煉化企業(yè)節(jié)能節(jié)水及裝置擴能改造瓶頸辨識探討

劉富余，馮霄（中國石油大學(xué)（北京）新能源研究院，北京 049；中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院節(jié)能中心，北京 00083）

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煉化企業(yè)節(jié)能節(jié)水及裝置擴能改造瓶頸辨識探討

劉富余1，2，馮霄1
（1中國石油大學(xué)（北京）新能源研究院，北京 102249；2中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院節(jié)能中心，北京 100083）

摘要：煉化企業(yè)是耗能用水大戶，隨著國家對節(jié)能減排要求的逐漸嚴(yán)格，煉化企業(yè)節(jié)能節(jié)水工作面臨較大的壓力。過程系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)把煉化生產(chǎn)過程作為統(tǒng)一整體考慮，可最大化實現(xiàn)節(jié)能節(jié)水效果。過程系統(tǒng)作為一個有機的整體，系統(tǒng)中必然有一些單元過程構(gòu)成系統(tǒng)節(jié)能節(jié)水的瓶頸，辨識這樣的系統(tǒng)瓶頸，并研究相應(yīng)的解瓶頸策略，可使節(jié)能節(jié)水取得事半功倍的效果。本文在對煉化企業(yè)能量系統(tǒng)和用水網(wǎng)絡(luò)常用的優(yōu)化技術(shù)和方法進行介紹的基礎(chǔ)上，重點分析了煉化企業(yè)節(jié)能節(jié)水瓶頸辨識的研究進展，主要涉及節(jié)能瓶頸、節(jié)水瓶頸以及裝置擴能改造瓶頸的辨識等方面的研究進展。當(dāng)前的研究主要集中在單一網(wǎng)絡(luò)的瓶頸辨識，下一步的研究方向應(yīng)從單功能網(wǎng)絡(luò)逐步推進到耦合網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞：節(jié)能節(jié)水；系統(tǒng)優(yōu)化；瓶頸辨識

第一作者：劉富余（1982—），男，博士，工程師，研究方向為系統(tǒng)節(jié)能節(jié)水優(yōu)化。聯(lián)系人：馮霄，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域為過程系統(tǒng)工程。E-mail xfeng@mail.xjtu.edu.cn。

我國人口眾多，能源和水資源消耗量巨大。我國新鮮水用量長期位居世界第一位，能源消費總量也于2011年超過美國成為世界第一。但是，我國是一個能源和水資源短缺的國家，從1992 年開始，我國能源消費總量超過了國內(nèi)生產(chǎn)總量，并且供求缺口呈逐年擴大趨勢，2014年，我國能源供需缺口已達(dá)6.6×108tce[1]，約15.5％的能源消費需要進口。2014年，我國的原油對外依存度接近60％，天然氣對外依存度也超過了32％[2]，能源供給形勢十分嚴(yán)峻。我國人均水資源占有量僅為世界平均水平的四分之一，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。目前，全國城市中約有三分之二缺水，約四分之一嚴(yán)重缺水[3]。能源和水資源的缺乏已經(jīng)成為制約我國國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。

石油石化行業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)，自2005年以來，我國石油石化行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)擴大，見表1[4-6]。2013年，石油石化行業(yè)能源消費總量突破5×108tce，約占全國能源消費總量的12％，石油石化行業(yè)節(jié)能減排指標(biāo)的完成情況對國家節(jié)能減排工作有重要影響。“十二五”以來，隨著國內(nèi)汽柴油質(zhì)量升級的持續(xù)推進，要求煉化企業(yè)必須新建汽柴油加氫等二次加工裝置以滿足日益嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量要求，企業(yè)能源消費總量持續(xù)上升，而企業(yè)能耗指標(biāo)下降難度逐年加大，煉化單耗指標(biāo)下降速度減緩甚至出現(xiàn)了反彈，2013年，乙烯和合成氨產(chǎn)品綜合能耗同比僅下降1.5％左右，煉油綜合能耗同比上升約0.96％[7]，煉化企業(yè)的節(jié)能減排工作面臨空前的壓力。煉化企業(yè)必須進一步強化節(jié)能減排工作，確?！笆濉惫?jié)能減排指標(biāo)的完成，為國家“十二五”節(jié)能減排指標(biāo)的完成做出應(yīng)有的貢獻。

