煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)及應(yīng)用

劉殿棟　李晨光　朱賢琨　焦云強(qiáng)　王建平

【摘要】循環(huán)水系統(tǒng)是石化行業(yè)重要的公用工程，循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行需要消耗大量的水源和電能。針對煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)普遍存在能耗大、運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)等實(shí)際問題，為了滿足企業(yè)降低成本、節(jié)能降耗的目的，本文詳細(xì)分析了當(dāng)前煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的影響因素，提出了煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化策略，建立了循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化模型，開展循環(huán)水系統(tǒng)的水量優(yōu)化、壓力優(yōu)化及節(jié)電優(yōu)化。實(shí)例分析結(jié)果表明，該策略減少了裝置的循環(huán)水用量，降低了循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，節(jié)省了循環(huán)水系統(tǒng)的電力消耗，對煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化管理具有重要指導(dǎo)意義。【關(guān)鍵詞】循環(huán)水；系統(tǒng)；優(yōu)化；模型1、引言循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是石化行業(yè)重要的公用工程，其新鮮水補(bǔ)水量占企業(yè)用水量的35%左右，是石油化工領(lǐng)域用水量僅次于鍋爐補(bǔ)水的第二大用水系統(tǒng)[1]。循環(huán)水輸送和冷卻處理過程消耗大量的電能，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行電耗約占企業(yè)總用電量的20%-30%[2]，循環(huán)水系統(tǒng)是石化行業(yè)的耗電大戶。在石化煉油行業(yè)，企業(yè)的產(chǎn)能能否長期穩(wěn)定增長、裝置設(shè)備能否高效安全運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量能否合格有效，都直接取決于循環(huán)水冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量情況。循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化是煉油企業(yè)節(jié)能降耗的重要內(nèi)容，如何減少循環(huán)水系統(tǒng)的水耗與電耗已成為企業(yè)非常關(guān)注的問題，研究如何減少循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的能耗對企業(yè)有著重要的意義。因此，為提高循環(huán)水系統(tǒng)的能量利用水平，循環(huán)水系統(tǒng)的更新改造及其優(yōu)化運(yùn)行勢在必行[3]。目前針對循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的主要集中在三個(gè)方面：第一方面集中在循環(huán)水泵、冷卻塔等單體設(shè)備的性能優(yōu)化；第二方面集中在裝置端循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水用量優(yōu)化；第三方面集中在包括冷卻塔、裝置用水單元在內(nèi)的循環(huán)水系統(tǒng)集成優(yōu)化。這三方面的優(yōu)化雖然改善了系統(tǒng)設(shè)備的性能，降低了裝置的循環(huán)水用量，并且獲得了相對簡單的循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但目前的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化主要集中在系統(tǒng)局部方面的研究，未考慮各用水設(shè)備所需的壓頭、裝置循環(huán)水管網(wǎng)的運(yùn)行壓力、現(xiàn)場各用水設(shè)備的實(shí)際約束條件、循環(huán)水主管網(wǎng)的運(yùn)行壓力，沒用開展包括裝置用水端、循環(huán)水管網(wǎng)、循環(huán)水供水端的全流程優(yōu)化，優(yōu)化方案脫離現(xiàn)場實(shí)際，與現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用存在一定的差距。