尚建龍，何 康，孫蘭義

(1.中國石油大學重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580；2.鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司)

夾點技術在延遲焦化換熱網(wǎng)絡中的應用

尚建龍1，何 康2，孫蘭義1

(1.中國石油大學重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580；2.鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司)

某石化企業(yè)處理量為1.20 Mta的延遲焦化裝置存在較大的節(jié)能潛力，應用夾點技術對其能量利用進行分析與優(yōu)化。首先確定換熱網(wǎng)絡夾點位置和能量目標，消除違背夾點規(guī)則的換熱，然后對優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡的熱負荷回路進一步優(yōu)化，提高原料渣油進爐溫度，并得到最終換熱網(wǎng)絡。研究結果表明，改造后的換熱網(wǎng)絡取得了顯著的經濟效益，年降低能耗11.89×104GJ，改造總投資77.82萬元，年增經濟效益457.70萬元，投資回收期為2個月。夾點技術對延遲焦化裝置的節(jié)能降耗、經濟效益的提高有著重要的理論和現(xiàn)實意義。

延遲焦化 夾點技術 換熱網(wǎng)絡 能量系統(tǒng)優(yōu)化

節(jié)能已成為當今世界主要的技術和社會問題，與能源供應密切相關的措施都具有非常重要的戰(zhàn)略意義[1]。迄今為止，石油化工行業(yè)依舊是世界上最大的能源消耗行業(yè)，約占世界工業(yè)總能源消耗的30%。然而，基于化工行業(yè)的用能復雜性，其節(jié)能潛力的評估依舊是個難題[2]。石化行業(yè)是我國國民經濟的支柱產業(yè)，但也是能耗大戶，每年能源消耗量約為全國能源總消耗量的10%～12%。同時，能源消耗占化工產品成本的20%～30%，對高耗能產品達到60%～70%。石化行業(yè)節(jié)能降耗面臨巨大壓力[3]。

隨著原油的日益重質化和劣質化以及市場對輕質油品需求的不斷增長，石油的深度加工已成為必然的發(fā)展趨勢。延遲焦化裝置因設備投資少、工藝簡單、技術成熟、可加工各種重質渣油和提高輕質油收率，已成為世界各國重質油輕質化的重要手段[4]。我國的延遲焦化裝置能耗相對較高，高能耗導致我國延遲焦化裝置的加工成本乃至整個原油加工行業(yè)成本普遍較高。因此，降低延遲焦化裝置的能耗成為我國石油煉制行業(yè)的重要任務。

延遲焦化原料在500 ℃下發(fā)生重度裂化和縮合反應，大量消耗高品位能量。焦化反應中熱裂化反應是強吸熱反應，反應所需的全部熱量均由焦化爐提供，大量的高品質能量通過能量轉換環(huán)節(jié)后變?yōu)榈推肺荒芰浚谕苿庸に囘^程進行后，或回收再利用或被排棄[5-6]。為降低延遲焦化裝置能量消耗，不但需要提高加熱爐的效率，回收低品位能量也尤為重要。換熱網(wǎng)絡是煉化行業(yè)中重要的能量回收子系統(tǒng)[7]。

夾點技術(Pinch Technology)最早由Linnhoff于1978年提出[8]。經過近30年的不斷進步，現(xiàn)已成為石油化工行業(yè)節(jié)能的一個重要技術手段[9]。一般認為延遲焦化裝置的換熱網(wǎng)絡較為簡單，導致了許多不合理的用能。本課題以某石化企業(yè)1.20 Mt/a延遲焦化裝置為例，應用夾點技術分析當前換熱網(wǎng)絡，對換熱網(wǎng)絡進行優(yōu)化并提出改進方案。

