煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化技術及應用

劉殿棟　李晨光　朱賢琨　焦云強　王建平

【摘要】循環(huán)水系統(tǒng)是石化行業(yè)重要的公用工程，循環(huán)水系統(tǒng)的運行需要消耗大量的水源和電能。針對煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)普遍存在能耗大、運行不經濟等實際問題，為了滿足企業(yè)降低成本、節(jié)能降耗的目的，本文詳細分析了當前煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的影響因素，提出了煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化策略，建立了循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化模型，開展循環(huán)水系統(tǒng)的水量優(yōu)化、壓力優(yōu)化及節(jié)電優(yōu)化。實例分析結果表明，該策略減少了裝置的循環(huán)水用量，降低了循環(huán)水系統(tǒng)的運行壓力，節(jié)省了循環(huán)水系統(tǒng)的電力消耗，對煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化管理具有重要指導意義?！娟P鍵詞】循環(huán)水；系統(tǒng)；優(yōu)化；模型1、引言循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是石化行業(yè)重要的公用工程，其新鮮水補水量占企業(yè)用水量的35%左右，是石油化工領域用水量僅次于鍋爐補水的第二大用水系統(tǒng)[1]。循環(huán)水輸送和冷卻處理過程消耗大量的電能，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行電耗約占企業(yè)總用電量的20%-30%[2]，循環(huán)水系統(tǒng)是石化行業(yè)的耗電大戶。在石化煉油行業(yè)，企業(yè)的產能能否長期穩(wěn)定增長、裝置設備能否高效安全運行、產品質量能否合格有效，都直接取決于循環(huán)水冷卻水系統(tǒng)的運行質量情況。循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化是煉油企業(yè)節(jié)能降耗的重要內容，如何減少循環(huán)水系統(tǒng)的水耗與電耗已成為企業(yè)非常關注的問題，研究如何減少循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的能耗對企業(yè)有著重要的意義。因此，為提高循環(huán)水系統(tǒng)的能量利用水平，循環(huán)水系統(tǒng)的更新改造及其優(yōu)化運行勢在必行[3]。目前針對循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的主要集中在三個方面：第一方面集中在循環(huán)水泵、冷卻塔等單體設備的性能優(yōu)化；第二方面集中在裝置端循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水用量優(yōu)化；第三方面集中在包括冷卻塔、裝置用水單元在內的循環(huán)水系統(tǒng)集成優(yōu)化。這三方面的優(yōu)化雖然改善了系統(tǒng)設備的性能，降低了裝置的循環(huán)水用量，并且獲得了相對簡單的循環(huán)水網絡結構，但目前的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化主要集中在系統(tǒng)局部方面的研究，未考慮各用水設備所需的壓頭、裝置循環(huán)水管網的運行壓力、現(xiàn)場各用水設備的實際約束條件、循環(huán)水主管網的運行壓力，沒用開展包括裝置用水端、循環(huán)水管網、循環(huán)水供水端的全流程優(yōu)化，優(yōu)化方案脫離現(xiàn)場實際，與現(xiàn)場的實際應用存在一定的差距。本文針對現(xiàn)有技術的不足，提出了煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化策略，該策略綜合考慮了水流量平衡、熱量平衡、水冷器、循環(huán)水泵、冷卻塔風機、循環(huán)水管網、壓力、現(xiàn)場實際條件等多項因素，建立了循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化模型，對煉油企業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)進行包括節(jié)水、降壓、節(jié)電在內的全流程優(yōu)化，獲得更加切合煉油企業(yè)實際的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化方案，取得了良好的效果。