煉化企業節能節水及裝置擴能改造瓶頸辨識探討

劉富余，馮霄（中國石油大學（北京）新能源研究院，北京 049；中國石油天然氣股份有限公司規劃總院節能中心，北京 00083）

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煉化企業節能節水及裝置擴能改造瓶頸辨識探討

劉富余1，2，馮霄1
（1中國石油大學（北京）新能源研究院，北京 102249；2中國石油天然氣股份有限公司規劃總院節能中心，北京 100083）

摘要：煉化企業是耗能用水大戶，隨著國家對節能減排要求的逐漸嚴格，煉化企業節能節水工作面臨較大的壓力。過程系統集成優化技術把煉化生產過程作為統一整體考慮，可最大化實現節能節水效果。過程系統作為一個有機的整體，系統中必然有一些單元過程構成系統節能節水的瓶頸，辨識這樣的系統瓶頸，并研究相應的解瓶頸策略，可使節能節水取得事半功倍的效果。本文在對煉化企業能量系統和用水網絡常用的優化技術和方法進行介紹的基礎上，重點分析了煉化企業節能節水瓶頸辨識的研究進展，主要涉及節能瓶頸、節水瓶頸以及裝置擴能改造瓶頸的辨識等方面的研究進展。當前的研究主要集中在單一網絡的瓶頸辨識，下一步的研究方向應從單功能網絡逐步推進到耦合網絡。

關鍵詞：節能節水；系統優化；瓶頸辨識

第一作者：劉富余（1982—），男，博士，工程師，研究方向為系統節能節水優化。聯系人：馮霄，教授，博士生導師，主要研究領域為過程系統工程。E-mail xfeng@mail.xjtu.edu.cn。

我國人口眾多，能源和水資源消耗量巨大。我國新鮮水用量長期位居世界第一位，能源消費總量也于2011年超過美國成為世界第一。但是，我國是一個能源和水資源短缺的國家，從1992 年開始，我國能源消費總量超過了國內生產總量，并且供求缺口呈逐年擴大趨勢，2014年，我國能源供需缺口已達6.6×108tce[1]，約15.5％的能源消費需要進口。2014年，我國的原油對外依存度接近60％，天然氣對外依存度也超過了32％[2]，能源供給形勢十分嚴峻。我國人均水資源占有量僅為世界平均水平的四分之一，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。目前，全國城市中約有三分之二缺水，約四分之一嚴重缺水[3]。能源和水資源的缺乏已經成為制約我國國民經濟可持續發展的主要瓶頸。

石油石化行業是國民經濟的支柱性產業，自2005年以來，我國石油石化行業生產規模持續擴大，見表1[4-6]。2013年，石油石化行業能源消費總量突破5×108tce，約占全國能源消費總量的12％，石油石化行業節能減排指標的完成情況對國家節能減排工作有重要影響。“十二五”以來，隨著國內汽柴油質量升級的持續推進，要求煉化企業必須新建汽柴油加氫等二次加工裝置以滿足日益嚴格的產品質量要求，企業能源消費總量持續上升，而企業能耗指標下降難度逐年加大，煉化單耗指標下降速度減緩甚至出現了反彈，2013年，乙烯和合成氨產品綜合能耗同比僅下降1.5％左右，煉油綜合能耗同比上升約0.96％[7]，煉化企業的節能減排工作面臨空前的壓力。煉化企業必須進一步強化節能減排工作，確保“十二五”節能減排指標的完成，為國家“十二五”節能減排指標的完成做出應有的貢獻。

煉化生產過程是一個有機的整體，在不同目標情況下系統中各個單元過程對系統的整體性能有不同的影響，必然有一些單元過程構成系統節能節水的瓶頸，其性能制約了系統的整體性能。辨識系統瓶頸單元并研究相應的解瓶頸策略，可取得顯著的節能節水效果，有助于企業提高經濟效益。

表1　2005年以來石油石化生產變化情況

1　過程系統集成優化技術概述

煉化企業節能節水工作歷經加強管理“撈浮財”，單裝置（設備）節能節水改造等階段，目前正進入系統化節能節水的新階段。過程系統集成優化技術把整個過程系統集成起來作為一個有機整體看待，可達到整體設計最優化，最大程度上獲得節能減排效果。

