魏志強，孫麗麗，袁忠勛，蔣榮興

（中國石化 工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

閾值問題［1－2］（Threshold problem）換熱網(wǎng)絡(luò)是指只需要一種公用工程的換熱網(wǎng)絡(luò)。只需要冷公用工程的換熱網(wǎng)絡(luò)，稱為熱端（hot-end）閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)；只需要熱公用工程的換熱網(wǎng)絡(luò)，稱為冷端（cold-end）閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)。伴隨夾點理論的發(fā)展與完善［3－5］，閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)在過程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)綜合與優(yōu)化過程中的應(yīng)用日趨成熟，特別是夾點理論與數(shù)學(xué)規(guī)劃方法［6－8］的有機結(jié)合，大大提升了換熱網(wǎng)絡(luò)綜合與優(yōu)化的實用性和精確性。但截止目前，針對閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與應(yīng)用研究相對匱乏，換言之，閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化與綜合方法研究滯后于常規(guī)換熱網(wǎng)絡(luò)［9］。

熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)可視為只存在夾點之下部分，而冷端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)可視為只存在夾點之上的部分［1－2］。按照夾點規(guī)則，夾點之上不設(shè)置冷公用工程，夾點之下不設(shè)置熱公用工程。因此，熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原則為，取消換熱網(wǎng)絡(luò)中的熱公用工程，并從換熱網(wǎng)絡(luò)的高溫側(cè)開始設(shè)計，以保證較高溫度下的冷物流能從熱物流獲取熱量，盡可能的以過程物流換熱取代冷卻過程。對應(yīng)地，冷端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原則可歸納為，取消換熱網(wǎng)絡(luò)中的冷公用工程，并從低溫側(cè)開始設(shè)計，以保證較低溫度的熱物流的熱量能夠傳遞給冷物流，盡可能的以過程物流換熱取代加熱過程。

實際工業(yè)過程中，煉油企業(yè)催化裂化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)是典型的熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)。同時，催化裂化裝置又存在較大的與其他煉油生產(chǎn)裝置熱集成的可能性。因此，合理設(shè)計催化裂化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)催化裂化裝置與其他裝置的有效熱集成，有利于降低整個煉油企業(yè)的能量消耗，具有重要的現(xiàn)實意義?；诖耍P者以夾點理論為基礎(chǔ)，對熱端閾值問題，特別是考慮裝置間熱集成的熱端閾值問題進行分析，給出了考慮熱集成的熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法；結(jié)合某煉油企業(yè)催化裂化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)改進，驗證了考慮熱集成的熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法的實用性。

1 熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法

1.1 熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)分析

圖1為熱端閾值問題冷熱組合曲線。熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)存在2種形式，一是冷、熱組合曲線的最小換熱溫差（ΔTmin）出現(xiàn)在不需要公用工程的一端（Non utility），如圖1（a）；二是冷、熱組合曲線存在近夾點（Near pinch）的形式，如圖1（b）。當(dāng)最小換熱溫差由ΔTmin降低至ΔTmin′，冷組合曲線左移，與熱組合曲線重疊，如圖1（a′）與圖1（b′）。這一過程中，冷公用工程消耗的總量不變，但需要的冷公用工程溫度發(fā)生變化。此時，低溫冷公用工程負荷QC，1與高溫冷公用工程負荷QC，2之和等于原最小冷公用工程負荷QC，min。高溫冷公用工程負荷QC，2為閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)與其他換熱網(wǎng)絡(luò)之間的熱集成提供了可能。設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)時，以設(shè)備投資與操作費用之和最小為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化確定最小換熱溫差，或考慮傳熱系數(shù)等條件的約束，確定最小允許換熱溫差。因此，當(dāng)ΔTmin′等于設(shè)定的最小允許換熱溫差時，QC，2即為閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)的最大熱集成負荷。

