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Vol.21No.4 2008年12月J OU RNALOFPETROCH EMICALUNIV ERSITIESDec.2008文章編號: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,沈勝強1,冀新生1,劉曉華1(1.大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院,遼寧大連116024;2.錦州石油化工公司設(shè)計院,遼寧錦州121001摘要:利用夾點技術(shù)對一個復(fù)雜化工換熱網(wǎng)絡(luò)進行了用能診斷,并結(jié)合流程模擬技術(shù)新設(shè)計出一個能量回收量最大的換熱網(wǎng)絡(luò)。在用斷開熱負荷回路的方法對所得到的新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)優(yōu)時,發(fā)現(xiàn)一些熱負荷回路出現(xiàn)了與以往夾點技術(shù)論

2、述中所沒有提及的新特點。用常規(guī)的方法對這些特殊的熱負荷回路進行斷開已不太適應(yīng),對此提出了解決的辦法,并借助流程模擬技術(shù)對此方法進行檢驗。結(jié)果表明,通過調(diào)整有關(guān)參數(shù)消除了新網(wǎng)絡(luò)在實際運行中可能出現(xiàn)的問題。因此,采用流程模擬技術(shù),可使夾點技術(shù)更好地應(yīng)用于實際的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中。關(guān)鍵詞:夾點技術(shù);流程模擬;熱負荷回路;節(jié)能中圖分類號:T K219;T K11文獻標(biāo)識碼: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和工業(yè)的持續(xù)發(fā)展,能源短缺問題將越來越嚴(yán)重。工業(yè)的能量回收利用已成為人類社會持續(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、夾點技術(shù)仍然是其中最為簡便、實用的方法。Linnhoff B等1在1978收稿日期:2007-10-30作者簡介:葛玉林(1963-,男,山東日照市,高級工程師,博士?；痦椖?遼寧省科技攻關(guān)項目(2005224001。年最先提出換熱網(wǎng)絡(luò)的溫度夾點(Pinch Point問題,并在1983年比較系統(tǒng)地論述了用于換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點技術(shù)2。我國學(xué)者對夾點技術(shù)也做了很多論述,如姚平經(jīng)等3應(yīng)用夾點技術(shù)對煉油廠常減壓裝置原油預(yù)熱系統(tǒng)進行能量分析,找出“瓶頸”問題,提出改進方案,增大了熱回收率;馮霄等4應(yīng)用夾點技術(shù)對某芳烴廠的異構(gòu)化裝置進行了分析,并提出換熱網(wǎng)絡(luò)集成改造方案。由于夾點技術(shù)設(shè)計出的初始的換熱網(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提出了斷開網(wǎng)絡(luò)中熱負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。以往夾點技術(shù)論述在說明能量松弛法時 ,所使用換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱流體數(shù)目少,其結(jié)構(gòu)也較簡單;實際的化工換熱網(wǎng)絡(luò)換熱流體眾多,利用夾點技術(shù)設(shè)計出的初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在對一復(fù)雜換熱網(wǎng)絡(luò)所作的優(yōu)化設(shè)計過程中,發(fā)現(xiàn)一些熱負荷回路出現(xiàn)了以往夾點技術(shù)論述中所沒有提及的新特點6-7。用常規(guī)的方法對這些特殊的熱負荷回路進行斷開不太適合,本文對此提出了改進的辦法,并借助流程模擬技術(shù)對此方法進行了檢驗。1特殊熱負荷回路的斷開和流程模擬技術(shù)的使用1.1換熱網(wǎng)絡(luò)中簡單熱負荷

10、回路的斷開一級熱負荷回路(見圖1中(a 的斷開方法是將其中某一換熱單元(一般選擇熱負荷較小者的熱 負荷加到另一換熱單元上。Fig.1Loops of heat duty圖1熱負荷回路二級熱負荷回路(見圖1中(b 斷開方法是將熱負荷回路的各個換熱單元按順序依次進行奇、偶標(biāo)注,若欲取消的某一換熱單元(一般選擇熱負荷較小者處于奇數(shù)位置,熱負荷為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,分別改變熱負荷回路各換熱單元的熱負荷。二級以上熱負荷回路的斷開與二級熱負荷回路的斷開類似。1.2換熱網(wǎng)絡(luò)中特殊熱負荷回路的斷開復(fù)雜換熱網(wǎng)絡(luò)中的熱負荷回路可能會出現(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熱負荷回路,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,稱這類特殊熱負荷回路為帶有分支的熱負荷回路。本文將以實際工程為背景對這些特殊熱負荷回路的斷開進行討論。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)計中,每一次斷開熱負荷回路就使換熱網(wǎng)絡(luò)的流程發(fā)生變化,生成的新網(wǎng)絡(luò)在實際運行中可能出現(xiàn)一些難以預(yù)料的問題、甚至運行中斷8。本文采用流程模擬技術(shù)用計算機對換熱網(wǎng)絡(luò)的運行進行模擬,通過調(diào)整參數(shù)對斷開熱負荷回路后的新網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的問題進行修復(fù),很好地解決了這一問題。流程模擬技術(shù)是通過離線或在

