夹点技术在北阿项目中的应用

杨蒙 翟峰 林琳(中国石油工程设计有限责任公司北京分公司, 北京 100085)

0 前言

过程工业为了降低生产成本、合理利用资源，己从单台设备操作优化集成发展到对整个系统的集成优化，即采用过程集成技术。20世纪70年代，Linnhoff等[1]在前人研究成果的基础上提出换热网络优化设计方法，并逐步发展为化工过程能量综合技术的方法论，即夹点技术。在冷、热物流的热回收过程中有一最小传热温差处，即夹点，它决定了最小的加热和冷却公用工程用量。近年来，针对换热网络优化问题的研究发展迅速，特别是在利用夹点技术优化换热网络方面，取得了显著的节能效果和经济效益。

北阿项目是CNPC中东“3+1重点工程”项目，产能规模400万吨/年，采用两级布站，原油经过单井管线和集油干线进入计量站进行单井计量，然后混输至中心处理站，站内原油经过一级分离、与合格原油换热、二级分离、与导热油换热、两级电脱、与原油换热、脱气管闪蒸稳定后进罐储存、经外输泵增压外输。伴生气经过增压、TEG脱水后供集中处理站内50 MW电厂发电、热媒系统及油田气举使用，剩余天然气外输。产出水与新鲜水换热、冷却，处理后最终注入地下。

本文主要探讨利用夹点技术分析北阿项目中换热网络和能量回收。

1 夹点技术原理[2]

夹点技术是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统及其用能“瓶颈”处，并给以“解瓶颈”的一种方法。

当给出过程系统中各物流的压力、组成、质量流量、初始温度、目标温度以及选定的最小允许传热温差ΔTmin后，即可确定夹点，常用的方法有三种：(1) 作图法。在温-焓图上分别作出热、冷物流的组合曲线，热组合曲线在冷组合曲线上方，并相互水平靠拢，当两组曲线在某处之间的垂直距离刚好等于规定的ΔTmin时，该处即为夹点。(2) 问题表格算法。按温度各物流划分成K个子网络(或热级联)，求出各子网络输入热负荷IK及输出热负荷OK，在OK为零处，即第K子网络与第(K+1)子网络之间的温位界面处(OK=IK=0)即是夹点。(3)数学规划法。将系统划分为K个温度区间，采用转运模型确定最小公用工程费用的线性规划问题，即可得到公用工程加热、冷却物流的最佳用量以及每一温度间隔的剩余热量RK，当RK= 0 时即区间K与(K+1)间的界面处即为夹点。

为保证过程系统能量回收最大化，应遵守三条基本原则：夹点处不能有热流量穿过；夹点上方不能引入冷公用工程；夹点下方不能引入热公用工程。夹点位置确定的同时,该系统所需的最小热、冷公用工程负荷以及最大热回收量也随之确定。

2 夹点技术在北阿项目中的应用

压缩机级间或出口配备空冷器，因此在换热网络中不考虑压缩机出口热物流的能量回收。首先依据换热网络列出冷热物流温度、MCP、热负荷，作为换热网络设计和夹点分析的基础数据。

备注：上述结果取自HYSYS模拟结果。

其次依据工艺流程列出换热器负荷和进出口物流温度，便于下一步利用夹点技术进行能量分析。

Heat Exchanger Load [kJ/h]Hot Stream Hot T in [C]Hot T out [C]Cold Stream Cold T in [C]Cold T out [C]REACH-LEAN TEG HX 2270254 gas-61_To_gas-65 202.00 93.11 gas-53_To_gas-55 60.00 165.00 FRESH WATER HX 16711172 o-24_To_oil-29 105.13 85.05 oil-35_To_o-37 25.00 76.65 TEG REG. 189118 RE TOP_To_11 160.70 89.32 13_To_gas-51 49.88 60.00 GAS-LEAN HX 777214 gas-61_To_gas-65 93.11 48.28 gas-49_To_gas-66 45.97 48.01 O-O HX 43763432 o-13_To_o-15 105.20 57.67 o-2_To_o-4 38.38 68.60 EVAPORATIVE COOLER 9872572 gas-29_To_gas-54 60.00 45.00 Air 50.00 60.80 OFF-GAS COOLER 406839 gas-56_To_gas-57 89.32 60.00 Air 60.80 61.24 OFF-SPEC HX 438718 Hot Oil 230.00 229.35 cold oil_To_oil-39 57.00 61.56 PRODUCED WATER COOLER 8007434 o-24_To_oil-29 85.05 75.43 Air 61.24 70.00 SUPER COOLER 1601395 Hot Oil 229.35 226.96 F-3_To_F-5 37.17 68.00 M-O HX 55831071 Hot Oil 226.96 143.68 o-6_To_o-9 66.79 104.19 DEAERATOR 9171341 Hot Oil 143.68 130.00 oil-35_To_o-37 76.65 105.00 Reboiler@COL2 5836 HP Steam 250.00 249.00 gas-60TO_Boilup 180.00 202.00

取Tmin为30℃，进行夹点技术分析，组分曲线如下图。

从下表可以看出，现有冷、热公用工程与目标值相比，可以满足负荷要求，因此现有的换热网络适应Tmin=30夹点要求。

Utility Existing Duty Targeting Duty % of Target kJ/h kJ/h Heating 6.70484.E+07 6.44967.E+07 103.9563 Cooling 1.82868.E+07 1.57352.E+07 116.2165

现有换热网络图如下：

3 结论

从北阿项目中应用夹点技术进行换热网络的设计与校验可以看出：夹点技术可以有效指导生产中充分有效的利用工艺装置物流的热量，降低冷、热公用工程量，从而达到节能和优化设计。

[1]Linnhoff B,Flower J R.Synthesis of heat exchanger networks:I Systematic generation of energy optimal networks.American Institute of Chemical Engineers Journal.1978.

[2]KEMP lan C.Pinch Analysis and Process Integration.2007.