目前常用的能量系統集成優化技術主要有夾點分析法、數學規劃法和“三環節”方法。夾點分析法是20世紀80年代由英國的LINNHOFF教授基于換熱網絡優化技術而提出的能量綜合優化方法[8]，夾點分析法在應用時對技術人員的經驗和對問題與目標的理解要求較高，更適合于專家用戶。數學規劃法通過數學編程，建立與求解系統的超結構模型，從而對整個系統進行優化。數學規劃法可以自動完成計算過程，對技術人員要求較低，缺點是很難保證取得全局最優解，并且難于提供最優解的物理意義[9]。“三環節”方法[10]通過建立嚴格、定量的模型，將經濟學理論方法應用于過程系統的能量綜合優化，與純粹的熱（?）經濟學方法相比更接近工程實際，但由于?計算的復雜性和實際工程體系的復雜性，三環節方法的推廣和應用受到一定限制。

水系統集成優化的技術方法主要有夾點分析法和數學規劃法，主要技術原理與能量系統優化類似。FENG和SEIDER[11]為提高用水網絡柔性，提出了在用水網絡中設置中間水道的水網絡結構，大幅提高了用水網絡的操作柔性。LIU等[12]提出了濃度勢法，降低了多雜質用水網絡的設計難度。SAVULESCU和BAGAJEWICZ等[13-14]分別采用圖表法和狀態空間法研究了用能和用水同時最小化問題。都健等[15]采用數學規劃法和模擬退火算法對多雜質系統的能量集成進行了研究。徐冬梅[16]采用逐步雙線性規劃法和基于序貫操作模型的多組分用水網絡的整體設計策略，用夾點分析法進行換熱匹配設計，從而完成熱集成優化設計。FENG等[17]研究提出了具有較好能量特性的水網絡的數學模型，提出了以不增加公用工程量為前提的非等溫混合規則，對考慮熱集成的水網絡設計方法進行了改進。

2　節能節水的瓶頸辨識

2.1節能的瓶頸辨識

馮霄等[18]通過研究發現，在生產裝置的節能優化過程中，夾點處的溫度雖然影響裝置的節能潛力，但是在某些情況下，夾點溫度已不再是制約整個系統的節能瓶頸，某些裝置的工藝條件可能成為系統的瓶頸，制約了系統的節能潛力。研究提出通過分析系統節能改造的投資費用——節約的能量費用曲線，可以確定系統節能的瓶頸，該曲線上斜率突然增大并使得節能改造的投資回收期大于期望值處，代表了系統節能的瓶頸。采用該方法對某加氫裝置換熱網絡進行了研究，首先采用夾點分析法確定了夾點溫度，然后通過分析費用和投資回收期曲線分析確定了制約系統能量回收的瓶頸是高壓泵，對高壓泵進行改造后，換熱網絡的冷熱負荷均大幅下降，投資回收期大幅下降，驗證了所采用方法的合理性。

姚平經等[19]提出的過程系統能量集成技術包括“過程系統用能一致性原則”與大規模過程系統能量優化復合式算法、“虛擬溫度法”以及“過程系統能量集成策略”三部分主要內容。利用“過程系統用能一致性原則”把全過程的能量優化綜合問題轉化為有約束的換熱網絡綜合問題，研究開發的改進的遺傳-模擬退火復合式智能算法可以把求解換熱網絡流股數量從40多條提高到100多條，使能量優化網絡更接近工程實際。采用“虛擬溫度法”進行操作型夾點分析，得到更符合實際過程的能流分布，從而對過程用能進行正確的診斷。最后，結合“過程系統能量集成策略”，可以有效判斷系統的熱源、熱肼、用能瓶頸以及解瓶頸策略，該技術在多套乙烯和合成氨裝置節能改造中得到應用，取得較好的節能效果。

PANJESHAHI等[20]研究了換熱網絡的解瓶頸問題。他們先期研究了基于固定壓差的解瓶頸方法，后來又研究了考慮壓差變化并更換水泵和壓縮機的方法，以換熱網絡總成本最低為研究目標，同時優化網絡的附加區域和運行成本。通過一個原油預熱擴能改造案例與前期研究對比，采用最佳壓降換熱網絡進行換熱網絡設計可實現投資費用下降17％。

ATAEI等[21]研究提出了一種新的熱油系統設計方法，采用串并聯混合結構替代原有的并聯換熱網絡結構。該方法首先分別檢查熱油發生器和熱油換熱網絡，以確定熱油系統的性質，接著用已經設計好的熱油系統模型來測試熱油發生器的性能以及再循環流速和返回溫度，測算加熱效率。通過研究熱油網絡設計和熱油發生器性能之間的相互作用最終設計出熱油換熱系統。當熱油網絡中需要增加單獨的加熱器或一個新的熱交換器被引入時，則成為系統瓶頸。

