过程全局能量集成夹点分析方法的研究
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为 2. 6 MW 。 冷公用工程热回收总量 Q cw 为 51. 42
MW。
4 分析与讨论
上述工程应用实例表明, 过程全局能量集成的
步骤为:
(1) 以过程全局中各过程的总组合曲线为基础
构造过程全局温焓曲线;
图 7 集成后的过程全局组合曲线
(2) 在过程全局温焓曲线上标出各级蒸汽的产 用汽负荷情况, 进行节能分析;
主题词: 过程热 夹点分析 节能 规划设计 流程设计
1 前 言
级分布及负荷情况; 对于新设计系统, 过程全局温焓
所谓过程全局, 是指多套生产装置和热能2动力 曲线可用来判断产 用汽负荷分布及匹配情况。
装置 (又称公用工程系统) 的集合体。 夹点分析是从
过程全局温焓曲线可以相对移动 (如图 1b 所
局部节能分析向全局用能综合优化逐渐发展和完善 示) , 即用热源的产汽作为热阱加热用汽。 垂直的重
图 2 装置 A 总组合曲线
图 5 过程全局温焓曲线
装置总组合曲线绘出如图 5 所示的过程全局温焓曲 线。 显然, 如果装置之间不能进行能量集成, 则三套 装置所需的热、冷公用工程总量分别为 33. 7 MW 和 82. 49 MW 。 各装置实际产 用汽情况如表 1 及图 6 所示, 图 中虚线表示产 用汽的潜力。 从图 6 可以看出, 过程 全局从主锅炉系统引入 H P 级蒸汽 25. 39 MW 供 过程全局热阱使用。 同时, 装置 B 副产 8. 09 MW M P 级蒸汽供装置 C 使用。 循环水量从集成前的 82. 49 MW 降至 74. 40 MW , 由此可见初步集成已 取得了明显的节能效果。从图 6 还可以看出, 过程全 局热源部分具有多产 M P 级蒸汽的潜力, 同时还具 有少用 HP 级蒸汽及使用一定级别 L P 蒸汽的潜 力。因此, 有必要在现有公用工程系统中增加 L P 蒸
传递的热回收量 (Q rec)。过程全局温焓曲线的相对移 动, 使局部公用工程负荷线相连结而阻止进一步移 动产生重叠的可能性。 连结部位即为过程全局夹点 (Site P inch)。此时, 过程全局的热回收量最大, 过程 全局热阱分布曲线上剩余的热负荷需求必须通过中 央锅炉产生蒸汽来满足, 这样就确定了 V H P 蒸汽 量, 从而确定了过程全局所需的燃料量。如果通过过 程全局夹点增加一个蒸汽等级 IP (如图中横向虚 线所示) , 则原夹点可以消除, 过程全局温焓曲线可 以进一步相对移动, 产生新的夹点 (如图 1c 所示) , 可以进一步增大热回收量 Q 。 rec 在过程全局热源分 布曲线下方有剩余蒸汽存在, 这些蒸汽还可以作功, 所有热源和热阱封闭的阴影面积表示了过程全局的 作功能力。图 1c 构成了过程全局组合曲线。过程全 局组合曲线间的水平距离等于过程全局组合曲线间 蒸汽的产、用负荷, 因此, 封闭的面积表示了系统作 功的潜力。 若需在过程全局公用工程总组合曲线上 设置透平, 透平的特征参数就很容易确定, 输出功
图 8 夹点上方引入新蒸汽等级
级)。
结合装置情况, 要完成上述目标共需实施 15 项
改造[5]。 综合考虑现场流程、投资及场地等条件, 实
施了其中 6 项改造。 改造后的过程全局组合曲线如
图 7 所示。 过程全局共用 H P 级蒸汽 5. 67 MW ; 过
程全局热回收量为 28. 03 MW ; 过程全局产 M P 级
汽等级, 以加大热回收水平。
为避免引入透平, 新增的 L P 蒸汽等级必须位
于产 用汽相等的位置, 根据各装置的热源情况选择
低压蒸汽饱和温度为 140 ℃。按图 6 所示的节能潜
力和方向进行分析: 可产 M P 级蒸汽 14. 2 MW , 现
产 8. 09 MW , 尚有潜力 6. 11 MW ; 可产 L P 级蒸汽 21. 96 MW ; 可用 L P 级蒸汽 20. 33 MW (现用 M P
8. 27 1. 35 64. 78
