基于夹点技术的炼油过程多装置热集成策略研究与应用

魏志强, 孙丽丽

(中国石化 工程建设有限公司, 北京 100101)



基于夹点技术的炼油过程多装置热集成策略研究与应用

魏志强, 孙丽丽

(中国石化 工程建设有限公司, 北京 100101)

摘要：基于夹点技术,归纳了炼油工艺装置物流热输出、热输入原则与热集成物流温度、热量确定方法。在此基础上,提出了炼油多装置热集成策略。基于该策略,对某炼油企业3个工艺装置进行热集成研究,提出了3种集成方案。结果表明,与基础设计工况热集成方案相比,方案3可降低能源消耗费用约21.0%,有利于全厂节能降耗,最为合理。炼油多装置热集成策略步骤清晰,方法便捷,可用于指导炼油企业工程设计、技术改进再设计等过程的热集成应用。

关键词：热集成; 策略; 多装置; 炼油

炼油企业是我国经济社会发展的支柱型能源产业,是国家能源战略安全、经济高速发展的重要基石[1]。开展炼油企业能量系统全局优化研究,对国家可持续发展、企业降耗增效具有重要的现实意义,特别是在设计过程中进行炼油企业能量系统全局优化,能够从源头实现节能降耗,意义重大。

热集成是炼油过程能量系统优化研究的重要组成部分。近30年来,研究者对炼油过程热集成问题进行了深入的研究,取得了丰硕的成果,主要涉及工艺装置或子系统集成优化[2-3]、整厂分析(Total site analysis)[4-5]、全局集成(Total site integration)[6-7]等,方法主要包括基于热力学的分析方法[8]和数学规划方法[9-10],或二者的综合运用;其中,夹点技术是以热力学原理为基础,以最小能耗为主要目标的换热网络综合方法,是热集成的基础[8]。如何将丰富的成果整合成为系统、简捷、易操作的热集成方法、策略,用于指导炼油过程工程设计、技术改进再设计等应用过程,是目前值得深入研究的课题。

鉴于此,笔者基于夹点技术,在分析、整合炼油工艺装置物流热输出、热输入原则,凝炼热集成物流温度与热量确定方法的基础上,提出适用于工程设计、技术改进再设计过程的炼油多装置热集成策略,给出相对清晰的炼油多装置热集成实施步骤,并结合应用实例分析,验证策略的实用性,为炼油过程热集成优化设计和生产提供理论和实证支持。

1基于夹点技术的热集成规则

炼油生产装置热集成包括直接热集成和间接热集成两种方式[8]。其中,直接热集成包括装置间的热进料、热出料,工艺物流间的热交换等形式;间接热集成指借助传热媒介实施热量交换的集成方式,常见的传热媒介包括蒸气、热导油等。热输出包括热出料、单纯用作热交换的工艺物流热量热输出和发生蒸气等;热输入包括热进料、单纯用作热交换的工艺物流热量热输入等。

基于夹点技术开展热集成的3个基本原则[8]是:(1)夹点处不能有热量穿过,即不允许跨夹点换热;(2)夹点上方不能引入冷公用工程;(3)夹点下方不能引入热公用工程。

1.1装置物流热输出与热输入原则

图1是组合曲线的示意图,结合此图与夹点技术基本原则,分别给出炼油生产装置物流热输出与热输入的诊断原则。

热输出原则:夹点之上,温度介于Th,s与Th,p之间,物流热量不应热输出。夹点之下,温度介于Th,p与Th,b之间,物流热量热输出与否,需进一步分析;温度介于Th,b与Th,t之间,物流热量可以热输出。

热输入原则:夹点之上,温度大于Tc,a+ΔTmin,物流热量输入与否,需进一步分析;温度介于Tc,a+ΔTmin与Th,p之间,物流热量不应输入。夹点之下,温度小于Th,p,物流热量不应输入。

1.2物流热输出、热输入温度与热量确定方法

由1.1节可知,夹点之下,温度介于Th,p与Th,b之间的物流的热量热输出与否,需进一步分析确定;夹点之上,温度大于Tc,a+ΔTmin,物流热量输入与否,也需要进一步分析确定。Zhang等[11-12]给出了一种较为直观的物流热输出、热输入温度与热量确定方法。

对于图1中温度介于Th,p与Th,b之间的热物流,可通过图2所示的方法确定热输出温度和热量。首先,绘制装置总组合曲线与拟热输出物流的组合曲线,将热出料物流的组合曲线反向放置,由于x轴只表示相对焓值,故原组合曲线的物理意义不改变;然后,将反向组合曲线向左移动,直至与总组合曲线相交。此时,物流与y轴交点Tout为热出料/热输出的理论温度,Qout为热出料/热输出的理论热量。

