(1. 中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028; 2. 中海油研究總院，北京 100028)

目前石油行業(yè)正面臨嚴(yán)冬，低油價(jià)下給原油開(kāi)采帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。如何把能量用在刀刃上，提高生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中的用能效率，減少不必要的浪費(fèi)和排放，是現(xiàn)代油田企業(yè)追求高質(zhì)高效、環(huán)境友好發(fā)展目標(biāo)的必然要求[1-2]。原油處理即對(duì)采出液進(jìn)行脫水、脫鹽、脫除機(jī)械雜質(zhì)等，使之成為合格原油的工藝流程。采出液在進(jìn)入相應(yīng)處理設(shè)備之前，需要加熱到一定溫度，才能保證處理效果[3-5]。加熱采出液消耗大量能量的同時(shí)，不同處理階段會(huì)產(chǎn)生一定量的廢水，這些廢水往往蘊(yùn)含著大量的余熱；而合格的原油外輸之前又有一定的降溫需求。因此一個(gè)合理的換熱網(wǎng)絡(luò)，需要綜合考慮各股熱流和冷流，并根據(jù)處理原油所需溫區(qū)的不同，保證處理效果的同時(shí)，將余熱最大程度回收并加以利用，以減少燃料消耗量，達(dá)到節(jié)能減排目的。

換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化在工業(yè)化工領(lǐng)域應(yīng)用較多，在原油處理方面，鑒于作業(yè)流程的特殊性，一般都是“遇熱加熱、遇冷冷卻”的設(shè)計(jì)思路，較為粗獷。隨著環(huán)保要求的提升和排放指標(biāo)的收緊，精細(xì)化換熱設(shè)計(jì)成為日益迫切需求[6-7]。換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)有多種方法，夾點(diǎn)技術(shù)是一種以熱力學(xué)基礎(chǔ)，以最大限度回收熱量為目標(biāo)的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法[8-10]，旨在有效降低熱公用工程和冷公用工程的使用量，在換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的工業(yè)流程中得到了廣泛的應(yīng)用[11-13]。本文將基于夾點(diǎn)技術(shù)，開(kāi)展原油處理系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，并分析節(jié)能效果。

1 夾點(diǎn)技術(shù)

1.1 夾點(diǎn)定義

以橫坐標(biāo)為流體的焓、縱坐標(biāo)為溫度繪制流體溫-焓(T-H) 圖。在換熱網(wǎng)絡(luò)中，熱流體放熱，因此有一個(gè)高溫到低溫的趨勢(shì)，同理冷流體吸熱所以是從低溫到高溫傾斜。起點(diǎn)和終點(diǎn)的換熱量體現(xiàn)在溫焓圖上即是橫坐標(biāo)的差值，用焓差(ΔH)表示，換熱量的大小與曲線在圖中的左右位置無(wú)關(guān)。曲線在橫坐標(biāo)上的投影重疊部分即為換熱量，不重疊的為公用工程消耗量。通過(guò)平移曲線可構(gòu)造冷熱物流的復(fù)合曲線，如圖1所示。

圖1 復(fù)合曲線構(gòu)造示意圖

水平方向上平移兩條曲線，使其相互靠近，重疊部分變大，相互之間的換熱量也就變大，公用冷熱源的使用量就變小，最小換熱溫差也在變小。移近曲線至某一點(diǎn)達(dá)到最小允許傳熱功當(dāng)量溫差時(shí)，熱回收量達(dá)到最大值，公用工程消耗量達(dá)到最小，這一點(diǎn)定義為此換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 總復(fù)合曲線示意圖

夾點(diǎn)的物理意義可以理解為是一個(gè)熱量平衡點(diǎn)，夾點(diǎn)上方的換熱只有熱公用工程，而下方只有冷公用工程。如在夾點(diǎn)上方設(shè)置冷卻用的設(shè)備，那冷卻所帶走的熱量就需要額外的加熱器來(lái)彌補(bǔ)[14]，從能量的最大回收利用角度來(lái)講認(rèn)為是一個(gè)不合理的換熱設(shè)計(jì)，因此換熱的設(shè)計(jì)需要盡量避免跨越夾點(diǎn)的換熱[15-17]。

1.2 夾點(diǎn)的確定

溫-焓圖解法是通過(guò)平移曲線的方式來(lái)改變最小換熱溫差，以此確定夾點(diǎn)位置的方法。此方法形象直觀但有缺陷，有多股物流時(shí),平移曲線將導(dǎo)致結(jié)果不精確，并且過(guò)程也變得較為復(fù)雜，此時(shí)最常用的為問(wèn)題表格法[18]。問(wèn)題表格法求解的一般步驟分為

(1)按照物流的初始溫度和終了溫度繪制垂直線和水平線并在途中劃分成換熱網(wǎng)格圖。

(2)對(duì)每個(gè)網(wǎng)格按照下式依次進(jìn)行熱量平衡計(jì)算。

Dk=(∑CPk,c-∑CPk,h)(Tk-Tk+1)

