魏志強(qiáng), 孫麗麗
(中國石化 工程建設(shè)有限公司, 北京 100101)
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基于夾點(diǎn)技術(shù)的煉油過程多裝置熱集成策略研究與應(yīng)用
魏志強(qiáng), 孫麗麗
(中國石化 工程建設(shè)有限公司, 北京 100101)
摘要:基于夾點(diǎn)技術(shù),歸納了煉油工藝裝置物流熱輸出、熱輸入原則與熱集成物流溫度、熱量確定方法。在此基礎(chǔ)上,提出了煉油多裝置熱集成策略。基于該策略,對(duì)某煉油企業(yè)3個(gè)工藝裝置進(jìn)行熱集成研究,提出了3種集成方案。結(jié)果表明,與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工況熱集成方案相比,方案3可降低能源消耗費(fèi)用約21.0%,有利于全廠節(jié)能降耗,最為合理。煉油多裝置熱集成策略步驟清晰,方法便捷,可用于指導(dǎo)煉油企業(yè)工程設(shè)計(jì)、技術(shù)改進(jìn)再設(shè)計(jì)等過程的熱集成應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:熱集成; 策略; 多裝置; 煉油
煉油企業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支柱型能源產(chǎn)業(yè),是國家能源戰(zhàn)略安全、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的重要基石[1]。開展煉油企業(yè)能量系統(tǒng)全局優(yōu)化研究,對(duì)國家可持續(xù)發(fā)展、企業(yè)降耗增效具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,特別是在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行煉油企業(yè)能量系統(tǒng)全局優(yōu)化,能夠從源頭實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗,意義重大。
熱集成是煉油過程能量系統(tǒng)優(yōu)化研究的重要組成部分。近30年來,研究者對(duì)煉油過程熱集成問題進(jìn)行了深入的研究,取得了豐碩的成果,主要涉及工藝裝置或子系統(tǒng)集成優(yōu)化[2-3]、整廠分析(Total site analysis)[4-5]、全局集成(Total site integration)[6-7]等,方法主要包括基于熱力學(xué)的分析方法[8]和數(shù)學(xué)規(guī)劃方法[9-10],或二者的綜合運(yùn)用;其中,夾點(diǎn)技術(shù)是以熱力學(xué)原理為基礎(chǔ),以最小能耗為主要目標(biāo)的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合方法,是熱集成的基礎(chǔ)[8]。如何將豐富的成果整合成為系統(tǒng)、簡捷、易操作的熱集成方法、策略,用于指導(dǎo)煉油過程工程設(shè)計(jì)、技術(shù)改進(jìn)再設(shè)計(jì)等應(yīng)用過程,是目前值得深入研究的課題。
鑒于此,筆者基于夾點(diǎn)技術(shù),在分析、整合煉油工藝裝置物流熱輸出、熱輸入原則,凝煉熱集成物流溫度與熱量確定方法的基礎(chǔ)上,提出適用于工程設(shè)計(jì)、技術(shù)改進(jìn)再設(shè)計(jì)過程的煉油多裝置熱集成策略,給出相對(duì)清晰的煉油多裝置熱集成實(shí)施步驟,并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例分析,驗(yàn)證策略的實(shí)用性,為煉油過程熱集成優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供理論和實(shí)證支持。
1基于夾點(diǎn)技術(shù)的熱集成規(guī)則
