能量集成常減壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)捷模型及優(yōu)化

羅祎青，王赫，袁希鋼

(天津大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

常減壓系統(tǒng)是煉廠中原油加工的第一道工序，通過(guò)常減壓裝置將原油中的較輕餾分分割成汽油、柴油、潤(rùn)滑油等產(chǎn)品，并將較重的餾分送入下游工序進(jìn)行二次加工，其生產(chǎn)直接影響煉廠的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，常減壓裝置又是煉廠中耗能最大的裝置之一，約占煉廠總能耗的25%～30%［1］，所以降低裝置能耗，提高系統(tǒng)的熱量回收對(duì)煉廠有著重要的意義。

目前對(duì)于常減壓裝置的研究主要集中于流程模擬以及換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。如姚月華［2］應(yīng)用ASPEN軟件，在流程模擬的基礎(chǔ)上研究了汽提蒸汽、爐出口溫度等參數(shù)對(duì)常減壓系統(tǒng)的影響;Gadalla［3］和 Friedler［4］針對(duì)常減壓系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)提出了優(yōu)化方法，改善了系統(tǒng)的熱集成效果;Inamdar［5］采用Kumar［6］開(kāi)發(fā)的基于平衡級(jí)理論的嚴(yán)格模型對(duì)常壓精餾塔進(jìn)行了優(yōu)化;張哲［1］和 Zhang［7］利用ASPEN軟件模擬對(duì)常減壓系統(tǒng)的年經(jīng)濟(jì)收益進(jìn)行了優(yōu)化。但是，商業(yè)軟件和嚴(yán)格模型在計(jì)算中不容易收斂，并不適于多變量的優(yōu)化計(jì)算，相比之下簡(jiǎn)捷模型卻有比較好的收斂性和較快的求解速度，更適合于優(yōu)化問(wèn)題。但是常減壓裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常用的Fenske-Underwood-Gilliland(FUG)簡(jiǎn)捷算法不能直接應(yīng)用于常減壓裝置，目前尚沒(méi)有較為完整的針對(duì)常減壓系統(tǒng)操作型計(jì)算的簡(jiǎn)捷模型，Suphanit［8］提出了一種常壓精餾塔簡(jiǎn)捷模型，但其主要是針對(duì)常壓塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算。本研究基于FUG簡(jiǎn)捷法和焓衡算提出了一種針對(duì)常減壓系統(tǒng)的操作型簡(jiǎn)捷計(jì)算模型。以年最大凈利潤(rùn)為目標(biāo)，同時(shí)考慮產(chǎn)品收益和能量集成，利用PSO隨機(jī)粒子群算法［9］對(duì)常減壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并以現(xiàn)有的常減壓裝置為算例，得到了年凈利潤(rùn)最大情況下的操作參數(shù)，并與嚴(yán)格模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 常減壓精餾裝置簡(jiǎn)捷模型

本研究的簡(jiǎn)捷模型基于傳統(tǒng)簡(jiǎn)單塔FUG簡(jiǎn)捷算法，但對(duì)簡(jiǎn)捷算法中的恒摩爾流假設(shè)做了改進(jìn)。即在塔內(nèi)相鄰的兩個(gè)恒濃區(qū)之間仍采用恒摩爾流假設(shè)，但在塔頂和塔底部分采用焓衡算來(lái)確定塔頂?shù)臍庖合嗔髀屎突亓鞅龋?］。在模型中，各組分的相對(duì)揮發(fā)度采用塔內(nèi)各部分的幾何平均值。

將常減壓裝置熱力學(xué)等價(jià)為多個(gè)簡(jiǎn)單塔的間接分離序列，如圖1所示。首先根據(jù)清晰分割和關(guān)鍵組分回收率初值，應(yīng)用Underwood方程確定上部恒濃區(qū)的最小氣相流率Vm，pinch。然后通過(guò)塔頂部分的焓衡算來(lái)確定塔頂最小氣相流率和最小回流比Rmin。再根據(jù)理論塔板數(shù)以及Fenske方程、Gilliland關(guān)聯(lián)式和焓衡算確定實(shí)際的回流比R和產(chǎn)品流率及組成。當(dāng)有汽提蒸汽存在時(shí)，由于其作用主要是降低油氣分壓，可認(rèn)為汽提蒸汽全部在序列最頂端的塔頂冷凝器內(nèi)冷卻。本研究中熱力學(xué)方法采用PR狀態(tài)方程，其對(duì)于低壓系統(tǒng)的石油餾分有較好的精度。

1.1 各塔段最小回流比的計(jì)算

圖1 常減壓裝置流程及等價(jià)簡(jiǎn)捷模型Fig.1 Flow sheet of crude oil distillation and equivalent shortcutm odel

