劉朋標(biāo) 張樹青 楊桂春 崔 宇 敖 晗 沈 洋
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夾點技術(shù)作為換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的指導(dǎo)思想,已廣泛應(yīng)用于煉油、石油化工、化學(xué)工業(yè)、能源等領(lǐng)域。特別是在“雙碳”目標(biāo)的背景下,對節(jié)能降耗具有更重大的意義。煉油企業(yè)通過采用夾點分析進(jìn)行過程能量綜合優(yōu)化改造,特別是針對原油蒸餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計或改造,獲得了巨大的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1]。由于夾點技術(shù)是針對某一設(shè)計工況或已確定的工藝條件進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計,未考慮到換熱器換熱能力的影響,因此,對已存在的換熱網(wǎng)絡(luò)很難進(jìn)行運行初期、運行后期、原油發(fā)生較大變化、操作條件變化、換熱器故障等情況的及時、有效、系統(tǒng)性的分析,也無法判斷實際運行中是否會有逆向傳熱發(fā)生。
為解決上述問題,本文采用SIMSCI PROII 10.2軟件對常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬,從而實現(xiàn)對已存在換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性的分析。該方法對可能發(fā)生的情況能進(jìn)行預(yù)判,并制定出相應(yīng)的調(diào)節(jié)手段,對指導(dǎo)工程設(shè)計、實際操作調(diào)優(yōu)和故障診斷具有重要意義。
換熱器是換熱網(wǎng)絡(luò)的基本單元,計算結(jié)果是否正確直接影響到換熱網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。而換熱器的計算又與介質(zhì)物性、換熱器型式和結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。下面分別對物性計算和換熱器傳熱計算進(jìn)行分析。
PROII軟件依靠其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫,在常減壓裝置模擬中得到廣泛應(yīng)用。通常只要正確輸入原油基本參數(shù)和選用合理的物性方法,原油及餾分油的大部分性質(zhì)都可以得到準(zhǔn)確的模擬。但由于原油評價中缺少高溫段的粘度,其外推計算出的重油粘度偏差較大,因此,需要校正。
PROII軟件中的嚴(yán)格換熱器模塊(Rigorous HX)可用于換熱器核算,并對換熱效果進(jìn)行預(yù)測。該換熱器模塊中管側(cè)傳熱系數(shù)采用通用的計算模型。殼側(cè)傳熱模型詳見關(guān)聯(lián)式(1),可用于殼側(cè)單相和兩相(Chen或HEX5方法)流體的傳熱計算。
h=hidealJcJlJbJsJr
(1)
式中,h為殼側(cè)平均傳熱系數(shù),W/(m2·K);hideal為殼側(cè)理想管排的傳熱系數(shù),W/(m2·K);Jc為折流板缺口和間距校正系數(shù);Jl為折流板漏流校正系數(shù);Jb為管束旁路流動校正系數(shù);Js為出入口折流板間距校正系數(shù);Jr為逆向溫度梯度校正系數(shù)。
同時,該換熱器模塊可采用BBM、HEX5或BBMHV模型用于管側(cè)壓力降計算;采用Bell或Stream模型用于殼側(cè)壓力降計算。
為了驗證PROII嚴(yán)格換熱器模塊傳熱計算的準(zhǔn)確性,將某常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)中的所有換熱器均與廣泛采用的HTRI 8.1軟件計算結(jié)果進(jìn)行對比,見表1。
表1 PROII10.2和HTRI 8.1軟件管殼式換熱
結(jié)果發(fā)現(xiàn),在相同的工藝條件和換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)下,換熱后的物流溫度相差大約2℃。雖然該模塊與專業(yè)的換熱器計算軟件HTRI還有一定差距,但作為非專業(yè)軟件計算出的結(jié)果還是令人滿意的。傳熱和壓力降計算結(jié)果相差也不大。
由于嚴(yán)格換熱器模塊中只有單弓板、雙弓板、NTIW、無折流板四種型式,使得常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬工作受到一定的約束。例如,在常減壓蒸餾裝置中,為了殼側(cè)強(qiáng)化傳熱和降低結(jié)垢風(fēng)險,在換熱網(wǎng)絡(luò)中采用大量的螺旋折流板換熱器[2]。而PROII模塊中并沒有這種型式的折流板。因此,可采用HelixTool程序[3]計算殼側(cè)傳熱系數(shù)和壓力降,然后將計算結(jié)果輸入到嚴(yán)格換熱器模塊中,從而實現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬。由于網(wǎng)絡(luò)中均為液液換熱,物性變化相對較小,因此,循環(huán)計算的工作量并不大。也可以將螺旋折流板的計算方法輸入到PROII中,進(jìn)而減少重復(fù)計算的工作量。