2、循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化模型2.1 問題描述煉化企業(yè)當前大多數(shù)循環(huán)水系統(tǒng)為敞開式系統(tǒng)。如圖1所示，煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)由冷卻塔、泵、冷卻水池、用水裝置、工藝水冷器組成，循環(huán)水經用水裝置，由工藝裝置水冷器與工藝介質換熱升溫后，循環(huán)冷水變成循環(huán)熱水。循環(huán)熱水通過循環(huán)水管道進入冷卻塔冷卻降溫，冷卻的水進入冷卻塔水池，由冷卻塔水池進入冷水池。循環(huán)給水泵從冷水池自灌吸水加壓后，經循環(huán)給水管道輸送，供各裝置使用。循環(huán)水系統(tǒng)全流程優(yōu)化的目的是：根據(jù)各用水裝置的實際特點，考慮裝置的相關約束條件，以循環(huán)水用量最小為目標，建立各裝置循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化模型，確定各裝置循環(huán)水系統(tǒng)的水量優(yōu)化方案；在水量優(yōu)化的基礎上，根據(jù)各用水裝置的壓力特點，搭建循環(huán)水系統(tǒng)的全流程模型，對整個系統(tǒng)的設備和管網進行壓力核算，確定循環(huán)水系統(tǒng)的壓力優(yōu)化方案；在水量優(yōu)化和壓力優(yōu)化基礎上，針對循環(huán)水系統(tǒng)的運行需求，對用電設備進行操作調整與適應性改造，確定循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)電優(yōu)化方案。2.2 循環(huán)水系統(tǒng)水量優(yōu)化循環(huán)水量優(yōu)化是以裝置循環(huán)水用量最小為目標，建立循環(huán)水換熱網絡優(yōu)化模型，指導進行循環(huán)水網絡改造，獲得水量小、結構簡單的最佳網絡設計[4～8]。通過設定目標函數(shù)，確定與實際過程相應的約束條件，建立用水系統(tǒng)的數(shù)學優(yōu)化模型。通過求解該數(shù)學模型，就可以得到目標函數(shù)要求并滿足約束條件的用水網絡。2.2.1循環(huán)水用水網絡的超結構建立循環(huán)水用水網絡的超結構，需要把循環(huán)水用水網絡中的相關設備區(qū)分為水源和水阱。水源指提供循環(huán)水的設備，如冷卻塔。水阱指消耗循環(huán)水的設備，如裝置工藝水冷器。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，水冷器所需的冷卻水可以是冷卻塔的來水，也可以是其它任何水冷器的升溫后的冷卻水；水冷器升溫后所排的冷卻水，可以直接排放至冷卻塔，或者也可以排至其它任何水冷器，所以冷卻塔與水冷器即使水源又是水阱。煉油企業(yè)循環(huán)水用水網絡的超結構如圖2所示。在建立循環(huán)水用水網絡的超結構時，需先建立包括所有可能連接的初始網絡結構，然后通過優(yōu)化算法確定一個最優(yōu)的網絡結構。在尋求最優(yōu)網絡時，需建立與優(yōu)化問題相關的數(shù)學模型并選擇優(yōu)化算法進行計算。數(shù)學模型由目標函數(shù)和約束條件構成。目標函數(shù)一般選擇為成本最小化或效益最大化。約束條件需描述超結構中所有單元的物質和能量的衡算方程以及限制條件，并包括用整數(shù)變量表示某個過程或連接是否存在。超結構的主要特點就是建立水源到水阱之間的所有連接，由優(yōu)化模型決定最合適的供水路線和供水量。超結構方法的主要優(yōu)點在于：優(yōu)化計算中可以直接添加約束條件和改變優(yōu)化目標函數(shù)，并可同時獲得最優(yōu)的目標函數(shù)值和相應的優(yōu)化網絡[9]。2.2.2優(yōu)化模型根據(jù)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的超結構建模原理，以循環(huán)水用量最小為目標，綜合考慮水流量平衡、熱量平衡、水冷器進出口溫度、水冷器溫差、整數(shù)變量、現(xiàn)場實際條件等約束，建立循環(huán)水用水網絡優(yōu)化的數(shù)學模型，以獲得循環(huán)水量最小、網絡結構簡單的循環(huán)水用水網絡。求解模型，可以得到循環(huán)冷卻水量最少且結構簡單的循環(huán)冷卻水網絡。以上各式中：J，K為水冷器集合；水冷器的最小連接數(shù)；Ft，j 冷卻器j消耗的來自于冷卻塔的冷卻水流量；Fj，k 冷卻器k消耗的來自于冷卻器j的冷卻水流量；Fj，t 冷卻器j排向冷卻塔的冷卻水流量；Tt，out 冷卻塔的出口溫度；Tj，out 冷卻器j的出口溫度；Tk，out 冷卻器k的出口溫度；Tj，in 冷卻器j的進口溫度； 冷卻器j的極限進口溫度； 冷卻器j的極限出口溫度；U水冷器的最大冷卻水流量；Xt，j 0，1變量，表示冷卻器j是否使用來自于冷卻塔的冷卻水；Xj，k0，1變量，表示冷卻器j是否使用來自于冷卻器i的冷卻水；Xj，t0，1變量，表示冷卻器j是否向冷卻塔排水。