夹点技术在延迟焦化换热网络中的应用

尚建龙，何 康，孙兰义

(1.中国石油大学重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580；2.镇海石化工程股份有限公司)

夹点技术在延迟焦化换热网络中的应用

尚建龙1，何 康2，孙兰义1

(1.中国石油大学重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580；2.镇海石化工程股份有限公司)

某石化企业处理量为1.20 Mta的延迟焦化装置存在较大的节能潜力，应用夹点技术对其能量利用进行分析与优化。首先确定换热网络夹点位置和能量目标，消除违背夹点规则的换热，然后对优化后换热网络的热负荷回路进一步优化，提高原料渣油进炉温度，并得到最终换热网络。研究结果表明，改造后的换热网络取得了显著的经济效益，年降低能耗11.89×104GJ，改造总投资77.82万元，年增经济效益457.70万元，投资回收期为2个月。夹点技术对延迟焦化装置的节能降耗、经济效益的提高有着重要的理论和现实意义。

延迟焦化 夹点技术 换热网络 能量系统优化

节能已成为当今世界主要的技术和社会问题，与能源供应密切相关的措施都具有非常重要的战略意义[1]。迄今为止，石油化工行业依旧是世界上最大的能源消耗行业，约占世界工业总能源消耗的30%。然而，基于化工行业的用能复杂性，其节能潜力的评估依旧是个难题[2]。石化行业是我国国民经济的支柱产业，但也是能耗大户，每年能源消耗量约为全国能源总消耗量的10%～12%。同时，能源消耗占化工产品成本的20%～30%，对高耗能产品达到60%～70%。石化行业节能降耗面临巨大压力[3]。

随着原油的日益重质化和劣质化以及市场对轻质油品需求的不断增长，石油的深度加工已成为必然的发展趋势。延迟焦化装置因设备投资少、工艺简单、技术成熟、可加工各种重质渣油和提高轻质油收率，已成为世界各国重质油轻质化的重要手段[4]。我国的延迟焦化装置能耗相对较高，高能耗导致我国延迟焦化装置的加工成本乃至整个原油加工行业成本普遍较高。因此，降低延迟焦化装置的能耗成为我国石油炼制行业的重要任务。

延迟焦化原料在500 ℃下发生重度裂化和缩合反应，大量消耗高品位能量。焦化反应中热裂化反应是强吸热反应，反应所需的全部热量均由焦化炉提供，大量的高品质能量通过能量转换环节后变为低品位能量，在推动工艺过程进行后，或回收再利用或被排弃[5-6]。为降低延迟焦化装置能量消耗，不但需要提高加热炉的效率，回收低品位能量也尤为重要。换热网络是炼化行业中重要的能量回收子系统[7]。

夹点技术(Pinch Technology)最早由Linnhoff于1978年提出[8]。经过近30年的不断进步，现已成为石油化工行业节能的一个重要技术手段[9]。一般认为延迟焦化装置的换热网络较为简单，导致了许多不合理的用能。本课题以某石化企业1.20 Mt/a延迟焦化装置为例，应用夹点技术分析当前换热网络，对换热网络进行优化并提出改进方案。

1 延迟焦化工艺

某石化企业1.20 Mt/a延迟焦化装置主要加工减压渣油，包括焦化部分和吸收-稳定系统，工艺流程示意如图1和图2所示。焦化原料升温后进入分馏塔底部，与热循环油一起流入塔底，抽出油分4路进入焦化加热炉并快速升温至500 ℃左右，进入焦炭塔底部进行焦化反应，焦炭聚结在焦炭塔底部，在达到一定高度后进行水力除焦，反应油气经急冷油冷却后进入分馏塔底部，被原料渣油洗涤的反应油气进入分馏塔切割成富气、汽油、柴油以及蜡油。焦化富气进入吸收塔，由焦化汽油吸收富气中的C3、C4组分。吸收塔设中段回流取热，塔顶贫气进入再吸收塔，由贫吸收油吸收其中的汽油组分。平衡罐底部汽油进解吸塔塔顶，脱除其中的C2以上轻组分。解吸塔塔底油进入稳定塔得到液化气和塔底稳定汽油。