1 延遲焦化工藝

某石化企業(yè)1.20 Mt/a延遲焦化裝置主要加工減壓渣油，包括焦化部分和吸收-穩(wěn)定系統(tǒng)，工藝流程示意如圖1和圖2所示。焦化原料升溫后進入分餾塔底部，與熱循環(huán)油一起流入塔底，抽出油分4路進入焦化加熱爐并快速升溫至500 ℃左右，進入焦炭塔底部進行焦化反應，焦炭聚結在焦炭塔底部，在達到一定高度后進行水力除焦，反應油氣經急冷油冷卻后進入分餾塔底部，被原料渣油洗滌的反應油氣進入分餾塔切割成富氣、汽油、柴油以及蠟油。焦化富氣進入吸收塔，由焦化汽油吸收富氣中的C3、C4組分。吸收塔設中段回流取熱，塔頂貧氣進入再吸收塔，由貧吸收油吸收其中的汽油組分。平衡罐底部汽油進解吸塔塔頂，脫除其中的C2以上輕組分。解吸塔塔底油進入穩(wěn)定塔得到液化氣和塔底穩(wěn)定汽油。

圖1 焦化部分流程示意

圖2 吸收-穩(wěn)定系統(tǒng)流程示意

2 延遲焦化裝置基礎數(shù)據(jù)

某石化企業(yè)延遲焦化裝置設計加工能力為1.20 Mt/a，設計生焦周期為24 h，操作彈性為60%～120%，年開工時數(shù)為8 400 h。其中焦化部分實際加工能力為1.27 Mt/a，吸收-穩(wěn)定系統(tǒng)加工部分外來輕烴，實際加工能力為0.50 Mt/a。其中粗汽油、焦化富氣來自0.60 Mt/a延遲焦化裝置，瓦斯來自氣柜回收裝置。1.20 Mt/a延遲焦化裝置物料平衡數(shù)據(jù)如表1所示，以減壓渣油原料為100%計。

表1 裝置物料衡算

1.20 Mt/a延遲焦化裝置換熱網(wǎng)絡用能分析所需的數(shù)據(jù)包括工藝物流數(shù)據(jù)和公用工程物流數(shù)據(jù)。對整個流程進行分析，共有11股工藝熱物流和8股工藝冷物流，如表2所示。公用工程物流如表3所示，包含空氣、冷卻水、高/中壓蒸汽、燃料氣。

表2 現(xiàn)場操作條件下工藝物流數(shù)據(jù)

表3 公用工程物流數(shù)據(jù)

3 焦化裝置用能現(xiàn)狀分析

3.1 最優(yōu)夾點溫差ΔTmin的確定

ΔTmin是指冷換設備中冷、熱物流在逆流條件下冷端和熱端之間的最小溫差，反映了投資與能耗的權衡關系[10]。隨著夾點溫差ΔTmin的增大，操作費用增大，設備投資減小，反之亦然。最優(yōu)ΔTmin的確定需要綜合考慮設備投資和操作費用的相對大小，取年總費用最小時對應的溫差為最優(yōu)夾點溫差。采用文獻[11-12]中延遲焦化裝置換熱網(wǎng)絡ΔTmin經驗值20.0 ℃。

3.2 夾點技術用能分析

輸入工藝物流數(shù)據(jù)和公用工程物流數(shù)據(jù)，利用Aspen Plus軟件對流程進行模擬，將數(shù)據(jù)導入到Aspen Energy Analyzer中進行能量分析與用能診斷。由上述分析及問題表法，可以確定ΔTmin為20.0 ℃的情況下，夾點溫度為146.0 ℃，即焦化裝置物流夾點處熱物流的溫度為156.0 ℃，冷物流的溫度為136.0 ℃。冷、熱物流復合曲線如圖3所示，在兩曲線重疊區(qū)，冷、熱物流之間可以進行換熱。

圖3 冷、熱物流復合曲線

延遲焦化換熱網(wǎng)絡總復合曲線如圖4所示。由圖4可以得出最小加熱公用工程量為1 860 kW，最小冷卻公用工程量為21 194 kW。焦化裝置的實際公用工程用量與所需最小公用工程用量對比見表4。

