基于夾點分析技術的常減壓塔換熱網絡優化

＊陳飛 劉紀昌* 趙基鋼 張基山 張健

（1.新疆石河子大學化學化工學院 新疆 832003 2.化工綠色過程兵團重點實驗室 新疆 832003 3.華東理工大學化工學院 上海 200237 4.新疆佳宇恒能源科技有限公司 新疆 834018）

引言

石油煉制工業是一個高耗能的行業，其中常減壓裝置是煉油行業最耗能的裝置之一，能耗約占到煉油廠總耗能的30%[1-3]。因此降低常減壓裝置能耗對煉油行業的節能具有非常重要的意義。某煉廠常減壓蒸餾的渣油通過丙烷脫瀝青裝置加工可獲得輕脫油，經加氫精制后可獲得高附加值的高黏低凝BS光亮油。由于BS光亮油受原料和加工技術的制約，長期處于供不應求的局面，為提高該煉廠光亮油收率并降低裝置的能耗，需要對常減壓蒸餾裝置等換熱設備網絡進行優化。為解決實際生產中常減壓裝置換熱網絡換熱效率不高導致的相鄰側線產品之間重疊餾分較多，各側線不能按照設計值出產品的問題，故結合已報道常減壓設備的節能措施來提高現有裝置的生產能力[4-6]。目前，國內部分煉油廠的常減壓塔換熱網絡僅考慮到生產工藝流程，未能充分挖掘換熱網絡的換熱潛能，導致換熱終溫偏低，后續還需通過加熱爐來提高換熱終溫，不符合工業裝置節能降耗能的“雙碳計劃”理念[7]。近年來，很多煉油廠通過采用先進的工藝技術及高效的生產設備有效降低了裝置的能耗，其中提高常減壓換熱網絡的換熱效率是非常重要的途徑。

1.常減壓塔工藝流程者圖

某煉油廠450kt/a級常減壓蒸餾裝置的產品主要用于生產柴油、變壓器油及瀝青等。原油、脫鹽原油與常減壓塔頂、塔底和側線產品的換熱網絡如圖1所示。常壓塔的處理量為450kt/a，回流比為5.31，操作壓力為270kPa。常壓塔中部設有一個中段循環，底部通入水蒸汽，減壓塔底部無汽提蒸汽輸入。

圖1 常減壓裝置工藝流程圖

圖2 初始換熱網絡

2.換熱網絡物性數據

本文根據煉廠的實際生產工況，對常減壓塔的生產流程進行分析，換熱網絡共有熱物流12股，冷物流（原油和脫鹽原油）2股。利用原油評價數據及常減壓塔工藝流程數據，借助Aspen Plus過程模擬軟件對常減壓塔流程進行模擬，提取常減壓塔各產品的換熱相關參數（初始溫度、目標溫度、流量及熱量等），如表1所示。在模擬過程中為計算方便對工藝流程進行必要的簡化，該換熱網絡公用工程為加熱爐、冷卻水及導熱油。

表1 常減壓裝置流股的基礎物性數據

目前該煉廠在生產過程中面臨的問題是常壓操作單元的常三線及減壓操作單元的減二、三、四線及減底油（瀝青）不能按照設計值正常出油，造成該現象的主要原因是原油經過換熱網絡后沒有與各側線高溫流股進行充分換熱，導致原油進入常減壓塔溫度比設計值低。如表2所示，常三線的設計值為3123.0kg/h，而現場實際出油量為5000.0kg/h，偏差達到了60.1%，常三線的產品與常底油重疊餾分過多，導致相應側線抽出油品的質量達不到設計指標要求。由于該煉廠的常減壓塔換熱流程存在瓶頸，脫鹽原油進入常壓塔的溫度偏低，需要額外消耗大量的燃料增加生產成本。而通過Aspen Energy Analyzer軟件來分析計算該換熱網絡的夾點溫度（pinch point），通過調整夾點位置和夾點溫度來優化換熱網絡，可提高原油的換熱終溫，降低公用工程用量。