當(dāng)進(jìn)料流股進(jìn)入進(jìn)料段時(shí)，若有汽提蒸汽VS的存在，汽提蒸汽會(huì)降低油品的分壓，進(jìn)料會(huì)進(jìn)一步蒸發(fā)。首先假定一個(gè)進(jìn)料段分壓初值PIN0(PIN0小于塔的進(jìn)料段壓力Pcol)。在PIN0下對(duì)進(jìn)料進(jìn)行絕熱閃蒸計(jì)算，得到一個(gè)新的進(jìn)料熱狀態(tài)qFS，然后根據(jù)清晰分割和關(guān)鍵組分回收率RLK和RHK確定塔頂產(chǎn)品流率Dm和各組分流率 di，m，應(yīng)用 Underwood方程來(lái)計(jì)算最小氣相流率Vm，pinch。

對(duì)于方程(1)的根，應(yīng)有αLK＜θ＜αHK。應(yīng)用公式(3)核算進(jìn)料段分壓，然后更新初值并迭代計(jì)算，直到兩次迭代計(jì)算的分壓結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)，此時(shí)可以計(jì)算得到精餾段恒濃區(qū)的最小氣相流率 Vm，pinch。

根據(jù)塔頂部分質(zhì)量衡算，可求出精餾段恒濃區(qū)的最小液相流率 Lm，pinch。

應(yīng)用公式(5)［10］，計(jì)算恒濃區(qū)的液相組成［式(5)中 θHK＜αHK］:

圖2 最小回流比下的塔頂計(jì)算Fig.2 Calcu lation of top section at m inim um reflux ratio

由此在塔內(nèi)分壓下，利用泡點(diǎn)計(jì)算和露點(diǎn)計(jì)算可分別求得恒濃區(qū)的氣相組成 yi，pinch以及各流股的氣液相的溫度和焓值 HV，m，HL，m和 HD，m。 同樣可求得水蒸氣的焓變?chǔ)S。然后對(duì)圖2中的a區(qū)域和b區(qū)域分別進(jìn)行焓衡算，可分別求出塔頂冷凝器的負(fù)荷 Qc，m和塔頂?shù)淖钚庀嗔髀?Vm，top，由此可求得最小回流比Rmin:

1.2 實(shí)際回流比與產(chǎn)品組成的計(jì)算

應(yīng)用Fenske方程，根據(jù)輕重關(guān)鍵組分的回收率可求出簡(jiǎn)單塔的最小理論板數(shù):

對(duì)于現(xiàn)有實(shí)際裝置可根據(jù)其塔板的形式和效率得到實(shí)際理論塔板數(shù)NR。根據(jù)Gilliland關(guān)聯(lián)式可求得實(shí)際回流比R:

由Fenske方程可計(jì)算全回流下的塔頂塔底組成:

實(shí)際回流比下的塔頂組成可由公式(13)［11］求出:

式(13)中 di，m為最小回流比下的塔頂組分流率;di，∞為全回流下的塔頂組分流率。

塔底組成可由質(zhì)量衡算求出。由求得的實(shí)際塔頂產(chǎn)品流率D和組成di，以及實(shí)際回流比R，按照1.1中的步驟分別進(jìn)行泡露點(diǎn)計(jì)算以及塔頂區(qū)域的焓衡算，即可求出實(shí)際回流比下的塔頂氣相流率Vtop以及塔頂冷凝器的實(shí)際負(fù)荷 Qc，然后對(duì)全塔進(jìn)行焓衡算可求出塔底產(chǎn)品的焓，再利用泡點(diǎn)計(jì)算可求出塔底產(chǎn)品的溫度。

1.3 中段回流的計(jì)算及簡(jiǎn)單塔的連接

在本研究的簡(jiǎn)捷模型中，每個(gè)中段回流都位于簡(jiǎn)單塔的頂端第一塊塔板，并且其液相的抽出和返回位置均在同一塊塔板。為計(jì)算中段回流的負(fù)荷，本研究引入了參數(shù)熱耦合度Δ:

式(14)中L0指不存在中段回流時(shí)，塔頂冷凝器的回流量;L*指存在中段回流時(shí)塔頂冷凝器的回流量，如圖3所示。

圖3 中段回流的計(jì)算Fig.3 Calcu lation of pum p-around

所以Δ的取值范圍在0到1之間(0≤Δ≤1)。求解時(shí)，首先計(jì)算不存在中段回流時(shí)的情況下塔頂回流量L0以及塔頂冷凝器負(fù)荷Qc，然后根據(jù)給定的熱耦合度Δ計(jì)算有中段回流存在的情況下塔頂回流量L*和塔頂冷凝器的負(fù)荷，Qc與的差值即為中段回流的熱負(fù)荷Qp，然后再根據(jù)塔頂?shù)撵屎馑阌?jì)算塔頂?shù)臍庀嗔髀室约爸卸位亓髦幸合嗟慕M成、流率和溫度。對(duì)于減壓塔，通常情況下側(cè)線采出均采用全抽出的方式，即不存在內(nèi)回流，所以在計(jì)算減壓塔時(shí)，Δ可取0。

