張小鋒，馮霄（中國石油大學(北京)新能源研究院，北京 102249）

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張小鋒，馮霄
（中國石油大學(北京)新能源研究院，北京 102249）

摘要：乙烯裝置產品分離過程需要在低溫下進行，為此需配置壓縮制冷系統(tǒng)為深冷分離提供冷量。三元壓縮制冷由于能提供溫位連續(xù)的制冷曲線，與工藝物流降溫曲線更好地匹配，相比傳統(tǒng)的復疊制冷具有熱力學效率高、制冷能耗低的特點。為了分析三元壓縮制冷的節(jié)能潛力，本文對某乙烯裝置的三元制冷系統(tǒng)進行了?分析。從?總復合曲線（EGCC）圖的分析可以得出該系統(tǒng)三元冷劑配置是比較合理的，?損失較小。將該制冷系統(tǒng)劃分為換熱器、壓縮機、節(jié)流閥、閃蒸罐等子系統(tǒng)，并分別計算了各子系統(tǒng)的?損失。三元制冷系統(tǒng)的?損失總計為24238.1kW，90%?損失集中在換熱器和壓縮機兩個子系統(tǒng)。然后將?損失分為可避免的和不可避免的?損失兩類，其中不可避免的?損失為13539.9kW，可避免的?損失為10698.2kW，最后指出節(jié)能重點應該放在降低可避免的?損失。

關鍵詞：系統(tǒng)工程；?；優(yōu)化設計；夾點技術；乙烯；三元制冷

第一作者：張小鋒（1986—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：馮霄，教授，博士生導師，主要研究領域為過程系統(tǒng)工程。E-mail xfeng@mail. xjtu. edu.cn。

乙烯深冷分離過程需要將裂解氣從常溫冷卻到?165℃左右，以分離出甲烷、氫氣、乙烯、丙烯等產品。在此過程中需要使用制冷系統(tǒng)提供大量的不同等級的冷量，乙烯專利商都開發(fā)出了自己的制冷工藝技術并申請了專利。雖然各個公司開發(fā)的制冷工藝流程各不相同，但可以按照制冷介質組成及制冷循環(huán)類別歸為3類：復疊制冷，二元制冷，三元制冷。3種制冷工藝各有優(yōu)缺點，復疊制冷采用純組分物質作為制冷劑，表現(xiàn)為操作調節(jié)穩(wěn)定，但是熱力學效率較低；二元冷劑與純組分冷劑相比，理論上具有熱力學效率高的優(yōu)點，但是二元制冷對冷量的匹配要求較高，換熱過程中氣相比例較大，需要較大冷箱換熱面積較大；三元冷劑盡管熱力學效率較高，但操作調節(jié)復雜，系統(tǒng)調節(jié)波動較大，因此工業(yè)乙烯裝置的生產應用較晚。2004年我國齊魯石化公司改造項目中，三元制冷在工業(yè)上首次用于乙烯裝置[1]。

三元制冷技術使用甲烷、乙烯、丙烯按一定配比組成的混合物作為制冷工質，通常摩爾比為1∶1∶8，使用壓縮機將冷劑壓縮，通過逆卡諾循環(huán)為深冷分離過程提供冷量。相對于傳統(tǒng)的復迭制冷技術有以下優(yōu)點：①節(jié)省設備占地面積小、投資低，一套三元制冷壓縮機取代了傳統(tǒng)的丙烯、乙烯、甲烷三套系統(tǒng)，減少了設備臺數(shù)，減少了占地空間，降低設備投資，特別適用于裝置改造；②熱力學效率高，裂解氣冷卻過程的物流冷卻曲線是連續(xù)平滑的，而單組分冷劑供冷曲線則是非連續(xù)、級躍式的，傳熱不可逆性大，能量利用率不高，而混合冷劑能提供溫度連續(xù)的冷量，與物料的冷凝曲線更好的匹配，減小了平均換熱溫差，提高了能量利用效率[1]。

夾點技術是一項非常成熟的節(jié)能改造工具，用于換熱網絡的分析與改造時非常切實可行，但是對于以分析和優(yōu)化包括壓縮機或者透平機等的系統(tǒng)時則顯不足。另一方面，?分析可以從能量利用的質進行評價分析，幫助找到整個系統(tǒng)中用能不合理之處以及節(jié)能潛力最大之處，且可以分析各種用能過程。因此?分析對制冷系統(tǒng)進行評估是一個很有力的工具。相比于夾點技術，?分析雖然可以給出改進方向，卻不能給出清楚明確的改造方案。對于即含有換熱過程，又含有壓縮機或者透平機做功過程的一類裝置，將夾點技術與?分析結合起來，既能找出熱力學不合理之處，又能給出改造指導。

