熱端閾值問題換熱網絡設計與應用

魏志強，孫麗麗，袁忠勛，蔣榮興

（中國石化 工程建設有限公司，北京 100101）

閾值問題［1－2］（Threshold problem）換熱網絡是指只需要一種公用工程的換熱網絡。只需要冷公用工程的換熱網絡，稱為熱端（hot-end）閾值問題換熱網絡；只需要熱公用工程的換熱網絡，稱為冷端（cold-end）閾值問題換熱網絡。伴隨夾點理論的發展與完善［3－5］，閾值問題換熱網絡在過程工業換熱網絡綜合與優化過程中的應用日趨成熟，特別是夾點理論與數學規劃方法［6－8］的有機結合，大大提升了換熱網絡綜合與優化的實用性和精確性。但截止目前，針對閾值問題換熱網絡的設計與應用研究相對匱乏，換言之，閾值問題換熱網絡的優化與綜合方法研究滯后于常規換熱網絡［9］。

熱端閾值問題換熱網絡可視為只存在夾點之下部分，而冷端閾值問題換熱網絡可視為只存在夾點之上的部分［1－2］。按照夾點規則，夾點之上不設置冷公用工程，夾點之下不設置熱公用工程。因此，熱端閾值問題換熱網絡的設計原則為，取消換熱網絡中的熱公用工程，并從換熱網絡的高溫側開始設計，以保證較高溫度下的冷物流能從熱物流獲取熱量，盡可能的以過程物流換熱取代冷卻過程。對應地，冷端閾值問題換熱網絡的設計原則可歸納為，取消換熱網絡中的冷公用工程，并從低溫側開始設計，以保證較低溫度的熱物流的熱量能夠傳遞給冷物流，盡可能的以過程物流換熱取代加熱過程。

實際工業過程中，煉油企業催化裂化裝置換熱網絡是典型的熱端閾值問題換熱網絡。同時，催化裂化裝置又存在較大的與其他煉油生產裝置熱集成的可能性。因此，合理設計催化裂化裝置換熱網絡，實現催化裂化裝置與其他裝置的有效熱集成，有利于降低整個煉油企業的能量消耗，具有重要的現實意義。基于此，筆者以夾點理論為基礎，對熱端閾值問題，特別是考慮裝置間熱集成的熱端閾值問題進行分析，給出了考慮熱集成的熱端閾值問題換熱網絡的設計方法；結合某煉油企業催化裂化裝置換熱網絡改進，驗證了考慮熱集成的熱端閾值問題換熱網絡設計方法的實用性。

1 熱端閾值問題換熱網絡設計方法

1.1 熱端閾值問題換熱網絡分析

圖1為熱端閾值問題冷熱組合曲線。熱端閾值問題換熱網絡存在2種形式，一是冷、熱組合曲線的最小換熱溫差（ΔTmin）出現在不需要公用工程的一端（Non utility），如圖1（a）；二是冷、熱組合曲線存在近夾點（Near pinch）的形式，如圖1（b）。當最小換熱溫差由ΔTmin降低至ΔTmin′，冷組合曲線左移，與熱組合曲線重疊，如圖1（a′）與圖1（b′）。這一過程中，冷公用工程消耗的總量不變，但需要的冷公用工程溫度發生變化。此時，低溫冷公用工程負荷QC，1與高溫冷公用工程負荷QC，2之和等于原最小冷公用工程負荷QC，min。高溫冷公用工程負荷QC，2為閾值問題換熱網絡與其他換熱網絡之間的熱集成提供了可能。設計換熱網絡時，以設備投資與操作費用之和最小為目標函數，優化確定最小換熱溫差，或考慮傳熱系數等條件的約束，確定最小允許換熱溫差。因此，當ΔTmin′等于設定的最小允許換熱溫差時，QC，2即為閾值問題換熱網絡的最大熱集成負荷。

圖1 熱端閾值問題冷熱組合曲線Fig.1 Hot and cold composite curves for hot-end threshold problem

一般地，熱集成存在間接熱集成和直接熱集成2種方式［10－11］。間接熱集成通過載能工質傳遞實現，如發生蒸汽等，直接熱集成通過物流間的直接換熱實現。熱集成方式只是改變了熱量的利用方式，與熱集成的最大熱負荷無關，因此，可將閾值問題換熱網絡分為自匹配和熱集成2部分優化改進。自匹配部分用于滿足裝置自身換熱需求，熱集成部分用于發生蒸汽或與其他裝置直接熱集成。不論是自匹配部分，還是熱集成部分，當出現近夾點時，應從近夾點處向外（向上或向下）開始設計［1］。如圖1（b′）所示，在裝置自匹配部分出現近夾點，此時，自匹配部分的換熱網絡應從近夾點處設計匹配。

