《二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析與優(yōu)化》論文發(fā)表期刊：《石化技術(shù)》；發(fā)表周期：2021年03期

《二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析與優(yōu)化》論文作者信息：蔡寶祥

　　摘要：針對目前二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)，點(diǎn)能源消耗量大的問題，開展二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析與優(yōu)化研究。通過對二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提取、換熱網(wǎng)絡(luò)操作型夾點(diǎn)進(jìn)行分析，并通過換熱網(wǎng)絡(luò)夾，點(diǎn)溫差提取，提出換熱網(wǎng)絡(luò)具體改造方案，以期為減少冷卻和加熱公用工程量提供指導(dǎo)意見。

　　關(guān)鍵詞：二甲苯裝置 換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析 改造方案

　　Abstract: Aiming at the problem of large energy consumption of heat exchange network nodes in the existing xylene plant, the energy consumption of the heat exchange network nodes is high. Pinch analysis and optimization of heat exchanger network in xylene plant were carried out. Through the data extraction of heat exchanger network and the analysis of operational pinch points of heat exchanger network in xylene plant, By extracting the pinch temperature difference of the heat exchanger network, the specific transformation scheme of the heat exchanger network is proposed. In order to provide quidance for reducing cooling and heating utilities

　　Keywords: xylene plant; Heat exchanger network: Pinch analysis: Transformation scheme

　　二甲苯是一種常見的有機(jī)化合物，是石油化工中間體的一種，同時(shí)也常用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，二甲苯的市場需求量不斷增加，二甲苯裝置的能耗在當(dāng)前能源危機(jī)形勢下備受人們的關(guān)注"。網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)技術(shù)是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)裝置診斷及優(yōu)化的主要技術(shù)方法，其在實(shí)際運(yùn)行過程中以熱力學(xué)理論作為基礎(chǔ)，從整體宏觀角度對裝置內(nèi)部系統(tǒng)的能量溫度分布進(jìn)行分析，并從中找出裝置用能的關(guān)鍵部位，提出具體的優(yōu)化措施，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)裝置節(jié)能的目的。在當(dāng)前能量綜合運(yùn)用領(lǐng)域當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛2。本文將針對二甲苯生產(chǎn)裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行分析，并通過夾點(diǎn)對裝置的換熱進(jìn)行診斷及優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對裝置的節(jié)能改造。

　　1 二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析

　　1.1 二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提取為探究二甲苯裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)方法，以福海創(chuàng)石油化工有限公司80萬噸年的二甲苯工程及整體公用配套工程校審所使用的芳烴聯(lián)合裝置為例，對二甲苯裝置進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)物流數(shù)據(jù)提取3)。采用該裝置現(xiàn)行的換熱網(wǎng)絡(luò)，其中冷流為5股、熱流為16股，部分熱流及冷流數(shù)據(jù)如表1所示。

　　表1中，H表示換熱網(wǎng)絡(luò)熱流編號;C表示換熱網(wǎng)絡(luò)冷流編號。通過對二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)冷流、熱流物流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出，若在換熱網(wǎng)絡(luò)完全沒有熱量回收的情況下，需要冷、熱公用配套工程分別為15000kW和7500k W。而根據(jù)當(dāng)前傳統(tǒng)二甲苯裝置的流程以及工況統(tǒng)計(jì)，得到的換熱網(wǎng)絡(luò)冷卻和加收，同時(shí)也說明二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)存在不合理問題，并且其更大的節(jié)能潛力并未充分發(fā)揮。

　　1.2換熱網(wǎng)絡(luò)操作型夾點(diǎn)分析通過對二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程的用能進(jìn)行診斷分析得出，當(dāng)前二甲苯裝置的能量流動(dòng)通常采用操作型夾點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。因此，本文將結(jié)合溫圖法以及問題表法，確定換熱網(wǎng)絡(luò)操作型夾點(diǎn)的位置以及具體溫差。在進(jìn)行求解的過程中，首先應(yīng)當(dāng)按照二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)冷流、熱流物流數(shù)據(jù)，確定初始狀態(tài)溫度和停止?fàn)顟B(tài)溫度，并確定其區(qū)界溫度1。其次，對區(qū)界溫度形成的每一組溫度區(qū)間按照熱級聯(lián)公式進(jìn)行計(jì)算。

　　P=S-E

　　式(1)中：P表示某一子網(wǎng)絡(luò)向外界或其他子網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中排放的實(shí)際熱量，kW;S表示為由外界或其他子網(wǎng)絡(luò)提供給該子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際熱量，kW;E表示某一子網(wǎng)絡(luò)自身的赤字，并且該網(wǎng)絡(luò)為實(shí)現(xiàn)熱量的平衡，在運(yùn)行過程中還需要不斷增加凈熱量，kW。公式(1)中凈熱量E的計(jì)算公式為：