本文針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化策略，該策略綜合考慮了水流量平衡、熱量平衡、水冷器、循環(huán)水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、循環(huán)水管網(wǎng)、壓力、現(xiàn)場實(shí)際條件等多項(xiàng)因素，建立了循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化模型，對煉油企業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行包括節(jié)水、降壓、節(jié)電在內(nèi)的全流程優(yōu)化，獲得更加切合煉油企業(yè)實(shí)際的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化方案，取得了良好的效果。2、循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化模型2.1 問題描述煉化企業(yè)當(dāng)前大多數(shù)循環(huán)水系統(tǒng)為敞開式系統(tǒng)。如圖1所示，煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)由冷卻塔、泵、冷卻水池、用水裝置、工藝水冷器組成，循環(huán)水經(jīng)用水裝置，由工藝裝置水冷器與工藝介質(zhì)換熱升溫后，循環(huán)冷水變成循環(huán)熱水。循環(huán)熱水通過循環(huán)水管道進(jìn)入冷卻塔冷卻降溫，冷卻的水進(jìn)入冷卻塔水池，由冷卻塔水池進(jìn)入冷水池。循環(huán)給水泵從冷水池自灌吸水加壓后，經(jīng)循環(huán)給水管道輸送，供各裝置使用。循環(huán)水系統(tǒng)全流程優(yōu)化的目的是：根據(jù)各用水裝置的實(shí)際特點(diǎn)，考慮裝置的相關(guān)約束條件，以循環(huán)水用量最小為目標(biāo)，建立各裝置循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化模型，確定各裝置循環(huán)水系統(tǒng)的水量優(yōu)化方案；在水量優(yōu)化的基礎(chǔ)上，根據(jù)各用水裝置的壓力特點(diǎn)，搭建循環(huán)水系統(tǒng)的全流程模型，對整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備和管網(wǎng)進(jìn)行壓力核算，確定循環(huán)水系統(tǒng)的壓力優(yōu)化方案；在水量優(yōu)化和壓力優(yōu)化基礎(chǔ)上，針對循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行需求，對用電設(shè)備進(jìn)行操作調(diào)整與適應(yīng)性改造，確定循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)電優(yōu)化方案。2.2 循環(huán)水系統(tǒng)水量優(yōu)化循環(huán)水量優(yōu)化是以裝置循環(huán)水用量最小為目標(biāo)，建立循環(huán)水換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，指導(dǎo)進(jìn)行循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)改造，獲得水量小、結(jié)構(gòu)簡單的最佳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[4～8]。通過設(shè)定目標(biāo)函數(shù)，確定與實(shí)際過程相應(yīng)的約束條件，建立用水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。通過求解該數(shù)學(xué)模型，就可以得到目標(biāo)函數(shù)要求并滿足約束條件的用水網(wǎng)絡(luò)。2.2.1循環(huán)水用水網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)建立循環(huán)水用水網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)，需要把循環(huán)水用水網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)設(shè)備區(qū)分為水源和水阱。水源指提供循環(huán)水的設(shè)備，如冷卻塔。水阱指消耗循環(huán)水的設(shè)備，如裝置工藝水冷器。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，水冷器所需的冷卻水可以是冷卻塔的來水，也可以是其它任何水冷器的升溫后的冷卻水；水冷器升溫后所排的冷卻水，可以直接排放至冷卻塔，或者也可以排至其它任何水冷器，所以冷卻塔與水冷器即使水源又是水阱。煉油企業(yè)循環(huán)水用水網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)如圖2所示。在建立循環(huán)水用水網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)時(shí)，需先建立包括所有可能連接的初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后通過優(yōu)化算法確定一個(gè)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在尋求最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需建立與優(yōu)化問題相關(guān)的數(shù)學(xué)模型并選擇優(yōu)化算法進(jìn)行計(jì)算。