基于ASPENPLUS和窄点技术的常减压换热网络优化
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2调整管壳程走向不合理的换热器以不增加换热网络总面积为前提经软件模拟找出原油脱盐前常压一线两台换热器e1011e1019和减压二线两台换热器e1006e1007的管壳程物料走向不合理总传热系数低导致换热器效率低
技改与创新 化工自动化及仪表 , 2009, 36 (1) : 94～96 Control and Instruments in Chem ical Ind ust ry
1 引 言 在化工企业能源利用中 ,换热网络是能量回收
利用的重要子系统 [1 ] 。换热网络就是将生产过程中 需冷却和加热的物流通过换热器进行匹配 ,形成交 换网络 ,实现能源的回收利用 ,减少外部提供的公用 工程量 [2 ] 。在换热网络中 , 最小传热温差 ( ΔTm in ) 决定最大的热量回收和最少的冷 、热公用工程 。用
基于 ASPEN PL US和窄点技术 的常减压换热网络优化
姜 猛 ,杨基和 ,孙俊涛 ,王丽涛 ,薛 白
(江苏工业学院 化学化工学院 ,江苏 常州 213164)
摘要 : 利用 ASPEN PLUS软件 ,模拟 5. 0 ×104 t/ a中东原油常减压蒸馏装置的换热网络工况 ,采用窄点技 术对其进行优化改造 。结果表明 :优化原油分流股数 ,降低冷公用工程量 ;换热器合理匹配 ,提高利用效率 ; ΔTmin 为 15 ℃,热端温度 240 ℃,冷端温度 225 ℃;最小冷 、热公用工程量分别为 22 765. 73 kW 和 45 304. 28 kW ;原油换 后终温为 298 ℃,换热面积为 16 935 m2 ,比原装置的换后终温提高 19 ℃,换热面积减少 3 967 m2。 关键词 : 常减压装置 ;换热网络 ; ASPEN PLUS模拟 ;窄点技术 ;优化 中图分类号 : TQ013 文献标识码 : B 文章编号 : 100023932 (2009) 0120094203
10
240 230 44 751. 46 21 879. 47
5
240 235 44 294. 72 17 789. 48
图 1 ΔTm in 与费用关系
由图 1可知 ,公用工程费用随 ΔTm in 的增加而直 线增加 ,设备费先随 ΔTm in 上升而快速下降 ,当 ΔTm in 继续增加时 ,设备费用反而上升 ,这是由于设备费用 是操作费和投资费合成的 ; 作为公用工程与设备费 用的总 费 用 , 是 一 条 上 凹 曲 线 , 存 在 一 个 最 佳 的 ΔTm in ,使总费用最小 [5 ] 。因此在一定温度范围内 , 计算多个窄点位置 ,权衡利弊 ,从中选出最合理的传 热温差 ,进而确定窄点位置及相应公用工程量 。为
3. 3. 2 热端合成 如图 3,由于中东原油轻油含量高 ,在初馏塔设
置两侧线 ,要求进初馏塔原油温度为 248 ℃。因此 , 在热端有 C2 (脱盐油 ,从 225 ℃→248 ℃)和 C3 (初 底油 ,从 243 ℃→常压炉 )两股冷流的匹配 。C2 处 均为窄点换热器 ,应符合 N h ≤ N c原则 。因 N h为 9, N c为 2 ,不符合窄点设计规则 。C2 应分流 9 股以 上 ,但冷端 C2 为 8 股 , 考虑工程可操作性 , 将热端 C2也分为 8 股 。C3 流股大部分为非窄点换热器 , 可以不遵循窄点匹配原则 ,同时 C2 已匹配 ,提供给 C3的热量基本是定值 ,无论怎样分流都不影响换后 终温 ,为减少管线施工安装的难度 ,将 C3分为四股 , 最后得出换后终温为 298 ℃。
参考文献 :
[ 1 ] 钟森田. 石油化工生产过程控制系统设计及实施 [ J ]. 化工
自动化及仪表 , 2000, 27 (4) : 13 - 17.
[ 2 ] 孙垂丽 ,陆 帧 ,徐博文. 基于过程模拟的常压蒸馏装置在 线能量优化 [ J ]. 化工自动化及仪表 , 2001, 28 (4) : 22 - 25.
