基于火積的SSOT裝置換熱網(wǎng)絡(luò)能量利用效率的分析研究

馮園麗，夏力，孫曉巖，項曙光

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基于火積的SSOT裝置換熱網(wǎng)絡(luò)能量利用效率的分析研究

馮園麗，夏力，孫曉巖，項曙光

（青島科技大學(xué) 過程系統(tǒng)工程研究所， 山東 青島 266042）

火積的概念可以描述物體傳遞熱量的能力，基于火積的能量利用效率可作為評價熱量合理利用的依據(jù)。建立基于火積的換熱網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率的數(shù)學(xué)模型，并提出相應(yīng)的計算步驟，以最大能量回收為目標(biāo)，通過對某單段單程加氫裂化（SSOT）實際生產(chǎn)裝置進行換熱網(wǎng)絡(luò)能量利用效率的分析研究，驗證火積傳遞效率的合理性。結(jié)果表明：分析SSOT裝置的原始換熱網(wǎng)絡(luò)時，得出公用工程HU1、HU3、CU6、CU7的火積耗散率較大，分別為36.25%、35.36%、85.50%和68.97%，而基于?的概念得到公用工程HU3、CU6、CU7的?損率較大，分別為37.83%、17.98%和13.95%，則火積傳遞效率比?效率分析換熱網(wǎng)絡(luò)的能量利用情況更加精確。選取最小傳熱溫差Δmin=15 K后，火積傳遞效率從57.18 %增加到76.45%，節(jié)約公用工程52.53%，?效率從59.62%增加到83.31%，節(jié)約公用工程60.61%，進一步說明火積傳遞效率能夠用來分析換熱網(wǎng)絡(luò)中的能量利用情況。

火積；能量利用效率；火積傳遞效率；?效率

目前,我國仍然是世界上最大的能源消費國,占全球能源消費量的23%［1］。石油、化工、金屬冶煉、煉焦等都是高耗能行業(yè)，其中石油和化工行業(yè)的能源年消費量占我國年消費總量的約60%，“三廢”排放也位于前列。加快結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級、降低生產(chǎn)過程中的能耗是行業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求。因此，提高石油和化工行業(yè)的熱量回收利用，對于實現(xiàn)“十三五”期間節(jié)能減排的目標(biāo)，促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，提高石化行業(yè)的市場競爭力具有重大意義。

為了描述能量的品質(zhì)特征，Rant（1956）［2］提出了（Exergy）的概念。?損失可以表示實際用能過程中能量品質(zhì)的下降情況，作為分析可用能利用情況的依據(jù)。Ahern（1980）［3］和Kotas（1985）［4］提出了分析方法來揭示體系中?（有效能）傳遞、轉(zhuǎn)換、利用和損失的情況。為了解決某些實際生產(chǎn)工藝中的經(jīng)濟問題，Evans和Tribus引入了?經(jīng)濟的概念，由此推動了?經(jīng)濟分析法的發(fā)展。目前，基于?分析方法和?經(jīng)濟分析法在許多領(lǐng)域都有廣泛研究，比如石油化工［5］、高爐冶煉［6］、環(huán)境資源［7］、生態(tài)系統(tǒng)［8］等。

傳熱學(xué)中雖然有最小熵產(chǎn)原理來評價傳熱性能的好壞，但是并沒有用來評價熱流傳遞的速率或效率的原理。過增元等人（2006）［9］提出了新的物理量-“火積”和描述傳熱過程不可逆性的“火積耗散”來分析傳熱過程的特點。胡幗杰和過增元（2011）［10］定義了火積傳遞效率用于分析換熱器中熱量的傳遞情況。Wu等（2013）［11］分析了3個簡單化工過程中自熱回收系統(tǒng)的火積傳遞效率，確定出火積傳遞效率最大的化工過程。Xia等（2017）［12］提出基于火積的換熱網(wǎng)絡(luò)能量目標(biāo)的確定方法，說明最大火積傳遞效率可以表示換熱網(wǎng)絡(luò)中熱量的利用最合理。