數(shù)學(xué)模型由目標(biāo)函數(shù)和約束條件構(gòu)成。目標(biāo)函數(shù)一般選擇為成本最小化或效益最大化。約束條件需描述超結(jié)構(gòu)中所有單元的物質(zhì)和能量的衡算方程以及限制條件，并包括用整數(shù)變量表示某個(gè)過程或連接是否存在。超結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)就是建立水源到水阱之間的所有連接，由優(yōu)化模型決定最合適的供水路線和供水量。超結(jié)構(gòu)方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于：優(yōu)化計(jì)算中可以直接添加約束條件和改變優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并可同時(shí)獲得最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)值和相應(yīng)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)[9]。2.2.2優(yōu)化模型根據(jù)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的超結(jié)構(gòu)建模原理，以循環(huán)水用量最小為目標(biāo)，綜合考慮水流量平衡、熱量平衡、水冷器進(jìn)出口溫度、水冷器溫差、整數(shù)變量、現(xiàn)場實(shí)際條件等約束，建立循環(huán)水用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，以獲得循環(huán)水量最小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單的循環(huán)水用水網(wǎng)絡(luò)。求解模型，可以得到循環(huán)冷卻水量最少且結(jié)構(gòu)簡單的循環(huán)冷卻水網(wǎng)絡(luò)。以上各式中：J，K為水冷器集合；水冷器的最小連接數(shù)；Ft，j 冷卻器j消耗的來自于冷卻塔的冷卻水流量；Fj，k 冷卻器k消耗的來自于冷卻器j的冷卻水流量；Fj，t 冷卻器j排向冷卻塔的冷卻水流量；Tt，out 冷卻塔的出口溫度；Tj，out 冷卻器j的出口溫度；Tk，out 冷卻器k的出口溫度；Tj，in 冷卻器j的進(jìn)口溫度； 冷卻器j的極限進(jìn)口溫度； 冷卻器j的極限出口溫度；U水冷器的最大冷卻水流量；Xt，j 0，1變量，表示冷卻器j是否使用來自于冷卻塔的冷卻水；Xj，k0，1變量，表示冷卻器j是否使用來自于冷卻器i的冷卻水；Xj，t0，1變量，表示冷卻器j是否向冷卻塔排水。2.3 循環(huán)水系統(tǒng)壓力優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)壓力優(yōu)化就是在水量優(yōu)化的基礎(chǔ)上，根據(jù)各用水裝置的壓力特點(diǎn)，搭建循環(huán)水系統(tǒng)的全流程模型，對整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備和管網(wǎng)進(jìn)行壓力核算，確定循環(huán)水系統(tǒng)的壓力優(yōu)化方案，降低整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行壓力。循環(huán)水系統(tǒng)壓力優(yōu)化包括以下步驟：（1） 在水量優(yōu)化的基礎(chǔ)上，基于Aspen流程模擬軟件搭建包括循環(huán)水泵、循環(huán)水管網(wǎng)、裝置用水設(shè)備以及從裝置出口至冷卻塔的循環(huán)水系統(tǒng)全流程模型；（2） 根據(jù)搭建的全流程模型，對各用水設(shè)備所需的壓頭與循環(huán)水泵所供的壓頭以及各裝置循環(huán)水出口的壓頭與循環(huán)水場冷卻塔所需的壓頭進(jìn)行對比核算，并對各裝置的循環(huán)水管網(wǎng)進(jìn)行壓力等級分類；（3） 根據(jù)各裝置循環(huán)水管網(wǎng)的壓力等級分布情況，將循環(huán)水主管網(wǎng)分為高壓區(qū)和低壓區(qū)，實(shí)行高壓高供，低壓低供，對循環(huán)水進(jìn)行梯級利用。同時(shí)，針對較高平臺上的水冷器，采用單獨(dú)管道泵提升壓力，以降低循環(huán)水系統(tǒng)的供水壓力。2.4 循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)電優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)電優(yōu)化就是在壓力優(yōu)化和水量優(yōu)化的基礎(chǔ)上，搭建循環(huán)水系統(tǒng)的全流程模型，針對優(yōu)化后循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行需求，對用電設(shè)備進(jìn)行操作調(diào)整與適應(yīng)性改造，確定循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)電優(yōu)化方案。