经原油电脱盐后的换热段 ,新增两台换热器 ,用
于提高高温热源的利用率 ,同时使渣油出口温度由 172 ℃降至 150 ℃。优化常压塔中段取热比例 ,可使 回流负荷增加 [4 ] ,为此增设一台换热器 ,以减少跨越 窄点的操作 。 3. 1. 2 调整管 、壳程走向不合理的换热器
以不增加换热网络总面积为前提 ,经软件模拟 , 找出 原 油 脱 盐 前 常 压 一 线 两 台 换 热 器 ( E1011, E1019)和减压二线两台换热器 ( E1006, E1007 ) 的 管 、壳程物料走向不合理 ,总传热系数低 ,导致换热 器效率低 。对这四台换热器的管 、壳程物料走向分 别进行调整 ,将管 、壳程物料走向对调 ,结果见表 1。
[ 6 ] 陈敏恒 ,丛徳滋 ,方图南 ,等. 化工原理 [M ]. 北京 :化学工业 出版社 , 2003: 302 - 313.
精编细选 一心只为读者 博采众揽 全意服务社会
图 2 冷端合成 注 :每一物流所在横线上方及两端数字为温度 , ℃;下方数字为该换热单元热负荷 , kW
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化 工 自 动 化 及 仪 表 第 36卷
如图 2,在冷端 ,冷流有 C1 (原油 ) 和 C2 (脱盐 油 )两股 ,热流 19股 ,符合 N h﹥ N c (热流股数大于 冷流股数 )及 CpFh > CpFc (热端热熔流率大于冷 端热熔流率 )的条件 。但增加原油分流股数 ,可提高 低温位热量利用率 ,降低冷公用工程量 。在可操作 范围内 ,将 C1、C2 分为四股 、六股和八股分别进行 冷端 合 成 , 冷 公 用 工 程 量 分 别 为 26 871. 35 kW , 24 394. 61 kW和 22 765. 73 kW ,所以 , 在冷端 C1 和 C2均采用八股分流 。
图 3 热端合成
4 结 论 利用 ASPEN PLUS软件模拟原换热网络工况 ,
找出网络不足和欠缺之处 ; 窄点问题表确定最优传 热温差 ΔTm in 为 15 ℃;冷端合成时 ,原油分流股数为 8,低温热量利用率提高 ,冷公用工程量降低 ;热端分 段合成 ,满足了中东油轻油深拔要求 ,得出换后终温 为 298 ℃,比原装置在同等条件下提高 19 ℃。
调整后 42. 53 240. 85 159. 59 30. 15 2. 40
调整前 978. 21 32. 05 E1011
调整后 785. 21 144. 91
28. 07 156. 45 0. 56 112. 45 35. 78 0. 89
调整前 896. 56 45. 31 E1019
调整后 698. 21 156. 23
[ 3 ] 尹清华. 换热网络的最优合成及其结构调优研究 [ J ]. 华南 理工大学学报 , 1992, 12 (3) : 27 - 28.
[ 4 ] 张俊峰 ,罗雄麟. 换热网络设计方法的研究进展 [ J ]. 化工 进展 , 2007, 24 ( 6) : 27 - 31.
[ 5 ] 杨基和 ,蒋培华. 化工工程设计概论 [M ]. 北京 :中国石化出 版社 , 2005: 78 - 79.
表 2 不同 ΔTm in时窄点位置及冷 、热公用工程量
ΔTmin / ℃
窄点温度 / ℃ 热端 冷端
热公用工 程量 / kW
冷公用工 程量 / kW
25
240 215 48 926. 52 28 756. 71
20
240 220 47 682. 71 26 244. 03
15
240 225 45 304. 28 22 765. 73
35. 01 174. 23 0. 78 134. 21 45. 89 0. 95
由表 1 可知 ,调整后四台换热器的总传热系数 由 266. 52 W / ℃增加到 604. 73 W / ℃,压降减小 ,说 明换热器的换热效果有所改善 。原油脱盐前温度达
3收稿日期 : 2009201209 (修改稿 )
表 1 换热器调整前后工况
项目
传热系数 /W ·℃- 1
压降 / kPa
管程
壳程
总传热 系数
管程
壳程
调整前 829. 60 62. 75 E1006
调整后 737. 73 293. 81
56. 92 55. 81 4. 12 198. 48 55. 81 3. 51
调整前 742. 38 182. 599 146. 52 3. 45 21. 33 E1007
在换热网络中 , ΔTm in 是有待优化的决策变量 , ΔTm in 与费用关系如图 1所示 。