图1 焦化部分流程示意

图2 吸收-稳定系统流程示意

2 延迟焦化装置基础数据

某石化企业延迟焦化装置设计加工能力为1.20 Mt/a，设计生焦周期为24 h，操作弹性为60%～120%，年开工时数为8 400 h。其中焦化部分实际加工能力为1.27 Mt/a，吸收-稳定系统加工部分外来轻烃，实际加工能力为0.50 Mt/a。其中粗汽油、焦化富气来自0.60 Mt/a延迟焦化装置，瓦斯来自气柜回收装置。1.20 Mt/a延迟焦化装置物料平衡数据如表1所示，以减压渣油原料为100%计。

表1 装置物料衡算

1.20 Mt/a延迟焦化装置换热网络用能分析所需的数据包括工艺物流数据和公用工程物流数据。对整个流程进行分析，共有11股工艺热物流和8股工艺冷物流，如表2所示。公用工程物流如表3所示，包含空气、冷却水、高/中压蒸汽、燃料气。

表2 现场操作条件下工艺物流数据

表3 公用工程物流数据

3 焦化装置用能现状分析

3.1 最优夹点温差ΔTmin的确定

ΔTmin是指冷换设备中冷、热物流在逆流条件下冷端和热端之间的最小温差，反映了投资与能耗的权衡关系[10]。随着夹点温差ΔTmin的增大，操作费用增大，设备投资减小，反之亦然。最优ΔTmin的确定需要综合考虑设备投资和操作费用的相对大小，取年总费用最小时对应的温差为最优夹点温差。采用文献[11-12]中延迟焦化装置换热网络ΔTmin经验值20.0 ℃。

3.2 夹点技术用能分析

输入工艺物流数据和公用工程物流数据，利用Aspen Plus软件对流程进行模拟，将数据导入到Aspen Energy Analyzer中进行能量分析与用能诊断。由上述分析及问题表法，可以确定ΔTmin为20.0 ℃的情况下，夹点温度为146.0 ℃，即焦化装置物流夹点处热物流的温度为156.0 ℃，冷物流的温度为136.0 ℃。冷、热物流复合曲线如图3所示，在两曲线重叠区，冷、热物流之间可以进行换热。

图3 冷、热物流复合曲线

延迟焦化换热网络总复合曲线如图4所示。由图4可以得出最小加热公用工程量为1 860 kW，最小冷却公用工程量为21 194 kW。焦化装置的实际公用工程用量与所需最小公用工程用量对比见表4。

表4 公用工程用量对比

由表4可见，实际加热公用工程用量为4 863 kW，最小加热公用工程用量为1 860 kW。换热网络优化改造的节能量(ΔQ)定义为实际加热公用工程用量与最小加热公用工程用量的差值[13]。换热网络优化改造的节能潜力指标(R)定义为节能量和夹点区间热物流热量的比值[14]。该换热网络节能量(ΔQ)为：

ΔQ=Qh，real-Qh，min=

4 863 kW-1 860 kW=3 003 kW

式中：Qh， real为实际加热公用工程用量，kW；Qh，min为最小加热公用工程用量，kW。

节能潜力(R)为：

式中，Qr为最大热回收量，此处为实际加热公用工程用量，kW。现行装置节能潜力高达61.7%，由此可见，现行换热网络的能量利用系统是不合理的。

根据夹点规则：①夹点之上(或称热端)不应设置任何公用工程冷却器；②夹点之下(或称冷端)不应设置任何公用工程加热器；③不应有跨越夹点的传热。

现有换热网络网格如图5所示，依据夹点规则分析装置用能的不合理之处：蜡油回流-蒸汽发生器违背了夹点之上不应设置公用工程冷却器的原则；柴油回流-采暖水换热器、蜡油产品-采暖水换热器、柴油产品-采暖水换热器、蜡油产品-除氧水换热器、稳定汽油-稳定塔进料换热器为跨越夹点的换热；夹点之下无违背夹点原则换热的现象。将现有换热网络违背夹点规则换热的换热器及其换热负荷列于表5。由表5可知，夹点之上使用的冷却器有1个，跨越夹点换热的换热器有5个，共有6个换热器违背了夹点规则换热，需要进行重新匹配换热。

