基于夾點技術的海上原油處理系統(tǒng)換熱優(yōu)化

(1. 中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028; 2. 中海油研究總院，北京 100028)

目前石油行業(yè)正面臨嚴冬，低油價下給原油開采帶來巨大挑戰(zhàn)。如何把能量用在刀刃上，提高生產作業(yè)過程中的用能效率，減少不必要的浪費和排放，是現(xiàn)代油田企業(yè)追求高質高效、環(huán)境友好發(fā)展目標的必然要求[1-2]。原油處理即對采出液進行脫水、脫鹽、脫除機械雜質等，使之成為合格原油的工藝流程。采出液在進入相應處理設備之前，需要加熱到一定溫度，才能保證處理效果[3-5]。加熱采出液消耗大量能量的同時，不同處理階段會產生一定量的廢水，這些廢水往往蘊含著大量的余熱；而合格的原油外輸之前又有一定的降溫需求。因此一個合理的換熱網絡，需要綜合考慮各股熱流和冷流，并根據處理原油所需溫區(qū)的不同，保證處理效果的同時，將余熱最大程度回收并加以利用，以減少燃料消耗量，達到節(jié)能減排目的。

換熱網絡優(yōu)化在工業(yè)化工領域應用較多，在原油處理方面，鑒于作業(yè)流程的特殊性，一般都是“遇熱加熱、遇冷冷卻”的設計思路，較為粗獷。隨著環(huán)保要求的提升和排放指標的收緊，精細化換熱設計成為日益迫切需求[6-7]。換熱網絡的設計有多種方法，夾點技術是一種以熱力學基礎，以最大限度回收熱量為目標的換熱網絡設計方法[8-10]，旨在有效降低熱公用工程和冷公用工程的使用量，在換熱網絡復雜的工業(yè)流程中得到了廣泛的應用[11-13]。本文將基于夾點技術，開展原油處理系統(tǒng)換熱網絡優(yōu)化，并分析節(jié)能效果。

1 夾點技術

1.1 夾點定義

以橫坐標為流體的焓、縱坐標為溫度繪制流體溫-焓(T-H) 圖。在換熱網絡中，熱流體放熱，因此有一個高溫到低溫的趨勢，同理冷流體吸熱所以是從低溫到高溫傾斜。起點和終點的換熱量體現(xiàn)在溫焓圖上即是橫坐標的差值，用焓差(ΔH)表示，換熱量的大小與曲線在圖中的左右位置無關。曲線在橫坐標上的投影重疊部分即為換熱量，不重疊的為公用工程消耗量。通過平移曲線可構造冷熱物流的復合曲線，如圖1所示。

圖1 復合曲線構造示意圖

水平方向上平移兩條曲線，使其相互靠近，重疊部分變大，相互之間的換熱量也就變大，公用冷熱源的使用量就變小，最小換熱溫差也在變小。移近曲線至某一點達到最小允許傳熱功當量溫差時，熱回收量達到最大值，公用工程消耗量達到最小，這一點定義為此換熱網絡的夾點，如圖2所示。

圖2 總復合曲線示意圖

夾點的物理意義可以理解為是一個熱量平衡點，夾點上方的換熱只有熱公用工程，而下方只有冷公用工程。如在夾點上方設置冷卻用的設備，那冷卻所帶走的熱量就需要額外的加熱器來彌補[14]，從能量的最大回收利用角度來講認為是一個不合理的換熱設計，因此換熱的設計需要盡量避免跨越夾點的換熱[15-17]。

1.2 夾點的確定

溫-焓圖解法是通過平移曲線的方式來改變最小換熱溫差，以此確定夾點位置的方法。此方法形象直觀但有缺陷，有多股物流時,平移曲線將導致結果不精確，并且過程也變得較為復雜，此時最常用的為問題表格法[18]。問題表格法求解的一般步驟分為

