夾點技術優(yōu)化改造蠟油加氫裂化裝置換熱網(wǎng)絡及有效能分析

李中華，肖武，賀高紅，杜艷澤，方向晨，羅立

（1大連理工大學精細化工國家重點實驗室，膜科學與技術研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116024；2中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001；3北京沃利帕森工程技術有限公司，北京100015）

夾點技術優(yōu)化改造蠟油加氫裂化裝置換熱網(wǎng)絡及有效能分析

李中華1，肖武1，賀高紅1，杜艷澤2，方向晨2，羅立3

（1大連理工大學精細化工國家重點實驗室，膜科學與技術研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116024；2中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001；3北京沃利帕森工程技術有限公司，北京100015）

針對某煉廠150萬噸蠟油加氫裂化裝置，采用單段串聯(lián)+冷高分+常壓塔+減壓塔+輕烴吸收塔工藝流程，基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)利用Aspen Plus軟件對裝置中反應部分和分離部分的各個單元模塊進行模擬，通過參數(shù)的調(diào)整，使得模擬結果與標定數(shù)據(jù)達到很好的吻合，進而獲得各個流股的熱力學參數(shù)。結合夾點技術對其換熱網(wǎng)絡進行能效分析，進而找到該工藝流程中的用能“瓶頸”，在不改變裝置主要設備的前提下，對現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡調(diào)優(yōu)并模擬計算得到節(jié)能方案，同時利用有效能分析方法對改造前后換熱網(wǎng)絡進行用能評價。調(diào)優(yōu)后，熱公用工程用量為25709kW，相比原工藝流程節(jié)約了42.20%，冷公用工程用量為29863kW，相比原工藝流程節(jié)約了38.50%；總體來看改造方案相比原工藝流程節(jié)約了17.19kgEO/t的能耗。換熱網(wǎng)絡的總?損失也由原來的13530kW降低到8477kW，總?損失降低了37.35%。

加氫裂化；有效能分析；換熱網(wǎng)絡；夾點技術

近年來隨著石油產(chǎn)品消費結構的變化和原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化趨勢的日益明顯，世界各國基于環(huán)境保護的要求對石油產(chǎn)品質(zhì)量的限制達到了近乎苛刻的程度[1-2]。加氫裂化技術將油品輕質(zhì)化和清潔化加氫過程融為一體，加之原料適應性強及生產(chǎn)方案靈活的操作特點，受到了國內(nèi)外煉油和石化行業(yè)的廣泛關注[3-4]。國內(nèi)加氫裂化裝置中能耗大約在30kgEO/t到60kgEO/t之間，高于國外水平，因此對其進行節(jié)能優(yōu)化顯得十分必要[5]。

華南理工大學的葉劍云[6]針對加氫裂化裝置的用能“瓶頸”，提出基于冷高分流程的用能優(yōu)化策略和基于熱高分流程用能的優(yōu)化策略實現(xiàn)工藝流程的優(yōu)化，分別使得裝置能耗減少4kgEO/t和10kgEO/t。大連理工大學的白濱[7]在某煉廠年產(chǎn)80萬噸加氫裝置基礎上提出相應技術改造方案，增加熱高壓分離罐與熱低壓分離罐，大幅度降低其工藝能耗。中國石化金陵分公司對主汽提塔進料溫度對工藝能耗的影響進行了考察，通過優(yōu)化塔的操作變量，使得年收入增加了415萬元[8]?？梢钥闯?，對于加氫裂化裝置的節(jié)能優(yōu)化研究，目前主要是針對單元設備或局部過程進行改造，普遍缺乏系統(tǒng)全局的綜合考慮。

本文根據(jù)某煉廠年產(chǎn)150萬噸的蠟油加氫裂化工藝裝置，利用Aspen Plus實現(xiàn)流程的準確模擬，在此基礎上，結合夾點技術及有效能分析兩種用能評價方法對換熱系統(tǒng)能效進行計算分析，找到工藝流程中的用能“瓶頸”，對現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡進行調(diào)優(yōu)并模擬計算得到節(jié)能優(yōu)化方案。

