利用余热回收多能互补技术的原油蒸馏装置热集成系统的优化改造

2021-03-08蒋宁赵世超谢小东范伟徐新杰徐英杰

化工进展 2021年2期

蒋宁，赵世超，谢小东，范伟，徐新杰，徐英杰

（浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州310023）

随着资源与能源可持续发展的步伐不断加快，人们持续深入优化改造换热网络，从利用已有的换热设备最大限度地降低能耗与投资费用[1]，到考虑换热网络改造的经济与能耗指标对资源节省、环境影响和工程改造数量等指标对于整体优化改造的影响[2]。如今，基于过程工业的节能降耗的要求，很多学者注意到其中未被关注的工业余热，即应用于公用部分的热量或者其他未被利用的热量，并考虑对其进行回收利用。通常情况下，在工业过程中产生的大量低温水平废热（通常在30～100℃之间）[3-5]都被直接排放到环境中。因此，考虑余热回收系统，提供多角度、多方向的不同换热网络改造方案具有重要的现实意义。

换热网络的改造问题由Tjoe 和Linnhoff[6]于1986 年首次提出，并进行相应的研究。之后经过几十年的不断深化研究，此问题已经被研究得相当透彻和深入，并且得到了非常多的研究成果。大多数研究局限于换热网络本身的改造问题[7]，对于进入公用换热器的余热回收的研究还相对比较薄弱[8]。经过换热网络优化集成之后，基本上中高品位的热量都可以得到有效利用，剩余的进入公用换热器的热量基本以低温热量为主。

低温废热的回收利用，目前应用比较广泛的技术包括有机朗肯循环（ORC）、吸收式制冷系统（ARS）、机械式热泵（MHP）[9]。ORC 是将从低温和中温废气或任何废热源获得的能量转换为电能以提高系统效率的技术[10]。ARS是利用低级热量来产生用于冷却和加热应用的冷冻水或热水的技术[11]。MHP 是通过输入电能将低温废热提升到更高温度的技术[12]。Huppmann[13]于1983 年就提出了利用有机朗肯循环（ORC）回收工业废热的想法，Hung等[14]在1997 年的时候提出在低等级废热回收中利用ORC系统，并对不同工质开展了研究。Wei等[15]提出了以HFC-245fa（1,1,1,3,3-五氟丙烷）为工质的有机朗肯循环（ORC）系统，并分析了其性能。Bulgan[16]于1997年提出在氨水吸收式制冷系统中利用85～110℃的低温热量，并对其吸收式制冷系统（ARS）进行了热力学分析。Abou-Ziyan 等[17]于1997年提出了基于太阳能辅助的R22和R134a热泵系统用于低温余热的回收，并进行了研究与对比分析。有机朗肯循环（ORC）、吸收式制冷系统（ARS）、机械式热泵（MHP）也是目前发展较为成熟的废热回收系统，将废热回收（WHR）与换热网络（HEN）的集成相结合，可进一步扩大系统集成的空间、提高能源利用效率，而到目前为止，这方面的研究工作还很少。将废热回收与换热网络集成相结合，是一种多能互补的理念。多能互补是指具有多种能源资源输入、多种能源产出特征的能源利用系统[18]，最典型的代表就是冷热电联产系统[19]。近年来，为进一步提高能源利用效率，多能互补概念[20]得到了众多学者的关注。

本文在换热网络的优化改造中，结合废热回收系统，组成新的多能互补综合系统。基于NSGA-Ⅲ算法，以综合系统的年度改造费用、年度改造收益、能耗（包含换热网络的冷/热公用工程和废热系统的冷却水和电力消耗）和废热系统的有益产出为目标函数，建立了系统优化改造模型；并用于原油蒸馏装置的热集成系统的优化改造，通过案例研究，验证了集成废热回收系统的换热网络优化改造的实用性和有益效果。