(1)

Ok=Ik-Dk

(2)

Ok=Ik-Dk

(3)

式中：k為子網(wǎng)絡(luò)數(shù)目；∑CPk,c為冷物流熱容流率之和；∑CPk,h為熱物流熱容流率之和；Tk-Tk+1為溫度間隔；Dk為第k個(gè)為滿足熱平衡時(shí)所需外加的凈熱量；Ik為由外界或其他子網(wǎng)絡(luò)放出的熱量；Ok為第k個(gè)子網(wǎng)絡(luò)向外或其他子網(wǎng)絡(luò)放出的熱量。

(3)確定換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)溫度及最小公用工程負(fù)荷用量。通過(guò)對(duì)每個(gè)網(wǎng)格不斷迭代計(jì)算使Ok=0，此時(shí)對(duì)應(yīng)溫度為夾點(diǎn)溫度，其中首個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的供熱量為最小熱公用工程用量，末尾子網(wǎng)絡(luò)輸出的熱量為最小冷公用工程用量[19]。

1.3 閾值問(wèn)題

在換熱網(wǎng)絡(luò)中，并非所有問(wèn)題都有真正意義上的夾點(diǎn)。通過(guò)工藝流程內(nèi)部的熱流和冷流相互熱量交換不能達(dá)到最終的溫度要求，公用熱源和公用冷源都要用到的換熱網(wǎng)絡(luò)存在夾點(diǎn)。很多時(shí)候只需要一種公用工程便可以解決問(wèn)題，這類問(wèn)題稱為夾點(diǎn)分析中的閾值問(wèn)題，閾值的最小傳熱溫差稱為閾值溫差，閾值問(wèn)題的復(fù)合曲線只有夾點(diǎn)的上半部分，稱為熱阱部分。

2 換熱改造

某油田中心處理平臺(tái)現(xiàn)行對(duì)采出液進(jìn)行加熱后處理的工藝流程如圖3所示。

圖3 某油田中心處理平臺(tái)工藝流程圖

由圖3可知，因采出液溫度達(dá)不到進(jìn)入分離器的溫度要求，為保證處理效果，需要使用導(dǎo)熱油鍋爐對(duì)原油進(jìn)行逐級(jí)加熱，所需溫度根據(jù)各級(jí)分離器的分離要求及效果確定。經(jīng)三級(jí)分離后，脫出的氣再利用，脫出的廢水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，合格的原油外輸時(shí)所蘊(yùn)含熱量在一級(jí)分離器之后重新利用一次，之后經(jīng)過(guò)海水冷卻降溫后外輸。

使用換熱網(wǎng)絡(luò)圖表示現(xiàn)有的工藝流程如圖4所示。

圖4 現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)圖

經(jīng)工藝分析，本換熱網(wǎng)絡(luò)同時(shí)使用公用熱源和公用冷源，污水蘊(yùn)含的熱量沒(méi)有再利用，具有進(jìn)一步優(yōu)化空間。

2.1 物性參數(shù)

根據(jù)圖4，排除公用熱源后，圖4中的熱流只有一股，即合格原油外輸前熱量回收的這股，稱為H1。冷流有三股，分別是：

(1)進(jìn)入一級(jí)分離器(游離水分離器)之前的采出液，稱為C1；

(2)進(jìn)入二級(jí)分離器之前，經(jīng)過(guò)合格外輸原油加熱后的采出液，稱為C2；

(3)進(jìn)入三級(jí)分離器(電脫水器)之前的采出液。

為達(dá)到熱量充分利用的換熱效果，污水所蘊(yùn)含的熱量不可忽略，尤其是后兩級(jí)分離器分離出的污水，因經(jīng)過(guò)前面幾次連續(xù)加熱，其溫度高，利用價(jià)值較大。將這部分污看作一股熱流，稱為H2。因原油的換熱圖并沒(méi)有利用污水熱量，在圖4上沒(méi)有換熱器與其連接，但在改造計(jì)算時(shí)考慮在內(nèi)。

經(jīng)分析及計(jì)算，冷熱物流基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 冷熱物流基本數(shù)據(jù)

以焓差為橫坐標(biāo)，以溫度為縱坐標(biāo)繪制冷熱物流復(fù)合曲線，見(jiàn)圖5。

圖5 復(fù)合曲線圖

2.2 夾點(diǎn)溫度

采用問(wèn)題表格法，將數(shù)據(jù)代入式(1)～式(3)后得出最小傳熱溫差Δt從9～17 ℃的夾點(diǎn)溫度、回收熱量、公用消耗等數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。當(dāng)Δt在9～13 ℃，公用冷源的使用量為0，即不需要冷卻，公用熱源的使用量一直維持在3 654.3 kW，即可判定此換熱網(wǎng)絡(luò)是閾值問(wèn)題無(wú)真正意義夾點(diǎn)。隨著Δt進(jìn)一步升高，公用冷源不再是0，且逐漸增大。與此同時(shí)公用熱源的使用量變大，回收熱量逐漸變小。這種情況可以認(rèn)為公用冷源的使用無(wú)形浪費(fèi)掉公用熱源的熱量，且導(dǎo)致回收的熱量變小。

