大型化工換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析_圖文

1、第21卷第4期石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)Vol.21No.4 2008年12月J OU RNALOFPETROCH EMICALUNIV ERSITIESDec.2008文章編號(hào):1006-396X(200804-0078-06大型化工換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析葛玉林1,2,沈勝?gòu)?qiáng)1,冀新生1,劉曉華1(1.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,遼寧大連116024;2.錦州石油化工公司設(shè)計(jì)院,遼寧錦州121001摘要:利用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)一個(gè)復(fù)雜化工換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了用能診斷,并結(jié)合流程模擬技術(shù)新設(shè)計(jì)出一個(gè)能量回收量最大的換熱網(wǎng)絡(luò)。在用斷開(kāi)熱負(fù)荷回路的方法對(duì)所得到的新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)優(yōu)時(shí),發(fā)現(xiàn)一些熱負(fù)荷回路出現(xiàn)了與以往夾點(diǎn)技術(shù)論

2、述中所沒(méi)有提及的新特點(diǎn)。用常規(guī)的方法對(duì)這些特殊的熱負(fù)荷回路進(jìn)行斷開(kāi)已不太適應(yīng),對(duì)此提出了解決的辦法,并借助流程模擬技術(shù)對(duì)此方法進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明,通過(guò)調(diào)整有關(guān)參數(shù)消除了新網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。因此,采用流程模擬技術(shù),可使夾點(diǎn)技術(shù)更好地應(yīng)用于實(shí)際的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中。關(guān)鍵詞:夾點(diǎn)技術(shù);流程模擬;熱負(fù)荷回路;節(jié)能中圖分類號(hào):T K219;T K11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AOptimizing Design for Co mplicated Heat-ExchangeNet works in Chemical Indust ryGE Yu-lin1,2,SH EN Sheng-qiang1,J I Xi

3、n-sheng1,L IU Xiao-hua1(1.S chool of Energy and Power Engineering,Dalian Universit y of Technology,Dalian L iaoning116024,P.R.China;2.Desi gn I nstitute of J i nz hou Pet rochemcal Corporation,J inz hou L iaoning121001,P.R.ChinaReceived30October2008;revised23J une2008;acce pted10S eptember2008Abstra

4、ct:The energy consumption of a complicated heat-exchange network in chemical industry was studied with pinch point technology and the technology of flow simulations.A new design was provided which reclaims the greatest remained energy.It was found that some special loops in heat-exchange network hav

5、e some new characteristics which have not been mentioned in former dissertations,while optimizing the new designed network through disconnecting the loop s in the network.It was not appropriate for disconnecting these special loop s to use the general method.For the problem,proposes an advanced solu

6、tion method and examines the solution with the help of flow simulations technology.The results show that adjusting interrelated parameters solves some probably problems of new network run process.Using the technology of flow simulations can more apply the pinch point technology in heat-exchange netw

7、ork design.K ey w ords:Pinch point technology;Flow simulations;Loops of heat duty;Energy conservationCorresponding author.Tel.:+86-411-84707963;fax:+86-411-84707963;e-mail:wp2006隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)和工業(yè)的持續(xù)發(fā)展,能源短缺問(wèn)題將越來(lái)越嚴(yán)重。工業(yè)的能量回收利用已成為人類社會(huì)持續(xù)發(fā)展的重要前提之一。換熱網(wǎng)絡(luò)是能量回收利用的一個(gè)重要子系統(tǒng),它的節(jié)能優(yōu)化一直受到人們的關(guān)注。雖然目前已經(jīng)有10余種換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法出現(xiàn),然而