1 数学模型

本文基于Yee 等[21]提出的HEN 分流分级超结构模型，取消了模型中的等温混合假设，引入了废热回收模块，建立如图1所示的考虑废热回收的HEN 非等温混合分流分级超结构模型。采用充分利用现有换热设备，并从冷却水（冷公用工程）中回收低品位废热的优化改造方法。该方法通过有机朗肯循环（ORC）、吸收式制冷系统（ARS）、机械式热泵（MHP）回收换热网络冷却水中的低温废热，建立了考虑废热回收的换热网络的优化改造混合整数非线性规划（MINLP）数学模型，为后续考虑废热回收的换热网络优化改造方法的研究提供理论基础。

1.1 目标函数

考虑废热回收的热集成系统优化改造，是依托现有网络拓扑结构和换热设备，通过调整网络结构、增减换热设备面积等措施实施改造，获得更加节能和经济的换热网络，再使用废热回收系统回收HEN 中剩余的废热以产生有益的收益。该系统除了应该考虑改造费用和经济效益外，还应考虑废热系统的有益输出。因此，本文模型中的目标函数设定为年度改造费用、年度改造收益、能耗（包含HEN 的冷/热公用工程和废热系统的冷却水和电力消耗）和废热系统的有益产出。

1.1.1 最大废热产出

人类在活动中因某种需要而生产制造的热能在利用结束后所排放的不再利用的热能叫废热。现代人类活动产生着大量的废热，特别是工业生产活动，它是制造大量废热的主要原因。正是这些大量废热的排放，恶化着人类的生存环境。怎样减少和利用好这些废热是当前人类面对的生存环境的重要问题之一。充分利用工业过程中产生的废热是减少能源消耗、改善环境的重要举措。衡量废热系统的废热转化率，有效的废热产出（waste heat output，WHO）是重要的指标，以废热产出作为目标可以直观反映废热系统的益处，其包含ORC 系统的发电量、ARS 系统的制冷量和MHP 系统的制热量，如式(1)所示。

式中，W电、Q冷、Q热分别为ORC 系统的净发电量、ARS系统的制冷量和MHP系统的制热量。

1.1.2 最小能源消耗

能耗消耗（energy consumption，EC）是指换热网络满足工艺要求需要消耗的外部能量，包含使冷物流升高温度的热公用工程和使热物流降低温度的冷公用工程。而考虑废热回收的改造可能还需涉及废热系统所消耗的冷却水或电能，其具体模型如式(2)所示。

EC= QCU+ QHU+ Qcw,ORC+ Qcw,ARS+ Wcomp(2)

式中，Qcw,ORC、Qcw,ARS、Wcomp分别为ORC 系统的冷却水用量、ARS 系统冷却水用量和MHP 系统压缩机功率（耗电量）；QCU、QHU分别为HEN的总冷公用消耗［式(3)］和热公用消耗［式(4)］。

图1 考虑废热回收的换热网络的超结构模型

1.1.3 最小年度改造费用

本文选取年度改造费用（annual retrofit cost，ARC）作为换热网络优化改造的目标。其中，年度改造费用包括现有换热器增加面积的费用、增加新换热器的费用、增加分流带来的重新布管费用和变动现有换热器位置的费用，以及增加废热回收系统的费用[22-23]，如式(5)所示。

式中，Ne、Na、Nr和Nm分别为新增换热器数目、现有换热器增加面积的数目、重新布管的新增物流数目和需要变动位置的现有换热器数目；FC、CCe、Be分别为新增换热器的固定费用、面积费用系数和面积费用指数；CCa、Ba分别为现有换热器增加面积的费用系数和费用指数；Cr、Cm分别为重新布管（增加一个分流）和移动一个现有换热器的费用；UCORC、UCARS、UCMHP分别为ORC 系统单位发电量的投资成本、ARS系统单位制冷量的投资成本、MHP 系统的单位制热量的投资费用；AF 为改造投资费用的年度化因子，如式(6)。

