基于能量集成的水系統優化技術研究進展

2014-02-27 08:46:41劉富余于型偉李瑞臻劉博

石油石化節能 2014年12期

劉富余于型偉李瑞臻劉博

（1.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院；2.中國石油大學（北京）新能源研究院）

基于能量集成的水系統優化技術研究進展

劉富余1，2于型偉1李瑞臻2劉博1

（1.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院；2.中國石油大學（北京）新能源研究院）

煉化企業是用水大戶，我國煉化企業的主要用水指標與國外先進水平還存在一定的差距，有較大的節水潛力。水系統優化技術可最大化實現節水，引起了國內外學者的廣泛關注。對水系統優化技術進行了概述，重點分析了基于能量集成的水系統優化技術的研究進展，并對今后的研究工作進行了展望。

煉化企業水系統優化能量集成

引言

水是人類生存和社會發展不可或缺的重要資源，水資源的合理利用已成為全球面臨的嚴峻挑戰。我國人均水資源占有量只有2300 m3左右，僅為世界人均水資源占有量的四分之一，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。目前全國城市中有約三分之二缺水，約四分之一嚴重缺水，全國年平均缺水量超過500×108m3，水資源短缺嚴重限制了我國經濟社會的可持續發展。

國家高度重視節水減排工作，自“十五”以來，先后制修訂了《中華人民共和國水法》、《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》以及《實行最嚴格水資源管理制度考核辦法》等多項法律及規章制度，確定了“十二五”及今后一段時間內的用水總量以及用水效率指標，為今后節水減排工作奠定了基礎。

1 煉化企業用水現狀

我國工業用水量占全國總用水量的四分之一左右，“十一五”期間，我國萬元工業增加值用水量累計下降37.9%，由2005年的169 m3下降到2010年的105 m3，超額完成“十一五”規劃綱要確定的下降30%的目標。作為用水大戶的煉油化工企業，近年來通過加強用水管理以及開展水平衡測試、輸水管網查漏堵漏、提高化學水制水效率、蒸汽凝結水回收利用、循環水系統優化以及污水處理回用等措施，節水工作取得了長足進步。煉油乙烯、合成氨等化工代表性產業的節水減排也取得較大進步，但是與國際先進水平甚至國家節水型企業標準的要求還有一定差距，還有較大的節水潛力，具體指標情況見表1和表2[1-2]。

表1 國內外煉化行業主要用水指標對比

表2 節水型企業技術考核評價指標（GB/T 26926—2011）

由于煉化企業的規模一般較大，所以在新鮮水用量和廢水排放量方面，煉化企業在其所在地都是大戶，導致地方政府將其作為重點節水對象予以關注，尤其中國石油所屬企業大都位于缺水的東北和西北等地區，節水減排的壓力更加巨大。目前，常規的節水工作大多著眼于單個的單元操作或局部用水網絡，節水效果有限，不能使整個企業用水系統的新鮮水用量和廢水產生量達到最小。水系統優化技術將煉化企業的用水系統整體考慮，同時考慮水重復利用率最大化和廢水排放量最小化，可最大化實現節水。如今，水系統優化技術已經成為研究節水技術的重要手段。經過多年的發展，我國煉化企業中也在逐漸將水系統優化技術應用到實際的生產過程中。

2 水系統優化技術概述

水系統優化技術即從系統工程的角度出發，將企業用水系統作為有機整體進行綜合考慮，對廢水回用方式進行綜合考察，采用過程系統集成的理論和技術對企業用水系統進行優化，以達到高水高用、低水低用，提高水重復利用率，使企業用水系統的新鮮水消耗量和廢水排放量同時達到最小化。

水系統優化技術的理論起源于上世紀80年代，1989年，EI-Halwagi和Manousiouthakis首次將貧富流股間的質量交換用累計交換質量——組分濃度坐標表示；1994年，Wang和Smith提出了計算最小新鮮水用量的目標值方法，并根據這種方法求解了最佳回用水使用方案；2000年，Aspen Tech公司發布了Aspen Water軟件，Linnhoff March公司發布了水夾點應用軟件Water Target[3]，這些軟件均建立在水夾點理論基礎之上。2001年，馮霄和Warren D Seider[4]通過在用水網絡中設置中間水道，提出了一種新的水回用模式，并將其應用于實際工業生產中。2009年，劉志勇等[5]提出了濃度勢的概念，并在此基礎上進而提出了濃度勢法，該方法可以有效解決多雜質水流的濃度排序問題，降低了多雜質用水網絡的設計難度。由于煉化企業生產的復雜性，在企業生產過程中既有質量交換，又存在能量交換，基于能量集成的水系統優化技術可以同時實現節能和節水的雙重效果，使企業的經濟效益最大化，受到了國內外學者的廣泛關注。

3 包含能量集成的水系統優化技術研究進展

在煉化企業中，水有多種用途：它一方面可以作為分離劑移除雜質，另一方面也可以作為熱載體（即冷熱公用工程）使用。在大多數情況下，水的使用要同時受到雜質濃度和溫度變化的雙重制約，所以水系統集成優化不僅要考慮用水網絡中污染物的質量交換，還需要考慮包含于用水網絡中不同流股之間的能量交換。考慮熱集成的水系統優化技術近年來掀起了國內外學者的研究熱情，也取得了較大的研究進展。