另外,為了減少占地和降低投資,常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)中也會采用全焊接的板式換熱器,可以采用螺旋折流板換熱器類似的處理方法進(jìn)行模擬。
常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)模擬是一個復(fù)雜的計算過程,考慮到客觀因素的影響,需做如下假設(shè)和簡化:
(1)模擬過程為穩(wěn)態(tài)模擬。
(2)傳熱過程中無熱量損失。
(3)考慮重油粘度需要校正,不能直接采用流程模擬中的結(jié)果,亦無法與常壓塔和減壓塔聯(lián)立計算。但換熱網(wǎng)絡(luò)與初餾塔、常壓塔和減壓塔又有著密切的聯(lián)系。例如,常壓塔和減壓塔的中段換熱,熱物流從塔中抽出,與初底油、脫后原油和脫前原油經(jīng)過一系列換熱冷卻后又返回到塔內(nèi),換熱網(wǎng)絡(luò)既影響著塔的操作,又被塔所影響。同時,對于已存在的常壓塔和減壓塔,換熱段塔盤數(shù)或填料高度已經(jīng)確定,塔內(nèi)實際接觸的換熱效果也需額外進(jìn)行核算,整個過程過于復(fù)雜,因此,假設(shè)初底油和熱物流起始溫度不變,且物性不受塔的影響。
(4)常一線再沸器為熱虹吸式再沸器,循環(huán)量隨著熱負(fù)荷的變化而變化,而流量的變化又影響到傳熱系數(shù),進(jìn)而影響到換熱能力和塔的操作??紤]到該再沸器加熱介質(zhì)為常三線,且為常三線經(jīng)過的第一臺換熱器。因此,將該換熱器排除在網(wǎng)絡(luò)模擬之外,并不會影響到模擬結(jié)果,因此,將常三線離開再沸器的溫度作為起始溫度。
(5)脫前原油進(jìn)入換熱網(wǎng)絡(luò)后,首先由初頂油氣和常頂油氣加熱,考慮初餾塔和常壓塔的操作穩(wěn)定,通常會有一些控制手段,可認(rèn)為脫前原油加熱后的溫度為定值。另外,由于這兩個位號的換熱器與網(wǎng)絡(luò)中其它換熱器并無相互交叉的換熱關(guān)系,也可使用換熱器軟件核算后確定脫前原油的溫度。
換熱網(wǎng)絡(luò)除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜外,為保證裝置操作的穩(wěn)定性,網(wǎng)絡(luò)中會設(shè)有一些控制方案。在模擬時應(yīng)根據(jù)實際情況予以考慮。例如,減壓塔中段常采用溫度-流量串級控制,中段循環(huán)量可能會變化。
以某廠常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)為例。換熱網(wǎng)絡(luò)采用4-4-4結(jié)構(gòu),即脫前原油4路,脫后原油4路,初底油4路,流程示意圖,見圖1。
圖1 常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)流程示意圖
為了滿足裝置對原油變化的適應(yīng)性,通常在設(shè)計時,單元設(shè)備均會留有一定的余量。換熱器的面積余量會使冷物流被加熱到更高的溫度,熱物流被冷卻到更低的溫度。同時,網(wǎng)絡(luò)中冷熱物流的流量也會根據(jù)控制方案發(fā)生一定的變化,為了保證部分物流的換熱溫度,會通過副線調(diào)節(jié)流量,使其繞過換熱器以便重新分配熱量。能夠滿足換熱溫度的調(diào)節(jié)手段很多,表2列出了一種調(diào)節(jié)方法的換熱結(jié)果,并與設(shè)計值進(jìn)行對比。
表2 冷熱物流設(shè)計溫度與模擬溫度的對比
從表2中可以看出:①常頂循、常一中和常二中設(shè)計與模擬的終了溫度相同,主要是因為采用了換熱器出口溫度旁路控制方案;②常頂循副線流量約為總量的20%,常一中副線流量約為總量的28%,常二中副線流量約為總量的62%。而減一中、減二中和減渣急冷油的返塔溫度發(fā)生了變化,主要是因為減壓塔采用了溫度-流量串級控制,中段循環(huán)量發(fā)生了變化;③模擬結(jié)果顯示,減一中循環(huán)量增加約5%,減二中循環(huán)量降低約2%,減渣急冷油循環(huán)量降低約為5%。同時,脫前原油換熱后的溫度提高到了140.7℃,經(jīng)過電脫鹽罐后,溫度降至137.8℃進(jìn)入初餾塔。初底油經(jīng)換熱后,最終溫度達(dá)到319.2℃。與設(shè)計值相比,脫前原油、脫后原油和初底油的換熱溫度均高于設(shè)計值。
換熱器留有的面積余量降低了換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點溫差,本案例夾點溫差由23℃降至16.1℃,從而提高了換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱終溫,組合曲線詳見圖2。通常,換熱器的面積余量越大,換熱終溫越高,但設(shè)備投資也會相應(yīng)增大,同時會使實際操作條件偏離設(shè)計值。換熱器余量過大會導(dǎo)致副線流量增加,換熱器內(nèi)的流量減小,流速降低,進(jìn)而增加換熱器結(jié)垢的風(fēng)險??梢姡瑩Q熱網(wǎng)絡(luò)中換熱器的設(shè)計余量不宜太大。
圖2 組合曲線
PROII軟件模擬常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)不僅可用于已存在的換熱網(wǎng)絡(luò)分析、調(diào)優(yōu)和故障診斷,也可用于
新建網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、控制方案的制定和設(shè)計條件的確定等。雖然該方法的應(yīng)用受到一些條件的約束,也可能離實際情況還是有些差別,但也為設(shè)計和操作人員提供了一種行之有效的方法,可在今后的工作中結(jié)合實際情況不斷改進(jìn)和完善。