变化量Qk的约束 (7) 由全局夹点分析得到的冷热物流少用或多产蒸汽 潜力的上、下限约束 (8) 各热、冷物流上的公用工程换热器 数量约束 (9) 蒸汽需求变化的本钱约束第四十九页，共七十页。 b.目标函数 为了进展投资与节能的综合权衡，即同时考虑换热单元的改造投资和过程产汽、用汽等级变化及蒸汽节省或多产所带来的经济效益，取网络改造的年度费用最小为目标函数。 I K J K OBJ = (Qi,k/hi LMTDi,kAi) + (Qj,k/hj LMTDj,kAj) b i=1 k=1 j=1 k=1 I K J K

27、 K + (zi,k- ziexist)- (zj,k -zjexist) a + ck 4 i=1 k=1 j=1 k=1 k=1 第五十页，共七十页。 c.求解算法 上述模型是包含连续变量和整型变量的非凸、多峰、严重非线性的混合整数规划(MINLP) 问题，传统算法难以求解。采用遗传算法将连续变量和整型变量都进展编码处理可以求解，但对多变量问题，大量的连续变量编码和解码运算使搜索效率受到限制。为此根据模型的特点，吸收遗传算法、进化优划和常规数值优化的优点，采用了混合连续进化算法，即对整型变量采用编码遗传算子，而对连续变量直接采用连续化交叉、变异算子进展浮点运算，可保证很高的精度,充分发挥两

28、类算子的优点，提高了搜索速度和获得全局最优解的性能。第五十一页，共七十页。 应用实例 某石化公司30万吨/年乙烯装置公用工程系统有工艺透平4台，运行负荷均有较大余量。在不改造透平的前提下优化整个公用工程系统及其换热网络。该乙烯装置公用工程系统共与十一个过程相联，其中有四个过程的40个物流为公用工程主要产用汽流股。第五十二页，共七十页。 应用实例 对过程进展全局夹点分析，可得全局公用工程分布曲线如图9所示。可见全局尚有进一步产生HP和MP蒸汽的潜力，各级用汽亦有改用低等级蒸汽的余地，仅通过公用工程换热网络的优化配置就可使现有公用工程系统的运行条件得到明显的改善。 第五十三页，共七十页。 应用实例

29、图9 公用工程分布曲线图 第五十四页，共七十页。 应用实例 在公用工程五个温位等级VHP,HP,MP,LP和CW一定的条件下，建立图8所示的超结构。超结构中共有8个热物流和8个冷物流，对应着可能的产、用汽换热器各有40台。由此建立公用工程换热网络MINLP模型，模型共有211个变量其中有80个01变量，131个连续变量，424个约束条件。 可见，采用全局夹点分析法使原有40个物流、200个可能换热匹配的大规模问题大大简化，不仅防止了组合方案爆炸问题，而且使超结构所包含的都是可行的和较好的方案。第五十五页，共七十页。 优化结果 热物流H1,H5,H7设置新换热器，热物流H3,H4,H6利用现有面

30、积调换位置，均由产MP改为产HP蒸汽； 冷物流C6，C7，C8设置新换热器，冷物流C2利用现有面积调换位置，均由用MP改为用LP蒸汽； 其它换热器不变。 优化改造总投资为451.54万元，年经济效益为2828.19万元，静态投资回收期为0.16年。第五十六页，共七十页。 优化结果表3 冷热物流原始数据及优化结果 第五十七页，共七十页。三、石化企业蒸汽动力系统优化 蒸汽动力系统特点 蒸汽动力系统存在的问题 产生上述问题的原因 蒸汽动力系统优化的三个层次 蒸汽动力系统优化措施 第五十八页，共七十页。 蒸汽动力系统特点 a.分散的多用户、多产汽点，多燃料来源，多压力等级；b.多工况变化季节、加工量、

31、生产方案、市场价格；c.保证工艺系统需求，对能耗、加工费有较大影响。 第五十九页，共七十页。 蒸汽动力系统存在的问题 设计上的问题： a.锅炉、汽轮机容量小、参数低且陈旧； b.是为配合扩产和增建新装置而陆续地增建小型锅炉、透平机组并扩大管网，缺乏联产和优化的统筹规划； c.新建企业功热联产潜力也未充分利用； d.驱开工艺设备的背压汽轮机的选择没有考虑低压蒸汽的用量，且不可调节。当低压蒸汽用量少时不得不放空。 e.驱开工艺设备的背压汽轮机的背压选择过低，尽管中压蒸汽用量减少，但背压蒸汽没有充分利用，造成浪费。 f.余热锅炉和驱开工艺设备的背压汽轮机的选择没有考虑蒸汽输送管线的特性，为保证管线随时能输送蒸汽，不得不使局部蒸汽减温减压。 第六十页，共七十页。 蒸汽动力系统存在的问题 运行上的问题： a.中压蒸