石油二厂南蒸馏原油换热网络优化设计本科学位论文.docx

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石油二厂南蒸馏原油换热网络优化设计本科学位论文

石油二厂南蒸馏原油换热网络优化设计

xxxxxxxxxxx大学xxxxxxx学院抚顺

摘要

中国石油将增加投入，推进化工企业节能节水型企业建设，并计划到2010年，全面实现国家节能减排指标。

排技术水平，按计划、有步骤地使用在一批节能项目上。

目前，已与国内外相关专业公司签订节能减排，规划的修订方案，进一步提高了化工企业的节能节水和减排的标准要求，相关指标更加明确。

化工行业要按照国家发改委的要求和属地管理原则，加强跟踪、评价和指导，为政府节能减排提供技术支持和咨询，用技术进步推动化工节能减排。

本文针对换热嚣网络的动态特性研究做了简要夼绍。

并对这些系统的节能也有一定的帮助。

最后指出了挺热器网络研究的发展方向。

文章介绍了夹点技术的原理，对夹点技术在国内外的研究进行了综述，夹点技术是一种十分有效和实用的过程集成技术。

并对其在国内的发展趋势进行了展望。

介绍了夹点技术设计的基本概念及设计原则．以标定数据为基础，运用夹点技术对某炼油厂南蒸馏换热网络进行优化分析，经济评价结果表明优化后的换热网络节能效果较好。

关键词：

夹点技术；换热器网络；换热器同络；优化；夹点技术过程工程换热网络优化综合；换热器网络；夹点算法。

TheOptimalDesignofHeatExchangerNetworkAtCrudeOilOfTheSouthDistillationWorkshop

Abstract

PetroChinatoincreaseinvestment,promotethechemicalindustryenergysavingenterprisestobuild,andhasplansto2010,thefullrealizationofthenationalenergysavingtargets.Rowtechnicallevel,asplanned,systematicuseinanumberofenergy-savingprojects.Currently,thecompanyhassignedwithdomesticandforeignprofessionalenergysaving,planningpackagetoenhancethechemicalindustryenergyandwatersavingandemissionreductionstandards,relevantindicatorsmoreclearly.ChemicalindustryinaccordancewiththerequirementsoftheStateDevelopmentandReformCommissionandtheprincipleofterritorialmanagementandtostrengthenthetracking,evaluationandguidancetoenergysavingfortheGovernmenttoprovidetechnicalsupportandadvice,withtechnologicalprogresstopromotethechemicalenergysaving.Inthispaper,thedynamiccharacteristicsofheatexchangernetworksclamorofabriefdakuangShao.Andenergyofthesesystemsalsohavesomehelp.Atlast,theveryheatofthedevelopmentnetwork.Thispaperintroducestheprinciplesofpinchtechnology,onpinchtechnologystudyathomeandabroadwerereviewed,pinchtechnologyisaveryeffectiveandpracticalprocessofintegrationtechnology.AnditsdevelopmenttrendinChinawerereviewed.PinchTechnologyintroducesthebasicconceptsofdesignanddesignprinciple.Tocalibrationdata,theuseofpinchtechnologydistillationofarefineryinSouthernanalysisofheatexchangernetworkoptimization,economicevaluationshowedthattheoptimizedheatexchangernetworkbetterinenergysaving.

Keywords:

Pinchtechnology;exchangernetwork;withcontactheatexchanger;optimization;pinchtechnologyProcessEngineeringintegratedheatexchangernetworkoptimization;exchangernetwork;pinchpointalgorithm.

前言

1文献综述

1.1能源与国民经济的关系

1.2石化企业节能

1.3换热网络综合

1.3.l换热网络中简单热负荷回路的断开

1.3.2换热网络中特殊热负荷回路的断开

1.3.3流程模拟技术的应用

1.4实际化工换热网络的设计

1.4.1最初设计的换热网络的用能诊断

1.4.2新设计的换热网络

1.5夹点技术在现有过程工程系统改造中的优化综合

1.6夹点技术的发展及应用

2设计部分

2.1夹点技术详细介绍

2.1.1夹点技术的基本原理

2.1.2夹点技术设计的可行性经验规则原则

2.1.3夹点的计算

2.6设计结果对比

前言

当前，实现节能减排目标面临的形势十分严峻。

去年以来，全国上下加强了节能减排工作，国务院发布了加强节能工作的决定，制定了促进节能减排的一系列政策措施，各地区、各部门相继做出了工作部署，节能减排工作取得了积极进展。