2.3 循環(huán)水系統(tǒng)壓力優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)壓力優(yōu)化就是在水量優(yōu)化的基礎上，根據(jù)各用水裝置的壓力特點，搭建循環(huán)水系統(tǒng)的全流程模型，對整個系統(tǒng)的設備和管網進行壓力核算，確定循環(huán)水系統(tǒng)的壓力優(yōu)化方案，降低整個循環(huán)水系統(tǒng)的運行壓力。循環(huán)水系統(tǒng)壓力優(yōu)化包括以下步驟：（1） 在水量優(yōu)化的基礎上，基于Aspen流程模擬軟件搭建包括循環(huán)水泵、循環(huán)水管網、裝置用水設備以及從裝置出口至冷卻塔的循環(huán)水系統(tǒng)全流程模型；（2） 根據(jù)搭建的全流程模型，對各用水設備所需的壓頭與循環(huán)水泵所供的壓頭以及各裝置循環(huán)水出口的壓頭與循環(huán)水場冷卻塔所需的壓頭進行對比核算，并對各裝置的循環(huán)水管網進行壓力等級分類；（3） 根據(jù)各裝置循環(huán)水管網的壓力等級分布情況，將循環(huán)水主管網分為高壓區(qū)和低壓區(qū)，實行高壓高供，低壓低供，對循環(huán)水進行梯級利用。同時，針對較高平臺上的水冷器，采用單獨管道泵提升壓力，以降低循環(huán)水系統(tǒng)的供水壓力。2.4 循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)電優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)電優(yōu)化就是在壓力優(yōu)化和水量優(yōu)化的基礎上，搭建循環(huán)水系統(tǒng)的全流程模型，針對優(yōu)化后循環(huán)水系統(tǒng)的運行需求，對用電設備進行操作調整與適應性改造，確定循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)電優(yōu)化方案。循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)電優(yōu)化包括以下步驟： （1） 在水量優(yōu)化和壓力優(yōu)化的基礎上，搭建包括循環(huán)水給水系統(tǒng)、裝置循環(huán)水系統(tǒng)、循環(huán)水回水系統(tǒng)在內的循環(huán)水系統(tǒng)全流程模型；（2） 根據(jù)搭建的全流程模型，根據(jù)循環(huán)水主管網所需的壓力及循環(huán)水量與循環(huán)水泵的實際壓頭和流量進行對比核算，同時對優(yōu)化后的循環(huán)水用量與冷卻塔的實際處理量進行對比核算；（3） 根據(jù)核算情況，對系統(tǒng)的重點用電設備循環(huán)水泵及冷卻塔進行操作調整與適應性改造，以滿足優(yōu)化后循環(huán)水系統(tǒng)的運行需求。3、實例研究某煉油企業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程圖和循環(huán)水管網示意圖分別如圖3和圖4所示。該循環(huán)水場為12套生產裝置的換熱設備提供配套循環(huán)冷卻水。循環(huán)水場設計規(guī)模為18000m3/h，配備處理量為4500t/h的風機冷卻塔4座，供水量為4500t/h的循環(huán)水泵5臺。3.1 水量優(yōu)化基于上述水量優(yōu)化述思路，對該循環(huán)水系統(tǒng)進行水量優(yōu)化，大大降低了裝置的循環(huán)水用量。由于系統(tǒng)內裝置較多且內部循環(huán)水管網復雜，裝置內部循環(huán)水系統(tǒng)的水量優(yōu)化方案在此不再敘述。各裝置的循環(huán)水節(jié)水量統(tǒng)計如表1所示。裝置3、裝置4、裝置10、裝置11、裝置12中水冷器的進回水溫差較大，基本上無水量優(yōu)化的空間。優(yōu)化后的系統(tǒng)每小時節(jié)約循環(huán)水2110.84噸，節(jié)水率達16%。裝置端水量優(yōu)化減少了系統(tǒng)的循環(huán)水用量，降低了循環(huán)水系統(tǒng)的運行成本，為循環(huán)水系統(tǒng)帶來了效益，實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能增效的目標。水量優(yōu)化所帶來的效益主要體現(xiàn)在循環(huán)水用量的減少，節(jié)省了循環(huán)水泵和冷卻塔風機的電耗，節(jié)省的電耗主要來自于少處理節(jié)約的這部分循環(huán)水的電力消耗，為循環(huán)水場的機泵節(jié)電帶來了直接的經濟效益。3.2壓力優(yōu)化基于壓力優(yōu)化思路，搭建整個循環(huán)水系統(tǒng)的流程模型，對整個系統(tǒng)的設備和管網進行壓力核算，通過以下措施對該循環(huán)水場進行壓力優(yōu)化：1） 對各裝置的循環(huán)水管網進行了壓力等級分類，將各個用水裝置的循環(huán)水管網分為高壓區(qū)和低壓區(qū)，將循環(huán)水給水主管網用閥門分隔為高壓供水管網與低壓供水管網；2） 根據(jù)各裝置循環(huán)水系統(tǒng)的壓力需求，循環(huán)水主管網高壓區(qū)的供水壓力保持原來的0.5Mpa不變，循環(huán)水主管網低壓區(qū)的供水壓力由原來的0.5MPa減小為0.4Mpa；3） 將各裝置出口的循環(huán)水回水壓力由原來的0.22MPa降低到0.15Mpa，以滿足冷卻塔的運行需求。