夾點技術在換熱流程優化中的應用

王新勇，朱江輝，高華珍

夾點技術在換熱流程優化中的應用

王新勇，朱江輝，高華珍

（中石化塔河煉化有限責任公司， 新疆 庫車 842000）

以塔河煉化1#凝結水系統換熱流程為研究對象，針對1#凝結水系統在運行過程中存在的凝結水終端溫度高、冷源流量不足、熱量浪費等問題，利用夾點技術進行分析優化綜合換熱網絡，并且對整個過程系統的能量進行分析與調優，實現過程系統的低能耗操作。通過優化改造及調整后，解決現場運行問題，并提出換熱網絡優化運行措施，對優化工作有一定的指導意義。

夾點技術；換熱；流程優化

1#凝結水系統設計處理量為50 t·h-1，其主要功能為回收裝置送回的凝結水。凝結水主要來自1#焦化、加制氫、儲運、重整等工藝。凝結水流量在 0~40 m3·h-1之間，回水溫度為120 ℃左右，經換熱器（凝結水/循環水）出水溫度為100 ℃（夏70 ℃）左右，循環水進換熱器溫度25 ℃，出換熱器溫度為65 ℃，合格凝結水回用至除氧器，不合格凝結水回用至循環水。凝結水系統在運行中存在以下問題：凝結水熱量浪費，未得到合理利用；凝結水不合格時存在低水高用現象；凝結水/循環水換熱器熱源及冷源終端溫度高，不利于后期處理。本文利用夾點技術進行分析優化綜合換熱網絡，并且對整個過程系統的能量進行分析與調優，實現過程系統的低能耗操作。通過優化改造及調整后，解決現場運行問題，并提出換熱網絡優化運行措施，解決換熱器終端溫度高等問題。

1 換熱流程分析

1.1 凝結水流程簡介

南廠動力車間1#凝結水水站流程為從1#焦化、1#硫磺、1#加制氫、1#儲運重整裝置匯集的高溫凝結水首先進入凝結水集合器，再進凝結水循環水換熱器回收熱量，使溫度降低后進入處理前凝結水罐（V201），低溫凝結水直接進入處理前凝結水罐，再由凝結水提升泵（P201A/B/C）提升至焦碳吸附塔、精密過濾器、電磁過濾器進行除油除鐵，最終進入產品水罐(V401)。由凝結水出水泵(P401A/B)將合格凝結水送至鍋爐除氧器，不合格的凝結水作為循環水補水補入循環水系統。流程如圖1所示。

圖1 1#凝結水站工藝流程圖

換熱器僅有一臺，冷源采用循環水，循環水為管程介質。換熱器資料如表1所示。

表1 換熱器參數表

1.2 夾點技術分析

以凝結水量大的冬季為分析基點，數據均來源于冬季運行。凝結水系統熱量較高，尤其是冬季，各裝置防凍防凝伴熱全部投用，凝結水（熱源H1）流量在40 t·h-1左右，溫度在120 ℃左右，循環水（冷源C1）流量在40 t·h-1，換熱后凝結水溫度在80 ℃左右，循環水進換熱器溫度25 ℃，出換熱器溫度為65 ℃[1]。

表2 物流分析表

依據表2，以溫度為橫坐標，以焓值為縱坐標，繪制H-T圖，如圖2所示。

由表2及圖2可知，凝結水換熱網絡（循環水/凝結水）存在以下幾個問題：

①熱源熱量大量未回收，hmin為最低可回收熱量。

②冷源不足，熱源與冷源之間無重疊點，如須將熱源溫度降低，須要大量提高冷源流量，從而吸收熱源能量。

③溫度相差大，終點溫度相差25 ℃，能量沒有分級利用，利用率低。

圖2 夾點分析圖（單程）

2 換熱流程優化

2.1 流程優化

根據上述換熱流程夾點分析出來的問題，優化方向為增加冷源。動力車間冷源主要為新鮮水、循環水、除鹽水、采暖水。其中，新鮮水僅能加熱至50 ℃，可利用能級低；循環水可用于冷卻，但熱量傳至循環水后，通過風機進行排放，形成能量浪費。因此，采用除鹽水及采暖水作為冷源吸收凝結水熱量可行。優化改造方案為在1#凝結水站利舊一臺采暖水換熱器，利用凝結水加熱采暖水，新增一臺除鹽水換熱器，利用凝結水熱量加熱除鹽水。由于現有循環水換熱器換熱面積偏小，在原位置將其更換為較大的換熱器。