1.2 熱端閾值問題換熱網絡優化設計框圖

基于上述分析，并結合常規換熱網絡優化思路，給出熱端閾值問題換熱網絡優化計算框圖，如圖2所示。由圖2可知，優化與改進熱端閾值問題換熱網絡時，應首先采集設計或生產運行數據并進行校核。然后，采用流程模擬軟件進行流程模擬計算，重現設計或運行工況，獲取換熱網絡冷、熱物流的數據，繪制溫焓圖和進行夾點分析，確定最小傳熱溫差與熱量回收率和冷公用工程量之間的關系，應用設備投資與操作費用之和最小化或基于工程約束確定最優傳熱溫差，或結合工程知識，確定最小允許換熱溫差；基于最優傳熱溫差或最小允許換熱溫差，確定閾值問題換熱網絡可以與其他換熱網絡冷物流熱集成的最大熱負荷，及最大熱負荷對應熱物流的溫度區間；將閾值問題換熱網絡分為自匹配部分與熱集成部分分別進行優化改進，包括物流連接方式、換熱順序、換熱器增減及與其他換熱網絡熱集成等。最后，對改進的換熱網絡進行分析和評價，得到能耗最低、經濟可行的換熱網絡優化改進方案。

圖2 熱端閾值問題換熱網絡設計框圖Fig.2 Design flow diagram of heat exchanger network for hot-end threshold problem

2 催化裂化裝置換熱網絡實例分析

2.1 催化裂化裝置換熱網絡概況

2.1.1 裝置冷、熱物流數據

按照熱端閾值問題換熱網絡優化設計框圖，采集某煉油企業基礎設計數據并進行校核后，采用流程模擬軟件Aspen plus完成了包含主分餾塔、吸收穩定系統的流程模擬，重現了設計工況，提取催化裂化聯合裝置換熱網絡冷、熱物流的數據，結果列于表1。

2.1.2 裝置換熱網絡

催化裂化裝置基礎設計換熱網絡匹配圖如圖3所示。裝置發生3.8MPa蒸汽約70.0t/h，消耗熱量約157000MJ/h，裝置冷公用工程負荷為200500MJ/h。

表1 催化裂化裝置冷熱物流數據Table 1 Hot and cold stream data for fluid catalytic cracking unit

圖3 催化裂化裝置基態設計換熱網絡Fig.3 The heat exchanger network of fluid catalytic cracking unit in base case

2.1.3 裝置溫焓圖

基態催化裂化裝置的溫焓圖如圖4所示。由圖4可知，所選實例的催化裂化裝置換熱網絡是典型的熱端閾值問題換熱網絡。此時，裝置冷、熱物流組合曲線間實際換熱溫差約為30℃，大于最小允許換熱溫差，裝置冷公用工程量為200500MJ/h。

圖4 基態催化裂化裝置溫焓圖Fig.4 The temperature-enthalpy diagram of fluid catalytic cracking unit in base case

2.2 以產生蒸汽量最大化為目標改進換熱網絡

2.2.1 最大熱集成熱量的確定

煉油企業催化裂化裝置富余熱量多用來發生3.5～4.0MPa中壓蒸汽。為此，以產生3.8MPa蒸汽量為最大化目標，確定催化裂化裝置最大熱集成熱量，即確定裝置的最大間接熱集成熱量。結合工程知識，確定催化裂化裝置最小允許換熱溫差為15℃。左移圖4中的冷物流組合曲線，使得實際換熱溫差等于15℃，如圖5所示。此時，裝置冷公用工程量為174500MJ/h，裝置的最大間接熱集成熱量為183500MJ/h，可全部用于發生3.8MPa中壓蒸汽。

圖5 產汽量最大時催化裂化裝置溫焓圖Fig.5 The temperature-enthalpy diagram of fluid catalytic cracking unit in maximum steam production case

2.2.2 換熱網絡改進

裝置的最大間接熱集成熱量約為183500MJ/h，與循環油漿熱量180000MJ/h相近，因此，實際工程設計中，將循環油漿熱量全部用于產生3.8MPa中壓蒸汽，剩余冷、熱物流用于裝置自身換熱網絡匹配。即物流H6與C8組成熱端閾值問題換熱網絡的熱集成部分，其余物流組成換熱網絡的自匹配部分。由于熱集成部分換熱流程簡單，因此，換熱網絡優化的重點在于自匹配換熱網絡部分。

由圖5可知，在自匹配換熱網絡部分存在近夾點，因此，自匹配部分應從近夾點處開始匹配和設計。基于此，并按照熱端閾值問題換熱網絡優化設計框圖，優化裝置自匹配換熱網絡部分，包括物流連接方式、換熱順序、換熱器增減等。改進后換熱網絡流程示于圖6。以產生蒸汽量最大化為目標改進換熱網絡后，裝置冷公用工程負荷降至177480MJ/h，約降低11.5%，可發生3.8MPa蒸汽約80.0t/h，增加10.0t/h。工程改動部分包括新增產品油漿－除鹽水換熱器、增大3.8MPa蒸汽發生器換熱面積及相應管線調整等，預計新增投資費用約300萬元（RMB），投資回收期約0.25年。