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石 油 炼 制 与 化 工
1999 年 第 30 卷
3. 3 在过程全局夹点上方或下方引入新的蒸汽等 级
图 8 表示了在 300 ℃处引入一新蒸汽等级 IP , 此时过程全局的作功能力增加, 如图中双阴影区所 示, 而 H P 需要不变。同样, 在夹点下方引入新蒸汽 等级也只能使过程全局作功能力增加, 而 H P 需要 量不变。
图 6 现用公用工程情况
图 9 在夹点处引入新蒸汽等级
3. 4 在过程全局夹点处引入新的蒸汽等级 图 9 表示了在 200 ℃处引入一新蒸汽等级 IP ,
IP 的引入使得原过程的夹点发生了变化。进一步移
动过程全局温焓曲线, 形成新的夹点, 使部分 M P
负荷移到 IP, 可取得节省燃料的效果。此时, 过程之
间的热回收量 Q 为 rec 31. 07 MW 。 热公用工程用量
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第 10 期 李振民等. 过程全局能量集成夹点分析方法的研究
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可从热负荷和温降构成的矩形面积得到确定。 压缩 比 (膨胀比) 可从入、出口蒸汽的饱和温度值确定, 蒸 汽用量正比于热负荷Q 。
利用以上曲线即可完成过程全局用能集成。
图 4 装置 C 总组合曲线
图 1 过程全局能量集成曲线
3 实例分析 3. 1 背景数据
某石化公司炼油分厂有三套相邻装置, 装置 A (烷基化) 共有 9 股热物流和 9 股冷物流, 在夹点温 差为 20 ℃时, 其总组合曲线如图 2 所示。 装置 B (气体分馏) 共有 5 股热物流和 7 股冷物流, 在夹点 温差为 20 ℃时, 其总组合曲线如图 3 所示。装置 C (催化裂化) 共有 10 股热物流和 6 股冷物流, 在夹点 温差为 20 ℃时, 其总组合曲线如图 4 所示。
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第 10 期 李振民等. 过程全局能量集成夹点分析方法的研究
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表 1 过程全局产 用汽现状
蒸汽等级
过程
产汽 MW
用汽 MW
HP
过程 A
5. 29
HP
过程 B
20. 10
MP
过程 B
8. 09
MP
过程 C
8. 09
图 3 装置 B 总组合曲线
3. 2 过程全局能量集成方案的形成 根据过程全局夹点分析与能量集成原理, 由各
冷却水 冷却水 冷却水
过程 A 过程 B 过程 C
的。 工业应用结果[1]证明夹点分析引起了巨大的用 叠部分表示过程全局热源与热阱之间通过公用工程
能改进。 70 年代末期, 夹点分析作为一种设计换热 网络的工具用于改进过程用能, 取得了显著的节能 效果。到 80 年代中期, Gundersen 和 N aess[2]发表了 关于换热网络设计方法的阶段性总结, 更充分肯定 了夹点分析对换热网络设计所作的贡献。进入 90 年 代以来, 夹点分析的思想基础更为广阔, 它的基本规 则依然以热力学为基础, 关键仍是在设计前进行方 案研究, 但其应用领域已扩展到包括精馏、热泵、热 力透平、炉子和工艺流程的确定以及非能量目标 (如 投资、可操作性和排弃物) 的确定, 并初步形成了工 艺系统和公用工程系统能量集成的通用型方法[ 3 ]。
本文拟利用夹点分析的基本原理, 研究过程全 局能量集成的夹点分析方法与策略。 2 过程全局能量集成的夹点分析方法
每个过程的总组合曲线[4] 表示该过程在实现过 程内部换热后所需的冷、热负荷。为了进行多个过程 之间及与公用工程系统的能量集成, 可以进一步将 各个过程的热阱和热源分别组合在一起, 得到过程