12、線采集裝置的工藝實時數(shù)據(jù),利用物料平衡、能量平衡、化學(xué)平衡原理,在計算機上對全裝置或某一部分的運行進行的模擬。從數(shù)學(xué)角度,化工流程穩(wěn)態(tài)模擬實質(zhì)上是一個大型非線性代數(shù)方程組的求解問題。本次設(shè)計所用的化工系統(tǒng)流程模擬軟件PRO -II ,是美國Simulation Science 公司的產(chǎn)品。它的作用相當(dāng)于一個中央處理器,一系列的輸入條件經(jīng)過計算后再輸出結(jié)果。PRO -II 也是最早配備優(yōu)化功能的流程模擬系統(tǒng)。2實際化工換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計利用夾點技術(shù)對某煉油廠常減壓裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進行了分析,找出了原有設(shè)計的弊病,并在此基礎(chǔ)上對裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化設(shè)計,并用PRO -II 進行模擬計算,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荷回路斷開的問題,提出了改進的方法,并用此改進的方法對初始網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)優(yōu),得出總費用為最小的最優(yōu)設(shè)計方案。2.1最初設(shè)計的換熱網(wǎng)絡(luò)的用能診斷某煉油廠常減壓蒸餾裝置最初設(shè)計的換熱網(wǎng)絡(luò)流程見圖2,按最初設(shè)計的換熱網(wǎng)絡(luò)提取的冷、熱換熱流體的各參數(shù)見表1。表1最初設(shè)計的換熱網(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)計的換熱網(wǎng)絡(luò)流程圖08石油化工高等學(xué)校學(xué)報第21卷在最初的設(shè)計中,原油換熱終溫為243,拔頭油換熱終溫為315.2,所需公用工程熱負荷1.78106kJ /h ,所需公用工程冷負荷98.29106kJ /h 。圖3為利用夾點技術(shù)所畫的換熱網(wǎng)絡(luò)總組合曲線。由圖3可知:夾點溫度為: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)計中有14個換熱器的換熱通過夾點,還有6臺換熱器的換熱平均溫差低于10,影響換熱效果。根據(jù)夾點技術(shù)所得的最小公用工程冷、熱負荷為:94.87106kJ /h ,最大換熱量為:4.5161010kJ /h 。因此最初的設(shè)計多用了5.20106kJ /h 的公用工程冷、熱負荷。2.2新設(shè)計的換熱網(wǎng)絡(luò)2.2.1保證最大能量回收量的換熱網(wǎng)絡(luò)圖4是利用夾點技術(shù)和流程模擬技術(shù)所設(shè)計的換熱網(wǎng)絡(luò)流程圖。新設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)避免了通過夾點的換熱,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)計的換熱網(wǎng)絡(luò)中換熱器總數(shù)為71,新設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)換熱器總數(shù)為67,節(jié)省了4臺換熱器。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)。對其進行調(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所組成的熱負荷回路用(1,7 表示,參照圖5所示的換熱網(wǎng)絡(luò)格子圖,新設(shè)計的換熱網(wǎng)絡(luò)中的熱負荷回路分別為:(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個熱負荷回路中前6個為一級熱負荷回路,接下來3個為二級熱負荷回路,最后一個為三級熱負荷回路。其中只有(15,

20、19是常規(guī)熱負荷回路,可以通過1.1所述一級熱負荷回路的方法斷開;其余都為帶分支的熱負荷回路,以下對這類熱負荷回路的斷開進行討論 。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)格子圖首先看熱負荷回路(1,7,它是一個帶有分支的一級熱負荷回路,把它斷開后,由于換熱單元1的熱負荷小,所以應(yīng)將換熱器1的熱負荷加到換熱器7上,由于通過換熱單元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)方法簡單地把換熱單元1的熱負荷直接加到換熱單元7上,而應(yīng)該把1的熱負荷按照各分支上換熱單元

21、的熱負荷(包括通過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荷除以流體溫度變化量與流體比熱容的積求得。斷開熱負荷回路前后的局部流程的變化見圖6。熱負荷回路(21,22,18,17是一個帶有分支的二級熱負荷回路,先按照一般熱負荷回路斷開的方法將熱負荷回路的各個換熱單元按順序依次進行奇、偶標(biāo)注,若欲取消的某一換熱單元k (一般選擇熱負荷較小者處于奇數(shù)位置,熱負荷為Q ,然后按照帶分支的一級熱負荷回路的方法把熱負荷Q 按各分支上換熱單元熱負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,分別改變熱負荷回路各換熱單元的熱負荷。換熱流體各分支的流量由熱負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熱負荷回路(1,7斷開前后換熱流程變化帶有分支的三級及三級以上熱負荷回路的斷開與帶有分支的二級熱負荷回路斷開的方法類似。熱負荷回路的斷開后,重新選擇最小傳熱溫差,再重復(fù)上述過程,直到得出綜合效益最高的設(shè)計方案。本文所得到的綜合效益最高的換熱網(wǎng)絡(luò)流程見圖7。此時最小傳熱溫差為21.04,換熱器總數(shù)為64,比最初的設(shè)計節(jié)省7臺,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臺換熱器。取得了較好的節(jié)能效果。2.2.3實例驗證操作系統(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)化功能對化工裝置進行優(yōu)化,能取得較大的實際效益,對工廠節(jié)能降耗有著重要意義。3結(jié)束語針對復(fù)雜換熱網(wǎng)絡(luò)中帶有分支的熱負荷回路的斷開,本文提出了改進的方法,通過實際大型換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的檢驗,此改進的方法是有效可行的。同時本文利用流程模擬技術(shù)對斷開熱負荷回路得到的新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)模擬

24、運行,通過調(diào)整有關(guān)參數(shù)消除了新網(wǎng)絡(luò)在實際運行中可能出現(xiàn)的問題。因此,流程模擬28石油化工高等學(xué)校學(xué)報第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 ,可以使夾點技術(shù)更好地應(yīng)用于實際的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中 。 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 1 Linnhoff B , Flower J R. Synt hesis of heat exchanger networks :1. Systematic g