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北京化1 = 人学做l 研究生学位论文 常减压换热网络用能优化 摘要 能源是人类生存和发展的重要物质基础，当前使用的能源主要是化石 能源，即石油、煤炭、天然气等，由于此类能源为不可再生能源，在人类 的不断开采后，其储量越来越少。并且，在经济不断发展的同时，各国对 能源的需求也越来越大，特别是我国近年经济的高速发展，已经从一个能 源出口国变为一个能源进口国，能源供应开始出现紧张的局面，而且能源 的利用效率与发达国家相比也有很大的差距，因此提高能源利用效率，节 约能源对我国的现代化建设与经济发展具有重要的意义。 换热器网络作为过程系统的重要子系统，是化工、炼油等过程工业能 量回收的重要组成部分。设计最优或改造的换热器网络，使之在满足生产 要求的同时，达到最合理的经济要求，对提高能源利用率具有十分重要的 意义。 本文讨论了换热网络优化的方法与进展，详细的介绍了换热网络优化 使用最多的一种技术一夹点技术。利用夹点技术，在模拟现有网络的基础 上，对某炼油厂常减压换热网、络进行了分析诊断，找出了问题所在，根 据当前的情况对当前的换热网络提出了两套改造方案，最后经过综合考 虑，决定选用其中的一个方案对网络进行改造，并对改造后的网络余热进 行了回收，进一步节省能量。然后，对整个的改造的投资与效益分析计算， 给出了整个改造所需的大概投资额与投资回收期。并在最后，对改造前与 改造后的常减压换热网络进行了炯分析，分别计算出了网络的炯损失，分 i 北京化r 人学顾l ：研究生学位论文 析了换热网络改造的效果。 关键词：节能，常减压蒸馏，换热网络，夹点技术 北京化工人学硕j ：研究生学位论文 t h eh e a te x ch a n g en e te n e r g y o p t i m i z a t l o no fa t m o s p h e r ev a c u u m d i s t i l l a t i o np r o c e s s a b s t r a c t t h ee n e r g ys o u r c ei st h eb a s i co fh u m a ns u r v i v ea n dd e v e l o p m e n t ，f o s s i l e n e r g yi sm o s t l yu s e dr e c e n t l y , s u c ha sp e t r o l e u m ，c o a la n dn a t u r a lg a se t c t h er e s e r v eb e c o m el e s sa n dl e s sa f t e re x p l o r e db yh u m a nf o rt h e s ee n e r g y s o u r c e s a r en o n r e n e w a b l e e n e r g y b e s i d e st h a t ，t h ee n e r g y s o u r c e r e q u i r e m e n tb e c o m em o r ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fg l o b e ，e s p e c i a l l yo u r c o u n t r y , c h i n ah a sb e c o m ea l le n e r g yi m p o r tc o u n t r yf r o ma ne n e r g ye x p o r t c o u n t r y t h ep r o v i d eo fe n e r g yb e c a m em o r et e n s i o n ，t h e r e s ab i gg a po f e n e r g yu s ee f f i c i e n c yb e t w e e n o u rc o u n t r ya n dd e v e l o p e dc o u n t r y , s oi m p r o v e e f f i c i e n c ya n ds a v ee n e r g ya r em o r ei m p o r t a n tf o rm o d e mc o n s t r u c ta n d d e v e l o p m e n t h e a te x c h a n g en e ti sa ni m p o r t a n ts u b s y s t e mo fp r o c e s ss y s t e m ，i sa l s o i m p o r t a n tp a r to fp r o c e s si n d u s t r ys u c ha sc h e m i c a l ，o i lr e f i n i n g e t c t h e d e s i g no rr e t