全局系统与公用工程系统相关的温焓曲线, 简称过 程全局温焓曲线 (T SP ) , 如图 1a 所示。 对于现有系 统, 过程全局温焓曲线表明了过程全局的产 用汽等
收稿日期: 1999202210。 作者简介: 李振民, 副院长、高级工程师、工学博士, 从事石油化
工过程模拟和规划工作, 有多篇论文发表。
1999 年 10 月
石 油 炼 制 与 化 工 PETROL EUM PRO CESS IN G AND PETRO CH EM ICAL S
第 30 卷第 10 期
过程全局能量集成夹点分析方法的研究
李振民 李省岐
(齐鲁石油化工公司规划院, 淄博 255408)
摘要 对于多个过程的全局系统, 采用过程全局温焓分布曲线的夹点分析法, 进行各过程之间 的剩余热源、剩余热阱与公用工程系统的过程全局能量集成, 利用过程全局夹点概念和公用工程总 组合曲线, 建立了实用的过程全局能量集成分析方法。对过程全局能量集成夹点分析方法进行了应 用研究, 说明了过程全局夹点分析思想和过程全局能量集成的方法策略和设计步骤, 并得出结论: 通过穿越过程全局夹点设置新的蒸汽等级, 可以消除原夹点而进一步增大热回收量; 在过程全局夹 点以上或以下设置新的蒸汽等级可以增加联产功。
产功量。 (3) 通过选择或改变蒸汽等级或温位, 可以改
变热回收量、过程全局燃料消耗量Baidu Nhomakorabea热电联产作功 量, 也可对其进行优化和权衡。
(4) 过程全局能量集成夹点分析的各种曲线不 仅可以进行过程全局的能量集成, 而且还可以进行 热电联产透平网络的综合和蒸汽系统的设计与改 造。
符号说明
CW —— 循环冷却水; H —— 焓; H P —— 高压蒸汽; IP —— 新设蒸汽; L P —— 低压蒸汽; M P —— 中压蒸汽; Q rec —— 回收热负荷; t—— 温度; V H P —— 超高压蒸汽; Q cw —— 冷却热负荷。
蒸汽 10. 69 MW , 用 M P 级蒸汽 13. 73 MW , 产 L P
级蒸汽 20. 33 MW , 用 L P 级蒸汽 20. 33 MW ; 循环
水量降至 54. 46 MW 。过程全局夹点位于M P 级蒸
汽和 L P 级蒸汽之间, 从过程全局组合曲线看, 尚有 多产 M P 级、L P 级蒸汽的潜力, 挖掘全部潜力后, 过程全局夹点将进一步移至M P 和 L P 之间的虚线 位置。
(3) 通过增加热回收, 找出过程全局夹点。 从原理上讲, 过程全局夹点虽限制了过程全局 中的热回收, 然而正如示例所示, 通过穿越夹点设置 新的蒸汽等级, 就可取得节省燃料、加大热回收的效 果。因此, 如要节省燃料, 必须做到: 在过程全局夹点 处设置新的蒸汽等级; 减少过程全局夹点上方的热 公用工程用量; 增加过程全局夹点上方的热公用工 程产生量。 如要增加作功, 必须做到: 在过程全局夹 点两侧设置新的蒸汽等级; 减少过程全局夹点下方 的热公用工程用量; 增加过程全局夹点下方的热公 用工程产生量。 工程应用实例进一步表明: 利用过程全局能量 集成的夹点分析法, 构造过程全局温焓曲线, 找出过 程全局夹点, 不仅可以直观地分析过程全局热回收 量、公用工程消耗量和过程全局燃料消耗量之间的 相互关系, 而且可以进行蒸汽等级的优化选择, 从而 取得明显的节能效果。 理论分析表明: 传统的单过程夹点分析只能进 行单过程内部热回收及冷、热公用工程需求分析, 不 能进行过程之间的能量集成与热电联产分析。 与之 相比, 本文研究的过程全局能量集成夹点分析方法 具有如下特点: (1) 单过程的总组合曲线可表示过程内部充分 换热后剩余的热源和热阱, 由于各过程的夹点位置 不同, 用一个过程的热源可加热另一个过程的热阱。 各过程的热源和热阱合成的过程全局温焓分布曲 线, 可用于过程之间热量传递的夹点分析。 (2) 如果各过程之间不能直接换热, 利用过程 全局温焓曲线可以实现过程与公用工程系统的能量 集成, 得到过程全局组合曲线。由此可以分析热回收 (产汽) 量、过程加热用汽量、过程全局夹点位置及联