由于循環(huán)水系統(tǒng)內的裝置較多，且各裝置內部循環(huán)水管網復雜，裝置內部循環(huán)水系統(tǒng)的壓力優(yōu)化方案在此不再敘述。壓力優(yōu)化后循環(huán)水系統(tǒng)的主管網如圖5所示，從圖5可以看出，優(yōu)化后的循環(huán)水系統(tǒng)充分利用了原來的循環(huán)水管線，在盡量不改動原有循環(huán)水管網的基礎上，新增兩個閥門將循環(huán)水給水系統(tǒng)分隔為虛線表示的高壓循環(huán)水系統(tǒng)和實線表示的低壓循環(huán)水系統(tǒng)，同時新增兩條高壓輸水管線和一條低壓輸水管線以保證循環(huán)水系統(tǒng)高壓區(qū)與低壓區(qū)循環(huán)水的正常供應。3.3節(jié)電優(yōu)化基于節(jié)電優(yōu)化思路，搭建循環(huán)水系統(tǒng)的全流程模型，針對優(yōu)化后循環(huán)水系統(tǒng)的運行需求，對用電設備進行操作調整與適應性改造。根據(jù)水量優(yōu)化及壓力優(yōu)化的結果，循環(huán)水主管網可分為高壓管網和低壓管網，利用原來的一臺循環(huán)水泵向高壓管網供水。同時，對兩臺循環(huán)水泵進行葉輪切削改造，將這兩臺循環(huán)水泵的工作壓力由0.5 MPa降低為0.4 MPa，由改造過的兩臺循環(huán)水泵向低壓管網供水，這將大大降低循環(huán)水泵的電耗，節(jié)省了循環(huán)水系統(tǒng)的電力運行成本，每年可節(jié)電耗216.24×104 kW·h，節(jié)約電費123.69萬元。剩下的兩臺循環(huán)水泵作為備用，在非正常工況下系統(tǒng)循環(huán)水出現(xiàn)嚴重不足時，可對循環(huán)水系統(tǒng)進行補水，保證整個循環(huán)水系統(tǒng)的正常運行。4、結論本文針對目前循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化技術研究的不足，提出了煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化策略，該策略綜合考慮了水流量平衡、熱量平衡、水冷器、循環(huán)水泵、冷卻塔風機、循環(huán)水管網、壓力、現(xiàn)場實際條件等多項因素，建立了循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化模型，對煉油企業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)進行包括節(jié)水、降壓、節(jié)電在內的全流程優(yōu)化。案例分析結果表明，該策略實現(xiàn)了循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化，對比原始的循環(huán)水系統(tǒng)，優(yōu)化后的循環(huán)水系統(tǒng)有效的降低了系統(tǒng)的運行成本，為企業(yè)帶來了良好的經濟效益和節(jié)能效果。參考文獻：[1] 陳應新. 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的工業(yè)應用[J]. 石化技術， 2005， 12（2）： 44.[2] 鄭雪松， 馮霄， 沈人杰. 具有最簡結構水回用網絡的優(yōu)化[J]. 高校化學工程學報， 2006， 20（4）：622-627.[3] 李友松，江萍.煉油工藝過程節(jié)水的研究與應用效果[J].化工進展，2009，28（增）：21-23.[4] MAJOZI T，MOODLEY A.Simultaneous Targeting and Design for Cooling Water Systems with Multiple Cooling Water Supplies[J].Computers and Chemical Engineering，2008，32（3）：540-551.[5] 丁力，鄢烈祥，史彬等.冷卻塔水循環(huán)系統(tǒng)的集成優(yōu)化[J].計算機與應用化學，2010，27（11）：1469-1472.[6] 馮霄，雷哲，沈人杰.基于數(shù)學規(guī)劃法的循環(huán)冷卻水網絡的優(yōu)化[J].華北電力大學學報，2012，39（1）：33-36.[8] 梁偉，苗磊，張洪林等.水網絡設計優(yōu)化軟件在工業(yè)節(jié)水中的應用[J].礦冶，2006，15（4）：65-68.[9] 關新虎，焦云強，李晨光等.一種工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化方法：中國，104680247 A[P]，2015-06-03.