同理,给出图1中温度大于Tc,a+ΔTmin热量有效输入的确定方法,如图3所示。首先,绘制热输入装置的总组合曲线与热输入物流的组合曲线;然后,自总组合曲线坐标轴左侧开始,右移热输入物流的组合曲线,直至与装置总组合曲线相交;此时,热输入物流最高温度Th,max与纵坐标之间距离即为有效热输入负荷Qin,热输入物流组合曲线与纵坐标的交点Tin即为物流热输入温度起始点。分析发现,如果热物流携带热量全部进入下游装置,则增加下游装置冷却负荷的量为Qch,这部分热量应视为无效热输入。

2炼油多装置热集成策略

基于上述分析,给出炼油多装置热集成策略框图,如图4所示。首先,选定背景炼油企业,筛选并确定存在热集成机会的生产装置;基于装置热集成分析策略,对各个装置进行分析,输出热输出、热输入物流需求信息,汇总至多装置热集成物流信息数据库;基于工程知识,并考虑总平面布置等约束,给出可能的跨装置热集成方案;对各个跨装置热集成匹配组合进行经济可行性分析,如经济性不合理,不支持该热集成方案,如经济性合理,输出该热集成方案;最后,汇总各热集成方案,优化综合装置及装置间换热网络。

图4右侧方框所示为装置热集成基础分析策略框图。首先,采集背景装置冷热物流基础数据,并借助流程模拟软件对数据进行校正;应用夹点分析工具软件绘制装置冷热物流组合曲线,结合装置物流热输出原则与装置物流热输入原则对热输出、热输入物流进行初步诊断,对于不需要进一步分析的物流,可将其温度与热量信息直接输出,对于需要进一步分析的物流,应用夹点分析工具软件绘制其组合曲线,并绘制装置总组合曲线;结合装置物流热输出、热输入温度与热量确定方法确定装置物流热输出、热输入温度与热量;之后,绘制热输出、热输入后装置冷热物流组合曲线,诊断是否仍存在物流热输出、热输入的可能;如果仍存在物流热输出、热输入的可能,返回装置总组合曲线及需进一步分析物流组合曲线绘制层次,循环直至不存在物流热输出、热输入可能;输出装置热输出、热输入物流温度与热量信息。

3炼油多装置热集成实例研究

以国内某炼油企业A、B、C装置的基础设计资料为基础,开展热集成研究,验证装置热集成分析策略与炼油多装置热集成策略的实用性。

3.1基础数据采集与校正

分别采集A、B、C装置基础设计数据并进行校核后,采用流程模拟软件Aspen Plus与PRO/II对3个装置进行流程模拟,重现了设计工况,提取冷、热物流的数据,结果分别列于表1、2、3。

3.2热集成基础分析

3.2.1A装置

以冷热物流数据为基础,绘制A装置冷热物流组合曲线,如图5(a)所示;同时,绘制基础设计工况冷热物流组合曲线,如图5(b)所示。最小允许换热温差均取10℃。

由图5(a),结合装置物流热输出、热输入原则,给出A装置热输出信息。温度介于45～95℃之间,物流A-h1、A-h2、A-h3、A-h4、A-h5、A-h6、A-h12可以热输出;温度介于95～231℃之间,物流A-h1、A-h2、A-h3、A-h4、A-h5、A-h6、A-h7、A-h8、A-h9、A-h10、A-h12、A-h13、A-h14热输出时需要进一步分析;温度介于231～369℃之间,物流A-h3、A-h4、A-h6、A-h7、A-h8、A-h11、A-h13、A-h14不应热输出。同时给出热输入信息,温度介于40～231℃之间,物流不应热输入;温度介于231～318℃之间,物流不应热输入;温度大于318℃,物流热输入时需分析诊断。

A装置基础设计工况中,不存在热输入,存在3个部分的热输出,涉及物流A-h10与A-h11。其中,A-h10温度介于193～168℃之间,约7680 kW热量热输出至B装置;温度介于168～155℃之间,约3860 kW热量用于发生0.35 MPa蒸气;A-h11温度介于276～233℃之间,约18280 kW热量热输出至B装置。分析发现,热输出后,装置冷公用工程负荷降低约53.5%,但热公用工程负荷增加约22.6%,理论换热终温由308℃降低至288℃。

