乙烯熱泵系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)分析

張來勇，郭緒強(qiáng)，姜 波，楊慶蘭，孫長庚

(1.中國寰球工程公司，北京，100012;2.中國石油大學(xué)(北京)，北京，102249)

節(jié)能降耗、挖潛增效是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑，作為耗能大戶的石化行業(yè)擔(dān)負(fù)著艱巨的節(jié)能減排任務(wù)，特別是在碳交易稅將要征收的形勢下，石化行業(yè)在新裝置的建設(shè)過程中更加需要重視能耗問題。開發(fā)出低能耗的工藝流程是石化行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的最有效的途徑，而通過換熱網(wǎng)絡(luò)分析可提高能量回收與再利用率，為工藝設(shè)計(jì)過程提供有效的節(jié)能方案。

換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化節(jié)能研究工作開始于20世紀(jì)60 年代，1978年 Linnhoff等提出夾點(diǎn)技術(shù)［1］，國際上各大工程公司、研究院所及模擬軟件提供商紛紛采用夾點(diǎn)技術(shù)來開發(fā)和優(yōu)化換熱流程，從換熱網(wǎng)絡(luò)的合成、分析、模擬、換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)到換熱網(wǎng)絡(luò)的靈敏度分析及優(yōu)化控制都有了一定的研究成果并開發(fā)了相應(yīng)的軟件，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益［2-6］。

乙烯是有機(jī)化工工業(yè)中最重要的一種基礎(chǔ)原料，國際上以一個(gè)國家的乙烯產(chǎn)量作為衡量其石油化工發(fā)展水平的重要標(biāo)志。乙烯生產(chǎn)裝置工藝流程長，操作參數(shù)覆蓋范圍廣，換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。中國寰球工程公司自主開發(fā)了大型乙烯裝置的工藝包，開發(fā)過程中根據(jù)夾點(diǎn)理論，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析。本論文利用Aspen Energy Analyzer工具軟件對(duì)裝置中的熱泵系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析。

1 流程簡述

本套裝置乙烯精餾部分的流程是將乙烯精餾塔和乙烯壓縮機(jī)組成了低壓開式熱泵。(見圖1)。熱泵系統(tǒng)包括乙烯精餾塔、乙烯壓縮機(jī)、換熱器等主要設(shè)備。乙烯壓縮機(jī)為三段制冷壓縮機(jī)，提供-101和-76℃兩個(gè)級(jí)位的冷量?；旌咸级?jīng)乙烯精餾塔分離后，可得到摩爾分?jǐn)?shù)大于99.95%的乙烯。

乙烯裝置前序分離工段分離所得的混合碳二餾分(乙烯和乙烷)進(jìn)入乙烯精餾塔 T-1，塔釜得到乙烷產(chǎn)品，從乙烯塔頂分離出合格的乙烯氣相產(chǎn)品，氣相乙烯經(jīng)分離罐V-103進(jìn)入乙烯壓縮機(jī)二段，與來自一段的氣相混合后進(jìn)行壓縮，在壓縮機(jī)二段出口抽出部分乙烯經(jīng)乙烯機(jī)二段出口冷卻器E-104部分脫過熱后作為乙烯精餾塔再沸器的熱源，同時(shí)本身被冷凝，再經(jīng)塔進(jìn)料換熱器E-106過冷后作為回流回到乙烯塔頂;未從二段抽出的氣相乙烯經(jīng)壓縮機(jī)三段壓縮后，再經(jīng)乙烯機(jī)三段出口冷卻器E101和E102脫過熱，然后被乙烯冷凝器E-103冷凝，冷凝后的液相乙烯部分作為產(chǎn)品送出，其余部分再經(jīng)乙烯冷劑過冷器E107過冷后作為乙烯精餾回流的補(bǔ)充。

圖1 開式熱泵工藝簡圖Fig.1 Process diagram of opening heat pum p

2 換熱網(wǎng)絡(luò)分析

將熱泵系統(tǒng)中用于換熱網(wǎng)絡(luò)分析所需的數(shù)據(jù)提取到Aspen Energy Analyzer中，見表1。此段換熱網(wǎng)絡(luò)共涉及3股冷物流和7股熱物流，冷公用工程分別為7，-15，-25和-40℃的丙烯。得到的工藝物流的換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)合曲線及換熱網(wǎng)絡(luò)平衡復(fù)合曲線如圖2和圖3所示。

對(duì)于一個(gè)理想狀況下能夠達(dá)到最大能量回收的初始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化的目的，就是使其所含的換熱設(shè)備數(shù)降至或接近最少，以減少設(shè)備投資，但這通常會(huì)引起操作費(fèi)用增加［7］。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，一個(gè)最可行的換熱網(wǎng)絡(luò)需結(jié)合實(shí)際問題對(duì)公用工程費(fèi)用與設(shè)備投資費(fèi)用進(jìn)行權(quán)衡，從而制定適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案。

