换热器计算软件
铝换热器
石墨列管式换热器
新闻动态
乙烯装置预冷统换热网络的节能节七化点击：1610 日期：[ 2014-04-26 22:21:18 ] |
| 乙烯装置预冷统换热网络的节能节七化 1.马相坤 1.姚平经 2.钱新华 2.魏哲如 (1 .大连理工大学化工系统工程研究所，辽宁大连116012;2.中国石油天然气集团公司抚顺石化分公司，辽宁抚顺113004;3.德国汉堡国防大学热力学研究所，德国汉堡D - 22039) 摘要:利用虚拟温度法(流股有效温位)对国内某乙烯装置冷箱系统进行用能诊断分析，找出过程系统的用能“瓶颈”，并针对低温过程传热温差较小以及冷公用工程采用中间公用工程的特点，提出了低温过程多流股换热器网络的综合方法;该方法能够有效的利用冷热流股的有效温位，使冷公用工程的操作费用达到最小，得到合理的换热网络，并且在优化流股传热温差贡献值过程中，考虑了各流股温度、传热膜系数和换热器材质的影响，因此可以用于不同材质、不同传热膜系数低温换热网络的设计和优化;将该方法应用于国内某乙烯装置冷箱系统的综合中，与现场用能情况相比，冷公用工程用量降低了44.5%;结果表明该方法在工程中是可行的。 关键词:乙烯装置;低温过程;多流股换热器网络;流股传热温差贡献值 中圈分类号:Q946.885.7;TE0 文献标识码:、文章编号二。253一4320(2006)S2一0306一。 乙烯是有机化工工业的一种最重要的基础原料，世界各国都以乙烯产量作为衡量石油化工发展水平的重要标志川。我国的乙烯工业起步较晚，基础薄弱、技术落后以及规模小是当今企业的弱点，因此依托老基地，采用乙烯装置技术发展的最新成果，充分挖掘老装置的潜力，通过技术改造，消除瓶颈制约，走扩大生产能力与提高技术装备水平、内涵挖潜与扩能改造相结合的道路，是改变我国乙烯工业落后面貌的必然选择。 乙烯冷箱系统主要用于完成氢气、甲烷的分离任务，为脱甲烷塔提供适宜的进料，以及高压甲烷回流液的预冷。冷箱系统所需冷量约占总冷负荷的40%，对保证乙烯收率、乙烯产品、氢气及甲烷副产品的质量起着决定性的作用，尤其在夏季生产时制冷效果较差，即乙烯制冷和丙烯制冷能力不足，相对应的和甲烷形成的三元复迭制冷乙烯蒸发器达不到预期的温度，造成换热效果差，脱甲烷塔顶温度高，塔顶乙烯的携带量大，直接影响乙烯的回收，约减产5%，因此优化冷箱系统换热网络结构，有效利用低温冷源，有利于系统冷量的回收，降低冷公用工程负荷，减轻压缩机的负担。 笔者利用流股虚拟温度法对国内某乙烯装置冷箱系统进行用能分析，找出过程系统的用能“瓶颈”，利用遗传模拟退火算法进行低温过程多流股换热器网络的综合，获得合理的换热网络结构。 1 乙烯冷箱系统的用能分析 1.1 流程说明 乙烯装置冷箱、脱甲烷塔系统主要完成氢气、甲烷和碳二以上馏分(C2+ S )的分离任务。国内某乙烯装置冷箱采用低压法脱甲烷方案，如图1所示。在实际生产中，冷量的供应是整个脱甲烷系统正常运转的关键，总是希望以最小的能耗获得最大的乙烯收率，因此应该对乙烯冷箱系统换热网络进行优化综合。 1.2 数据的提取 根据该乙烯装置冷箱系统的现场网络提取了冷、热流股数据，见表t。 1.3 乙烯冷箱系统的用能分析 根据现场提供的数据，对乙烯冷箱系统换热网络进行操作型夹点计算，得到现场网络的组合曲线，如图2所示。从图2可以看出，热组合曲线夹点温度为243 K，冷组合曲线夹点温度为234 K，最小传热温差为9K，冷公用工程用量为355 kW。乙烯冷箱系统属于低温过程换热网络，传热温差较小，有的甚至1K左右，更注重冷量的充分回收利用，从图2的乙烯冷箱系统过程组合曲线可以看出，传热温差较大，有效能损失较大，有较大的冷回收潜力。 对乙烯冷箱系统换热网络进行设计型夹点计算，得到改造后的换热网络组合曲线，如图3所示。从图3可以看出，热组合曲线夹点温度为211 K，冷组合曲线夹点温度为208.5 K，最小传热温差为2.5K，冷公用工程用量为197 kW，操作费用降低44.5% 。 