r o f i to fo p t i m i z a t i o nn e t ，m a k ei tm e t t h er e q u i r e m e n to fp r o d u c e ， i i i 北京化工人学顺 ：研究生学位论文 a tt h es a m et i m er e a c hr e q u i r e m e n to fr e a s o n a b l ee c o n o m y , w h i c hi sm o r e i m p o r t a n tf o ri m p r o v e m e n to fe n e r g ye f f i c i e n c y t h em e t h o da n dd e v e l o p m e n to fh e te x c h a n g en e t o p t i m i z a t i o na r e d i s c u s s e di nt h i st h e s i s ，a n di n t r o d u c eo n eo ft h em o s tu s e dm e t h o d s p i n c h t e c h n o l o g y t h ea t m o s p h e r ev a c u u md i s t i l l a t i o nh e a te x c h a n g en e tw a s a n a l y z e da n dd i a g n o s e db yt h eu s eo fp i n c ht e c h n o l o g yb a s e do nt h en e t s i m u l a t i o n ，i d e n t i f i e sw h e r et h ep r o b l e ml i e s t w or e t r o f i tm e t h o d sw e r el i s t e d i nt h e s i s o n em e t h o dw a su s e df o rt h en e ta n dt h e n t h eu s e dh e a tw a s r e c o v e r e d t h ew h o l ec a p i t a lc o s ta n db e n e f i tw e r ec a l c u l a t e d ，t h ec o s ta n d p a y b a c kp e r i o dw e r ea l s ol i s t e d a tl a s t ，t h ea v a i l a b i l i t yo ft h eu n c h a n g e dn e t a n dc h a n g e da t m o s p h e r ev a c u u md i s t i l l a t i o nh e a te x c h a n g en e tw a s c a l c u l a t e d ， a v a i l a b i l i t yl o s s e sw e r ea l s oc a l c u l a t e d ，a n dt h ee f f e c to fn e tr e t r o f i tw a s a n a l y z e d k e y w o r d s ：e n e r g ys a v e ，a t m o s p h e r ev a c u u md i s t i l l a t i o n ，h e a te x c h a n g e n e t ，p i n c ht e c h n o l o g y i v 北京化t 人学硕i ：研究生学位论艾 符号说明 目标函数 等式约束条件 不等式约束条件 状态变量 决策变量 温度， 焓，k w 质量流率，k g s 1 初始温度， 目标温度， 焓变，k w 平均热熔，k j ( k g ) 。 最小允许传热温差， 最大热回收负荷，k w 最小冷公用工程负荷，k w 最小热公用工程负荷，k w 子网络k 热负荷赤字，k w 子网络k 输入的热负荷，k w 子网络k 输出的热负荷，k w 动能炯值，l c j 以功的形式传递的能量，1 ( j 流体的质量，k g 流体与地球表面的相对线速度，m s 。1 位能，l ( j 重力加速度，m s 。2 系统相对于环境的高度，m 物理炯，k j 环境状态下的焓值，k j k g - 1 环境温度， 稳流状态下的熵值，k j ( k g 。k ) 。1 环境状态下的熵值，k j ( k g k ) 。 环境状态下i 组分气体的化学炯，k j m o l 。