孫琳　王林林　王涌入　羅雄麟

摘 要 為了優(yōu)化常減壓蒸餾裝置的能源利用并提高其能源利用效率，提出采用循跡法對常減壓蒸餾裝置進(jìn)行案例研究的方法，通過分析能量設(shè)備，將裝置分為5個子系統(tǒng)，將能量系統(tǒng)圖與能值計算相結(jié)合，確定系統(tǒng)中各種輸入能值的分布，分析子系統(tǒng)內(nèi)外的能量流并計算其能量分配系數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能效瓶頸識別。將該方法應(yīng)用于實(shí)際案例，將常減壓蒸餾過程根據(jù)工藝特點(diǎn)劃分為5個子系統(tǒng)，通過計算對比子系統(tǒng)中各個能量分配系數(shù)得出其能效瓶頸識別結(jié)果，證明了該方法分析復(fù)雜化學(xué)過程的有效性。

關(guān)鍵詞 循跡法 能效 能量分配系數(shù) 瓶頸識別 常減壓蒸餾裝置

中圖分類號 TP202? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A? ?文章編號 1000 3932（2023）05 0669 11

在化工行業(yè)，生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品需要消耗大量的能量，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，到2040年，全球工業(yè)能耗將達(dá)到307兆億英熱［1］。作為工業(yè)能源消耗大戶，大型煉油廠裝置能耗占全廠能耗的85%～90%［2］。常減壓蒸餾裝置是原油加工的基本裝置，其能耗約占煉油廠能耗的15%～20%，是煉油廠的主要能耗裝置之一［3］。為了降低生產(chǎn)成本，需要優(yōu)化常減壓蒸餾裝置的能源利用并提高其能源利用效率。常減壓蒸餾裝置是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)耦合性、多變量等特征［4］。由于常減壓蒸餾單元內(nèi)存在大量的能量設(shè)備和能量流，對其進(jìn)行全面的能量分析可以有效洞察系統(tǒng)的能量利用情況，并為進(jìn)一步優(yōu)化奠定基礎(chǔ)［5］。

由于常減壓蒸餾裝置的復(fù)雜性，對其建立起多層次、多視角的能源投入產(chǎn)出和評估體系至關(guān)重要［6］。20世紀(jì)50年代中期，系統(tǒng)動力學(xué)理論的提出為工業(yè)能量分析研究提供了基礎(chǔ)［7］。目前，世界范圍內(nèi)主要有3種用于工業(yè)生產(chǎn)過程的能效分析方法：機(jī)理方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動方法、機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合的方法［8］。

基于機(jī)理的方法是對實(shí)際過程的數(shù)學(xué)描述。首先根據(jù)所選方法提出合理假設(shè)，然后基于物料、能量、動量守恒，結(jié)合過程系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理構(gòu)成數(shù)學(xué)模型，最后對模型進(jìn)行簡化和分析［9］。GUELPA E等提出一種流體動力學(xué)模型，用于預(yù)測不同負(fù)荷條件下的火電需求和峰值負(fù)荷位置，以便實(shí)施一次節(jié)能計劃策略［10］。張欣欣等通過物料衡算和熱衡算確定焦?fàn)t能效，用于確定可節(jié)省能源和回收廢熱的區(qū)域［11］。ULYEV L M等基于夾點(diǎn)分析方法，開發(fā)了一種估算煉油設(shè)備受熱面熱損失的簡化方法，并通過引入能源效率指數(shù)評估煉油裝置及其綜合體的能效［12］。GONG S等針對乙烯生產(chǎn)過程提出綜合生產(chǎn)工藝、總能量和物料流的多目標(biāo)能效優(yōu)化方案［13］。KE J等從系統(tǒng)工程的角度提出用于過程的能源對標(biāo)方法，并以水泥廠為例進(jìn)行了能效分析［14］。陳廣衛(wèi)從用能機(jī)理出發(fā)，結(jié)合“三環(huán)節(jié)”理論對裝置能效進(jìn)行評估，實(shí)現(xiàn)了煉油裝置的節(jié)能潛力分析和節(jié)能方案優(yōu)化［15］。ZHU X和FULI W結(jié)合工業(yè)系統(tǒng)的6個能效指標(biāo)，從多角度描述系統(tǒng)的節(jié)能，建立了能效差距分析模型［16］?；跈C(jī)理的方法具有物理參數(shù)清晰、可解釋性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是特定參數(shù)求解困難［8］。

