大型化工换热网络优化分析

1、第21卷第4期石油化工高等学校学报Vol.21No.4 2008年12月J OU RNALOFPETROCH EMICALUNIV ERSITIESDec.2008文章编号:1006-396X(200804-0078-06大型化工换热网络优化分析葛玉林1,2,沈胜强1,冀新生1,刘晓华1(1.大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连116024;2.锦州石油化工公司设计院,辽宁锦州121001摘要:利用夹点技术对一个复杂化工换热网络进行了用能诊断,并结合流程模拟技术新设计出一个能量回收量最大的换热网络。在用断开热负荷回路的方法对所得到的新换热网络进行调优时,发现一些热负荷回路出现了与以往夹点技术论

2、述中所没有提及的新特点。用常规的方法对这些特殊的热负荷回路进行断开已不太适应,对此提出了解决的办法,并借助流程模拟技术对此方法进行检验。结果表明,通过调整有关参数消除了新网络在实际运行中可能出现的问题。因此,采用流程模拟技术,可使夹点技术更好地应用于实际的换热网络设计中。关键词:夹点技术;流程模拟;热负荷回路;节能中图分类号:T K219;T K11文献标识码:AOptimizing Design for Co mplicated Heat-ExchangeNet works in Chemical Indust ryGE Yu-lin1,2,SH EN Sheng-qiang1,J I Xi

3、n-sheng1,L IU Xiao-hua1(1.S chool of Energy and Power Engineering,Dalian Universit y of Technology,Dalian L iaoning116024,P.R.China;2.Desi gn I nstitute of J i nz hou Pet rochemcal Corporation,J inz hou L iaoning121001,P.R.ChinaReceived30October2008;revised23J une2008;acce pted10S eptember2008Abstra

4、ct:The energy consumption of a complicated heat-exchange network in chemical industry was studied with pinch point technology and the technology of flow simulations.A new design was provided which reclaims the greatest remained energy.It was found that some special loops in heat-exchange network hav

5、e some new characteristics which have not been mentioned in former dissertations,while optimizing the new designed network through disconnecting the loop s in the network.It was not appropriate for disconnecting these special loop s to use the general method.For the problem,proposes an advanced solu

6、tion method and examines the solution with the help of flow simulations technology.The results show that adjusting interrelated parameters solves some probably problems of new network run process.Using the technology of flow simulations can more apply the pinch point technology in heat-exchange netw

7、ork design.K ey w ords:Pinch point technology;Flow simulations;Loops of heat duty;Energy conservationCorresponding author.Tel.:+86-411-84707963;fax:+86-411-84707963;e-mail:wp2006随着世界人口的不断增长和工业的持续发展,能源短缺问题将越来越严重。工业的能量回收利用已成为人类社会持续发展的重要前提之一。换热网络是能量回收利用的一个重要子系统,它的节能优化一直受到人们的关注。虽然目前已经有10余种换热网络的优化方法出现,然而

8、夹点技术仍然是其中最为简便、实用的方法。Linnhoff B等1在1978收稿日期:2007-10-30作者简介:葛玉林(1963-,男,山东日照市,高级工程师,博士。基金项目:辽宁省科技攻关项目(2005224001。年最先提出换热网络的温度夹点(Pinch Point问题,并在1983年比较系统地论述了用于换热网络的夹点技术2。我国学者对夹点技术也做了很多论述,如姚平经等3应用夹点技术对炼油厂常减压装置原油预热系统进行能量分析,找出“瓶颈”问题,提出改进方案,增大了热回收率;冯霄等4应用夹点技术对某芳烃厂的异构化装置进行了分析,并提出换热网络集成改造方案。由于夹点技术设计出的初始的换热网络

9、(能量回收量最大的换热网络往往换热设备较多,流程复杂,为此Su J L等5提出了断开网络中热负荷回路的能量松弛法,可有效减少换热设备数,使网络得到优化。以往夹点技术论述在说明能量松弛法时 ,所使用换热网络的换热流体数目少,其结构也较简单;实际的化工换热网络换热流体众多,利用夹点技术设计出的初始网络结构复杂。在对一复杂换热网络所作的优化设计过程中,发现一些热负荷回路出现了以往夹点技术论述中所没有提及的新特点6-7。用常规的方法对这些特殊的热负荷回路进行断开不太适合,本文对此提出了改进的办法,并借助流程模拟技术对此方法进行了检验。1特殊热负荷回路的断开和流程模拟技术的使用1.1换热网络中简单热负荷

