劉富余 于型偉 李瑞臻 劉博

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國石油大學（北京）新能源研究院）

基于能量集成的水系統(tǒng)優(yōu)化技術研究進展

劉富余1，2于型偉1李瑞臻2劉博1

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國石油大學（北京）新能源研究院）

煉化企業(yè)是用水大戶，我國煉化企業(yè)的主要用水指標與國外先進水平還存在一定的差距，有較大的節(jié)水潛力。水系統(tǒng)優(yōu)化技術可最大化實現(xiàn)節(jié)水，引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注。對水系統(tǒng)優(yōu)化技術進行了概述，重點分析了基于能量集成的水系統(tǒng)優(yōu)化技術的研究進展，并對今后的研究工作進行了展望。

煉化企業(yè)水系統(tǒng)優(yōu)化能量集成

引言

水是人類生存和社會發(fā)展不可或缺的重要資源，水資源的合理利用已成為全球面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。我國人均水資源占有量只有2300 m3左右，僅為世界人均水資源占有量的四分之一，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。目前全國城市中有約三分之二缺水，約四分之一嚴重缺水，全國年平均缺水量超過500×108m3，水資源短缺嚴重限制了我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

國家高度重視節(jié)水減排工作，自“十五”以來，先后制修訂了《中華人民共和國水法》、《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》以及《實行最嚴格水資源管理制度考核辦法》等多項法律及規(guī)章制度，確定了“十二五”及今后一段時間內(nèi)的用水總量以及用水效率指標，為今后節(jié)水減排工作奠定了基礎。

1 煉化企業(yè)用水現(xiàn)狀

我國工業(yè)用水量占全國總用水量的四分之一左右，“十一五”期間，我國萬元工業(yè)增加值用水量累計下降37.9%，由2005年的169 m3下降到2010年的105 m3，超額完成“十一五”規(guī)劃綱要確定的下降30%的目標。作為用水大戶的煉油化工企業(yè)，近年來通過加強用水管理以及開展水平衡測試、輸水管網(wǎng)查漏堵漏、提高化學水制水效率、蒸汽凝結水回收利用、循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化以及污水處理回用等措施，節(jié)水工作取得了長足進步。煉油乙烯、合成氨等化工代表性產(chǎn)業(yè)的節(jié)水減排也取得較大進步，但是與國際先進水平甚至國家節(jié)水型企業(yè)標準的要求還有一定差距，還有較大的節(jié)水潛力，具體指標情況見表1和表2[1-2]。

表1 國內(nèi)外煉化行業(yè)主要用水指標對比

表2 節(jié)水型企業(yè)技術考核評價指標（GB/T 26926—2011）

由于煉化企業(yè)的規(guī)模一般較大，所以在新鮮水用量和廢水排放量方面，煉化企業(yè)在其所在地都是大戶，導致地方政府將其作為重點節(jié)水對象予以關注，尤其中國石油所屬企業(yè)大都位于缺水的東北和西北等地區(qū)，節(jié)水減排的壓力更加巨大。目前，常規(guī)的節(jié)水工作大多著眼于單個的單元操作或局部用水網(wǎng)絡，節(jié)水效果有限，不能使整個企業(yè)用水系統(tǒng)的新鮮水用量和廢水產(chǎn)生量達到最小。水系統(tǒng)優(yōu)化技術將煉化企業(yè)的用水系統(tǒng)整體考慮，同時考慮水重復利用率最大化和廢水排放量最小化，可最大化實現(xiàn)節(jié)水。如今，水系統(tǒng)優(yōu)化技術已經(jīng)成為研究節(jié)水技術的重要手段。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國煉化企業(yè)中也在逐漸將水系統(tǒng)優(yōu)化技術應用到實際的生產(chǎn)過程中。

2 水系統(tǒng)優(yōu)化技術概述

水系統(tǒng)優(yōu)化技術即從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，將企業(yè)用水系統(tǒng)作為有機整體進行綜合考慮，對廢水回用方式進行綜合考察，采用過程系統(tǒng)集成的理論和技術對企業(yè)用水系統(tǒng)進行優(yōu)化，以達到高水高用、低水低用，提高水重復利用率，使企業(yè)用水系統(tǒng)的新鮮水消耗量和廢水排放量同時達到最小化。

水系統(tǒng)優(yōu)化技術的理論起源于上世紀80年代，1989年，EI-Halwagi和Manousiouthakis首次將貧富流股間的質(zhì)量交換用累計交換質(zhì)量——組分濃度坐標表示；1994年，Wang和Smith提出了計算最小新鮮水用量的目標值方法，并根據(jù)這種方法求解了最佳回用水使用方案；2000年，Aspen Tech公司發(fā)布了Aspen Water軟件，Linnhoff March公司發(fā)布了水夾點應用軟件Water Target[3]，這些軟件均建立在水夾點理論基礎之上。2001年，馮霄和Warren D Seider[4]通過在用水網(wǎng)絡中設置中間水道，提出了一種新的水回用模式，并將其應用于實際工業(yè)生產(chǎn)中。2009年，劉志勇等[5]提出了濃度勢的概念，并在此基礎上進而提出了濃度勢法，該方法可以有效解決多雜質(zhì)水流的濃度排序問題，降低了多雜質(zhì)用水網(wǎng)絡的設計難度。由于煉化企業(yè)生產(chǎn)的復雜性，在企業(yè)生產(chǎn)過程中既有質(zhì)量交換，又存在能量交換，基于能量集成的水系統(tǒng)優(yōu)化技術可以同時實現(xiàn)節(jié)能和節(jié)水的雙重效果，使企業(yè)的經(jīng)濟效益最大化，受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注。