煉化生產(chǎn)過程是一個有機的整體，在不同目標(biāo)情況下系統(tǒng)中各個單元過程對系統(tǒng)的整體性能有不同的影響，必然有一些單元過程構(gòu)成系統(tǒng)節(jié)能節(jié)水的瓶頸，其性能制約了系統(tǒng)的整體性能。辨識系統(tǒng)瓶頸單元并研究相應(yīng)的解瓶頸策略，可取得顯著的節(jié)能節(jié)水效果，有助于企業(yè)提高經(jīng)濟效益。

表1　2005年以來石油石化生產(chǎn)變化情況

1　過程系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)概述

煉化企業(yè)節(jié)能節(jié)水工作歷經(jīng)加強管理“撈浮財”，單裝置（設(shè)備）節(jié)能節(jié)水改造等階段，目前正進入系統(tǒng)化節(jié)能節(jié)水的新階段。過程系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)把整個過程系統(tǒng)集成起來作為一個有機整體看待，可達(dá)到整體設(shè)計最優(yōu)化，最大程度上獲得節(jié)能減排效果。

目前常用的能量系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)主要有夾點分析法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法和“三環(huán)節(jié)”方法。夾點分析法是20世紀(jì)80年代由英國的LINNHOFF教授基于換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)而提出的能量綜合優(yōu)化方法[8]，夾點分析法在應(yīng)用時對技術(shù)人員的經(jīng)驗和對問題與目標(biāo)的理解要求較高，更適合于專家用戶。數(shù)學(xué)規(guī)劃法通過數(shù)學(xué)編程，建立與求解系統(tǒng)的超結(jié)構(gòu)模型，從而對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化。數(shù)學(xué)規(guī)劃法可以自動完成計算過程，對技術(shù)人員要求較低，缺點是很難保證取得全局最優(yōu)解，并且難于提供最優(yōu)解的物理意義[9]。“三環(huán)節(jié)”方法[10]通過建立嚴(yán)格、定量的模型，將經(jīng)濟學(xué)理論方法應(yīng)用于過程系統(tǒng)的能量綜合優(yōu)化，與純粹的熱（?）經(jīng)濟學(xué)方法相比更接近工程實際，但由于?計算的復(fù)雜性和實際工程體系的復(fù)雜性，三環(huán)節(jié)方法的推廣和應(yīng)用受到一定限制。

水系統(tǒng)集成優(yōu)化的技術(shù)方法主要有夾點分析法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法，主要技術(shù)原理與能量系統(tǒng)優(yōu)化類似。FENG和SEIDER[11]為提高用水網(wǎng)絡(luò)柔性，提出了在用水網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置中間水道的水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大幅提高了用水網(wǎng)絡(luò)的操作柔性。LIU等[12]提出了濃度勢法，降低了多雜質(zhì)用水網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計難度。SAVULESCU和BAGAJEWICZ等[13-14]分別采用圖表法和狀態(tài)空間法研究了用能和用水同時最小化問題。都健等[15]采用數(shù)學(xué)規(guī)劃法和模擬退火算法對多雜質(zhì)系統(tǒng)的能量集成進行了研究。徐冬梅[16]采用逐步雙線性規(guī)劃法和基于序貫操作模型的多組分用水網(wǎng)絡(luò)的整體設(shè)計策略，用夾點分析法進行換熱匹配設(shè)計，從而完成熱集成優(yōu)化設(shè)計。FENG等[17]研究提出了具有較好能量特性的水網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，提出了以不增加公用工程量為前提的非等溫混合規(guī)則，對考慮熱集成的水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法進行了改進。

2　節(jié)能節(jié)水的瓶頸辨識

2.1節(jié)能的瓶頸辨識

馮霄等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)裝置的節(jié)能優(yōu)化過程中，夾點處的溫度雖然影響裝置的節(jié)能潛力，但是在某些情況下，夾點溫度已不再是制約整個系統(tǒng)的節(jié)能瓶頸，某些裝置的工藝條件可能成為系統(tǒng)的瓶頸，制約了系統(tǒng)的節(jié)能潛力。研究提出通過分析系統(tǒng)節(jié)能改造的投資費用——節(jié)約的能量費用曲線，可以確定系統(tǒng)節(jié)能的瓶頸，該曲線上斜率突然增大并使得節(jié)能改造的投資回收期大于期望值處，代表了系統(tǒng)節(jié)能的瓶頸。采用該方法對某加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進行了研究，首先采用夾點分析法確定了夾點溫度，然后通過分析費用和投資回收期曲線分析確定了制約系統(tǒng)能量回收的瓶頸是高壓泵，對高壓泵進行改造后，換熱網(wǎng)絡(luò)的冷熱負(fù)荷均大幅下降，投資回收期大幅下降，驗證了所采用方法的合理性。