1 蠟油加氫裂化工藝流程簡介

某煉油廠蠟油加氫裂化裝置以焦化蠟油和沙輕直餾蠟油的混合油為原料，生產(chǎn)輕石腦油、柴油、航煤、重石腦油以及液化氣。裝置規(guī)模為150×104t/a，工藝過程主要包括反應部分、分餾部分、液化氣分餾與脫硫部分、輕烴回收及氣體脫硫部分、溶劑再生部分這五大模塊，具體工藝流程圖見圖1、圖2。

2 加氫裂化裝置換熱網(wǎng)絡的用能分析

2.1 物流數(shù)據(jù)的提取

通過Aspen Plus對工藝流程的穩(wěn)態(tài)模擬，獲得了相對可靠的物料平衡和能量平衡相關數(shù)據(jù)。根據(jù)提取物流所需要遵循的規(guī)則，可以從裝置中提取出21條物流來構造初始換熱網(wǎng)絡，其中包括11條冷流股和10條熱流股，所提取的每條流股的數(shù)據(jù)信息包括初始溫度T0、目標溫度T1、熱容流率CP以及熱負荷Q，具體物流數(shù)據(jù)見表1。

2.2 換熱網(wǎng)絡的夾點分析

把提取出的冷熱物流數(shù)據(jù)輸入到Aspen Energy Analyzer中進行夾點分析，考慮到換熱網(wǎng)絡改造費用、熱回收能量以及裝置操作彈性等諸多因素[9-11]，確定最小夾點溫差為12℃，系統(tǒng)的冷熱組合曲線如圖3所示。

經(jīng)分析得到夾點溫度為193℃，即熱流股的夾點溫度為199℃，冷流股的夾點溫度為187℃，該蠟油加氫裂化裝置所需要的熱公用工程最小用量為20968kW，所需要的冷公用工程最小用量為26558kW。該工藝體系實際所用的熱公用工程為44525kW，冷公用工程為48551kW，和最大熱回收換熱網(wǎng)絡的公用工程用量相比，目前的換熱網(wǎng)絡仍存在著45550kW的節(jié)能空間。通過夾點分析發(fā)現(xiàn)工藝流程中存在著明顯的換熱匹配不合理的部分，其中E1021、E1014、E1020、E1018、E1006、E1007及E1005這7臺換熱器存在跨越夾點進行傳熱的問題，而編號為CU1、CU2及CU3的冷卻器則出現(xiàn)了在夾點上方進行流股冷卻的問題。因為這些違背夾點設計規(guī)則的存在，造成了公用工程22938kW的能量懲罰。

2.3 換熱網(wǎng)絡的有效能分析

相比于夾點分析注重獲取工藝體系中最大的能量回收目標而言，有效能分析則更加注重用能工藝體系的熱力學性能，并能夠定量地對每一個單元設備的用能質(zhì)量進行準確描述[12-14]，根據(jù)Aspen Plus所模擬出來的加熱爐、換熱器及空冷器對應流股的相關參數(shù)，可以得到冷熱換熱設備的能量平衡表，計算其?損失及?效率。以加熱爐F1001為例進行有效能分析，加熱爐F1001的操作溫度為769K，操作壓力為17.23MPa（表壓），實際熱負荷為13971.5kW。被加熱流股為加氫裂化反應器進料，進料的參數(shù)為：進口溫度T1=629K；出口溫度T2=769K；流量m=10633.8kmol/h，環(huán)境溫度T0=293K，P=17.36MPa。詳細的計算過程見式(1)～式(7)。

圖1 反應部分流程示意圖

圖2 分餾流程示意圖

表1 冷熱物流數(shù)據(jù)表

圖3 物流組合曲線

進料的出口?