根據(jù)火積的概念，以最大能量回收為目標(biāo)，通過分析某煉化企業(yè)的SSOT裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率，比較火積傳遞效率和?效率的不同，進而確定出最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)能量利用效率。

1 換熱網(wǎng)絡(luò)中的火積傳遞效率

1.1 換熱網(wǎng)絡(luò)中的火積傳遞效率

換熱網(wǎng)絡(luò)中冷、熱物流間熱量的利用情況可以通過計算火積傳遞效率，即基于火積的能量利用效率。 火積傳遞效率越高表明熱物流盡可能最大的將熱量傳遞給冷物流利用，減少換熱網(wǎng)絡(luò)中的火積耗散。

對于有個物流（包括公用工程）的換熱網(wǎng)絡(luò)，換熱器內(nèi)冷、熱物流的流動為一維穩(wěn)定狀態(tài)，和外界不存在熱量交換，不考慮流體動能和勢能的變化。則熱物流從進口溫度inlet到出口溫度outlet的火積量為（以0 K為基準(zhǔn)）：

式中:CP— 熱容流率，kW/K；

H—換熱網(wǎng)絡(luò)中的所有熱物流的火積量，kW?K；

h,i— 第個熱物流的火積量，kW?K；

h,i— 第個熱物流的熱量，kW。

同理可得到冷物流的火積量為：

式中:C—換熱網(wǎng)絡(luò)中的所有冷物流的火積量，kW?K；

c,i— 第個冷物流的火積量，kW?K。

換熱網(wǎng)絡(luò)中冷、熱物流在傳熱過程中耗散了火積，則火積耗散為：

因此，火積傳遞效率為：

由式（6）看出，冷、熱物流間的傳熱溫差越大，火積耗散越大，則火積傳遞效率越大，此時換熱網(wǎng)絡(luò)的能量利用效果不好。

1.2 換熱網(wǎng)絡(luò)中火積傳遞效率的計算步驟

對于分析一個實際生產(chǎn)裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的火積傳遞效率，可采取以下步驟：

步驟一：提取冷、物流數(shù)據(jù)。從實際生產(chǎn)裝置中提取中所有需要被加熱的物流即冷物流和所有被冷卻的物流即熱物流的數(shù)據(jù)，包括進口溫度、出口溫度、熱容流率或熱負(fù)荷。

步驟二：計算所有物流的火積量。根據(jù)公式（2）和公式（4）計算每一個熱物流和冷物流的火積量，然后求出所有熱物流火積量H、所有冷物流火積量C。另外，求出所有冷、熱公用工程的火積量及火積耗散量

步驟三：計算裝置原始換熱網(wǎng)絡(luò)中的火積傳遞效率。根據(jù)步驟二中得到的所有物流的火積量，由公式（6）求出原始換熱網(wǎng)絡(luò)的火積傳遞效率。為了確定換熱網(wǎng)絡(luò)中存在能量利用不合理嚴(yán)重的地方，可以進一步求出每一個物流的火積耗散率。

步驟四：計算裝置在最大能量回收下的換熱網(wǎng)絡(luò)的火積傳遞效率。選擇合適的最小傳熱溫差△min，運用步驟一至步驟二，計算此時的火積傳遞效率，與原始換熱網(wǎng)絡(luò)的火積傳遞效率進行對比，分析在最大能量回收下的換熱網(wǎng)絡(luò)熱量是否合理利用。

2 SSOT裝置的物流數(shù)據(jù)提取

2.1 SSOT裝置工藝流程

SSOT裝置是大部分煉化企業(yè)二次加工、重油輕質(zhì)化的重要手段。由于加氫裂化過程是高壓和強放熱反應(yīng)，而產(chǎn)品要求保持在常溫，因此，對SSOT裝置進行換熱網(wǎng)絡(luò)的研究幫助降低能耗和節(jié)約成本具有重要意義。

