基于夾點技術的煉油過程多裝置熱集成策略研究與應用

魏志強, 孫麗麗

(中國石化 工程建設有限公司, 北京 100101)

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基于夾點技術的煉油過程多裝置熱集成策略研究與應用

魏志強, 孫麗麗

(中國石化 工程建設有限公司, 北京 100101)

摘要：基于夾點技術,歸納了煉油工藝裝置物流熱輸出、熱輸入原則與熱集成物流溫度、熱量確定方法。在此基礎上,提出了煉油多裝置熱集成策略。基于該策略,對某煉油企業3個工藝裝置進行熱集成研究,提出了3種集成方案。結果表明,與基礎設計工況熱集成方案相比,方案3可降低能源消耗費用約21.0%,有利于全廠節能降耗,最為合理。煉油多裝置熱集成策略步驟清晰,方法便捷,可用于指導煉油企業工程設計、技術改進再設計等過程的熱集成應用。

關鍵詞：熱集成; 策略; 多裝置; 煉油

煉油企業是我國經濟社會發展的支柱型能源產業,是國家能源戰略安全、經濟高速發展的重要基石[1]。開展煉油企業能量系統全局優化研究,對國家可持續發展、企業降耗增效具有重要的現實意義,特別是在設計過程中進行煉油企業能量系統全局優化,能夠從源頭實現節能降耗,意義重大。

熱集成是煉油過程能量系統優化研究的重要組成部分。近30年來,研究者對煉油過程熱集成問題進行了深入的研究,取得了豐碩的成果,主要涉及工藝裝置或子系統集成優化[2-3]、整廠分析(Total site analysis)[4-5]、全局集成(Total site integration)[6-7]等,方法主要包括基于熱力學的分析方法[8]和數學規劃方法[9-10],或二者的綜合運用;其中,夾點技術是以熱力學原理為基礎,以最小能耗為主要目標的換熱網絡綜合方法,是熱集成的基礎[8]。如何將豐富的成果整合成為系統、簡捷、易操作的熱集成方法、策略,用于指導煉油過程工程設計、技術改進再設計等應用過程,是目前值得深入研究的課題。

鑒于此,筆者基于夾點技術,在分析、整合煉油工藝裝置物流熱輸出、熱輸入原則,凝煉熱集成物流溫度與熱量確定方法的基礎上,提出適用于工程設計、技術改進再設計過程的煉油多裝置熱集成策略,給出相對清晰的煉油多裝置熱集成實施步驟,并結合應用實例分析,驗證策略的實用性,為煉油過程熱集成優化設計和生產提供理論和實證支持。

1基于夾點技術的熱集成規則

煉油生產裝置熱集成包括直接熱集成和間接熱集成兩種方式[8]。其中,直接熱集成包括裝置間的熱進料、熱出料,工藝物流間的熱交換等形式;間接熱集成指借助傳熱媒介實施熱量交換的集成方式,常見的傳熱媒介包括蒸氣、熱導油等。熱輸出包括熱出料、單純用作熱交換的工藝物流熱量熱輸出和發生蒸氣等;熱輸入包括熱進料、單純用作熱交換的工藝物流熱量熱輸入等。

基于夾點技術開展熱集成的3個基本原則[8]是:(1)夾點處不能有熱量穿過,即不允許跨夾點換熱;(2)夾點上方不能引入冷公用工程;(3)夾點下方不能引入熱公用工程。

1.1裝置物流熱輸出與熱輸入原則

圖1是組合曲線的示意圖,結合此圖與夾點技術基本原則,分別給出煉油生產裝置物流熱輸出與熱輸入的診斷原則。

熱輸出原則:夾點之上,溫度介于Th,s與Th,p之間,物流熱量不應熱輸出。夾點之下,溫度介于Th,p與Th,b之間,物流熱量熱輸出與否,需進一步分析;溫度介于Th,b與Th,t之間,物流熱量可以熱輸出。

熱輸入原則:夾點之上,溫度大于Tc,a+ΔTmin,物流熱量輸入與否,需進一步分析;溫度介于Tc,a+ΔTmin與Th,p之間,物流熱量不應輸入。夾點之下,溫度小于Th,p,物流熱量不應輸入。

1.2物流熱輸出、熱輸入溫度與熱量確定方法

由1.1節可知,夾點之下,溫度介于Th,p與Th,b之間的物流的熱量熱輸出與否,需進一步分析確定;夾點之上,溫度大于Tc,a+ΔTmin,物流熱量輸入與否,也需要進一步分析確定。Zhang等[11-12]給出了一種較為直觀的物流熱輸出、熱輸入溫度與熱量確定方法。

