楊蒙 翟峰 林琳(中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司, 北京 100085)

0 前言

過(guò)程工業(yè)為了降低生產(chǎn)成本、合理利用資源，己從單臺(tái)設(shè)備操作優(yōu)化集成發(fā)展到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的集成優(yōu)化，即采用過(guò)程集成技術(shù)。20世紀(jì)70年代，Linnhoff等[1]在前人研究成果的基礎(chǔ)上提出換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并逐步發(fā)展為化工過(guò)程能量綜合技術(shù)的方法論，即夾點(diǎn)技術(shù)。在冷、熱物流的熱回收過(guò)程中有一最小傳熱溫差處，即夾點(diǎn)，它決定了最小的加熱和冷卻公用工程用量。近年來(lái)，針對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題的研究發(fā)展迅速，特別是在利用夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)方面，取得了顯著的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

北阿項(xiàng)目是CNPC中東“3+1重點(diǎn)工程”項(xiàng)目，產(chǎn)能規(guī)模400萬(wàn)噸/年，采用兩級(jí)布站，原油經(jīng)過(guò)單井管線(xiàn)和集油干線(xiàn)進(jìn)入計(jì)量站進(jìn)行單井計(jì)量，然后混輸至中心處理站，站內(nèi)原油經(jīng)過(guò)一級(jí)分離、與合格原油換熱、二級(jí)分離、與導(dǎo)熱油換熱、兩級(jí)電脫、與原油換熱、脫氣管閃蒸穩(wěn)定后進(jìn)罐儲(chǔ)存、經(jīng)外輸泵增壓外輸。伴生氣經(jīng)過(guò)增壓、TEG脫水后供集中處理站內(nèi)50 MW電廠(chǎng)發(fā)電、熱媒系統(tǒng)及油田氣舉使用，剩余天然氣外輸。產(chǎn)出水與新鮮水換熱、冷卻，處理后最終注入地下。

本文主要探討利用夾點(diǎn)技術(shù)分析北阿項(xiàng)目中換熱網(wǎng)絡(luò)和能量回收。

1 夾點(diǎn)技術(shù)原理[2]

夾點(diǎn)技術(shù)是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從宏觀(guān)角度分析過(guò)程系統(tǒng)中能量流沿溫度的分布，從中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)及其用能“瓶頸”處，并給以“解瓶頸”的一種方法。

當(dāng)給出過(guò)程系統(tǒng)中各物流的壓力、組成、質(zhì)量流量、初始溫度、目標(biāo)溫度以及選定的最小允許傳熱溫差ΔTmin后，即可確定夾點(diǎn)，常用的方法有三種：(1) 作圖法。在溫-焓圖上分別作出熱、冷物流的組合曲線(xiàn)，熱組合曲線(xiàn)在冷組合曲線(xiàn)上方，并相互水平靠攏，當(dāng)兩組曲線(xiàn)在某處之間的垂直距離剛好等于規(guī)定的ΔTmin時(shí)，該處即為夾點(diǎn)。(2) 問(wèn)題表格算法。按溫度各物流劃分成K個(gè)子網(wǎng)絡(luò)(或熱級(jí)聯(lián))，求出各子網(wǎng)絡(luò)輸入熱負(fù)荷IK及輸出熱負(fù)荷OK，在OK為零處，即第K子網(wǎng)絡(luò)與第(K+1)子網(wǎng)絡(luò)之間的溫位界面處(OK=IK=0)即是夾點(diǎn)。(3)數(shù)學(xué)規(guī)劃法。將系統(tǒng)劃分為K個(gè)溫度區(qū)間，采用轉(zhuǎn)運(yùn)模型確定最小公用工程費(fèi)用的線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題，即可得到公用工程加熱、冷卻物流的最佳用量以及每一溫度間隔的剩余熱量RK，當(dāng)RK= 0 時(shí)即區(qū)間K與(K+1)間的界面處即為夾點(diǎn)。