图5 现行换热网络网格

表5 违背夹点原则的换热器

4 改进方案与经济分析

以整个换热网络的最小公用工程用量为研究重点，以最小能量目标为基础，提出延迟焦化装置换热网络的有效配置和优化改造建议，提高工艺物流之间的换热量，消除跨越夹点的换热，降低公用工程用量，从而达到最大限度节能降耗的目的。

4.1 消除违背夹点规则的换热

夹点之上，移除蜡油回流-蒸汽发生器，同时新增蜡油回流-原料渣油换热器和蜡油回流-稳定塔中段回流换热器，回收蜡油的热量，提高能量回收效率，减少冷却公用工程用量。

消除跨越夹点的换热，移除蜡油产品-除氧水换热器，同时新增蜡油产品-原料渣油换热器、柴油抽出-稳定塔中段回流换热器和柴油回流-解吸塔塔底油换热器。其中移除蜡油产品-除氧水换热器消除了除氧水升温过程中跨越夹点的换热；新增蜡油产品-原料渣油换热器缓解了蜡油产品冷却过程中跨越夹点换热的程度；新增柴油抽出-稳定塔中段回流换热器和柴油回流-解吸塔塔底油换热器消除了柴油回流冷却过程中跨越夹点的换热，同时回收了柴油回流的热量，使柴油回流-采暖水换热器负荷从2 677 kW减少至1 420 kW，提高了能量回收率。换热网络改造需要结合工业实际进行，对于柴油回流-采暖水换热器和稳定汽油-稳定塔进料换热器两处跨越夹点的换热，只能尽量减少其跨越夹点的换热量而不能完全消除。对稳定塔中段回流-高压蒸汽换热器的改造可降低高压蒸汽的使用，减少加热公用工程用量。

4.2 换热网络的进一步调优

4.2.1 原料渣油换热流程优化 换热网络改造前原料渣油换热到280.0 ℃后进入分馏塔，进塔温度较低，分馏塔塔底辐射油温度也较低，导致了加热炉热负荷的增加，这表明在原料渣油换热方面还有进一步节能降耗的空间。

原设计换热流程中，原料渣油经稳定汽油-原料渣油换热器、蜡油回流-原料渣油换热器换热后进入主分馏塔底部，进塔温度较低，经整个换热网络用能分析，进塔温度还有进一步提升的空间。在原设计的基础上，对蜡油取热进行改进，取消蜡油产品-除氧水换热器，利用新增的蜡油产品-原料渣油换热器和蜡油回流-原料渣油换热器回收蜡油产品和蜡油回流多余的热量预热原料渣油。经过进一步预热后，原料渣油经蜡油产品-原料渣油换热器后温度升至185.0 ℃，后经蜡油回流-原料渣油换热器后温度升至192.5 ℃，最终进入分馏塔底部的原料渣油温度达到289.7 ℃，不仅充分利用了蜡油的热量，还提高了原料渣油进塔温度。原料渣油换热流程优化前后的流程示意如图6和图7所示。

图6 改造前原料渣油换热流程示意

图7 改造后原料渣油换热流程示意

4.2.2 热负荷回路的合并 热负荷回路是指在换热网络中从一股物流出发，沿与其匹配的物流找下去，又回到此物流。上述初步优化后的换热网络中蜡油回流与原料渣油的换热过程中出现了热负荷回路，如图8中虚线所示。图8中换热器1和换热器3构成换热器热负荷回路，需要进行合并。因为图8中换热器3的换热负荷相对较小(233 kW)，因此将其合并到换热器1中，合并后换热器1的换热负荷为10 071 kW，合并后的换热网络如图9所示。合并换热器后会使局部传热温差减小，需要检验传热温差是否满足最小传热温差的限制。经检验，合并后冷热端温差大于夹点温差，符合换热器合并的原则。上述改造不仅减少了一台换热器，降低了投资费用，还回收了蜡油回流(256.8～250.0 ℃)的热量。