式中，r、a分别为年利率和使用年限。

1.1.4 最大年度改造收益

年度改造收益（annual retrofit profit，ARP）指投入改造资金在整个设备生命周期内所得利润的年均值，包括经过改造后每年节省的公用工程费用和废热系统所产生的冷、热、电销售所带来的利润。合适的改造收益不仅有益于考核改造收益与改造投资的分配是否合理，而且有利于统一地管理和全面了解改造投资的使用状况，从而进一步改善改造投资的管理工作，为节省企业资金提供经验和数据。其计算函数如式(7)所示[24]。

式中，UCS为节省的能耗费用，其等于原有网络能耗费用与现有网络能耗费用的差值，即通过改造每年节约的能源消耗所带来的经济收益，其计算如式(8)、式(9)所示。

式中，Cu,or、Cu,ex分别为原始网络公用工程费用和改造后公用工程费用；UCcu、UChu分别为单位冷公用工程费用和单位热公用工程费用。

式(7)中，PORC、PARS、PMHP分别为ORC、ARS、MHP 废热系统所得年度利润，其计算如式(10)～式(12)所示。

式中，UEP、UCP、UHP 分别为单位电力价格、单位冷量价格和单位热量价格；RT 为系统的年运行时间；Qcw,ORC、Qcw,ARS分别为ORC 系统、ARS系统的冷却消耗；Wcomp为MHP 系统通过压缩机做功产生热量所需要消耗的电能。

1.2 约束条件

考虑废热回收的换热网络在优化改造过程中需要满足的约束条件包括：物流的热平衡约束、质量守恒约束、传热方程、过程物流非等温混合能量平衡、流股的入口温度约束、可行性温差约束、最小传热温差约束、废热回收系统的性能方程。物流的热平衡约束、质量守恒约束、传热方程、过程物流非等温混合能量平衡、流股的入口温度约束、可行性温差约束、最小传热温差约束参见文献[2]，此处不再赘述。本文拟采用的ORC 系统以苯为系统运行工质，可回收废热源温度范围取100～290℃[25]；ARS 系统的工质采用H2O-LiBr 工质对，可回收废热源温度范围取70～190℃[26]；MHP 系统选择正丁烷作为制冷剂，可回收废热源温度范围取25～70℃[27]。

通过Aspen 软件模拟了所选的3 种废热回收系统的实际运行性能，然后通过拟合回归废热回收系统的理想性能与实际性能的偏差或理想状态与非理想状态的关系，进而建立了废热回收量与废热回收系统输出之间的关系。

1.2.1 WHR系统的性能方程

（1）ORC 的性能计算若ti,K+2的温度在100～290℃，则ORC 系统的进口温度等于该温度，否则如式(13)所示。

式中，ti,K+2为换热网络中第i股热流体的K+2级温度，即出口温度，℃。

若Tout,i出口温度大于100℃，则ORC 系统的出口温度等于该温度，否则ORC 出口温度为所回收温度的下限温度100℃，如式(14)所示。

ORC系统的发电量W电,i计算如式(16)所示。

（2）ARS 的性能计算虽然ARS 系统的可回收废热源温度范围与ORC 系统存在重叠部分，但可以先假设ARS系统废热回收范围如1.2节所述范围。最后，再通过与ORC 系统进行比较，选择合适的系统。