表2 不同Δt下夾點(diǎn)溫度、回收熱量、公用工程負(fù)荷比較

取最小傳熱溫差Δt為13 ℃作為閾值傳熱溫差構(gòu)造總復(fù)合曲線，見(jiàn)圖6。從圖6中得出：曲線最下部與豎坐標(biāo)交匯處為閾值問(wèn)題的夾點(diǎn)；最上端點(diǎn)的橫坐標(biāo)值為3 654.3kW，為最小公用熱源負(fù)荷。對(duì)比第一章節(jié)具有真正意義夾點(diǎn)的換熱網(wǎng)絡(luò)而言，此網(wǎng)絡(luò)的總復(fù)合曲線只有上半部分，沒(méi)有下半部分，只使用一種公用工程可以滿足輸入輸出要求，為閾值問(wèn)題。

當(dāng)取Δt為13 ℃作為最小傳熱溫差時(shí)，公用冷源為0，說(shuō)明合格的原油在外輸時(shí)，通過(guò)合理的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)即可達(dá)到冷卻要求，無(wú)需額外的海水冷卻設(shè)施。自身具有的熱量也全部回收利用，減少了公用冷源的需求，可謂一舉兩得。

圖6 總復(fù)合曲線

2.3 換熱設(shè)計(jì)

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)基于夾點(diǎn)技術(shù)換熱設(shè)計(jì)基本原則有以下三條[20]：

(1)熱流體放熱時(shí)溫度變化范圍盡量不要覆蓋夾點(diǎn)溫度；

(2)溫度比夾點(diǎn)溫度高的熱流體盡量不要使用公用熱源；

(3)溫度比夾點(diǎn)溫度低的熱流體盡量不要使用公用冷源。

依據(jù)上述三條基本原則重新設(shè)計(jì)換熱流程，新的換熱網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖7。污水熱流即H2熱量被充分利用，用以加熱C1，因C1所需熱量大，H1的熱量也被用于加熱C1，不足由導(dǎo)熱油鍋爐熱量補(bǔ)充。C2和C3都由公用熱源負(fù)責(zé)。

圖7 改造后換熱網(wǎng)絡(luò)圖

換熱效果與傳熱溫差息息相關(guān)，H1和C1換熱的溫差要比H1和C2的換熱溫差大，因此采用H1加熱C1的方式，可以有效減少換熱面積，節(jié)省部分投資。

3 效果分析

借助夾點(diǎn)技術(shù)重新設(shè)計(jì)原油換熱網(wǎng)絡(luò)，對(duì)比之前的換熱工藝，節(jié)能效果除了分析所能節(jié)省的公用熱源、冷源消耗外，換熱器的數(shù)量、換熱器的體積、造價(jià)等因素也是衡量換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣的指標(biāo)。換熱器的造價(jià)、體積等因素可直觀用換熱面積表示，換熱面積A用下式計(jì)算：

(4)

式中：Q為換熱器負(fù)荷，kW；K為換熱系數(shù)，統(tǒng)一取200 W/(m2·K)；ΔTd為對(duì)流換熱溫差，K。

發(fā)電效率取30%，導(dǎo)熱油鍋爐效率取90%，天然氣熱值取36 MJ/m3(標(biāo)準(zhǔn))，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)取8 500 h，計(jì)算得出優(yōu)化前后節(jié)能效果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 節(jié)能效果對(duì)比

對(duì)比改造前后的換熱網(wǎng)絡(luò)，可知在保持換熱器臺(tái)數(shù)不變的情況下，公用熱源負(fù)荷降低，公用冷源可以直接省去，總換熱面積增加200 m2左右，但每年可節(jié)省燃料量超過(guò)100萬(wàn)m3(標(biāo)準(zhǔn))方天然氣，節(jié)能減排效果顯著。

4 結(jié) 論

(1)基于夾點(diǎn)技術(shù)分析某原油處理平臺(tái)各股熱流和冷流物性，通過(guò)計(jì)算后得出52℃為閾值夾點(diǎn)溫度，并根據(jù)換熱原則重新設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)分析對(duì)比，新設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)大幅降低公用熱源負(fù)荷，公用冷源負(fù)荷降至0，可直接取消冷卻用海水，年節(jié)約天然氣用量超過(guò)百萬(wàn)方。

(2)節(jié)能減排項(xiàng)目需要以實(shí)用性為基礎(chǔ)，新設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)換熱面積有所增加，將帶來(lái)?yè)Q熱器體積、造價(jià)增大等問(wèn)題，在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段需要結(jié)合投資、設(shè)備布置等因素綜合考慮，基于夾點(diǎn)技術(shù)的換熱網(wǎng)絡(luò)分析為方案設(shè)計(jì)提供更多思路和依據(jù)。