表4 公用工程用量對比

由表4可見，實際加熱公用工程用量為4 863 kW，最小加熱公用工程用量為1 860 kW。換熱網(wǎng)絡優(yōu)化改造的節(jié)能量(ΔQ)定義為實際加熱公用工程用量與最小加熱公用工程用量的差值[13]。換熱網(wǎng)絡優(yōu)化改造的節(jié)能潛力指標(R)定義為節(jié)能量和夾點區(qū)間熱物流熱量的比值[14]。該換熱網(wǎng)絡節(jié)能量(ΔQ)為：

ΔQ=Qh，real-Qh，min=

4 863 kW-1 860 kW=3 003 kW

式中：Qh， real為實際加熱公用工程用量，kW；Qh，min為最小加熱公用工程用量，kW。

節(jié)能潛力(R)為：

式中，Qr為最大熱回收量，此處為實際加熱公用工程用量，kW。現(xiàn)行裝置節(jié)能潛力高達61.7%，由此可見，現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡的能量利用系統(tǒng)是不合理的。

根據(jù)夾點規(guī)則：①夾點之上(或稱熱端)不應設置任何公用工程冷卻器；②夾點之下(或稱冷端)不應設置任何公用工程加熱器；③不應有跨越夾點的傳熱。

現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡網(wǎng)格如圖5所示，依據(jù)夾點規(guī)則分析裝置用能的不合理之處：蠟油回流-蒸汽發(fā)生器違背了夾點之上不應設置公用工程冷卻器的原則；柴油回流-采暖水換熱器、蠟油產品-采暖水換熱器、柴油產品-采暖水換熱器、蠟油產品-除氧水換熱器、穩(wěn)定汽油-穩(wěn)定塔進料換熱器為跨越夾點的換熱；夾點之下無違背夾點原則換熱的現(xiàn)象。將現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡違背夾點規(guī)則換熱的換熱器及其換熱負荷列于表5。由表5可知，夾點之上使用的冷卻器有1個，跨越夾點換熱的換熱器有5個，共有6個換熱器違背了夾點規(guī)則換熱，需要進行重新匹配換熱。

圖5 現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡網(wǎng)格

表5 違背夾點原則的換熱器

4 改進方案與經濟分析

以整個換熱網(wǎng)絡的最小公用工程用量為研究重點，以最小能量目標為基礎，提出延遲焦化裝置換熱網(wǎng)絡的有效配置和優(yōu)化改造建議，提高工藝物流之間的換熱量，消除跨越夾點的換熱，降低公用工程用量，從而達到最大限度節(jié)能降耗的目的。

4.1 消除違背夾點規(guī)則的換熱

夾點之上，移除蠟油回流-蒸汽發(fā)生器，同時新增蠟油回流-原料渣油換熱器和蠟油回流-穩(wěn)定塔中段回流換熱器，回收蠟油的熱量，提高能量回收效率，減少冷卻公用工程用量。

消除跨越夾點的換熱，移除蠟油產品-除氧水換熱器，同時新增蠟油產品-原料渣油換熱器、柴油抽出-穩(wěn)定塔中段回流換熱器和柴油回流-解吸塔塔底油換熱器。其中移除蠟油產品-除氧水換熱器消除了除氧水升溫過程中跨越夾點的換熱；新增蠟油產品-原料渣油換熱器緩解了蠟油產品冷卻過程中跨越夾點換熱的程度；新增柴油抽出-穩(wěn)定塔中段回流換熱器和柴油回流-解吸塔塔底油換熱器消除了柴油回流冷卻過程中跨越夾點的換熱，同時回收了柴油回流的熱量，使柴油回流-采暖水換熱器負荷從2 677 kW減少至1 420 kW，提高了能量回收率。換熱網(wǎng)絡改造需要結合工業(yè)實際進行，對于柴油回流-采暖水換熱器和穩(wěn)定汽油-穩(wěn)定塔進料換熱器兩處跨越夾點的換熱，只能盡量減少其跨越夾點的換熱量而不能完全消除。對穩(wěn)定塔中段回流-高壓蒸汽換熱器的改造可降低高壓蒸汽的使用，減少加熱公用工程用量。