表3 換熱器參數表

圖3 換熱器流程

2.2 夾點技術分析

熱源H1凝結水性質：流量在40 t·h-1左右，進口溫度120 ℃，出口溫度80 ℃。

冷源C1采暖水性質：流量在50 t·h-1左右，進口溫度60 ℃，出口溫度100 ℃。

冷源C2除鹽水性質：流量在40 t·h-1左右，進口溫度40 ，出口溫度60 。

冷源C3循環水性質：流量在50 ·h-1左右，進口溫度20 ，出口溫度40 。

表4 物流分析表

依據表4，以溫度為橫坐標，以焓值為縱坐標，繪制H-T圖，如圖4所示。

圖4 夾點分析圖（多程）

對表4及圖4進行分析，得出如下結論[2]：

1）換熱網絡夾點為冷源/熱源之間的最短距離，如圖中min區域所處430 kW處。夾點處min為14 ℃，小于20 ℃，證明利舊改造達到經濟運行需求（min越大需要的公用工程量越大，經濟性越差；min越小需要的建設成本越大，需要的公用工程量越大）。

2）如圖所示，夾點上方區域為冷端，只需冷源冷卻；夾點下方區域為熱端，只需熱源加熱。

3）如圖所示I區域，熱量回240 kW以下，僅須投用冷源C1即可滿足經濟運行需求。

4）如圖所示Ⅱ區域，熱量回收240~440 kW之間，僅需投用冷源C1+冷源C2即可滿足經濟運行需求。

5）如圖所示Ⅲ區域，熱量回收440~600 kW之間，須投用冷源C1+冷源C2+冷源C3方可滿足經濟運行需求。

6）如圖所示Ⅳ區域，熱量回收600 kW以上，須全部投用冷源C1+冷源C2+冷源C3方可滿足經濟運行需求，但熱量無法得到有效利用。

2.3 控制優化

為方便現場運行優化調整，將上述夾點分析結果折算成班組運行控制的參數，為現場運行調整提供便利。優化運行從兩方面入手，一是凝結水終端控制溫度穩定在50 ℃，根據凝結水流量調整冷源；二是凝結水流量固定（冬季模式），根據凝結水終端控制溫度調整冷源。根據夾點分析理論計算結果匯總如表5所示。

表5 凝結水流量優化控制表

2.3.1 根據凝結水流量調整冷源

班組運行調整中，凝結水流量是重要參數。通過夾點計算確定冷源換熱器投用經濟運行形式，班組僅需參照流量進行相應調整即可。適用于凝結水終端溫度為固定值，裝置流量變化的工藝調整方案。

2.3.2 根據凝結水終端控制溫度調整冷源

班組運行調整中，凝結水終端溫度是重要參數。通過夾點計算確定冷源換熱器投用經濟運行形式，班組僅需參照終端溫度進行相應調整即可。適用于凝結水流量為固定值，裝置回凝結水溫度變化的工藝調整方案。

表6 凝結水溫度優化控制表

3 結束語

運用夾點技術分析，1#凝結水原換熱流程存在冷源不足及熱量無法回收等問題。通過優化改造，新增采暖水及除鹽水兩種冷源，對熱量進行回收。改造后，最小溫差min小于20 ℃，滿足經濟運行需求。利用夾點技術分析理論，將換熱網絡劃分為4區域，并根據熱量情況調整冷源，從而做到分級回收熱量，最大限度的回收熱量。在控制優化方面，提出根據凝結水流量及凝結水終端控制溫度2種控制方案，達到班組優化調整及節能降耗的目的。

[1] 楊世銘，陶文銓.傳熱學（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 孫琳，趙野，羅雄麟. 多管程換熱器網絡的最小溫差分析與夾點設計[J].多管程換熱器網絡的最小溫差分析與夾點設計，2012，63（9）：2991-2999.

Application of Pinch Technology in Heat Exchange Process Optimization

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（Sinopec Tahe Refining and Chemical Co., Ltd., Kuqa Xinjiang 842000, China）

Taking the heat exchange process of 1#condensate system in Tahe refinery as main research object, in view of the problems existing in the operation of 1#condensate system, such as high terminal temperature of condensate, insufficient flow of cold source and waste of heat and so on, the pinch technology was used to analyze and optimize the comprehensive heat exchange network, and the energy of the whole process system was analyzed and optimized to realize the low energy consumption operation of the process system. After the optimization and adjustment, the problems of field operation were solved, and the measures for optimizing the operation of heat exchange network were put forward, having certain guiding significance for the optimization work.

Pinch technology; Heat exchange; Process optimization

2020-04-14

王新勇（1985-），男，工程師，新疆自治區庫車縣人，2008年畢業于河北工業大學，研究方向：公用工程技術管理。

TEP65

A

1004-0935（2020）09-1139-03