對于圖1中溫度介于Th,p與Th,b之間的熱物流,可通過圖2所示的方法確定熱輸出溫度和熱量。首先,繪制裝置總組合曲線與擬熱輸出物流的組合曲線,將熱出料物流的組合曲線反向放置,由于x軸只表示相對焓值,故原組合曲線的物理意義不改變;然后,將反向組合曲線向左移動,直至與總組合曲線相交。此時,物流與y軸交點Tout為熱出料/熱輸出的理論溫度,Qout為熱出料/熱輸出的理論熱量。

同理,給出圖1中溫度大于Tc,a+ΔTmin熱量有效輸入的確定方法,如圖3所示。首先,繪制熱輸入裝置的總組合曲線與熱輸入物流的組合曲線;然后,自總組合曲線坐標軸左側開始,右移熱輸入物流的組合曲線,直至與裝置總組合曲線相交;此時,熱輸入物流最高溫度Th,max與縱坐標之間距離即為有效熱輸入負荷Qin,熱輸入物流組合曲線與縱坐標的交點Tin即為物流熱輸入溫度起始點。分析發現,如果熱物流攜帶熱量全部進入下游裝置,則增加下游裝置冷卻負荷的量為Qch,這部分熱量應視為無效熱輸入。

2煉油多裝置熱集成策略

基于上述分析,給出煉油多裝置熱集成策略框圖,如圖4所示。首先,選定背景煉油企業,篩選并確定存在熱集成機會的生產裝置;基于裝置熱集成分析策略,對各個裝置進行分析,輸出熱輸出、熱輸入物流需求信息,匯總至多裝置熱集成物流信息數據庫;基于工程知識,并考慮總平面布置等約束,給出可能的跨裝置熱集成方案;對各個跨裝置熱集成匹配組合進行經濟可行性分析,如經濟性不合理,不支持該熱集成方案,如經濟性合理,輸出該熱集成方案;最后,匯總各熱集成方案,優化綜合裝置及裝置間換熱網絡。

圖4右側方框所示為裝置熱集成基礎分析策略框圖。首先,采集背景裝置冷熱物流基礎數據,并借助流程模擬軟件對數據進行校正;應用夾點分析工具軟件繪制裝置冷熱物流組合曲線,結合裝置物流熱輸出原則與裝置物流熱輸入原則對熱輸出、熱輸入物流進行初步診斷,對于不需要進一步分析的物流,可將其溫度與熱量信息直接輸出,對于需要進一步分析的物流,應用夾點分析工具軟件繪制其組合曲線,并繪制裝置總組合曲線;結合裝置物流熱輸出、熱輸入溫度與熱量確定方法確定裝置物流熱輸出、熱輸入溫度與熱量;之后,繪制熱輸出、熱輸入后裝置冷熱物流組合曲線,診斷是否仍存在物流熱輸出、熱輸入的可能;如果仍存在物流熱輸出、熱輸入的可能,返回裝置總組合曲線及需進一步分析物流組合曲線繪制層次,循環直至不存在物流熱輸出、熱輸入可能;輸出裝置熱輸出、熱輸入物流溫度與熱量信息。

3煉油多裝置熱集成實例研究

以國內某煉油企業A、B、C裝置的基礎設計資料為基礎,開展熱集成研究,驗證裝置熱集成分析策略與煉油多裝置熱集成策略的實用性。

3.1基礎數據采集與校正

分別采集A、B、C裝置基礎設計數據并進行校核后,采用流程模擬軟件Aspen Plus與PRO/II對3個裝置進行流程模擬,重現了設計工況,提取冷、熱物流的數據,結果分別列于表1、2、3。

3.2熱集成基礎分析

3.2.1A裝置

以冷熱物流數據為基礎,繪制A裝置冷熱物流組合曲線,如圖5(a)所示;同時,繪制基礎設計工況冷熱物流組合曲線,如圖5(b)所示。最小允許換熱溫差均取10℃。

由圖5(a),結合裝置物流熱輸出、熱輸入原則,給出A裝置熱輸出信息。溫度介于45～95℃之間,物流A-h1、A-h2、A-h3、A-h4、A-h5、A-h6、A-h12可以熱輸出;溫度介于95～231℃之間,物流A-h1、A-h2、A-h3、A-h4、A-h5、A-h6、A-h7、A-h8、A-h9、A-h10、A-h12、A-h13、A-h14熱輸出時需要進一步分析;溫度介于231～369℃之間,物流A-h3、A-h4、A-h6、A-h7、A-h8、A-h11、A-h13、A-h14不應熱輸出。同時給出熱輸入信息,溫度介于40～231℃之間,物流不應熱輸入;溫度介于231～318℃之間,物流不應熱輸入;溫度大于318℃,物流熱輸入時需分析診斷。