确定最适宜的 ΔTm in ,根据经验选取五个 ΔTm in 值作 为计算基准 ,从中得出最优的 ΔTm in 。这五个初值 是 : 25 ℃、20 ℃、15 ℃、10 ℃和 5 ℃。分别做出窄点 问题表 ,将五个不同的窄点位置和冷 、热公用工程量 进行对比 ,其对比结果如表 2所示 。
标 ,以设备利旧率高 、改动量小 、总投资省为原则 ,对 装置进行改造 [3 ] 。同时 ,根据换热过程有效能量利
3
用原理 ,尽量多次利用高温热源 ,减少能量损失 。 3 具体实施
首先利用 ASPEN PLUS软件 ,对已有换热网络 进行模拟 ,找出问题 :由于原油性质变化 ,使原换热 器匹配不合理 ,并存在跨越夹点操作 ,因此造成装置 能耗高 、热源利用率降低 。然后运用窄点技术 ,在一 定温度范围内 ,计算多个窄点位置 ,权衡利弊 ,从中 确定最小传热温差 ΔTm in 。最后依据窄点问题表 ,合 成最优换热网络图 。 3. 1 调整换热网络 3. 1. 1 增加渣油换热流程
第 1期 姜 猛等. 基于 ASPEN PLUS和窄点技术的常减压换热网络优化
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到 135 ℃,较调整前提高 8 ℃;原油脱盐后温度达到 248 ℃,较调整前提高 18 ℃; 换热终温达到 298 ℃, 较调整前提高 19 ℃;常压一线和减压二线出口温度 分别由 86 ℃降至 78 ℃,由 97 ℃降至 90 ℃。 3. 2 确定窄点位置
从表 2可知 :当 ΔTmin 值减小时 ,窄点处冷端的温 度上升 ,但热端温度相同 ,则原油换后终温上升 ;同时 , 冷、热公用工程量也随 ΔTmin 值减小而减小 ;另外由传 热学原理 A = Q / ( K·ΔT) 可知 , ΔTmin 越小 ,换热面积
越大 ,设备费增加 [6]。综合考虑操作费用、设备费用和 公用工程费用 ,我们采25 ℃,冷、热公用工程量分 别为 22 765. 73 kW 和 45 304. 28 kW。 3. 3 换热网络合成 3. 3. 1 冷端合成 (图 2)
ASPEN PLUS软件建立装置工艺模型并在此基础上 进行工况研究和运用窄点 技 术 , 确定 换 热网 络 的 ΔTm in ,从而确定窄点位置及公用工程量 。再优化原 油股数 ,进行冷端网络合成 ,以减少冷公用工程量 。 为满足中东原油深拔轻油目的 ,热端需分段匹配 。 2 改造方案
依据换热物料以设计出口温度 、不跨窄点换热 、 垂直匹配 、热回收量最大 、公用工程量消耗最小为目
技改与创新 化工自动化及仪表 , 2009, 36 (1) : 94～96 Control and Instruments in Chem ical Ind ust ry
1 引 言 在化工企业能源利用中 ,换热网络是能量回收
利用的重要子系统 [1 ] 。换热网络就是将生产过程中 需冷却和加热的物流通过换热器进行匹配 ,形成交 换网络 ,实现能源的回收利用 ,减少外部提供的公用 工程量 [2 ] 。在换热网络中 , 最小传热温差 ( ΔTm in ) 决定最大的热量回收和最少的冷 、热公用工程 。用
基于 ASPEN PL US和窄点技术 的常减压换热网络优化
姜 猛 ,杨基和 ,孙俊涛 ,王丽涛 ,薛 白
(江苏工业学院 化学化工学院 ,江苏 常州 213164)
摘要 : 利用 ASPEN PLUS软件 ,模拟 5. 0 ×104 t/ a中东原油常减压蒸馏装置的换热网络工况 ,采用窄点技 术对其进行优化改造 。结果表明 :优化原油分流股数 ,降低冷公用工程量 ;换热器合理匹配 ,提高利用效率 ; ΔTmin 为 15 ℃,热端温度 240 ℃,冷端温度 225 ℃;最小冷 、热公用工程量分别为 22 765. 73 kW 和 45 304. 28 kW ;原油换 后终温为 298 ℃,换热面积为 16 935 m2 ,比原装置的换后终温提高 19 ℃,换热面积减少 3 967 m2。 关键词 : 常减压装置 ;换热网络 ; ASPEN PLUS模拟 ;窄点技术 ;优化 中图分类号 : TQ013 文献标识码 : B 文章编号 : 100023932 (2009) 0120094203
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240 230 44 751. 46 21 879. 47
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240 235 44 294. 72 17 789. 48
图 1 ΔTm in 与费用关系