但是，去年全国没有实现年初确定的节能降耗和污染减排的目标，加大了“十一五”后四年节能减排工作的难度。

更为严峻的是，今年一季度，工业特别是高耗能、高污染行业增长过快，占全国工业能耗和二氧化硫排放近70％的电力、钢铁、有色、建材、石油加工、化工等六大行业增长20．6％，同比加快6．6个百分点。

与此同时，各方面工作仍存在认识不到位、责任不明确、措施不配套、政策不完善、投入不落实、协调不得力等问题。

这种状况如不及时扭转，不仅今年节能减排工作难以取得明显进展，“十一五”节能减排的总体目标也将难以实现。

　　我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。

这种状况与经济结构不合理、增长方式粗放直接相关。

不加快调整经济结构、转变增长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。

只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。

同时，温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。

进一步加强节能减排工作，也是应对全球气候变化的迫切需要，是我们应该承担的责任。

1文献综述

1.1能源与国名经济的关系

中科院一项调查显示，我国是全世界自然资源浪费最严重的国家之一，在59个接受调查的国家中排名第56位。

另据统计，中国的能源使用效率仅为美国的26.9%，日本的11.5%。

因此，推进节能减排，可谓迫在眉睫。

我国政府将能源效率列为重中之重。

而在未来15年内，我国更致力于把中国从目前的低效能源使用者变成高效能源使用者。

但改善能源消耗现状，更需要从电工装备到煤炭、石油、建筑等多个行业共同不懈的努力。

降低能耗，企业还应汲取国外先进的管理经验和技术，节能减排，需要推进能源结构的调整。

1.2石化企业节能

当前，化工行业面临的最大考验之一节能减排。

人们通过不断反思和总结化学与环境、资源的关系，生产过程应该在温和的温度和压力下进行，而且能耗最低，以提高效益和减少公司对环境的影响，包括减少能耗。

化工行业节能减排具体目标是；到20l0年，石油和化学工业的结构更加合理，高耗能产业的比例有所下降，污染环境的状况得到改观，经济增长的质量得到提高，初步进入循环经济的轨道，万元工业增加值能耗比2005年下降l5％～20％，单位工业增加值用水量比2005年下降30％，工业用水重复利用率达到90％，工业固体废弃物综合利用率达到70％，主要污染物排放总量减少l0％。

要实现上述目标，化工行业要按照国家发改委的要求和属地管理原则，加强跟踪、评价和指导，为政府节能减排提供技术支持和咨询，用技术进步推动化工节能减排。

在管理上，要制定行业节能减排技术政策，为企业节能减排技术开发、技术改造和管理提供咨询和培训；制定烧碱、电石、黄磷和合成氨等化工重点产品的消耗定额标准，做好石油和化工企业的节能评价体系的调查研究和制定工作，建立行业能源利用和节能指标体系和评估体系，协助政府对企业能源利用状况进行评估和指导；继续推动化工行业发展循环经济工作，利用国家已将化工行业列人国家循环经济重点行业的契机，认真组织编制好行业循环经济规划，以争取国家对化工行业的资金、技术支持，推动化工行业循环经济的开展；协助政府部门抓好重点耗能企业特别是“千家企业”的节能降耗工作，带动整个行业的节能降耗工作。

此外，还要组织开展全国化工行业污染源普查物料衡算和产排污系数核算研究工作，完成实施方案，确定产排污系数测定、物料衡算资料清单、试点行业与地点选定及实测工作。

中国石油增加投入推进化工节能减排“十一五”期间，中国石油将增加投入，推进化工企业节能节水型企业建设，并计划到2010年，全面实现国家节能减排指标。

随着世界人口的不断增长和工业的持续发展，能源短缺问题将越来越严重。

工业的能量回收利用已成为人类社会持续发展的重要前提之一。

换热网络是能量回收利用的一个重要子系统，它的节能优化一直受到人们的关注。

虽然目前已经有10余种换热网络的优化方法出现，然而夹点技术仍然是其中最为简便、实用的方法。

LinnhoffB等0〕在1978年最先提出换热网络的温度夹点（PinchPoint）问题，并在1983年比较系统地论述了用于换热网络的夹点技术图。

我国学者对夹点技术也做了很多论述，如姚平经等川应用夹点技术对炼油厂常减压装置原油预热系统进行能量分析，找出“瓶颈”问题，提出改进方案，增大了热回收率;冯霄等川应用夹点技术对某芳烃厂的异构化装置进行了分析，并提出换热网络集成改造方案。

