王子健，，車景華，宋昭崢，柳敬娟，姜冠倫，楊川京

（1.中國(guó)石油大學(xué)理學(xué)院，北京 102249；2.中石化節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司，北京 100013）

換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化從單臺(tái)設(shè)備的優(yōu)化發(fā)展到整個(gè)系統(tǒng)的集成優(yōu)化[1]，一直以來(lái)是學(xué)者們廣泛研究的重要課題。換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化具有多維、非凸以及不連續(xù)性等特點(diǎn)[2]，目前應(yīng)用最廣泛的是Linnhoff等[3]提出的夾點(diǎn)分析法，該方法遵循兩個(gè)核心原則：1）換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化首要目標(biāo)是增加系統(tǒng)內(nèi)熱量回收，最大限度降低公用工程消耗；2）在公用工程消耗相同的前提下，最大限度減少設(shè)備臺(tái)數(shù)和換熱面積。上述兩個(gè)原則指明了換熱網(wǎng)絡(luò)整體優(yōu)化的研究方向，不會(huì)因?yàn)閾Q熱網(wǎng)絡(luò)不節(jié)能而直接通過(guò)增加設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)一時(shí)的效果，而且還給出了網(wǎng)絡(luò)綜合的極限值，即在物流一定時(shí)的極限公用工程消耗量和最少設(shè)備數(shù)。夾點(diǎn)物流匹配需要符合以下兩條可行性原則：a）夾點(diǎn)上方不應(yīng)引入冷工程，夾點(diǎn)下方不應(yīng)引入熱工程；b）夾點(diǎn)上方熱物流不應(yīng)給夾點(diǎn)下方冷物流加熱。另外還有兩條經(jīng)驗(yàn)可借鑒：①熱負(fù)荷較小者應(yīng)經(jīng)一次匹配直接達(dá)到目標(biāo)終溫以保證設(shè)備和投資最小化；②換熱的兩物流熱容流率相近以保證有效能的損失達(dá)到最小值[4]。

Aspen Energy Analysis模塊（簡(jiǎn)稱AEA）主要應(yīng)用于換熱網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化，并著重從運(yùn)營(yíng)和設(shè)計(jì)兩方面考慮。對(duì)于現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，調(diào)整換熱器負(fù)荷和物流分流比相對(duì)于調(diào)整換熱流程更易實(shí)現(xiàn)。文章采用Aspen Plus流程模擬軟件對(duì)原換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全流程模擬，并借助AEA模塊確定了最優(yōu)的夾點(diǎn)溫差下的夾點(diǎn)溫度。在換熱網(wǎng)絡(luò)流程不變的基礎(chǔ)上，以年度總成本為優(yōu)化目標(biāo)，換熱器熱負(fù)荷和物流分流比為優(yōu)化變量確定了新的換熱工況，為企業(yè)進(jìn)行相關(guān)設(shè)備優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 原換熱網(wǎng)絡(luò)分析

1.1 換熱網(wǎng)絡(luò)流程及模擬

以某煉化企業(yè)3#常減壓裝置為例，首先根據(jù)煉化企業(yè)提供的技術(shù)資料及調(diào)研信息，采用Aspen Plus流程模擬軟件進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)全流程模擬，模擬過(guò)程采用適用于低壓體系的BK-10方程。熱物流換熱前后溫度由企業(yè)提供，由于化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)存在一定差異，冷物流換熱始末溫度存在5℃以內(nèi)的誤差，可認(rèn)為與實(shí)際工況基本相符，具體工藝流程節(jié)點(diǎn)溫度如圖1~3所示。

圖1 脫前原油優(yōu)化前換熱節(jié)點(diǎn)溫度

圖2 脫后原油優(yōu)化前換熱節(jié)點(diǎn)溫度

圖3 初底油優(yōu)化前換熱節(jié)點(diǎn)溫度

1.2 夾點(diǎn)的確定及換熱網(wǎng)絡(luò)分析

將Aspen Plus模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)入到AEA分析模塊中，在方案的主頁(yè)面調(diào)整夾點(diǎn)溫差。計(jì)算面積指標(biāo)采用程序默認(rèn)的“Bath Formula”，該公式假設(shè)冷熱物流只存在逆流熱交換，復(fù)合曲線中只有冷熱物流間發(fā)生“垂直”傳熱，換熱器匹配只能出現(xiàn)在負(fù)荷曲線上相同焓的區(qū)間內(nèi)。公用工程負(fù)荷分配方法是基于GCC的方法，最大限度地利用最便宜的公用設(shè)施，即假設(shè)最便宜的公用設(shè)施是最熱的冷公用設(shè)施和最冷的熱工用設(shè)施?；谝陨戏治觯瑢?duì)5~50℃步長(zhǎng)為5℃的原換熱網(wǎng)絡(luò)不同夾點(diǎn)溫差下的各項(xiàng)參數(shù)分析如圖4所示。其中收益率設(shè)為10%，設(shè)備使用年限設(shè)為15年，年開(kāi)工時(shí)設(shè)為8 400小時(shí)，換熱設(shè)備及公用工程投資估算等均采用軟件默認(rèn)參數(shù)。

由圖4和圖5可知，隨著夾點(diǎn)溫差的增加，設(shè)備費(fèi)用逐漸降低，公用工程費(fèi)用逐漸升高，總費(fèi)用逐漸升高，冷熱工程用量逐漸升高。考慮到夾點(diǎn)溫差為5℃設(shè)備費(fèi)用較高，因此可將夾點(diǎn)溫差選為10℃，此時(shí)夾點(diǎn)分析與總負(fù)荷曲線如圖6和7所示。