图8 有热负荷回路的换热网络

图9 换热器合并后的换热网络

对延迟焦化换热网络的优化，首先消除违背夹点的换热，接着对其进行进一步的调优，得到最终优化后的换热网络，结果如图10所示。

图10 优化后的换热网络网格

4.3 经济分析

4.3.1 公用工程分析 经夹点技术改进与调优，最终装置所需的热公用工程用量为2 794 kW，较改造前节省能耗2 069 kW；冷公用工程用量为23 653 kW，较改造前节省能耗9 334 kW。计算能量费用采用的公用工程价格[15]如表6所示，包括高压蒸汽、燃料气、冷却水和电能，每年按8 400 h计，公用工程经济效益分析过程如下：

表6 公用工程价格

(1) 高压蒸汽。改造前，利用高压蒸汽将稳定塔中段回流由185.0 ℃加热到198.0 ℃，需要消耗较多的高压蒸汽才能满足热量需求。此时所需高压蒸汽热负荷为4 863 kW。改造后，稳定塔中段回流油先经蜡油回流和柴油抽出油加热后，再由高压蒸汽加热，此时所需高压蒸汽热负荷为2 794 kW。高压蒸汽节省量(W蒸汽)可由下式计算：

ΔH1=4 863 kW-2 794 kW=2 069 kW

ΔH1=2 069 kJ/s×3 600 s/h=7 448.40 MJ/h

ΔH1=W蒸汽ΔH蒸汽

式中：ΔH1为高压蒸汽热负荷的降低量，kW；W蒸汽为蒸汽节省量，kg/h；为4.0 MPa、250.0 ℃下蒸汽的汽化潜热，为1 712.90 kJ/kg。计算得：

(2) 燃料气。改造前燃料气燃烧的热量需要将原料渣油由280.0 ℃加热到500.0 ℃左右，改造后则是由289.7 ℃加热到500.0 ℃，因此根据能量守恒，优化后节省的能耗与原料渣油由280.0 ℃加热到289.7 ℃所需热量相等。原料渣油加热(280.0～289.7 ℃)所需热量为：

ΔH2=CPΔt1

式中：ΔH2为燃料气燃烧热负荷减少量，kW；CP为原料渣油的热容流率，为103.57 kW/℃；Δt1为原料渣油的温升，℃。得ΔH2=103.57 kW/℃×9.7 ℃=1 005 kW

根据炼油厂燃料气的组成、热值等性质，将能耗降低量换算为燃料气年消耗流量为173×104m3(标准状态)，年增经济效益约50.20万元。

(3) 冷却水。换热网络改造后冷却水总换热负荷为1 856 kW，较改造前节约能耗899 kW。公用工程冷却水温度由20.0 ℃升至25.0 ℃。在1 h内，冷却水换热负荷减少量按下式计算：

ΔH3=899 kJ/s×3 600 s×10-3=3 237.84 MJ

根据能量衡算，热负荷减少量换算为冷却水的节省量：

ΔH3=WH2OCPΔt2

式中：ΔH3为冷却水换热负荷减少量，kW；WH2O为冷却水的减少量，kg/h；CP为冷却水热容，为4.186 kJ/(kg·℃)；Δt2为冷却水温度变化量，为5.0 ℃。计算得WH2O=154.70 t/h。

(4) 电耗。对于公用工程中电耗的降低及经济分析需要借助换热器设计校核软件HTRI中的空气冷却器模块进行计算，得出优化前后的电机功率，从而得出换热网络优化前后电耗的差值，并计算其经济效益。换热网络经改造后，电耗有所增加，但是从整体经济效益来看是合理且有益的。改进前后公用工程用量及经济效益如表7所示。