热公用工程负荷增加,理论换热终温降低,表明热输出影响了装置的换热,热输出不合理。分析可知,物流A-h11是夹点之上物流,原则上不能热输出。因此,物流A-h11热输出是导致装置热公用工程增加及理论换热终温降低的主要原因,A-h11热输出热量为18280 kW,热公用工程负荷增加负荷为18280 kW。物流A-h10温度介于95～231℃之间,热输出时需分析。按照物流热输出温度与热量确定方法,计算得到A-h10有效热输出温度为206℃,最大热输出负荷约为16330 kW,如图6所示。物流A-h10热输出温度低于有效热输出温度,热量小于最大热输出负荷,因此,物流A-h10热输出是合理的,能够合理降低装置冷公用工程。

综合上述分析可知,A装置基础设计方案中,物流A-h11热输出不合理,物流A-h10热输出合理,装置基础工况可接收318℃以上物流的热输入。如果物流A-h11热输出,则装置可接收298℃以上物流的热输入。

3.2.2B装置

以冷热物流数据为基础,绘制B装置冷热物流组合曲线,如图7(a)所示;同时,绘制基础设计工况冷热物流组合曲线(含1.0 MPa蒸气),如图7(b)所示。最小允许换热温差均取10℃。

由图7,并结合装置物流热输出、热输入原则,给出B装置热输出信息。温度介于38～82℃之间,物流B-h1、B-h2、B-h3、B-h4、B-h5、B-h6、B-h7、B-h8可以热输出;温度介于82～89℃之间,物流B-h1、B-h4、B-h6、B-h7、B-h8热输出时需分析;温度介于89～165℃之间,物流B-h1、B-h4、B-h6、B-h8不应热输出。同时给出热输入信息。温度介于46～152℃之间,物流不应热输入;温度大于152℃,物流热输入时需分析诊断。

B装置基础设计方案中,不存在热输出,存在两个工艺物流热输入,即A装置物流A-h10、A-h11。存在一个热公用工程,即1.0 MPa蒸气,热输入与热公用工程总热量为22680 kW。其中,A-h10温度介于193～168℃之间的热量为某分馏塔再沸器提供热源;A-h11温度介于276～233℃之间的热量为稳定塔再沸器提供热源;1.0 MPa蒸气为解吸塔再沸器提供热源。B装置基础工况最小热公用工程负荷为19870 kW,热输入与热公用工程总热量为22680 kW,导致基础设计工况的冷公用工程负荷比基础工况增加约11.6%。

3.2.3C装置

以冷热物流数据为基础,绘制C装置冷热物流组合曲线,如图8(a)所示;左移冷物流组合曲线,直至出现类夹点,如图8(b)所示;绘制基础设计工况冷热物流组合曲线,如图8(c)所示。最小允许换热温差均取10℃。

C装置是典型的热端阈值问题换热网络[13],最小冷公用工程被分为两个部分,低温位冷公用工程负荷约226240 kW,高温位冷公用工程负荷约62770 kW,高温位冷公用工程负荷为装置最大热输出负荷。

由图8(b),结合装置物流热输出、热输入原则,给出C装置热输出信息。温度介于40～130℃之间,物流C-h1、C-h5、C-h6、C-h7、C-h8、C-h9、C-h10、C-h11可以热输出;温度介于130～150℃之间,物流C-h1、C-h5、C-h6、C-h7、C-h9热输出时需分析;温度介于150～330℃之间,物流C-h2、C-h3、C-h4、C-h5、C-h6、C-h7、C-h9热输出时需分析。C装置是典型的热端阈值问题换热网络,理论不应接收热输入物流。

C装置基础设计方案中,不存在热输入,存在热输出,即发生3.5 MPa蒸气约80 t/h,热量约51000 kW,低于最大热输出热量约18.8%。分析发现,与基础工况相比,基础设计工况高温位热公用工程热输出(发生3.5 MPa蒸气)51000 kW,低于装置最大热输出负荷约23.0%,同时,降低装置冷公用工程负荷约17.6%。

实质上,C装置热输出物流为C-h4,C-h4温度介于275～330℃之间,结合表3分析发现,物流C-h4热量热输出时,应进行分析。按照物流热输出温度与热量确定方法,给出物流C-h4热输出温度与热量,详见图9。物流C-h4应输出热量为62770 kW,热输出温度范围为278～330℃之间。

3.3热集成方案

分析发现,A装置热物流A-h10可以热输出,A-h11原则不可热输出。但A-h11不输出时,可接收318℃以上的热输入物流;A-h11输出时,可接收298℃以上的热输入物流。B装置不宜热输出,可接收152℃以上的热输入物流。C装置热物流C-h4可热输出,装置不宜接收热输入物流。

3个工艺装置的基础设计热集成方案为,A装置A-h10与A-h11均输出,B装置不消耗3.5 MPa蒸气,C装置C-h4发生3.5 MPa蒸气。结合上述分析与工程知识,提出3种热集成方案。