現(xiàn)代工業(yè)朝著智能化、集成化方向發(fā)展，龐大的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息儲存技術(shù)為基于數(shù)據(jù)分析能效創(chuàng)造了客觀條件［17］。MA F和WANG J基于模糊拓展Petri網(wǎng)分析模型，可為企業(yè)提供直接能耗、間接能耗數(shù)據(jù)［18］。WATANABE M和TANAKA K利用定向輸出距離函數(shù)對中國工業(yè)能效進(jìn)行了評價，得出理想和不良產(chǎn)出對估計能效具有重要意義的結(jié)論［19］。AZADEH A等使用DEA對能源密集型制造業(yè)能效進(jìn)行評價，并用PCA和NT驗(yàn)證了DEA模型的有效性［20］。GENG Z等針對傳統(tǒng)DEA模型中DMU效率值分配不高的問題，提出AP-DEA模型，可在一定程度上解決效率值辨別問題［21］。HAN Y等提出使用極限學(xué)習(xí)機(jī)整合親和力傳播聚類對復(fù)雜石化行業(yè)的能效進(jìn)行評估［22］。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的能效分析方法在復(fù)雜系統(tǒng)中取得了優(yōu)異的效果，但是這種方法缺乏解釋性、對數(shù)據(jù)集要求高、泛化能力不強(qiáng)［8］。

機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合的方法融合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，基于機(jī)理的方法克服了數(shù)據(jù)驅(qū)動解釋的問題，數(shù)據(jù)驅(qū)動方法克服了機(jī)理參數(shù)求取復(fù)雜的問題［23］。俞靈杰等使用改進(jìn)的狼群算法對甲醇合成塔機(jī)理參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，得到的甲醇轉(zhuǎn)化模型能夠更好地預(yù)測甲醇轉(zhuǎn)化率［24］。ZHOU T等針對復(fù)雜設(shè)計問題，通過混合建模在4個化學(xué)工程領(lǐng)域和2個能源系統(tǒng)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了其在多尺度材料和工藝設(shè)計中的重要性［25］。YANG F等將深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和集總動力學(xué)模型集成，開發(fā)的流體催化裂化混合預(yù)測框架在所有評估標(biāo)準(zhǔn)方面均表現(xiàn)優(yōu)異［26］。組合評價方法在煉油化工過程中的應(yīng)用還不廣泛，但效果明顯更好，后續(xù)需要克服其成本高、建模復(fù)雜等問題［8］。

能值分析（Emergy Analysis，EA）是一種以太陽能為基準(zhǔn)、太陽能焦耳（Solar Energy Joules，seJ）為單位度量不同類型能量、物質(zhì)、信息等能值的方法［27］。近幾年，能值分析法逐漸從生態(tài)學(xué)研究拓展應(yīng)用到化工生產(chǎn)過程體系的評價［28～33］。能值分析法可準(zhǔn)確分析和反映系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及每個子系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換、劃分和回收間的關(guān)系［34］。對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耦合性強(qiáng)的常減壓蒸餾裝置，筆者采用循跡法分析系統(tǒng)的能效瓶頸，從能量源頭追蹤能量流動蹤跡，基于熱力學(xué)第一定律，根據(jù)每個流股的溫度、質(zhì)量流量、比熱容計算系統(tǒng)內(nèi)部連接各單元的流股能值，對系統(tǒng)進(jìn)行能效瓶頸識別，進(jìn)而給出系統(tǒng)優(yōu)化方向。

1 能效瓶頸識別方法

1.1 常減壓蒸餾裝置能量流結(jié)構(gòu)

常減壓蒸餾裝置由電脫鹽罐、換熱器、常壓塔及減壓塔等構(gòu)成，其工藝原理包括加熱、冷凝、回流等。該裝置的主要任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)計劃，從含有不同沸點(diǎn)復(fù)雜液體的混合物中分離出汽油、航空煤油、柴油及各種潤滑油等重要餾分和其他組分，并為下游二次加工裝置提供理想的原料，煉油廠常減壓蒸餾裝置工藝流程如圖1所示。