1 i x ，厂g x”r日矿瓦乃衄q饥仇厶仇k形m y 如g z风写s&一咖 北京化t 人学颁l ：研究生学位论文 乞( f ) 基准物状态下i 组分气体的化学炯，k j m o l 1 日 热物流数目 心 冷热物流数目 x 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 期：驾纽 期：2 生翌宰：生：三f 北京化工人学硕l j 研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 能源是人类生存和发展的重要物质基础，“十五”时期，我国能源发展步伐明显 加快，能源建设取得了新的成绩，我国能源供给能力逐步增强。2 0 0 5 年，一次能源生 产总量达到2 0 6 亿吨标准煤，是新中国成立初期的8 7 倍、改革开放初的3 2 9 倍。煤 炭产量达到2 1 9 亿吨，已多年位居世界第一；原油产量达到1 8 1 亿吨，居世界第六 位，天然气5 0 0 亿立方米；电力发电装机突破5 亿千瓦，年发电量达到2 4 7 4 7 亿千瓦 时，均居世界第二位；可再生能源近年来发展迅速，目前，小水电的装机容量达到3 8 0 0 万千瓦，太阳能热水器总集热面积8 0 0 0 万平方米，占世界的一半以上，核电装机近 7 0 0 万千瓦，年产沼气约8 0 亿立方米，拥有户用沼气池1 7 0 0 多万口。能源消费结构 有所优化，2 0 0 5 年我国能源消费总量达2 2 2 5 亿吨标准煤，是世界第二大能源消费国。 近年来，通过积极调整能源消费结构，总的趋势是：煤炭消费的比重趋于下降，优质 清洁能源消费的比重逐步上升，1 9 9 0 2 0 0 5 年，煤炭消费比重由7 6 2 降到6 8 7 ，油 气比重由1 8 7 提高到2 4 ，水电及核电由5 1 提高到7 3 。能源技术进步不断加 快，经过半个多世纪的努力，石油天然气工业，从勘探开发、工程设计、施工建设到 生产加工，形成了比较完整的技术体系，复杂段块勘探开发、提高油田采收率等技术 达到国际领先水平。煤炭工业，已具备设计、建设、装备及管理千万吨级露天煤矿和 大中型矿区的能力，综合机械化采煤等现代化成套设备广泛使用，国有重点煤矿采煤 机械化程度1 9 9 0 年为6 5 ，目前已超过8 0 。电力工业，火电单机容量从1 9 7 8 年的 5 万和l o 万千瓦级，发展到目前主力为3 0 万和6 0 万千瓦级机组，百万千瓦超临界、 超超临界及核电机组正在成为新一代主力机组。三峡左岸最后一台机组国产化水平达 到8 5 。5 0 0 千伏直流输电设备实现了国产化，7 5 0 千伏示范工程建成投运。节能环 保取得进展，单位g d p 能耗总体下降。按不变价格计算，2 0 0 5 年万元g d p 能耗比 1 9 8 0 年下降了6 4 。改革开放以来，累计节约和少用能源超过1 0 亿吨标准煤，以能 源消费翻一番支持了g d p 翻两番。主要用能产品单位能耗逐步降低，能源效率有所 提高，目前达到3 3 ，比1 9 8 0 年提高了8 个百分点。能源领域污染治理得到加强， 新建火电厂配套建设了脱硫装置，已有火电厂加大了脱硫改造力度，电厂水资源循环 利用率逐步提高，东北等地采煤沉陷区治理工程加快建设。体制改革稳步推进，电力 体制改革取得重要突破，2 0 0 2 年出台了电力体制改革方案，确定了改革的总体目标， 目前已实现了政企分开、厂网分开。煤炭生产和销售已基本实现市场化，中石油、中 石化、中海油等大型国有石油企业基本实现了上下游、内外贸一体化l lj 。 但是，我国能源资源人均拥有量只有世界平均水平的一半，油气资源只有世界平 北京化丁大学硕i j 研究生学位论义 均水平的1 1 0 。随着经济的快速发展，我国已成为能源消费大国，2 0 0 3 年中国能源 消费折合标准煤1 6 8 0 m t ，占世界能源消费量的1 0 ，仅次于美国。2 0 0 3 年中国进口 石油9 1 m t ，对外依存度已达3 6 ，预计2 0 2 0 年将达6 0 f 2 1 ，这将极大地影响我国的 战略安全。 我国能源利用效率只有3 3 4 ，远低于先进国家的5 2 5 5 。占我国总能耗9 0 以上的工业、建筑物、交通的能源利用效率低；占工业总能耗7 3 的8 个行业3 3 种 产品单位能耗平均比世界先进水平高4 7 ，相当于比先进水平多耗用能折合标准煤 2 3 0m t a ，占我国总能耗的1 5 左右；建筑物单位面积能耗比发达国家高2 3 倍。 我国一次能源结构以煤为主( 约占6 2 【3 1 ) ，造成了严重的环境污染，s 0 2 排放量 的9 0 和n o x 排放量的6 0 都来自于燃煤。全国s 0 2 排放总量已经超过环境承载能 力的7 0 ，酸雨率达4 0 ，世界污染严重的2 0 个城市仅中国就占1 6 个。中国由于生 态破坏造成的经济损失已占g d p 的7 8 ，生态环境问题已严重威胁中国经济和社 会的可持续发展【4 】。1 9 8 0 年以来中国能源消费年增长4 6 ，是世界增长率的3 倍。 2 0 0 1 年终端能源消费价值1 2 5 1 0 1 1 元，占g d p 的1 3 5 ，而美国仅为7 。目前我 国g d p 不及世界的1 3 0 ，但钢铁、煤炭、水泥年消费分别达世界总量的2 5 、3 0 和5 0 。以大量消耗资源为代价的经济高增长是不可持续的【5 】。 1 2 节能概述 1 2 1 能源及能源分类 能源是指可以直接或者通过转换为人类生产与生活提供能量和动力的物质资源。 