若ti,k+1的温度在70～190℃，则ARS 系统的进口温度与该温度一致，否则，可如式(18)表示。

若Tout,i出口温度大于70℃，则ARS系统的出口温度等于该温度，否则系统温度为70℃，如式(19)所示。

结合式(18)和式(19)可得，ARS 系统发生器的废热回收量如式(20)所示。

第i 股热物流的ARS 系统的制冷量如式(21)所示。

（3）MHP 的性能计算 MHP 系统的进口温度如式(23)所示。

MHP系统的出口温度如式(24)所示。

MHP系统的热升级量如式(26)所示。

上述WHR 系统的性能拟合公式(16)、式(21)和式(26)的拟合优度R2均高于0.999。

1.2.2 模型中采用的二元变量

模型中采用的二元变量如式(28)所示。

式中，z表示过程物流上换热器存在与否，z取1时，代表物流上存在换热器，否则，不存在。

2 求解方法

本文采用的求解方法是NSGA-Ⅲ算法，NSGA-Ⅲ（Deb 和Jain[28]）基于参考点的策略分解目标空间，并且每个参考点都可以与多个解决方案相关联，这种方法可以有效保持解的多样性。NSGA-Ⅲ算法在高维目标求解和性能评价方面具有实用性和优越性。针对本文的4个目标函数，采用该算法来求解考虑废热回收的换热网络优化改造混合整数非线性规划（MINLP）数学模型。算法的具体实施过程可参考文献[2]，在此不再赘述。

3 案例研究

现采用上文所述的集成废热回收系统的换热网络优化改造方法，对原油蒸馏系统的HEN[29]实施优化改造。该问题包含10条热物流、5条冷物流和1组冷、热公用工程。物流数据见表1，原始HEN拓扑结构如图2所示，其中物流上方正体数字表示网络的温度分布，单位为℃；斜体表示物流的分流比以及流股的热容流率；大写字母标记的换热器为新增换热设备。改造过程中的相关经济参数见表2。该案例的设备使用年限为5 年，年利率费为0，设备年运行时间为8400h/a。原始换热网络每年需消耗95366kW 热公用工程和57923kW 冷公用工程，产生的公用工程费用（操作费用）为13930590USD/a。该案例不考虑重新布管、移动换热设备和减少换热面积的费用。

表1 工艺物流数据

本文基于MATLAB 环境编写计算程序，算法中参数设置如下：种群大小为120，最大进化代数为200，结构交叉率为0.85，结构变异率为0.05，目标划分份额p 取7，最小传热温差ΔTmin的寻优范围为15～30℃。为给用户提供多角度、多策略的能源改造方案，本文采用NSGA-Ⅲ算法求解得到了如表3和图3所示的具有不同优化目标偏好的节能改造方案，对不同解决方案的主要性能指标进行了对比。总年度费用（TAC）表示年度操作费用与年度改造费用之和减去WHR 系统的年度总销售收益；初始网络的TAC 则为操作费用。投资回报率（ROI）表示年度投资收益与总的投资费用的比值。

如表3 和图3 所示，上述方案中，方案1 为最优解集中EC 最小的解决方案，相对应的WHO 和ARP 也是较小的；方案2 为最优解集中WHO 最大的改造方案，相应的EC和ARC也是最大的；方案3和方案4则分别为最小ARC与最大ARP的解决方案。根据图3可以看出，以EC或者WHO为主要评价指标时，能耗EC与废热产出WHO具有一定的正相关关系。在原油蒸馏装置中，冷物流的预热需要消耗大量的热量，当EC 上升时，意味着换热网络中的热回收量减少了，废热系统可供利用的废热就增加了，因此废热系统的产出WHO 增加，反之亦然。从图4中可以看出，在能耗中，各方案的HEN和ARS 系统消耗的能量合计占比均超过90%，其中HEN 的占比均超过50%，但相对于原始网络而言，HEN 所消耗的能量均大幅度减少，其余能量则提供给WHR系统作为能量输入。根据以上表3、图3 和图4 所提供的数据，下面将对本案例的4 个改造方案进行具体分析。

