东一联夹点分析与节能潜力

周 辉，王照亮，姚 震

（中国石油大学（华东）， 山东 青岛 266580）

胜利油田孤东一号联合站集输系统工艺复杂，在其现有的能流网络中，能量利用不合理存在大量的污水余热直接排放到大气环境中，没有有效地回收余热。尤其是联合站沉降罐的热流，污水温度高达 85 ℃。目前，对于油田耗能设备的节能潜力分析主要是采用基于热力学第一定律的能量平衡分析法，对联合站主要能耗环节的能耗设备进行单台设备能量分析评价，对上下游不同设备和工序之间的能流关系涉及较少[1,2]。Linnhoff[2,3]等提出的夹点分析法，是一种解决整个换热网络的能留不协调问题的方法。运用夹点分析可以轻松的找出联合站换热网络的瓶颈，也就是夹点温度，跨越夹点温度的换热都会造成能流的损失。

目前，夹点分析的运用十分广泛[4-9]，从热泵等单一设备装置到复杂的生产工艺流程，都可以运用夹点分析有效合理的分配冷热物流。

本文就是将复杂的联合站工艺流程运用夹点分析，找出联合站集输系统的节能潜力，提出合理的节能改造措施。

1 东一联能流图

图1所示孤东1号联合站内主要耗能设备为分水器，分水出口换热，油气分离器，含水油稳定塔，沉降罐，脱水换热器，回油换热器，压力脱水罐，净化油稳定塔和净化油罐。孤东一号联合站主要的散热设备分别是换热器，净化油稳定塔，以及净化油罐。

图1 东一联能流图Fig.1 Energy flow diagram of Dongyi combined station

孤东一号联合站部分设备污水温度略高，最高可达 85 ℃，直接排放不仅会造成环境热污染还会造成能量的浪费。孤东一号联合站的各种物流参数如表1所示。该换热网络中由四股热流，三股冷流。其中，四股热流分别为分水器H1，一次沉降罐H2，二次沉降罐H3，老化油沉降罐H4排出的污水组成。冷流主要是分水出口换热器C1，脱水换热器 C2，回油换热器C3。对换热网络进行夹点分析，提取换热网络的节能潜力。

表1 冷热流物流数据表Table 1 Data table of cold and hot streams

2 夹点分析

2.1 物流参数计算

对冷热物流进行夹点分析时，需要选取一定的夹点温差。夹点温差越小，利用夹点分析可以节省的能量越多；但是根据传统的传热公式可以知道，温差越小，在保证换热量的情况下，所需要的换热面积就越大，从而增大了经济费用的投资。因此需要合理的选取夹点温差。根据经验选取 10 ℃作为夹点温差，则孤东一号联合站的换热网络如图2所示。可以看出现有的换热网络分水冷流，二次沉降罐热流和老化油热流的换热过程都跨越了夹点，必然带来了能流的损失。

图2 现有网络换热网络图Fig.2 Original heat exchange net

2.2 温区划分

根据选取的夹点温差，在冷热流体的原始温度基础上减小 5℃，在预期目标温度的基础上增加 5℃然后将这些温度从大到小排列，顺序依次为：90℃、80℃、72℃、65℃、62℃、52℃、50℃、48℃、38℃、15℃。

2.3 问题表格

根据排列好的温度将温度划分为9个温区，并建立问题表格如表2所示。

表2 问题表格Table 2 Problem table

从表2中可以看出，换热温区6的最小外界输出热量与换热温区7的最小外界输入热量都为0，即两温区之间的热通量为0，夹点温差为10 ℃时夹点的平均温度50 ℃，热流体温度是55 ℃，冷流体温度是45 ℃。

另外表2中可以明显看出孤东一号联合站集输系统最小加热公用工程量为10 396.65 kW，较现在的加热工程热负荷要小2 643.35 kW，可见现在的集输系统换热网络存在问题。

3 节能改造

夹点分析最终的目的在于充分利用可利用的热能加热冷流，节省公用热负荷。以夹点温度为界限，夹点之下的换热网络有热流4股，冷流1股。只有在满足热流数目不少于冷流数目，并且热流的热容流率不大于冷流的热容流率的情况下，才能将冷热物流匹配换热，节省能量。所以将冷流 C1分流，使其一股热容流率为77.78 kW/℃，另外一股为75.75 kW/℃。此时，热流H2和H4分别与其匹配满足条件。增设两台换热器，分别为 151.5 kW 和155.56 kW。在换热网络中，由于分水热流等热流的温度较低，不符合匹配换热，因此将这样的热流直接排放到环境中去，图3中以虚线表示虚拟冷却器，夹点之下共需4台冷却器。

图3 调整后的换热网络Fig.3 Heat exchange net retrofit

在夹点之上的换热网络子系统中，冷流体 3股，热流体2股。夹点之上的热流满足物数目小于冷流数目并且任一热流的热容流率小于冷流。在热流与冷流匹配时，热容流率相近的冷、热物流优先匹配换热。与热物流相比，冷物流的热容流率略大。因此，需要对冷物流进行分流处理。将 C1分流，使其一股热容流率为11.63 kW/℃，并与热流H3匹配，一股热容流率为77.1 kW/℃，并与热流H4匹配。对冷物流 C2进行分流，使其一股热容流率为77.1 kW/℃，并与热流H4匹配。新增三个换热器热负荷分别为23.26kW和1 156.5 kW。冷物流C1，C2剩余的热负荷以及 C3需要加热的热负荷均由公用工程加热器来实现。

图3所示的整个网络结构，是优化以后的换热网络。该网络在夹点温差10℃时，能最大程度的回收热量。从整个换热网络可以看出，从一次沉降罐和二次沉降罐中排出的污水，进入换热器 E1，E3加热分水器中的油水混合物，节省一部分加热炉的热负荷。从老化油沉降罐排出的污水，依次进入换热器 E4，E2对脱水换热器中的油水混合物进行加热，可以节省部分加热炉热负荷。整个换热网络新增5个换热单元，最大节省2 643.35 kW。

4 结 论

（1）夹点分析说明，东一联改造前换热网络存在跨越夹点的传热。

（2）利用老化油沉降罐排出的污水，对脱水换热器中的油水混合物进行加热，可代替加热炉的部分热负荷，最大节能潜力可达2 643.35 kW。

（3）夹点温差直接影响联合站回收热量和新增换热器费用，夹点温差越小，其整个换热网络能节省的能量就越多，伴随而来的是换热器的面积增大。因此，需要进一步合理选择夹点温差。

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