循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)電優(yōu)化包括以下步驟： （1） 在水量優(yōu)化和壓力優(yōu)化的基礎(chǔ)上，搭建包括循環(huán)水給水系統(tǒng)、裝置循環(huán)水系統(tǒng)、循環(huán)水回水系統(tǒng)在內(nèi)的循環(huán)水系統(tǒng)全流程模型；（2） 根據(jù)搭建的全流程模型，根據(jù)循環(huán)水主管網(wǎng)所需的壓力及循環(huán)水量與循環(huán)水泵的實(shí)際壓頭和流量進(jìn)行對比核算，同時(shí)對優(yōu)化后的循環(huán)水用量與冷卻塔的實(shí)際處理量進(jìn)行對比核算；（3） 根據(jù)核算情況，對系統(tǒng)的重點(diǎn)用電設(shè)備循環(huán)水泵及冷卻塔進(jìn)行操作調(diào)整與適應(yīng)性改造，以滿足優(yōu)化后循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行需求。3、實(shí)例研究某煉油企業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程圖和循環(huán)水管網(wǎng)示意圖分別如圖3和圖4所示。該循環(huán)水場為12套生產(chǎn)裝置的換熱設(shè)備提供配套循環(huán)冷卻水。循環(huán)水場設(shè)計(jì)規(guī)模為18000m3/h，配備處理量為4500t/h的風(fēng)機(jī)冷卻塔4座，供水量為4500t/h的循環(huán)水泵5臺。3.1 水量優(yōu)化基于上述水量優(yōu)化述思路，對該循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行水量優(yōu)化，大大降低了裝置的循環(huán)水用量。由于系統(tǒng)內(nèi)裝置較多且內(nèi)部循環(huán)水管網(wǎng)復(fù)雜，裝置內(nèi)部循環(huán)水系統(tǒng)的水量優(yōu)化方案在此不再敘述。各裝置的循環(huán)水節(jié)水量統(tǒng)計(jì)如表1所示。裝置3、裝置4、裝置10、裝置11、裝置12中水冷器的進(jìn)回水溫差較大，基本上無水量優(yōu)化的空間。優(yōu)化后的系統(tǒng)每小時(shí)節(jié)約循環(huán)水2110.84噸，節(jié)水率達(dá)16%。裝置端水量優(yōu)化減少了系統(tǒng)的循環(huán)水用量，降低了循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行成本，為循環(huán)水系統(tǒng)帶來了效益，實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能增效的目標(biāo)。水量優(yōu)化所帶來的效益主要體現(xiàn)在循環(huán)水用量的減少，節(jié)省了循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的電耗，節(jié)省的電耗主要來自于少處理節(jié)約的這部分循環(huán)水的電力消耗，為循環(huán)水場的機(jī)泵節(jié)電帶來了直接的經(jīng)濟(jì)效益。3.2壓力優(yōu)化基于壓力優(yōu)化思路，搭建整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)的流程模型，對整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備和管網(wǎng)進(jìn)行壓力核算，通過以下措施對該循環(huán)水場進(jìn)行壓力優(yōu)化：1） 對各裝置的循環(huán)水管網(wǎng)進(jìn)行了壓力等級分類，將各個(gè)用水裝置的循環(huán)水管網(wǎng)分為高壓區(qū)和低壓區(qū)，將循環(huán)水給水主管網(wǎng)用閥門分隔為高壓供水管網(wǎng)與低壓供水管網(wǎng)；2） 根據(jù)各裝置循環(huán)水系統(tǒng)的壓力需求，循環(huán)水主管網(wǎng)高壓區(qū)的供水壓力保持原來的0.5Mpa不變，循環(huán)水主管網(wǎng)低壓區(qū)的供水壓力由原來的0.5MPa減小為0.4Mpa；3） 將各裝置出口的循環(huán)水回水壓力由原來的0.22MPa降低到0.15Mpa，以滿足冷卻塔的運(yùn)行需求。由于循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)的裝置較多，且各裝置內(nèi)部循環(huán)水管網(wǎng)復(fù)雜，裝置內(nèi)部循環(huán)水系統(tǒng)的壓力優(yōu)化方案在此不再敘述。