常減壓蒸餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)評價

摘 要 以多流股換熱網(wǎng)絡(luò)綜合方法為基礎(chǔ)，利用ASPEN軟件建立全流程模型，采用擴充的總組合曲線等用能診斷方法獲得常減壓蒸餾裝置系統(tǒng)能量利用總圖，診斷出能量利用不合理單元及用能瓶頸，分析裝置的節(jié)能潛力。

關(guān)鍵詞 常減壓蒸餾裝置 換熱網(wǎng)絡(luò) ASPEN 流程模擬

中圖分類號 TQ051.5 " 文獻標(biāo)志碼 A " 文章編號 0254?6094（2024）04?0590?06

換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和熱量傳遞不可缺少的設(shè)備［1］，在石油化工行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。但由于其常在高溫、高壓等比較苛刻的環(huán)境下運行，且換熱器內(nèi)的介質(zhì)通常都具有易燃、易爆、毒性大、強腐蝕等特性，再加上石油化工生產(chǎn)過程中處理量大、連續(xù)性強的特點，導(dǎo)致?lián)Q熱器在生產(chǎn)運行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)堵塞、泄漏或換熱能力不足等不同程度的故障［2］。據(jù)國外統(tǒng)計的化工設(shè)備發(fā)生損壞的資料顯示，換熱器的損壞是目前所有化工設(shè)備損壞統(tǒng)計中占比重最大的，遠(yuǎn)高于罐、塔、釜等其他化工設(shè)備的損壞率［3］。

常減壓蒸餾裝置是煉油工業(yè)的“龍頭”，是原油進一步深度加工的基礎(chǔ)，同時常減壓蒸餾裝置也是煉油企業(yè)的用能大戶，據(jù)統(tǒng)計，常減壓蒸餾裝置的能耗約占全廠總能耗的20%～30%［4］，因此常減壓蒸餾裝置的節(jié)能優(yōu)化對于整個煉油企業(yè)的降耗減排極為重要。在常減壓蒸餾裝置中，進裝置的原油通常需要大量的熱量來對其進行加熱，而裝置產(chǎn)出的產(chǎn)品又由于溫度偏高不便于進一步的儲藏和運輸，需要將其冷卻至適合的溫度［5］。因此從煉油企業(yè)節(jié)能降耗的角度出發(fā)，綜合設(shè)計出一套最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)裝置的節(jié)能優(yōu)化，合理的匹配常減壓蒸餾裝置中的冷熱負(fù)荷，用溫度較高的裝置產(chǎn)出產(chǎn)品加熱溫度較低的進裝置原油是一種很好的節(jié)能措施。而目前國內(nèi)大部分在役常減壓裝置，其換熱網(wǎng)絡(luò)中過程物流的換熱不盡合理［6，7］，單位產(chǎn)品加工量的能耗比國外高出許多。企業(yè)內(nèi)部裝置之間缺乏熱聯(lián)合，未采用熱集成技術(shù)，因此從能源總體優(yōu)化利用的角度來看，仍有著巨大的節(jié)能潛力。

為了能夠全面降低裝置能耗，合理優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，筆者以某公司煉油裝置中的典型裝置3#常減壓蒸餾裝置作為研究對象，利用ASPEN軟件建立全流程模型，以多流股換熱網(wǎng)絡(luò)綜合方法為基礎(chǔ)，采用擴充的總組合曲線等用能診斷方法對其開展換熱網(wǎng)絡(luò)評價，獲得常減壓蒸餾裝置系統(tǒng)能量利用總圖，查找出換熱網(wǎng)絡(luò)的用能瓶頸，分析裝置的節(jié)能潛力，提出優(yōu)化建議。

1 常減壓蒸餾裝置基本參數(shù)

1.1 工藝調(diào)研

某公司3#常減壓蒸餾裝置主要用于生產(chǎn)乙烯裂解料、重整料、航煤精制料、柴油精制料、加氫裂化料、蠟油加氫料及焦化料等。該裝置主要由原油電脫鹽脫水部分、常壓蒸餾部分、減壓蒸餾部分、輕烴回收部分等組成，其工藝技術(shù)路線為：原油進裝置→電脫鹽→閃蒸塔→常壓塔→減壓塔。

裝置的簡要工藝流程如下：

a. 常壓部分工藝過程。脫前原油經(jīng)過一系列的換熱后，進入電脫鹽罐進行脫鹽脫水，進而分為三路換熱，再合并后進入閃蒸塔進行閃蒸，閃底油抽出后分兩路換熱，合并后再分八路進常壓爐，進一步加熱后進入常壓塔閃蒸段。

b. 減壓部分工藝過程。減頂不凝氣送入焦化裝置，凝縮油送至安全閥放空罐，減頂油送至混合柴油出裝置線或至混合柴油罐區(qū)，而減頂含硫污水送出裝置。

該常減壓蒸餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)流程中的主要換熱器分布如圖1所示。

1.2 裝置設(shè)備基本情況和主要參數(shù)