8、夾點(diǎn)技術(shù)仍然是其中最為簡(jiǎn)便、實(shí)用的方法。Linnhoff B等1在1978收稿日期:2007-10-30作者簡(jiǎn)介:葛玉林(1963-,男,山東日照市,高級(jí)工程師,博士?；痦?xiàng)目:遼寧省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2005224001。年最先提出換熱網(wǎng)絡(luò)的溫度夾點(diǎn)(Pinch Point問(wèn)題,并在1983年比較系統(tǒng)地論述了用于換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)技術(shù)2。我國(guó)學(xué)者對(duì)夾點(diǎn)技術(shù)也做了很多論述,如姚平經(jīng)等3應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)煉油廠常減壓裝置原油預(yù)熱系統(tǒng)進(jìn)行能量分析,找出“瓶頸”問(wèn)題,提出改進(jìn)方案,增大了熱回收率;馮霄等4應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)某芳烴廠的異構(gòu)化裝置進(jìn)行了分析,并提出換熱網(wǎng)絡(luò)集成改造方案。由于夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)出的初始的換熱網(wǎng)絡(luò)

9、(能量回收量最大的換熱網(wǎng)絡(luò)往往換熱設(shè)備較多,流程復(fù)雜,為此Su J L等5提出了斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)中熱負(fù)荷回路的能量松弛法,可有效減少換熱設(shè)備數(shù),使網(wǎng)絡(luò)得到優(yōu)化。以往夾點(diǎn)技術(shù)論述在說(shuō)明能量松弛法時(shí) ,所使用換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱流體數(shù)目少,其結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單;實(shí)際的化工換熱網(wǎng)絡(luò)換熱流體眾多,利用夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)出的初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在對(duì)一復(fù)雜換熱網(wǎng)絡(luò)所作的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)一些熱負(fù)荷回路出現(xiàn)了以往夾點(diǎn)技術(shù)論述中所沒(méi)有提及的新特點(diǎn)6-7。用常規(guī)的方法對(duì)這些特殊的熱負(fù)荷回路進(jìn)行斷開(kāi)不太適合,本文對(duì)此提出了改進(jìn)的辦法,并借助流程模擬技術(shù)對(duì)此方法進(jìn)行了檢驗(yàn)。1特殊熱負(fù)荷回路的斷開(kāi)和流程模擬技術(shù)的使用1.1換熱網(wǎng)絡(luò)中簡(jiǎn)單熱負(fù)荷

10、回路的斷開(kāi)一級(jí)熱負(fù)荷回路(見(jiàn)圖1中(a 的斷開(kāi)方法是將其中某一換熱單元(一般選擇熱負(fù)荷較小者的熱 負(fù)荷加到另一換熱單元上。Fig.1Loops of heat duty圖1熱負(fù)荷回路二級(jí)熱負(fù)荷回路(見(jiàn)圖1中(b 斷開(kāi)方法是將熱負(fù)荷回路的各個(gè)換熱單元按順序依次進(jìn)行奇、偶標(biāo)注,若欲取消的某一換熱單元(一般選擇熱負(fù)荷較小者處于奇數(shù)位置,熱負(fù)荷為Q ,按照偶數(shù)位置換熱單元加上Q ,奇數(shù)位置換熱單元減去Q 的規(guī)則,分別改變熱負(fù)荷回路各換熱單元的熱負(fù)荷。二級(jí)以上熱負(fù)荷回路的斷開(kāi)與二級(jí)熱負(fù)荷回路的斷開(kāi)類似。1.2換熱網(wǎng)絡(luò)中特殊熱負(fù)荷回路的斷開(kāi)復(fù)雜換熱網(wǎng)絡(luò)中的熱負(fù)荷回路可能會(huì)出現(xiàn)如圖1(c 中的特殊情況。在圖

11、1(c 中,換熱單元1,2,3,4及它們之間的流體組成二級(jí)熱負(fù)荷回路,與圖1(a ,(b 中不同的是換熱單元1和2下面的流體并不完全是同一流體,而是同一流體的不同分支,稱這類特殊熱負(fù)荷回路為帶有分支的熱負(fù)荷回路。本文將以實(shí)際工程為背景對(duì)這些特殊熱負(fù)荷回路的斷開(kāi)進(jìn)行討論。1.3流程模擬技術(shù)的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中,每一次斷開(kāi)熱負(fù)荷回路就使換熱網(wǎng)絡(luò)的流程發(fā)生變化,生成的新網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)一些難以預(yù)料的問(wèn)題、甚至運(yùn)行中斷8。本文采用流程模擬技術(shù)用計(jì)算機(jī)對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行進(jìn)行模擬,通過(guò)調(diào)整參數(shù)對(duì)斷開(kāi)熱負(fù)荷回路后的新網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行修復(fù),很好地解決了這一問(wèn)題。流程模擬技術(shù)是通過(guò)離線或在

