周 輝，王照亮，姚 震

（中國石油大學(xué)（華東）， 山東 青島 266580）

勝利油田孤東一號(hào)聯(lián)合站集輸系統(tǒng)工藝復(fù)雜，在其現(xiàn)有的能流網(wǎng)絡(luò)中，能量利用不合理存在大量的污水余熱直接排放到大氣環(huán)境中，沒有有效地回收余熱。尤其是聯(lián)合站沉降罐的熱流，污水溫度高達(dá) 85 ℃。目前，對(duì)于油田耗能設(shè)備的節(jié)能潛力分析主要是采用基于熱力學(xué)第一定律的能量平衡分析法，對(duì)聯(lián)合站主要能耗環(huán)節(jié)的能耗設(shè)備進(jìn)行單臺(tái)設(shè)備能量分析評(píng)價(jià)，對(duì)上下游不同設(shè)備和工序之間的能流關(guān)系涉及較少[1,2]。Linnhoff[2,3]等提出的夾點(diǎn)分析法，是一種解決整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)的能留不協(xié)調(diào)問題的方法。運(yùn)用夾點(diǎn)分析可以輕松的找出聯(lián)合站換熱網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，也就是夾點(diǎn)溫度，跨越夾點(diǎn)溫度的換熱都會(huì)造成能流的損失。

目前，夾點(diǎn)分析的運(yùn)用十分廣泛[4-9]，從熱泵等單一設(shè)備裝置到復(fù)雜的生產(chǎn)工藝流程，都可以運(yùn)用夾點(diǎn)分析有效合理的分配冷熱物流。

本文就是將復(fù)雜的聯(lián)合站工藝流程運(yùn)用夾點(diǎn)分析，找出聯(lián)合站集輸系統(tǒng)的節(jié)能潛力，提出合理的節(jié)能改造措施。

1 東一聯(lián)能流圖

圖1所示孤東1號(hào)聯(lián)合站內(nèi)主要耗能設(shè)備為分水器，分水出口換熱，油氣分離器，含水油穩(wěn)定塔，沉降罐，脫水換熱器，回油換熱器，壓力脫水罐，凈化油穩(wěn)定塔和凈化油罐。孤東一號(hào)聯(lián)合站主要的散熱設(shè)備分別是換熱器，凈化油穩(wěn)定塔，以及凈化油罐。

圖1 東一聯(lián)能流圖Fig.1 Energy flow diagram of Dongyi combined station

孤東一號(hào)聯(lián)合站部分設(shè)備污水溫度略高，最高可達(dá) 85 ℃，直接排放不僅會(huì)造成環(huán)境熱污染還會(huì)造成能量的浪費(fèi)。孤東一號(hào)聯(lián)合站的各種物流參數(shù)如表1所示。該換熱網(wǎng)絡(luò)中由四股熱流，三股冷流。其中，四股熱流分別為分水器H1，一次沉降罐H2，二次沉降罐H3，老化油沉降罐H4排出的污水組成。冷流主要是分水出口換熱器C1，脫水換熱器 C2，回油換熱器C3。對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行夾點(diǎn)分析，提取換熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能潛力。

表1 冷熱流物流數(shù)據(jù)表Table 1 Data table of cold and hot streams

2 夾點(diǎn)分析

2.1 物流參數(shù)計(jì)算

對(duì)冷熱物流進(jìn)行夾點(diǎn)分析時(shí)，需要選取一定的夾點(diǎn)溫差。夾點(diǎn)溫差越小，利用夾點(diǎn)分析可以節(jié)省的能量越多；但是根據(jù)傳統(tǒng)的傳熱公式可以知道，溫差越小，在保證換熱量的情況下，所需要的換熱面積就越大，從而增大了經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的投資。因此需要合理的選取夾點(diǎn)溫差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取 10 ℃作為夾點(diǎn)溫差，則孤東一號(hào)聯(lián)合站的換熱網(wǎng)絡(luò)如圖2所示?？梢钥闯霈F(xiàn)有的換熱網(wǎng)絡(luò)分水冷流，二次沉降罐熱流和老化油熱流的換熱過程都跨越了夾點(diǎn)，必然帶來了能流的損失。

圖2 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)換熱網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Original heat exchange net

2.2 溫區(qū)劃分

根據(jù)選取的夾點(diǎn)溫差，在冷熱流體的原始溫度基礎(chǔ)上減小 5℃，在預(yù)期目標(biāo)溫度的基礎(chǔ)上增加 5℃然后將這些溫度從大到小排列，順序依次為：90℃、80℃、72℃、65℃、62℃、52℃、50℃、48℃、38℃、15℃。