表2 常減壓塔生產工況數據分析

3.常減壓塔換熱網絡用能現狀分析

利用Aspen plus軟件可以模擬該煉廠原油加工流程及相應的換熱網絡，從對單臺設備的換熱網絡優化發展到整個系統的集成優化[8]。目前在換熱網絡優化中應用最廣泛的是Linnhoff等[9]提出的夾點理論，應用該理論時要求在換熱網絡中的冷熱物流必須遵循以下兩個可行性規則：（1）夾點上方不能引入冷公用工程，夾點下方不能引入熱公用工程；（2）不能有跨越夾點的物流[10]。利用夾點溫度來指導換熱網絡優化能夠最大程度地回收系統的能量，最大限度降低公用工程的消耗[11]。在公用工程用量一定的條件下，最大限度減少設備總數和換熱面積，降低投資費用。

將各側線產品的初始溫度、換熱終點溫度及熱容、流量等輸入到Aspen Energy Analyzer軟件，通過分析該換熱網絡的溫焓圖、總組合曲線來確定夾點溫度。為保證換熱網絡的能量回收達到最大值，換熱網絡模擬過程中最小夾點溫差△Tmin的選取非常關鍵[12]。根據國內外煉油企業的經驗值，換熱網絡的最小夾點溫差△Tmin在20.0～40.0℃的范圍為宜[13]。根據經驗法確定該常減壓塔換熱網絡△Tmin為25.0℃。

(1)換熱網絡分析

該常減壓塔改造前的換熱網絡共有24組換熱器，其中10組換熱器直接與原油、脫鹽原油流股之間進行換熱，其余14組換熱器不參與流股間的換熱，只為冷公用工程換熱使用。為優化換熱網絡，簡化換熱流程，在建立換熱網絡模型時重點關注油品流股之間進行換熱的換熱器。在該換熱網絡中減二線、減三線都存在中段循環，上述中段循環流股在與原油、脫鹽原油進行換熱后返回塔內，為簡化換熱網絡將減二中循環、減三中循環分別歸屬到減二線與減三線流股中。該換熱網絡的冷熱公用工程分別為冷卻水、導熱油及加熱爐。

(2)換熱網絡夾點分析

通過調整夾點位置和夾點溫度優化常減壓塔的換熱網絡，可以提高脫鹽原油的換熱終溫，降低加熱爐負荷。初始工況下，原油經換熱后從85.0℃提高到167.0℃，進入初餾塔進行分離，再通過脫鹽泵處理得到脫鹽原油，與常減壓塔的高溫位熱源進行換熱加熱到288.0℃，再經常壓爐加熱到375.0℃。將表1中各流股物流數據輸入Aspen Energy Analyzer軟件計算分析該換熱網絡的夾點溫度為301.0℃（熱流體溫度為313.5℃，冷流體溫度為288.5℃），熱公用工程為1992.5kW，冷公用工程為4636.0kW，如表3所示。

表3 換熱網絡體系的冷熱公用工程用量（kW）

將表1中的各流股數據輸入到Aspen Energy Analyzer軟件中，利用Aspen pinch繪制出該換熱網絡在△Tmin=25℃時的冷熱組合曲線溫焓圖（如圖3所示紅色曲線為熱流股的組合曲線圖，藍色曲線為冷流股的組合曲線圖）。圖4為換熱網絡的總組合曲線。

圖3 組合曲線溫焓圖

圖4 總組合曲線圖

4.改進優化方案與經濟性分析

優化換熱網絡的過程必須遵循夾點溫度規則，換熱流股不能跨越換熱網絡夾點。優化常減壓裝置換熱網絡的重點是降低公用工程用量，以獲得最小的能源消耗，提高換熱網絡能量的利用率，達到節能減排的目的。

(1)消除跨越夾點的換熱物流

通過夾點分析可知，該換熱網絡中原油與常三線、減底油之間的換熱器E4及E5、脫鹽原油與一中循環、減二線之間的換熱器E6及E7之間的換熱跨越夾點溫度（301.0℃），不符合換熱規則，上述四組換熱器是此次換熱網絡優化的重點。

①原油首先通過換熱器E1與減一線進行一次換熱后溫度升高至107.5℃，繼續與常二線、常三線及減底油分別通過E3、E4及E5進行換熱（如圖5（a）所示）。由于原油與常三線、減底油之間進行換熱的換熱器E4與E5是跨越夾點溫度，不符合換熱規則。如果將原油與低溫位常頂油、常一線之間進行換熱時，經計算分析不能滿足原油的換熱要求。將原油與常三線之間的換熱器E4從常三線移到一中循環，經計算分析可知換熱后溫度可以提高到133.6℃。原油與減底油之間的換熱器E5從減底油流股調整到減二線，能夠滿足換熱網絡的需求（如圖5（b）所示）。