2.2節水的瓶頸辨識

1994年，英國的SMITH教授將能量集成的思路引入水系統優化研究中，用類似于能量集成中構造冷熱復合曲線的方式構造極限水負荷曲線，把水中污染物濃度作為縱坐標，需要除去的污染物質量作為橫坐標，供水曲線的斜率就代表供水量。基于SMITH教授提出的方法，馮霄等[22]通過研究認為對于單雜質用水系統，夾點處是系統瓶頸，夾點（包括進出口濃度為夾點濃度以及進出口濃度跨越夾點濃度）用水單元有可能成為制約系統用水量的單元，對這些用水單元進行靈敏度分析，找出關鍵用水單元，再對關鍵用水單元分析，可以確定系統瓶頸；對于多雜質用水系統，也可以采用靈敏度分析法，確定影響用水量的關鍵環節，再針對關鍵用水環節進行分析，進而解瓶頸。解瓶頸策略主要有兩種：一是調整關鍵用水單元的傳質推動力，使供水線斜率增大，新鮮水用量減少；二是改變關鍵用水單元的工藝，減少其用水量來解瓶頸。

沈人杰等[23]采用灰色關聯度分析法來確定用水網絡的瓶頸，將瓶頸單元定義為擾動工況下，灰色關聯度值大于或等于0.85的單元。該方法將用水網絡的新鮮水用量作為研究目標，首先對影響單元性能的極限進出口濃度、實際進出口濃度、雜質負荷、單元間水流率、新鮮水用量、廢水排放量、單元操作能力等指標進行規范化處理，確定最大值型、最小值型和固定值型等三類指標的規范化處理公式；然后計算求得擾動工況與正常工況下各單元的灰色關聯度系數；最后計算各單元的灰色關聯度值。灰色關聯度值大于或等于0.85的單元即為該用水網絡的瓶頸單元。灰色關聯度分析法可以考慮影響用水量的多種因素，即適用于單雜質用水系統，也可進一步推廣到多雜質用水系統的瓶頸單元辨識。

2.3裝置擴能改造的瓶頸辨識

除了應用夾點技術和數學規劃等方法對現有用能用水網絡進行瓶頸分析外，還有部分學者對裝置擴能改造瓶頸進行了研究，也可以為煉化企業節能節水瓶頸辨識提供借鑒。

王春花等[24]采用“三環節”方法，對某延遲焦化裝置進行擴產及用能瓶頸分析，分別對該裝置的能量轉換、能量利用和能量回收等三個環節進行了分析，確定了裝置的用能瓶頸，然后利用流程模擬軟件對工藝利用環節進行物料和能量的同時優化，最后進行能量回收環節和能量轉換環節的優化改造，有效解決了裝置擴產及用能瓶頸。

范衛東等[25]在軟件工程思想的指導下，利用Aspen Plus軟件開發出化工過程系統擴產解瓶頸軟件（CPDB，chemical process de-bottlenecking）。該軟件由系統界面、系統分析、裕度分析和解瓶頸知識庫四部分組成。該軟件具有開放性，可由用戶將自己建立的模型按軟件要求嵌入；此外，裕度分析的各模塊相互對立，方便進行模塊擴展。利用該軟件對某化工廠乙烯裝置擴能改造進行了模擬，準確找到了限制系統擴能的單元，并提供了相應的解瓶頸策略，改造后裝置運行平穩，產品質量合格，取得了較好的節能效果。

胡仰棟等[26]對化工裝置擴建改造的瓶頸進行了分析認為，瓶頸因素一般可分為三類：①信息量，包括工藝路線、流程結構信息、設備型式、控制方案等；②強度量，包括設備的操作溫度、壓力、反應收率、轉化率、分離效率、傳熱系數、單位體積的反應強度等；③容積量，包括設備容積、泵的流量、壓縮機負荷、換熱器換熱面積、儀表量程等。通過直觀推斷法、現場能力測試、計算機模擬等方法可進行瓶頸辨識。解瓶頸的順序依次是信息量瓶頸，強度量瓶頸，容積量瓶頸。