該常減壓蒸餾裝置中的換熱器多為傳統(tǒng)管殼式換熱器，占比約為72.4%，換熱器管理主要采用傳統(tǒng)的管理方法。換熱器基礎(chǔ)研究缺乏介質(zhì)實際工況下的物性數(shù)據(jù)積累，對其內(nèi)部流場、溫度場、流動狀態(tài)等工作原理研究不足。為了提高裝置生產(chǎn)效益，提升換熱效能，采取有效的方法來檢驗該常減壓蒸餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的合理性成為了必要。

根據(jù)裝置基本情況，利用夾點技術(shù)對3#常減壓裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進行評價和優(yōu)化。該裝置換熱網(wǎng)絡(luò)主要是以閃蒸塔、減壓塔、常壓塔為中心的換熱器集群，通過對該裝置閃蒸塔、減壓塔、常壓塔的各側(cè)線抽出位置和抽出量，中段循環(huán)的各側(cè)線抽出位置和回流位置的返回溫度與流量，汽提蒸汽量等數(shù)據(jù)進行搜集，并梳理各塔產(chǎn)品的餾程數(shù)據(jù)，建立換熱網(wǎng)絡(luò)評價的技術(shù)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)流程模型建立后的對比分析提供充分的數(shù)據(jù)支撐。

2 流程模型的建立與驗證

2.1 流程模型的建立

利用ASPEN軟件建立全流程模型，以多流股換熱網(wǎng)絡(luò)綜合方法為基礎(chǔ)，采用擴充的總組合曲線等用能診斷方法獲得該常減壓裝置系統(tǒng)能量利用總圖。在流程模型建立過程中，閃蒸塔、常壓塔和減壓塔選用軟件中的PetroFrac模塊，而計算過程熱力學(xué)模型則選用BK10模型，該模型在原有蒸餾過程廣泛應(yīng)用，成熟可靠。所建立的ASPEN模型如圖2所示。

2.2 模型的驗證

為了驗證模擬結(jié)果的可靠性，利用工藝計算和設(shè)備評價相結(jié)合的方法，提取建立的該常減壓ASPEN模型中的相關(guān)介質(zhì)物性數(shù)據(jù)，結(jié)合換熱器現(xiàn)場熱工測試的結(jié)果，進行了模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)產(chǎn)品物性分析結(jié)果的對比驗證。

閃底油D86蒸餾數(shù)據(jù)模擬值與實際值對比結(jié)果如圖3所示。

常壓塔模型驗證，常壓塔實際值與計算值對比見表1。常頂油、常一線、常二線、常三線D86蒸餾數(shù)據(jù)模擬值與實際值對比如圖4～7所示。

減壓塔關(guān)鍵數(shù)據(jù)實際值與計算值對比見表2。減一線、減二線、減三線D86蒸餾數(shù)據(jù)模擬值與實際值對比如圖8～10所示。

從以上結(jié)果對比可知，所建立的該3#常減壓蒸餾裝置ASPEN模型能夠較準(zhǔn)確的反應(yīng)裝置實際運行情況，下面在該模型基礎(chǔ)上，對3#常減壓蒸餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進行分析。

3 換熱網(wǎng)絡(luò)分析與評價

3.1 物料平衡的建立

通過對該裝置的流程模擬，獲取裝置物料平衡數(shù)據(jù)，同時結(jié)合現(xiàn)場實際操作參數(shù)，得到換熱網(wǎng)絡(luò)分析物流數(shù)據(jù)如圖11所示。

在換熱網(wǎng)絡(luò)分析物流數(shù)據(jù)圖中，藍色向上箭頭表示冷物流（需要加熱），紅色向下箭頭表示熱物流（需要冷卻），物流名稱均用漢語拼音表示。物流的進出口溫度與物流流量主要根據(jù)現(xiàn)場的操作數(shù)據(jù)確定。物流的熱能主要根據(jù)流程模擬獲得的比熱容確定。

3.2 夾點分析與換熱網(wǎng)絡(luò)搭建

通過夾點技術(shù)分析可知，當(dāng)冷、熱物流的最小傳熱溫差為18 ℃（最經(jīng)濟夾點傳熱溫差）時，裝置在當(dāng)前的操作狀態(tài)下，理論換熱終溫可達約324 ℃。

結(jié)合在現(xiàn)場采集的實際操作參數(shù)，分析在目前的原料與產(chǎn)品工況下，熱物流的夾點溫度為270 ℃，冷物流的夾點溫度為252 ℃，理論分析結(jié)果如圖12所示。主要包含冷熱公用工程、換熱面積與換熱單元數(shù)的理論最小值。