表7 改进前后公用工程用量及经济效益

4.3.2 换热器设计与选型 通过换热网络调整，共有4台换热器需要进行设计与选型，移除2台换热器，其它换热器利旧即可。根据换热器选型原则，采用换热器计算与校核软件HTRI进行换热器的重新选型，并进行费用计算，结果如表8所示。改造方案主要增加了换热器、部分管线及其它设备。其中新增柴油回流-解吸塔塔底油、蜡油回流-稳定塔中段回流换热器、柴油抽出-稳定塔中段回流换热器、蜡油产品-原料渣油换热器，其它换热器利旧即可，新增、改造和安装等费用共计77.82万元。改造后每年节能降耗11.89×104GJ，年增经济效益约457.70万元，投资回收期为2个月，经济上是可行的。

表8 换热器选型与投资费用

5 结 论

(1) 通过用能分析与诊断，发现1.20 Mt/a延迟焦化装置当前换热网络公用工程用量与最小公用工程用量相差较大，并存在违背夹点原则的换热。夹点技术为有效减少延迟焦化装置的能量消耗提供重要的技术支持。

(2) 依据夹点技术原则，根据用能情况和工业实际对延迟焦化装置换热网络提出优化措施，消除违背夹点规则的换热。主要包括：移除2台换热器，新增柴油回流-解吸塔塔底油换热器、蜡油回流-稳定塔中段回流换热器、柴油抽出-稳定塔中段回流换热器、蜡油产品-原料渣油换热器。同时合并换热网络热负荷回路，降低设备投资。

(3) 通过能耗分析和经济性分析，改造后延迟焦化换热网络投资费用为77.82万元，改造后装置年均节能11.89×104GJ，年增经济效益约457.70万元，投资回收期为2个月，经济效益显著。

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中国石化茂名分公司干气提浓装置能耗创全国新低

2015年6月，中国石化茂名分公司3×104m3/h(标准状态)干气提浓装置综合能耗达到25.93 kg标油/t(1 kg标油=41.8 MJ)，创2009年开工以来单月能耗最低和全国同类装置新低。

该装置主要从干气中提取富乙烯气作为裂解原料，能耗一直保持国内同类装置领先水平。但前5个月，受原料等因素影响，装置能耗提高，落后于同类先进装置。

6月以来，茂名分公司对关键机组实施特护，实现装置满负荷生产。优化原料气处理量，及时调整半产品气压缩机负荷，确保负荷最佳；根据气温变化适时调整冷干机负荷，使装置电耗环比降低4.11×104kWh；优化装置循环水，装置节约循环水337 t/h。

[钱伯章供稿]

PINCH TECHNOLOGY APPLICATION IN DELAYED COKING HEAT EXCHANGE NETWORK

Shang Jianlong1， He Kang2， Sun Lanyi1

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao，Shandong266580；2.ZhenhaiPetrochemicalEngineeringCo.Ltd.)

There was a considerable energy saving potential in the delayed coking unit with a capacity of 1.20 Mt/a in a petrochemical plant. The heat exchanger network (HEN) of the delayed coking unit is analyzed and optimized by pinch technology. After obtaining the pinch point and energy targets， the pinch technology was applied to eliminate the heat exchange which violates the pinch rules. The optimized HEN was further optimized to cancel the problematic heat exchanger loop and raise the inlet temperature of the vacuum residue (VR) before entering the heating furnace， resulting in a final optimized HEN. Consequently， the modified HEN has achieved remarkable economic benefits by decreasing energy consumption of 11.89×104GJ， which indicates that energy saving of this proposal can bring additional benefits of 4.577 0 million Yuan/a. The payback period of investment is 2 months with a total reconstructive investment of 0.778 2 million Yuan. The pinch technology for energy saving of delayed coking unit and the improvement of economic benefits has very important theoretical and practical significance.

delayed coking； pinch technology； heat exchanger network； energy system optimization

2015-03-09； 修改稿收到日期： 2015-06-10。

尚建龙，硕士研究生，从事化工流程模拟与节能优化研究工作。

孙兰义，E-mail：sunlanyi@163.com。