電脫鹽工藝主要是利用水和油的密度差，實(shí)現(xiàn)原油的脫鹽脫水處理。經(jīng)電脫鹽處理后的原油進(jìn)入初餾塔，通過空冷器進(jìn)行油氣分離，然后在塔底進(jìn)行換熱。之后原油被送入常壓爐進(jìn)行換熱，然后進(jìn)入常壓蒸餾段。常壓蒸餾工藝將在常壓爐中換熱后提取的原油分離成不同的餾分，作為生產(chǎn)溶劑油、汽油、航空煤油和下游催化裝置的原料。減壓蒸餾工藝?yán)贸簹堅懈鞣N成分的性質(zhì)差異，對每種成分進(jìn)行汽化和分餾。

從宏觀層面看，常減壓蒸餾裝置是由多個物料、能量轉(zhuǎn)換、傳遞或回收單元及子系統(tǒng)等構(gòu)成的具有特定功能的大系統(tǒng)，各單元過程及局部子系統(tǒng)間通過能量、物質(zhì)、信息3種流的方式，在系統(tǒng)內(nèi)部、外部與環(huán)境間形成相互關(guān)系［35］。其中，能量流結(jié)構(gòu)是以過程系統(tǒng)各組元與各子系統(tǒng)作為節(jié)點(diǎn)并在各節(jié)點(diǎn)間按特定流動軌跡形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而這種層次性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠清晰反映常減壓蒸餾裝置內(nèi)各元素間的聯(lián)結(jié)或制約關(guān)系，并有效簡化定量與定性分析復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)際情況的過程。

對于由能量流、信息流和物質(zhì)流構(gòu)成的相對穩(wěn)定的常減壓蒸餾過程系統(tǒng)，能量是以原料轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的核心工藝過程的推動力，物質(zhì)流動過程必然伴隨著系統(tǒng)內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)換、傳輸、回收、利用和損失。

對于常減壓蒸餾裝置的分析過程依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)能量流的演化過程，剖析并揭示內(nèi)部能量轉(zhuǎn)化或回收利用等過程的作用規(guī)律。常減壓蒸餾過程以核心工藝過程的物料轉(zhuǎn)換為目標(biāo)。其中，換熱網(wǎng)絡(luò)作為重要的能量交換子系統(tǒng)，對烴類混合物的分餾及不同側(cè)線產(chǎn)品的引出起到了主要能量媒介作用。從外界供入過程系統(tǒng)的原料，大部分是未經(jīng)除鹽除水等過程的混合物，通過能量流動的形式完成核心工藝過程后，其能量流一部分轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品，另一部分則散失于環(huán)境，能量損失包含直接損失和進(jìn)入工藝過程利用后散失于環(huán)境兩種形式，如圖2所示。

在常減壓蒸餾過程中，其能量流主要以石油、天然氣等不可再生資源轉(zhuǎn)換而來的熱能類作為驅(qū)動，同時也伴隨著電、蒸汽、瓦斯等能量的供給。因此，原油包含的各種能量經(jīng)初餾、常壓蒸餾及減壓蒸餾的三段蒸餾工藝過程的特定流動路徑形成能量流，如熱能、電能及廢水所含能量等形式的流動。

1.2 循跡法

循跡法的起源可以追溯到能值分析法的提出［27］。循跡法是一種確定系統(tǒng)內(nèi)各能量流分布并計算其能值的方法。循跡法追蹤來自能量源的能量流，并根據(jù)每股能量流的能量或質(zhì)量分布系數(shù)，準(zhǔn)確計算出系統(tǒng)內(nèi)連接每個單元的能量流的能值。對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)已知的工藝系統(tǒng)，可以根據(jù)能量或質(zhì)量平衡輕松獲得工藝中每個流的能量流或質(zhì)量流。