由于夹点技术设计出的初始的换热网络（能量回收量最大的换热网络）往往换热设备较多，流程复杂，为此SuJL等困提出了断开网络中热负荷回路的能量松弛法，可有效减少换热设备数，使网络得到优化。

以往夹点技术论述在说明能量松弛法时，所使用换热网络的换热流体数目少，其结构也较简单;实际的化工换热网络换热流体众多，利用夹点技术设计出的初始网络结构复杂。

在对一复杂换热网络所作的优化设计过程中，发现一些热负荷回路出现了以往夹点技术论述中所没有提及的新特点Cs-}7。

用常规的方法对这些特殊的热负荷回路进行断开不太适合，本文对此提出了改进的办法，并借助流程模拟技术对此方法进行了检验。

1.3换热网络综合

目前，我国对换热器哺络的应用和研究主要集中在化工行业。

在国外，LiIlI1h0j等人已将上述方法应用于与换热相关领域以改进动力系统的性能。

将夹点理论应用于相关领域如制冷、空调系统、热泵技术、热电联产中，对于系统节能具有重要意义。

换热器网络优化研究进展换热器作为能量传递设备被广泛地应用于化学、电力、制药等行业中，其换热性能好坏直接关系到生产企业的能源利用敖率。

在生产实践中人们发现了这样一个问题：

虽然单个换热器的效率较高，但将它并人一个大型的换热器网络之后，其换热效率有时并不理想。

针对这一现象1965年Hwa在美国化学工程师协会上首次提出了换热器网络最优化的问题。

冷、热股流之间存在着较强的耦合作用．冷、热两种工质的出口温度与它们的入口温度及质量密切相关。

因为换热器内流体具有湍流脉动特性，该研究对象具有非线性、大时延的特点，所以研究由单体换热器组成的大型系统具有一定的难度。

换热器网络研究现状目前换热器网络的研究主要集中在两个方面（a）换热系统的设计（b）换热系统的改造。

世界上许多研究人员正在开展这方面的研究。

下面对国内外在换热器网络方面的研究成果进行回顾。

l969年Mass0和Rudd[4J开始探索求解换热器网络问题。

设计方法主要采用启发式寻优法，用一些规则限制换热器匹配的自由度，然后优化换热器网络。

虽然这种方法并不能给出最优解，但它至少可以给出一个可行的解，对于换热器的网络设计起到了一定的作用。

1971年南加洲大学Hohmann在他的博士论文中指出：

如果给定了冷、热工艺物流数据，那么就可以确定最小公用工程的（水、电、汽等的供应）用量和最少的设备单元数。

以热力学原理为基础，1978年umeda5提出在有效能图上分区优化法，并在温一焙图实现换热器网络优化，说明了夹点的存在性（见图2）。

1978年Linnhof和n（}w首先将换热器网络分解为两个子问题来研究：

（a）决定最大的能源回收或最小的公用工程（b）已知最大的能源回收，通过换热器的匹配，使换热器的个数最少。

1983年Linnhof和碰ndmarshL把这一概念表达为窄点理论最大能源回收和窄点温度通过最小温差出联系起来。

窄点理论使换热器网络优化在理论和工程设计中取得了突破性的进展，对这项研究具有十分重要的意义。

换热器网络研究的发展方向，换热器网络的优化方法的研究前面讨论了求解NINLP模型的三种解法存在一定的缺点，采用这些方法难以得到最优解。

如果系统规模较大．即使求非常简单的问题，计算工作量也相当大。

近年来各国学者一直在寻找一种适合求解I~INLP问题的方法DolanlSJ提出了采用模拟退火算法来求解离散和连续问题，但模拟退火算法有一些局限性。

对这一问题的研究仍有待进一步的研究

1特殊热负荷回路的断开和流程

模拟技术的使用

1.3.l换热网络中简单热负荷回路的断开

一级热负荷回路（见图i中（a））的断开方法是将其中某一换热单元（一般选择热负荷较小者）的热负荷加到另一换热单元上。

二级热负荷回路（见图1中（b））断开方法是将热负荷回路的各个换热单元按顺序依次进行奇、偶标注，若欲取消的某一换热单元（一般选择热负荷较小者）处于奇数位置，热负荷为Q，按照偶数位置换热单元加上Q，奇数位置换热单元减去Q的规则，分别改变热负荷回路各换热单元的热负荷。