姚平經(jīng)等[19]提出的過程系統(tǒng)能量集成技術(shù)包括“過程系統(tǒng)用能一致性原則”與大規(guī)模過程系統(tǒng)能量優(yōu)化復(fù)合式算法、“虛擬溫度法”以及“過程系統(tǒng)能量集成策略”三部分主要內(nèi)容。利用“過程系統(tǒng)用能一致性原則”把全過程的能量優(yōu)化綜合問題轉(zhuǎn)化為有約束的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合問題，研究開發(fā)的改進的遺傳-模擬退火復(fù)合式智能算法可以把求解換熱網(wǎng)絡(luò)流股數(shù)量從40多條提高到100多條，使能量優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)更接近工程實際。采用“虛擬溫度法”進行操作型夾點分析，得到更符合實際過程的能流分布，從而對過程用能進行正確的診斷。最后，結(jié)合“過程系統(tǒng)能量集成策略”，可以有效判斷系統(tǒng)的熱源、熱肼、用能瓶頸以及解瓶頸策略，該技術(shù)在多套乙烯和合成氨裝置節(jié)能改造中得到應(yīng)用，取得較好的節(jié)能效果。

PANJESHAHI等[20]研究了換熱網(wǎng)絡(luò)的解瓶頸問題。他們先期研究了基于固定壓差的解瓶頸方法，后來又研究了考慮壓差變化并更換水泵和壓縮機的方法，以換熱網(wǎng)絡(luò)總成本最低為研究目標(biāo)，同時優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的附加區(qū)域和運行成本。通過一個原油預(yù)熱擴能改造案例與前期研究對比，采用最佳壓降換熱網(wǎng)絡(luò)進行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計可實現(xiàn)投資費用下降17％。

ATAEI等[21]研究提出了一種新的熱油系統(tǒng)設(shè)計方法，采用串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)替代原有的并聯(lián)換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該方法首先分別檢查熱油發(fā)生器和熱油換熱網(wǎng)絡(luò)，以確定熱油系統(tǒng)的性質(zhì)，接著用已經(jīng)設(shè)計好的熱油系統(tǒng)模型來測試熱油發(fā)生器的性能以及再循環(huán)流速和返回溫度，測算加熱效率。通過研究熱油網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和熱油發(fā)生器性能之間的相互作用最終設(shè)計出熱油換熱系統(tǒng)。當(dāng)熱油網(wǎng)絡(luò)中需要增加單獨的加熱器或一個新的熱交換器被引入時，則成為系統(tǒng)瓶頸。

2.2節(jié)水的瓶頸辨識

1994年，英國的SMITH教授將能量集成的思路引入水系統(tǒng)優(yōu)化研究中，用類似于能量集成中構(gòu)造冷熱復(fù)合曲線的方式構(gòu)造極限水負(fù)荷曲線，把水中污染物濃度作為縱坐標(biāo)，需要除去的污染物質(zhì)量作為橫坐標(biāo)，供水曲線的斜率就代表供水量?；赟MITH教授提出的方法，馮霄等[22]通過研究認(rèn)為對于單雜質(zhì)用水系統(tǒng)，夾點處是系統(tǒng)瓶頸，夾點（包括進出口濃度為夾點濃度以及進出口濃度跨越夾點濃度）用水單元有可能成為制約系統(tǒng)用水量的單元，對這些用水單元進行靈敏度分析，找出關(guān)鍵用水單元，再對關(guān)鍵用水單元分析，可以確定系統(tǒng)瓶頸；對于多雜質(zhì)用水系統(tǒng)，也可以采用靈敏度分析法，確定影響用水量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，再針對關(guān)鍵用水環(huán)節(jié)進行分析，進而解瓶頸。解瓶頸策略主要有兩種：一是調(diào)整關(guān)鍵用水單元的傳質(zhì)推動力，使供水線斜率增大，新鮮水用量減少；二是改變關(guān)鍵用水單元的工藝，減少其用水量來解瓶頸。