由于目前能值分析方法的應(yīng)用主要集中在自然生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，缺乏針對工業(yè)過程系統(tǒng)的能值評價指標(biāo)體系，同時，對于包含多個能量轉(zhuǎn)換、利用和回收過程的常減壓蒸餾裝置而言，外部輸出流量單元和內(nèi)部流量單元的能量計算過程較為復(fù)雜。因此，筆者通過對常減壓蒸餾工藝系統(tǒng)的能量流進(jìn)行追蹤，構(gòu)建處理系統(tǒng)的能量流圖，并根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)和能量數(shù)據(jù)，確定輸入能量在主要子系統(tǒng)和流動單元之間的能量流分布。具體方法是從不可再生資源轉(zhuǎn)化的能量出發(fā)，通過“三環(huán)節(jié)”理論追蹤常減壓蒸餾過程系統(tǒng)的能量流向［36］，確定輸入能量在系統(tǒng)中的分布，并計算主要子系統(tǒng)的能值。

現(xiàn)以原料能量在常減壓蒸餾裝置中的作用為例，跟蹤其流動路徑和線索，建立常減壓蒸餾裝置及其內(nèi)部子系統(tǒng)的能量流結(jié)構(gòu)。常減壓蒸餾裝置中從原油到產(chǎn)品轉(zhuǎn)化過程的基本機(jī)制如圖3所示。常減壓蒸餾裝置的能量流結(jié)構(gòu)由3部分組成：能量轉(zhuǎn)換與傳輸部分、能量利用部分、能量回收部分，從圖3中可以看出，這3個部分是相互關(guān)聯(lián)的，并呈現(xiàn)出物質(zhì)交換過程中能量的不同形式以及在環(huán)境中的耗散。從定性的角度來看，其反映了裝置內(nèi)部各子系統(tǒng)的能量流動和傳遞過程。

根據(jù)布朗團(tuán)隊提出的系統(tǒng)能量流計算原理［37］，結(jié)合熱力學(xué)第一定律，可以通過能量平衡得到已知過程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)過程系統(tǒng)中不同分支能量流的能量。為了演示這種方法，以圖4所示的常壓和減壓蒸餾過程系統(tǒng)為例，說明循跡法的能值計算步驟。

圖4包括5個具有能量轉(zhuǎn)換和循環(huán)過程的能量子系統(tǒng)：換熱網(wǎng)絡(luò)、電脫鹽、初餾塔部分、常壓蒸餾、減壓蒸餾，反映了具有多個輸入和輸出的多產(chǎn)品工藝系統(tǒng)的能量流動過程。圖中能量流所含能值（單位：kW）由具體數(shù)字表示。其中，輸入至該系統(tǒng)的能量來源為S（不可再生資源），代表原油、電力、高壓瓦斯等具有的能量，若不考慮原油運(yùn)輸至換熱網(wǎng)絡(luò)過程造成的能量損失，其能量分配系數(shù)為1，即由換熱網(wǎng)絡(luò)所有流股的輸入總能表示S所包含的能量；而系統(tǒng)的輸出能量流out1、out2和out3為引出系統(tǒng)外并送至下游裝置的原料與催化劑等側(cè)線產(chǎn)品。基于循跡法的常減壓蒸餾工藝系統(tǒng)的能量流計算流程如圖5所示。

1.2.1 假設(shè)分析

進(jìn)行分析前，首先做出如下假設(shè)：

a. 該生產(chǎn)裝置的工藝流程為穩(wěn)態(tài)，各能量流在系統(tǒng)內(nèi)、外穩(wěn)定流動；

b. 忽略系統(tǒng)內(nèi)部流股所產(chǎn)生電能等非熱能形式的能量轉(zhuǎn)換；

c. 能量流分析過程的參考狀態(tài)參數(shù)為 25 ℃、101 kPa。

1.2.2 確定系統(tǒng)能量流的能量分配系數(shù)并建立能量輸入輸出分析表

根據(jù)文獻(xiàn)［31］提出的能量分配系數(shù)的概念，將系統(tǒng)任意流程的某一分支流股的分配系數(shù)γ定義如下：

其中，x為分支流股所含能量；y為流股分割前的總能量。

文獻(xiàn)［31］中規(guī)定，如果不存在連續(xù)兩個能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)間的能量流，則該過程的能量轉(zhuǎn)換系數(shù)為0。而從不可再生資源S至換熱網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)的傳輸過程中不存在熱損失，同時該能量流未流向其他環(huán)節(jié)，即未產(chǎn)生分割，因此二者間的分配系數(shù)為1。對于環(huán)節(jié)間存在分割后的流股，如：圖4中換熱網(wǎng)絡(luò)、常壓蒸餾過程之間存在多股鏈接能量流的分割情況，其能量分配系數(shù)為該條輸出流股能量占輸出總能量的比率，即0.29。根據(jù)以上計算原則和規(guī)定，可得各環(huán)節(jié)間流股以及各子系統(tǒng)內(nèi)部主要能量流的能量分配系數(shù)。