LINNHOFF和DHOLE[2]基于夾點技術引入了?復合曲線（ECC）、?總復合曲線（EGCC）等概念，將夾點分析與?分析結合起來。許多學者均使用這種方法對此類過程進行分析改造。KAUSHIK 等[3]對一個火電廠進行了能量分析與?分析的對比，闡明了火電廠節(jié)能改造的方向。HACKL等[4]對一個化工區(qū)域進行全局的能量與?分析，通過降低?損失，減少了公用工程，降低了制冷壓縮機的功耗。MARéCHAL等[5]使用夾點與?分析結合的方法對一個能量轉換系統(tǒng)的集成進行了優(yōu)化。GHORBANI等[6]使用了夾點分析與?分析結合的方法對LNG回收裝置的制冷循環(huán)進行模擬優(yōu)化。ASPELUND等[7]使用擴展的夾點分析設計（ExPAnD）與?計算分析相結合，通過使用過程物流的壓縮與膨脹過程生產出過程所需的冷卻公用工程，可以降低低溫系統(tǒng)的能耗。RAEI[8]結合夾點技術與?分析對復疊制冷系統(tǒng)進行分析，通過優(yōu)化配置不同的冷劑等級減少?損失，降低制冷壓縮機功耗。ATAEI[9]結合夾點與?分析對烯烴裝置復疊制冷進行了分析，通過冷卻公用工程的配置，減少系統(tǒng)?損失，降低了壓縮機功耗。此外還有其他一些學者使用這種分析方法對一些制冷裝置進行能量與?的計算與分析，但文獻主要集中在LNG制冷[10-11]與復疊制冷[12-13]。對于乙烯裝置使用三元制冷技術的直到2004年才實現(xiàn)工業(yè)首次應用，實際生產應用中也產生很多設計，操作問題[14-15]。對乙烯裝置三元制冷系統(tǒng)的分析與優(yōu)化，更由于缺少實際數(shù)據，此類文獻極少。

乙烯裝置自身深冷分離系統(tǒng)已經很復雜，將三元制冷應用于乙烯裝置對其進行嚴格的模擬計算已經很難使流程收斂，若調整過程參數(shù)進行模擬優(yōu)化就更加困難，本文僅對某套乙烯裝置深冷分離與三元制冷系統(tǒng)進行模擬，使用夾點與?分析結合的方法，找出過程的?損失較大及可以改進之處。FENG 等[16]指出傳統(tǒng)的?分析雖然能夠提供裝置節(jié)能潛力的信息，但不能夠指出這些節(jié)能潛力是不是在設備工藝或者經濟性方面具有可行性。因此將?損失分為可以避免的損失和不可避免的損失，并且定義了計算方法，指出節(jié)能改造應減少可避免的?損失。FENG[17]、DURMAYAZ[18]等對火電廠的不同類型的?損失進行了分析。本文在對乙烯三元制冷?分析的基礎上，對?損失的進行區(qū)別分析，分別計算出系統(tǒng)的可避免?損和不可避免?損，找出節(jié)能潛力的切實可行之處。

1 流程簡介

三元制冷系統(tǒng)給該裝置的分離部分提供所有冷量，工藝過程如圖1所示。冷劑為甲烷、乙烯和丙烯的混合物，帶有少量氫氣（摩爾分數(shù)少于0.2%）。三元冷劑系統(tǒng)是一個密閉循環(huán)系統(tǒng)。?37℃、0.111MPa的混合冷劑從三元致冷壓縮機一段吸入，?6℃、0.628MPa的混合冷劑從二段吸入，從二段排出的冷劑經過段間冷卻后與一部分降壓蒸發(fā)汽化后的重冷劑混合進入三段吸入罐。三段吸入罐的物料一部分進入壓縮機三段繼續(xù)壓縮，另一部分回收分離過程工藝物流冷量后進入重三元2#冷劑累積罐進行氣液分離。2#冷劑累積罐的液相通過回收乙烷產品冷量進一步冷卻，然后與來自冷箱過冷來的冷劑匯合為乙烯精餾塔提供冷量，冷劑降壓蒸發(fā)汽化進入一段吸入罐；氣相與另一股過冷冷劑匯合冷凝低壓脫丙烷塔頂物流，然后進入二段吸入罐。壓縮機三段排出的冷劑首先用循環(huán)冷卻水冷卻，進入1#冷劑累積器中進行氣液分離，液相一部分為甲烷化反應器出料，堿洗塔塔頂裂解氣等提供冷量，汽化后進入三段吸入罐；另一部分回收外送乙烯冷量后為裝置提供冷箱部分提供更低溫度的冷量；VB-465頂出來的氣相冷劑進入冷箱被冷卻，由其自身、氫氣和甲烷尾氣來進一步過冷至?126.6℃為裝置提供溫度最低等級冷量，汽化后進入一段吸入罐。

