夾點(diǎn)技術(shù)在換熱流程優(yōu)化中的應(yīng)用

王新勇，朱江輝，高華珍

夾點(diǎn)技術(shù)在換熱流程優(yōu)化中的應(yīng)用

王新勇，朱江輝，高華珍

（中石化塔河煉化有限責(zé)任公司， 新疆 庫車 842000）

以塔河煉化1#凝結(jié)水系統(tǒng)換熱流程為研究對象，針對1#凝結(jié)水系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在的凝結(jié)水終端溫度高、冷源流量不足、熱量浪費(fèi)等問題，利用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化綜合換熱網(wǎng)絡(luò)，并且對整個過程系統(tǒng)的能量進(jìn)行分析與調(diào)優(yōu)，實(shí)現(xiàn)過程系統(tǒng)的低能耗操作。通過優(yōu)化改造及調(diào)整后，解決現(xiàn)場運(yùn)行問題，并提出換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化運(yùn)行措施，對優(yōu)化工作有一定的指導(dǎo)意義。

夾點(diǎn)技術(shù)；換熱；流程優(yōu)化

1#凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理量為50 t·h-1，其主要功能為回收裝置送回的凝結(jié)水。凝結(jié)水主要來自1#焦化、加制氫、儲運(yùn)、重整等工藝。凝結(jié)水流量在 0~40 m3·h-1之間，回水溫度為120 ℃左右，經(jīng)換熱器（凝結(jié)水/循環(huán)水）出水溫度為100 ℃（夏70 ℃）左右，循環(huán)水進(jìn)換熱器溫度25 ℃，出換熱器溫度為65 ℃，合格凝結(jié)水回用至除氧器，不合格凝結(jié)水回用至循環(huán)水。凝結(jié)水系統(tǒng)在運(yùn)行中存在以下問題：凝結(jié)水熱量浪費(fèi)，未得到合理利用；凝結(jié)水不合格時存在低水高用現(xiàn)象；凝結(jié)水/循環(huán)水換熱器熱源及冷源終端溫度高，不利于后期處理。本文利用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化綜合換熱網(wǎng)絡(luò)，并且對整個過程系統(tǒng)的能量進(jìn)行分析與調(diào)優(yōu)，實(shí)現(xiàn)過程系統(tǒng)的低能耗操作。通過優(yōu)化改造及調(diào)整后，解決現(xiàn)場運(yùn)行問題，并提出換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化運(yùn)行措施，解決換熱器終端溫度高等問題。

1 換熱流程分析

1.1 凝結(jié)水流程簡介

南廠動力車間1#凝結(jié)水水站流程為從1#焦化、1#硫磺、1#加制氫、1#儲運(yùn)重整裝置匯集的高溫凝結(jié)水首先進(jìn)入凝結(jié)水集合器，再進(jìn)凝結(jié)水循環(huán)水換熱器回收熱量，使溫度降低后進(jìn)入處理前凝結(jié)水罐（V201），低溫凝結(jié)水直接進(jìn)入處理前凝結(jié)水罐，再由凝結(jié)水提升泵（P201A/B/C）提升至焦碳吸附塔、精密過濾器、電磁過濾器進(jìn)行除油除鐵，最終進(jìn)入產(chǎn)品水罐(V401)。由凝結(jié)水出水泵(P401A/B)將合格凝結(jié)水送至鍋爐除氧器，不合格的凝結(jié)水作為循環(huán)水補(bǔ)水補(bǔ)入循環(huán)水系統(tǒng)。流程如圖1所示。

圖1 1#凝結(jié)水站工藝流程圖

換熱器僅有一臺，冷源采用循環(huán)水，循環(huán)水為管程介質(zhì)。換熱器資料如表1所示。

表1 換熱器參數(shù)表

1.2 夾點(diǎn)技術(shù)分析

以凝結(jié)水量大的冬季為分析基點(diǎn)，數(shù)據(jù)均來源于冬季運(yùn)行。凝結(jié)水系統(tǒng)熱量較高，尤其是冬季，各裝置防凍防凝伴熱全部投用，凝結(jié)水（熱源H1）流量在40 t·h-1左右，溫度在120 ℃左右，循環(huán)水（冷源C1）流量在40 t·h-1，換熱后凝結(jié)水溫度在80 ℃左右，循環(huán)水進(jìn)換熱器溫度25 ℃，出換熱器溫度為65 ℃[1]。