(1)按照物流的初始溫度和終了溫度繪制垂直線和水平線并在途中劃分成換熱網格圖。

(2)對每個網格按照下式依次進行熱量平衡計算。

Dk=(∑CPk,c-∑CPk,h)(Tk-Tk+1)

(1)

Ok=Ik-Dk

(2)

Ok=Ik-Dk

(3)

式中：k為子網絡數目；∑CPk,c為冷物流熱容流率之和；∑CPk,h為熱物流熱容流率之和；Tk-Tk+1為溫度間隔；Dk為第k個為滿足熱平衡時所需外加的凈熱量；Ik為由外界或其他子網絡放出的熱量；Ok為第k個子網絡向外或其他子網絡放出的熱量。

(3)確定換熱網絡的夾點溫度及最小公用工程負荷用量。通過對每個網格不斷迭代計算使Ok=0，此時對應溫度為夾點溫度，其中首個子網絡的供熱量為最小熱公用工程用量，末尾子網絡輸出的熱量為最小冷公用工程用量[19]。

1.3 閾值問題

在換熱網絡中，并非所有問題都有真正意義上的夾點。通過工藝流程內部的熱流和冷流相互熱量交換不能達到最終的溫度要求，公用熱源和公用冷源都要用到的換熱網絡存在夾點。很多時候只需要一種公用工程便可以解決問題，這類問題稱為夾點分析中的閾值問題，閾值的最小傳熱溫差稱為閾值溫差，閾值問題的復合曲線只有夾點的上半部分，稱為熱阱部分。

2 換熱改造

某油田中心處理平臺現(xiàn)行對采出液進行加熱后處理的工藝流程如圖3所示。

圖3 某油田中心處理平臺工藝流程圖

由圖3可知，因采出液溫度達不到進入分離器的溫度要求，為保證處理效果，需要使用導熱油鍋爐對原油進行逐級加熱，所需溫度根據各級分離器的分離要求及效果確定。經三級分離后，脫出的氣再利用，脫出的廢水進入污水處理系統(tǒng)，合格的原油外輸時所蘊含熱量在一級分離器之后重新利用一次，之后經過海水冷卻降溫后外輸。

使用換熱網絡圖表示現(xiàn)有的工藝流程如圖4所示。

圖4 現(xiàn)行換熱網絡圖

經工藝分析，本換熱網絡同時使用公用熱源和公用冷源，污水蘊含的熱量沒有再利用，具有進一步優(yōu)化空間。

2.1 物性參數

根據圖4，排除公用熱源后，圖4中的熱流只有一股，即合格原油外輸前熱量回收的這股，稱為H1。冷流有三股，分別是：

(1)進入一級分離器(游離水分離器)之前的采出液，稱為C1；

(2)進入二級分離器之前，經過合格外輸原油加熱后的采出液，稱為C2；

(3)進入三級分離器(電脫水器)之前的采出液。

為達到熱量充分利用的換熱效果，污水所蘊含的熱量不可忽略，尤其是后兩級分離器分離出的污水，因經過前面幾次連續(xù)加熱，其溫度高，利用價值較大。將這部分污看作一股熱流，稱為H2。因原油的換熱圖并沒有利用污水熱量，在圖4上沒有換熱器與其連接，但在改造計算時考慮在內。

經分析及計算，冷熱物流基本參數見表1。

表1 冷熱物流基本數據

以焓差為橫坐標，以溫度為縱坐標繪制冷熱物流復合曲線，見圖5。

圖5 復合曲線圖

2.2 夾點溫度

采用問題表格法，將數據代入式(1)～式(3)后得出最小傳熱溫差Δt從9～17 ℃的夾點溫度、回收熱量、公用消耗等數據，見表2。當Δt在9～13 ℃，公用冷源的使用量為0，即不需要冷卻，公用熱源的使用量一直維持在3 654.3 kW，即可判定此換熱網絡是閾值問題無真正意義夾點。隨著Δt進一步升高，公用冷源不再是0，且逐漸增大。與此同時公用熱源的使用量變大，回收熱量逐漸變小。這種情況可以認為公用冷源的使用無形浪費掉公用熱源的熱量，且導致回收的熱量變小。