3 包含能量集成的水系統(tǒng)優(yōu)化技術研究進展

在煉化企業(yè)中，水有多種用途：它一方面可以作為分離劑移除雜質(zhì)，另一方面也可以作為熱載體（即冷熱公用工程）使用。在大多數(shù)情況下，水的使用要同時受到雜質(zhì)濃度和溫度變化的雙重制約，所以水系統(tǒng)集成優(yōu)化不僅要考慮用水網(wǎng)絡中污染物的質(zhì)量交換，還需要考慮包含于用水網(wǎng)絡中不同流股之間的能量交換?？紤]熱集成的水系統(tǒng)優(yōu)化技術近年來掀起了國內(nèi)外學者的研究熱情，也取得了較大的研究進展。

1998年，Savulescu等[6]在美國化學工程協(xié)會年會中提出了能量和水同時用量最小化的問題，并使用圖表法對其提出的問題進行了求解。該方法主要分為兩步：首先，獲得水分配網(wǎng)絡，同時通過混合實現(xiàn)能量傳遞最大化；然后，以流股信息構造能量復合曲線，以獲得最小公用工程用量。該方法考慮了網(wǎng)絡設計過程中遇到的部分復雜因素，并對其進行適當簡化，雖然提出的假設條件與實際操作過程存在較大差異，但是該方法的提出仍然為后續(xù)的深入研究提供了借鑒。

2002年，Bagajewicz等[7]在數(shù)學規(guī)范的基礎上，將新鮮水用量和公用工程消耗最小為目標函數(shù)，通過其提出的“狀態(tài)空間法”設計出包含能量集成的水網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡嚴格地滿足廢水最小化和公用工程消耗最小化。在該方法中，將減少新鮮水用量作為主要的優(yōu)化目標，公用工程用量作為第二優(yōu)化目標。首先利用線性規(guī)劃模型求解具有最小新鮮水用量的水網(wǎng)絡，接著利用混合整數(shù)的非線性規(guī)劃模型對水網(wǎng)絡中的流股進行能量集成。在模型設計中，允許操作單元之間的連接進行換熱匹配，同時將禁止換熱匹配的單元也考慮在內(nèi)，以求取更加準確的結果。

2003年，都健等[8]對多雜質(zhì)系統(tǒng)的能量集成進行了研究，首先把用水量最小化作為目標，使用數(shù)學規(guī)劃法求解最小新鮮水用量的水網(wǎng)絡結構；然后在新鮮水用量最小的情況下，再使用模擬退火算法進行全過程系統(tǒng)的能量集成，最終求得具有能量集成的水網(wǎng)絡結構。雖然將兩次求解放入同一程序中，但該方法的實質(zhì)還是分步優(yōu)化，沒有實現(xiàn)真正意義上的用能與用水同時最小化。

2005年，鄭雪松[10]在數(shù)學規(guī)劃法的基礎上，建立了用水網(wǎng)絡的多目標優(yōu)化模型，分別研究了主目標為新鮮水量、公用工程用量和系統(tǒng)操作費用最小的三種求解策略。該模型既適用于單雜質(zhì)用水系統(tǒng)，又適用于多雜質(zhì)用水系統(tǒng)。該方法較好地描述了用水系統(tǒng)中換熱流股的熱傳遞過程，并且可考慮加入用水系統(tǒng)以外的換熱流股，從而使整個換熱系統(tǒng)得到優(yōu)化。

2007—2009年，馮霄等[11-13]首先研究了不同水網(wǎng)絡結構具有不同能量性質(zhì)的原因，在此基礎上提出了具有較好能量特性的水網(wǎng)絡的數(shù)學模型。此外，還研究了換熱過程中發(fā)生非等溫混合對水網(wǎng)絡能量性能的影響，提出了一些以不增加公用工程量為前提的非等溫混合規(guī)則。最后，根據(jù)非等溫混合對水網(wǎng)絡能量性能產(chǎn)生的影響，對水網(wǎng)絡和換熱網(wǎng)絡數(shù)學模型相結合以及具有較好能量特性的水網(wǎng)絡數(shù)學模型提出了改進。