4.2 換熱網(wǎng)絡的進一步調優(yōu)

4.2.1 原料渣油換熱流程優(yōu)化 換熱網(wǎng)絡改造前原料渣油換熱到280.0 ℃后進入分餾塔，進塔溫度較低，分餾塔塔底輻射油溫度也較低，導致了加熱爐熱負荷的增加，這表明在原料渣油換熱方面還有進一步節(jié)能降耗的空間。

原設計換熱流程中，原料渣油經穩(wěn)定汽油-原料渣油換熱器、蠟油回流-原料渣油換熱器換熱后進入主分餾塔底部，進塔溫度較低，經整個換熱網(wǎng)絡用能分析，進塔溫度還有進一步提升的空間。在原設計的基礎上，對蠟油取熱進行改進，取消蠟油產品-除氧水換熱器，利用新增的蠟油產品-原料渣油換熱器和蠟油回流-原料渣油換熱器回收蠟油產品和蠟油回流多余的熱量預熱原料渣油。經過進一步預熱后，原料渣油經蠟油產品-原料渣油換熱器后溫度升至185.0 ℃，后經蠟油回流-原料渣油換熱器后溫度升至192.5 ℃，最終進入分餾塔底部的原料渣油溫度達到289.7 ℃，不僅充分利用了蠟油的熱量，還提高了原料渣油進塔溫度。原料渣油換熱流程優(yōu)化前后的流程示意如圖6和圖7所示。

圖6 改造前原料渣油換熱流程示意

圖7 改造后原料渣油換熱流程示意

4.2.2 熱負荷回路的合并 熱負荷回路是指在換熱網(wǎng)絡中從一股物流出發(fā)，沿與其匹配的物流找下去，又回到此物流。上述初步優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡中蠟油回流與原料渣油的換熱過程中出現(xiàn)了熱負荷回路，如圖8中虛線所示。圖8中換熱器1和換熱器3構成換熱器熱負荷回路，需要進行合并。因為圖8中換熱器3的換熱負荷相對較小(233 kW)，因此將其合并到換熱器1中，合并后換熱器1的換熱負荷為10 071 kW，合并后的換熱網(wǎng)絡如圖9所示。合并換熱器后會使局部傳熱溫差減小，需要檢驗傳熱溫差是否滿足最小傳熱溫差的限制。經檢驗，合并后冷熱端溫差大于夾點溫差，符合換熱器合并的原則。上述改造不僅減少了一臺換熱器，降低了投資費用，還回收了蠟油回流(256.8～250.0 ℃)的熱量。

圖8 有熱負荷回路的換熱網(wǎng)絡

圖9 換熱器合并后的換熱網(wǎng)絡

對延遲焦化換熱網(wǎng)絡的優(yōu)化，首先消除違背夾點的換熱，接著對其進行進一步的調優(yōu)，得到最終優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡，結果如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡網(wǎng)格

4.3 經濟分析

4.3.1 公用工程分析 經夾點技術改進與調優(yōu)，最終裝置所需的熱公用工程用量為2 794 kW，較改造前節(jié)省能耗2 069 kW；冷公用工程用量為23 653 kW，較改造前節(jié)省能耗9 334 kW。計算能量費用采用的公用工程價格[15]如表6所示，包括高壓蒸汽、燃料氣、冷卻水和電能，每年按8 400 h計，公用工程經濟效益分析過程如下：