該乙烯裝置采用前脫丙烷前加氫工藝，C4組分不進入深冷分離系統(tǒng)，能夠降低分離所需冷量。裂解氣經裂解氣壓縮機一至四段的壓縮后，進入高壓脫丙烷塔，塔頂分離出部分C3組分和全部C2組分以下的輕組分，經加熱后進入C2加氫系統(tǒng)脫除全部的乙炔及大部分的丙炔丙二烯混合物（MAPD），送入前冷脫甲烷系統(tǒng)；高壓脫丙烷塔塔釜物料進入低壓脫丙烷塔分離，C3組分在低壓脫丙烷塔塔頂被分離出來作為高低壓脫丙烷塔的回流，塔釜分離出C4以上重組分送往脫丁烷塔進行分離，脫丁烷塔頂分離出碳四產品，塔釡分離出粗裂解汽油。在前冷脫甲烷系統(tǒng)，深冷分離出來的粗氫和甲烷，脫甲烷塔塔釜的C2組分送往脫乙烷塔。在脫乙烷塔，塔頂分離出C2組分送入乙烯精餾塔，分離出乙烯和乙烷產品，塔釡分離出C3組分進入C3加氫系統(tǒng)進行加氫脫除MAPD，再進入丙烯精餾系統(tǒng)，丙烯精餾系統(tǒng)分離出聚合級丙烯產品和丙烷產品。乙烯裝置分離工藝流程如圖2所示。

?被定義為一個系統(tǒng)達到環(huán)境溫度參考態(tài)時所能對外做的最大有用功，一條物流的?包括物理?、動能?、勢能?、化學?四部分組成。在一個換熱系統(tǒng)中，動能?、勢能?變化很小可以忽略，又因為系統(tǒng)沒有化學反應，所以其化學?也可以忽略，只需考慮物理?。?的可以通過式(1)計算。

圖1 三元制冷工藝流程簡圖

式中，H、S代表物流在溫度T時的焓值（kW）與熵值（kW/K）；T0為環(huán)境溫度，K；T為物流溫度，K；H0、S0代表物流在環(huán)境狀態(tài)下的焓值（kW）與熵值（kW/K）。對于一個過程從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，其?變化可以用式(2)計算。

圖2 乙烯裝置分流流程簡圖

在換熱網絡中，物流的?可以用式(3)計算。

式(4)中，ηC為卡諾因子，復合曲線（CC）和總復合曲線（GCC）圖基于卡諾因子而被轉變成擴充復合曲線（ECC）、擴充總復合曲線（EGCC）圖，從圖上可以非常直觀地得到過程的?損失。

提取分離過程工藝物流共29股，作出工藝物流EGCC曲線；再提取冷卻公用工程數(shù)據，冷卻公用工程包括兩部分，一部分是循環(huán)水，一部分為冷劑，并將循環(huán)水、冷劑EGCC曲線與物流EGCC曲線相互匹配，結果如圖3。

從圖3中可以看出，冷劑配置相當合理，在40℃以上物流配置了循環(huán)水冷卻?？诖鼉任锪髋渲昧撕侠淼睦鋭诖淞窟M行回收利用；在水平線部分冷劑配置與工藝物流線溫差合理且基本恒定；?60℃以下部分，冷劑配置曲線依然與工藝物流曲線非常接近。從EGCC圖上可以總結出，此套乙烯裝置的冷劑配置合理，完全體現(xiàn)出了三元冷劑相比復疊制冷的優(yōu)勢，降低了換熱網絡的平均溫差，減小了?損失。圖中顯示了換熱網絡的?損失，但完整的制冷系統(tǒng)，應包含換熱器、壓縮機、節(jié)流閥、閃蒸罐4個重要部分，因此可以通過使用Aspen模擬計算分析其他部分的?損失。

圖3 工藝物流與冷劑配置EGCC

FENG等[16]指出傳統(tǒng)的?分析雖然能夠提供裝置節(jié)能潛力的信息，但不能夠指出這些節(jié)能潛力是不是在設備工藝或者經濟性方面具有可行性。因此將?損失分為可以避免的損失和不可避免的損失，并且定義了計算方法，指出節(jié)能改造應減少可避免的?損失。FENG[17]、DURMAYAZ[18]等對火電廠的不同類型的?損失進行了分析，如下定義了系統(tǒng)過程中一些設備的不可避免的?損失，見式(5)～式(8)。