煉油生產(chǎn)裝置熱集成包括直接熱集成和間接熱集成兩種方式[8]。其中,直接熱集成包括裝置間的熱進(jìn)料、熱出料,工藝物流間的熱交換等形式;間接熱集成指借助傳熱媒介實(shí)施熱量交換的集成方式,常見的傳熱媒介包括蒸氣、熱導(dǎo)油等。熱輸出包括熱出料、單純用作熱交換的工藝物流熱量熱輸出和發(fā)生蒸氣等;熱輸入包括熱進(jìn)料、單純用作熱交換的工藝物流熱量熱輸入等。
基于夾點(diǎn)技術(shù)開展熱集成的3個(gè)基本原則[8]是:(1)夾點(diǎn)處不能有熱量穿過,即不允許跨夾點(diǎn)換熱;(2)夾點(diǎn)上方不能引入冷公用工程;(3)夾點(diǎn)下方不能引入熱公用工程。
1.1裝置物流熱輸出與熱輸入原則
圖1是組合曲線的示意圖,結(jié)合此圖與夾點(diǎn)技術(shù)基本原則,分別給出煉油生產(chǎn)裝置物流熱輸出與熱輸入的診斷原則。
熱輸出原則:夾點(diǎn)之上,溫度介于Th,s與Th,p之間,物流熱量不應(yīng)熱輸出。夾點(diǎn)之下,溫度介于Th,p與Th,b之間,物流熱量熱輸出與否,需進(jìn)一步分析;溫度介于Th,b與Th,t之間,物流熱量可以熱輸出。
熱輸入原則:夾點(diǎn)之上,溫度大于Tc,a+ΔTmin,物流熱量輸入與否,需進(jìn)一步分析;溫度介于Tc,a+ΔTmin與Th,p之間,物流熱量不應(yīng)輸入。夾點(diǎn)之下,溫度小于Th,p,物流熱量不應(yīng)輸入。
1.2物流熱輸出、熱輸入溫度與熱量確定方法
由1.1節(jié)可知,夾點(diǎn)之下,溫度介于Th,p與Th,b之間的物流的熱量熱輸出與否,需進(jìn)一步分析確定;夾點(diǎn)之上,溫度大于Tc,a+ΔTmin,物流熱量輸入與否,也需要進(jìn)一步分析確定。Zhang等[11-12]給出了一種較為直觀的物流熱輸出、熱輸入溫度與熱量確定方法。
對(duì)于圖1中溫度介于Th,p與Th,b之間的熱物流,可通過圖2所示的方法確定熱輸出溫度和熱量。首先,繪制裝置總組合曲線與擬熱輸出物流的組合曲線,將熱出料物流的組合曲線反向放置,由于x軸只表示相對(duì)焓值,故原組合曲線的物理意義不改變;然后,將反向組合曲線向左移動(dòng),直至與總組合曲線相交。此時(shí),物流與y軸交點(diǎn)Tout為熱出料/熱輸出的理論溫度,Qout為熱出料/熱輸出的理論熱量。
同理,給出圖1中溫度大于Tc,a+ΔTmin熱量有效輸入的確定方法,如圖3所示。首先,繪制熱輸入裝置的總組合曲線與熱輸入物流的組合曲線;然后,自總組合曲線坐標(biāo)軸左側(cè)開始,右移熱輸入物流的組合曲線,直至與裝置總組合曲線相交;此時(shí),熱輸入物流最高溫度Th,max與縱坐標(biāo)之間距離即為有效熱輸入負(fù)荷Qin,熱輸入物流組合曲線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)Tin即為物流熱輸入溫度起始點(diǎn)。分析發(fā)現(xiàn),如果熱物流攜帶熱量全部進(jìn)入下游裝置,則增加下游裝置冷卻負(fù)荷的量為Qch,這部分熱量應(yīng)視為無效熱輸入。
2煉油多裝置熱集成策略
基于上述分析,給出煉油多裝置熱集成策略框圖,如圖4所示。首先,選定背景煉油企業(yè),篩選并確定存在熱集成機(jī)會(huì)的生產(chǎn)裝置;基于裝置熱集成分析策略,對(duì)各個(gè)裝置進(jìn)行分析,輸出熱輸出、熱輸入物流需求信息,匯總至多裝置熱集成物流信息數(shù)據(jù)庫;基于工程知識(shí),并考慮總平面布置等約束,給出可能的跨裝置熱集成方案;對(duì)各個(gè)跨裝置熱集成匹配組合進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性分析,如經(jīng)濟(jì)性不合理,不支持該熱集成方案,如經(jīng)濟(jì)性合理,輸出該熱集成方案;最后,匯總各熱集成方案,優(yōu)化綜合裝置及裝置間換熱網(wǎng)絡(luò)。