表2 物流分析表

依據(jù)表2，以溫度為橫坐標(biāo)，以焓值為縱坐標(biāo)，繪制H-T圖，如圖2所示。

由表2及圖2可知，凝結(jié)水換熱網(wǎng)絡(luò)（循環(huán)水/凝結(jié)水）存在以下幾個問題：

①熱源熱量大量未回收，hmin為最低可回收熱量。

②冷源不足，熱源與冷源之間無重疊點(diǎn)，如須將熱源溫度降低，須要大量提高冷源流量，從而吸收熱源能量。

③溫度相差大，終點(diǎn)溫度相差25 ℃，能量沒有分級利用，利用率低。

圖2 夾點(diǎn)分析圖（單程）

2 換熱流程優(yōu)化

2.1 流程優(yōu)化

根據(jù)上述換熱流程夾點(diǎn)分析出來的問題，優(yōu)化方向?yàn)樵黾永湓础恿囬g冷源主要為新鮮水、循環(huán)水、除鹽水、采暖水。其中，新鮮水僅能加熱至50 ℃，可利用能級低；循環(huán)水可用于冷卻，但熱量傳至循環(huán)水后，通過風(fēng)機(jī)進(jìn)行排放，形成能量浪費(fèi)。因此，采用除鹽水及采暖水作為冷源吸收凝結(jié)水熱量可行。優(yōu)化改造方案為在1#凝結(jié)水站利舊一臺采暖水換熱器，利用凝結(jié)水加熱采暖水，新增一臺除鹽水換熱器，利用凝結(jié)水熱量加熱除鹽水。由于現(xiàn)有循環(huán)水換熱器換熱面積偏小，在原位置將其更換為較大的換熱器。

表3 換熱器參數(shù)表

圖3 換熱器流程

2.2 夾點(diǎn)技術(shù)分析

熱源H1凝結(jié)水性質(zhì)：流量在40 t·h-1左右，進(jìn)口溫度120 ℃，出口溫度80 ℃。

冷源C1采暖水性質(zhì)：流量在50 t·h-1左右，進(jìn)口溫度60 ℃，出口溫度100 ℃。

冷源C2除鹽水性質(zhì)：流量在40 t·h-1左右，進(jìn)口溫度40 ，出口溫度60 。

冷源C3循環(huán)水性質(zhì)：流量在50 ·h-1左右，進(jìn)口溫度20 ，出口溫度40 。

表4 物流分析表

依據(jù)表4，以溫度為橫坐標(biāo)，以焓值為縱坐標(biāo)，繪制H-T圖，如圖4所示。

圖4 夾點(diǎn)分析圖（多程）

對表4及圖4進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論[2]：

1）換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)為冷源/熱源之間的最短距離，如圖中min區(qū)域所處430 kW處。夾點(diǎn)處min為14 ℃，小于20 ℃，證明利舊改造達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求（min越大需要的公用工程量越大，經(jīng)濟(jì)性越差；min越小需要的建設(shè)成本越大，需要的公用工程量越大）。

2）如圖所示，夾點(diǎn)上方區(qū)域?yàn)槔涠耍恍枥湓蠢鋮s；夾點(diǎn)下方區(qū)域?yàn)闊岫耍恍锜嵩醇訜帷?/p>

3）如圖所示I區(qū)域，熱量回240 kW以下，僅須投用冷源C1即可滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求。

4）如圖所示Ⅱ區(qū)域，熱量回收240~440 kW之間，僅需投用冷源C1+冷源C2即可滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求。

5）如圖所示Ⅲ區(qū)域，熱量回收440~600 kW之間，須投用冷源C1+冷源C2+冷源C3方可滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求。