2.2.1 壓縮機

式中，INE為不可避免?損失，kW；T0代表環(huán)境溫度，K；ΔSmin代表目前技術性經濟性可行的條件下，壓縮機最大效率ηCmax時被壓縮物流產生的熵增，kW/K。本文使用壓縮機ηCmax為0.9時[16]計算出了壓縮機三段的?損失和不可避免的?損失如表1。

表1 壓縮機損失

表1 壓縮機損失

壓縮機 總?損失/kW 不可避免?損失/kW 可避免?損失/kW一段 　4060.3 　3304.5 　755.8二段 　2200.6 　1752.4 　448.2三段 　4274.3 　3340.5 　933.8

從所得數(shù)據看出，壓縮機一段和三段?損失相比于二段比較高，原因在于壓縮比較大，壓縮物流流量大?？?損失10535 kW，但受限于壓縮機的等熵效率的提高，其可避免的?損失僅為2137.8kW。

2.2.2 換熱器

式中，Q代表換熱器熱負荷，kW；THM代表熱物流的熱力學平均溫度，K；TCM代表冷物流的熱力學平均溫度，k；n代表流率，kg/s；P代表壓力，Pa；δP代表壓降，Pa；下角標C、H分別代表冷熱物流[19]。換熱器包括雙股對流換熱器和冷箱兩種，在冷箱中會有多達8股以上物流相互換熱，冷流熱流進出口溫度基本一致，由于冷劑溫度越低其價值越高，溫度較低的物流換熱溫差應該較小，因此在設定最小換熱溫差計算不可避免?損失時，可以分段設定，?50℃以上溫度區(qū)間取ΔTmin=10℃；?50～?100℃溫度區(qū)間取ΔTmin=5℃；?100℃以下溫度區(qū)間取ΔTmin=3℃；同時因為換熱器壓降基本在10kPa左右，相比于物流壓力非常小，在計算過程中為簡化忽略壓降δP。計算結果如表2所示。

從計算結果可以看出，各種類型換熱設備的?總損失是最高的，達到11362kW，可避免的?損失約為6730kW。需要指出的是，循環(huán)水冷卻器用于冷卻壓縮機出口冷劑，雖然僅有兩臺，但?損失占據很大比例，由于冷劑出口熱量低無法被回收利用，故采用循環(huán)水取走，循環(huán)水冷卻器節(jié)能潛力不大。物流換熱器為冷劑與工藝物流對流傳熱，換熱器14臺，冷箱共7組，每組冷箱中物流流股數(shù)目3～9股不等，對于這兩種換熱設備，可以通過降低傳熱溫差來減小?損失。

表2 換熱器損失

表2 換熱器損失

換熱器 　總?損失/kW不可避免?損失/kW 可避免?損失/kW循環(huán)水冷卻器　3325 　1506.4 　1818.6物流換熱器 　3811.7 　1388.1 　2423.6冷箱 　4225.7 　1737.8 　2487.9

2.2.3 節(jié)流閥

式中，ΔSmin代表目前技術性、經濟性可行的條件下物流過節(jié)流閥產生的最小熵增，kW/K。節(jié)流是高度不可逆過程，理論上可采用膨脹過程替代。膨脹過程中，冷劑溫度降低更低，并且可以回收有用功；膨脹機膨脹產生的熵增介于理想等熵膨脹和等焓節(jié)流之間，有文獻[20-21]指出，螺桿膨脹機的效率可以達到84%，因此取膨脹機等熵效率為80%計算不可避免?損失，計算結果如表3所示。

從計算結果可以看出，節(jié)流閥總的?損失比較少，約為1684kW，其中可避免的?損失為1143kW，個別節(jié)流閥損失比較?。ㄈ鏥1、V7等可避免?損小于100kW的節(jié)流閥）改用膨脹機經濟性較差。

2.2.4 閃蒸罐

表3 節(jié)流閥損失

表3 節(jié)流閥損失

節(jié)流閥　總?損失/kW　不可避免?損失/kW 可避免?損失/kW V1 　9.3 　2.8 　6.5 V2 　200.5 　48.5 　152.0 V3 　195.9 　47.4 　148.5 V4 　217.0 　54.4 　162.6 V5 　202.6 　65.1 　137.5 V6 　66.0 　248.4 　377.6 V7 　31.2 　5.6 　25.6 V8 　131.8 　45.6 　86.2 V9 　64.1 　21.7 　42.4 V10 　5.8 　1.4 　4.4