A裝置基礎設計工況中,不存在熱輸入,存在3個部分的熱輸出,涉及物流A-h10與A-h11。其中,A-h10溫度介于193～168℃之間,約7680 kW熱量熱輸出至B裝置;溫度介于168～155℃之間,約3860 kW熱量用于發生0.35 MPa蒸氣;A-h11溫度介于276～233℃之間,約18280 kW熱量熱輸出至B裝置。分析發現,熱輸出后,裝置冷公用工程負荷降低約53.5%,但熱公用工程負荷增加約22.6%,理論換熱終溫由308℃降低至288℃。

熱公用工程負荷增加,理論換熱終溫降低,表明熱輸出影響了裝置的換熱,熱輸出不合理。分析可知,物流A-h11是夾點之上物流,原則上不能熱輸出。因此,物流A-h11熱輸出是導致裝置熱公用工程增加及理論換熱終溫降低的主要原因,A-h11熱輸出熱量為18280 kW,熱公用工程負荷增加負荷為18280 kW。物流A-h10溫度介于95～231℃之間,熱輸出時需分析。按照物流熱輸出溫度與熱量確定方法,計算得到A-h10有效熱輸出溫度為206℃,最大熱輸出負荷約為16330 kW,如圖6所示。物流A-h10熱輸出溫度低于有效熱輸出溫度,熱量小于最大熱輸出負荷,因此,物流A-h10熱輸出是合理的,能夠合理降低裝置冷公用工程。

綜合上述分析可知,A裝置基礎設計方案中,物流A-h11熱輸出不合理,物流A-h10熱輸出合理,裝置基礎工況可接收318℃以上物流的熱輸入。如果物流A-h11熱輸出,則裝置可接收298℃以上物流的熱輸入。

3.2.2B裝置

以冷熱物流數據為基礎,繪制B裝置冷熱物流組合曲線,如圖7(a)所示;同時,繪制基礎設計工況冷熱物流組合曲線(含1.0 MPa蒸氣),如圖7(b)所示。最小允許換熱溫差均取10℃。

由圖7,并結合裝置物流熱輸出、熱輸入原則,給出B裝置熱輸出信息。溫度介于38～82℃之間,物流B-h1、B-h2、B-h3、B-h4、B-h5、B-h6、B-h7、B-h8可以熱輸出;溫度介于82～89℃之間,物流B-h1、B-h4、B-h6、B-h7、B-h8熱輸出時需分析;溫度介于89～165℃之間,物流B-h1、B-h4、B-h6、B-h8不應熱輸出。同時給出熱輸入信息。溫度介于46～152℃之間,物流不應熱輸入;溫度大于152℃,物流熱輸入時需分析診斷。

B裝置基礎設計方案中,不存在熱輸出,存在兩個工藝物流熱輸入,即A裝置物流A-h10、A-h11。存在一個熱公用工程,即1.0 MPa蒸氣,熱輸入與熱公用工程總熱量為22680 kW。其中,A-h10溫度介于193～168℃之間的熱量為某分餾塔再沸器提供熱源;A-h11溫度介于276～233℃之間的熱量為穩定塔再沸器提供熱源;1.0 MPa蒸氣為解吸塔再沸器提供熱源。B裝置基礎工況最小熱公用工程負荷為19870 kW,熱輸入與熱公用工程總熱量為22680 kW,導致基礎設計工況的冷公用工程負荷比基礎工況增加約11.6%。

3.2.3C裝置

以冷熱物流數據為基礎,繪制C裝置冷熱物流組合曲線,如圖8(a)所示;左移冷物流組合曲線,直至出現類夾點,如圖8(b)所示;繪制基礎設計工況冷熱物流組合曲線,如圖8(c)所示。最小允許換熱溫差均取10℃。

C裝置是典型的熱端閾值問題換熱網絡[13],最小冷公用工程被分為兩個部分,低溫位冷公用工程負荷約226240 kW,高溫位冷公用工程負荷約62770 kW,高溫位冷公用工程負荷為裝置最大熱輸出負荷。

由圖8(b),結合裝置物流熱輸出、熱輸入原則,給出C裝置熱輸出信息。溫度介于40～130℃之間,物流C-h1、C-h5、C-h6、C-h7、C-h8、C-h9、C-h10、C-h11可以熱輸出;溫度介于130～150℃之間,物流C-h1、C-h5、C-h6、C-h7、C-h9熱輸出時需分析;溫度介于150～330℃之間,物流C-h2、C-h3、C-h4、C-h5、C-h6、C-h7、C-h9熱輸出時需分析。C裝置是典型的熱端閾值問題換熱網絡,理論不應接收熱輸入物流。

