PROII軟件在模擬常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

劉朋標(biāo) 張樹青 楊桂春 崔 宇 敖 晗 沈 洋

中國寰球工程有限公司北京分公司 北京 100012

夾點(diǎn)技術(shù)作為換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，已廣泛應(yīng)用于煉油、石油化工、化學(xué)工業(yè)、能源等領(lǐng)域。特別是在“雙碳”目標(biāo)的背景下，對節(jié)能降耗具有更重大的意義。煉油企業(yè)通過采用夾點(diǎn)分析進(jìn)行過程能量綜合優(yōu)化改造，特別是針對原油蒸餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)或改造，獲得了巨大的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。由于夾點(diǎn)技術(shù)是針對某一設(shè)計(jì)工況或已確定的工藝條件進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，未考慮到換熱器換熱能力的影響，因此，對已存在的換熱網(wǎng)絡(luò)很難進(jìn)行運(yùn)行初期、運(yùn)行后期、原油發(fā)生較大變化、操作條件變化、換熱器故障等情況的及時(shí)、有效、系統(tǒng)性的分析，也無法判斷實(shí)際運(yùn)行中是否會(huì)有逆向傳熱發(fā)生。

為解決上述問題，本文采用SIMSCI PROII 10.2軟件對常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬，從而實(shí)現(xiàn)對已存在換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性的分析。該方法對可能發(fā)生的情況能進(jìn)行預(yù)判，并制定出相應(yīng)的調(diào)節(jié)手段，對指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)、實(shí)際操作調(diào)優(yōu)和故障診斷具有重要意義。

1 換熱器計(jì)算

換熱器是換熱網(wǎng)絡(luò)的基本單元，計(jì)算結(jié)果是否正確直接影響到換熱網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。而換熱器的計(jì)算又與介質(zhì)物性、換熱器型式和結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。下面分別對物性計(jì)算和換熱器傳熱計(jì)算進(jìn)行分析。

1.1 介質(zhì)物性的計(jì)算

PROII軟件依靠其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫，在常減壓裝置模擬中得到廣泛應(yīng)用。通常只要正確輸入原油基本參數(shù)和選用合理的物性方法，原油及餾分油的大部分性質(zhì)都可以得到準(zhǔn)確的模擬。但由于原油評價(jià)中缺少高溫段的粘度，其外推計(jì)算出的重油粘度偏差較大，因此,需要校正。

1.2 換熱器傳熱計(jì)算

PROII軟件中的嚴(yán)格換熱器模塊(Rigorous HX)可用于換熱器核算，并對換熱效果進(jìn)行預(yù)測。該換熱器模塊中管側(cè)傳熱系數(shù)采用通用的計(jì)算模型。殼側(cè)傳熱模型詳見關(guān)聯(lián)式(1)，可用于殼側(cè)單相和兩相(Chen或HEX5方法)流體的傳熱計(jì)算。

h=hidealJcJlJbJsJr

(1)

式中，h為殼側(cè)平均傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；hideal為殼側(cè)理想管排的傳熱系數(shù)，W/(m2·K);Jc為折流板缺口和間距校正系數(shù)；Jl為折流板漏流校正系數(shù)；Jb為管束旁路流動(dòng)校正系數(shù)；Js為出入口折流板間距校正系數(shù)；Jr為逆向溫度梯度校正系數(shù)。

同時(shí)，該換熱器模塊可采用BBM、HEX5或BBMHV模型用于管側(cè)壓力降計(jì)算；采用Bell或Stream模型用于殼側(cè)壓力降計(jì)算。

為了驗(yàn)證PROII嚴(yán)格換熱器模塊傳熱計(jì)算的準(zhǔn)確性，將某常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)中的所有換熱器均與廣泛采用的HTRI 8.1軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，見表1。

表1 PROII10.2和HTRI 8.1軟件管殼式換熱

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同的工藝條件和換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)下，換熱后的物流溫度相差大約2℃。雖然該模塊與專業(yè)的換熱器計(jì)算軟件HTRI還有一定差距，但作為非專業(yè)軟件計(jì)算出的結(jié)果還是令人滿意的。傳熱和壓力降計(jì)算結(jié)果相差也不大。

由于嚴(yán)格換熱器模塊中只有單弓板、雙弓板、NTIW、無折流板四種型式，使得常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬工作受到一定的約束。例如，在常減壓蒸餾裝置中，為了殼側(cè)強(qiáng)化傳熱和降低結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，在換熱網(wǎng)絡(luò)中采用大量的螺旋折流板換熱器[2]。而PROII模塊中并沒有這種型式的折流板。因此，可采用HelixTool程序[3]計(jì)算殼側(cè)傳熱系數(shù)和壓力降，然后將計(jì)算結(jié)果輸入到嚴(yán)格換熱器模塊中，從而實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬。由于網(wǎng)絡(luò)中均為液液換熱，物性變化相對較小，因此，循環(huán)計(jì)算的工作量并不大。也可以將螺旋折流板的計(jì)算方法輸入到PROII中，進(jìn)而減少重復(fù)計(jì)算的工作量。

另外，為了減少占地和降低投資，常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)中也會(huì)采用全焊接的板式換熱器，可以采用螺旋折流板換熱器類似的處理方法進(jìn)行模擬。

2 常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)模擬

常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)模擬是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算過程，考慮到客觀因素的影響，需做如下假設(shè)和簡化：