圖1 熱端閾值問題冷熱組合曲線Fig.1 Hot and cold composite curves for hot-end threshold problem

一般地，熱集成存在間接熱集成和直接熱集成2種方式［10－11］。間接熱集成通過載能工質(zhì)傳遞實現(xiàn)，如發(fā)生蒸汽等，直接熱集成通過物流間的直接換熱實現(xiàn)。熱集成方式只是改變了熱量的利用方式，與熱集成的最大熱負荷無關(guān)，因此，可將閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)分為自匹配和熱集成2部分優(yōu)化改進。自匹配部分用于滿足裝置自身換熱需求，熱集成部分用于發(fā)生蒸汽或與其他裝置直接熱集成。不論是自匹配部分，還是熱集成部分，當(dāng)出現(xiàn)近夾點時，應(yīng)從近夾點處向外（向上或向下）開始設(shè)計［1］。如圖1（b′）所示，在裝置自匹配部分出現(xiàn)近夾點，此時，自匹配部分的換熱網(wǎng)絡(luò)應(yīng)從近夾點處設(shè)計匹配。

1.2 熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計框圖

基于上述分析，并結(jié)合常規(guī)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化思路，給出熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計算框圖，如圖2所示。由圖2可知，優(yōu)化與改進熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)首先采集設(shè)計或生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)并進行校核。然后，采用流程模擬軟件進行流程模擬計算，重現(xiàn)設(shè)計或運行工況，獲取換熱網(wǎng)絡(luò)冷、熱物流的數(shù)據(jù)，繪制溫焓圖和進行夾點分析，確定最小傳熱溫差與熱量回收率和冷公用工程量之間的關(guān)系，應(yīng)用設(shè)備投資與操作費用之和最小化或基于工程約束確定最優(yōu)傳熱溫差，或結(jié)合工程知識，確定最小允許換熱溫差；基于最優(yōu)傳熱溫差或最小允許換熱溫差，確定閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)可以與其他換熱網(wǎng)絡(luò)冷物流熱集成的最大熱負荷，及最大熱負荷對應(yīng)熱物流的溫度區(qū)間；將閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)分為自匹配部分與熱集成部分分別進行優(yōu)化改進，包括物流連接方式、換熱順序、換熱器增減及與其他換熱網(wǎng)絡(luò)熱集成等。最后，對改進的換熱網(wǎng)絡(luò)進行分析和評價，得到能耗最低、經(jīng)濟可行的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改進方案。

圖2 熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計框圖Fig.2 Design flow diagram of heat exchanger network for hot-end threshold problem

2 催化裂化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)實例分析

2.1 催化裂化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)概況

2.1.1 裝置冷、熱物流數(shù)據(jù)

按照熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計框圖，采集某煉油企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)并進行校核后，采用流程模擬軟件Aspen plus完成了包含主分餾塔、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的流程模擬，重現(xiàn)了設(shè)計工況，提取催化裂化聯(lián)合裝置換熱網(wǎng)絡(luò)冷、熱物流的數(shù)據(jù)，結(jié)果列于表1。

2.1.2 裝置換熱網(wǎng)絡(luò)

催化裂化裝置基礎(chǔ)設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)匹配圖如圖3所示。裝置發(fā)生3.8MPa蒸汽約70.0t/h，消耗熱量約157000MJ/h，裝置冷公用工程負荷為200500MJ/h。

表1 催化裂化裝置冷熱物流數(shù)據(jù)Table 1 Hot and cold stream data for fluid catalytic cracking unit

圖3 催化裂化裝置基態(tài)設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)Fig.3 The heat exchanger network of fluid catalytic cracking unit in base case

2.1.3 裝置溫焓圖

基態(tài)催化裂化裝置的溫焓圖如圖4所示。由圖4可知，所選實例的催化裂化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)是典型的熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)。此時，裝置冷、熱物流組合曲線間實際換熱溫差約為30℃，大于最小允許換熱溫差，裝置冷公用工程量為200500MJ/h。

圖4 基態(tài)催化裂化裝置溫焓圖Fig.4 The temperature-enthalpy diagram of fluid catalytic cracking unit in base case

2.2 以產(chǎn)生蒸汽量最大化為目標(biāo)改進換熱網(wǎng)絡(luò)