沈人杰等[23]采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法來確定用水網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，將瓶頸單元定義為擾動工況下，灰色關(guān)聯(lián)度值大于或等于0.85的單元。該方法將用水網(wǎng)絡(luò)的新鮮水用量作為研究目標(biāo)，首先對影響單元性能的極限進出口濃度、實際進出口濃度、雜質(zhì)負(fù)荷、單元間水流率、新鮮水用量、廢水排放量、單元操作能力等指標(biāo)進行規(guī)范化處理，確定最大值型、最小值型和固定值型等三類指標(biāo)的規(guī)范化處理公式；然后計算求得擾動工況與正常工況下各單元的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)；最后計算各單元的灰色關(guān)聯(lián)度值?；疑P(guān)聯(lián)度值大于或等于0.85的單元即為該用水網(wǎng)絡(luò)的瓶頸單元?；疑P(guān)聯(lián)度分析法可以考慮影響用水量的多種因素，即適用于單雜質(zhì)用水系統(tǒng)，也可進一步推廣到多雜質(zhì)用水系統(tǒng)的瓶頸單元辨識。

2.3裝置擴能改造的瓶頸辨識

除了應(yīng)用夾點技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃等方法對現(xiàn)有用能用水網(wǎng)絡(luò)進行瓶頸分析外，還有部分學(xué)者對裝置擴能改造瓶頸進行了研究，也可以為煉化企業(yè)節(jié)能節(jié)水瓶頸辨識提供借鑒。

王春花等[24]采用“三環(huán)節(jié)”方法，對某延遲焦化裝置進行擴產(chǎn)及用能瓶頸分析，分別對該裝置的能量轉(zhuǎn)換、能量利用和能量回收等三個環(huán)節(jié)進行了分析，確定了裝置的用能瓶頸，然后利用流程模擬軟件對工藝?yán)铆h(huán)節(jié)進行物料和能量的同時優(yōu)化，最后進行能量回收環(huán)節(jié)和能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的優(yōu)化改造，有效解決了裝置擴產(chǎn)及用能瓶頸。

范衛(wèi)東等[25]在軟件工程思想的指導(dǎo)下，利用Aspen Plus軟件開發(fā)出化工過程系統(tǒng)擴產(chǎn)解瓶頸軟件（CPDB，chemical process de-bottlenecking）。該軟件由系統(tǒng)界面、系統(tǒng)分析、裕度分析和解瓶頸知識庫四部分組成。該軟件具有開放性，可由用戶將自己建立的模型按軟件要求嵌入；此外，裕度分析的各模塊相互對立，方便進行模塊擴展。利用該軟件對某化工廠乙烯裝置擴能改造進行了模擬，準(zhǔn)確找到了限制系統(tǒng)擴能的單元，并提供了相應(yīng)的解瓶頸策略，改造后裝置運行平穩(wěn)，產(chǎn)品質(zhì)量合格，取得了較好的節(jié)能效果。

胡仰棟等[26]對化工裝置擴建改造的瓶頸進行了分析認(rèn)為，瓶頸因素一般可分為三類：①信息量，包括工藝路線、流程結(jié)構(gòu)信息、設(shè)備型式、控制方案等；②強度量，包括設(shè)備的操作溫度、壓力、反應(yīng)收率、轉(zhuǎn)化率、分離效率、傳熱系數(shù)、單位體積的反應(yīng)強度等；③容積量，包括設(shè)備容積、泵的流量、壓縮機負(fù)荷、換熱器換熱面積、儀表量程等。通過直觀推斷法、現(xiàn)場能力測試、計算機模擬等方法可進行瓶頸辨識。解瓶頸的順序依次是信息量瓶頸，強度量瓶頸，容積量瓶頸。

在蒸餾塔改造過程中，大多研究傾向于改造塔內(nèi)件，提高塔盤分離效率以提高處理量，但這種方法有時候不能達(dá)到最佳分離效果和最大經(jīng)濟效益，LONG等[27]以分餾塔內(nèi)部再循環(huán)流動作為主要優(yōu)化變量研究了乙酸提純裝置擴能改造。通過對比常規(guī)精餾塔和隔板塔的投資費用以及能源消耗成本，研究認(rèn)為隔板塔可以有效提高裝置加工量，解除擴能瓶頸，同時保持較低的投資和操作成本，具有較好的經(jīng)濟效益。

TAN等[28]研究提出了一種用于連續(xù)生產(chǎn)過程的瓶頸識別的數(shù)學(xué)方法。生產(chǎn)過程中的每個單元存在固定的質(zhì)量和能量的平衡關(guān)系，若干個生產(chǎn)單元根據(jù)產(chǎn)品要求被設(shè)計成特定的組合方案，根據(jù)預(yù)期產(chǎn)品設(shè)定基準(zhǔn)狀態(tài)。當(dāng)目的產(chǎn)品方案發(fā)生變化時，可用生產(chǎn)能力過剩量不足以滿足增量需求的生產(chǎn)單元即為瓶頸單元，該方法在熱電聯(lián)產(chǎn)工廠和甲醇廠得到了驗證。