壓力優(yōu)化后循環(huán)水系統(tǒng)的主管網(wǎng)如圖5所示，從圖5可以看出，優(yōu)化后的循環(huán)水系統(tǒng)充分利用了原來的循環(huán)水管線，在盡量不改動(dòng)原有循環(huán)水管網(wǎng)的基礎(chǔ)上，新增兩個(gè)閥門將循環(huán)水給水系統(tǒng)分隔為虛線表示的高壓循環(huán)水系統(tǒng)和實(shí)線表示的低壓循環(huán)水系統(tǒng)，同時(shí)新增兩條高壓輸水管線和一條低壓輸水管線以保證循環(huán)水系統(tǒng)高壓區(qū)與低壓區(qū)循環(huán)水的正常供應(yīng)。3.3節(jié)電優(yōu)化基于節(jié)電優(yōu)化思路，搭建循環(huán)水系統(tǒng)的全流程模型，針對優(yōu)化后循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行需求，對用電設(shè)備進(jìn)行操作調(diào)整與適應(yīng)性改造。根據(jù)水量優(yōu)化及壓力優(yōu)化的結(jié)果，循環(huán)水主管網(wǎng)可分為高壓管網(wǎng)和低壓管網(wǎng)，利用原來的一臺循環(huán)水泵向高壓管網(wǎng)供水。同時(shí)，對兩臺循環(huán)水泵進(jìn)行葉輪切削改造，將這兩臺循環(huán)水泵的工作壓力由0.5 MPa降低為0.4 MPa，由改造過的兩臺循環(huán)水泵向低壓管網(wǎng)供水，這將大大降低循環(huán)水泵的電耗，節(jié)省了循環(huán)水系統(tǒng)的電力運(yùn)行成本，每年可節(jié)電耗216.24×104 kW·h，節(jié)約電費(fèi)123.69萬元。剩下的兩臺循環(huán)水泵作為備用，在非正常工況下系統(tǒng)循環(huán)水出現(xiàn)嚴(yán)重不足時(shí)，可對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水，保證整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。4、結(jié)論本文針對目前循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究的不足，提出了煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化策略，該策略綜合考慮了水流量平衡、熱量平衡、水冷器、循環(huán)水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、循環(huán)水管網(wǎng)、壓力、現(xiàn)場實(shí)際條件等多項(xiàng)因素，建立了循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化模型，對煉油企業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行包括節(jié)水、降壓、節(jié)電在內(nèi)的全流程優(yōu)化。案例分析結(jié)果表明，該策略實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化，對比原始的循環(huán)水系統(tǒng)，優(yōu)化后的循環(huán)水系統(tǒng)有效的降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果。參考文獻(xiàn)：[1] 陳應(yīng)新. 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用[J]. 石化技術(shù)， 2005， 12（2）： 44.[2] 鄭雪松， 馮霄， 沈人杰. 具有最簡結(jié)構(gòu)水回用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化[J]. 高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)， 2006， 20（4）：622-627.[3] 李友松，江萍.煉油工藝過程節(jié)水的研究與應(yīng)用效果[J].化工進(jìn)展，2009，28（增）：21-23.[4] MAJOZI T，MOODLEY A.Simultaneous Targeting and Design for Cooling Water Systems with Multiple Cooling Water Supplies[J].Computers and Chemical Engineering，2008，32（3）：540-551.[5] 丁力，鄢烈祥，史彬等.冷卻塔水循環(huán)系統(tǒng)的集成優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2010，27（11）：1469-1472.[6] 馮霄，雷哲，沈人杰.基于數(shù)學(xué)規(guī)劃法的循環(huán)冷卻水網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，39（1）：33-36.[8] 梁偉，苗磊，張洪林等.水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件在工業(yè)節(jié)水中的應(yīng)用[J].礦冶，2006，15（4）：65-68.[9] 關(guān)新虎，焦云強(qiáng)，李晨光等.一種工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化方法：中國，104680247 A[P]，2015-06-03.