東一聯夾點分析與節(jié)能潛力

周 輝，王照亮，姚 震

（中國石油大學（華東）， 山東 青島 266580）

勝利油田孤東一號聯合站集輸系統(tǒng)工藝復雜，在其現有的能流網絡中，能量利用不合理存在大量的污水余熱直接排放到大氣環(huán)境中，沒有有效地回收余熱。尤其是聯合站沉降罐的熱流，污水溫度高達 85 ℃。目前，對于油田耗能設備的節(jié)能潛力分析主要是采用基于熱力學第一定律的能量平衡分析法，對聯合站主要能耗環(huán)節(jié)的能耗設備進行單臺設備能量分析評價，對上下游不同設備和工序之間的能流關系涉及較少[1,2]。Linnhoff[2,3]等提出的夾點分析法，是一種解決整個換熱網絡的能留不協(xié)調問題的方法。運用夾點分析可以輕松的找出聯合站換熱網絡的瓶頸，也就是夾點溫度，跨越夾點溫度的換熱都會造成能流的損失。

目前，夾點分析的運用十分廣泛[4-9]，從熱泵等單一設備裝置到復雜的生產工藝流程，都可以運用夾點分析有效合理的分配冷熱物流。

本文就是將復雜的聯合站工藝流程運用夾點分析，找出聯合站集輸系統(tǒng)的節(jié)能潛力，提出合理的節(jié)能改造措施。

1 東一聯能流圖

圖1所示孤東1號聯合站內主要耗能設備為分水器，分水出口換熱，油氣分離器，含水油穩(wěn)定塔，沉降罐，脫水換熱器，回油換熱器，壓力脫水罐，凈化油穩(wěn)定塔和凈化油罐。孤東一號聯合站主要的散熱設備分別是換熱器，凈化油穩(wěn)定塔，以及凈化油罐。

圖1 東一聯能流圖Fig.1 Energy flow diagram of Dongyi combined station

孤東一號聯合站部分設備污水溫度略高，最高可達 85 ℃，直接排放不僅會造成環(huán)境熱污染還會造成能量的浪費。孤東一號聯合站的各種物流參數如表1所示。該換熱網絡中由四股熱流，三股冷流。其中，四股熱流分別為分水器H1，一次沉降罐H2，二次沉降罐H3，老化油沉降罐H4排出的污水組成。冷流主要是分水出口換熱器C1，脫水換熱器 C2，回油換熱器C3。對換熱網絡進行夾點分析，提取換熱網絡的節(jié)能潛力。

表1 冷熱流物流數據表Table 1 Data table of cold and hot streams

2 夾點分析

2.1 物流參數計算

對冷熱物流進行夾點分析時，需要選取一定的夾點溫差。夾點溫差越小，利用夾點分析可以節(jié)省的能量越多；但是根據傳統(tǒng)的傳熱公式可以知道，溫差越小，在保證換熱量的情況下，所需要的換熱面積就越大，從而增大了經濟費用的投資。因此需要合理的選取夾點溫差。根據經驗選取 10 ℃作為夾點溫差，則孤東一號聯合站的換熱網絡如圖2所示。可以看出現有的換熱網絡分水冷流，二次沉降罐熱流和老化油熱流的換熱過程都跨越了夾點，必然帶來了能流的損失。

圖2 現有網絡換熱網絡圖Fig.2 Original heat exchange net

2.2 溫區(qū)劃分

根據選取的夾點溫差，在冷熱流體的原始溫度基礎上減小 5℃，在預期目標溫度的基礎上增加 5℃然后將這些溫度從大到小排列，順序依次為：90℃、80℃、72℃、65℃、62℃、52℃、50℃、48℃、38℃、15℃。

2.3 問題表格

根據排列好的溫度將溫度劃分為9個溫區(qū)，并建立問題表格如表2所示。

表2 問題表格Table 2 Problem table

從表2中可以看出，換熱溫區(qū)6的最小外界輸出熱量與換熱溫區(qū)7的最小外界輸入熱量都為0，即兩溫區(qū)之間的熱通量為0，夾點溫差為10 ℃時夾點的平均溫度50 ℃，熱流體溫度是55 ℃，冷流體溫度是45 ℃。

另外表2中可以明顯看出孤東一號聯合站集輸系統(tǒng)最小加熱公用工程量為10 396.65 kW，較現在的加熱工程熱負荷要小2 643.35 kW，可見現在的集輸系統(tǒng)換熱網絡存在問題。

3 節(jié)能改造

夾點分析最終的目的在于充分利用可利用的熱能加熱冷流，節(jié)省公用熱負荷。以夾點溫度為界限，夾點之下的換熱網絡有熱流4股，冷流1股。只有在滿足熱流數目不少于冷流數目，并且熱流的熱容流率不大于冷流的熱容流率的情況下，才能將冷熱物流匹配換熱，節(jié)省能量。所以將冷流 C1分流，使其一股熱容流率為77.78 kW/℃，另外一股為75.75 kW/℃。此時，熱流H2和H4分別與其匹配滿足條件。增設兩臺換熱器，分別為 151.5 kW 和155.56 kW。在換熱網絡中，由于分水熱流等熱流的溫度較低，不符合匹配換熱，因此將這樣的熱流直接排放到環(huán)境中去，圖3中以虛線表示虛擬冷卻器，夾點之下共需4臺冷卻器。

圖3 調整后的換熱網絡Fig.3 Heat exchange net retrofit

在夾點之上的換熱網絡子系統(tǒng)中，冷流體 3股，熱流體2股。夾點之上的熱流滿足物數目小于冷流數目并且任一熱流的熱容流率小于冷流。在熱流與冷流匹配時，熱容流率相近的冷、熱物流優(yōu)先匹配換熱。與熱物流相比，冷物流的熱容流率略大。因此，需要對冷物流進行分流處理。將 C1分流，使其一股熱容流率為11.63 kW/℃，并與熱流H3匹配，一股熱容流率為77.1 kW/℃，并與熱流H4匹配。對冷物流 C2進行分流，使其一股熱容流率為77.1 kW/℃，并與熱流H4匹配。新增三個換熱器熱負荷分別為23.26kW和1 156.5 kW。冷物流C1，C2剩余的熱負荷以及 C3需要加熱的熱負荷均由公用工程加熱器來實現。

圖3所示的整個網絡結構，是優(yōu)化以后的換熱網絡。該網絡在夾點溫差10℃時，能最大程度的回收熱量。從整個換熱網絡可以看出，從一次沉降罐和二次沉降罐中排出的污水，進入換熱器 E1，E3加熱分水器中的油水混合物，節(jié)省一部分加熱爐的熱負荷。從老化油沉降罐排出的污水，依次進入換熱器 E4，E2對脫水換熱器中的油水混合物進行加熱，可以節(jié)省部分加熱爐熱負荷。整個換熱網絡新增5個換熱單元，最大節(jié)省2 643.35 kW。

4 結 論

（1）夾點分析說明，東一聯改造前換熱網絡存在跨越夾點的傳熱。

（2）利用老化油沉降罐排出的污水，對脫水換熱器中的油水混合物進行加熱，可代替加熱爐的部分熱負荷，最大節(jié)能潛力可達2 643.35 kW。

（3）夾點溫差直接影響聯合站回收熱量和新增換熱器費用，夾點溫差越小，其整個換熱網絡能節(jié)省的能量就越多，伴隨而來的是換熱器的面積增大。因此，需要進一步合理選擇夾點溫差。

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