對于塔設備的有效能分析則重點從以下角度進行考慮。塔的用能主要在于塔底重沸器和塔頂冷凝器的負荷，合理地匹配塔體的熱量平衡，采用適當?shù)倪M料溫度和回流比及回流溫度是節(jié)能的關鍵所在。塔的能量平衡分為供入能量（進料帶入、蒸汽帶入、加熱或塔底再沸器供熱）、產(chǎn)品帶出能量和回流取熱能量及設備的散熱損失等，?平衡要考慮分離?及過程?損的計算。

對于換熱器、空冷器、水冷器和蒸汽發(fā)生器而言，一般有熱流和冷流兩股物流，通過Aspen Plus流程模擬計算軟件，計算出熱流體的焓差，即為熱流體所放出的熱量；計算出冷流體的焓差，即為冷流體所吸收的熱量，兩者之差即為換熱設備的熱損失，歸為換熱設備的散熱，從而可以求出冷換設備的換熱效率，計算分析結果見表2。

表2 換熱設備能量平衡和?平衡表

冷熱換熱設備的?損分布可以直觀地找到工藝過程中用能相對比較薄弱的環(huán)節(jié)[15-17]，在這套蠟油加氫裂化工藝中各個換熱設備的?損分布如圖4所示。

圖4 換熱設備?損分布圖

從圖4中可以看到A1001、A1004、E1003?損失所占比例相對較大，達到了換熱系統(tǒng)總?損失的42%。雖然E1016、E1017、E1018、E1020、E1021、A1008的?效率較低，但是由于熱負荷較小，相應的?損失份額也較小。與此相反，F(xiàn)1002、E1006、E1007的熱負荷較大，所以就導致了與之相對應的?損失較大，達到了3500kW，占總?損失的21%。

3 加氫裂化裝置換熱網(wǎng)絡的節(jié)能改造

3.1 節(jié)能改造方案的提出

在蠟油加氫裂化工藝流程總體上不發(fā)生改變的前提條件下，依據(jù)夾點設計規(guī)則對上述造成公用工程能量懲罰的換熱設備進行改造，進而實現(xiàn)現(xiàn)有設備的充分利用，達到節(jié)能降耗的根本目的，改造方案具體從以下方面來實施。

（1）在原換熱網(wǎng)絡之中，H1通過換熱器E1005與C2進行熱交換，造成2231kW的熱量穿越夾點。要想消除E1005穿越夾點進行熱交換這一問題，需要做出以下改進：在原換熱網(wǎng)絡夾點的上方引入一個新的換熱器New1，讓H1經(jīng)過換熱器E1001、E1002及E1003之后，將換熱器E1004的換熱量從7046kW減小到4921kW，再與C4進行熱交換，New1的熱負荷為4356kW，接著再通過換熱器E1005將H1從273℃冷卻到目標溫度260℃；在原換熱網(wǎng)絡夾點的下方，則引入新?lián)Q熱器New3，讓H9與C2進行熱交換，使得H9從夾點溫度199℃冷卻到188℃，而C2則從131℃加熱到了夾點溫度187℃。

（2）在原換熱網(wǎng)絡之中，H3通過換熱器B24與C10進行熱交換，換熱器B24的熱負荷為5603kW，此時H3的溫度為308℃，還未達到目標溫度240℃，因此利用CU1直接將H3從308℃冷卻到目標溫度，這樣造成了原換熱網(wǎng)絡夾點上方出現(xiàn)5031kW的能量流失。為了減小該能量損失，將換熱器B24的熱負荷從5603kW增加到7728kW，進而將冷公用工程從5031kW縮小到了2906kW。

（3）對于CU2和CU3兩處同樣是在夾點上方引入冷卻公用工程的問題，造成的公用工程懲罰分別為801kW和519kW，相比CU1來講能量懲罰較??；同理，換熱器E1020以及E1021穿越夾點傳熱分別為696kW和304kW，相比來說造成的能量損失也比較小，一旦對其進行改進，將會引起換熱網(wǎng)絡比較大的改動，所以對此沒有進行相應的改動。

