石化企业低温热网络的应用

石化企业低温热网络的应用

1为低温使用而设之热源由于低温温和温暖的温度，低温热的使用在国内外的工业设备中非常常见。然而，由于加热位置低、加热能耗低、残余能耗等原因，相关设备的技术也迅速开发。石油化工企业虽有大量低温热可资源利用,但由于项目审批时间紧、设计建设任务重,一般只对高温高压等高品质能量的综合利用及回收倾注较大精力,对相对低质的低温废热的利用一般都本着方便利用则用,不便利用不用的思想,确保工艺装置的安稳长运转。因此各套装置往往存在大量的低温热源(温度低于120℃),由于温位太低,甚至用来发生低压蒸汽都很困难,因此只好采用冷却水或空冷冷掉。这不仅增加了水耗和电耗,同时也等于放弃了一个相当大的热源,用于提供低温工艺用热。本文拟就低温热利用存在的问题以及低温热利用网络的构建步骤加以介绍和探讨。2基于低温热交换器的网络合成原则2.1充分利用网络模型我国炼油企业一般均进行了低温热利用以降低装置能耗,但低温热的利用仍比较盲目,大多数低温热网络只有寥寥数个热源和热阱,而且这样的应用也通常是从地理位置出发,选择几个较近的热源、热阱进行大致匹配,难以做到全局优化充分利用。图1和图2所给的示例旨在说明,简单的低温热利用网络不仅难以实现热源热阱的综合匹配(因为很难碰到温位和热量都对口的热源热阱组合),并且由于这种不匹配,还需在小的低温热网络中适配同等数量的冷却水或蒸汽加热器用以平衡整个低温热网络的运行,机泵的功耗也相当大,操作维护困难,是很不经济的低温热利用方式。采用大系统装置间的低温热联合便于将热源热量集中起来,再依据热阱状况综合供热。由于携热量和热媒水量较大,对于一些特殊的热阱(比如需热量大、温位高),一般小型网络难以供热(要么水量不够,要么热量不够),但大系统网络则可容易的匹配热量,且总水量不大,机泵的总体功耗也相对较低,因此,炼油企业的低温热应立足于大系统装置间的联合用热。2.2不同量匹配原则大系统装置间的联合用热势必涉及数量众多的低温热源和热阱,理论上,热量的数量平衡是不依赖于热源与热阱的排列顺序。然而实际上,如果不采用“温度对口,梯级利用”的能量匹配原则,很难有效地使既有能量得到充分利用。“温度对口,梯级利用”是指:对热源网络而言,其排列顺序应从热媒水进入热源网络起,沿程使用温位越来越高的热源;对热阱网络而言,其顺序是从热媒水进入热阱网络起,沿程使用温位越来越低热阱。热媒水进入热源网络后开始升温,由于后续的热源温度逐渐提高,这一升温过程就得以继续进行;同样道理,热媒水在进入热阱网络后开始降温,此后只有使用更低温度的热阱才能让热媒水持续放热降温。由此可见,不按“温度对口”原则排列的低温热网络是很难实现热利用最大化。2.3低温热水量的影响采用“温度对口,梯级利用”原则对热源热阱匹配的大系统装置间联合用热虽然为系统的优化用热提供了先决条件,但低温热网络的另一个子系统低温热水系统也同样是不可忽视的优化因素,不对低温热水子系统优化的低温热网络同样不能做到真正的优化。低温热水子系统的优化主要分为两个部分:一是流量优化,二是温度(差)优化。二者相互关联,互为协调。理论上,处于低温热源和低温热阱负荷线之间的任何一条热水负荷线都能满足整个低温热网络的运行,如图3示。实际中,许多炼油企业的低温热设计也是基于这个原则来进行,并不对热水子系统加以优化。低温热水量的选择如果过大,则对于相同的热量而言,其进入热源温差将变得很小,由于出热源温度不能得到有效的提升,热水在热阱中的利用将大打折扣,同时较高的循环水量还将带来较大的循环功耗。