圖5 改造前后的原油換熱流股

②脫鹽原油首先與一中循環之間通過E6進行換熱，然后通過E7、E8、E9、E10及E11之間分別與減二線、減三線、減四線、減底油之間進行換熱，再通過加熱爐加熱到目標溫度進入常壓塔進行分餾。經計算分析改造換熱網絡脫鹽原油通過E6與常三線之間進行換熱，然后與減三線、減底油、減四線和減底油進行換熱，脫鹽原油改造前后的換熱網絡如圖6所示。本次該煉廠的換熱網絡改造對原有的E8及E9換熱器進行合并（如圖6所示）。

圖6 改造前后脫鹽原油流股

由圖5和圖6可知，將換熱網絡中的換熱器E4和E5經過調整后，原油的換熱終溫提高22.9℃。對脫鹽原油流股的換熱換熱器E6及E7經過調整后，脫鹽原油換熱終溫提高22.4℃。該換熱網絡體系中冷熱公用工程各減少2808.0kW。

(2)設備調整與選擇

經Aspen Plus Analyzer計算及現場換熱網絡調整布置，該煉廠常減壓塔換熱網絡的優化內容如表4所示。

表4 換熱網絡優化中換熱器的改造

①計算分析得知原油與減一線、常二線之間的換熱器E1及E3能滿足換熱需求不做調整；換熱網絡改造前原油通過換熱器E4從常三線取熱為536.1kW，改造后原油通過E4從一中循環取熱為626.9kW，改造后換熱面積從162.1m2提高到188.8m2，換熱面積增加26.7m2，需要對其進行改造。E5換熱器從減底油調整到減二線取熱從1233.2kW變化到1931.0kW，經計算換熱器E5再增加一組換熱面積為183.4m2的換熱器。

②經計算分析得知脫鹽原油與減三線之間的換熱器E7換熱面積不能滿足換熱需求，需要將原換熱器E6中的一組調整到減三線中才能滿足脫鹽原油從減三線取熱。脫鹽原油與減底油之間的換熱器E11換熱面積不能滿足換熱，需要增加換熱面積為162.1m2。

③改造后的換熱網絡原油從減二線的取熱增加，減二線原有的換熱器E2、E18、E19需拆除E18和E19，只保留E2就能滿足改造后的換熱需求，換熱面積從原來的494.0m2，減少到77.0m2。減三線包含2組換熱器分別為E20及E21，經過此次改造后只保留一組換熱器E20就能滿足其換熱，換熱面積從217.9m2減少到119.0m2，因此需要對其進行改造。改造后的換熱網絡從常三線的取熱量減少，需要增加冷卻面積110.0m2才能滿足換熱要求。

本次換熱網絡優化為該煉廠的提質改造工程，本次換熱器改造方案，主要包括調整原油、脫鹽原油與高溫位換熱流股之間的換熱，部分換熱管路改造，部分管線布置等[14]。

(3)改造前后節能變化

通過上述換熱網絡改造以后，換熱網絡的熱公用工程節省2808.0kW，相應的冷卻工程降低2808.0kW。按照年開工數8000h計算，本次改造后年節約公用工程總量為4496.0MW，脫鹽原油的換熱終溫從288.0℃提高到310.4℃，優化后的換熱網絡較前期換熱網絡，節約能量8.16%，達到了換熱網絡優化的目標。

5.結論

利用Aspen Plus建立常減壓蒸餾塔模型及相應的換熱網絡，計算各流股流量和物性數據。通過Aspen Energy Analyzer軟件分析計算該換熱網絡的夾點溫度，根據夾點技術換熱網絡優化的基本原則和方法，消除跨越夾點溫度流股，合并及拆除不合理換熱器，調整原油與脫鹽原油與各流股之間的換熱器。從換熱網絡整體上提高換熱能量的利用率，改造后脫鹽原油的換熱終溫為310.4℃，比改造前提高22.4℃，節約能量8.16%，達到了換熱網絡優化的節能降耗目標。