（4）在原換熱網(wǎng)絡之中，H5通過換熱器E1006與C12進行熱交換，造成6279kW的熱量穿越夾點，熱流股從260℃冷卻到216℃，尚未達到目標溫度，隨即又通過換熱器E1007與C2進行熱交換，從216℃冷卻到目標溫度167℃，造成2048kW的熱量穿越夾點。為了解決這一問題，在原換熱網(wǎng)絡夾點的上方引入一個新的換熱器New2，令H5通過換熱器New2與C8進行熱交換，使得H5從260℃先冷卻到212℃，進而再通過換熱器E1006將H5從212℃冷卻到夾點溫度；在換熱網(wǎng)絡夾點的下方，讓H15與C12充分進行熱交換，使得C12從49℃直接加熱到夾點溫度，實現(xiàn)流股之間熱量的充分利用。

（5）在原換熱網(wǎng)絡之中，H9先通過換熱器E1018與C22進行熱交換，造成1785kW的熱量穿越夾點，進而又通過換熱器E1014與C18進行熱交換，造成3244kW的熱量穿越夾點。為了避免換熱器E1018和E1014造成的能量懲罰，在原換熱網(wǎng)絡夾點的上方，通過換熱器E1018讓H9與C14進行換熱，使得C14從夾點溫度直接加熱到了目標溫度，接著再讓H9通過換熱器E1014與C4進行熱交換；而在原換熱網(wǎng)絡夾點的下方，則讓H11與C22進行換熱匹配，令H9與C18進行直接換熱。

經(jīng)過改造之后的加氫裂化換熱網(wǎng)絡柵格圖如圖5所示?；谏厦娴玫降某醪礁脑旆桨福M行蠟油加氫裂化工藝流程的模擬，圖6展示了換熱網(wǎng)絡節(jié)能改造方案。

3.2 節(jié)能改造方案的用能分析

經(jīng)過工藝流程的準確模擬，節(jié)能改造方案中的熱公用工程用量為25709kW，相比原工藝流程來講節(jié)約了42.2%；冷公用工程用量為29863kW，相比原工藝流程來講節(jié)約了38.5%；總體來看節(jié)能改造方案中的公用工程相比原工藝流程來講節(jié)約了17.19kgEO/t。

此外，節(jié)能改造方案中各個換熱器的操作參數(shù)見表3，從有效能的角度來對換熱網(wǎng)絡改造前后的冷熱換熱設備的?損失進行對比分析見表4。從表4可以看出改造之后的換熱網(wǎng)絡設備中有2臺空冷機的?損失相比于改造前的換熱網(wǎng)絡有很大程度的降低，經(jīng)過計算可知空冷機A1001的?效率也從原來的21%提高到35.8%；換熱器E1003的匹配關系和熱負荷沒有發(fā)生變化，所以有效能損失不變；改造之后的換熱網(wǎng)絡設備中還有7臺換熱器的?損失相比于改造前的換熱網(wǎng)絡也有一定程度的降低，經(jīng)過計算可知換熱器E1005的?效率從原來的83.4%提高到86.1%，換熱器B24的?效率從原來的91%提高到94.2%，換熱器E1018的?效率從原來的65.2%提高到89.2%?？梢钥闯鰺o論從公用工程的用量角度還是從冷熱換熱設備的有效能利用角度來講，改造之后的換熱網(wǎng)絡都比改造前的換熱網(wǎng)絡有明顯的工程優(yōu)勢。

圖5 改造后的理論換熱網(wǎng)絡

圖6 換熱網(wǎng)絡節(jié)能改造方案

圖6所示的最終的換熱網(wǎng)絡節(jié)能改造方案雖然增加了6個新的換熱器，但是和原換熱網(wǎng)絡相比，增加的總換熱面積為886m2，換熱面積的增加比例較?。煌瑫r由于提高了能量回收率，可以減少兩臺加熱爐F1003和F1004。所以，從以上數(shù)據(jù)分析可知，改造方案的投資費用不會有大的增加。從本文分析的系統(tǒng)能量利用效率和有效能效率來看，本改造方案的效果應該是可行的。

表3 節(jié)能方案中的換熱器操作參數(shù)