表1 工藝物流數(shù)據(jù)Table 1 Process stream s data

圖2 換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)合曲線Fig.2 Com posite curve of heat exchange network

圖3 換熱網(wǎng)絡(luò)平衡復(fù)合曲線Fig.3 Balanced com posite curve of heat exchange network

在換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化中最小傳熱溫差△Tmin的選取十分重要。對(duì)于一個(gè)初始的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，△Tmin選取的越小，則整個(gè)系統(tǒng)熱回收量越大，但所需換熱面積將增大，設(shè)備投資費(fèi)用將增加;而△Tmin選取較大，換熱面積雖然減小，但系統(tǒng)回收的能量減少，公用工程的消耗量將增加，即操作費(fèi)用將提高?！鱐min的選取決定了換熱網(wǎng)絡(luò)平衡復(fù)合曲線上冷、熱物流曲線的相對(duì)位置，進(jìn)而決定了最小的冷、熱公用工程的用量。因此，△Tmin值應(yīng)綜合考慮設(shè)備投資及公用工程消耗，同時(shí)結(jié)合實(shí)際的設(shè)備工藝參數(shù)選取。一般可以選取合理的初始經(jīng)驗(yàn)值，普通的列管式換熱器，△Tmin一般在10℃或者20℃［8］，對(duì)于單位體積換熱面積比較大的板翅式換熱器，制造廠家一般推薦△Tmin為2℃，在換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與分析過程中可根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

熱泵系統(tǒng)中涉及的能量利用全部為低溫位能量，為增加能量的回收率，本系統(tǒng)中部分換熱器(如E-103)使用了板翅式換熱器，因此選取最小傳熱溫差△Tmin初始值2.0℃，由軟件計(jì)算得到，夾點(diǎn)溫度范圍為 -21.4℃ 至 -23.4℃。這表明在理想狀況下，此時(shí)系統(tǒng)能量回收可達(dá)最大值，公用工程用量最小。

圖4為利用Aspen Energy Analyzer軟件生成的換熱網(wǎng)絡(luò)圖。

由圖4及計(jì)算結(jié)果可知，現(xiàn)有的換熱網(wǎng)絡(luò)中存在著兩臺(tái)跨夾點(diǎn)換熱的換熱器 E-103和 E-104，跨越夾點(diǎn)的傳熱負(fù)荷為2.09 k J/h，這將導(dǎo)致公用工程的用量超過理想的最小值，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的熱量回收，這表明此換熱網(wǎng)絡(luò)還可進(jìn)一步優(yōu)化。從計(jì)算結(jié)果可知，換熱器E-104跨夾點(diǎn)的傳熱值很小，接近于0，大部分的跨夾點(diǎn)的傳熱是由換熱器 E-103造成的，熱流股 SH4/5/6經(jīng)換熱器 E-101和 E-102冷卻至-12℃后，和換熱器E-103換熱由-12℃冷卻到了-36.5℃，存在跨夾點(diǎn)換熱。因而可考慮增加一臺(tái)換熱器E-NEW，用丙烯冷劑先將熱流股冷卻至-21℃，這可以減少換熱器 E-103的負(fù)荷，采用此方案得到新的換熱網(wǎng)絡(luò)，見圖5，得到跨夾點(diǎn)傳熱負(fù)荷為0。

對(duì)增加換熱器E-NEW前后的公用工程消耗量進(jìn)行了核算，列于表2。由表2中數(shù)據(jù)可知，增加換熱器E-NEW后10 MPa蒸汽和冷卻水的用量均可節(jié)約，按照當(dāng)?shù)氐墓霉こ虄r(jià)格折算后每年可節(jié)約資金29.3萬元。而為實(shí)現(xiàn)換熱目標(biāo)新增這臺(tái)換熱器為板翅式換熱器，購買此換熱器及相關(guān)輔助管線、閥門和施工等的費(fèi)用超過300多萬，回收周期超過10年。因此，如果在本段工藝中增加此板翅式換熱器，既增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，又增加了系統(tǒng)的投 資，器，既增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，又增加了系統(tǒng)的投資，經(jīng)綜合考慮費(fèi)用及裝置操作、運(yùn)行等因素，在最終設(shè)計(jì)方案中確定不增加此換熱器。

圖4 熱泵系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Heat exchange network diagram of heat pum p system

圖5 增加換熱器后的換熱網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 Heat exchange netw ork diagram with heat exchanger