12、線采集裝置的工藝實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),利用物料平衡、能量平衡、化學(xué)平衡原理,在計(jì)算機(jī)上對(duì)全裝置或某一部分的運(yùn)行進(jìn)行的模擬。從數(shù)學(xué)角度,化工流程穩(wěn)態(tài)模擬實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大型非線性代數(shù)方程組的求解問(wèn)題。本次設(shè)計(jì)所用的化工系統(tǒng)流程模擬軟件PRO -II ,是美國(guó)Simulation Science 公司的產(chǎn)品。它的作用相當(dāng)于一個(gè)中央處理器,一系列的輸入條件經(jīng)過(guò)計(jì)算后再輸出結(jié)果。PRO -II 也是最早配備優(yōu)化功能的流程模擬系統(tǒng)。2實(shí)際化工換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)利用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)某煉油廠常減壓裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析,找出了原有設(shè)計(jì)的弊病,并在此基礎(chǔ)上對(duì)裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并用PRO -II 進(jìn)行模擬計(jì)算,提出了能量回收

13、量最大的換熱網(wǎng)絡(luò)。討論了帶有分支的熱負(fù)荷回路斷開(kāi)的問(wèn)題,提出了改進(jìn)的方法,并用此改進(jìn)的方法對(duì)初始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)優(yōu),得出總費(fèi)用為最小的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。2.1最初設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)的用能診斷某煉油廠常減壓蒸餾裝置最初設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)流程見(jiàn)圖2,按最初設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)提取的冷、熱換熱流體的各參數(shù)見(jiàn)表1。表1最初設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)冷、熱換熱流體參數(shù)T able 1H ot flow and cold flow parameters of original design heat exchanger netw ork標(biāo)號(hào)代表物流熱容流率/(kW -1初始溫度/初始焓值10-6/(kJ h -1終了溫度/終了焓值10-6/

14、(kJ h -1YY 原油406.7054.062.56243.0343.24B T Y 拔頭油480.13242.0332.40315.2459.04R HS1軟化水20.5640.0 2.9690.0 6.67R HS2軟化水13.2090.02.45143.521.83R HS3軟化水7.6090.0 4.22179.239.66C1X常一線26.70186.717.1842.53.2997第4期葛玉林等.大型化工換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析續(xù)表1標(biāo)號(hào)代表物流熱容流率/(kW -1初始溫度/初始焓值10-6/(kJ h -1終了溫度/終了焓值10-6/(kJ h -1C2X 常二線73.15270.

15、072.2350.19.83C3X常三線5.77331.07.2241.90.57CDXH 常壓塔頂循環(huán)59.40140.027.9975.914.3C1Z 常壓塔一中段循環(huán)104.10214.869.53154.047.29C2Z 常壓塔二中段循環(huán)106.76323.0103.26224.365.61J 1X 減一線196.04151.095.4368.237.18J 2X 減二線139.60269.6116.61157.460.06J 3X 減三線285.90313.2263.25245.1193.36J 3X 減三中34.28245.126.17133.712.37J 4X 減四線14.