2.3 以催化裂化裝置－常減壓裝置最大熱集成為目標改進換熱網絡

2.3.1 最大熱集成熱量的確定

催化裂化裝置循環油漿與常減壓裝置初底油之間實現直接換熱是催化裂化裝置富余高溫位熱量合理利用的重要途徑之一。筆者選用的某煉油企業實例中，常減壓裝置初底油經換熱網絡換熱后的溫度為290℃，流量為1600t/h。左移圖4中冷物流組合曲線，同時添加冷物流初底油和發蒸汽給水，使得實際最小允許換熱溫差等于15℃，結果如圖7所示。此時，裝置冷公用工程量為174500MJ/h，裝置間最大熱集成熱量仍為183500MJ/h，其中，直接熱集成熱量為100500MJ/h，間接熱集成熱量為83000MJ/h。

2.3.2 換熱網絡改進

不論是以產生蒸汽量最大化為目標，或者以催化裂化裝置－常減壓裝置最大熱集成為目標，基于夾點分析確定的裝置冷公用工程量均為174500MJ/h，即熱集成方式只是改變了熱量的利用方式，與熱集成的最大熱負荷無關。因此，與以產生蒸汽量最大化為目標改進換熱網絡時相同，考慮循環油漿熱量與裝置富余高溫位熱量相近，換熱網絡改進過程中，將循環油漿熱量用于與常減壓裝置熱集成及產生3.8MPa中壓蒸汽，剩余冷熱物流用于裝置自身換熱網絡匹配。此時，物流H6、C8及常減壓初底油（C12）組成熱端閾值問題換熱網絡的熱集成部分，其余物流組成換熱網絡的自匹配部分。由圖7可知，在自匹配換熱網絡部分及熱集成部分均存在近夾點，因此，換熱網絡應從近夾點處開始匹配和設計。按照熱端閾值問題換熱網絡優化設計框圖改進的換熱網絡流程示于圖8。實施改進后，催化裂化裝置冷公用工程負荷降至177480MJ/h，約降低11.5%，發生3.8MPa蒸汽約35.5t/h，蒸汽發生量降低34.5t/h。同時，常減壓裝置初底油溫位由290℃提高至310℃，節約燃料氣約2.4t/h。工程改動部分包括新增循環油漿－常減壓初底油換熱器、新增產品油漿－除鹽水換熱器及相應管線調整等，預計新增設備投資費用約800萬元（RMB），投資回收期約0.83年。

圖6 產汽量最大時催化裂化裝置換熱網絡Fig.6 The heat exchanger network of fluid catalytic cracking unit in maximum steam production case

圖7 最大直接熱集成時催化裂化裝置溫焓圖Fig.7 The temperature-enthalpy diagram of fluid catalytic cracking unit in maximum direct heat integration case

圖8 最大直接熱集成時催化裂化裝置換熱網絡Fig.8 The heat exchanger network of fluid catalytic cracking unit in maximum direct heat integration case

對于熱端閾值問題換熱網絡，在確定的最小傳熱溫差和熱阱溫度滿足傳熱條件下，無論是間接熱集成，還是直接熱集成，并不會改變熱集成輸出的熱量。但是，從熱力學第二定律和煉油企業能量系統全局優化的角度考慮，需要優先節約燃料。分析認為，盡管以產生蒸汽量最大化為目標時僅需要增加投資約300萬元（RMB），而以催化裂化裝置－常減壓裝置最大熱集成為目標時需要增加投資約800萬元（RMB），但從節約燃料角度考慮，催化裂化裝置－常減壓裝置熱集成改進仍具有一定優勢。同時，熱端閾值問題換熱網絡是重要的蒸汽發生源，其熱集成方式對于蒸汽系統的平衡也存在一定影響。因此，熱端閾值問題換熱網絡熱集成方式的選擇，應從節約能源和調節蒸汽平衡雙重角度權衡確定。

3 結 論

（1）基于夾點技術提出了確定熱端閾值問題換熱網絡最大熱集成熱量的方法和考慮熱集成的熱端閾值問題換熱網絡的設計方法，給出了熱端閾值問題換熱網絡優化改進的計算框圖。

（2）最大熱集成熱量確定后，建議將熱端閾值問題換熱網絡分為2個部分進行設計。一是換熱網絡自匹配部分，用于滿足裝置自身換熱需求；二是熱集成部分，用于發生蒸汽或與其他裝置直接熱集成。

（3）以某煉油企業催化裂化裝置換熱網絡改進為例，驗證了考慮熱集成的熱端閾值問題換熱網絡設計方法的實用性。應用筆者提出的設計方法，可有效降低裝置冷公用工程負荷約11.5%，增產3.8MPa蒸汽約10.0t/h；或可減少發生3.8MPa蒸汽約34.5t/h，提高常減壓裝置初底油換后溫度約20℃，節約常減壓裝置燃料氣約2.4t/h。

符號說明：

Q——熱負荷，MJ；

Ts——起始溫度，℃；

Tt——目標溫度，℃；

ΔT——換熱溫差，℃；

ΔT′——降低的換熱溫差，℃；

下角標：

C——冷公用工程；

C，1——低溫冷公用工程；

C，2——高溫冷公用工程；

C，2a——高溫冷公用工程間接熱集成部分；

C，2b——高溫冷公用工程直接熱集成部分；

opt——優化；

min——最小。

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