尽管随着低温热水量的逐步降低,进入热源网络的温差会相应增加,但这样的增加有一定限度,首先由于热水整体温度提升,其取热量会有一定损失,其次,当水量降低至一定程度时,传热系数会大幅降低,此时如果继续降低水量,则热水温升不但不会增加,反而会下降。因此,适当选择低温热网络的热水流量,尽量拉大网络热水温差是有效利用低温热网络的重要条件。3高效网络的研究低温热利用网络的构建原则可以有效的帮助设计者构建出一个高效的低温热利用系统,但具体到低温热网络的实际合成,还需要设计者进行大量细致的工作。3.1实际换热器的相关设备参数的确定一般来说,低温热网络在设计之初已经进行了对涉及的热源、热阱基本状况的详细调查,包括热源、热阱的流量、组成、起止温度、操作压力,精馏设备的实际供(取)热量,以及对应的实际换热器的相关设备参数(串并联及数量、类型、摆放方式、壳体直径、管程数、管长、折流板间距、管侧壳侧污垢系数)。如果物流涉及石油馏分则需知道其实沸点或恩式蒸馏数据,对于像塔顶油气等这样的富含轻烃及水的物流需拆分获取其富气、凝结水和冷凝油气的相关数据,合并反推后作一股物流处理。准确翔实的获得这些数据对最终严格的计算校核整个低温热网络具有非常重要的意义。但应指出,如果没有先期针对热源热阱状况的调查工作,在实际炼油企业中进行热源热阱的发掘配用是需要消耗大量精力的。3.2热负荷优化模拟大系统装置间的低温热构建需遵循一定的步骤以提高设计效率和提升设计效果。低温热网络的基本合成步骤如下:(a)以各生产装置(如催化、常减压、焦化、加氢、重整、气分、储运、动力等)为单位,将单位内涉及的热源热阱(热阱需仔细寻找,力争用好)物流按照最高温度从低到高依次排序。(b)在每个单位内按照“温度对口、梯级利用”的原则将排列好的物流合成一个“热源-热水”或“热阱-热水”低温热子网络(子网络内包含各物流的串并联)。子网络要在满足热源、热阱工艺条件(工艺升温或降温要求)的前提下尽可能地拔高进出网温差,从而减小水量。(该步骤需用简单换热器进行流程模拟或进行纸上草图估算,工艺条件以换热器热负荷为准)。(c)观察各子网络的热媒水进出口温度,判断子网络间的串并联顺序。总水量取各串联(视需并联子网络为一个网络,水量相加)水量最大者作为总网基本水量。(d)在保障满足热源、热阱工艺条件(工艺升温或降温要求)的前提下按照并联网络“各支路汇水温度相同”为基本原则对总水量进行重新分配。使总网络内各热源热阱各种规模的并联支路的汇水温度均相同或相近(在2℃～5℃之间)。(该步骤需用简单换热器进行流程模拟,工艺条件以换热器热负荷为准)(e)仔细分析每台换热器的传热温差和接近温差(即工艺物流温度与循环热媒水温度之间的关系),找出接近温差小于5℃～10℃(对导热系数大的取5℃,一般油品取10℃)的换热器,估算通过有限的改变热水量能否满足要求。若可以,则改变水量;若不行,则或者改变原有网络结构将其单独拉出作为并联的一路,或者不再按工艺要求强行取供热,而是将其多余热量或所需不足的热量甩给公用工程或其他设施。通过基本合成步骤,一个按照热力学及工程学优化原则排列出的低温热网络雏形即可形成,下一步则要依据具体的设备参数依据物流的参数做严格计算。由于网络的基本热量和构型已经成形,一般而言,严格计算的结果同已有的网络不会有太大出入,但需特别注意,对于一些严重超负荷或低负荷运行的换热设备而言,严格模拟的结果很有可能与既有的合成网络有较大出入,此时需要依据实际计算结果进行调优。