通過夾點分析獲得的組合曲線如圖13所示，由圖可查出理論換熱終溫。

3.3 換熱網(wǎng)絡(luò)評價

為了進一步考察裝置跨夾點傳熱量的問題，搭建了裝置換熱網(wǎng)絡(luò)圖結(jié)構(gòu)，如圖14所示。

夾點分析的結(jié)果表明，裝置理論換熱終溫約為324 ℃，而裝置技術(shù)人員表示該裝置實際換熱最終溫度可達320 ℃以上。由于裝置換熱最終溫度過高時可能出現(xiàn)裝置管線振動情況，所以出于長周期安全穩(wěn)定運行考慮，控制實際換熱終溫在310～315 ℃之間。綜上可知裝置換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計已經(jīng)比較理想，沒有優(yōu)化空間。這主要歸功于該裝置為新建裝置，在建裝置之初已充分考慮了裝置節(jié)能因素，采用了成熟的夾點技術(shù)對裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進行了節(jié)能優(yōu)化，已經(jīng)較為合理。

同時，針對目前該3#常減壓蒸餾裝置產(chǎn)品出裝置溫度偏低，到下游裝置后需要先進罐，再加熱反應(yīng)等情況，通過對其它同類公司等多處的換熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)能改造工作的調(diào)研，引入熱聯(lián)合的概念，打破裝置間的能量界線，提出了常塔和減塔部分側(cè)線（常二、常三、減二、減三線）實現(xiàn)直供料的建議，降低下游物料進罐量，提高柴油、蠟油和渣油出裝置的溫度和下游裝置的原料溫度，降低加熱爐熱負(fù)荷和泵的輸送負(fù)荷。

4 結(jié)束語

介紹了以某公司3#常減壓蒸餾裝置為研究對象進行了常減壓蒸餾裝置的全流程模擬，采用夾點技術(shù)分析、評價了該裝置換熱網(wǎng)絡(luò)整體用能情況，對整個系統(tǒng)進行了用能評價、分級與診斷，掌握該裝置換熱器在運行中的實際情況。綜合性分析換熱設(shè)備的完整性情況，發(fā)現(xiàn)該裝置由于在設(shè)計之初已充分考慮了裝置節(jié)能，對裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進行了節(jié)能優(yōu)化，故而其換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計已經(jīng)比較理想。此外，文中所涉及的評價體系對其他同類項目也具有較好的示范作用，經(jīng)濟效益和社會效益潛力非常大，具有很好的應(yīng)用前景。

通過對典型裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進行評價，再根據(jù)評價結(jié)果對換熱網(wǎng)絡(luò)進行模擬優(yōu)化，可有效降低裝置整體能耗，優(yōu)化裝置的公用工程冷、熱量的調(diào)配，提高換熱設(shè)備的能量回收水平和整體運行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。但是由于文中采用的流程模擬技術(shù)是基于穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)模型，無法對動態(tài)的過程進行實時模擬，故而不能對評價的結(jié)果進行在線調(diào)優(yōu)。因此后續(xù)研究可著眼于對常減壓裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)模擬及評價，使評價結(jié)果更具有實時指導(dǎo)性。

參 考 文 獻

［1］ " 支浩，湯慧萍，朱紀(jì)磊.換熱器的研究發(fā)展現(xiàn)狀［J］.化工進展，2009，28（S1）：338-342.

［2］ " REN H J，YIN A J，DAI Z X，et al.Parameter screeni?

ng and optimized gaussian process for water dew point prediction of natural gas dehydration unit［J］.Process Safety and Environmental Protection，2023，170：259-266.

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［4］ " 王志彬.基于Aspen Plus常減壓蒸餾裝置流程模擬和換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2020.

［5］ " 丁曉明.常減壓蒸餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬優(yōu)化［D］.東營：中國石油大學(xué)（華東），2009.

［6］ " JIA G D，WANG H，LI X，et al.Research progress on the technique application of risk based management in domestic petrochemical plants［C］//ASME.Pressure Vessels and Piping Conference.Baltimore，Maryland，USA：2011：723-730.

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（收稿日期：2023-10-13，修回日期：2024-07-18）

Evaluation of Heat Exchange Network in Atmospheric?Vacuum

Distillation Unit

WEI Wei?wei1， ZHUANG Feng2， SUN Quan?sheng1，SHEN Wen?peng3

（1. Sinopec Tianjin Branch Company；2. Henan Junhua Development Co.，Ltd.；

3. Tianhua Chemical Machinery and Automation Institute Co.，Ltd.）

Abstract " Based on the comprehensive method of multi?flow heat exchange network， making use of ASPEN establish the whole process model was implemented， including having the energy diagnosis method such as the extended total combination curve adopted to obtain total energy utilization map for the atmospheric?vacuum distillation unit so as to diagnose the unreasonable energy utilization units and energy consumption bottlenecks and to analyze the energy?saving potential of the unit.

Key words " atmospheric?vacuum distillation unit， heat exchange network， ASPEN， process simulation