夹点技术在北阿项目中的应用

0前言

过程工业为了降低生产成本、合理利用资源, 己从单台设备操作优化集成发展到对整个系统的集成优化, 即采用过程集成技术。20世纪70年代, Linnhoff等[1]在前人研究成果的基础上提出换热网络优化设计方法, 并逐步发展为化工过程能量综合技术的方法论, 即夹点技术。在冷、热物流的热回收过程中有一最小传热温差处, 即夹点, 它决定了最小的加热和冷却公用工程用量。近年来, 针对换热网络优化问题的研究发展迅速, 特别是在利用夹点技术优化换热网络方面, 取得了显著的节能效果和经济效益。

北阿项目是CNPC中东“3+1重点工程”项目, 产能规模400万吨/年, 采用两级布站, 原油经过单井管线和集油干线进入计量站进行单井计量, 然后混输至中心处理站, 站内原油经过一级分离、与合格原油换热、二级分离、与导热油换热、两级电脱、与原油换热、脱气管闪蒸稳定后进罐储存、经外输泵增压外输。伴生气经过增压、TEG脱水后供集中处理站内50 MW电厂发电、热媒系统及油田气举使用, 剩余天然气外输。产出水与新鲜水换热、冷却, 处理后最终注入地下。

本文主要探讨利用夹点技术分析北阿项目中换热网络和能量回收。

1 夹点技术原理[2]

夹点技术是以热力学为基础, 从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布, 从中发现系统及其用能“瓶颈”处, 并给以“解瓶颈”的一种方法。

当给出过程系统中各物流的压力、组成、质量流量、初始温度、目标温度以及选定的最小允许传热温差ΔTmin后, 即可确定夹点, 常用的方法有三种: (1) 作图法。在温-焓图上分别作出热、冷物流的组合曲线, 热组合曲线在冷组合曲线上方, 并相互水平靠拢, 当两组曲线在某处之间的垂直距离刚好等于规定的ΔTmin时, 该处即为夹点。 (2) 问题表格算法。按温度各物流划分成K个子网络 (或热级联) , 求出各子网络输入热负荷IK及输出热负荷OK, 在OK为零处, 即第K子网络与第 (K+1) 子网络之间的温位界面处 (OK=IK=0) 即是夹点。 (3) 数学规划法。将系统划分为K个温度区间, 采用转运模型确定最小公用工程费用的线性规划问题, 即可得到公用工程加热、冷却物流的最佳用量以及每一温度间隔的剩余热量RK, 当RK=0时即区间K与 (K+1) 间的界面处即为夹点。

为保证过程系统能量回收最大化, 应遵守三条基本原则:夹点处不能有热流量穿过;夹点上方不能引入冷公用工程;夹点下方不能引入热公用工程。夹点位置确定的同时, 该系统所需的最小热、冷公用工程负荷以及最大热回收量也随之确定。

2 夹点技术在北阿项目中的应用

压缩机级间或出口配备空冷器, 因此在换热网络中不考虑压缩机出口热物流的能量回收。首先依据换热网络列出冷热物流温度、MCP、热负荷, 作为换热网络设计和夹点分析的基础数据。

备注:上述结果取自HYSYS模拟结果。

其次依据工艺流程列出换热器负荷和进出口物流温度, 便于下一步利用夹点技术进行能量分析。

取Tmin为30℃, 进行夹点技术分析, 组分曲线如下图。

从下表可以看出, 现有冷、热公用工程与目标值相比, 可以满足负荷要求, 因此现有的换热网络适应Tmin=30夹点要求。

现有换热网络图如下:

3 结论

从北阿项目中应用夹点技术进行换热网络的设计与校验可以看出:夹点技术可以有效指导生产中充分有效的利用工艺装置物流的热量, 降低冷、热公用工程量, 从而达到节能和优化设计。

摘要：夹点技术是重要的过程能量综合技术的方法论, 在优化换热网络方面发挥着重要作用。本文利用夹点技术的基本原理, 结合北阿项目HYSYS模型, 根据冷、热物流物性和换热网络, 选取ΔTmin=30℃建立组分曲线, 得到目标冷、热公用工程量, 从而为能量回收和优化提供依据。

关键词：夹点技术,北阿项目,换热网络

参考文献

[1] Linnhoff B, Flower J R.Synthesis of heat exchanger networks:I Systematic generation of energy optimal networks.American Institute of Chemical Engineers Journal.1978.

[2] KEMP lan C.Pinch Analysis and Process Integration.2007.