16、04347.914.77211.87.89合流121.22127.749.0272.124.74J NZY減粘渣油173.47385.0217.89125.254.84Fig.2G raph of original design heat exchanger netw ork flow圖2最初設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)流程圖08石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)第21卷在最初的設(shè)計(jì)中,原油換熱終溫為243,拔頭油換熱終溫為315.2,所需公用工程熱負(fù)荷1.78106kJ /h ,所需公用工程冷負(fù)荷98.29106kJ /h 。圖3為利用夾點(diǎn)技術(shù)所畫的換熱網(wǎng)絡(luò)總組合曲線。由圖3可知:夾點(diǎn)溫度為:300.3,其中熱物流為3

17、12.8,冷物流為287.8,最小換熱溫差25。經(jīng)分析,在最初的設(shè)計(jì)中有14個(gè)換熱器的換熱通過(guò)夾點(diǎn),還有6臺(tái)換熱器的換熱平均溫差低于10,影響換熱效果。根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)所得的最小公用工程冷、熱負(fù)荷為:94.87106kJ /h ,最大換熱量為:4.5161010kJ /h 。因此最初的設(shè)計(jì)多用了5.20106kJ /h 的公用工程冷、熱負(fù)荷。2.2新設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)2.2.1保證最大能量回收量的換熱網(wǎng)絡(luò)圖4是利用夾點(diǎn)技術(shù)和流程模擬技術(shù)所設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)流程圖。新設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)避免了通過(guò)夾點(diǎn)的換熱,并且保證換熱溫差不低于25,原油換熱終了溫度為245.26,提高了1.78,拔頭油換熱終溫為319.71,提

18、高了4.49,每年節(jié)省燃料油2.49103t ,每年節(jié)省循環(huán)水1.46106t 。此外,最初設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)中換熱器總數(shù)為71,新設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)換熱器總數(shù)為67,節(jié)省了4臺(tái)換熱器。取得了較好的節(jié)能效果 。Fig.3G rand composite curves of original designheat exchanger netw ork圖3最初設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)總組合曲線2.2.2綜合效益最高的換熱網(wǎng)絡(luò)圖4中的換熱網(wǎng)絡(luò)只是考慮了能量回收量最大,并不是換熱器數(shù)目最小的換熱網(wǎng)絡(luò)。對(duì)其進(jìn)行調(diào)優(yōu),才能得到綜合效益最高的換熱網(wǎng)絡(luò) 。Fig.4G raph of new design heat exch a

19、nger netw ork flow with the most energy received圖4新設(shè)計(jì)的能量回收量最大的換熱網(wǎng)絡(luò)流程18第4期葛玉林等.大型化工換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析設(shè)換熱單元1,7所組成的熱負(fù)荷回路用(1,7 表示,參照?qǐng)D5所示的換熱網(wǎng)絡(luò)格子圖,新設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)中的熱負(fù)荷回路分別為:(1,7、(2,8、(12,26、(12,10、(15,19、(23,25、(24,20,9,14、(21,22,18,17、(9,21,16,14、(16,17,18,22,20,24。10個(gè)熱負(fù)荷回路中前6個(gè)為一級(jí)熱負(fù)荷回路,接下來(lái)3個(gè)為二級(jí)熱負(fù)荷回路,最后一個(gè)為三級(jí)熱負(fù)荷回路。其中只有(15,

20、19是常規(guī)熱負(fù)荷回路,可以通過(guò)1.1所述一級(jí)熱負(fù)荷回路的方法斷開(kāi);其余都為帶分支的熱負(fù)荷回路,以下對(duì)這類熱負(fù)荷回路的斷開(kāi)進(jìn)行討論 。Fig.5G rid of heat exchanger netw ork with themost energy received圖5能量回收量最大的換熱網(wǎng)絡(luò)格子圖首先看熱負(fù)荷回路(1,7,它是一個(gè)帶有分支的一級(jí)熱負(fù)荷回路,把它斷開(kāi)后,由于換熱單元1的熱負(fù)荷小,所以應(yīng)將換熱器1的熱負(fù)荷加到換熱器7上,由于通過(guò)換熱單元1和7雖然都是拔頭油,但是流量卻差別很大,所以不能再用常規(guī)方法簡(jiǎn)單地把換熱單元1的熱負(fù)荷直接加到換熱單元7上,而應(yīng)該把1的熱負(fù)荷按照各分支上換熱單元