能源是经济发展的原动力，是现代文明的物质基础。世界各国经济、技术发展的事实 表明，能源消耗与国民生产总值之间有着非常密切的关系。按照不同的基准，能源有 很多分类方法。按能源的转换和利用层次又分为，一次能源、可再生能源、二次能源、 终端能源；按使用状况分类，常规能源、新能源等掣6 1 。 1 2 2 化工节能的特点及近期节能目标 石油和化学工业是国民经济中的重要原材料工业，我国生产的化工产品中，有 7 0 以上直接为农业、轻纺工业提供化肥、农药、配套原料和生活必需品，所以同农 业、轻纺工业和国民经济各部门的发展以及人民生活水平的提高关系极大。经过五十 多年的发展，化学工业已具有相当的工业基础，成为我国经济发展的重要支柱，主要 经济指标居全国工业各行之首【7 】o 但同时石油和化学工业也是高耗能和容易产生污染的产业。为了实现到“十一五” 2 北京化t 人学硕l j 研究生学位论义 期末我国万元g d p 能耗比“十五 期木降低2 0 、主要污染物排放总量减少1 0 的目 标，结合自身的特点，提出了依靠技术进步实现节能减排的目标。化工行业节能减排 具体目标是：至u 2 0 1 0 年，石油和化学工业的结构更加合理，高耗能产业的比例有所下 降，污染环境的状况得到改观，经济增长的质量得到提高，初步进入循环经济的轨道， 万元工业增加值能耗比2 0 0 5 年下降1 5 - 2 0 ，单位工业增加值用水量比2 0 0 5 年下降 3 0 ，工业用水重复利用率达到9 0 ，工业固体废弃物综合利用率达到7 0 ，主要污 染物排放总量减少1 0 。 因此，国家的“十一五 中在节能降耗方面的规划，给我们提出了挑战，要实现 上述目标，就要通过各种节能途径及方式来节约能源与减少排放。 1 2 3 节能的途径 根据节能的形式可将节能分为三种：结构节能、管理节能、技术节能【8 】。 结构节能 我国的单位产值能耗之所以高，除了技术水平和管理水平落后外，经济结构 不合理也是重要的原因。经济结构包括产业结构、产品结构、企业结构、地区结 构等。 管理节能 管理节能主要有两个层次，宏观调控层次和企业经营管理层次。宏观调控层次方 面，我国于1 9 9 7 年第八届全国人大常委会第二十八次会议通过中华人民共和国节 约能源法，同时还要制定与贯彻合理的经济政策，比如价格政策，投资、信贷、税 收等。企业经营管理层次上，要建立健全的能源管理机构，建立企业的能源管理制度， 合理的组织生产，加强计量管理。 技术节能 ( 1 ) 工艺节能 化工工艺过程节能的范围很广，方法繁多，化工生产行业甚多，生产过程又相当 复杂。工艺技术中首先涉及的是化学反应器，其次是分离工程，化学反应器又取决于 两方面因素，催化剂和化学反应工程。催化剂是化学工艺中的关键物质，现有的化学 工艺约有8 0 是采用催化剂的，催化剂是工业节能中的关键物质。化工中己经应用了 很多分离方法，如精馏、吸收、萃取、结晶、膜分等，每一类方法还包括很多种方法， 不同的方法能耗是不同的，要加以选择。对于同一生产目的，采用不同的工艺方法和 设备，其能耗也是很不同的。 ( 2 ) 化工单元操作设备节能 化工单元操作的设备种类很多，包括流体输送机械( 泵、压缩机等) 、换热设备 ( 锅炉、换热器、加热炉、冷却器等) 、蒸发设备、塔设备等，每一类设备都有其特 北京化t 人学硕i ：研究生学位论文 有的节能方式。 ( 3 ) 化工过程系统节能 化工过程系统节能是从系统和利用能的角度，把整个系统集成起来作为一个有机 的整体对待，所进行的节能工作。从原料到产品的化工过程，始终伴随着能量的供应、 转换、利用、回收、排弃等环节，例如预热原料，进行反应，精制分离，冷却产物， 气体的压缩和液体的泵压等。这不仅要求提供动力和不同温度下的热量，而且又有不 同温度的热量排出。根据外供的和过程本身放出的能量的品味，匹配过程所需的动力 和不同温度的热量，根据工艺过程对能量的需求和热回收系统的优化合成，对公用事 业提出动力、加热公用工程量和冷却公用工程量，并进行工艺过程的调整，这些就是 化工过程系统节能的内容。 ( 4 ) 控制节能 控制节能包括两方面，一方面是节能需要操作控制，另一方面是通过操作控制节 能。控制节能投资小、潜力大、效果好，是大有发展的节能途径。 1 3 常减压装置的能耗状况及节能措施 1 3 1 我国炼油能耗状况分析 经过几十年的发展，我国炼油工业已具备一定的规模和实力，能够满足国内对各 类燃料油品的需求，对保障国民经济健康持续发展发挥了巨大作用。近十年来，虽然 随着炼油行业加工规模和产量的增大，新建炼油装置增加、加工深度也在增加，但通 过加强内部管理、优化生产、开展能耗达标以及采用先进节能技术等措施，炼油行业 节能工作仍取得了较大成效，炼油能耗逐年减少。1 9 9 6 2 0 0 4 年中国石化、中国石油 两大集团公司炼油能耗变化情况详见表1 1 【9 】。 