煉油企業循環水系統優化技術及應用

劉殿棟　李晨光　朱賢琨　焦云強　王建平

【摘要】循環水系統是石化行業重要的公用工程，循環水系統的運行需要消耗大量的水源和電能。針對煉油企業循環水系統普遍存在能耗大、運行不經濟等實際問題，為了滿足企業降低成本、節能降耗的目的，本文詳細分析了當前煉油企業循環水系統優化的影響因素，提出了煉油企業循環水系統的全流程優化策略，建立了循環水系統的全流程優化模型，開展循環水系統的水量優化、壓力優化及節電優化。實例分析結果表明，該策略減少了裝置的循環水用量，降低了循環水系統的運行壓力，節省了循環水系統的電力消耗，對煉油企業循環水系統的優化管理具有重要指導意義。【關鍵詞】循環水；系統；優化；模型1、引言循環冷卻水系統是石化行業重要的公用工程，其新鮮水補水量占企業用水量的35%左右，是石油化工領域用水量僅次于鍋爐補水的第二大用水系統[1]。循環水輸送和冷卻處理過程消耗大量的電能，循環冷卻水系統運行電耗約占企業總用電量的20%-30%[2]，循環水系統是石化行業的耗電大戶。在石化煉油行業，企業的產能能否長期穩定增長、裝置設備能否高效安全運行、產品質量能否合格有效，都直接取決于循環水冷卻水系統的運行質量情況。循環水系統的節能優化是煉油企業節能降耗的重要內容，如何減少循環水系統的水耗與電耗已成為企業非常關注的問題，研究如何減少循環冷卻水系統的能耗對企業有著重要的意義。因此，為提高循環水系統的能量利用水平，循環水系統的更新改造及其優化運行勢在必行[3]。目前針對循環水系統優化的主要集中在三個方面：第一方面集中在循環水泵、冷卻塔等單體設備的性能優化；第二方面集中在裝置端循環水系統的循環水用量優化；第三方面集中在包括冷卻塔、裝置用水單元在內的循環水系統集成優化。這三方面的優化雖然改善了系統設備的性能，降低了裝置的循環水用量，并且獲得了相對簡單的循環水網絡結構，但目前的循環水系統優化主要集中在系統局部方面的研究，未考慮各用水設備所需的壓頭、裝置循環水管網的運行壓力、現場各用水設備的實際約束條件、循環水主管網的運行壓力，沒用開展包括裝置用水端、循環水管網、循環水供水端的全流程優化，優化方案脫離現場實際，與現場的實際應用存在一定的差距。本文針對現有技術的不足，提出了煉油企業循環水系統的全流程優化策略，該策略綜合考慮了水流量平衡、熱量平衡、水冷器、循環水泵、冷卻塔風機、循環水管網、壓力、現場實際條件等多項因素，建立了循環水系統的全流程優化模型，對煉油企業的循環水系統進行包括節水、降壓、節電在內的全流程優化，獲得更加切合煉油企業實際的循環水系統優化方案，取得了良好的效果。2、循環水系統優化模型2.1 問題描述煉化企業當前大多數循環水系統為敞開式系統。如圖1所示，煉油企業循環水系統由冷卻塔、泵、冷卻水池、用水裝置、工藝水冷器組成，循環水經用水裝置，由工藝裝置水冷器與工藝介質換熱升溫后，循環冷水變成循環熱水。循環熱水通過循環水管道進入冷卻塔冷卻降溫，冷卻的水進入冷卻塔水池，由冷卻塔水池進入冷水池。循環給水泵從冷水池自灌吸水加壓后，經循環給水管道輸送，供各裝置使用。循環水系統全流程優化的目的是：根據各用水裝置的實際特點，考慮裝置的相關約束條件，以循環水用量最小為目標，建立各裝置循環水系統的優化模型，確定各裝置循環水系統的水量優化方案；在水量優化的基礎上，根據各用水裝置的壓力特點，搭建循環水系統的全流程模型，對整個系統的設備和管網進行壓力核算，確定循環水系統的壓力優化方案；在水量優化和壓力優化基礎上，針對循環水系統的運行需求，對用電設備進行操作調整與適應性改造，確定循環水系統的節電優化方案。2.2 循環水系統水量優化循環水量優化是以裝置循環水用量最小為目標，建立循環水換熱網絡優化模型，指導進行循環水網絡改造，獲得水量小、結構簡單的最佳網絡設計[4～8]。通過設定目標函數，確定與實際過程相應的約束條件，建立用水系統的數學優化模型。通過求解該數學模型，就可以得到目標函數要求并滿足約束條件的用水網絡。2.2.1循環水用水網絡的超結構建立循環水用水網絡的超結構，需要把循環水用水網絡中的相關設備區分為水源和水阱。水源指提供循環水的設備，如冷卻塔。水阱指消耗循環水的設備，如裝置工藝水冷器。