圖4右側(cè)方框所示為裝置熱集成基礎(chǔ)分析策略框圖。首先,采集背景裝置冷熱物流基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并借助流程模擬軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正;應(yīng)用夾點(diǎn)分析工具軟件繪制裝置冷熱物流組合曲線,結(jié)合裝置物流熱輸出原則與裝置物流熱輸入原則對(duì)熱輸出、熱輸入物流進(jìn)行初步診斷,對(duì)于不需要進(jìn)一步分析的物流,可將其溫度與熱量信息直接輸出,對(duì)于需要進(jìn)一步分析的物流,應(yīng)用夾點(diǎn)分析工具軟件繪制其組合曲線,并繪制裝置總組合曲線;結(jié)合裝置物流熱輸出、熱輸入溫度與熱量確定方法確定裝置物流熱輸出、熱輸入溫度與熱量;之后,繪制熱輸出、熱輸入后裝置冷熱物流組合曲線,診斷是否仍存在物流熱輸出、熱輸入的可能;如果仍存在物流熱輸出、熱輸入的可能,返回裝置總組合曲線及需進(jìn)一步分析物流組合曲線繪制層次,循環(huán)直至不存在物流熱輸出、熱輸入可能;輸出裝置熱輸出、熱輸入物流溫度與熱量信息。
3煉油多裝置熱集成實(shí)例研究
以國內(nèi)某煉油企業(yè)A、B、C裝置的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ),開展熱集成研究,驗(yàn)證裝置熱集成分析策略與煉油多裝置熱集成策略的實(shí)用性。
3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與校正
分別采集A、B、C裝置基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行校核后,采用流程模擬軟件Aspen Plus與PRO/II對(duì)3個(gè)裝置進(jìn)行流程模擬,重現(xiàn)了設(shè)計(jì)工況,提取冷、熱物流的數(shù)據(jù),結(jié)果分別列于表1、2、3。
3.2熱集成基礎(chǔ)分析
3.2.1A裝置
以冷熱物流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),繪制A裝置冷熱物流組合曲線,如圖5(a)所示;同時(shí),繪制基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工況冷熱物流組合曲線,如圖5(b)所示。最小允許換熱溫差均取10℃。
由圖5(a),結(jié)合裝置物流熱輸出、熱輸入原則,給出A裝置熱輸出信息。溫度介于45~95℃之間,物流A-h1、A-h2、A-h3、A-h4、A-h5、A-h6、A-h12可以熱輸出;溫度介于95~231℃之間,物流A-h1、A-h2、A-h3、A-h4、A-h5、A-h6、A-h7、A-h8、A-h9、A-h10、A-h12、A-h13、A-h14熱輸出時(shí)需要進(jìn)一步分析;溫度介于231~369℃之間,物流A-h3、A-h4、A-h6、A-h7、A-h8、A-h11、A-h13、A-h14不應(yīng)熱輸出。同時(shí)給出熱輸入信息,溫度介于40~231℃之間,物流不應(yīng)熱輸入;溫度介于231~318℃之間,物流不應(yīng)熱輸入;溫度大于318℃,物流熱輸入時(shí)需分析診斷。
A裝置基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工況中,不存在熱輸入,存在3個(gè)部分的熱輸出,涉及物流A-h10與A-h11。其中,A-h10溫度介于193~168℃之間,約7680 kW熱量熱輸出至B裝置;溫度介于168~155℃之間,約3860 kW熱量用于發(fā)生0.35 MPa蒸氣;A-h11溫度介于276~233℃之間,約18280 kW熱量熱輸出至B裝置。分析發(fā)現(xiàn),熱輸出后,裝置冷公用工程負(fù)荷降低約53.5%,但熱公用工程負(fù)荷增加約22.6%,理論換熱終溫由308℃降低至288℃。
熱公用工程負(fù)荷增加,理論換熱終溫降低,表明熱輸出影響了裝置的換熱,熱輸出不合理。分析可知,物流A-h11是夾點(diǎn)之上物流,原則上不能熱輸出。因此,物流A-h11熱輸出是導(dǎo)致裝置熱公用工程增加及理論換熱終溫降低的主要原因,A-h11熱輸出熱量為18280 kW,熱公用工程負(fù)荷增加負(fù)荷為18280 kW。物流A-h10溫度介于95~231℃之間,熱輸出時(shí)需分析。按照物流熱輸出溫度與熱量確定方法,計(jì)算得到A-h10有效熱輸出溫度為206℃,最大熱輸出負(fù)荷約為16330 kW,如圖6所示。物流A-h10熱輸出溫度低于有效熱輸出溫度,熱量小于最大熱輸出負(fù)荷,因此,物流A-h10熱輸出是合理的,能夠合理降低裝置冷公用工程。