10、回路的断开一级热负荷回路(见图1中(a 的断开方法是将其中某一换热单元(一般选择热负荷较小者的热 负荷加到另一换热单元上。Fig.1Loops of heat duty图1热负荷回路二级热负荷回路(见图1中(b 断开方法是将热负荷回路的各个换热单元按顺序依次进行奇、偶标注,若欲取消的某一换热单元(一般选择热负荷较小者处于奇数位置,热负荷为Q ,按照偶数位置换热单元加上Q ,奇数位置换热单元减去Q 的规则,分别改变热负荷回路各换热单元的热负荷。二级以上热负荷回路的断开与二级热负荷回路的断开类似。1.2换热网络中特殊热负荷回路的断开复杂换热网络中的热负荷回路可能会出现如图1(c 中的特殊情况。在图

11、1(c 中,换热单元1,2,3,4及它们之间的流体组成二级热负荷回路,与图1(a ,(b 中不同的是换热单元1和2下面的流体并不完全是同一流体,而是同一流体的不同分支,称这类特殊热负荷回路为带有分支的热负荷回路。本文将以实际工程为背景对这些特殊热负荷回路的断开进行讨论。1.3流程模拟技术的应用在结构复杂的换热网络的设计中,每一次断开热负荷回路就使换热网络的流程发生变化,生成的新网络在实际运行中可能出现一些难以预料的问题、甚至运行中断8。本文采用流程模拟技术用计算机对换热网络的运行进行模拟,通过调整参数对断开热负荷回路后的新网络出现的问题进行修复,很好地解决了这一问题。流程模拟技术是通过离线或在

12、线采集装置的工艺实时数据,利用物料平衡、能量平衡、化学平衡原理,在计算机上对全装置或某一部分的运行进行的模拟。从数学角度,化工流程稳态模拟实质上是一个大型非线性代数方程组的求解问题。本次设计所用的化工系统流程模拟软件PRO -II ,是美国Simulation Science 公司的产品。它的作用相当于一个中央处理器,一系列的输入条件经过计算后再输出结果。PRO -II 也是最早配备优化功能的流程模拟系统。2实际化工换热网络的设计利用夹点技术对某炼油厂常减压装置的换热网络进行了分析,找出了原有设计的弊病,并在此基础上对装置的换热网络进行优化设计,并用PRO -II 进行模拟计算,提出了能量回收

13、量最大的换热网络。讨论了带有分支的热负荷回路断开的问题,提出了改进的方法,并用此改进的方法对初始网络进行调优,得出总费用为最小的最优设计方案。2.1最初设计的换热网络的用能诊断某炼油厂常减压蒸馏装置最初设计的换热网络流程见图2,按最初设计的换热网络提取的冷、热换热流体的各参数见表1。表1最初设计的换热网络冷、热换热流体参数T able 1H ot flow and cold flow parameters of original design heat exchanger netw ork标号代表物流热容流率/(kW -1初始温度/初始焓值×10-6/(kJ h -1终了温度/终了焓

14、值×10-6/(kJ h -1YY 原油406.7054.062.56243.0343.24B T Y 拔头油480.13242.0332.40315.2459.04R HS1软化水20.5640.0 2.9690.0 6.67R HS2软化水13.2090.02.45143.521.83R HS3软化水7.6090.0 4.22179.239.66C1X常一线26.70186.717.1842.53.2997第4期葛玉林等.大型化工换热网络优化分析续表1标号代表物流热容流率/(kW -1初始温度/初始焓值×10-6/(kJ h -1终了温度/终了焓值×10-6/

15、(kJ h -1C2X 常二线73.15270.072.2350.19.83C3X常三线5.77331.07.2241.90.57CDXH 常压塔顶循环59.40140.027.9975.914.3C1Z 常压塔一中段循环104.10214.869.53154.047.29C2Z 常压塔二中段循环106.76323.0103.26224.365.61J 1X 减一线196.04151.095.4368.237.18J 2X 减二线139.60269.6116.61157.460.06J 3X 减三线285.90313.2263.25245.1193.36J 3X 减三中34.28245.126

16、.17133.712.37J 4X 减四线14.04347.914.77211.87.89合流121.22127.749.0272.124.74J NZY减粘渣油173.47385.0217.89125.254.84Fig.2G raph of original design heat exchanger netw ork flow图2最初设计的换热网络流程图08石油化工高等学校学报第21卷在最初的设计中,原油换热终温为243,拔头油换热终温为315.2,所需公用工程热负荷1.78×106kJ /h ,所需公用工程冷负荷98.29×106kJ /h 。图3为利用夹点技术所画

17、的换热网络总组合曲线。由图3可知:夹点温度为:300.3,其中热物流为312.8,冷物流为287.8,最小换热温差25。经分析,在最初的设计中有14个换热器的换热通过夹点,还有6台换热器的换热平均温差低于10,影响换热效果。根据夹点技术所得的最小公用工程冷、热负荷为:94.87×106kJ /h ,最大换热量为:4.516×1010kJ /h 。因此最初的设计多用了5.20×106kJ /h 的公用工程冷、热负荷。2.2新设计的换热网络2.2.1保证最大能量回收量的换热网络图4是利用夹点技术和流程模拟技术所设计的换热网络流程图。新设计换热网络避免了通过夹点的换热,