3.3热负荷调整及优化在基本低温热网络合成后,即可使用流程模拟软件,按照网络的合成步骤排定的工艺路线,使用严格换热器搭建总换热流程(对确实无法直接计算的热源、阱“如采暖、伴热等”仍采用简单换热器,但合成后需进行温差判定),运行通过后检验各换热器热负荷。如热负荷超过计划热负荷则可通过“①旁路调节;②直接指定热负荷(该法在总合成结束后必须使用速率法重新检验看其是否能够满足改变工况下的换热需求)”来满足该台换热器换热量需求,满足工艺要求;如热负荷不满足要求,则可通过“①适当改变水量;②更换换热器内芯(高效)或整台更换、加装新的换热器”来重新核算,直到满足。总的原则依然是“各并联支路汇水温度力求相同”。合成与优化过程中多次提到的“并联支路汇水温度相同”是基于有效能最小损失的原则,即将不同温位的热流进行混合是有效能的巨大浪费,违背了“高能高用,低能低用”的原则,致使能量“品位”的降低,造成“高热低用必将引发低热无用”的结果。有时由于工艺需要和一些热源、热阱“先天”存在的问题,并联支路汇水温度难以做到相同,此时可适当放宽标准,但各支路温差应尽量减小,做到能量保质利用。4热主要参数设计图4为某石化厂低温热利用改造和新建的部分流程图,共涉及三套装置14股物流。其中热源为催化分馏装置的五股热源和溶剂脱沥青装置的三股热源,热阱为气体分离装置以及动力车间的CFB炉用水预热4个热阱。按照第二节介绍的方法,首先对全部热源热阱的起止温度、热量进行调研并列出表格,特别需注意热源的最高温度和热阱的最低温度,因为二者不但决定了相应热源热阱在低温热网络中的实际位置,并且是初步分析低温热水出热源网络所能达到的最高温度和出热阱网络所能够达到的最低温度的凭据。然后按照“温度对口、梯级利用”的原则将同一装置内的热源热阱进行排列,接着对各装置在低温热网络中的相对位置进行总排。最后进行网络的计算与调优,生成最优或较优的低温热利用网络。图4所述低温热利用网络共采集低温热1907×104kcal/hr,实际使用1841×104kcal/hr,相当于代用约36t/hr低压蒸汽,节约成本2300万元/年,效益十分可观。5问题和解决办法5.1压降和水量低温热网络合成并计算获得结果后,需查验各台严格换热器的管壳程压降,特别使管程压降,如果压降过大(超过0.5kg/cm2)或流速过低(<0.5m/s,对于易堵物流<1m/s)则可在不影响热负荷的基础上,通过“①改变水量;②使用旁路”来调节,如果调节不明显或影响用热,则需选择整台更换或加装新的换热器来解决。5.2温度对冷热源的影响加氢、重整以及气分等装置内的一些物流,热量大、温位高,是非常理想的低温热源,但它们大多具有很高的压力(一般压力>2.0MPa,甚至>10.0MPa),因此如果经济核算的结果允许,在选用换热器时要慎重选择,使之不出意外。5.3烟道气露点的高温和高温高压的选择应用低温热系统常见的腐蚀多为硫化物腐蚀。由于加热炉利用效率相比其它设备仍较低,其烟道气的排烟温度较高,不少设计者都将其作为一个可利用的高温热源,但如果烟道气冷却温度(<160℃或更低)及进水方式或温度选择不当,很容易造成烟道气露点腐蚀。因此需使用温度尽可能高的低温热水利用烟道气的高温是较好的选择。此外对于加氢、重整等装置,高温高压的反应后物流中含有大量的硫化氢,由于温度较高,其酸性较强,很容易将换热设备的腐蚀,造成高压物流(特别是氢气)外泄。而且由于高压换热器内漏很难察觉,往往是下游公用工程装置发现反馈后才能进行整改,不但造成了浪费,而且还可能引发安全