綜合上述分析可知,A裝置基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案中,物流A-h11熱輸出不合理,物流A-h10熱輸出合理,裝置基礎(chǔ)工況可接收318℃以上物流的熱輸入。如果物流A-h11熱輸出,則裝置可接收298℃以上物流的熱輸入。
3.2.2B裝置
以冷熱物流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),繪制B裝置冷熱物流組合曲線,如圖7(a)所示;同時(shí),繪制基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工況冷熱物流組合曲線(含1.0 MPa蒸氣),如圖7(b)所示。最小允許換熱溫差均取10℃。
由圖7,并結(jié)合裝置物流熱輸出、熱輸入原則,給出B裝置熱輸出信息。溫度介于38~82℃之間,物流B-h1、B-h2、B-h3、B-h4、B-h5、B-h6、B-h7、B-h8可以熱輸出;溫度介于82~89℃之間,物流B-h1、B-h4、B-h6、B-h7、B-h8熱輸出時(shí)需分析;溫度介于89~165℃之間,物流B-h1、B-h4、B-h6、B-h8不應(yīng)熱輸出。同時(shí)給出熱輸入信息。溫度介于46~152℃之間,物流不應(yīng)熱輸入;溫度大于152℃,物流熱輸入時(shí)需分析診斷。
B裝置基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案中,不存在熱輸出,存在兩個(gè)工藝物流熱輸入,即A裝置物流A-h10、A-h11。存在一個(gè)熱公用工程,即1.0 MPa蒸氣,熱輸入與熱公用工程總熱量為22680 kW。其中,A-h10溫度介于193~168℃之間的熱量為某分餾塔再沸器提供熱源;A-h11溫度介于276~233℃之間的熱量為穩(wěn)定塔再沸器提供熱源;1.0 MPa蒸氣為解吸塔再沸器提供熱源。B裝置基礎(chǔ)工況最小熱公用工程負(fù)荷為19870 kW,熱輸入與熱公用工程總熱量為22680 kW,導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工況的冷公用工程負(fù)荷比基礎(chǔ)工況增加約11.6%。
3.2.3C裝置
以冷熱物流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),繪制C裝置冷熱物流組合曲線,如圖8(a)所示;左移冷物流組合曲線,直至出現(xiàn)類夾點(diǎn),如圖8(b)所示;繪制基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工況冷熱物流組合曲線,如圖8(c)所示。最小允許換熱溫差均取10℃。
C裝置是典型的熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò)[13],最小冷公用工程被分為兩個(gè)部分,低溫位冷公用工程負(fù)荷約226240 kW,高溫位冷公用工程負(fù)荷約62770 kW,高溫位冷公用工程負(fù)荷為裝置最大熱輸出負(fù)荷。
由圖8(b),結(jié)合裝置物流熱輸出、熱輸入原則,給出C裝置熱輸出信息。溫度介于40~130℃之間,物流C-h1、C-h5、C-h6、C-h7、C-h8、C-h9、C-h10、C-h11可以熱輸出;溫度介于130~150℃之間,物流C-h1、C-h5、C-h6、C-h7、C-h9熱輸出時(shí)需分析;溫度介于150~330℃之間,物流C-h2、C-h3、C-h4、C-h5、C-h6、C-h7、C-h9熱輸出時(shí)需分析。C裝置是典型的熱端閾值問題換熱網(wǎng)絡(luò),理論不應(yīng)接收熱輸入物流。
C裝置基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案中,不存在熱輸入,存在熱輸出,即發(fā)生3.5 MPa蒸氣約80 t/h,熱量約51000 kW,低于最大熱輸出熱量約18.8%。分析發(fā)現(xiàn),與基礎(chǔ)工況相比,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工況高溫位熱公用工程熱輸出(發(fā)生3.5 MPa蒸氣)51000 kW,低于裝置最大熱輸出負(fù)荷約23.0%,同時(shí),降低裝置冷公用工程負(fù)荷約17.6%。