图2 现有换热网络结构

表2 相关经济参数

表3 集成系统不同维度的改造解决方案

图3 集成系统不同维度的改造解决方案

图4 集成系统不同解决方案中EC和WHO的组成

方案1提供了具有最小总能源消耗（包含HEN的能耗与WHR 系统能耗）的改造方案，适用于能耗过大、急需减少能源消耗的用户，该方案可以使HEN 部分的公用工程消耗（不包括WHR 系统部分）减少52.17%，虽然在这一过程中由于增加了WHR 系统而额外产生了44809kW 的能源消耗，但相较于原始网络而言，总能耗仍然可以减少22.93%，另外也带来了26026kW 的能量产出，由此带来了更大程度的能源节约效应，可以有效减少总年度费用56.34%，因而本方案的节能降耗效果相当显著；方案2则提供了具有最大废热产出的方案，属于高投资高收益的方案，该方案提供了40025kW的废热产出，其中包含了685kW的电能、29370kW 的冷量和9972kW 热量，共带来了1.15×107USD/a的系统收益（等于WHR系统产出的销售收益减去WHR 系统的操作费用），因此该方案的WHR 系统具有良好的经济效益，但相对于整个集成系统而言，回报率仅为90%，相对的经济收益成效不太明显；而具有最小改造费用的方案3则属于低投资低回报的解决方案，适合项目改造资金紧张的用户选择，该方案不仅可以减少13.12%的总能耗，还可以减少65.93%的总年度费用，改造投资费用共需9.24×106USD，其中包含2.24×106USD 的HEN 改造投资费用、6.56×105USD 的ORC系统投资费用和5.26×106USD的ARS系统投资费用以及1.09×106USD的MHP系统投资费用；具有最大改造收益的方案4与方案2有着近似的性能指标，其原因是整个系统的能量利用情况由HEN 系统和WHR 系统共同决定，对该案例而言，系统的改造收益很大程度上受到WHR 系统废热产出的影响，因此具有最大废热产出的改造方案与具有最大改造收益的改造方案在性能指标上呈现了一定的近似性。方案4也是投资回报率最大的方案，投资回报率高达121%且投资收益高，是本案例中投资回报效果最明显的方案，该方案减少了54.44%的热公用工程消耗，虽然总能耗增加了9.59%，但总的操作费用却减少了0.16%；同时WHR 系统每年可获得10294055USD 的收益，总年度费用减少70.43%。

综上所述，方案1虽然能耗最小，但投资收益和废热产出偏小，导致其改造经济性不明显；而方案2虽然废热产出和改造收益都较好，但相应的改造投资费用和能源消耗大，导致经济性欠佳；方案3 虽然投资成本最小，能源消耗和改造收益也适中，但废热产出小，对废热的利用率相对较低；而方案4投资回报率最高，投资收益好，同时能源消耗和废热产出均适中。

下面以方案4 为例，开展进一步的讨论分析，来考察集成WHR系统的优势。仅对HEN进行优化，不考虑集成WHR系统的改造方案（Scenario A），如图5 所示。该图给出了不考虑集成WHR 系统时的HEN 改造拓扑结构图，其中换热器面积后面括号中的数值为在原有换热器的基础上进行的面积增减值。可以看出Scenario A回用了原有网络中的15台换热设备，其中有4 台换热设备共增加换热面积139.4m2，所需改造费用86790USD；新增6 台新换热器，总面积为805.9m2，所需投资费用为829785USD。新增2条分流，回用的15台现有换热设备全部需变动匹配关系，但本案例未考虑重新布管和变动匹配的费用，因此忽略该部分投资成本。因此，优化改造过程所带来的改造投资总费用为916576USD，年度化改造投资费用为183315USD/a。此外，该改造方案消耗热公用工程89239kW，冷公用工程51914kW，相较于原有HEN 分别减少了6.42%和10.37%，运行成本减少了6.59%。

图5 HEN改造结构（Scenario A）

图6 给出了集成WHR 系统的换热网络改造拓扑结构图（该方案称为Scenario B），其中WHR 中的箭头表示对系统的输入或输出。该解决方案中的ORC 系统通过蒸发器与HEN 进行集成耦合，其中驱动ORC系统发电的热能为2348kW，冷凝器消耗冷公用1931kW，抵消工作流体泵电力消耗后净发电量为417kW。而驱动ARS 系统发生器中浓溶液分离的热量来自热物流H4、H5、H6、H7、H8 和H9，共回收热量46310kW，由于工质泵的功耗远小于冷却能耗，从而忽略工质泵的功耗，共需消耗75975kW 的冷公用，共产生29665kW 的冷量。而MHP系统则通过蒸发器回收了3255kW的热量，产生了4105kW 的热量，其间消耗了850kW 的电能。因此，WHR系统所需投资费用为9624087USD，通过销售电力、冷量和热量可获得11708575USD/a的经济收益，运行费用为1414520USD/a，则所获净利润为10294055USD/a。