C裝置基礎設計方案中,不存在熱輸入,存在熱輸出,即發生3.5 MPa蒸氣約80 t/h,熱量約51000 kW,低于最大熱輸出熱量約18.8%。分析發現,與基礎工況相比,基礎設計工況高溫位熱公用工程熱輸出(發生3.5 MPa蒸氣)51000 kW,低于裝置最大熱輸出負荷約23.0%,同時,降低裝置冷公用工程負荷約17.6%。

實質上,C裝置熱輸出物流為C-h4,C-h4溫度介于275～330℃之間,結合表3分析發現,物流C-h4熱量熱輸出時,應進行分析。按照物流熱輸出溫度與熱量確定方法,給出物流C-h4熱輸出溫度與熱量,詳見圖9。物流C-h4應輸出熱量為62770 kW,熱輸出溫度范圍為278～330℃之間。

3.3熱集成方案

分析發現,A裝置熱物流A-h10可以熱輸出,A-h11原則不可熱輸出。但A-h11不輸出時,可接收318℃以上的熱輸入物流;A-h11輸出時,可接收298℃以上的熱輸入物流。B裝置不宜熱輸出,可接收152℃以上的熱輸入物流。C裝置熱物流C-h4可熱輸出,裝置不宜接收熱輸入物流。

3個工藝裝置的基礎設計熱集成方案為,A裝置A-h10與A-h11均輸出,B裝置不消耗3.5 MPa蒸氣,C裝置C-h4發生3.5 MPa蒸氣。結合上述分析與工程知識,提出3種熱集成方案。

熱集成方案1∶A裝置A-h10輸出,A-h11不輸出;B裝置消耗3.5 MPa蒸氣;C裝置C-h4發生3.5 MPa蒸氣。

熱集成方案2∶A裝置A-h10輸出,A-h11不輸出,C-h4輸入;B裝置消耗3.5 MPa蒸氣;C裝置C-h4先輸出至A裝置,再發生3.5 MPa蒸氣。

熱集成方案3∶A裝置A-h10,A-h11均熱輸出,C-h4熱輸入;B裝置不消耗3.5 MPa蒸氣;C裝置C-h4先輸出至A裝置,再發生3.5 MPa蒸氣。

以上3種熱集成方案對比列于表4,方案0為基礎設計熱集成方案。表4中,各裝置冷公用工程消耗耗能工質均假定為循環水,價格為0.03 RMB/kW;A裝置熱公用工程消耗能源為燃料氣,價格為0.43 RMB/kW,B裝置熱公用工程消耗能源為3.5 MPa蒸氣,價格為0.40 RMB/kW。由表4可知,對于A、B、C 3個裝置,方案3能源消耗費用最低,為最佳熱集成方案。

方案3中,A裝置物流A-h10與A-h11均輸出至B裝置,C裝置物流C-h4輸入至A裝置。A-h11是A裝置夾點之上的物流,按照2.1節中“夾點之上,溫度介于Th,s與Th,p之間,物流熱量不應熱輸出”原則,不應熱輸出。實質上,如僅熱輸出A-h11,必然導致裝置最小熱公用工程負荷的增加,如方案0。分析圖6可知,夾點之上,溫度介于230～300℃之間,總組合曲線存在一個熱量的“口袋”[8],其斜率為負部分可與斜率為正部分實施自匹配,但自匹配時,該區域傳熱溫差較低,使得換熱網絡傳熱驅動力相對較小。如果存在高于此溫度區間的熱輸入,則可以通過部分熱輸出本溫度區間物流增大換熱網絡傳熱的驅動力。由此,方案3中A-h11熱輸出是合理的。相對于方案0,能源消耗費用約可降低21.0%。

分析認為,筆者提出的煉油多裝置熱集成策略步驟明晰,便于應用,可廣泛用于指導煉油企業工程設計與技術改進再設計。但熱集成方案確定過程中,理論原則要受到工程條件的約束。