實(shí)質(zhì)上,C裝置熱輸出物流為C-h4,C-h4溫度介于275~330℃之間,結(jié)合表3分析發(fā)現(xiàn),物流C-h4熱量熱輸出時(shí),應(yīng)進(jìn)行分析。按照物流熱輸出溫度與熱量確定方法,給出物流C-h4熱輸出溫度與熱量,詳見圖9。物流C-h4應(yīng)輸出熱量為62770 kW,熱輸出溫度范圍為278~330℃之間。
3.3熱集成方案
分析發(fā)現(xiàn),A裝置熱物流A-h10可以熱輸出,A-h11原則不可熱輸出。但A-h11不輸出時(shí),可接收318℃以上的熱輸入物流;A-h11輸出時(shí),可接收298℃以上的熱輸入物流。B裝置不宜熱輸出,可接收152℃以上的熱輸入物流。C裝置熱物流C-h4可熱輸出,裝置不宜接收熱輸入物流。
3個(gè)工藝裝置的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)熱集成方案為,A裝置A-h10與A-h11均輸出,B裝置不消耗3.5 MPa蒸氣,C裝置C-h4發(fā)生3.5 MPa蒸氣。結(jié)合上述分析與工程知識(shí),提出3種熱集成方案。
熱集成方案1∶A裝置A-h10輸出,A-h11不輸出;B裝置消耗3.5 MPa蒸氣;C裝置C-h4發(fā)生3.5 MPa蒸氣。
熱集成方案2∶A裝置A-h10輸出,A-h11不輸出,C-h4輸入;B裝置消耗3.5 MPa蒸氣;C裝置C-h4先輸出至A裝置,再發(fā)生3.5 MPa蒸氣。
熱集成方案3∶A裝置A-h10,A-h11均熱輸出,C-h4熱輸入;B裝置不消耗3.5 MPa蒸氣;C裝置C-h4先輸出至A裝置,再發(fā)生3.5 MPa蒸氣。
以上3種熱集成方案對(duì)比列于表4,方案0為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)熱集成方案。表4中,各裝置冷公用工程消耗耗能工質(zhì)均假定為循環(huán)水,價(jià)格為0.03 RMB/kW;A裝置熱公用工程消耗能源為燃料氣,價(jià)格為0.43 RMB/kW,B裝置熱公用工程消耗能源為3.5 MPa蒸氣,價(jià)格為0.40 RMB/kW。由表4可知,對(duì)于A、B、C 3個(gè)裝置,方案3能源消耗費(fèi)用最低,為最佳熱集成方案。
方案3中,A裝置物流A-h10與A-h11均輸出至B裝置,C裝置物流C-h4輸入至A裝置。A-h11是A裝置夾點(diǎn)之上的物流,按照2.1節(jié)中“夾點(diǎn)之上,溫度介于Th,s與Th,p之間,物流熱量不應(yīng)熱輸出”原則,不應(yīng)熱輸出。實(shí)質(zhì)上,如僅熱輸出A-h11,必然導(dǎo)致裝置最小熱公用工程負(fù)荷的增加,如方案0。分析圖6可知,夾點(diǎn)之上,溫度介于230~300℃之間,總組合曲線存在一個(gè)熱量的“口袋”[8],其斜率為負(fù)部分可與斜率為正部分實(shí)施自匹配,但自匹配時(shí),該區(qū)域傳熱溫差較低,使得換熱網(wǎng)絡(luò)傳熱驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較小。如果存在高于此溫度區(qū)間的熱輸入,則可以通過部分熱輸出本溫度區(qū)間物流增大換熱網(wǎng)絡(luò)傳熱的驅(qū)動(dòng)力。由此,方案3中A-h11熱輸出是合理的。相對(duì)于方案0,能源消耗費(fèi)用約可降低21.0%。
分析認(rèn)為,筆者提出的煉油多裝置熱集成策略步驟明晰,便于應(yīng)用,可廣泛用于指導(dǎo)煉油企業(yè)工程設(shè)計(jì)與技術(shù)改進(jìn)再設(shè)計(jì)。但熱集成方案確定過程中,理論原則要受到工程條件的約束。
4結(jié)論