2.2.1 最大熱集成熱量的確定

煉油企業(yè)催化裂化裝置富余熱量多用來發(fā)生3.5～4.0MPa中壓蒸汽。為此，以產(chǎn)生3.8MPa蒸汽量為最大化目標(biāo)，確定催化裂化裝置最大熱集成熱量，即確定裝置的最大間接熱集成熱量。結(jié)合工程知識，確定催化裂化裝置最小允許換熱溫差為15℃。左移圖4中的冷物流組合曲線，使得實際換熱溫差等于15℃，如圖5所示。此時，裝置冷公用工程量為174500MJ/h，裝置的最大間接熱集成熱量為183500MJ/h，可全部用于發(fā)生3.8MPa中壓蒸汽。

圖5 產(chǎn)汽量最大時催化裂化裝置溫焓圖Fig.5 The temperature-enthalpy diagram of fluid catalytic cracking unit in maximum steam production case

2.2.2 換熱網(wǎng)絡(luò)改進

裝置的最大間接熱集成熱量約為183500MJ/h，與循環(huán)油漿熱量180000MJ/h相近，因此，實際工程設(shè)計中，將循環(huán)油漿熱量全部用于產(chǎn)生3.8MPa中壓蒸汽，剩余冷、熱物流用于裝置自身換熱網(wǎng)絡(luò)匹配。即物流H6與C8組成熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)的熱集成部分，其余物流組成換熱網(wǎng)絡(luò)的自匹配部分。由于熱集成部分換熱流程簡單，因此，換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重點在于自匹配換熱網(wǎng)絡(luò)部分。

由圖5可知，在自匹配換熱網(wǎng)絡(luò)部分存在近夾點，因此，自匹配部分應(yīng)從近夾點處開始匹配和設(shè)計?；诖?，并按照熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計框圖，優(yōu)化裝置自匹配換熱網(wǎng)絡(luò)部分，包括物流連接方式、換熱順序、換熱器增減等。改進后換熱網(wǎng)絡(luò)流程示于圖6。以產(chǎn)生蒸汽量最大化為目標(biāo)改進換熱網(wǎng)絡(luò)后，裝置冷公用工程負荷降至177480MJ/h，約降低11.5%，可發(fā)生3.8MPa蒸汽約80.0t/h，增加10.0t/h。工程改動部分包括新增產(chǎn)品油漿－除鹽水換熱器、增大3.8MPa蒸汽發(fā)生器換熱面積及相應(yīng)管線調(diào)整等，預(yù)計新增投資費用約300萬元（RMB），投資回收期約0.25年。

2.3 以催化裂化裝置－常減壓裝置最大熱集成為目標(biāo)改進換熱網(wǎng)絡(luò)

2.3.1 最大熱集成熱量的確定

催化裂化裝置循環(huán)油漿與常減壓裝置初底油之間實現(xiàn)直接換熱是催化裂化裝置富余高溫位熱量合理利用的重要途徑之一。筆者選用的某煉油企業(yè)實例中，常減壓裝置初底油經(jīng)換熱網(wǎng)絡(luò)換熱后的溫度為290℃，流量為1600t/h。左移圖4中冷物流組合曲線，同時添加冷物流初底油和發(fā)蒸汽給水，使得實際最小允許換熱溫差等于15℃，結(jié)果如圖7所示。此時，裝置冷公用工程量為174500MJ/h，裝置間最大熱集成熱量仍為183500MJ/h，其中，直接熱集成熱量為100500MJ/h，間接熱集成熱量為83000MJ/h。