二级以上热负荷回路的断开与二级热负荷回路的断开类似。

1.3.2换热网络中特殊热负荷回路的断开

复杂换热网络中的热负荷回路可能会出现如图1（c）中的特殊情况。

在图1（c）中，换热单元1,2,3,4及它们之间的流体组成二级热负荷回路，与图1（a）,（b）中不同的是换热单元1和2下面的流体并不完全是同一流体，而是同一流体的不同分支，称这类特殊热负荷回路为带有分支的热负荷回路。

本文将以实际工程为背景对这些特殊热负荷回路的断开讲行讨论。

1.3.3流程模拟技术的应用

在结构复杂的换热网络的设计中，每一次断开热负荷回路就使换热网络的流程发生变化，生成的新网络在实际运行中可能出现一些难以预料的问题、甚至运行中断CaC。

本文采用流程模拟技术用计算机对换热网络的运行进行模拟，通过调整参数对断开热负荷回路后的新网络出现的问题进行修复，很好地解决了这一问题。

流程模拟技术是通过离线或在线采集装置的工艺实时数据，利用物料平衡、能量平衡、化学平衡原理，在计算机上对全装置或某一部分的运行进行的模拟。

从数学角度，化工流程稳态模拟实质上是一个大型非线性代数方程组的求解问题。

本次设计所用的化工系统流程模拟软件PRO-II，是美国SimulationScience公司的产品。

它的作用相当于一个中央处理器，一系列的输人条件经过计算后再输出结果。

PRO-II也是最早配备优化功能的流程模拟系统。

1.4实际化工换热网络的设计

利用夹点技术对某炼油厂常减压装置的换热网络进行了分析，找出了原有设计的弊病，并在此基础上对装置的换热网络进行优化设计，并用PRO-II进行模拟计算，提出了能量回收量最大的换热网络。

讨论了带有分支的热负荷回路断开的问题，提出了改进的方法，并用此改进的方法对初始网络进行调优，得出总费用为最小的最优设计方案。

1.4.1最初设计的换热网络的用能诊断

某炼油厂常减压蒸馏装置最初设计的换热网络流程见图2，按最初设计的换热网络提取的冷、热换热流体的各参数见表1

在最初的设计中，原油换热终温为243℃，拔头油换热终温为315.2℃，所需公用工程热负荷1.78X106kJ/h，所需公用工程冷负荷98.29X106kJ/ho图3为利用夹点技术所画的换热网络总组合曲线。

由图3可知:

夹点温度为:

300.3℃，其中热物流为312.8℃，冷物流为287.8℃，最小换热温差25℃。

经分析，在最初的设计中有14个换热器的换热通过夹点，还有6台换热器的换热平均温差低于10℃，影响换热效果。

根据夹点技术所得的最小公用工程冷、热负荷为:

94.87X106kJ/h，最大换热量为:

4.516X10'0kJ/h。

因此最初的设计多用了5.20X106kJ/h的公用工程冷、热负荷。

1.4.2新设计的换热网络

保证最大能量回收量的换热网络图4是利用夹点技术和流程模拟技术所设计的换热网络流程图。

新设计换热网络避免了通过夹点的换热，并且保证换热温差不低于25℃，原油换热终了温度为245.26℃，提高了1.78℃，拔头油换热终温为319.71℃，提高了4.49℃，每年节省燃料油2.49X103t，每年节省循环水1.46X106t。

此外，最初设计的换热网络中换热器总数为71，新设计换热网络换热器总数为67，节省了4台换热器。

取得了较好的节能效果。

综合效益最高的换热网络图4中的换热网络只是考虑了能量回收量最大，并不是换热器数目最小的换热网络。

对其进行调优，才能得到综合效益最高的换热网络。

设换热单元1,7所组成的热负荷回路用（1,7）表示，参照图5所示的换热网络格子图，新设计的换热网络中的热负荷回路分别为:

（1,7）,（2,8）,（12,26）、（12，10）、（15，19）、（23，25）、（24，20，9，14）、（21，22，18，17）、（9，21，16，14）、（16，17，18，22，20，