表6 公用工程價格

(1) 高壓蒸汽。改造前，利用高壓蒸汽將穩(wěn)定塔中段回流由185.0 ℃加熱到198.0 ℃，需要消耗較多的高壓蒸汽才能滿足熱量需求。此時所需高壓蒸汽熱負荷為4 863 kW。改造后，穩(wěn)定塔中段回流油先經蠟油回流和柴油抽出油加熱后，再由高壓蒸汽加熱，此時所需高壓蒸汽熱負荷為2 794 kW。高壓蒸汽節(jié)省量(W蒸汽)可由下式計算：

ΔH1=4 863 kW-2 794 kW=2 069 kW

ΔH1=2 069 kJ/s×3 600 s/h=7 448.40 MJ/h

ΔH1=W蒸汽ΔH蒸汽

式中：ΔH1為高壓蒸汽熱負荷的降低量，kW；W蒸汽為蒸汽節(jié)省量，kg/h；為4.0 MPa、250.0 ℃下蒸汽的汽化潛熱，為1 712.90 kJ/kg。計算得：

(2) 燃料氣。改造前燃料氣燃燒的熱量需要將原料渣油由280.0 ℃加熱到500.0 ℃左右，改造后則是由289.7 ℃加熱到500.0 ℃，因此根據(jù)能量守恒，優(yōu)化后節(jié)省的能耗與原料渣油由280.0 ℃加熱到289.7 ℃所需熱量相等。原料渣油加熱(280.0～289.7 ℃)所需熱量為：

ΔH2=CPΔt1

式中：ΔH2為燃料氣燃燒熱負荷減少量，kW；CP為原料渣油的熱容流率，為103.57 kW/℃；Δt1為原料渣油的溫升，℃。得ΔH2=103.57 kW/℃×9.7 ℃=1 005 kW

根據(jù)煉油廠燃料氣的組成、熱值等性質，將能耗降低量換算為燃料氣年消耗流量為173×104m3(標準狀態(tài))，年增經濟效益約50.20萬元。

(3) 冷卻水。換熱網(wǎng)絡改造后冷卻水總換熱負荷為1 856 kW，較改造前節(jié)約能耗899 kW。公用工程冷卻水溫度由20.0 ℃升至25.0 ℃。在1 h內，冷卻水換熱負荷減少量按下式計算：

ΔH3=899 kJ/s×3 600 s×10-3=3 237.84 MJ

根據(jù)能量衡算，熱負荷減少量換算為冷卻水的節(jié)省量：

ΔH3=WH2OCPΔt2

式中：ΔH3為冷卻水換熱負荷減少量，kW；WH2O為冷卻水的減少量，kg/h；CP為冷卻水熱容，為4.186 kJ/(kg·℃)；Δt2為冷卻水溫度變化量，為5.0 ℃。計算得WH2O=154.70 t/h。

(4) 電耗。對于公用工程中電耗的降低及經濟分析需要借助換熱器設計校核軟件HTRI中的空氣冷卻器模塊進行計算，得出優(yōu)化前后的電機功率，從而得出換熱網(wǎng)絡優(yōu)化前后電耗的差值，并計算其經濟效益。換熱網(wǎng)絡經改造后，電耗有所增加，但是從整體經濟效益來看是合理且有益的。改進前后公用工程用量及經濟效益如表7所示。

表7 改進前后公用工程用量及經濟效益

4.3.2 換熱器設計與選型 通過換熱網(wǎng)絡調整，共有4臺換熱器需要進行設計與選型，移除2臺換熱器，其它換熱器利舊即可。根據(jù)換熱器選型原則，采用換熱器計算與校核軟件HTRI進行換熱器的重新選型，并進行費用計算，結果如表8所示。改造方案主要增加了換熱器、部分管線及其它設備。其中新增柴油回流-解吸塔塔底油、蠟油回流-穩(wěn)定塔中段回流換熱器、柴油抽出-穩(wěn)定塔中段回流換熱器、蠟油產品-原料渣油換熱器，其它換熱器利舊即可，新增、改造和安裝等費用共計77.82萬元。改造后每年節(jié)能降耗11.89×104GJ，年增經濟效益約457.70萬元，投資回收期為2個月，經濟上是可行的。