在蒸餾塔改造過程中，大多研究傾向于改造塔內件，提高塔盤分離效率以提高處理量，但這種方法有時候不能達到最佳分離效果和最大經濟效益，LONG等[27]以分餾塔內部再循環流動作為主要優化變量研究了乙酸提純裝置擴能改造。通過對比常規精餾塔和隔板塔的投資費用以及能源消耗成本，研究認為隔板塔可以有效提高裝置加工量，解除擴能瓶頸，同時保持較低的投資和操作成本，具有較好的經濟效益。

TAN等[28]研究提出了一種用于連續生產過程的瓶頸識別的數學方法。生產過程中的每個單元存在固定的質量和能量的平衡關系，若干個生產單元根據產品要求被設計成特定的組合方案，根據預期產品設定基準狀態。當目的產品方案發生變化時，可用生產能力過剩量不足以滿足增量需求的生產單元即為瓶頸單元，該方法在熱電聯產工廠和甲醇廠得到了驗證。

TAHOUNI等[29]研究了天然氣化工廠中凝析油穩定裝置擴產的解瓶頸問題，該穩定裝置由一個兩級壓縮機和使用高壓蒸汽作為熱源的再沸器組成。解瓶頸主要分為兩步，首先將流體壓力降作為主要參數，要綜合考慮傳熱系數和壓差變化帶來的對于設備投資和運行成本的影響；第二步是換熱網絡詳細設計解瓶頸階段，通過校正以改變換熱器的熱輸入和輸出優化換熱網絡結構，而不是重新對單元進行定位。研究結果表明，通過采用優化壓差的方法可以解決裝置擴能瓶頸，在裝置處理量增加20％的情況下，新增1555m2換熱面積，公用工程消耗可維持不變，實現節能效益99478$/a。

3　結論與展望

國內外學者采用圖示法、數學規劃法、“三環節”方法、灰色關聯度分析法以及靈敏度分析法等多種方法及相關延伸方法進行了煉化企業節能節水瓶頸以及裝置擴能改造瓶頸的辨識研究，取得了較好的效果，總體看來圖示法比較適合單一功能網絡，對于復雜的煉化生產過程，需要多種方法綜合使用才能取得較好的效果。

站在系統工程角度研究煉化生產過程節能節水已經取得了較大的研究進展，很多技術已經在企業節能節水改造和優化中得到應用，取得了較好的節能節水效果。但是對于煉化企業節能節水瓶頸過程辨識的研究工作開展較少，且研究工作單一，大都只單獨考慮了節能瓶頸辨識或節水瓶頸辨識。對于多種功能錯綜交織和高度耦合的能量/質量梯級利用整體系統，節能節水瓶頸辨識研究鮮有報道。

今后煉化企業節能節水瓶頸辨識研究工作應從單功能網絡逐步推進到耦合網絡，從單功能網絡瓶頸的特點入手，對于無法用圖示法描述的具有高維特征的能量/質量耦合系統，通過靈敏度分析法或角點法辨識不同目標下的系統瓶頸，分析瓶頸特征。研究能量和質量不同特性瓶頸之間的關系、交互作用與協調規律，研究不同目標下的系統瓶頸辨識方法并建立相應的解瓶頸策略。

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Discussion on identifying energy，water and capacity expansion bottlenecks for refineries

LIU Fuyu1，2，FENG Xiao2
（1New Energy Institute，China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2Energy Conservation Center，PetroChina Planning & Engineering Institute，Beijing 100083，China）

Abstract：Refineries and chemical plants consume great amounts of energy and water. With increasingly stringent national requirements for energy conservation and emission reduction，these enterptises face more and more pressure. Process system integration and optimization technology dealing with an enterprise as a whole，can maximize energy and water saving effects. As an organic whole，a process system necessarily includes some unit processes that form the bottleneck of energy or/and water conservation，whose performance constrains the whole system's overall performance. Identificating such bottleneck，and studying the corresponding solution strategy，will get twice the result with half the effort of energy and water conservation. Based on energy system and water network optimization techniques and methods，this paper analyzes research progress of bottleneck identification on energy conservation，water conservation and plant retrofit for refineries and chemical plants. Current researches focus on bottleneck identification of single-function networks，and further research should pay attention to multi-function networks bottleneck identification.

Key words：energy and water conservation; system optimization; identifying bottlenecks

中圖分類號：TQ 021.8

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–0995–05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.004

收稿日期：2015-08-27；修改稿日期：2015-11-26。

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB720500）。