由图 1可知 ,公用工程费用随 ΔTm in 的增加而直 线增加 ,设备费先随 ΔTm in 上升而快速下降 ,当 ΔTm in 继续增加时 ,设备费用反而上升 ,这是由于设备费用 是操作费和投资费合成的 ; 作为公用工程与设备费 用的总 费 用 , 是 一 条 上 凹 曲 线 , 存 在 一 个 最 佳 的 ΔTm in ,使总费用最小 [5 ] 。因此在一定温度范围内 , 计算多个窄点位置 ,权衡利弊 ,从中选出最合理的传 热温差 ,进而确定窄点位置及相应公用工程量 。为
3. 3. 2 热端合成 如图 3,由于中东原油轻油含量高 ,在初馏塔设
置两侧线 ,要求进初馏塔原油温度为 248 ℃。因此 , 在热端有 C2 (脱盐油 ,从 225 ℃→248 ℃)和 C3 (初 底油 ,从 243 ℃→常压炉 )两股冷流的匹配 。C2 处 均为窄点换热器 ,应符合 N h ≤ N c原则 。因 N h为 9, N c为 2 ,不符合窄点设计规则 。C2 应分流 9 股以 上 ,但冷端 C2 为 8 股 , 考虑工程可操作性 , 将热端 C2也分为 8 股 。C3 流股大部分为非窄点换热器 , 可以不遵循窄点匹配原则 ,同时 C2 已匹配 ,提供给 C3的热量基本是定值 ,无论怎样分流都不影响换后 终温 ,为减少管线施工安装的难度 ,将 C3分为四股 , 最后得出换后终温为 298 ℃。
参考文献 :
[ 1 ] 钟森田. 石油化工生产过程控制系统设计及实施 [ J ]. 化工
自动化及仪表 , 2000, 27 (4) : 13 - 17.
[ 2 ] 孙垂丽 ,陆 帧 ,徐博文. 基于过程模拟的常压蒸馏装置在 线能量优化 [ J ]. 化工自动化及仪表 , 2001, 28 (4) : 22 - 25.
经原油电脱盐后的换热段 ,新增两台换热器 ,用
于提高高温热源的利用率 ,同时使渣油出口温度由 172 ℃降至 150 ℃。优化常压塔中段取热比例 ,可使 回流负荷增加 [4 ] ,为此增设一台换热器 ,以减少跨越 窄点的操作 。 3. 1. 2 调整管 、壳程走向不合理的换热器
以不增加换热网络总面积为前提 ,经软件模拟 , 找出 原 油 脱 盐 前 常 压 一 线 两 台 换 热 器 ( E1011, E1019)和减压二线两台换热器 ( E1006, E1007 ) 的 管 、壳程物料走向不合理 ,总传热系数低 ,导致换热 器效率低 。对这四台换热器的管 、壳程物料走向分 别进行调整 ,将管 、壳程物料走向对调 ,结果见表 1。
[ 6 ] 陈敏恒 ,丛徳滋 ,方图南 ,等. 化工原理 [M ]. 北京 :化学工业 出版社 , 2003: 302 - 313.
精编细选 一心只为读者 博采众揽 全意服务社会
图 2 冷端合成 注 :每一物流所在横线上方及两端数字为温度 , ℃;下方数字为该换热单元热负荷 , kW
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化 工 自 动 化 及 仪 表 第 36卷
如图 2,在冷端 ,冷流有 C1 (原油 ) 和 C2 (脱盐 油 )两股 ,热流 19股 ,符合 N h﹥ N c (热流股数大于 冷流股数 )及 CpFh > CpFc (热端热熔流率大于冷 端热熔流率 )的条件 。但增加原油分流股数 ,可提高 低温位热量利用率 ,降低冷公用工程量 。在可操作 范围内 ,将 C1、C2 分为四股 、六股和八股分别进行 冷端 合 成 , 冷 公 用 工 程 量 分 别 为 26 871. 35 kW , 24 394. 61 kW和 22 765. 73 kW ,所以 , 在冷端 C1 和 C2均采用八股分流 。
图 3 热端合成
4 结 论 利用 ASPEN PLUS软件模拟原换热网络工况 ,
找出网络不足和欠缺之处 ; 窄点问题表确定最优传 热温差 ΔTm in 为 15 ℃;冷端合成时 ,原油分流股数为 8,低温热量利用率提高 ,冷公用工程量降低 ;热端分 段合成 ,满足了中东油轻油深拔要求 ,得出换后终温 为 298 ℃,比原装置在同等条件下提高 19 ℃。
调整后 42. 53 240. 85 159. 59 30. 15 2. 40
调整前 978. 21 32. 05 E1011
调整后 785. 21 144. 91
28. 07 156. 45 0. 56 112. 45 35. 78 0. 89
调整前 896. 56 45. 31 E1019
调整后 698. 21 156. 23
[ 3 ] 尹清华. 换热网络的最优合成及其结构调优研究 [ J ]. 华南 理工大学学报 , 1992, 12 (3) : 27 - 28.
