基于夾點(diǎn)分析技術(shù)的常減壓塔換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

＊陳飛 劉紀(jì)昌* 趙基鋼 張基山 張健

（1.新疆石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 新疆 832003 2.化工綠色過程兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 新疆 832003 3.華東理工大學(xué)化工學(xué)院 上海 200237 4.新疆佳宇恒能源科技有限公司 新疆 834018）

引言

石油煉制工業(yè)是一個(gè)高耗能的行業(yè)，其中常減壓裝置是煉油行業(yè)最耗能的裝置之一，能耗約占到煉油廠總耗能的30%[1-3]。因此降低常減壓裝置能耗對煉油行業(yè)的節(jié)能具有非常重要的意義。某煉廠常減壓蒸餾的渣油通過丙烷脫瀝青裝置加工可獲得輕脫油，經(jīng)加氫精制后可獲得高附加值的高黏低凝BS光亮油。由于BS光亮油受原料和加工技術(shù)的制約，長期處于供不應(yīng)求的局面，為提高該煉廠光亮油收率并降低裝置的能耗，需要對常減壓蒸餾裝置等換熱設(shè)備網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。為解決實(shí)際生產(chǎn)中常減壓裝置換熱網(wǎng)絡(luò)換熱效率不高導(dǎo)致的相鄰側(cè)線產(chǎn)品之間重疊餾分較多，各側(cè)線不能按照設(shè)計(jì)值出產(chǎn)品的問題，故結(jié)合已報(bào)道常減壓設(shè)備的節(jié)能措施來提高現(xiàn)有裝置的生產(chǎn)能力[4-6]。目前，國內(nèi)部分煉油廠的常減壓塔換熱網(wǎng)絡(luò)僅考慮到生產(chǎn)工藝流程，未能充分挖掘換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱潛能，導(dǎo)致?lián)Q熱終溫偏低，后續(xù)還需通過加熱爐來提高換熱終溫，不符合工業(yè)裝置節(jié)能降耗能的“雙碳計(jì)劃”理念[7]。近年來，很多煉油廠通過采用先進(jìn)的工藝技術(shù)及高效的生產(chǎn)設(shè)備有效降低了裝置的能耗，其中提高常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱效率是非常重要的途徑。

1.常減壓塔工藝流程者圖

某煉油廠450kt/a級(jí)常減壓蒸餾裝置的產(chǎn)品主要用于生產(chǎn)柴油、變壓器油及瀝青等。原油、脫鹽原油與常減壓塔頂、塔底和側(cè)線產(chǎn)品的換熱網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。常壓塔的處理量為450kt/a，回流比為5.31，操作壓力為270kPa。常壓塔中部設(shè)有一個(gè)中段循環(huán)，底部通入水蒸汽，減壓塔底部無汽提蒸汽輸入。

圖1 常減壓裝置工藝流程圖

圖2 初始換熱網(wǎng)絡(luò)

2.換熱網(wǎng)絡(luò)物性數(shù)據(jù)

本文根據(jù)煉廠的實(shí)際生產(chǎn)工況，對常減壓塔的生產(chǎn)流程進(jìn)行分析，換熱網(wǎng)絡(luò)共有熱物流12股，冷物流（原油和脫鹽原油）2股。利用原油評價(jià)數(shù)據(jù)及常減壓塔工藝流程數(shù)據(jù)，借助Aspen Plus過程模擬軟件對常減壓塔流程進(jìn)行模擬，提取常減壓塔各產(chǎn)品的換熱相關(guān)參數(shù)（初始溫度、目標(biāo)溫度、流量及熱量等），如表1所示。在模擬過程中為計(jì)算方便對工藝流程進(jìn)行必要的簡化，該換熱網(wǎng)絡(luò)公用工程為加熱爐、冷卻水及導(dǎo)熱油。

表1 常減壓裝置流股的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)

