AEA在常減壓裝置換熱網絡優化中的應用分析

王子健，，車景華，宋昭崢，柳敬娟，姜冠倫，楊川京

（1.中國石油大學理學院，北京 102249；2.中石化節能技術服務有限公司，北京 100013）

換熱網絡優化從單臺設備的優化發展到整個系統的集成優化[1]，一直以來是學者們廣泛研究的重要課題。換熱網絡優化具有多維、非凸以及不連續性等特點[2]，目前應用最廣泛的是Linnhoff等[3]提出的夾點分析法，該方法遵循兩個核心原則：1）換熱網絡優化首要目標是增加系統內熱量回收，最大限度降低公用工程消耗；2）在公用工程消耗相同的前提下，最大限度減少設備臺數和換熱面積。上述兩個原則指明了換熱網絡整體優化的研究方向，不會因為換熱網絡不節能而直接通過增加設備來實現一時的效果，而且還給出了網絡綜合的極限值，即在物流一定時的極限公用工程消耗量和最少設備數。夾點物流匹配需要符合以下兩條可行性原則：a）夾點上方不應引入冷工程，夾點下方不應引入熱工程；b）夾點上方熱物流不應給夾點下方冷物流加熱。另外還有兩條經驗可借鑒：①熱負荷較小者應經一次匹配直接達到目標終溫以保證設備和投資最小化；②換熱的兩物流熱容流率相近以保證有效能的損失達到最小值[4]。

Aspen Energy Analysis模塊（簡稱AEA）主要應用于換熱網絡分析和優化，并著重從運營和設計兩方面考慮。對于現有換熱網絡優化，調整換熱器負荷和物流分流比相對于調整換熱流程更易實現。文章采用Aspen Plus流程模擬軟件對原換熱網絡進行全流程模擬，并借助AEA模塊確定了最優的夾點溫差下的夾點溫度。在換熱網絡流程不變的基礎上，以年度總成本為優化目標，換熱器熱負荷和物流分流比為優化變量確定了新的換熱工況，為企業進行相關設備優化提供理論基礎。

1 原換熱網絡分析

1.1 換熱網絡流程及模擬

以某煉化企業3#常減壓裝置為例，首先根據煉化企業提供的技術資料及調研信息，采用Aspen Plus流程模擬軟件進行換熱網絡全流程模擬，模擬過程采用適用于低壓體系的BK-10方程。熱物流換熱前后溫度由企業提供，由于化驗分析數據與實時運行數據存在一定差異，冷物流換熱始末溫度存在5℃以內的誤差，可認為與實際工況基本相符，具體工藝流程節點溫度如圖1~3所示。

圖1 脫前原油優化前換熱節點溫度

圖2 脫后原油優化前換熱節點溫度

圖3 初底油優化前換熱節點溫度

1.2 夾點的確定及換熱網絡分析

將Aspen Plus模擬數據導入到AEA分析模塊中，在方案的主頁面調整夾點溫差。計算面積指標采用程序默認的“Bath Formula”，該公式假設冷熱物流只存在逆流熱交換，復合曲線中只有冷熱物流間發生“垂直”傳熱，換熱器匹配只能出現在負荷曲線上相同焓的區間內。公用工程負荷分配方法是基于GCC的方法，最大限度地利用最便宜的公用設施，即假設最便宜的公用設施是最熱的冷公用設施和最冷的熱工用設施。基于以上分析，對5~50℃步長為5℃的原換熱網絡不同夾點溫差下的各項參數分析如圖4所示。其中收益率設為10%，設備使用年限設為15年，年開工時設為8 400小時，換熱設備及公用工程投資估算等均采用軟件默認參數。

由圖4和圖5可知，隨著夾點溫差的增加，設備費用逐漸降低，公用工程費用逐漸升高，總費用逐漸升高，冷熱工程用量逐漸升高。考慮到夾點溫差為5℃設備費用較高，因此可將夾點溫差選為10℃，此時夾點分析與總負荷曲線如圖6和7所示。