SSOT裝置主要由反應(yīng)部分、氣體脫硫部分、生成油脫硫部分以及分餾部分組成，工藝流程圖見圖1。首先從減壓裝置和罐區(qū)來的減壓瓦斯油作為原料，經(jīng)過預(yù)熱與氫氣混合后經(jīng)加熱后進入反應(yīng)器頂部，自上而下發(fā)生加氫脫硫、脫氮、裂解及烯烴和芳烴飽和等反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物被冷卻后經(jīng)冷高分、冷低分。冷高分頂部的循環(huán)氣脫硫后進入分液罐，分離液滴后返回到反應(yīng)部分循環(huán)使用。冷低分的酸性氣排入脫硫總管，冷低分的液體進入硫化氫汽提塔脫除H2S后進入分餾塔，在塔中將未轉(zhuǎn)化產(chǎn)品與轉(zhuǎn)化產(chǎn)品分離，得到轉(zhuǎn)化產(chǎn)品石腦油、航煤、柴油和作為乙烯裝置進料的尾油。

2.2 提取物流數(shù)據(jù)

利用Aspen Plus模擬SSOT裝置的工藝流程，得到了能量衡算和物料衡算數(shù)據(jù)，提取所需要的冷、熱物流數(shù)據(jù)見表1，公用工程的數(shù)據(jù)見表2和表3［13］。

圖1 SSOT裝置的工藝流程圖

3 SSOT裝置換熱網(wǎng)絡(luò)能量利用效率的分析研究

3.1 原始換熱網(wǎng)絡(luò)分析

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，在圖中繪制出冷、熱組合曲線，如圖2所示。

3.1.1 火積傳遞效率的分析

熱物流的火積量為2.132×107kW·K，冷物流的火積量為1.660×107kW·K，熱公用工程的火積量為4.414×106kW·K，冷公用工程的火積量為6.680×106kW·K，則火積回收為1.219×107kW·K，火積耗散為2.447×106kW·K，火積傳遞效率為57.18%。進一步對公用工程的火積傳遞效率，見表4、表5。

表1 工藝物流數(shù)據(jù)

表2 熱公用工程數(shù)據(jù)

表3 冷公用工程數(shù)據(jù)

表4 熱公用工程數(shù)據(jù)

表5 冷公用工程數(shù)據(jù)

由表4、表5可以看出HU1、HU3、CU6、CU7火積耗散率較大，分別為36.25%、35.36%、85.50%和68.97%。因此，為了提高火積傳遞效率，應(yīng)該主要減少這4個公用工程的火積耗散。

3.1.2 ?效率的分析

換熱網(wǎng)絡(luò)中的熱量?可以表示物流熱量的可用能，則?效率也能用來分析換熱網(wǎng)絡(luò)中的能量利用效率。

選取環(huán)境溫度為0=298.15 K，壓力=0.1013 MPa，通過計算可得熱物流的供給?為1.2712×104kW，冷物流需要的?為1.4279×104kW，熱公用工程?為1.214×104kW，冷公用工程的?為1.604×104kW，?損失6.251×103kW，?效率為59.62 %,?損率為40.38 %。

為了進一步確定換熱網(wǎng)絡(luò)中熱量損失最大的部位，可以計算公用工程的?效率和?損率，見表6、表7。

表6 熱公用工程數(shù)據(jù)

表7 冷公用工程數(shù)據(jù)

由表6、表7可以看出HU3、CU6、CU7?損率較大，分別為37.83%、17.98%和13.95%。因此，為了提高能量利用效率，應(yīng)該主要從減少這3個公用工程的?損失出發(fā)。

3.2 最大熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)分析

選取最小傳熱溫差Δmin=15 K，夾點溫度為410.5 K，熱公用工程用量為484.53 kW，冷公用工程為10 894.02 kW，節(jié)約公用工程為63.39%。并通過計算SSOT裝置的火積傳遞效率和?效率來評價換熱網(wǎng)絡(luò)的熱量利用情況。