1.2.3 分析系統(tǒng)和子系統(tǒng)內(nèi)的能量流

通過全面分析化工過程系統(tǒng)重要裝置的主要工藝流程及其工藝原理，利用循跡法追蹤并確定該裝置整個工藝過程及主要子系統(tǒng)內(nèi)部的能量流動路徑，即基于復(fù)雜系統(tǒng)工藝過程的能量系統(tǒng)圖，以系統(tǒng)內(nèi)部單元設(shè)備（如換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中包含的多個換熱器等）、裝置局部子系統(tǒng)和系統(tǒng)全局作為3個主要層次，從主要子系統(tǒng)的所有能量輸入出發(fā)，分析并追溯與系統(tǒng)輸入輸出相關(guān)的每一能量流的最終去向，確定系統(tǒng)內(nèi)所有輸入與輸出流股的能量分配系數(shù)。以常減壓蒸餾裝置中的換熱網(wǎng)絡(luò)為例，能量流表示如下：

其中，Ei為該換熱器子單元第i個輸入流的熱回收量，CPi、Mi和Ti為該條流股的熱容流率、質(zhì)量流量與溫度。

由于單個換熱器的輸入流包括熱流和冷流，因此需要根據(jù)各輸入流的能量分配系數(shù)對換熱器的輸入流和輸出流數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以獲得換熱器子單元的能值計算結(jié)果：

其中，TCi和THi分別代表進(jìn)入換熱器的冷流和熱流的溫度，γCi和γHi分別是冷流和熱流對應(yīng)的能量分配系數(shù)。

式（4）表示經(jīng)預(yù)處理后的換熱器新的溫度指標(biāo)，具體表征為冷熱流股溫度與其對應(yīng)能量分配系數(shù)乘積的總和。

其中，MCi、MHi分別代表進(jìn)入換熱器的冷流和熱流的質(zhì)量流量；CPCi、CPHi分別是冷流和熱流對應(yīng)的熱容流率。

從綜合分析的角度，由式（3）～（6）通過統(tǒng)一折算并求和，可以得到各個換熱器單元的能量輸入和輸出。

1.2.4 基于能量分配系數(shù)的系統(tǒng)能值計算

根據(jù)能量系統(tǒng)圖及單條能量流的能量分配系數(shù)，計算所有進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部單元的能量流能量，以此類推，基于各單元過程的能值數(shù)據(jù)之和的計算結(jié)果，即可實(shí)現(xiàn)對主要局部子系統(tǒng)的輸入端與輸出端流股的能值分析。系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)最終的所有輸入輸出流股的能值計算結(jié)果如圖4所示。

1.3 能效瓶頸識別

綜上，可以看出能值分析和循跡法是相關(guān)的。能值分析是對系統(tǒng)進(jìn)行定量分析，而循跡法是對系統(tǒng)進(jìn)行定性分析，其中的關(guān)鍵是確定系統(tǒng)的能量分配系數(shù)。應(yīng)用循跡法對系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以得到系統(tǒng)各部分的能量分配系數(shù)，從而確定系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵點(diǎn)。

對于整個常減壓蒸餾裝置來說，每個子系統(tǒng)的輸入能值Ein和輸出能值Eout可表示為：

采用上述公式計算后，可以得到每個子系統(tǒng)的輸入能值和輸出能值，并進(jìn)一步得到系統(tǒng)能效的差異。例如：在換熱網(wǎng)絡(luò)中，如果換熱器輸入和輸出的能值差值最大，則代表能效瓶頸的最高點(diǎn)。同樣，如果一個單元的輸入和輸出之間的能值差最小，則代表系統(tǒng)中能效瓶頸的最低點(diǎn)。

