氣體多級壓縮過程?經濟分析優化

郭偉新，陸航宇，萬向成，張冰劍，陳清林

(中山大學化學工程與技術學院，廣東省石化過程節能工程技術研究中心，廣州 510275)

1 能量系統流計價

EUi=EPi-Ehi-(DKU+DJU)

(1)

能量轉換環節的費用平衡方程為：

cUi×EUi+cDi×EDi+cBi×EBi=
cPi×EPi+βj×ZUj

(2)

cU，n×EU，n=cP，n×EP，n+βn×ZU，n

(3)

cP×EP，n+βn×ZU，n>cP×EP，n+1+
βn+1×ZU，n+1

(4)

2 多級壓縮過程經濟分析優化

2.1 設備投資費用模型

多級壓縮過程流程選擇必須比較不同工藝過程所涉及的費用情況，以實現經濟上的最優化。壓縮機與換熱器的工藝參數及設備投資費用相關參數見表1[13]。

表1 設備投資費用相關參數

單元設備投資成本模型如下：

(5)

式中：CA為負荷為QA的設備在A年的費用，元；CB為負荷為QB的設備在B年的基礎費用，元；M為設備成本指數常數；IAIB表示不同年份設備成本指數比，IB取2000年設備成本指數435.8。基于近年來設備成本指數變化情況，推測2018年的成本指數為554.9[14]。

整個工藝的固定投資費用包括直接費用和間接費用，采用設備購置費用乘以其安裝因數估算，即：

(6)

式中：CF為固定投資總費用,萬元a；CA，l為設備l在A年的費用，元；fl為設備l的安裝因數。

多級壓縮工藝設置級間冷卻器，冷卻器投資費用也需考慮。換熱面積是決定換熱器投資費用的關鍵參數，通過總傳熱速率方程估算[15]，即

Q=K×A×Δtlm

(7)

(8)

式中：Δtlm為換熱器進、出口處的對數平均溫差，℃；Δt1為熱流進口端與冷流出口端溫差，℃；Δt2為熱流出口端與冷流進口端溫差，℃；Q，K，A分別表示換熱器的傳熱量(W)、總換熱系數[W(m2·℃)]及總換熱面積(m2)。

對于兩流體的換熱，其總換熱系數可表示為：

(9)

式中，K1、R1與K2、R2分別為流體1與流體2的換熱系數[W(m2·℃)]和污垢熱阻(m2·℃W)。

所需冷卻介質的質量流率可通過熱量計算方程估算，即：

Q=C×m×ΔT

(10)

式中，C，m，ΔT分別為冷卻介質的比熱容[kJ(kg·℃)]、質量(kg)及始末溫度差(℃)。

由于實際工業多級壓縮過程通常采取平均分配壓縮比，各級間的能耗與出口溫度差別不大，所以多級壓縮過程設備固定投資總費用CF可表示為：

(11)

式中：上標Ml為設備l的設備成本指數；re為美元對人民幣的匯率。設備固定投資費用的折舊率β可表示為：

(12)

式中：ra為年利率；d為折舊年限。

年度過程投資費用β×ZU可表示為：

β×ZU，n=CF，n×β+CH2O，n

(13)

式中，CH2O為年度循環冷卻水費用，萬元a。

2.2 設備投資與能耗費用分析

通過壓縮過程能耗與過程投資費用權衡，優化壓縮過程級數。取循環冷卻水側的傳熱膜系數為6 000 W(m2·℃)，污垢熱阻為2.6×10-4m2·℃W，粗裂解氣側的傳熱膜系數為300 W(m2·℃)，污垢熱阻為3.0×10-4m2·℃W，由式(9)可估算出粗裂解氣壓縮機級間冷卻器總傳熱系數K值為246.3 W(m2·℃)。

設壓縮機級間冷卻時循環冷卻水進、出口溫度分別為30 ℃和40 ℃，水的比熱容為4.2 kJ(kg·℃)，結合文獻[8]換熱器熱負荷值與式(7)～式(10)，計算得到不同壓縮級數下氣體壓縮過程中的壓縮機級間冷卻器總換熱面積及其所需冷卻水的質量流率，估算結果見表2。

表2 不同壓縮級數下壓縮機級間冷卻器總負荷、總換熱面積及循環冷卻水用量

設年利率為0.05，設備折舊期為15年，年操作時間以8 000 h計，循環冷卻水價格為0.4元t[16]，取2018年平均美元對人民幣的匯率為1美元=6.7元，結合式(5)、式(6)以及式(11)～式(13)，得到不同壓縮級數下氣體壓縮過程中的年度過程投資費用及在不同供入價下壓縮27.5 th粗裂解氣至2.7 MPa(絕壓)的相關費用，估算結果見表3。

表3 不同壓縮級數下粗裂解氣壓縮過程費用

圖1 不同壓縮級數的年度總費用供入價，元(kW·h)： —0.4； —0.7； —1.0

2.3 最優壓縮級數分析

3 結 論