此外，設(shè)計(jì)過程中還核算了乙烯塔采用不同操作壓力時(shí)的能耗情況。合理的乙烯塔操作壓力取決于乙烯壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)、各級(jí)冷劑的溫位及相關(guān)的工藝路線等。系統(tǒng)乙烯塔T-1的操作壓力為0.41 MPa(a)，將塔壓提高0.05 MPa后，其它工藝參數(shù)也將隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，各股物流的流量發(fā)生變化，塔頂溫度升高，即此溫位冷劑溫度將升高(由-76升至 -72℃)，使用此溫位冷劑的用戶熱側(cè)出口溫度升高。此外，由于乙烯塔壓力增加，乙烯壓縮機(jī)一段排出壓力也需增加;為維持乙烯塔底再沸器E-105兩側(cè)合理的溫差，二段出口壓力需相應(yīng)增高，根據(jù)乙烯氣液平衡蒸餾曲線的斜率變化可知，二段增加的絕對(duì)值要比一段高一些，經(jīng)計(jì)算，二段出口壓力增加值為0.17 MPa，乙烯壓縮機(jī)三級(jí)排出壓力不變，造成三級(jí)壓縮機(jī)出口和進(jìn)口壓力比降低。提高乙烯塔壓力0.05 MPa前后能耗的對(duì)比列于表3。結(jié)果表明，提高塔壓，雖可減少公用工程的消耗量，但隨著乙烯塔壓力的不斷升高，壓縮機(jī)的各級(jí)壓縮比分配將偏離合理區(qū)間，同時(shí)還會(huì)引起部分換熱器的面積增加，導(dǎo)致投資增漲，較高的乙烯塔T-1操作壓力不合理，最終確定維持較低的乙烯塔壓力0.41 MPa(a)。

表2 增加換熱器E-NEW前后的成本核算Table 2 Consum p tions of heating and cooling utility with heat exchanger E-NEW

表3 改變塔壓前后的公用工程消耗量Table 3 Consum p tions of utility change the p ressure before and after

3 結(jié)論

對(duì)乙烯裝置熱泵系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析，并提出了優(yōu)化節(jié)能的方法，如增加換熱器，雖可消除跨越夾點(diǎn)換熱，但其投資費(fèi)用較高，經(jīng)核算確定不增加此換熱器;而提高乙烯塔的操作壓力，雖可使裝置能耗降低，但綜合考慮投資費(fèi)用、操作費(fèi)用及壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，確定維持低壓塔操作。綜上，在工藝設(shè)計(jì)過程中，不能單純追求低能耗，而應(yīng)綜合考慮設(shè)備投資、操作費(fèi)用、投資回收周期及施工布置等因素，從而得出合理的設(shè)計(jì)方案。

［1］Linnhoff B，F(xiàn)lower J R.Synthesis of heat exchanger networks［J］.AIChE，1978，24(4):633-642

［2］高維平，于為人，韓方煜.智能法合成最優(yōu)換熱網(wǎng)絡(luò)［J］.化工學(xué)報(bào)，1990，41(3):353-363 Gao Weiping，Yu Weiren，Han Fangyu.An artificial intelligence approach to the synthesis of optimized heat exchanger networks［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering(China)，1990，41(3):353-363(in Chinese)

［3］楊瑩，高維平.換熱網(wǎng)絡(luò)的分析 ［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2004，21(1):135-140 Yang Ying，Gao Weiping.Analysis of heat exchanger network ［J］.Computers and Applied Chemistry，2004，21(1):135-140(in Chinese)

［4］高維平.換熱網(wǎng)絡(luò)的流程模擬系統(tǒng) ［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，1992，9(4):301-307 Gao Weiping.Process simulation system of exchanger networks［J］.Computers and Applied Chemistry，1992，9(4):301-307(in Chinese)

［5］高維平，楊瑩，欒國顏，等.具有任意結(jié)構(gòu)換熱網(wǎng)絡(luò)的靈敏度分析 ［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，1998，15(3):158-164 Gao Weiping，Yang Ying，Luan Guoyan，et al.Sensitivity analysis of heat exchanger networks with various configurations［J］.Computers and Applied Chemistry，1998，15(3):158-164(in Chinese)

［6］高海見，邢濤.甲基叔丁基醚裂解制高純異丁烷換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 ［J］.化學(xué)工程，2010，38(10):82-85 Gao Haijian，Xing Tao.Optimization of heat exchanger network in producing high-purity isobutane by methyl tert-butyl ether cracking［J］.Chemical Engineering，2010，38(10):82-85(in Chinese)

［7］詹世平.換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法 ［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，1999，20(2):4-7 Zhan Shiping.Pinch point design method for heat exchanger network ［J］.Chemical Industry and Engineering，1999，20(2):4-7(in Chinese)

［8］Linnhoff B，Townsend DW，Boland D，et al.Pinch A-nalysis and Process Integration ［M］.Second edition.United Kingdom:Butterworth-Heinemann，2007