表2 不同Δt下夾點溫度、回收熱量、公用工程負荷比較

取最小傳熱溫差Δt為13 ℃作為閾值傳熱溫差構造總復合曲線，見圖6。從圖6中得出：曲線最下部與豎坐標交匯處為閾值問題的夾點；最上端點的橫坐標值為3 654.3kW，為最小公用熱源負荷。對比第一章節(jié)具有真正意義夾點的換熱網絡而言，此網絡的總復合曲線只有上半部分，沒有下半部分，只使用一種公用工程可以滿足輸入輸出要求，為閾值問題。

當取Δt為13 ℃作為最小傳熱溫差時，公用冷源為0，說明合格的原油在外輸時，通過合理的換熱網絡設計即可達到冷卻要求，無需額外的海水冷卻設施。自身具有的熱量也全部回收利用，減少了公用冷源的需求，可謂一舉兩得。

圖6 總復合曲線

2.3 換熱設計

經驗總結基于夾點技術換熱設計基本原則有以下三條[20]：

(1)熱流體放熱時溫度變化范圍盡量不要覆蓋夾點溫度；

(2)溫度比夾點溫度高的熱流體盡量不要使用公用熱源；

(3)溫度比夾點溫度低的熱流體盡量不要使用公用冷源。

依據上述三條基本原則重新設計換熱流程，新的換熱網絡圖見圖7。污水熱流即H2熱量被充分利用，用以加熱C1，因C1所需熱量大，H1的熱量也被用于加熱C1，不足由導熱油鍋爐熱量補充。C2和C3都由公用熱源負責。

圖7 改造后換熱網絡圖

換熱效果與傳熱溫差息息相關，H1和C1換熱的溫差要比H1和C2的換熱溫差大，因此采用H1加熱C1的方式，可以有效減少換熱面積，節(jié)省部分投資。

3 效果分析

借助夾點技術重新設計原油換熱網絡，對比之前的換熱工藝，節(jié)能效果除了分析所能節(jié)省的公用熱源、冷源消耗外，換熱器的數量、換熱器的體積、造價等因素也是衡量換熱網絡優(yōu)劣的指標。換熱器的造價、體積等因素可直觀用換熱面積表示，換熱面積A用下式計算：

(4)

式中：Q為換熱器負荷，kW；K為換熱系數，統(tǒng)一取200 W/(m2·K)；ΔTd為對流換熱溫差，K。

發(fā)電效率取30%，導熱油鍋爐效率取90%，天然氣熱值取36 MJ/m3(標準)，年運行小時數取8 500 h，計算得出優(yōu)化前后節(jié)能效果對比見表3。

表3 節(jié)能效果對比

對比改造前后的換熱網絡，可知在保持換熱器臺數不變的情況下，公用熱源負荷降低，公用冷源可以直接省去，總換熱面積增加200 m2左右，但每年可節(jié)省燃料量超過100萬m3(標準)方天然氣，節(jié)能減排效果顯著。

4 結 論

(1)基于夾點技術分析某原油處理平臺各股熱流和冷流物性，通過計算后得出52℃為閾值夾點溫度，并根據換熱原則重新設計換熱網絡。通過分析對比，新設計的換熱網絡大幅降低公用熱源負荷，公用冷源負荷降至0，可直接取消冷卻用海水，年節(jié)約天然氣用量超過百萬方。

(2)節(jié)能減排項目需要以實用性為基礎，新設計的換熱網絡換熱面積有所增加，將帶來換熱器體積、造價增大等問題，在實際項目設計階段需要結合投資、設備布置等因素綜合考慮，基于夾點技術的換熱網絡分析為方案設計提供更多思路和依據。