氣體多級(jí)壓縮過(guò)程?經(jīng)濟(jì)分析優(yōu)化

郭偉新，陸航宇，萬(wàn)向成，張冰劍，陳清林

(中山大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，廣東省石化過(guò)程節(jié)能工程技術(shù)研究中心，廣州 510275)

1 能量系統(tǒng)流計(jì)價(jià)

EUi=EPi-Ehi-(DKU+DJU)

(1)

能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的費(fèi)用平衡方程為：

cUi×EUi+cDi×EDi+cBi×EBi=
cPi×EPi+βj×ZUj

(2)

cU，n×EU，n=cP，n×EP，n+βn×ZU，n

(3)

cP×EP，n+βn×ZU，n>cP×EP，n+1+
βn+1×ZU，n+1

(4)

2 多級(jí)壓縮過(guò)程經(jīng)濟(jì)分析優(yōu)化

2.1 設(shè)備投資費(fèi)用模型

多級(jí)壓縮過(guò)程流程選擇必須比較不同工藝過(guò)程所涉及的費(fèi)用情況，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)化。壓縮機(jī)與換熱器的工藝參數(shù)及設(shè)備投資費(fèi)用相關(guān)參數(shù)見表1[13]。

表1 設(shè)備投資費(fèi)用相關(guān)參數(shù)

單元設(shè)備投資成本模型如下：

(5)

式中：CA為負(fù)荷為QA的設(shè)備在A年的費(fèi)用，元；CB為負(fù)荷為QB的設(shè)備在B年的基礎(chǔ)費(fèi)用，元；M為設(shè)備成本指數(shù)常數(shù)；IAIB表示不同年份設(shè)備成本指數(shù)比，IB取2000年設(shè)備成本指數(shù)435.8。基于近年來(lái)設(shè)備成本指數(shù)變化情況，推測(cè)2018年的成本指數(shù)為554.9[14]。

整個(gè)工藝的固定投資費(fèi)用包括直接費(fèi)用和間接費(fèi)用，采用設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用乘以其安裝因數(shù)估算，即：

(6)

式中：CF為固定投資總費(fèi)用,萬(wàn)元a；CA，l為設(shè)備l在A年的費(fèi)用，元；fl為設(shè)備l的安裝因數(shù)。

多級(jí)壓縮工藝設(shè)置級(jí)間冷卻器，冷卻器投資費(fèi)用也需考慮。換熱面積是決定換熱器投資費(fèi)用的關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)總傳熱速率方程估算[15]，即

Q=K×A×Δtlm

(7)

(8)

式中：Δtlm為換熱器進(jìn)、出口處的對(duì)數(shù)平均溫差，℃；Δt1為熱流進(jìn)口端與冷流出口端溫差，℃；Δt2為熱流出口端與冷流進(jìn)口端溫差，℃；Q，K，A分別表示換熱器的傳熱量(W)、總換熱系數(shù)[W(m2·℃)]及總換熱面積(m2)。

對(duì)于兩流體的換熱，其總換熱系數(shù)可表示為：

(9)

式中，K1、R1與K2、R2分別為流體1與流體2的換熱系數(shù)[W(m2·℃)]和污垢熱阻(m2·℃W)。

所需冷卻介質(zhì)的質(zhì)量流率可通過(guò)熱量計(jì)算方程估算，即：

Q=C×m×ΔT

(10)

式中，C，m，ΔT分別為冷卻介質(zhì)的比熱容[kJ(kg·℃)]、質(zhì)量(kg)及始末溫度差(℃)。

由于實(shí)際工業(yè)多級(jí)壓縮過(guò)程通常采取平均分配壓縮比，各級(jí)間的能耗與出口溫度差別不大，所以多級(jí)壓縮過(guò)程設(shè)備固定投資總費(fèi)用CF可表示為：

(11)

式中：上標(biāo)Ml為設(shè)備l的設(shè)備成本指數(shù)；re為美元對(duì)人民幣的匯率。設(shè)備固定投資費(fèi)用的折舊率β可表示為：

(12)

式中：ra為年利率；d為折舊年限。

年度過(guò)程投資費(fèi)用β×ZU可表示為：

β×ZU，n=CF，n×β+CH2O，n

(13)

式中，CH2O為年度循環(huán)冷卻水費(fèi)用，萬(wàn)元a。

2.2 設(shè)備投資與能耗費(fèi)用分析

通過(guò)壓縮過(guò)程能耗與過(guò)程投資費(fèi)用權(quán)衡，優(yōu)化壓縮過(guò)程級(jí)數(shù)。取循環(huán)冷卻水側(cè)的傳熱膜系數(shù)為6 000 W(m2·℃)，污垢熱阻為2.6×10-4m2·℃W，粗裂解氣側(cè)的傳熱膜系數(shù)為300 W(m2·℃)，污垢熱阻為3.0×10-4m2·℃W，由式(9)可估算出粗裂解氣壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器總傳熱系數(shù)K值為246.3 W(m2·℃)。

設(shè)壓縮機(jī)級(jí)間冷卻時(shí)循環(huán)冷卻水進(jìn)、出口溫度分別為30 ℃和40 ℃，水的比熱容為4.2 kJ(kg·℃)，結(jié)合文獻(xiàn)[8]換熱器熱負(fù)荷值與式(7)～式(10)，計(jì)算得到不同壓縮級(jí)數(shù)下氣體壓縮過(guò)程中的壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器總換熱面積及其所需冷卻水的質(zhì)量流率，估算結(jié)果見表2。

表2 不同壓縮級(jí)數(shù)下壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器總負(fù)荷、總換熱面積及循環(huán)冷卻水用量

設(shè)年利率為0.05，設(shè)備折舊期為15年，年操作時(shí)間以8 000 h計(jì)，循環(huán)冷卻水價(jià)格為0.4元t[16]，取2018年平均美元對(duì)人民幣的匯率為1美元=6.7元，結(jié)合式(5)、式(6)以及式(11)～式(13)，得到不同壓縮級(jí)數(shù)下氣體壓縮過(guò)程中的年度過(guò)程投資費(fèi)用及在不同供入價(jià)下壓縮27.5 th粗裂解氣至2.7 MPa(絕壓)的相關(guān)費(fèi)用，估算結(jié)果見表3。

表3 不同壓縮級(jí)數(shù)下粗裂解氣壓縮過(guò)程費(fèi)用

圖1 不同壓縮級(jí)數(shù)的年度總費(fèi)用供入價(jià)，元(kW·h)： —0.4； —0.7； —1.0

2.3 最優(yōu)壓縮級(jí)數(shù)分析

3 結(jié) 論