TAHOUNI等[29]研究了天然氣化工廠中凝析油穩(wěn)定裝置擴產(chǎn)的解瓶頸問題，該穩(wěn)定裝置由一個兩級壓縮機和使用高壓蒸汽作為熱源的再沸器組成。解瓶頸主要分為兩步，首先將流體壓力降作為主要參數(shù)，要綜合考慮傳熱系數(shù)和壓差變化帶來的對于設(shè)備投資和運行成本的影響；第二步是換熱網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)設(shè)計解瓶頸階段，通過校正以改變換熱器的熱輸入和輸出優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而不是重新對單元進行定位。研究結(jié)果表明，通過采用優(yōu)化壓差的方法可以解決裝置擴能瓶頸，在裝置處理量增加20％的情況下，新增1555m2換熱面積，公用工程消耗可維持不變，實現(xiàn)節(jié)能效益99478$/a。

3　結(jié)論與展望

國內(nèi)外學(xué)者采用圖示法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、“三環(huán)節(jié)”方法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法以及靈敏度分析法等多種方法及相關(guān)延伸方法進行了煉化企業(yè)節(jié)能節(jié)水瓶頸以及裝置擴能改造瓶頸的辨識研究，取得了較好的效果，總體看來圖示法比較適合單一功能網(wǎng)絡(luò)，對于復(fù)雜的煉化生產(chǎn)過程，需要多種方法綜合使用才能取得較好的效果。

站在系統(tǒng)工程角度研究煉化生產(chǎn)過程節(jié)能節(jié)水已經(jīng)取得了較大的研究進展，很多技術(shù)已經(jīng)在企業(yè)節(jié)能節(jié)水改造和優(yōu)化中得到應(yīng)用，取得了較好的節(jié)能節(jié)水效果。但是對于煉化企業(yè)節(jié)能節(jié)水瓶頸過程辨識的研究工作開展較少，且研究工作單一，大都只單獨考慮了節(jié)能瓶頸辨識或節(jié)水瓶頸辨識。對于多種功能錯綜交織和高度耦合的能量/質(zhì)量梯級利用整體系統(tǒng)，節(jié)能節(jié)水瓶頸辨識研究鮮有報道。

今后煉化企業(yè)節(jié)能節(jié)水瓶頸辨識研究工作應(yīng)從單功能網(wǎng)絡(luò)逐步推進到耦合網(wǎng)絡(luò)，從單功能網(wǎng)絡(luò)瓶頸的特點入手，對于無法用圖示法描述的具有高維特征的能量/質(zhì)量耦合系統(tǒng)，通過靈敏度分析法或角點法辨識不同目標(biāo)下的系統(tǒng)瓶頸，分析瓶頸特征。研究能量和質(zhì)量不同特性瓶頸之間的關(guān)系、交互作用與協(xié)調(diào)規(guī)律，研究不同目標(biāo)下的系統(tǒng)瓶頸辨識方法并建立相應(yīng)的解瓶頸策略。

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Discussion on identifying energy，water and capacity expansion bottlenecks for refineries

LIU Fuyu1，2，F(xiàn)ENG Xiao2
（1New Energy Institute，China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2Energy Conservation Center，PetroChina Planning & Engineering Institute，Beijing 100083，China）

Abstract：Refineries and chemical plants consume great amounts of energy and water. With increasingly stringent national requirements for energy conservation and emission reduction，these enterptises face more and more pressure. Process system integration and optimization technology dealing with an enterprise as a whole，can maximize energy and water saving effects. As an organic whole，a process system necessarily includes some unit processes that form the bottleneck of energy or/and water conservation，whose performance constrains the whole system's overall performance. Identificating such bottleneck，and studying the corresponding solution strategy，will get twice the result with half the effort of energy and water conservation. Based on energy system and water network optimization techniques and methods，this paper analyzes research progress of bottleneck identification on energy conservation，water conservation and plant retrofit for refineries and chemical plants. Current researches focus on bottleneck identification of single-function networks，and further research should pay attention to multi-function networks bottleneck identification.

Key words：energy and water conservation; system optimization; identifying bottlenecks

中圖分類號：TQ 021.8

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–0995–05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.004

收稿日期：2015-08-27；修改稿日期：2015-11-26。

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2012CB720500）。