2.3.2 換熱網(wǎng)絡(luò)改進

不論是以產(chǎn)生蒸汽量最大化為目標(biāo)，或者以催化裂化裝置－常減壓裝置最大熱集成為目標(biāo)，基于夾點分析確定的裝置冷公用工程量均為174500MJ/h，即熱集成方式只是改變了熱量的利用方式，與熱集成的最大熱負荷無關(guān)。因此，與以產(chǎn)生蒸汽量最大化為目標(biāo)改進換熱網(wǎng)絡(luò)時相同，考慮循環(huán)油漿熱量與裝置富余高溫位熱量相近，換熱網(wǎng)絡(luò)改進過程中，將循環(huán)油漿熱量用于與常減壓裝置熱集成及產(chǎn)生3.8MPa中壓蒸汽，剩余冷熱物流用于裝置自身換熱網(wǎng)絡(luò)匹配。此時，物流H6、C8及常減壓初底油（C12）組成熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)的熱集成部分，其余物流組成換熱網(wǎng)絡(luò)的自匹配部分。由圖7可知，在自匹配換熱網(wǎng)絡(luò)部分及熱集成部分均存在近夾點，因此，換熱網(wǎng)絡(luò)應(yīng)從近夾點處開始匹配和設(shè)計。按照熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計框圖改進的換熱網(wǎng)絡(luò)流程示于圖8。實施改進后，催化裂化裝置冷公用工程負荷降至177480MJ/h，約降低11.5%，發(fā)生3.8MPa蒸汽約35.5t/h，蒸汽發(fā)生量降低34.5t/h。同時，常減壓裝置初底油溫位由290℃提高至310℃，節(jié)約燃料氣約2.4t/h。工程改動部分包括新增循環(huán)油漿－常減壓初底油換熱器、新增產(chǎn)品油漿－除鹽水換熱器及相應(yīng)管線調(diào)整等，預(yù)計新增設(shè)備投資費用約800萬元（RMB），投資回收期約0.83年。

圖6 產(chǎn)汽量最大時催化裂化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)Fig.6 The heat exchanger network of fluid catalytic cracking unit in maximum steam production case

圖7 最大直接熱集成時催化裂化裝置溫焓圖Fig.7 The temperature-enthalpy diagram of fluid catalytic cracking unit in maximum direct heat integration case

圖8 最大直接熱集成時催化裂化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)Fig.8 The heat exchanger network of fluid catalytic cracking unit in maximum direct heat integration case

對于熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)，在確定的最小傳熱溫差和熱阱溫度滿足傳熱條件下，無論是間接熱集成，還是直接熱集成，并不會改變熱集成輸出的熱量。但是，從熱力學(xué)第二定律和煉油企業(yè)能量系統(tǒng)全局優(yōu)化的角度考慮，需要優(yōu)先節(jié)約燃料。分析認為，盡管以產(chǎn)生蒸汽量最大化為目標(biāo)時僅需要增加投資約300萬元（RMB），而以催化裂化裝置－常減壓裝置最大熱集成為目標(biāo)時需要增加投資約800萬元（RMB），但從節(jié)約燃料角度考慮，催化裂化裝置－常減壓裝置熱集成改進仍具有一定優(yōu)勢。同時，熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)是重要的蒸汽發(fā)生源，其熱集成方式對于蒸汽系統(tǒng)的平衡也存在一定影響。因此，熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)熱集成方式的選擇，應(yīng)從節(jié)約能源和調(diào)節(jié)蒸汽平衡雙重角度權(quán)衡確定。

3 結(jié) 論

（1）基于夾點技術(shù)提出了確定熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)最大熱集成熱量的方法和考慮熱集成的熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法，給出了熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改進的計算框圖。

（2）最大熱集成熱量確定后，建議將熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)分為2個部分進行設(shè)計。一是換熱網(wǎng)絡(luò)自匹配部分，用于滿足裝置自身換熱需求；二是熱集成部分，用于發(fā)生蒸汽或與其他裝置直接熱集成。

（3）以某煉油企業(yè)催化裂化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)改進為例，驗證了考慮熱集成的熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法的實用性。應(yīng)用筆者提出的設(shè)計方法，可有效降低裝置冷公用工程負荷約11.5%，增產(chǎn)3.8MPa蒸汽約10.0t/h；或可減少發(fā)生3.8MPa蒸汽約34.5t/h，提高常減壓裝置初底油換后溫度約20℃，節(jié)約常減壓裝置燃料氣約2.4t/h。

符號說明：

Q——熱負荷，MJ；

Ts——起始溫度，℃；

Tt——目標(biāo)溫度，℃；

ΔT——換熱溫差，℃；

ΔT′——降低的換熱溫差，℃；

下角標(biāo)：

C——冷公用工程；

C，1——低溫冷公用工程；

C，2——高溫冷公用工程；

C，2a——高溫冷公用工程間接熱集成部分；

C，2b——高溫冷公用工程直接熱集成部分；

opt——優(yōu)化；

min——最小。

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