2.3 問題表格

根據(jù)排列好的溫度將溫度劃分為9個(gè)溫區(qū)，并建立問題表格如表2所示。

表2 問題表格Table 2 Problem table

從表2中可以看出，換熱溫區(qū)6的最小外界輸出熱量與換熱溫區(qū)7的最小外界輸入熱量都為0，即兩溫區(qū)之間的熱通量為0，夾點(diǎn)溫差為10 ℃時(shí)夾點(diǎn)的平均溫度50 ℃，熱流體溫度是55 ℃，冷流體溫度是45 ℃。

另外表2中可以明顯看出孤東一號(hào)聯(lián)合站集輸系統(tǒng)最小加熱公用工程量為10 396.65 kW，較現(xiàn)在的加熱工程熱負(fù)荷要小2 643.35 kW，可見現(xiàn)在的集輸系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)存在問題。

3 節(jié)能改造

夾點(diǎn)分析最終的目的在于充分利用可利用的熱能加熱冷流，節(jié)省公用熱負(fù)荷。以夾點(diǎn)溫度為界限，夾點(diǎn)之下的換熱網(wǎng)絡(luò)有熱流4股，冷流1股。只有在滿足熱流數(shù)目不少于冷流數(shù)目，并且熱流的熱容流率不大于冷流的熱容流率的情況下，才能將冷熱物流匹配換熱，節(jié)省能量。所以將冷流 C1分流，使其一股熱容流率為77.78 kW/℃，另外一股為75.75 kW/℃。此時(shí)，熱流H2和H4分別與其匹配滿足條件。增設(shè)兩臺(tái)換熱器，分別為 151.5 kW 和155.56 kW。在換熱網(wǎng)絡(luò)中，由于分水熱流等熱流的溫度較低，不符合匹配換熱，因此將這樣的熱流直接排放到環(huán)境中去，圖3中以虛線表示虛擬冷卻器，夾點(diǎn)之下共需4臺(tái)冷卻器。

圖3 調(diào)整后的換熱網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Heat exchange net retrofit

在夾點(diǎn)之上的換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中，冷流體 3股，熱流體2股。夾點(diǎn)之上的熱流滿足物數(shù)目小于冷流數(shù)目并且任一熱流的熱容流率小于冷流。在熱流與冷流匹配時(shí)，熱容流率相近的冷、熱物流優(yōu)先匹配換熱。與熱物流相比，冷物流的熱容流率略大。因此，需要對(duì)冷物流進(jìn)行分流處理。將 C1分流，使其一股熱容流率為11.63 kW/℃，并與熱流H3匹配，一股熱容流率為77.1 kW/℃，并與熱流H4匹配。對(duì)冷物流 C2進(jìn)行分流，使其一股熱容流率為77.1 kW/℃，并與熱流H4匹配。新增三個(gè)換熱器熱負(fù)荷分別為23.26kW和1 156.5 kW。冷物流C1，C2剩余的熱負(fù)荷以及 C3需要加熱的熱負(fù)荷均由公用工程加熱器來實(shí)現(xiàn)。

圖3所示的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是優(yōu)化以后的換熱網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在夾點(diǎn)溫差10℃時(shí)，能最大程度的回收熱量。從整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)可以看出，從一次沉降罐和二次沉降罐中排出的污水，進(jìn)入換熱器 E1，E3加熱分水器中的油水混合物，節(jié)省一部分加熱爐的熱負(fù)荷。從老化油沉降罐排出的污水，依次進(jìn)入換熱器 E4，E2對(duì)脫水換熱器中的油水混合物進(jìn)行加熱，可以節(jié)省部分加熱爐熱負(fù)荷。整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)新增5個(gè)換熱單元，最大節(jié)省2 643.35 kW。

4 結(jié) 論

（1）夾點(diǎn)分析說明，東一聯(lián)改造前換熱網(wǎng)絡(luò)存在跨越夾點(diǎn)的傳熱。

（2）利用老化油沉降罐排出的污水，對(duì)脫水換熱器中的油水混合物進(jìn)行加熱，可代替加熱爐的部分熱負(fù)荷，最大節(jié)能潛力可達(dá)2 643.35 kW。

（3）夾點(diǎn)溫差直接影響聯(lián)合站回收熱量和新增換熱器費(fèi)用，夾點(diǎn)溫差越小，其整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)能節(jié)省的能量就越多，伴隨而來的是換熱器的面積增大。因此，需要進(jìn)一步合理選擇夾點(diǎn)溫差。

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