21、的熱負(fù)荷(包括通過(guò)1的流體分支的比例分配到各分支的換熱單元上。換熱流體各分支的流量由熱負(fù)荷除以流體溫度變化量與流體比熱容的積求得。斷開(kāi)熱負(fù)荷回路前后的局部流程的變化見(jiàn)圖6。熱負(fù)荷回路(21,22,18,17是一個(gè)帶有分支的二級(jí)熱負(fù)荷回路,先按照一般熱負(fù)荷回路斷開(kāi)的方法將熱負(fù)荷回路的各個(gè)換熱單元按順序依次進(jìn)行奇、偶標(biāo)注,若欲取消的某一換熱單元k (一般選擇熱負(fù)荷較小者處于奇數(shù)位置,熱負(fù)荷為Q ,然后按照帶分支的一級(jí)熱負(fù)荷回路的方法把熱負(fù)荷Q 按各分支上換熱單元熱負(fù)荷的比例分配到各分支的換熱單元。設(shè)分到換熱單元k 的熱負(fù)荷由Q 變?yōu)镻 ,再按照偶數(shù)位置換熱單元加上P ,奇數(shù)位置換熱單元減去P 的規(guī)

22、則,分別改變熱負(fù)荷回路各換熱單元的熱負(fù)荷。換熱流體各分支的流量由熱負(fù)荷除以流體溫度變化量與流體比熱容的積求得 。Fig.6H eat exchanger netw ork flow with or withoutbreak in loops of heat duty圖6熱負(fù)荷回路(1,7斷開(kāi)前后換熱流程變化帶有分支的三級(jí)及三級(jí)以上熱負(fù)荷回路的斷開(kāi)與帶有分支的二級(jí)熱負(fù)荷回路斷開(kāi)的方法類似。熱負(fù)荷回路的斷開(kāi)后,重新選擇最小傳熱溫差,再重復(fù)上述過(guò)程,直到得出綜合效益最高的設(shè)計(jì)方案。本文所得到的綜合效益最高的換熱網(wǎng)絡(luò)流程見(jiàn)圖7。此時(shí)最小傳熱溫差為21.04,換熱器總數(shù)為64,比最初的設(shè)計(jì)節(jié)省7臺(tái),每年

23、節(jié)省燃料油2.64103t ,冷公用工程總量83.65106kJ /h ,每年節(jié)省循環(huán)水1.52106t ,此外在保證換熱量最大的換熱網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上又節(jié)省3臺(tái)換熱器。取得了較好的節(jié)能效果。2.2.3實(shí)例驗(yàn)證操作系統(tǒng)優(yōu)化后,產(chǎn)品中航空煤油的比率提高,產(chǎn)品收益增高,每年凈收益增加3170萬(wàn)元。取得了很好的優(yōu)化效果。因此利用流程模擬的優(yōu)化功能對(duì)化工裝置進(jìn)行優(yōu)化,能取得較大的實(shí)際效益,對(duì)工廠節(jié)能降耗有著重要意義。3結(jié)束語(yǔ)針對(duì)復(fù)雜換熱網(wǎng)絡(luò)中帶有分支的熱負(fù)荷回路的斷開(kāi),本文提出了改進(jìn)的方法,通過(guò)實(shí)際大型換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的檢驗(yàn),此改進(jìn)的方法是有效可行的。同時(shí)本文利用流程模擬技術(shù)對(duì)斷開(kāi)熱負(fù)荷回路得到的新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)模擬

24、運(yùn)行,通過(guò)調(diào)整有關(guān)參數(shù)消除了新網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。因此,流程模擬28石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)第21卷 4 期 第 葛玉林等 . 大型化工換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析 83 技術(shù)的使用 ,可以使夾點(diǎn)技術(shù)更好地應(yīng)用于實(shí)際的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中 。 Fig. 7 Heat exchanger net work flow with best synthesis prof it 圖7 綜合效益最大的換熱網(wǎng)絡(luò)流程 參 A ICh E J ,1978 ,24 ( 4 :633 - 642. 考 文 獻(xiàn) 1 Linnhoff B , Flower J R. Synt hesis of heat exchanger networks :1. Systematic g