進一步觀察發現，水冷器所需的冷卻水可以是冷卻塔的來水，也可以是其它任何水冷器的升溫后的冷卻水；水冷器升溫后所排的冷卻水，可以直接排放至冷卻塔，或者也可以排至其它任何水冷器，所以冷卻塔與水冷器即使水源又是水阱。煉油企業循環水用水網絡的超結構如圖2所示。在建立循環水用水網絡的超結構時，需先建立包括所有可能連接的初始網絡結構，然后通過優化算法確定一個最優的網絡結構。在尋求最優網絡時，需建立與優化問題相關的數學模型并選擇優化算法進行計算。數學模型由目標函數和約束條件構成。目標函數一般選擇為成本最小化或效益最大化。約束條件需描述超結構中所有單元的物質和能量的衡算方程以及限制條件，并包括用整數變量表示某個過程或連接是否存在。超結構的主要特點就是建立水源到水阱之間的所有連接，由優化模型決定最合適的供水路線和供水量。超結構方法的主要優點在于：優化計算中可以直接添加約束條件和改變優化目標函數，并可同時獲得最優的目標函數值和相應的優化網絡[9]。2.2.2優化模型根據循環冷卻水系統的超結構建模原理，以循環水用量最小為目標，綜合考慮水流量平衡、熱量平衡、水冷器進出口溫度、水冷器溫差、整數變量、現場實際條件等約束，建立循環水用水網絡優化的數學模型，以獲得循環水量最小、網絡結構簡單的循環水用水網絡。求解模型，可以得到循環冷卻水量最少且結構簡單的循環冷卻水網絡。以上各式中：J，K為水冷器集合；水冷器的最小連接數；Ft，j 冷卻器j消耗的來自于冷卻塔的冷卻水流量；Fj，k 冷卻器k消耗的來自于冷卻器j的冷卻水流量；Fj，t 冷卻器j排向冷卻塔的冷卻水流量；Tt，out 冷卻塔的出口溫度；Tj，out 冷卻器j的出口溫度；Tk，out 冷卻器k的出口溫度；Tj，in 冷卻器j的進口溫度； 冷卻器j的極限進口溫度； 冷卻器j的極限出口溫度；U水冷器的最大冷卻水流量；Xt，j 0，1變量，表示冷卻器j是否使用來自于冷卻塔的冷卻水；Xj，k0，1變量，表示冷卻器j是否使用來自于冷卻器i的冷卻水；Xj，t0，1變量，表示冷卻器j是否向冷卻塔排水。2.3 循環水系統壓力優化循環水系統壓力優化就是在水量優化的基礎上，根據各用水裝置的壓力特點，搭建循環水系統的全流程模型，對整個系統的設備和管網進行壓力核算，確定循環水系統的壓力優化方案，降低整個循環水系統的運行壓力。循環水系統壓力優化包括以下步驟：（1） 在水量優化的基礎上，基于Aspen流程模擬軟件搭建包括循環水泵、循環水管網、裝置用水設備以及從裝置出口至冷卻塔的循環水系統全流程模型；（2） 根據搭建的全流程模型，對各用水設備所需的壓頭與循環水泵所供的壓頭以及各裝置循環水出口的壓頭與循環水場冷卻塔所需的壓頭進行對比核算，并對各裝置的循環水管網進行壓力等級分類；（3） 根據各裝置循環水管網的壓力等級分布情況，將循環水主管網分為高壓區和低壓區，實行高壓高供，低壓低供，對循環水進行梯級利用。同時，針對較高平臺上的水冷器，采用單獨管道泵提升壓力，以降低循環水系統的供水壓力。2.4 循環水系統節電優化循環水系統節電優化就是在壓力優化和水量優化的基礎上，搭建循環水系統的全流程模型，針對優化后循環水系統的運行需求，對用電設備進行操作調整與適應性改造，確定循環水系統節電優化方案。循環水系統節電優化包括以下步驟： （1） 在水量優化和壓力優化的基礎上，搭建包括循環水給水系統、裝置循環水系統、循環水回水系統在內的循環水系統全流程模型；（2） 根據搭建的全流程模型，根據循環水主管網所需的壓力及循環水量與循環水泵的實際壓頭和流量進行對比核算，同時對優化后的循環水用量與冷卻塔的實際處理量進行對比核算；（3） 根據核算情況，對系統的重點用電設備循環水泵及冷卻塔進行操作調整與適應性改造，以滿足優化后循環水系統的運行需求。3、實例研究某煉油企業的循環水系統工藝流程圖和循環水管網示意圖分別如圖3和圖4所示。該循環水場為12套生產裝置的換熱設備提供配套循環冷卻水。循環水場設計規模為18000m3/h，配備處理量為4500t/h的風機冷卻塔4座，供水量為4500t/h的循環水泵5臺。3.1 水量優化基于上述水量優化述思路，對該循環水系統進行水量優化，大大降低了裝置的循環水用量。由于系統內裝置較多且內部循環水管網復雜，裝置內部循環水系統的水量優化方案在此不再敘述。各裝置的循環水節水量統計如表1所示。裝置3、裝置4、裝置10、裝置11、裝置12中水冷器的進回水溫差較大，基本上無水量優化的空間。