基于夾點(diǎn)技術(shù),歸納了煉油工藝裝置物流熱輸出、熱輸入原則與熱集成物流溫度與熱量確定方法,進(jìn)而提出了煉油多裝置熱集成策略?;谠摬呗?對(duì)某煉油企業(yè)A、B、C裝置進(jìn)行熱集成研究。其中,A裝置物流A-h11熱輸出至B裝置不符合夾點(diǎn)原則,使得A裝置理論換熱終溫由308℃降低至288℃。但由于物流A-h11位于A裝置總組合曲線熱量“口袋”位置,輸出該物流可降低A裝置接收熱輸入物流的溫度,為C-h4的熱輸入提供了契機(jī),同時(shí)可避免B裝置消耗3.5 MPa蒸氣。對(duì)比分析熱集成方案發(fā)現(xiàn),與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工況熱集成方案相比,方案3最為合理,可降低能源消耗費(fèi)用約21.0%,有利于全廠節(jié)能降耗。研究表明,煉油多裝置熱集成策略步驟清晰,方法便捷,可用于指導(dǎo)煉油企業(yè)工程設(shè)計(jì)、技術(shù)改進(jìn)再設(shè)計(jì)等過程的熱集成應(yīng)用。
符號(hào)說明:
Q——熱負(fù)荷,MJ;
T——溫度,℃;
ΔT——換熱溫差,℃;
下角標(biāo)
a——冷物流換熱終溫;
b——熱物流換熱終溫;
c——冷物流;
ch——無效熱輸入;
h——熱物流;
in——熱輸入;
max——最大;
min——最小;
out——熱輸出;
p——夾點(diǎn);
s——起始;
t——目標(biāo)。
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Strategy Research and Application for Multi-Units Heat Integration in Refining Enterprises Based on Pinch Technology
WEI Zhiqiang, SUN Lili
(EngineeringIncorporation,SINOPEC,Beijing100101,China)
Key words:heat integration; strategy; multi-units; refining
Abstract:Based on pinch technology, the principle of heat output and input for refinery units was presented, and the method to identify the temperature and heat duty for the heat integrated stream was concluded. Furthermore, the multi-units refinery heat integration strategy was proposed. According to the strategy, a heat integration case study for three refinery units was detected and then three solutions were provided. Compared with the base design case, the energy consumption cost was reduced by about 21.0% in the third solution, which contributes to reduce the energy consumption for the whole plant, so the third design was more reasonable than others. The multi-units heat integration strategy for refining enterprises was a convenient method with clear procedures, which could be used to guide the design and re-design processes on refining enterprises.
收稿日期:2015-01-22
文章編號(hào):1001-8719(2016)02-0221-09
中圖分類號(hào):TQ028.8
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.02.001
通訊聯(lián)系人: 魏志強(qiáng),男,高級(jí)工程師,博士,從事石油化工能量系統(tǒng)分析、評(píng)價(jià)與優(yōu)化方面的研究;E-mail:weizhiqiang@sei.com.cn