基于循跡法識別常減壓蒸餾裝置能效瓶頸的步驟如圖6所示。

基于以上對每個子過程和子系統(tǒng)的輸入能量流和輸出能量流的分析，結(jié)合工業(yè)過程系統(tǒng)中廢物回收和廢物處理過程，能夠建立描述常減壓蒸餾裝置的能量系統(tǒng)圖。然后通過具體的物料處理（分餾）和能量流得出常壓蒸餾裝置中各單元的相互關(guān)系和能量特征，并將裝置的能值分析重點(diǎn)放在能量利用和回收環(huán)節(jié)。同時，該方法定性反映了復(fù)雜化工過程在系統(tǒng)內(nèi)部單元設(shè)備、子系統(tǒng)和全局系統(tǒng)3個層次間的輸入輸出關(guān)系，為準(zhǔn)確計算各單元及其內(nèi)部輸入輸出流股能值，從而定量反映系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)及流股的結(jié)構(gòu)特征等打下基礎(chǔ)。

2 案例分析

現(xiàn)以文獻(xiàn)［38］中的常減壓蒸餾裝置中脫鹽前換熱網(wǎng)絡(luò)為例，證明利用循跡法識別換熱網(wǎng)絡(luò)能效瓶頸的效果。在構(gòu)建能量系統(tǒng)圖（圖4）的基礎(chǔ)上，按照上述基于循跡法的能量分配系數(shù)計算步驟，分析裝置脫鹽前換熱網(wǎng)絡(luò)的能量利用和回收情況。

常減壓蒸餾裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)由3部分組成：脫鹽前換熱網(wǎng)絡(luò)、脫鹽后換熱網(wǎng)絡(luò)和初餾前換熱網(wǎng)絡(luò)。本例中，脫鹽前換熱網(wǎng)絡(luò)與參考文獻(xiàn)［38］中的案例相同，共包括30個換熱器。圖7為換熱網(wǎng)絡(luò)的具體工藝流程。

從單個換熱器換熱過程的角度出發(fā)，研究和分析單個換熱器中熱流和冷流從輸入到輸出的所有特征信息，是換熱網(wǎng)絡(luò)能值分析的基礎(chǔ)。表1為換熱網(wǎng)絡(luò)中的能量輸入，列出了進(jìn)入每個換熱器的冷熱流的溫度、質(zhì)量流量和熱容流率。

基于提出的分析方法和式（2）～（6），利用表1中每個換熱器輸入流的3個參數(shù)進(jìn)行計算，計算出每個換熱器輸入流的能值，然后將熱流和冷流的輸入能值相加，即可得出每個換熱器的總輸入能值?；谑剑?）可以確定每個換熱器的能量輸入分配系數(shù)，從而計算出各流股溫度、質(zhì)量流量和熱容流率指標(biāo)。這3個指標(biāo)經(jīng)過計算，可以反映換熱網(wǎng)絡(luò)子單元的能量輸入，計算得出的系數(shù)如圖8所示。

圖8包括換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的3個部分，即脫鹽前、脫鹽后和初餾前，并顯示了每個換熱器的輸入能值與該部分換熱網(wǎng)絡(luò)總輸入能值的比率等信息。由于各換熱器子單元的傳熱效率或輸入能量不同，能量分配系數(shù)可在數(shù)值上反映出具體差異。例如，在脫鹽前的換熱網(wǎng)絡(luò)中，與E5進(jìn)行能量交換的輸入流為常頂循環(huán)油，其熱量高于其他輸入流，導(dǎo)致其輸入占總能量輸入的比例較大，因此該換熱器的能量輸入較多；而E6的能量分配系數(shù)最小，這意味著該換熱器對整個過程的效率和性能產(chǎn)生了限制。雖然換熱網(wǎng)絡(luò)中的能量輸入比例存在差異，但每個換熱器子單元都是必不可少的能量交換設(shè)備。因此，在后續(xù)對換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)進(jìn)行能值計算和評估時，有必要對每個換熱器的輸入和輸出指標(biāo)進(jìn)行分析和計算。