2010年，都健等[14]采用基于超結構的非線性數(shù)學規(guī)劃法對能量和質(zhì)量集成問題進行了研究。對于多雜質(zhì)用水網(wǎng)絡，首先采用確定關鍵組分的方法合理給定操作單元最小新鮮水用量，然后利用改進的換熱網(wǎng)絡超結構（即冷熱流股分流換熱后發(fā)生非等溫混合）對其進行能量集成。毛庭璧[15]等研究了在包含能量集成的水網(wǎng)絡中發(fā)生非等溫混合對系統(tǒng)能量目標的影響，分析了不同性質(zhì)流股間發(fā)生非等溫混合與系統(tǒng)用能的關系，提出了一些非等溫混合規(guī)則，對“分離系統(tǒng)法”進行了改進，并在此基礎上得到一種包含非等溫混合的能量集成水網(wǎng)絡設計方法。該方法不僅利用非等溫混合的優(yōu)勢簡化了網(wǎng)絡結構，還避免了由于非等溫混合發(fā)生的能量懲罰。

2011年，阮真真等[16]對單雜質(zhì)用水網(wǎng)絡的能量集成影響規(guī)律進行了研究，在數(shù)學規(guī)劃法的基礎上，分別以新鮮水用量最小、流股連接數(shù)最小為目標，建立了線性和混整數(shù)線性規(guī)劃模型，求解出所有可能同時滿足新鮮水用量最小和流股連接數(shù)最小的水網(wǎng)絡結構，然后再分別進行能量集成，獲得公用工程消耗最小和換熱單元數(shù)最少的換熱網(wǎng)絡。最后，歸納總結出在保證相同的新鮮水用量和最小的流股連接數(shù)時，不同的水網(wǎng)絡結構對能量集成目標無影響，對換熱單元數(shù)影響也不大的規(guī)律。

2013年，李棟斌等[17]研究了水網(wǎng)絡中發(fā)生的非等溫混合對水網(wǎng)絡的能量性質(zhì)的影響，研究提出了一種分步求解多雜質(zhì)體系水網(wǎng)絡和換熱網(wǎng)絡的新方法。對于水網(wǎng)絡，考慮新鮮水與其他操作單元回水之間的非等溫混合，最大化流股間的直接熱回收；對于換熱網(wǎng)絡，只考慮水網(wǎng)絡中的新鮮水與其他操作單元回水之間的換熱匹配。最后的研究結果表明，考慮非等溫混合時的年度總費用比不考慮非等溫混合時更低。

基于上述分析可以看到，國內(nèi)外學者對包含能量集成的水系統(tǒng)優(yōu)化技術進行了廣泛的研究，有的學者考慮了系統(tǒng)雜質(zhì)數(shù)量的影響，有的學者考慮了混合溫度的影響，也提出了眾多的求解策略和模型，但這些研究大部分還處于理論研究階段，付諸實際應用的較少。鑒于能質(zhì)交換網(wǎng)絡的復雜性，影響因素多，還有待進行深入研究，以便設計更加貼近生產(chǎn)實際的求解策略和方法。

4 結論

1）我國大部分煉化企業(yè)的主要用水指標與國外先進水平，甚至國家節(jié)水型企業(yè)標準的要求相比還存在一定差距，這些企業(yè)的用水效率還有待進一步提高，還存在較大的節(jié)水潛力。

2）水系統(tǒng)優(yōu)化技術，尤其是考慮能量集成的水系統(tǒng)優(yōu)化技術，由于可實現(xiàn)節(jié)能節(jié)水的雙重效果，成為當前的研究熱點并不斷升溫，但是由于需要同時達到節(jié)能節(jié)水的目標，也是當前系統(tǒng)優(yōu)化研究中的難點。

3）考慮能量集成的水系統(tǒng)優(yōu)化技術研究還處于起步階段，夾點法和數(shù)學規(guī)劃法都存在不足之處，由于能質(zhì)集成網(wǎng)絡的復雜性，全面考慮網(wǎng)絡間耦合作用以及各種因素耦合的系統(tǒng)模型還有待進行深入研究，以便更加符合實際生產(chǎn)過程。

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表5 經(jīng)濟效益分析

6 結論

1）試驗結果表明，換熱水溫度由133℃降至131℃能滿足裝置所有塔底重沸器及C501進料預熱器熱負荷需要，每小時可節(jié)約低壓蒸汽3.8 t，降低了裝置能耗。

2）試驗結束后，E503、E505、E506換熱水副線閥開度僅為4扣，副線閥換熱水流量較試驗前下降了40 t/h，換熱水低溫位余熱利用效率達到較為理想狀況。

3）從目前操作來看，脫丙烷塔底溫度控制閥HC5101B已控制在最佳位置65%～70%，換熱水溫度TC5111降低至131℃已達到塔底重沸器熱負荷需要的極限；若再繼續(xù)降低換熱水溫度，開大塔底溫度控制閥，控制閥調(diào)節(jié)的靈活度和靈敏性反而會變差，脫丙烷塔的操作彈性下降，對裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)會造成影響。

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（收稿日期：2014-06-25）

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.012.007

2014-08-21）

劉富余，工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學（華東），從事石油化工節(jié)能節(jié)水技術研究及管理工作，E-mail：lfuyu@petrochina.com.cn，地址：北京市海淀區(qū)志新西路3號，100083。