4 北京化t 人学硕i j 研究生学位论文 表1 - 1 中国右化和中国石油炼油能耗变化情况 t a b l e l - 1t h er e f i n i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nv a r i e t yb e t w e e nc n p ca n ds i n o p e c 由表1 1 可见，1 9 9 6 2 0 0 4 年炼油行业单因耗能总的趋势是逐年下降的，其中1 9 9 8 年中国石化、中国石油炼厂平均单因耗能分别为1 4 4 6 和1 5 0 0 千克标油吨因数，2 0 0 4 年分别降至1 2 2 0 和1 1 9 5 千克标油吨因数，降幅分别达1 5 6 和2 0 3 3 。表明近年 来我国炼油行业的节能总水平是不断提高的。从各炼油装置在总能耗中所占比例看， 作为炼油装置能耗主要组成部分的常减压和催化裂化装置，其能耗之和约占炼油装置 能耗的4 5 一5 0 ，因此抓好这两套装置节能措施的落实对整个炼厂节能降耗将起到主 要作用。 1 3 2 常减压装置能耗状况及现状分析 原油蒸馏是原油加工的第一道工序，原油经蒸馏分离成各种油品和下游加工装置 的原料。原油蒸馏装置消耗能量约占炼厂总用能的2 5 一3 0 t l o l ，已成为炼油厂中消耗 量最大的装置，降低常减压装置的能耗，对降低整个炼厂的综合能耗，提高经济效益作 用非常明显。因此进一步摸清常减压装置能耗现状及存在问题，并找出相应的改进措 施，挖掘节能潜力是非常必要的。 国内中国石油共有常减压装置5 5 套，分布在3 l 家炼油企业。初建设计能力7 5 0 7 万吨年，改造后实际加工能力l1 3 7 4 万吨年，其中5 套装置未开工，计4 0 0 万吨年。 2 0 0 2 年总加工量为8 5 0 8 7 万吨。中国石化共有5 7 套，分布在中国石化系统3 2 家炼 油企业。初建设计能力1 1 0 8 7 万吨年，改造后实际加工能力1 5 9 7 4 万吨年，其中3 套装置未开工，计4 5 0 万吨年，2 0 0 2 年总加工量为1 1 3 0 1 万吨。 北京化1 ：人学影! i p f 究生学位论文 近年来，常减压装置先后实施了几十项节能改进措施，如优化换热网络、优化中 段回流取热、降低过汽化率、增加项循回流取热、常压塔汽提段改造、干式减压技术、 减压炉管扩径及转油线改造、抽真空系统改进、加热炉烟气余热回收等等。通过这些 节能措施的推广和应用，使国内常减压装置的能耗从1 9 8 0 年的2 3 0 7 k g e o t 中石油降 低到2 0 0 3 年的1 0 1 7 k g e o t ，降低了5 6 ；中石化降低到2 0 0 2 年的1 1 5 6 k g e o t ，降 低了5 0 。 1 3 3 常减压装置节能措施 为降低常减压装置能耗，各炼油厂和科研机构不断进行技术创新，从不同环节对 常减压装置节能的新措施进行了探讨和试验，取得了较好的效果。 1 3 3 1 采用系统优化匹配方法，统筹考虑节能方案。 系统优化匹配方法就是打破单套装置界限，根据不同温位热源的特点，合理地实 行装置间的联合，在较大范围内进行冷、热物流的优化匹配的方法，其根本目的是避 免“高热低用”，实现能量利用的最优化。 此外，将常减压装置的中间产品直接供入下游加工装置，进行“接口进料”，也 可以较好地达到节能目的。如常减压蜡油和渣油热供料到催化裂化、加氢裂化、焦化、 沥青等装置，组成物流联合系统，既可以减少下游装置进料升温加热的负荷，降低其 能耗，又可以减少常减压装置的产品冷却负荷，降低冷却水用量，从而达到综合节能 效果。 1 3 3 2 采用新工艺新设备，提高能量转换利用水平。 ( 1 ) 提高加热炉效率 加热炉是重要的升温设备，炼油厂综合能耗的1 3 是由其进行转换和消耗的，节 能潜力巨大。针对加热炉效率的提高主要有如下几种新的措施：( 1 ) 将常规的烟气余 热加热自用燃烧空气，原油独立换热流程改为加热炉对流室冷流原油与烟气直接换热 流程。该流程的优点是：既加强了烟气余热回收系统和装置换热系统冷热流的匹配优 化，又将原来的气一气换热改为气一液换热，极大地提高了换热效率。某厂装置进行 流程改造后，使加热炉的平均效率由6 5 提高到8 5 。( 2 ) 采用热管式空气预热器进 步强化加热炉烟气能量的回收，减少排烟热损失。由热管组成的热管式空气预热器 是一种高效气一气换热设备热管内外封闭，管外带有翅片，管内充有储热介质。借 助于介质的蒸发和冷凝可以高效地实现烟气和空气之间的换热，其最大负荷可达 6 北京化r t 人学顶f ： i j f 究生学位论义 5 m w ，使加热炉热效率提高到9 0 以上。( 3 ) 采用新型燃烧器火嘴，提高加热炉燃料 的燃烧效率。燃烧器火嘴的结构决定了燃料的雾化性能和燃烧效果，这一点对重油燃 料更为重要。目前，针对重油燃料的高粘特性，北京航空航天大学成功开发了内混合 多孔互击式音速空气雾化火嘴，可使重油雾化粒度小于2 0um ，具有雾化性好，燃烧 充分、不易结焦堵塞的特点，与其它重油燃烧器相比可节约燃料1 0 左右。这种新型 火嘴己实现了工业应用，取得较好效果。 ( 2 ) 采用内波外螺纹换热器，强化换热效果。 从传热方程q = k - a at 看，在传热面积a 和温差at 一定时，提高传热系数k 可 以提高传热速率q 。