[ 4 ] 张俊峰 ,罗雄麟. 换热网络设计方法的研究进展 [ J ]. 化工 进展 , 2007, 24 ( 6) : 27 - 31.
[ 5 ] 杨基和 ,蒋培华. 化工工程设计概论 [M ]. 北京 :中国石化出 版社 , 2005: 78 - 79.
表 2 不同 ΔTm in时窄点位置及冷 、热公用工程量
ΔTmin / ℃
窄点温度 / ℃ 热端 冷端
热公用工 程量 / kW
冷公用工 程量 / kW
25
240 215 48 926. 52 28 756. 71
20
240 220 47 682. 71 26 244. 03
15
240 225 45 304. 28 22 765. 73
35. 01 174. 23 0. 78 134. 21 45. 89 0. 95
由表 1 可知 ,调整后四台换热器的总传热系数 由 266. 52 W / ℃增加到 604. 73 W / ℃,压降减小 ,说 明换热器的换热效果有所改善 。原油脱盐前温度达
3收稿日期 : 2009201209 (修改稿 )
表 1 换热器调整前后工况
项目
传热系数 /W ·℃- 1
压降 / kPa
管程
壳程
总传热 系数
管程
壳程
调整前 829. 60 62. 75 E1006
调整后 737. 73 293. 81
56. 92 55. 81 4. 12 198. 48 55. 81 3. 51
调整前 742. 38 182. 599 146. 52 3. 45 21. 33 E1007
在换热网络中 , ΔTm in 是有待优化的决策变量 , ΔTm in 与费用关系如图 1所示 。
确定最适宜的 ΔTm in ,根据经验选取五个 ΔTm in 值作 为计算基准 ,从中得出最优的 ΔTm in 。这五个初值 是 : 25 ℃、20 ℃、15 ℃、10 ℃和 5 ℃。分别做出窄点 问题表 ,将五个不同的窄点位置和冷 、热公用工程量 进行对比 ,其对比结果如表 2所示 。
标 ,以设备利旧率高 、改动量小 、总投资省为原则 ,对 装置进行改造 [3 ] 。同时 ,根据换热过程有效能量利
3
用原理 ,尽量多次利用高温热源 ,减少能量损失 。 3 具体实施
首先利用 ASPEN PLUS软件 ,对已有换热网络 进行模拟 ,找出问题 :由于原油性质变化 ,使原换热 器匹配不合理 ,并存在跨越夹点操作 ,因此造成装置 能耗高 、热源利用率降低 。然后运用窄点技术 ,在一 定温度范围内 ,计算多个窄点位置 ,权衡利弊 ,从中 确定最小传热温差 ΔTm in 。最后依据窄点问题表 ,合 成最优换热网络图 。 3. 1 调整换热网络 3. 1. 1 增加渣油换热流程
第 1期 姜 猛等. 基于 ASPEN PLUS和窄点技术的常减压换热网络优化
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到 135 ℃,较调整前提高 8 ℃;原油脱盐后温度达到 248 ℃,较调整前提高 18 ℃; 换热终温达到 298 ℃, 较调整前提高 19 ℃;常压一线和减压二线出口温度 分别由 86 ℃降至 78 ℃,由 97 ℃降至 90 ℃。 3. 2 确定窄点位置
从表 2可知 :当 ΔTmin 值减小时 ,窄点处冷端的温 度上升 ,但热端温度相同 ,则原油换后终温上升 ;同时 , 冷、热公用工程量也随 ΔTmin 值减小而减小 ;另外由传 热学原理 A = Q / ( K·ΔT) 可知 , ΔTmin 越小 ,换热面积
越大 ,设备费增加 [6]。综合考虑操作费用、设备费用和 公用工程费用 ,我们采25 ℃,冷、热公用工程量分 别为 22 765. 73 kW 和 45 304. 28 kW。 3. 3 换热网络合成 3. 3. 1 冷端合成 (图 2)
ASPEN PLUS软件建立装置工艺模型并在此基础上 进行工况研究和运用窄点 技 术 , 确定 换 热网 络 的 ΔTm in ,从而确定窄点位置及公用工程量 。再优化原 油股数 ,进行冷端网络合成 ,以减少冷公用工程量 。 为满足中东原油深拔轻油目的 ,热端需分段匹配 。 2 改造方案
依据换热物料以设计出口温度 、不跨窄点换热 、 垂直匹配 、热回收量最大 、公用工程量消耗最小为目