當(dāng)下游塔1和上游塔2連接時(shí)，如圖4所示，塔1的塔頂氣相流率 V1，top+VS1即為塔2的進(jìn)料流率F2，塔1的塔頂液相回流 L1，top即為塔2返回塔1的液相流率D2(Draw2)，塔2的凈進(jìn)料量F2net等于塔1的塔頂餾出量D1+VS1，塔2凈進(jìn)料的熱狀態(tài)q2net可由公式(15)計(jì)算:

式(15)中q2為F2在塔2進(jìn)料段處的熱狀態(tài)。

圖4 簡(jiǎn)單塔的連接計(jì)算Fig.4 Calcu lation of sim p le colum n link

對(duì)于塔2，同樣可用1.1和1.2中描述的簡(jiǎn)捷模型進(jìn)行計(jì)算。

綜上，在本研究提出的簡(jiǎn)捷模型中，對(duì)于常減壓裝置，首先將復(fù)雜的常壓和減壓精餾塔等價(jià)為簡(jiǎn)單塔的間接分離序列，然后由下而上分別對(duì)每個(gè)簡(jiǎn)單塔進(jìn)行基于改進(jìn)的FUG法和焓衡算的簡(jiǎn)捷法計(jì)算，常壓塔和減壓塔采用相同的簡(jiǎn)捷模型。當(dāng)有汽提蒸汽存在時(shí)，要采用油氣的分壓進(jìn)行計(jì)算。

2 能量集成的常減壓裝置優(yōu)化方法

通過(guò)建立的常減壓裝置簡(jiǎn)捷模型，對(duì)已有裝置，在保證各側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到要求的限制下，進(jìn)行操作型計(jì)算，同時(shí)考慮整個(gè)常減壓裝置的熱回收和產(chǎn)品利潤(rùn)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 熱回收計(jì)算方法

常減壓系統(tǒng)的熱回收，主要是指利用系統(tǒng)產(chǎn)品流股以及中段回流熱量預(yù)熱進(jìn)入裝置的原油，使其盡可能達(dá)到比較高的溫度，從而降低常壓爐的負(fù)荷。本研究應(yīng)用夾點(diǎn)分析［12］的方法計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的熱回收量，避免換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并能快速地得到一個(gè)準(zhǔn)確的理論冷熱公用工程消耗量。本研究中，夾點(diǎn)溫差取20℃。

2.2 目標(biāo)函數(shù)及優(yōu)化方法

以常減壓裝置的年凈利潤(rùn)最大為目標(biāo)函數(shù)，年凈利潤(rùn)即為裝置產(chǎn)品收益減去冷熱公用工程消耗、原油成本以及汽提蒸汽消耗:

式(16)中，P為年凈利潤(rùn)，元;Fi為各產(chǎn)品的質(zhì)量流率，t/h;Pi為各產(chǎn)品價(jià)格，元/t;QCW和 QF分別為冷熱公用工程負(fù)荷，kW;PCW和PF分別為冷熱公用工程價(jià)格，元/(kW·h);FC為原油質(zhì)量流率，t/h;PC為原油價(jià)格，元/t;FSTj為各汽提蒸汽量，kg/h;PST為汽提蒸汽價(jià)格，元/kg。整個(gè)裝置的工作時(shí)間為8 400 h/a。

優(yōu)化過(guò)程中，以各簡(jiǎn)單塔的輕重關(guān)鍵組分回收率RLK和RHK為優(yōu)化變量。對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單塔，輕重關(guān)鍵組分的回收率不僅影響本塔塔頂塔底的產(chǎn)品流率以及產(chǎn)品質(zhì)量(蒸餾曲線)，同時(shí)基于整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒，其對(duì)上游塔的產(chǎn)品流率和產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)造成影響。本研究應(yīng)用 Rastogi［13］提出的以產(chǎn)品中各組分的摩爾分率和物性為基礎(chǔ)，計(jì)算產(chǎn)品 ASTM D86蒸餾曲線的方法計(jì)算每個(gè)產(chǎn)品物流的ASTM D86 95%點(diǎn)，并以實(shí)際生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量要求(D86 95%點(diǎn))作為約束條件。各產(chǎn)品的D86 95%點(diǎn)約束范圍如表1所示。

表1 產(chǎn)品D86 95%點(diǎn)范圍Table 1 Bounds of p roducts'D86 95%point

應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)簡(jiǎn)捷模型和夾點(diǎn)分析計(jì)算進(jìn)行編程，以最大年凈利潤(rùn)為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用PSO隨機(jī)粒子群算法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3 算例及優(yōu)化結(jié)果