為保證過(guò)程系統(tǒng)能量回收最大化，應(yīng)遵守三條基本原則：夾點(diǎn)處不能有熱流量穿過(guò)；夾點(diǎn)上方不能引入冷公用工程；夾點(diǎn)下方不能引入熱公用工程。夾點(diǎn)位置確定的同時(shí),該系統(tǒng)所需的最小熱、冷公用工程負(fù)荷以及最大熱回收量也隨之確定。

2 夾點(diǎn)技術(shù)在北阿項(xiàng)目中的應(yīng)用

壓縮機(jī)級(jí)間或出口配備空冷器，因此在換熱網(wǎng)絡(luò)中不考慮壓縮機(jī)出口熱物流的能量回收。首先依據(jù)換熱網(wǎng)絡(luò)列出冷熱物流溫度、MCP、熱負(fù)荷，作為換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和夾點(diǎn)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

備注：上述結(jié)果取自HYSYS模擬結(jié)果。

其次依據(jù)工藝流程列出換熱器負(fù)荷和進(jìn)出口物流溫度，便于下一步利用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行能量分析。

Heat Exchanger Load [kJ/h]Hot Stream Hot T in [C]Hot T out [C]Cold Stream Cold T in [C]Cold T out [C]REACH-LEAN TEG HX 2270254 gas-61_To_gas-65 202.00 93.11 gas-53_To_gas-55 60.00 165.00 FRESH WATER HX 16711172 o-24_To_oil-29 105.13 85.05 oil-35_To_o-37 25.00 76.65 TEG REG. 189118 RE TOP_To_11 160.70 89.32 13_To_gas-51 49.88 60.00 GAS-LEAN HX 777214 gas-61_To_gas-65 93.11 48.28 gas-49_To_gas-66 45.97 48.01 O-O HX 43763432 o-13_To_o-15 105.20 57.67 o-2_To_o-4 38.38 68.60 EVAPORATIVE COOLER 9872572 gas-29_To_gas-54 60.00 45.00 Air 50.00 60.80 OFF-GAS COOLER 406839 gas-56_To_gas-57 89.32 60.00 Air 60.80 61.24 OFF-SPEC HX 438718 Hot Oil 230.00 229.35 cold oil_To_oil-39 57.00 61.56 PRODUCED WATER COOLER 8007434 o-24_To_oil-29 85.05 75.43 Air 61.24 70.00 SUPER COOLER 1601395 Hot Oil 229.35 226.96 F-3_To_F-5 37.17 68.00 M-O HX 55831071 Hot Oil 226.96 143.68 o-6_To_o-9 66.79 104.19 DEAERATOR 9171341 Hot Oil 143.68 130.00 oil-35_To_o-37 76.65 105.00 Reboiler@COL2 5836 HP Steam 250.00 249.00 gas-60TO_Boilup 180.00 202.00

取Tmin為30℃，進(jìn)行夾點(diǎn)技術(shù)分析，組分曲線(xiàn)如下圖。

從下表可以看出，現(xiàn)有冷、熱公用工程與目標(biāo)值相比，可以滿(mǎn)足負(fù)荷要求，因此現(xiàn)有的換熱網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)Tmin=30夾點(diǎn)要求。

Utility Existing Duty Targeting Duty % of Target kJ/h kJ/h Heating 6.70484.E+07 6.44967.E+07 103.9563 Cooling 1.82868.E+07 1.57352.E+07 116.2165

現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)圖如下：

3 結(jié)論

從北阿項(xiàng)目中應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與校驗(yàn)可以看出：夾點(diǎn)技術(shù)可以有效指導(dǎo)生產(chǎn)中充分有效的利用工藝裝置物流的熱量，降低冷、熱公用工程量，從而達(dá)到節(jié)能和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1]Linnhoff B,Flower J R.Synthesis of heat exchanger networks:I Systematic generation of energy optimal networks.American Institute of Chemical Engineers Journal.1978.

[2]KEMP lan C.Pinch Analysis and Process Integration.2007.