根据对换热器管壁流体流动状态的分析，由于两侧的冷、热流体 在紧靠壁处处于热阻较大的层流状态，因此必须改变管壁处流体的流动状态，增大其 紊流程度，改变总传热系数由管内膜层流传热系数控制的状况。内波外螺纹换热器就 是基于这样的原理来强化换热器传热效果的【1 0 l 。该换热器管管壁呈内凸外凹的波纹 形，当流体流经管壁的凹、凸槽时，会产生一个方向始终垂直于层流流动方向的纵向 涡流。该涡流使层流层受到冲击干扰，转变成紊流状态，从而提高了总传热速率。由 于此型换热器的特殊设计同时强化了管束两侧的传热，近年来它正逐步取代常用的浮 头换热器在炼油厂广泛应用。 ( 3 ) 应用变频调速技术，降低电耗。 目前的常减压装置都是利用离心泵进行原油的传送，机泵电机设计功率也较大。 在需要降量生产时通常采用关小出口阀门的方法进行控制，实践证明这种“大马拉小 车 的操作极大地浪费了能源。采用变频调速技术为彻底解决这一问题提供了可能。 变频调速技术的基本原理是：对同一机泵进行转速控制时，其流量与转速成正比，轴 功率与转速的立方成正比，于是可根据泵流量的变化调节电机功率，在流量降低时适 时降低电机输出功率而达到节能目的。变频调速闭环系统主要由传感器、调节器、变 频器、电机和机泵等几部分组成，根据流量自动调节电机转速。该系统具有反应快， 精度高，安全可靠，节能效果明显的特点。福建炼化公司常减压装置采用变频技术后 机泵节电率均在4 5 5 5 之间，且降低了设备的磨损，延长了装置操作周期【1 1 1 。 ( 4 ) 基于工艺操作条件优化的节能措施 根据原油的性质，在保证产品质量的前提下，优化工艺操作条件也可以取得较好 的节能效果。( 1 ) 苛刻操作，降低常压塔过汽化率。为保证常压塔精馏段最低侧线以下 塔板上有足够的液相回流，原油进塔时一般设计2 4 的过汽化率。然而研究证明， 过汽化率每提高l 可使加热炉的负荷增加2 ，因此在实际生产中，只要能够保证侧 线产品的质量，应对现有操作进行调整，使过汽化率降到最低，从而降低加热炉出口 温度，节省燃料。( 2 ) 调节减压塔急冷油回注量，提高减渣温度。减渣是热容最大的高 温位换热热源。减压塔在设计时为减少渣油的高温裂解，提高塔顶真空度，常要求向 塔内回注一定量的急冷油，使渣油温度低于3 5 0 。根据研究【1 2 】，原油换热终温随减 7 北京化t 人学硕i ：研究生学位论义 渣温度的变化而变化，较高的减渣温度( 3 4 2 ) 对原油终温的提高影响更加明显，同 时减渣即使在3 5 5 裂解量也很小，基本不降低塔的真空度，因此可以改变现有操作 的局限，减少冷油回注，提高减渣抽出温度以提高原油换热终温，降低加热炉能耗。 ( 5 ) 优化换热网络，合理匹配冷热物流 常减压装置的剩余热量主要是蒸馏塔塔顶回流和各中段回流取出的，热流的温位 从上而下逐渐升高，因此为提高原油的最终换热温度，应合理分配取热，增加高温位 热源热量，而进行换热网络的优化是重中之重。根据对换热过程有效能损失的分析【l 3 1 ， 在设计换热网络时，应安排一个高温热源进行多次换热，即根据冷源温度的高低依次 进行换热，使每次的传热温差较小，而不宜使之直接与温度很低的冷流进行换热并产 生较大的温差。下面就重点介绍目前换热网络优化的几种常用方法，其中包括：数学 规划法、人工智能法、央点分析法。 1 4 换热网络综合进展与优化方法 在一般的化工生产中，都会存在一些冷工艺物流和热工艺物流，为了能够提高热 回收效率，减少公用工程的加热或冷却量，工程师们希望把这些热工艺物流和冷工艺 物流匹配起来，充分利用热物流去加热冷物流，但这其中存在着如何确定物流间匹配 换热的结构以及相应的换热负荷分配问题。 w h i s t l e r 最早研究了原油蒸馏装置中换热器网络综合问题。h o h m a i l n 【m l 提出，当 给定了冷、热工艺物流数据，即可确定出最小公用工程用量及所需的最少设备单元数， 在换热网络综合的理论工作上是一个重大贡献。u m e d a 【1 5 】等基于热力学原理，采用有 效能图，提出分组综合的方法，l i n n h o f f 等【l6 】提出夹点设计法，这在换热器网络综合 的理论和实践方面具有突破性的进展。c h a l l a n d 等【i7 1 提出双温差法，使得设计工作更 加灵活、有效。l i n r l h o f r 和f l o w e r t l 8 】【1 9 】提出了t i ( t e r n p e r a t u r ei n t e r v a l ) 和 t c ( t h e r m o d y n a m i cc o m b i n a t o r i a l ) 算法；构造出的换热器网络具有如下性质：没有物 流分支，公用工程用量最小，以及换热设备数最少。f l o u d a s 和g r o s s m a n n 采用数学 规划法自动生成最优的网络结构，同时考虑了网络的柔性问题【2 0 1 ，v i s w a n a t h a n 和 e v a n s 2 1 】采用专家系统把几种方法结合起来求解网络的最优综合。