热集成方案1∶A装置A-h10输出,A-h11不输出;B装置消耗3.5 MPa蒸气;C装置C-h4发生3.5 MPa蒸气。

热集成方案2∶A装置A-h10输出,A-h11不输出,C-h4输入;B装置消耗3.5 MPa蒸气;C装置C-h4先输出至A装置,再发生3.5 MPa蒸气。

热集成方案3∶A装置A-h10,A-h11均热输出,C-h4热输入;B装置不消耗3.5 MPa蒸气;C装置C-h4先输出至A装置,再发生3.5 MPa蒸气。

以上3种热集成方案对比列于表4,方案0为基础设计热集成方案。表4中,各装置冷公用工程消耗耗能工质均假定为循环水,价格为0.03 RMB/kW;A装置热公用工程消耗能源为燃料气,价格为0.43 RMB/kW,B装置热公用工程消耗能源为3.5 MPa蒸气,价格为0.40 RMB/kW。由表4可知,对于A、B、C 3个装置,方案3能源消耗费用最低,为最佳热集成方案。

方案3中,A装置物流A-h10与A-h11均输出至B装置,C装置物流C-h4输入至A装置。A-h11是A装置夹点之上的物流,按照2.1节中“夹点之上,温度介于Th,s与Th,p之间,物流热量不应热输出”原则,不应热输出。实质上,如仅热输出A-h11,必然导致装置最小热公用工程负荷的增加,如方案0。分析图6可知,夹点之上,温度介于230～300℃之间,总组合曲线存在一个热量的“口袋”[8],其斜率为负部分可与斜率为正部分实施自匹配,但自匹配时,该区域传热温差较低,使得换热网络传热驱动力相对较小。如果存在高于此温度区间的热输入,则可以通过部分热输出本温度区间物流增大换热网络传热的驱动力。由此,方案3中A-h11热输出是合理的。相对于方案0,能源消耗费用约可降低21.0%。

分析认为,笔者提出的炼油多装置热集成策略步骤明晰,便于应用,可广泛用于指导炼油企业工程设计与技术改进再设计。但热集成方案确定过程中,理论原则要受到工程条件的约束。

4结论

基于夹点技术,归纳了炼油工艺装置物流热输出、热输入原则与热集成物流温度与热量确定方法,进而提出了炼油多装置热集成策略。基于该策略,对某炼油企业A、B、C装置进行热集成研究。其中,A装置物流A-h11热输出至B装置不符合夹点原则,使得A装置理论换热终温由308℃降低至288℃。但由于物流A-h11位于A装置总组合曲线热量“口袋”位置,输出该物流可降低A装置接收热输入物流的温度,为C-h4的热输入提供了契机,同时可避免B装置消耗3.5 MPa蒸气。对比分析热集成方案发现,与基础设计工况热集成方案相比,方案3最为合理,可降低能源消耗费用约21.0%,有利于全厂节能降耗。研究表明,炼油多装置热集成策略步骤清晰,方法便捷,可用于指导炼油企业工程设计、技术改进再设计等过程的热集成应用。

符号说明：

Q——热负荷,MJ;

T——温度,℃;

ΔT——换热温差,℃;

下角标

a——冷物流换热终温;

b——热物流换热终温;

c——冷物流;

ch——无效热输入;

h——热物流;

in——热输入;

max——最大;

min——最小;

out——热输出;

p——夹点;

s——起始;

t——目标。

参考文献

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Strategy Research and Application for Multi-Units Heat Integration in Refining Enterprises Based on Pinch Technology

WEI Zhiqiang, SUN Lili

(EngineeringIncorporation,SINOPEC,Beijing100101,China)

Key words：heat integration; strategy; multi-units; refining

Abstract：Based on pinch technology, the principle of heat output and input for refinery units was presented, and the method to identify the temperature and heat duty for the heat integrated stream was concluded. Furthermore, the multi-units refinery heat integration strategy was proposed. According to the strategy, a heat integration case study for three refinery units was detected and then three solutions were provided. Compared with the base design case, the energy consumption cost was reduced by about 21.0% in the third solution, which contributes to reduce the energy consumption for the whole plant, so the third design was more reasonable than others. The multi-units heat integration strategy for refining enterprises was a convenient method with clear procedures, which could be used to guide the design and re-design processes on refining enterprises.

收稿日期：2015-01-22

文章编号：1001-8719(2016)02-0221-09

中图分类号：TQ028.8

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.02.001

通讯联系人： 魏志强，男，高级工程师，博士，从事石油化工能量系统分析、评价与优化方面的研究；E-mail：weizhiqiang@sei.com.cn