(1)模擬過程為穩(wěn)態(tài)模擬。

(2)傳熱過程中無熱量損失。

(3)考慮重油粘度需要校正，不能直接采用流程模擬中的結(jié)果，亦無法與常壓塔和減壓塔聯(lián)立計(jì)算。但換熱網(wǎng)絡(luò)與初餾塔、常壓塔和減壓塔又有著密切的聯(lián)系。例如，常壓塔和減壓塔的中段換熱，熱物流從塔中抽出，與初底油、脫后原油和脫前原油經(jīng)過一系列換熱冷卻后又返回到塔內(nèi)，換熱網(wǎng)絡(luò)既影響著塔的操作，又被塔所影響。同時(shí)，對于已存在的常壓塔和減壓塔，換熱段塔盤數(shù)或填料高度已經(jīng)確定，塔內(nèi)實(shí)際接觸的換熱效果也需額外進(jìn)行核算，整個(gè)過程過于復(fù)雜，因此，假設(shè)初底油和熱物流起始溫度不變，且物性不受塔的影響。

(4)常一線再沸器為熱虹吸式再沸器，循環(huán)量隨著熱負(fù)荷的變化而變化，而流量的變化又影響到傳熱系數(shù)，進(jìn)而影響到換熱能力和塔的操作。考慮到該再沸器加熱介質(zhì)為常三線，且為常三線經(jīng)過的第一臺(tái)換熱器。因此，將該換熱器排除在網(wǎng)絡(luò)模擬之外，并不會(huì)影響到模擬結(jié)果，因此，將常三線離開再沸器的溫度作為起始溫度。

(5)脫前原油進(jìn)入換熱網(wǎng)絡(luò)后，首先由初頂油氣和常頂油氣加熱，考慮初餾塔和常壓塔的操作穩(wěn)定，通常會(huì)有一些控制手段，可認(rèn)為脫前原油加熱后的溫度為定值。另外，由于這兩個(gè)位號(hào)的換熱器與網(wǎng)絡(luò)中其它換熱器并無相互交叉的換熱關(guān)系，也可使用換熱器軟件核算后確定脫前原油的溫度。

換熱網(wǎng)絡(luò)除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜外，為保證裝置操作的穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)中會(huì)設(shè)有一些控制方案。在模擬時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況予以考慮。例如，減壓塔中段常采用溫度-流量串級控制，中段循環(huán)量可能會(huì)變化。

3 案例分析

以某廠常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)為例。換熱網(wǎng)絡(luò)采用4-4-4結(jié)構(gòu)，即脫前原油4路，脫后原油4路，初底油4路，流程示意圖，見圖1。

圖1 常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)流程示意圖

為了滿足裝置對原油變化的適應(yīng)性，通常在設(shè)計(jì)時(shí)，單元設(shè)備均會(huì)留有一定的余量。換熱器的面積余量會(huì)使冷物流被加熱到更高的溫度，熱物流被冷卻到更低的溫度。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中冷熱物流的流量也會(huì)根據(jù)控制方案發(fā)生一定的變化，為了保證部分物流的換熱溫度，會(huì)通過副線調(diào)節(jié)流量，使其繞過換熱器以便重新分配熱量。能夠滿足換熱溫度的調(diào)節(jié)手段很多，表2列出了一種調(diào)節(jié)方法的換熱結(jié)果，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比。

表2 冷熱物流設(shè)計(jì)溫度與模擬溫度的對比

從表2中可以看出：①常頂循、常一中和常二中設(shè)計(jì)與模擬的終了溫度相同，主要是因?yàn)椴捎昧藫Q熱器出口溫度旁路控制方案;②常頂循副線流量約為總量的20%，常一中副線流量約為總量的28%，常二中副線流量約為總量的62%。而減一中、減二中和減渣急冷油的返塔溫度發(fā)生了變化，主要是因?yàn)闇p壓塔采用了溫度-流量串級控制，中段循環(huán)量發(fā)生了變化;③模擬結(jié)果顯示，減一中循環(huán)量增加約5%，減二中循環(huán)量降低約2%，減渣急冷油循環(huán)量降低約為5%。同時(shí)，脫前原油換熱后的溫度提高到了140.7℃，經(jīng)過電脫鹽罐后，溫度降至137.8℃進(jìn)入初餾塔。初底油經(jīng)換熱后，最終溫度達(dá)到319.2℃。與設(shè)計(jì)值相比，脫前原油、脫后原油和初底油的換熱溫度均高于設(shè)計(jì)值。

換熱器留有的面積余量降低了換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)溫差，本案例夾點(diǎn)溫差由23℃降至16.1℃，從而提高了換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱終溫，組合曲線詳見圖2。通常，換熱器的面積余量越大，換熱終溫越高，但設(shè)備投資也會(huì)相應(yīng)增大，同時(shí)會(huì)使實(shí)際操作條件偏離設(shè)計(jì)值。換熱器余量過大會(huì)導(dǎo)致副線流量增加，換熱器內(nèi)的流量減小，流速降低，進(jìn)而增加換熱器結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)。可見，換熱網(wǎng)絡(luò)中換熱器的設(shè)計(jì)余量不宜太大。

圖2 組合曲線

4 結(jié)語

PROII軟件模擬常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)不僅可用于已存在的換熱網(wǎng)絡(luò)分析、調(diào)優(yōu)和故障診斷，也可用于

新建網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、控制方案的制定和設(shè)計(jì)條件的確定等。雖然該方法的應(yīng)用受到一些條件的約束，也可能離實(shí)際情況還是有些差別，但也為設(shè)計(jì)和操作人員提供了一種行之有效的方法，可在今后的工作中結(jié)合實(shí)際情況不斷改進(jìn)和完善。