以國(guó)內(nèi)某實(shí)際常減壓裝置為例，應(yīng)用常減壓系統(tǒng)簡(jiǎn)捷模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并將優(yōu)化結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以及嚴(yán)格模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1 原油數(shù)據(jù)與裝置參數(shù)

算例中裝置原油處理量為540 t/h，所采用的原油蒸餾曲線數(shù)據(jù)如表2所示。由D86曲線生成的假組分?jǐn)?shù)據(jù)如表3所示。

進(jìn)行簡(jiǎn)捷計(jì)算時(shí)，各簡(jiǎn)單塔的輕重關(guān)鍵組分選擇如表4所示。

表2 原油ASTM D86蒸餾曲線數(shù)據(jù)Table 2 ASTM D86 data of crude oil

表3 假組分?jǐn)?shù)據(jù)Table 3 Data of pseudocom ponen t

實(shí)際常減壓裝置的結(jié)構(gòu)如圖1a)所示，與其等價(jià)的簡(jiǎn)單塔分離序列以及相應(yīng)的側(cè)線、中段回流和汽提蒸汽的位置如圖1b)所示。常壓塔帶有汽提蒸汽，減壓塔采用干式蒸餾。常壓爐出口溫度為370℃，減壓爐出口溫度為392℃，常壓塔頂冷卻溫度為47℃。裝置的具體參數(shù)如表5所示。

減壓塔由于側(cè)線為全抽出方式，所以減壓部分的各塔熱耦合度為0，減壓塔頂沒(méi)有冷凝器，減頂循就相當(dāng)于塔8的塔頂冷凝器。對(duì)于常壓塔，為達(dá)到最大的熱回收量，最大利用高溫位的熱量，將常壓塔中塔2和塔3的中段回流熱耦合度設(shè)為0，塔4的中段回流為常頂循，其熱耦合度為0.7。

表4 各簡(jiǎn)單塔的輕重關(guān)鍵組分Table 4 LK and HK com ponents for each sim p le colum n

表5 常減壓裝置操作參數(shù)Table 5 Operating param eters of crude oil d istillation

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)有裝置的操作參數(shù)以及原油的假組分?jǐn)?shù)據(jù)，用本研究中提出的簡(jiǎn)捷模型和優(yōu)化方法對(duì)實(shí)際裝置進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。同時(shí)以簡(jiǎn)捷模型中產(chǎn)品D86 95%點(diǎn)溫度和中段回流熱負(fù)荷的結(jié)果為設(shè)計(jì)規(guī)定，其他結(jié)果為初值，利用ASPEN軟件的PetroFrac嚴(yán)格模型對(duì)簡(jiǎn)捷模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格模擬，所得對(duì)比結(jié)果如表6～表9所示。

表6 產(chǎn)品流率結(jié)果對(duì)比Table 6 Com parison of p roduct flow rate resu lts

表6和表7的結(jié)果表明，在保證各產(chǎn)品質(zhì)量在規(guī)定范圍內(nèi)的前提下，通過(guò)優(yōu)化顯著改善了常減壓裝置的產(chǎn)品分配，提高了汽油、常一線等較輕餾分的產(chǎn)量，有利于提高裝置的產(chǎn)品收益。從表8的結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)相比增加了常二中、減二中等高溫位的中段回流量，這有利于系統(tǒng)熱量的回收，降低能量消耗。表9的結(jié)果則表明，優(yōu)化后產(chǎn)品收益和能量消耗都有所改善，年凈利潤(rùn)增加了4 800萬(wàn)元。同時(shí)簡(jiǎn)捷模型的計(jì)算結(jié)果與嚴(yán)格模型的計(jì)算結(jié)果吻合較好，表明本研究提出的簡(jiǎn)捷模型適用于常減壓裝置的操作型計(jì)算及優(yōu)化。

表7 產(chǎn)品D86 95%點(diǎn)溫度結(jié)果對(duì)比Table 7 Com parison of tem perature for p roduct D86 95%

表8 中段回流結(jié)果對(duì)比Table 8 Com parison of pum p-around resu lts

表9 年凈利潤(rùn)結(jié)果對(duì)比Table 9 Com parison of annualized net profit results

4 結(jié)論

提出了一種基于FUG簡(jiǎn)捷法和焓衡算的常減壓系統(tǒng)的操作型簡(jiǎn)捷計(jì)算模型，建立了以年最大凈利潤(rùn)為目標(biāo)，同時(shí)考慮產(chǎn)品收益和能量集成的優(yōu)化方法。通過(guò)優(yōu)化算例，不僅得到了理想的優(yōu)化結(jié)果，而且結(jié)果表明本文提出的簡(jiǎn)捷算法適用于常減壓系統(tǒng)的操作型優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確。

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