图6 HEN-WHR改造结构（方案4）

表4中总结了Scenario A和Scenario B的各相关数据，通过对比来考察集成WHR系统的作用。从表4中的数据可知，集成WHR与HEN的情况下，HEN部分的操作费用（主要为热公用工程）约占总年度操作费用的90%，ARS系统和MHP系统的操作费用均占5%左右，而ORC 的操作费用几乎可以忽略。集成WHR与HEN系统的投资费用中，仅有约1%的费用用于HEN改造，99%的费用都投资于WHR系统；其中，ARS系统的投资费用占比为73.0%，而ORC系统的投资费用仅为7.4%。ARS系统的投资收益占总年度收益的82.7%，而ORC系统和MHP系统分别占2.5%，HEN 的改造收益占12.3%。由此可得，在集成WHR 的改造中，主要的操作费用为HEN的热公用工程的操作费用，主要的投资费用为WHR系统的投资费用，WHR系统的收益占据主导地位，而在WHR系统中ARS系统占有重要的比例。因此，减少HEN的热公用消耗、减少WHR系统的投资和增加系统的收益是改造的重要环节。

从投资与收益角度分析，虽然Scenario B 的投资费用是Scenario A 的2.12 倍，但其投资收益却是Scenario A 的12.78 倍，即Scenario B 的投资回报率（120.8%）优于Scenario A的投资回报率（100.2%），也就是说集成WHR 系统的投资是值得的。从其能源消耗角度看，Scenario B相较于Scenario A的操作费用增加了6.88%。综合能源消耗、投资与收益分析，Scenario B相较于Scenario A的总的年度费用减少了66.5%，也就是说集成WHR系统的改造比单独HEN优化改造具有良好的经济性和综合优势。

4 结论

本文对原油蒸馏系统（10H5C）实施了优化改造，通过权衡WHR 与HEN 集成系统的能源消耗、WHR系统的产出、改造费用和改造收益4个目标，采用NSGA-Ⅲ算法求解获得了多维度的改造方案，可以为不同需求的用户提供相应的解决方案，并比较了集成WHR系统与单独HEN改造的性能，得到如下的结论。

（1）在HEN 系统的基础上增加了废热回收系统WHR，应用多能互补理念，提高了能源的利用率。该方法扩大了系统的分析边界，并从中获得了积极的效果。

（2）本文将废热回收系统与热集成系统相结合，通过废热回收系统，实现电、冷、热三联供，完美演示了多能互补理论在过程工业换热网络系统中的应用前景。

表4 解决方案比较

（3）该方法充分考虑用户的不同需求，为用户提供多角度、多维度的解决方案。不仅可以为用户提供相较于基础网络最大节省22.93%的能源消耗的改造方案，还可以提供WHR 系统最大输出为4.003×104kW 的解决方案，也能提供具有最小改造费用为1.848×106USD/a的改造方案，还能提供具有最大改造收益和最小投资回报率分别为1.173×107USD/a和121%的解决方案。

（4）以方案4 为例，对比了集成WHR 系统的改造方案与单纯HEN改造方案的性能。结果表明，相较于单独HEN的改造方案，集成WHR系统的解决方案，系统的年度总费用降低了66.5%，说明了集成WHR系统的经济性和实用性。

符号说明

A—— 传热面积，m2

ΔA—— 现有换热设备增加的面积，m2

HP—— 热物流集合，{i|i表示热物流}

I—— 热物流流股数目

J—— 冷物流流股数目

Q，q—— 热负荷，kW

QCU—— 冷公用工程热负荷，kW

QHU—— 热公用工程热负荷，kW

T，t—— 温度，℃

上下角标