1998年，Savulescu等[6]在美國化學工程協會年會中提出了能量和水同時用量最小化的問題，并使用圖表法對其提出的問題進行了求解。該方法主要分為兩步：首先，獲得水分配網絡，同時通過混合實現能量傳遞最大化；然后，以流股信息構造能量復合曲線，以獲得最小公用工程用量。該方法考慮了網絡設計過程中遇到的部分復雜因素，并對其進行適當簡化，雖然提出的假設條件與實際操作過程存在較大差異，但是該方法的提出仍然為后續的深入研究提供了借鑒。

2002年，Bagajewicz等[7]在數學規范的基礎上，將新鮮水用量和公用工程消耗最小為目標函數，通過其提出的“狀態空間法”設計出包含能量集成的水網絡，該網絡嚴格地滿足廢水最小化和公用工程消耗最小化。在該方法中，將減少新鮮水用量作為主要的優化目標，公用工程用量作為第二優化目標。首先利用線性規劃模型求解具有最小新鮮水用量的水網絡，接著利用混合整數的非線性規劃模型對水網絡中的流股進行能量集成。在模型設計中，允許操作單元之間的連接進行換熱匹配，同時將禁止換熱匹配的單元也考慮在內，以求取更加準確的結果。

2003年，都健等[8]對多雜質系統的能量集成進行了研究，首先把用水量最小化作為目標，使用數學規劃法求解最小新鮮水用量的水網絡結構；然后在新鮮水用量最小的情況下，再使用模擬退火算法進行全過程系統的能量集成，最終求得具有能量集成的水網絡結構。雖然將兩次求解放入同一程序中，但該方法的實質還是分步優化，沒有實現真正意義上的用能與用水同時最小化。

2005年，鄭雪松[10]在數學規劃法的基礎上，建立了用水網絡的多目標優化模型，分別研究了主目標為新鮮水量、公用工程用量和系統操作費用最小的三種求解策略。該模型既適用于單雜質用水系統，又適用于多雜質用水系統。該方法較好地描述了用水系統中換熱流股的熱傳遞過程，并且可考慮加入用水系統以外的換熱流股，從而使整個換熱系統得到優化。

2007—2009年，馮霄等[11-13]首先研究了不同水網絡結構具有不同能量性質的原因，在此基礎上提出了具有較好能量特性的水網絡的數學模型。此外，還研究了換熱過程中發生非等溫混合對水網絡能量性能的影響，提出了一些以不增加公用工程量為前提的非等溫混合規則。最后，根據非等溫混合對水網絡能量性能產生的影響，對水網絡和換熱網絡數學模型相結合以及具有較好能量特性的水網絡數學模型提出了改進。

2010年，都健等[14]采用基于超結構的非線性數學規劃法對能量和質量集成問題進行了研究。對于多雜質用水網絡，首先采用確定關鍵組分的方法合理給定操作單元最小新鮮水用量，然后利用改進的換熱網絡超結構（即冷熱流股分流換熱后發生非等溫混合）對其進行能量集成。毛庭璧[15]等研究了在包含能量集成的水網絡中發生非等溫混合對系統能量目標的影響，分析了不同性質流股間發生非等溫混合與系統用能的關系，提出了一些非等溫混合規則，對“分離系統法”進行了改進，并在此基礎上得到一種包含非等溫混合的能量集成水網絡設計方法。該方法不僅利用非等溫混合的優勢簡化了網絡結構，還避免了由于非等溫混合發生的能量懲罰。

2011年，阮真真等[16]對單雜質用水網絡的能量集成影響規律進行了研究，在數學規劃法的基礎上，分別以新鮮水用量最小、流股連接數最小為目標，建立了線性和混整數線性規劃模型，求解出所有可能同時滿足新鮮水用量最小和流股連接數最小的水網絡結構，然后再分別進行能量集成，獲得公用工程消耗最小和換熱單元數最少的換熱網絡。最后，歸納總結出在保證相同的新鮮水用量和最小的流股連接數時，不同的水網絡結構對能量集成目標無影響，對換熱單元數影響也不大的規律。

2013年，李棟斌等[17]研究了水網絡中發生的非等溫混合對水網絡的能量性質的影響，研究提出了一種分步求解多雜質體系水網絡和換熱網絡的新方法。對于水網絡，考慮新鮮水與其他操作單元回水之間的非等溫混合，最大化流股間的直接熱回收；對于換熱網絡，只考慮水網絡中的新鮮水與其他操作單元回水之間的換熱匹配。最后的研究結果表明，考慮非等溫混合時的年度總費用比不考慮非等溫混合時更低。

基于上述分析可以看到，國內外學者對包含能量集成的水系統優化技術進行了廣泛的研究，有的學者考慮了系統雜質數量的影響，有的學者考慮了混合溫度的影響，也提出了眾多的求解策略和模型，但這些研究大部分還處于理論研究階段，付諸實際應用的較少。鑒于能質交換網絡的復雜性，影響因素多，還有待進行深入研究，以便設計更加貼近生產實際的求解策略和方法。

4 結論

1）我國大部分煉化企業的主要用水指標與國外先進水平，甚至國家節水型企業標準的要求相比還存在一定差距，這些企業的用水效率還有待進一步提高，還存在較大的節水潛力。

2）水系統優化技術，尤其是考慮能量集成的水系統優化技術，由于可實現節能節水的雙重效果，成為當前的研究熱點并不斷升溫，但是由于需要同時達到節能節水的目標，也是當前系統優化研究中的難點。

3）考慮能量集成的水系統優化技術研究還處于起步階段，夾點法和數學規劃法都存在不足之處，由于能質集成網絡的復雜性，全面考慮網絡間耦合作用以及各種因素耦合的系統模型還有待進行深入研究，以便更加符合實際生產過程。

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