圖4 不同夾點(diǎn)溫差下費(fèi)用分析

圖5 不同夾點(diǎn)溫差下冷熱工程量分析

圖6 換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析

圖7 總負(fù)荷曲線分析

根據(jù)圖6和圖7可知，原換熱網(wǎng)絡(luò)熱耦合情況較為良好，當(dāng)夾點(diǎn)溫差為10℃時(shí)，夾點(diǎn)溫度為247.9℃/237.9℃；理論最小熱工程為114.0 GJ/h，最小冷工程為4.78 GJ/h；實(shí)際熱工程為156.7 GJ/h，實(shí)際冷工程為47.46 GJ/h；換熱器E114AB、E117、E121以及E125AB存在跨夾點(diǎn)換熱情況。綜上所述，原換熱網(wǎng)絡(luò)存在優(yōu)化的潛力。

2 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化前后各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比

AEA自動(dòng)優(yōu)化模塊可選擇年度總成本和總換熱面積兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化變量可選擇換熱器負(fù)荷和物流分流比或二者其一。該文在不改變?cè)瓝Q熱流程的基礎(chǔ)上，采用AEA模塊默認(rèn)的計(jì)算公式，以年度總成本為優(yōu)化目標(biāo)，換熱器負(fù)荷及物流分流比作為變量進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化前后各換熱器及總換熱網(wǎng)絡(luò)對(duì)比分析如圖8、9和表1所示。

表1 優(yōu)化前后各參數(shù)對(duì)比

圖8 優(yōu)化前后換熱器溫差對(duì)比分析

圖9 優(yōu)化前后換熱器面積對(duì)比分析

由圖8、9和表1可知，優(yōu)化后換熱器E104大溫差換熱情況得到改善，由105.9℃降低到84℃，與此同時(shí)E104和E119AB換熱器經(jīng)過(guò)優(yōu)化后基本停開(kāi)。熱工程減少量為10.6 GJ/h、冷工程減少量為10.6 GJ/h，而且將跨夾點(diǎn)換熱量從42.7 GJ/h降低到32.1 GJ/h。E105、E113、E114AB、E116AB、E126AB以及E126CD換熱器優(yōu)化后理論換熱面積超過(guò)了規(guī)程中換熱器設(shè)計(jì)面積，需要對(duì)這幾臺(tái)換熱器進(jìn)行更換。經(jīng)計(jì)算，新增換熱器投資為106.2萬(wàn)美元，年效益增加48.6萬(wàn)美元/年，回收期約為2.2年，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡(luò)流程

經(jīng)過(guò)AEA優(yōu)化模塊調(diào)整后，優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)溫度如圖10~12所示。

圖10 脫前原油優(yōu)化后換熱節(jié)點(diǎn)溫度

圖11 脫后原油優(yōu)化后換熱節(jié)點(diǎn)溫度

圖12 初底油優(yōu)化后換熱節(jié)點(diǎn)溫度

3 結(jié)論

借助Aspen流程模擬軟件及其相關(guān)組件對(duì)某煉化企業(yè)3#常減壓裝置進(jìn)行模擬、分析及優(yōu)化得到以下結(jié)論。

1）該裝置換熱網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)夾點(diǎn)溫差為10℃，夾點(diǎn)溫度247.9℃/237.9℃；理論最小熱工程為114.0 GJ/h，最小冷工程為4.78 GJ/h；實(shí)際熱工程為156.7 GJ/h，冷工程為47.46 GJ/h，并且E114AB、E117、E121以及E125AB存在跨夾點(diǎn)換熱情況，存在優(yōu)化潛力。

2）以年度總成本為優(yōu)化目標(biāo)，換熱器負(fù)荷及物流分流比作為變量進(jìn)行優(yōu)化，不僅可以減小熱工程用量10.6 GJ/h和冷工程用量10.6 GJ/h，而且將跨夾點(diǎn)換熱量從42.7 GJ/h降低到32.1 GJ/h。與此同時(shí)，E104和E119AB通過(guò)優(yōu)化后可基本停開(kāi)，節(jié)省了換熱所需空間。

3）在原換熱網(wǎng)絡(luò)流程不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，避免了換熱流程的大規(guī)模調(diào)整，更適用于正在運(yùn)行的常減壓裝置。

4）經(jīng)濟(jì)核算采用了AEA模塊默認(rèn)計(jì)算公式及部分默認(rèn)參數(shù)存在一定局限性，企業(yè)可在經(jīng)濟(jì)性（Econmics）操作界面，調(diào)整諸如換熱器價(jià)格計(jì)算常數(shù)、年收益率、設(shè)備使用年限以及年開(kāi)工時(shí)等參數(shù)以更加符合實(shí)際工況。

當(dāng)今冷換設(shè)備的發(fā)展日新月異，已成熟應(yīng)用于石油化工行業(yè)的諸如高通量管殼式換熱器、全焊接板式換熱器等新式換熱器，具有在原有體積上擁有更大的換熱面積、換熱的冷熱端溫差更小等優(yōu)點(diǎn)，可在原有換熱基礎(chǔ)上減少公用工程消耗且增加換熱量。這些冷換設(shè)備的發(fā)展方向與AEA自動(dòng)優(yōu)化模塊對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方向相契合，使換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化更易實(shí)現(xiàn)工程化。