目前該煉廠在生產(chǎn)過程中面臨的問題是常壓操作單元的常三線及減壓操作單元的減二、三、四線及減底油（瀝青）不能按照設(shè)計(jì)值正常出油，造成該現(xiàn)象的主要原因是原油經(jīng)過換熱網(wǎng)絡(luò)后沒有與各側(cè)線高溫流股進(jìn)行充分換熱，導(dǎo)致原油進(jìn)入常減壓塔溫度比設(shè)計(jì)值低。如表2所示，常三線的設(shè)計(jì)值為3123.0kg/h，而現(xiàn)場實(shí)際出油量為5000.0kg/h，偏差達(dá)到了60.1%，常三線的產(chǎn)品與常底油重疊餾分過多，導(dǎo)致相應(yīng)側(cè)線抽出油品的質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。由于該煉廠的常減壓塔換熱流程存在瓶頸，脫鹽原油進(jìn)入常壓塔的溫度偏低，需要額外消耗大量的燃料增加生產(chǎn)成本。而通過Aspen Energy Analyzer軟件來分析計(jì)算該換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)溫度（pinch point），通過調(diào)整夾點(diǎn)位置和夾點(diǎn)溫度來優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，可提高原油的換熱終溫，降低公用工程用量。

表2 常減壓塔生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)分析

3.常減壓塔換熱網(wǎng)絡(luò)用能現(xiàn)狀分析

利用Aspen plus軟件可以模擬該煉廠原油加工流程及相應(yīng)的換熱網(wǎng)絡(luò)，從對單臺(tái)設(shè)備的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化發(fā)展到整個(gè)系統(tǒng)的集成優(yōu)化[8]。目前在換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中應(yīng)用最廣泛的是Linnhoff等[9]提出的夾點(diǎn)理論，應(yīng)用該理論時(shí)要求在換熱網(wǎng)絡(luò)中的冷熱物流必須遵循以下兩個(gè)可行性規(guī)則：（1）夾點(diǎn)上方不能引入冷公用工程，夾點(diǎn)下方不能引入熱公用工程；（2）不能有跨越夾點(diǎn)的物流[10]。利用夾點(diǎn)溫度來指導(dǎo)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化能夠最大程度地回收系統(tǒng)的能量，最大限度降低公用工程的消耗[11]。在公用工程用量一定的條件下，最大限度減少設(shè)備總數(shù)和換熱面積，降低投資費(fèi)用。

將各側(cè)線產(chǎn)品的初始溫度、換熱終點(diǎn)溫度及熱容、流量等輸入到Aspen Energy Analyzer軟件，通過分析該換熱網(wǎng)絡(luò)的溫焓圖、總組合曲線來確定夾點(diǎn)溫度。為保證換熱網(wǎng)絡(luò)的能量回收達(dá)到最大值，換熱網(wǎng)絡(luò)模擬過程中最小夾點(diǎn)溫差△Tmin的選取非常關(guān)鍵[12]。根據(jù)國內(nèi)外煉油企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)值，換熱網(wǎng)絡(luò)的最小夾點(diǎn)溫差△Tmin在20.0～40.0℃的范圍為宜[13]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法確定該常減壓塔換熱網(wǎng)絡(luò)△Tmin為25.0℃。

(1)換熱網(wǎng)絡(luò)分析

該常減壓塔改造前的換熱網(wǎng)絡(luò)共有24組換熱器，其中10組換熱器直接與原油、脫鹽原油流股之間進(jìn)行換熱，其余14組換熱器不參與流股間的換熱，只為冷公用工程換熱使用。為優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，簡化換熱流程，在建立換熱網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)重點(diǎn)關(guān)注油品流股之間進(jìn)行換熱的換熱器。在該換熱網(wǎng)絡(luò)中減二線、減三線都存在中段循環(huán)，上述中段循環(huán)流股在與原油、脫鹽原油進(jìn)行換熱后返回塔內(nèi)，為簡化換熱網(wǎng)絡(luò)將減二中循環(huán)、減三中循環(huán)分別歸屬到減二線與減三線流股中。該換熱網(wǎng)絡(luò)的冷熱公用工程分別為冷卻水、導(dǎo)熱油及加熱爐。