表8 換熱器選型與投資費用

5 結 論

(1) 通過用能分析與診斷，發(fā)現(xiàn)1.20 Mt/a延遲焦化裝置當前換熱網(wǎng)絡公用工程用量與最小公用工程用量相差較大，并存在違背夾點原則的換熱。夾點技術為有效減少延遲焦化裝置的能量消耗提供重要的技術支持。

(2) 依據(jù)夾點技術原則，根據(jù)用能情況和工業(yè)實際對延遲焦化裝置換熱網(wǎng)絡提出優(yōu)化措施，消除違背夾點規(guī)則的換熱。主要包括：移除2臺換熱器，新增柴油回流-解吸塔塔底油換熱器、蠟油回流-穩(wěn)定塔中段回流換熱器、柴油抽出-穩(wěn)定塔中段回流換熱器、蠟油產品-原料渣油換熱器。同時合并換熱網(wǎng)絡熱負荷回路，降低設備投資。

(3) 通過能耗分析和經濟性分析，改造后延遲焦化換熱網(wǎng)絡投資費用為77.82萬元，改造后裝置年均節(jié)能11.89×104GJ，年增經濟效益約457.70萬元，投資回收期為2個月，經濟效益顯著。

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中國石化茂名分公司干氣提濃裝置能耗創(chuàng)全國新低

2015年6月，中國石化茂名分公司3×104m3/h(標準狀態(tài))干氣提濃裝置綜合能耗達到25.93 kg標油/t(1 kg標油=41.8 MJ)，創(chuàng)2009年開工以來單月能耗最低和全國同類裝置新低。

該裝置主要從干氣中提取富乙烯氣作為裂解原料，能耗一直保持國內同類裝置領先水平。但前5個月，受原料等因素影響，裝置能耗提高，落后于同類先進裝置。

6月以來，茂名分公司對關鍵機組實施特護，實現(xiàn)裝置滿負荷生產。優(yōu)化原料氣處理量，及時調整半產品氣壓縮機負荷，確保負荷最佳；根據(jù)氣溫變化適時調整冷干機負荷，使裝置電耗環(huán)比降低4.11×104kWh；優(yōu)化裝置循環(huán)水，裝置節(jié)約循環(huán)水337 t/h。

[錢伯章供稿]

PINCH TECHNOLOGY APPLICATION IN DELAYED COKING HEAT EXCHANGE NETWORK

Shang Jianlong1， He Kang2， Sun Lanyi1

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao，Shandong266580；2.ZhenhaiPetrochemicalEngineeringCo.Ltd.)

There was a considerable energy saving potential in the delayed coking unit with a capacity of 1.20 Mt/a in a petrochemical plant. The heat exchanger network (HEN) of the delayed coking unit is analyzed and optimized by pinch technology. After obtaining the pinch point and energy targets， the pinch technology was applied to eliminate the heat exchange which violates the pinch rules. The optimized HEN was further optimized to cancel the problematic heat exchanger loop and raise the inlet temperature of the vacuum residue (VR) before entering the heating furnace， resulting in a final optimized HEN. Consequently， the modified HEN has achieved remarkable economic benefits by decreasing energy consumption of 11.89×104GJ， which indicates that energy saving of this proposal can bring additional benefits of 4.577 0 million Yuan/a. The payback period of investment is 2 months with a total reconstructive investment of 0.778 2 million Yuan. The pinch technology for energy saving of delayed coking unit and the improvement of economic benefits has very important theoretical and practical significance.

delayed coking； pinch technology； heat exchanger network； energy system optimization

2015-03-09； 修改稿收到日期： 2015-06-10。

尚建龍，碩士研究生，從事化工流程模擬與節(jié)能優(yōu)化研究工作。

孫蘭義，E-mail：sunlanyi@163.com。