優化后的系統每小時節約循環水2110.84噸，節水率達16%。裝置端水量優化減少了系統的循環水用量，降低了循環水系統的運行成本，為循環水系統帶來了效益，實現企業節能增效的目標。水量優化所帶來的效益主要體現在循環水用量的減少，節省了循環水泵和冷卻塔風機的電耗，節省的電耗主要來自于少處理節約的這部分循環水的電力消耗，為循環水場的機泵節電帶來了直接的經濟效益。3.2壓力優化基于壓力優化思路，搭建整個循環水系統的流程模型，對整個系統的設備和管網進行壓力核算，通過以下措施對該循環水場進行壓力優化：1） 對各裝置的循環水管網進行了壓力等級分類，將各個用水裝置的循環水管網分為高壓區和低壓區，將循環水給水主管網用閥門分隔為高壓供水管網與低壓供水管網；2） 根據各裝置循環水系統的壓力需求，循環水主管網高壓區的供水壓力保持原來的0.5Mpa不變，循環水主管網低壓區的供水壓力由原來的0.5MPa減小為0.4Mpa；3） 將各裝置出口的循環水回水壓力由原來的0.22MPa降低到0.15Mpa，以滿足冷卻塔的運行需求。由于循環水系統內的裝置較多，且各裝置內部循環水管網復雜，裝置內部循環水系統的壓力優化方案在此不再敘述。壓力優化后循環水系統的主管網如圖5所示，從圖5可以看出，優化后的循環水系統充分利用了原來的循環水管線，在盡量不改動原有循環水管網的基礎上，新增兩個閥門將循環水給水系統分隔為虛線表示的高壓循環水系統和實線表示的低壓循環水系統，同時新增兩條高壓輸水管線和一條低壓輸水管線以保證循環水系統高壓區與低壓區循環水的正常供應。3.3節電優化基于節電優化思路，搭建循環水系統的全流程模型，針對優化后循環水系統的運行需求，對用電設備進行操作調整與適應性改造。根據水量優化及壓力優化的結果，循環水主管網可分為高壓管網和低壓管網，利用原來的一臺循環水泵向高壓管網供水。同時，對兩臺循環水泵進行葉輪切削改造，將這兩臺循環水泵的工作壓力由0.5 MPa降低為0.4 MPa，由改造過的兩臺循環水泵向低壓管網供水，這將大大降低循環水泵的電耗，節省了循環水系統的電力運行成本，每年可節電耗216.24×104 kW·h，節約電費123.69萬元。剩下的兩臺循環水泵作為備用，在非正常工況下系統循環水出現嚴重不足時，可對循環水系統進行補水，保證整個循環水系統的正常運行。4、結論本文針對目前循環水系統優化技術研究的不足，提出了煉油企業循環水系統的全流程優化策略，該策略綜合考慮了水流量平衡、熱量平衡、水冷器、循環水泵、冷卻塔風機、循環水管網、壓力、現場實際條件等多項因素，建立了循環水系統的全流程優化模型，對煉油企業的循環水系統進行包括節水、降壓、節電在內的全流程優化。案例分析結果表明，該策略實現了循環水系統的全流程優化，對比原始的循環水系統，優化后的循環水系統有效的降低了系統的運行成本，為企業帶來了良好的經濟效益和節能效果。參考文獻：[1] 陳應新. 循環冷卻水系統的工業應用[J]. 石化技術， 2005， 12（2）： 44.[2] 鄭雪松， 馮霄， 沈人杰. 具有最簡結構水回用網絡的優化[J]. 高校化學工程學報， 2006， 20（4）：622-627.[3] 李友松，江萍.煉油工藝過程節水的研究與應用效果[J].化工進展，2009，28（增）：21-23.[4] MAJOZI T，MOODLEY A.Simultaneous Targeting and Design for Cooling Water Systems with Multiple Cooling Water Supplies[J].Computers and Chemical Engineering，2008，32（3）：540-551.[5] 丁力，鄢烈祥，史彬等.冷卻塔水循環系統的集成優化[J].計算機與應用化學，2010，27（11）：1469-1472.[6] 馮霄，雷哲，沈人杰.基于數學規劃法的循環冷卻水網絡的優化[J].華北電力大學學報，2012，39（1）：33-36.[8] 梁偉，苗磊，張洪林等.水網絡設計優化軟件在工業節水中的應用[J].礦冶，2006，15（4）：65-68.[9] 關新虎，焦云強，李晨光等.一種工業循環水系統的優化方法：中國，104680247 A[P]，2015-06-03.