c i r i c 和f l o u d a s 【2 2 】 提出来用混合非线性规划法同时求解公用工程负荷、物流间的匹配和最佳网络结构。 在工业换热网络的设计和改造中，既要考虑通过换热流股的匹配节省下的能量费 用，又要考虑新增设备费用和用于改造的费用等，要达到效益最优化。因此换热网络 的设计和改造大都以总的年费用最小为目标，总的年费用包括操作费和设备投资费 ( 以年计) 。这是一个综合指标，要兼顾多个目标；公用工程负荷最小，换热面积最小， 换热设备数最少，需要考虑不同换热器具有不同的适宜传热温差，换热器的材质及类 型不同，备换热器的传热系数相差很大，以及设备的基础、泵、管路等具体工程因素。 北京化工人学硕l ：研究生学位论文 下图是影响换热网络优化总费用的三个主要因素之间的关系： 区圃 回；2 圆 图1 - 1 影响换热网络优化总费用的三个主要因素之间的关系 f i g 1 1t h et h r e em a j o rf a c t o r sr e a l a t i o n s h i po f h e a te x c h a n g en e to p t i m i z a t i o nc o s t 至今已经产生了多种方法，并且都有各自的优缺点。现在比较主流的有三种方法， 分别是热力学方法、数学规划法、基于知识的专家系统。下面就这三种方法做简要介 绍。 1 4 1 热力学方法 热力学方法是利用热力学的基本定律，通过热力学第一定律的能平衡和能分析及 热力学第二定律的炯平衡和炯分析来炯确定所研究的能量系统的热力学最优目标，即 能耗最小和炯损最小的系统目标。并根据热力学分析所得出的减少能量损失和减少损 炯失的若干规则，综合出达到上述最优热力学目标的能量系统来。夹点技术基本上就 是一种热力学方法。 夹点的概念开始于热回收网络系统的综合问题中。它指出：由于系统中夹点的存 在限制了进一步的能量回收，因此也就决定了换热系统的最小加热公用工程量和最小 冷却公用工程量，即最小的能耗目标。然后根据夹点法各种原则设计出最优的换热网 络，即达到最小加热和最小冷却公用工程量，也可以根据夹点法的原则改造老厂的换 热网络，达到节能降耗的目的。夹点的概念和设计方法还可引申至蒸汽动力系统和全 厂总能系统，对设计出最小能量损失的蒸汽动力和总能系统也是一个重要的方法。 热力学方法物理概念清楚，系统能量目标准确、设计规则有据，再加上这一类方 法有一定的灵活性，可允许设计人员在设计时根据工程的实际情况，融合设计人员自 己的设计经验，综合出即能到达或者接近最优的热力学目标，又能符合工程实际条件 的能量系统，因而很适于工程设计人员在工程实际中应用。 在工程实际中仅考虑热力学目标，一般说是不够的。因为能耗最小的目标总是要 以传热推动力的减少，设备投资的增加等等为代价的，所以在工程实际中，常以热力 学目标和投资费用目标相结合作为总的设计目标，即以投资费用和能量消耗费用之和 最小为目标。这样仅有热力学方法是不够的，还必须辅之以某些数学优化方法或其他 9 北京化t 人学颂。l ：研哆生学位论文 热经济学方法，以获得费用目标最小的能量系统。也就是说以热力学方法为主，结合 经济目标优化的方法。 1 4 2 数学规划法 换热网络的另一个分支是一数学规划法。数学规划法是用数学工具进行优化计算 的一种方法，它可以应用于许多方面的优化计算，当然也可以应用于能量系统的优化 计算。 数学规划法的基本做法是：将所研究的问题整理成由目标函数和约束条件组成的 数学模型，然后根据数学模型的类型选择适宜的优化方法进行求解，求得满足上述约 束条件，并使目标函数最优的解。目标函数为所研究问题的性能指标，换热网络中为 公用工程负荷、设备投资和换热面积可设定为目标函数。约束条件也称约束方程是指 所研究问题中的各变量所应满足的各类数学关系式，这些数学关系式中有等式也有不 等式，称之为等式约束条件和不等式约束条件。优化求解的方法则是根据目标函数和 约束方程的数学形式来选定的。例如当目标函数和约束方程均为线性方程时，则可选 用求解线型规划的单纯形法解出。当目标函数存在一个或一个以上的非线性方程时， 就需用非线性规划中的最优化方法加以求解。当系统变量中既有连续变量又有整型变 量时，则需选用混合整数数学规划法求解 数学规划法的数学表达式形式如下： m i n j = f ( x ，“) s j ( x ，“) = 0 ( 1 - 1 ) g ( x ，甜) 0 式中卜目标函数； 产_ 等式约束条件； r 不等式约束条件； 广状态变量； z 广决策变量； 求解上述方程( 1 1 ) 即选用合适的优化方法，通过多次迭代，找出使目标函数 最大或最小的最优解。 根据数学规划法的原则与求解步骤，首先需要对换热网络进行恰当的数学描述， 然后在数学描述的基础上建立数学模型。通常对换热网络的最优综合问题描述如下： 在一个过程系统中，需要冷却的热工艺物流有蜥股，每一个物流质量流率为r ， 比热容为c h ，需要由初始温度瓦，冷却到目标温度乃；需要加热的冷工艺物流入肫 股，每一冷物流的质量流率为乃，比热容为锄，需要由初始温度t s 加热到目标温度 l o 北京化1 ：大学硕f ：研究生学位论文 如由于热物流的总热量与冷物流的总热量通常不相等，加上热力学对传热温差推动力 的约束，通常需采用一组热公用工程( 如燃烧炉、加热蒸汽) ，以及冷公用工程( 如冷却 水、冷剂) 。