表4 換熱網(wǎng)絡改造前后換熱設備的?損失對比表

4 結論

本文以某煉廠150萬噸蠟油加氫裂化裝置的現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡為研究對象，結合夾點技術和有效能分析兩種用能評價方法對其換熱網(wǎng)絡進行能效分析，在不改變裝置主要設備的前提下，對現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡提出了節(jié)能改造方案。

（1）確定最小夾點溫差為12℃，虛擬熱流股的夾點溫度為199℃，虛擬冷流股的夾點溫度為187℃，該蠟油加氫裂化裝置的目標是熱公用工程最小用量為20968kW，冷公用工程最小用量為26558kW，目前的換熱網(wǎng)絡仍存在45550kW的節(jié)能空間。

（2）通過夾點分析發(fā)現(xiàn)工藝流程中存在著明顯的換熱匹配不合理的部分，E1021、E1014、E1020、E1018、E1006、E1007及E1005這7臺換熱器存在跨越夾點進行傳熱的問題，而編號為CU1、CU2及CU3的冷卻器則出現(xiàn)了在夾點上方進行流股冷卻的問題，因此造成了公用工程22938kW的能量懲罰。利用有效能分析發(fā)現(xiàn)A1001、A1004、F1002、E1006、E1007、E1003等設備的?損失較大，占總?損失的63%。

（3）根據(jù)夾點設計規(guī)則，對換熱網(wǎng)絡提出節(jié)能改造方案，即新增6臺換熱器，拆除2臺加熱爐。改造后，熱公用工程用量為25709kW，相比原工藝流程節(jié)約了42.20%，冷公用工程用量為29863kW，相比原工藝流程節(jié)約了38.50%；總體來看改造方案相比原工藝流程節(jié)約了17.19kgEO/t的能耗。換熱網(wǎng)絡的總?損失也由原來的13530kW降低到8477kW，總?損失降低了37.35%。

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Optimization and reformation of heat exchanger network for wax oil hydrocracking unit by pinch technology and exergy analysis

LI Zhonghua1，XIAO Wu1，HE Gaohong1，DU Yanze2，F(xiàn)ANG Xiangchen2，LUO Li3
（1State Key Laboratory of Fine Chemicals R&D Center of Membrane Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，China；2Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，F(xiàn)ushun 113001，Liaoning，China；3Beijing Worley Parsons Engineering Technology Co.，Ltd.，Beijing 100015，China）

A wax oil hydrocracking process unit with annual capacity of 1.5 million tons in a refinery was simulated using Aspen Plus. The unit included single segment series，cold high pressure column，and light hydrocarbon absorber vacuum tower. Based on the basic production data of wax oil hydrocracking units，Aspen Plus software was used to establish a strict mathematical model for each module in the process. By adjusting the model parameters，the simulation results and calibration data were in a good agreement. Then thermodynamic parameters of different streams were obtained from the simulation. Based on the simulation，the "bottleneck" of the heat exchanger network for the process was identified using pinch analysis.，With the premise of not changing the main equipment of the system，the tuning and simulation of the existing heat exchanger network were achieved for the energy-saving program. The effective energy analysis method was also used to evaluate the heat exchange network before and after the reformation. After the tuning，the amount of hot utility wasthe 25709kW that is 42.2% less than original process；the amount of cold utility was 29863kW that was 38.5% less than the original process. Overall，the transformation program would save energy 17.19kgEO/t total exergy loss of the heat exchanger network would be reduced to 8477kW from 13530kW with the total exergy loss decreased by 37.35%.

hydrocracking；exergy analysis；heat exchanger network；pinch technology

TE624.41

A

1000–6613（2017）04–1231–09

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.011

2016-10-08；修改稿日期：2016-11-03。

中國石油化工股份有限公司（X514001）、國家留學基金（201506060258）、長江學者獎勵計劃（T2012049）、遼寧省高等學校創(chuàng)新團隊（LT2015007）及中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金（DUT16TD19）項目。

李中華（1991—），女，碩士研究生。聯(lián)系人：肖武，博士，副教授，從事化學工程、化工系統(tǒng)工程及過程強化等方面研究。E-mail：wuxiao@dlut.edu.cn。