(2)換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析

通過調(diào)整夾點(diǎn)位置和夾點(diǎn)溫度優(yōu)化常減壓塔的換熱網(wǎng)絡(luò)，可以提高脫鹽原油的換熱終溫，降低加熱爐負(fù)荷。初始工況下，原油經(jīng)換熱后從85.0℃提高到167.0℃，進(jìn)入初餾塔進(jìn)行分離，再通過脫鹽泵處理得到脫鹽原油，與常減壓塔的高溫位熱源進(jìn)行換熱加熱到288.0℃，再經(jīng)常壓爐加熱到375.0℃。將表1中各流股物流數(shù)據(jù)輸入Aspen Energy Analyzer軟件計(jì)算分析該換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)溫度為301.0℃（熱流體溫度為313.5℃，冷流體溫度為288.5℃），熱公用工程為1992.5kW，冷公用工程為4636.0kW，如表3所示。

表3 換熱網(wǎng)絡(luò)體系的冷熱公用工程用量（kW）

將表1中的各流股數(shù)據(jù)輸入到Aspen Energy Analyzer軟件中，利用Aspen pinch繪制出該換熱網(wǎng)絡(luò)在△Tmin=25℃時(shí)的冷熱組合曲線溫焓圖（如圖3所示紅色曲線為熱流股的組合曲線圖，藍(lán)色曲線為冷流股的組合曲線圖）。圖4為換熱網(wǎng)絡(luò)的總組合曲線。

圖3 組合曲線溫焓圖

圖4 總組合曲線圖

4.改進(jìn)優(yōu)化方案與經(jīng)濟(jì)性分析

優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)的過程必須遵循夾點(diǎn)溫度規(guī)則，換熱流股不能跨越換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)。優(yōu)化常減壓裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)是降低公用工程用量，以獲得最小的能源消耗，提高換熱網(wǎng)絡(luò)能量的利用率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

(1)消除跨越夾點(diǎn)的換熱物流

通過夾點(diǎn)分析可知，該換熱網(wǎng)絡(luò)中原油與常三線、減底油之間的換熱器E4及E5、脫鹽原油與一中循環(huán)、減二線之間的換熱器E6及E7之間的換熱跨越夾點(diǎn)溫度（301.0℃），不符合換熱規(guī)則，上述四組換熱器是此次換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重點(diǎn)。

①原油首先通過換熱器E1與減一線進(jìn)行一次換熱后溫度升高至107.5℃，繼續(xù)與常二線、常三線及減底油分別通過E3、E4及E5進(jìn)行換熱（如圖5（a）所示）。由于原油與常三線、減底油之間進(jìn)行換熱的換熱器E4與E5是跨越夾點(diǎn)溫度，不符合換熱規(guī)則。如果將原油與低溫位常頂油、常一線之間進(jìn)行換熱時(shí)，經(jīng)計(jì)算分析不能滿足原油的換熱要求。將原油與常三線之間的換熱器E4從常三線移到一中循環(huán)，經(jīng)計(jì)算分析可知換熱后溫度可以提高到133.6℃。原油與減底油之間的換熱器E5從減底油流股調(diào)整到減二線，能夠滿足換熱網(wǎng)絡(luò)的需求（如圖5（b）所示）。

圖5 改造前后的原油換熱流股

②脫鹽原油首先與一中循環(huán)之間通過E6進(jìn)行換熱，然后通過E7、E8、E9、E10及E11之間分別與減二線、減三線、減四線、減底油之間進(jìn)行換熱，再通過加熱爐加熱到目標(biāo)溫度進(jìn)入常壓塔進(jìn)行分餾。經(jīng)計(jì)算分析改造換熱網(wǎng)絡(luò)脫鹽原油通過E6與常三線之間進(jìn)行換熱，然后與減三線、減底油、減四線和減底油進(jìn)行換熱，脫鹽原油改造前后的換熱網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。本次該煉廠的換熱網(wǎng)絡(luò)改造對原有的E8及E9換熱器進(jìn)行合并（如圖6所示）。