　　式中：Epe.和Epa分別表示子網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中包含所有冷物流數(shù)據(jù)和熱物流數(shù)據(jù)的熱容流率之和，kW/C;tn-tn+1表示在某一子網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中不同溫度區(qū)間的間隔。結(jié)合計(jì)算結(jié)果以及夾點(diǎn)技術(shù)的基本應(yīng)用規(guī)則，即避免二甲苯裝置在換熱網(wǎng)絡(luò)中、避免通過夾點(diǎn)以及夾點(diǎn)上方時(shí)避免引入冷卻公用工程，避免在夾點(diǎn)下方位置引入加熱共用工程，分析得出當(dāng)前傳統(tǒng)二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)存在極為不合理支出，需要對其操作型夾點(diǎn)的溫差進(jìn)行優(yōu)化。

　　2二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)優(yōu)化

　　2.1 換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)溫差提取從節(jié)約能源、降低投資成本以及避免多余操作費(fèi)用的角度出發(fā)，二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)最小傳熱溫差應(yīng)當(dāng)在12.5-18.5℃范圍以內(nèi)。為方便后續(xù)優(yōu)化策略的具體實(shí)施，對最小傳熱溫差A(yù)的取值為18.5℃，結(jié)合問題表法和MATLAB數(shù)據(jù)分析軟件，對換熱網(wǎng)絡(luò)的熱量進(jìn)行計(jì)算，并求解出最小加熱公用工程以及最小冷卻公用工程。按照目前二甲苯裝置實(shí)際換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況進(jìn)行計(jì)算，得出如表2所示的熱流量數(shù)據(jù)。

　　由表2得出，二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)中子網(wǎng)絡(luò)103和104界面處的熱流量為0，則可將該點(diǎn)作為操作型夾點(diǎn)，將得到的熱流溫度和冷流溫度與傳統(tǒng)二甲苯裝置的公用工程進(jìn)行比較，此時(shí)加熱與冷卻公用工程的節(jié)能潛力更大，可發(fā)揮節(jié)電技術(shù)的最大應(yīng)用優(yōu)勢。

　　2.2換熱網(wǎng)絡(luò)具體改造方案根據(jù)節(jié)電技術(shù)設(shè)計(jì)原則及優(yōu)化改造原則，得到換熱網(wǎng)絡(luò)具體改造方案示意圖，如圖1所示。圖1中線上頂端的數(shù)值代表溫度，圓形圖案內(nèi)編號代表冷流、熱流公用工程冷卻器和加熱器。垂直的豎線表示夾點(diǎn)的具體位置。傳統(tǒng)二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)中的熱流股夾點(diǎn)上存在多個(gè)冷卻器裝置，違背了夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用原則，增加其額外的公用工程消耗。同時(shí)，冷流股節(jié)點(diǎn)上也存在多個(gè)加熱器裝置，導(dǎo)致冷物流加熱的情況產(chǎn)生。因此，為盡可能利用冷、熱物流自身的匹配，達(dá)到對二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)的節(jié)能目的，同時(shí)考慮到原始換熱網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)，按照圖1的方案，在盡可能減少結(jié)構(gòu)變動(dòng)的基礎(chǔ)上，降低改造的投資費(fèi)用。由于進(jìn)行二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)技術(shù)過程中，受到最小傳熱溫差的影響，因此匹配換熱的冷流股和熱流股出口位置上的溫度均需要設(shè)定相應(yīng)的上限和下限，始終保持其溫度的變化在規(guī)定的溫度范圍以內(nèi)。在回收換熱網(wǎng)絡(luò)中多余熱量時(shí)，應(yīng)當(dāng)始終保持網(wǎng)絡(luò)簡便、設(shè)備數(shù)量的變動(dòng)較少的狀態(tài)，對二甲苯裝置整體集成換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整。在具體操作時(shí)，可通過增加2臺面積相對較小的混熱器，在操作型夾點(diǎn)之上進(jìn)行熱流股的流動(dòng)，將其多余熱量通過回收的形式，轉(zhuǎn)換到冷流股當(dāng)中，并對冷流股進(jìn)行加熱，從而降低冷、熱公用工程用量，實(shí)現(xiàn)對二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能優(yōu)化。

　　3結(jié)束語

　　本文通過對現(xiàn)行帶有夾點(diǎn)技術(shù)的二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，得出當(dāng)前二甲苯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)的溫度相差較大，并且在實(shí)際應(yīng)用過程中存在違背夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用原則，造成能源使用不合理的問題。針對這一問題，通過實(shí)施優(yōu)化改造策略可以有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能，解決加熱和冷卻工程中能量消耗大的問題。參考文獻(xiàn)

　　[1]蘇俊玲，呼曉昌，水夾點(diǎn)技術(shù)在DCC裝置循環(huán)水換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的應(yīng)用[].石油和化工節(jié)能，

　　2019(5)：28-35.

　　[2]除鵬，羅娜，基于競爭機(jī)制差分進(jìn)化算法的無分流換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2019，45(6)：970-979.

　　[3]劉昶，李士雨，謝曉蘭，考慮間接換熱額外換熱溫差的間歌過程儲熱集成[J.化工進(jìn)展，2020，39(1)：72-79

　　[4]黃小僑，張宛麗，李如春，等.原油蒸餾裝置及其換熱網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化[J.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2019，43(1)：162-168.