圖4 不同夾點溫差下費用分析

圖5 不同夾點溫差下冷熱工程量分析

圖6 換熱網絡夾點分析

圖7 總負荷曲線分析

根據圖6和圖7可知，原換熱網絡熱耦合情況較為良好，當夾點溫差為10℃時，夾點溫度為247.9℃/237.9℃；理論最小熱工程為114.0 GJ/h，最小冷工程為4.78 GJ/h；實際熱工程為156.7 GJ/h，實際冷工程為47.46 GJ/h；換熱器E114AB、E117、E121以及E125AB存在跨夾點換熱情況。綜上所述，原換熱網絡存在優化的潛力。

2 換熱網絡優化

2.1 優化前后各項參數對比

AEA自動優化模塊可選擇年度總成本和總換熱面積兩個優化目標，優化變量可選擇換熱器負荷和物流分流比或二者其一。該文在不改變原換熱流程的基礎上，采用AEA模塊默認的計算公式，以年度總成本為優化目標，換熱器負荷及物流分流比作為變量進行優化。優化前后各換熱器及總換熱網絡對比分析如圖8、9和表1所示。

表1 優化前后各參數對比

圖8 優化前后換熱器溫差對比分析

圖9 優化前后換熱器面積對比分析

由圖8、9和表1可知，優化后換熱器E104大溫差換熱情況得到改善，由105.9℃降低到84℃，與此同時E104和E119AB換熱器經過優化后基本停開。熱工程減少量為10.6 GJ/h、冷工程減少量為10.6 GJ/h，而且將跨夾點換熱量從42.7 GJ/h降低到32.1 GJ/h。E105、E113、E114AB、E116AB、E126AB以及E126CD換熱器優化后理論換熱面積超過了規程中換熱器設計面積，需要對這幾臺換熱器進行更換。經計算，新增換熱器投資為106.2萬美元，年效益增加48.6萬美元/年，回收期約為2.2年，具有良好的經濟效益。

2.2 優化后換熱網絡流程

經過AEA優化模塊調整后，優化后的換熱網絡各節點溫度如圖10~12所示。

圖10 脫前原油優化后換熱節點溫度

圖11 脫后原油優化后換熱節點溫度

圖12 初底油優化后換熱節點溫度

3 結論

借助Aspen流程模擬軟件及其相關組件對某煉化企業3#常減壓裝置進行模擬、分析及優化得到以下結論。

1）該裝置換熱網絡最優夾點溫差為10℃，夾點溫度247.9℃/237.9℃；理論最小熱工程為114.0 GJ/h，最小冷工程為4.78 GJ/h；實際熱工程為156.7 GJ/h，冷工程為47.46 GJ/h，并且E114AB、E117、E121以及E125AB存在跨夾點換熱情況，存在優化潛力。

2）以年度總成本為優化目標，換熱器負荷及物流分流比作為變量進行優化，不僅可以減小熱工程用量10.6 GJ/h和冷工程用量10.6 GJ/h，而且將跨夾點換熱量從42.7 GJ/h降低到32.1 GJ/h。與此同時，E104和E119AB通過優化后可基本停開，節省了換熱所需空間。

3）在原換熱網絡流程不變的基礎上進行優化，避免了換熱流程的大規模調整，更適用于正在運行的常減壓裝置。

4）經濟核算采用了AEA模塊默認計算公式及部分默認參數存在一定局限性，企業可在經濟性（Econmics）操作界面，調整諸如換熱器價格計算常數、年收益率、設備使用年限以及年開工時等參數以更加符合實際工況。

當今冷換設備的發展日新月異，已成熟應用于石油化工行業的諸如高通量管殼式換熱器、全焊接板式換熱器等新式換熱器，具有在原有體積上擁有更大的換熱面積、換熱的冷熱端溫差更小等優點，可在原有換熱基礎上減少公用工程消耗且增加換熱量。這些冷換設備的發展方向與AEA自動優化模塊對換熱網絡的優化方向相契合，使換熱網絡的優化更易實現工程化。