4結論

基于夾點技術,歸納了煉油工藝裝置物流熱輸出、熱輸入原則與熱集成物流溫度與熱量確定方法,進而提出了煉油多裝置熱集成策略。基于該策略,對某煉油企業A、B、C裝置進行熱集成研究。其中,A裝置物流A-h11熱輸出至B裝置不符合夾點原則,使得A裝置理論換熱終溫由308℃降低至288℃。但由于物流A-h11位于A裝置總組合曲線熱量“口袋”位置,輸出該物流可降低A裝置接收熱輸入物流的溫度,為C-h4的熱輸入提供了契機,同時可避免B裝置消耗3.5 MPa蒸氣。對比分析熱集成方案發現,與基礎設計工況熱集成方案相比,方案3最為合理,可降低能源消耗費用約21.0%,有利于全廠節能降耗。研究表明,煉油多裝置熱集成策略步驟清晰,方法便捷,可用于指導煉油企業工程設計、技術改進再設計等過程的熱集成應用。

符號說明：

Q——熱負荷,MJ;

T——溫度,℃;

ΔT——換熱溫差,℃;

下角標

a——冷物流換熱終溫;

b——熱物流換熱終溫;

c——冷物流;

ch——無效熱輸入;

h——熱物流;

in——熱輸入;

max——最大;

min——最小;

out——熱輸出;

p——夾點;

s——起始;

t——目標。

參考文獻

[1] 中華人民共和國國家統計局. 中華人民共和國2012年國民經濟和社會發展統計公報[M].北京: 中國統計出版社, 2013.

[2] LINNHOFF B, EASTWOOD A R. Overall site optimization by pinch technology[J].Chemical Engineering Research and Design, 1997, 75(Supple): 138-144.

[3] YANG M B, FENG X, CHU K H. Graphical analysis of the integration of heat pumps in chemical process systems[J].Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(24): 8305-8310.[4] CHEW K H, KLEMEJ J, WAN A S R, et al. Industrial implementation issues of total site heat integration[J].Applied Thermal Engineering, 2013, 61(1): 17-25.

[5] HACKL R, ANDERSSON E, HARVEY S. Targeting for energy efficiency and improved energy collaboration between different companies using total site analysis (TSA)[J].Energy, 2011, 36(8): 4609-4615.

[6] LIEW P Y, ALWI S R W, VARBANOV P S, et al. Centralised utility system planning for a total site heat integration network[J].Computers & Chemical Engineering, 2013, 57(15): 104-111.

[8] KEMP I C. Pinch analysis and process integration: A user guide on process integration for the efficient use of energy[M] 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2007.

[9] TERRAZAS-MORENO S, GROSSMANN I E. A multiscale decomposition method for the optimal planning and scheduling of multi-site continuous multiproduct plants[J].Chemical Engineering Science, 2011, 66(19): 4307-4318.

[10] KARUPPIAH R, MARTN M, GROSSMANN I E. A simple heuristic for reducing the number of scenarios in two-stage stochastic programming[J].Computers & Chemical Engineering, 2010, 34(8): 1246-1255.

[11] ZHANG Bingjian, LUO Xianglong, CHEN Qinlin, et al. Heat integration by multiple hot discharges/feeds between plants[J].Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(18): 10744-10754.

[12] ZHANG Bingjian, LUO Xianglong, CHEN Qinlin. Hot discharges/feeds between plants to combine utility streams for heat integration[J].Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51(44): 14461-14472.

[13] 魏志強, 孫麗麗, 袁忠勛, 等. 熱端閾值問題換熱網絡設計與應用[J].石油學報(石油加工), 2014, 30(4): 748-755.(WEI Zhiqiang, SUN Lili, YUAN Zhongxun, et al. Design and application of heat exchanger network for a hot-end threshold problem[J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2014, 30(4): 748-755.)

Strategy Research and Application for Multi-Units Heat Integration in Refining Enterprises Based on Pinch Technology

WEI Zhiqiang, SUN Lili

(EngineeringIncorporation,SINOPEC,Beijing100101,China)

Key words：heat integration; strategy; multi-units; refining

Abstract：Based on pinch technology, the principle of heat output and input for refinery units was presented, and the method to identify the temperature and heat duty for the heat integrated stream was concluded. Furthermore, the multi-units refinery heat integration strategy was proposed. According to the strategy, a heat integration case study for three refinery units was detected and then three solutions were provided. Compared with the base design case, the energy consumption cost was reduced by about 21.0% in the third solution, which contributes to reduce the energy consumption for the whole plant, so the third design was more reasonable than others. The multi-units heat integration strategy for refining enterprises was a convenient method with clear procedures, which could be used to guide the design and re-design processes on refining enterprises.

收稿日期：2015-01-22

文章編號：1001-8719(2016)02-0221-09

中圖分類號：TQ028.8

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.02.001

通訊聯系人： 魏志強，男，高級工程師，博士，從事石油化工能量系統分析、評價與優化方面的研究；E-mail：weizhiqiang@sei.com.cn