网络最优综合问题的目标是构造一个能满足物流初、终温要求、具有最 少公用工程用量和最少换热器数的换热网络。若把公用工程用量作为操作费用，把换 热器作为投资费用，那么换热网络最优综合可以描述成：构造一个能满足物流初、终 温要求、使网络具有最少投资费用和操作费用的换热网络。 1 4 3 基于知识的专家系统 专家系统是一种具有大量专门知识和经验的智能程序系统，它能运用领域专家多 年积累的经验和专门知识，模拟领域专家的思维过程，解决该领域中需要专家才能解 决的复杂问题。可以这样认为： 知识库+ 推理机= 专家系统 专家系统现在一般分为：诊断型、预测型、解释型、设计型、规划型、监视型、 控制型、教学型、决策型、调试型等【2 3 1 。 在建造专家系统时，首先要考虑的是专家系统的结构问题，即根据用户提出的要 求和性能，确定要建造的系统应由几个部分构成，各部分之间的关系如何，如何对它 们进行组织连接等。不同类型的专家系统，其功能和系统结构也不尽相同，选择恰当 的系统结构，对专家系统的有效性与适应性有着很大的影响。系统开发人员可以根据 用户的要求以及自己所具备的软硬件环境决定选择什么样的系统结构。不同的专家系 统，其功能和结构都不尽相同，但一个典型的专家系统应由六个部分组成，包括人机 接口、推理机、知识库及其管理系统、数据库及其管理系统、知识获取机构、解释机 构等。其结构组织关系如图1 2 所示【2 4 】： 图l - 2 专家系统的基本结构 f i g 1 2t h eb a s i cs t r u c t u r eo fe x p e r ts y s t e m 北京化工人学硕i ：研究生学位论文 专家系统在化工领域的应用有很大进展，这方面的工作主要有将专家系统应用于 分离序列的综合，换热器网络综合，以及管壳式换热器的选择等几个方面，这些专家 系统已经成功地应用n t 实际工程，并已经取得较大的经济效益。但是专家系统还处 于起步阶段，有很多不完善的地方和许多问题待解决，需要进一步的研究和完善，以 更贴近实际工程达到更好的效果。 1 2 北京化t 人学硕f ：研究生学位论文 2 1 基本概念 2 1 1 温焓图( t - h 图) 第二章夹点技术 首先需要定义冷流股与热流股，冷流股即开始温度较低并需要加热的流股，热流 股正好相反，开始时温度较高需要冷却的流股，无论是冷流股还是热流故，其组成都 不能在加热或冷却过程中发生变化。如图2 1 就是一个简单的流程图，图中表示了一 条热流股与一条冷流股【2 5 】。 2 5 确3 0 0 进科 一 反应器 一1 3 0 ( 2 除3 2 0 ( 2 产品 u 图2 - 1 流程图 f i g 2 - 1t h ep r o c e s sf l o s h td i a g r a m t - h 图可以简单明晰的表示出过程系统的中的工艺物流及公用工程的热特性，其 为二维的直角坐标图，其中纵轴为温度t ，单位为或k ，横轴为焓h ，单位为k w ， 但是此处的焓与我们通常所说的焓不是同一概念，此处的焓为物理化学中的焓质量流 率w ( 单位为k g s ) 的乘积，下面我们就绘制一个普通的温焓图，如图2 2 。 t h i 能 图2 - 2 一股无相交热物流被冷却的温焓图 f i g 2 - 2o n es t r e a mt e r n p e r a t u r e - e n t h a l p yd i a g r a mw i t h o u tp h a s et r a n s i t i o n 从图2 2 中我们可以看到，该物流从初始温度瓦变化到目标温度瓦，焓变化为4 日，在这里焓变化等于物流从死变化到乃所放出的热量q ，如果给出了该温度区间的 北京化t 人学硕i j ! j f 歹( 生学位论艾 物流的质量流率职及平均热容c p ( 单位为k j ( k g ) ) ，可用式2 1 来表达。 日= q = 形c ，( z z ) ( 2 1 ) 在实际的工程中基本上不可能是仅仅一条冷流股或热流股，往往会涉及多个冷物 流和热物流，因此，为了更好的将冷流股和热流股进行匹配换热，以达到能量的最优 化，这就需要将冷流股和热流股分别进行组合，这样可以更方便的对流股进行组合优 化。从而提出了在温焓图上构造热物流组合曲线和冷物流的组合曲线的问题。 2 1 2 冷( 热) 物流组合曲线 图2 3 详细的表示出了两条冷物流组合曲线的绘制过程，热物流组合曲线的绘制 过程与其相似。 ttt 图2 - 3 两条冷流股组合曲线构造过程 f i g 2 - 3f o r m a t i o no f t h ec o l dc o m p o s i t ec u r v e 多个冷流股或多个热流股的组合曲线与上述的构造方法相同，只要把相同温度间 隔内的物流热负荷累加起来，然后在该温度间隔内用一个具有累加热负荷值的虚拟物 流来代表即可。若进行构造组合曲线相反的过程，就可以由组合曲线分解出各物流的 单个线段。