18、并且保证换热温差不低于25,原油换热终了温度为245.26,提高了1.78,拔头油换热终温为319.71,提高了4.49,每年节省燃料油2.49×103t ,每年节省循环水1.46×106t 。此外,最初设计的换热网络中换热器总数为71,新设计换热网络换热器总数为67,节省了4台换热器。取得了较好的节能效果 。Fig.3G rand composite curves of original designheat exchanger netw ork图3最初设计的换热网络总组合曲线2.2.2综合效益最高的换热网络图4中的换热网络只是考虑了能量回收量最大,并不是换热器数目最小的

19、换热网络。对其进行调优,才能得到综合效益最高的换热网络 。Fig.4G raph of new design heat exch anger netw ork flow with the most energy received图4新设计的能量回收量最大的换热网络流程18第4期葛玉林等.大型化工换热网络优化分析设换热单元1,7所组成的热负荷回路用(1,7 表示,参照图5所示的换热网络格子图,新设计的换热网络中的热负荷回路分别为:(1,7、(2,8、(12,26、(12,10、(15,19、(23,25、(24,20,9,14、(21,22,18,17、(9,21,16,14、(16,17,18

20、,22,20,24。10个热负荷回路中前6个为一级热负荷回路,接下来3个为二级热负荷回路,最后一个为三级热负荷回路。其中只有(15,19是常规热负荷回路,可以通过1.1所述一级热负荷回路的方法断开;其余都为带分支的热负荷回路,以下对这类热负荷回路的断开进行讨论 。Fig.5G rid of heat exchanger netw ork with themost energy received图5能量回收量最大的换热网络格子图首先看热负荷回路(1,7,它是一个带有分支的一级热负荷回路,把它断开后,由于换热单元1的热负荷小,所以应将换热器1的热负荷加到换热器7上,由于通过换热单元1和7虽然都是拔

21、头油,但是流量却差别很大,所以不能再用常规方法简单地把换热单元1的热负荷直接加到换热单元7上,而应该把1的热负荷按照各分支上换热单元的热负荷(包括通过1的流体分支的比例分配到各分支的换热单元上。换热流体各分支的流量由热负荷除以流体温度变化量与流体比热容的积求得。断开热负荷回路前后的局部流程的变化见图6。热负荷回路(21,22,18,17是一个带有分支的二级热负荷回路,先按照一般热负荷回路断开的方法将热负荷回路的各个换热单元按顺序依次进行奇、偶标注,若欲取消的某一换热单元k (一般选择热负荷较小者处于奇数位置,热负荷为Q ,然后按照带分支的一级热负荷回路的方法把热负荷Q 按各分支上换热单元热负荷

22、的比例分配到各分支的换热单元。设分到换热单元k 的热负荷由Q 变为P ,再按照偶数位置换热单元加上P ,奇数位置换热单元减去P 的规则,分别改变热负荷回路各换热单元的热负荷。换热流体各分支的流量由热负荷除以流体温度变化量与流体比热容的积求得 。Fig.6H eat exchanger netw ork flow with or withoutbreak in loops of heat duty图6热负荷回路(1,7断开前后换热流程变化带有分支的三级及三级以上热负荷回路的断开与带有分支的二级热负荷回路断开的方法类似。热负荷回路的断开后,重新选择最小传热温差,再重复上述过程,直到得出综合效益最高

23、的设计方案。本文所得到的综合效益最高的换热网络流程见图7。此时最小传热温差为21.04,换热器总数为64,比最初的设计节省7台,每年节省燃料油2.64×103t ,冷公用工程总量83.65×106kJ /h ,每年节省循环水1.52×106t ,此外在保证换热量最大的换热网络的基础上又节省3台换热器。取得了较好的节能效果。2.2.3实例验证操作系统优化后,产品中航空煤油的比率提高,产品收益增高,每年净收益增加3170万元。取得了很好的优化效果。因此利用流程模拟的优化功能对化工装置进行优化,能取得较大的实际效益,对工厂节能降耗有着重要意义。3结束语针对复杂换热网络中

24、带有分支的热负荷回路的断开,本文提出了改进的方法,通过实际大型换热网络设计的检验,此改进的方法是有效可行的。同时本文利用流程模拟技术对断开热负荷回路得到的新换热网络模拟运行,通过调整有关参数消除了新网络在实际运行中可能出现的问题。因此,流程模拟28石油化工高等学校学报第21卷 4 期 第 葛玉林等 . 大型化工换热网络优化分析 83 技术的使用 ,可以使夹点技术更好地应用于实际的换热网络设计中 。 Fig. 7 Heat exchanger net work flow with best synthesis prof it 图7 综合效益最大的换热网络流程 参 A ICh E J ,1978 ,24 ( 4 :633 - 642. 考 文 献 1 Linnhoff B , Flower J R. Synt hesis of heat exchanger networks :1. Syst