圖6 改造前后脫鹽原油流股

由圖5和圖6可知，將換熱網(wǎng)絡(luò)中的換熱器E4和E5經(jīng)過調(diào)整后，原油的換熱終溫提高22.9℃。對脫鹽原油流股的換熱換熱器E6及E7經(jīng)過調(diào)整后，脫鹽原油換熱終溫提高22.4℃。該換熱網(wǎng)絡(luò)體系中冷熱公用工程各減少2808.0kW。

(2)設(shè)備調(diào)整與選擇

經(jīng)Aspen Plus Analyzer計(jì)算及現(xiàn)場換熱網(wǎng)絡(luò)調(diào)整布置，該煉廠常減壓塔換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化內(nèi)容如表4所示。

表4 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中換熱器的改造

①計(jì)算分析得知原油與減一線、常二線之間的換熱器E1及E3能滿足換熱需求不做調(diào)整；換熱網(wǎng)絡(luò)改造前原油通過換熱器E4從常三線取熱為536.1kW，改造后原油通過E4從一中循環(huán)取熱為626.9kW，改造后換熱面積從162.1m2提高到188.8m2，換熱面積增加26.7m2，需要對其進(jìn)行改造。E5換熱器從減底油調(diào)整到減二線取熱從1233.2kW變化到1931.0kW，經(jīng)計(jì)算換熱器E5再增加一組換熱面積為183.4m2的換熱器。

②經(jīng)計(jì)算分析得知脫鹽原油與減三線之間的換熱器E7換熱面積不能滿足換熱需求，需要將原換熱器E6中的一組調(diào)整到減三線中才能滿足脫鹽原油從減三線取熱。脫鹽原油與減底油之間的換熱器E11換熱面積不能滿足換熱，需要增加換熱面積為162.1m2。

③改造后的換熱網(wǎng)絡(luò)原油從減二線的取熱增加，減二線原有的換熱器E2、E18、E19需拆除E18和E19，只保留E2就能滿足改造后的換熱需求，換熱面積從原來的494.0m2，減少到77.0m2。減三線包含2組換熱器分別為E20及E21，經(jīng)過此次改造后只保留一組換熱器E20就能滿足其換熱，換熱面積從217.9m2減少到119.0m2，因此需要對其進(jìn)行改造。改造后的換熱網(wǎng)絡(luò)從常三線的取熱量減少，需要增加冷卻面積110.0m2才能滿足換熱要求。

本次換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化為該煉廠的提質(zhì)改造工程，本次換熱器改造方案，主要包括調(diào)整原油、脫鹽原油與高溫位換熱流股之間的換熱，部分換熱管路改造，部分管線布置等[14]。

(3)改造前后節(jié)能變化

通過上述換熱網(wǎng)絡(luò)改造以后，換熱網(wǎng)絡(luò)的熱公用工程節(jié)省2808.0kW，相應(yīng)的冷卻工程降低2808.0kW。按照年開工數(shù)8000h計(jì)算，本次改造后年節(jié)約公用工程總量為4496.0MW，脫鹽原油的換熱終溫從288.0℃提高到310.4℃，優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)較前期換熱網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約能量8.16%，達(dá)到了換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目標(biāo)。

5.結(jié)論

利用Aspen Plus建立常減壓蒸餾塔模型及相應(yīng)的換熱網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算各流股流量和物性數(shù)據(jù)。通過Aspen Energy Analyzer軟件分析計(jì)算該換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)溫度，根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基本原則和方法，消除跨越夾點(diǎn)溫度流股，合并及拆除不合理換熱器，調(diào)整原油與脫鹽原油與各流股之間的換熱器。從換熱網(wǎng)絡(luò)整體上提高換熱能量的利用率，改造后脫鹽原油的換熱終溫為310.4℃，比改造前提高22.4℃，節(jié)約能量8.16%，達(dá)到了換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的節(jié)能降耗目標(biāo)。