式中，ΔSmin代表目前技術性經濟性可行的條件下，物流過閃蒸罐產生的最小熵增，kW/K。在該裝置中，閃蒸罐為絕熱閃蒸，進出口壓力非常接近，閃蒸過程只起到了氣液分離作用，?損失極少，且在工業(yè)過程中沒有替代設備可以既回收閃蒸過程有用功又可以提供氣液分離空間的取代設備，因此認為閃蒸過程中?損失均是不可避免的損失，計算結果如表4所示。

表4 閃蒸罐?損失分布

2.3 節(jié)能可行性分析

圖4 三元制冷裝置?損失分類

通過計算得出結果如圖4所示，三元制冷系統(tǒng)的?損失總計為24238.1kW，其中不可避免的?損失為13539.9kW，節(jié)能潛力為10698.2kW。主要損失集中在壓縮機和換熱器兩部分，合計占總體?損失的90%，且主要的節(jié)能潛力集中在這兩部分，壓縮機受限于壓縮效率節(jié)能潛力為2137.8kW，約占壓縮機總?損失的20%。本文案例中，壓縮機效率為0.7，目前工業(yè)中壓縮機的效率可達0.85左右，目前很多企業(yè)在設備選型過程中通常按照120%負荷進行選型，實際生產過程中運行負荷長期在80%左右，因此很多乙烯裝置的壓縮機效率甚至低于0.7，優(yōu)選壓縮機，使其在高效區(qū)運行，可以提高壓縮效率，降低?損失，工業(yè)上是切實可行的。換熱器受限于換熱溫差節(jié)能潛力6730.1kW，本文案例中，換熱器平均溫差均在10℃左右，若按梯度減小換熱溫差是最小換熱溫差在3～5℃，可以達到相應的節(jié)能目標。由于減小傳熱溫差會增加換熱面積，使設備造價增加，不同溫位范圍，需設置合理的換熱溫差。冷箱設計制造已經達到最小換熱溫差3℃，個別冷箱設計最小溫差會達到1.5℃，由此可見降低平均換熱溫差以減少?損失是切實可行的。閃蒸罐和節(jié)流閥節(jié)能潛力均較小。液體膨脹機制冷已經被應用于空分、天然氣液化等裝置，乙烯裝置中也有使用尾氣膨脹機制冷的工業(yè)案例[22]，節(jié)能效果比較明顯。

3 結 論

本文分析了對乙烯裝置的三元制冷系統(tǒng)進行?分析，從EGCC圖上分析得出了乙烯裝置冷劑配置是非常合理的，?損失較小。通過計算得出裝置?損失主要集中在壓縮機和換熱器兩部分，約占整體損失的90%。并使用可避免?損失和不可避免?損失的概念，將?損失分為兩類，分別計算了每一類設備的兩種?損失，更準確地找出了節(jié)能改造的潛力之處，指出對壓縮機可以通過提高設備的等熵壓縮效率，換熱器可以通過合理的物流匹配降低傳熱溫差，節(jié)流閥可以使用膨脹機取代等方式降低整個三元制冷系統(tǒng)的?損失，降低能耗。

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研究開發(fā)

Exergy analysis of a ternary refrigeration system

ZHANG Xiaofeng，F(xiàn)ENG Xiao
（Institute of New Energy，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China）

Abstract：The separation process of an ethylene plant should be operated at low temperature. Therefore，a compression refrigeration system is needed to provide refrigerant. A ternary refrigeration system can provide a continuous cooling curve matching very well with the process stream cooling curve，and has higher thermodynamic efficiency，lower energy consumption than a cascaded refrigerant system. In order to analyze the energy saving potential of a ternary refrigeration system，in this paper，the ternary refrigerant system in a certain ethylene plant was analyzed by exergy analysis. From the exergy grand composite curve（EGCC），it could be found that the refrigerant configuration of the ternary refrigeration system was reasonable and the total exergy loss was small. The system is classified into four sub-systems：heat exchanger，compressor，throttle valve and flash drum sub-systems. The results of exergy losses show that the total exergy loss of the ternary refrigeration system is 24238.1kW，about 90% of which concentrates on the heat exchanger and compressor sub-systems. Furthermore，the exergy losses are divided into avoidable and inevitable exergy losses，in which the total inevitable exergy loss is 13539.9kW，and the total avoidable exergy loss is 10698.2kW. The work for energy conservation should focus on reducing the avoidable exergy loss.

Key words：systems engineering；exergy；optimal design；pinch；ethylene；ternary refrigerating system

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2012CB720500）。

收稿日期：2015-08-31；修稿日期：2015-09-11。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.014

中圖分類號：TQ 021.8

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）02–0432–07