與每個換熱器的輸入相同，輸出包括冷流和熱流，其溫度、質(zhì)量流量和熱容流率特性與輸入一致。采用與上述相同的方法，可以計算出能量輸出分配系數(shù)。與換熱網(wǎng)絡(luò)的能量輸入結(jié)果類似，圖9中顯示了各換熱器的輸出能值與該部分換熱網(wǎng)絡(luò)總輸出能值的比率。

對比圖8、9可以發(fā)現(xiàn)，各換熱器的輸出能量分配系數(shù)與輸入系數(shù)相差不大，但能值存在差異，這說明各換熱器含有未回收的余熱。與圖9相似，圖8中換熱器E5所占能量分配系數(shù)也最高，為系統(tǒng)能效瓶頸的最高點(diǎn)；而E6所占能量分配系數(shù)最低，為限制系統(tǒng)能效瓶頸的最低點(diǎn)。各組換熱器的余熱被轉(zhuǎn)移到余熱回收部分，供其他工序回收利用，或作為后續(xù)工序的不可再生資源。

3 結(jié)論

基于生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的能值分析方法，從常減壓蒸餾裝置的能量流結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，提出了基于循跡法的常減壓蒸餾裝置能效瓶頸識別方法。計算和分析得出以下結(jié)論：

3.1 針對常減壓蒸餾裝置，通過定量和定性的循跡法，能夠直觀地分析得出系統(tǒng)的能效瓶頸。以能源利用和回收過程為重點(diǎn)，建立了能量系統(tǒng)圖，將常減壓蒸餾裝置的能效分析集中在5個核心單元。

3.2 5個核心單元的能耗各不相同，對于實(shí)際工廠而言，可以根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)核心子系統(tǒng)和核心單元設(shè)備的主要能量流，結(jié)合能量系統(tǒng)圖和能量分配系數(shù)，對具體的子單元流程進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 就換熱網(wǎng)絡(luò)而言，由于物流的不同，能量分配系數(shù)也不同。在后續(xù)的換熱網(wǎng)絡(luò)能值計算和評估中，有必要對每個換熱器的輸入和輸出指標(biāo)進(jìn)行分析和計算。

從系統(tǒng)的全局角度出發(fā)，利用循跡法計算分析系統(tǒng)內(nèi)核心子系統(tǒng)和重要單元設(shè)備的主要能量流，跟蹤系統(tǒng)內(nèi)的能量流，識別系統(tǒng)的能量瓶頸，為復(fù)雜化工過程的能值分析和評價提供了重要的理論依據(jù)。

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（收稿日期：2023-03-01，修回日期：2023-08-04）

A Bottleneck Detection Approach for the Energy Efficiency of Atmospheric and Vacuum Distillation Units Based on

the Tracking Method

SUN Lin， WANG Lin-lin， WANG Yong-ru， LUO Xiong-lin

（College of Information Science and Engineering，China University of Petroleum（Beijing） ）

Abstract? ?For purpose of? optimizing the energy utilization and improve its energy use efficiency， a method of employing the tracking method to implement the case study of the atmospheric and vacuum distillation unit was proposed. Through analyzing the energy facilities， having the unit divided into five subsystems， including having the energy diagram combined with the energy calculations， and having the distribution of various input energy in the system determined， as well as having the energy flows and energy distribution coefficients inside and outside the subsystems analyzed to realize the bottleneck detection of the system energy efficiency. Applying this method to the vacuum distillation process and having it divided into five subsystems were implemented. Through calculating and comparing each energy allocation coefficient in the subsystem， the energy efficiency bottleneck identification result was obtained， which proves the effectiveness of the method in analyzing complex chemical processes.

Key words? ?tracking method， energy efficiency， energy distribution coefficient， bottleneck detection， atmospheric and vacuum distillation unit

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（21006127，21706282）；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（22178383）；北京市

自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2232021）。

作者簡介：孫琳（1981-），講師，從事化工過程建模、控制與優(yōu)化的研究，sunlin@cup.edu.cn。

引用本文：孫琳，王林林，王涌入，等.基于循跡法的常減壓蒸餾裝置能效瓶頸識別［J］.化工自動化及儀表，2023，50（5）：669-679.