24）010个热负荷回路中前6个为一级热负荷回路，接下来3个为二级热负荷回路，最后一个为三级热负荷回路。

其中只有（15,19）是常规热负荷回路，可以通过1.1所述一级热负荷回路的方法断开;其余都为带分支的热负荷回路，以下对这类热负荷回路的断开进行讨论。

首先看热负荷回路（1,7），它是一个带有分支的一级热负荷回路，把它断开后，由于换热单元1的热负荷小，所以应将换热器1的热负荷加到换热器7上，由于通过换热单元1和7虽然都是拔头油，但是流量却差别很大，所以不能再用常规方法简单地把换热单元1的热负荷直接加到换热单元7上，而应该把1的热负荷按照各分支上换热单元的热负荷（包括通过1的流体分支）的比例分配到各分支的换热单元上。

换热流体各分支的流量由热负荷除以流体温度变化量与流体比热容的积求得。

断开热负荷回路前后的局部流程的变化见图60

热负荷回路（21,22,18,17）是一个带有分支的二级热负荷回路，先按照一般热负荷回路断开的方法将热负荷回路的各个换热单元按顺序依次进行奇、偶标注，若欲取消的某一换热单元k（一般选择热负荷较小者）处于奇数位置，热负荷为Q，然后按照带分支的一级热负荷回路的方法把热负荷Q按各分支上换热单元热负荷的比例分配到各分支的换热单元。

设分到换热单元k的热负荷由Q变为P,再按照偶数位置换热单元加上尸，奇数位置换热单元减去尸的规则，分别改变热负荷回路各换热单元的热负荷。

换热流体各分支的流量由热负荷除以流体温度变化量与流体比热容的积求得。

带有分支的三级及三级以上热负荷回路的断开与带有分支的二级热负荷回路断开的方法类似。

热负荷回路的断开后，重新选择最小传热温差，再重复上述过程，直到得出综合效益最高的设计方案。

本文所得到的综合效益最高的换热网络流程见图7。

此时最小传热温差为21.040C，换热器总数为64，比最初的设计节省7台，每年节省燃料油2.64X103t，冷公用工程总量83.65X106kJ/h，每年节省循环水1.52X106t，此外在保证换热量最大的换热网络的基础上又节省3台换热器。

取得了较好的节能效果。

实例验证操作系统优化后，产品中航空煤油的比率提高，产品收益增高，每年净收益增加3170万元。

取得了很好的优化效果。

因此利用流程模拟的优化功能对化工装置进行优化，能取得较大的实际效益，对工厂节能降耗有着重要意义。

针对复杂换热网络中带有分支的热负荷回路的断开，本文提出了改进的方法，通过实际大型换热网络设计的检验，此改进的方法是有效可行的。

同时本文利用流程模拟技术对断开热负荷回路得到的新换热网络模拟运行，通过调整有关参数消除了新网络在实际运行中可能出现的问题。

因此，流程模拟技术的使用，可以使夹点技术更好地应用于实际的换热网络设计中。

1.5夹点技术在现有过程工程系统改造中的优化综合

夹点技术还可以用来对现有过程系统进行改造。

一般说来，过程系统的改造综合比新过程系统的设计更为复杂，受到的约束更多，要考虑的因素也更多。

其遵循的原则是：

尽量利用原工艺流程，少增加新设备；尽量利用现有设备，并减少设备投资；尽量不利用外供蒸汽。

现有换热网络改造的目标与新网络设计相比，除能量目标确定相同外，其他目标均有所不同：

面积目标为新增面积目标；经济目标方面为能量费用节省目标、新增换热面积投资目标和投资回收年限目标。

在确定夹点温度时，是取所要求的投资回收年限所对应的夹点温度。

1.6夹点技术的发展及应用

夹点技术从最初的一个节能概念已发展成为一种积极有效的节能技术，英国ICI公司利用该技术在新工厂的设计中，平均节约能源费用30%，由于降低了能源消耗，同时也节约了设备的投资。

在对现有生产装置改造的应用中，投资回收期为12个月左右。

美国联合碳化物公司用该技术从9个项目的结果得出，在新工厂设计中平均节能50%，在老厂改造应用中，投资回收期为12个月左右。

华南理工大学李志红运用夹点设计法与转运模型法对常减压蒸馏装置的原油换热系统进行最优化合成设计，可使该装置的年度总费用比原来降低70%左右。

夹点技术还可应用于蒸发装置的热量综合及具有合成氨、硝酸、硫酸生产的化肥联合企业的整个区域能量利用情况的检测。

现在，夹点技术的应用范围越来越广泛，在炼油、石油化学、一般化学及食品、饮料、造纸等工业部门均已被成功地应用于新厂的设计及老厂的改造。

我国在这方面的工作开展的比较晚，但近