3.2.1 火積傳遞效率的分析

熱公用工程的火積量為3.019×105kW·K，冷公用工程的火積量為3.855×106kW·K，則火積回收為1.630×107kW·K，火積耗散為1.167×106kW·K，火積傳遞效率為76.45%，節(jié)約公用工程52.53%。

3.2.2 ?效率的分析

熱物流的供給?為1.497×104kW，冷物流需要的?為1.299×104kW，熱公用工程?為7.497×103kW，冷公用工程的?為3.604×103kW，?損失2.583×103kW，?效率為83.31%,?損率為16.69%，節(jié)約公用工程60.61%。

4 結(jié)論

本文運用火積的概念，以最大能量回收為目標(biāo)，對SSOT實際生產(chǎn)裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率進行分析研究，并與?效率對比，得到的結(jié)論如下：

（1） 火積傳遞效率可以分析換熱網(wǎng)絡(luò)中的能量利用效率。換熱網(wǎng)絡(luò)中物流的火積量表示物流具有傳遞熱量的能力，則熱量是否被最大化利用可以計算 火積傳遞效率來評價。

（2） 火積傳遞效率和?效率都能分析換熱網(wǎng)絡(luò)的用能情況。案例中火積傳遞效率分析原始換熱網(wǎng)絡(luò)中有4個公用工程的火積耗散率較大，而?效率的結(jié)果為3個公用工程?損失率較大，則火積傳遞效率更加精確。另外，選取△min=15 K時，火積傳遞效率從57.18%增加到76.45%，?效率從59.62%增加到83.31%，說明兩個效率都能分析出網(wǎng)絡(luò)中能量的利用情況。

（3） ?效率從熱功轉(zhuǎn)換的角度考慮，火積傳遞效率從傳熱的角度考慮，對于分析換熱網(wǎng)絡(luò)中熱量的利用情況并不需要考慮做功問題，則火積傳遞效率更具有價值。

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Analysis on the Energy Utilization Efficiency of Heat Exchange Network in SSOT Unit based on Entransy

,

（Institute of Process System Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266042, China）

The concept of entransy can be used to describe the ability of an object to transfer heat, and the energy utilization efficiency based on entransy theory can be used as a basis for the rational use of heat. In this paper, a mathematical model of energy utilization efficiency of heat exchange networks (HENs) based on entransy was established, and the corresponding calculation procedure was put forward. With the aim of the maximum energy recovery, the energy utilization efficiency of the HEN in a single-stage once through hydrocracker (SSOT) unit was studied, and the rationality of the entransy transfer efficiency was verified. When the original HEN of SSOT unit was analyzed, the entransy dissipation rate value of HU1, HU3, CU6 and CU7 of utilities was bigger, which was 36.25%, 35.36%, 85.50% and 68.97% respectively. Based on the concept of exergy, the exergy loss rate value of HU3, CU6, CU7 of utilities was bigger, 37.83%, 17.98% and 13.95% respectively, so the entransy transfer efficiency was more accurate than the exergy efficiency. After selecting the minimum heat transfer temperature differencemin= 15 K, the entransy transfer efficiency increased from 57.18% to 76.45%, saving 52.53% of the utilities, the exergy efficiency increased from 59.62% to 83.31%, saving 60.61 % of the utilities. Thus, the entransy transfer efficiency can be used to analyze the energy utilization efficiency in the HENs.

Entransy; Energy utilization efficiency; Entransy transfer efficiency; Exergy efficiency

TQ 021.8

A

1671-0460（2017）12-2578-05

國家自然科學(xué)基金資助項目，項目號： 21406124。

2017-05-11

馮園麗（1992-），女，寧夏回族自治區(qū)銀川市人，碩士研究生，青島科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)，研究方向: 過程系統(tǒng)工程。E-mail：284399677@qq.com。

夏力（1981-），男，講師，博士，研究過程系統(tǒng)工程方向。E-mail：xiali9369b@126.com。