6）如圖所示Ⅳ區(qū)域，熱量回收600 kW以上，須全部投用冷源C1+冷源C2+冷源C3方可滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求，但熱量無法得到有效利用。

2.3 控制優(yōu)化

為方便現(xiàn)場運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整，將上述夾點(diǎn)分析結(jié)果折算成班組運(yùn)行控制的參數(shù)，為現(xiàn)場運(yùn)行調(diào)整提供便利。優(yōu)化運(yùn)行從兩方面入手，一是凝結(jié)水終端控制溫度穩(wěn)定在50 ℃，根據(jù)凝結(jié)水流量調(diào)整冷源；二是凝結(jié)水流量固定（冬季模式），根據(jù)凝結(jié)水終端控制溫度調(diào)整冷源。根據(jù)夾點(diǎn)分析理論計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表5 凝結(jié)水流量優(yōu)化控制表

2.3.1 根據(jù)凝結(jié)水流量調(diào)整冷源

班組運(yùn)行調(diào)整中，凝結(jié)水流量是重要參數(shù)。通過夾點(diǎn)計(jì)算確定冷源換熱器投用經(jīng)濟(jì)運(yùn)行形式，班組僅需參照流量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整即可。適用于凝結(jié)水終端溫度為固定值，裝置流量變化的工藝調(diào)整方案。

2.3.2 根據(jù)凝結(jié)水終端控制溫度調(diào)整冷源

班組運(yùn)行調(diào)整中，凝結(jié)水終端溫度是重要參數(shù)。通過夾點(diǎn)計(jì)算確定冷源換熱器投用經(jīng)濟(jì)運(yùn)行形式，班組僅需參照終端溫度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整即可。適用于凝結(jié)水流量為固定值，裝置回凝結(jié)水溫度變化的工藝調(diào)整方案。

表6 凝結(jié)水溫度優(yōu)化控制表

3 結(jié)束語

運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)分析，1#凝結(jié)水原換熱流程存在冷源不足及熱量無法回收等問題。通過優(yōu)化改造，新增采暖水及除鹽水兩種冷源，對熱量進(jìn)行回收。改造后，最小溫差min小于20 ℃，滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求。利用夾點(diǎn)技術(shù)分析理論，將換熱網(wǎng)絡(luò)劃分為4區(qū)域，并根據(jù)熱量情況調(diào)整冷源，從而做到分級回收熱量，最大限度的回收熱量。在控制優(yōu)化方面，提出根據(jù)凝結(jié)水流量及凝結(jié)水終端控制溫度2種控制方案，達(dá)到班組優(yōu)化調(diào)整及節(jié)能降耗的目的。

[1] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 孫琳，趙野，羅雄麟. 多管程換熱器網(wǎng)絡(luò)的最小溫差分析與夾點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].多管程換熱器網(wǎng)絡(luò)的最小溫差分析與夾點(diǎn)設(shè)計(jì)，2012，63（9）：2991-2999.

Application of Pinch Technology in Heat Exchange Process Optimization

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（Sinopec Tahe Refining and Chemical Co., Ltd., Kuqa Xinjiang 842000, China）

Taking the heat exchange process of 1#condensate system in Tahe refinery as main research object, in view of the problems existing in the operation of 1#condensate system, such as high terminal temperature of condensate, insufficient flow of cold source and waste of heat and so on, the pinch technology was used to analyze and optimize the comprehensive heat exchange network, and the energy of the whole process system was analyzed and optimized to realize the low energy consumption operation of the process system. After the optimization and adjustment, the problems of field operation were solved, and the measures for optimizing the operation of heat exchange network were put forward, having certain guiding significance for the optimization work.

Pinch technology; Heat exchange; Process optimization

2020-04-14

王新勇（1985-），男，工程師，新疆自治區(qū)庫車縣人，2008年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)，研究方向：公用工程技術(shù)管理。

TEP65

A

1004-0935（2020）09-1139-03