2 乙烯装置预冷系统换热器网络综合 乙烯装置冷箱系统换热网络综合属于低温过程换热网络综合问题，它不同于常温的换热网络综合，主要表现在2个方面，首先是冷、热流股的传热温差贡献值很小(有的甚至1 K左右)，其值的选取存在一定困难，较小的变化就会对整个换热网络产生很大的影响，因此在冷热流股的温差贡献值取值上必须充分考虑低温过程冷热流股温度的影响;其次是冷公用工程采用中间公用工程(冷剂)，不同温位的冷剂费用是不同的，温位愈高其相应的费用愈低，因此利用温位较高的冷公用工程将是低温过程换热器网络综合的重点。笔者针对低温过程换热网络的特点，提出了在虚拟温熔图上利用遗传/模拟退火算法进行多流股换热器网络综合的方法，该方法在流股温差贡献值的选取上充分考虑了流股热力学平均温度的影响，并且能尽可能利用高温位冷公用工程，降低换热网络的操作费用，以冷、热流股的温差贡献值为优化变量，以达到有效利用传热温差的目的。 2.1 传热温差贡献值 流股传热温差贡献值实质上是该流股侧传热的温差推动力，它与流股的物理性质、流动状态以及换热器所用的材料有关。近年来流股传热温差贡献值受到广泛的关注，通常是根据参考流股和系统中各流股的不同传热膜系数等参数以及因换热器材质结构等不同而引起的价格差异，来确定各流股在换热时对传热温差的贡献值。其中，参考流股的参数和换热器单位面积费用可用统计方法估算后经验选取，流股的换热等参数和换热器单位面积费用有时也需根据经验估算出来。所以，计算得到的流股温差贡献值通常不是一个最适宜的值，得到的换热网络也常常不会是最优的网络。 流股传热温差贡献值可用式(1)计算〔3] 式(1)是根据最大值原理以及单位热负荷所需传热面积最小为目标推导出来的，该方法只考虑到经济因素的影响，并没有考虑热力学因素影响。在过程系统中，传热过程的有效能损失是不一样的。对相同的传热温差而言，高温段的有效能损失要比低温段的有效能损失小很多;换言之，对相同的有效能损失而言，高温段的传热温差比低温段的传热温差大得多。因此在流股传热计算中采用换热系统中等有效能分布原则，使得能量流动更加合理。 由式(4)可知，在给定的传热量和有效能损失量的情况下，流股间传热温差近似与其热力学平均温度的平方成正比。换句话说，当温度降低时，为了保持相同的有效能损失量，传热温差△T必须近似以温度的平方降低。例如，对于同样多的传热量和有效能损失量，50 K级冷交换器的传热温差近似为500 K级热交换器的传热温差的1%，因此在低温过程换热网络综合中，流股传热温差贡献值的选取应充分考虑流股温位的影响，将流股传热的有效能损失结合到式(1)中，用热力学分析法确定出一种计算流股适宜传热温差贡献值的方法，得到式(5)0 构造流股虚拟温度的T-H图(见图4)，在该T-H图上可以实现物流间的匹配换热，有效地利用温位，使得换热网络原则上实现逆流操作，可得到满足规定热负荷前提下的热力学最小面积网络。为减少换热器的个数，在T-H图上，根据最大 烩间隔的约束，将过程组合曲线划分为适当热负荷的焙间隔。在一个焙间隔内，将冷热组合曲线还原成单个流股。可以把冷热流股分别按照热负荷或者热容流率的大小排列，热流股负荷大的与冷流股负荷大的相匹配，如图4(a)所示，hl与。2相匹配，h2与。1相匹配，但根据有效能损失均匀分布的原则，冷热物流的匹配遵循热物流的高温段与冷物流的高温段换热、热物流的低温段与冷物流的低温段换热，所以上面匹配方案不够合理，尤其是对于低温换热网络，其传热温差较小，就会产生如图4(b)所示的情况，由于hl的入口温度小于。2的出口温度，因此hl与。2的匹配根本是不可行的。因此笔者提出在一个焙间隔内，冷热流股按照其热力学平均虚拟温度从高到低排列，并且相对应进行匹配，如图4(c)所示，以相互匹配的2股物流中热负荷较小者作为换热器的负荷，将另一负荷较大物流的剩余分支与下一条流股匹配，直到该区间内所有的物流都匹配完成。最后，将同一条热流股(或冷流股)流过的换热器合并为一台多流股换热器，即得到多流股换热器网络。 2.3 公用工程的确定 低温过程换热器网络综合采用低温冷剂作为冷公用工程，在文献中冷公用工程作为冷源与冷、热流股一起进行综合。由于冷剂温位愈低其操作费用愈高，因此低温过程换热器网络综合应尽可能地利用高温位的冷公用工程，以减少操作费用，本文在冷公用工程未知的情况下，根据流股虚拟温度的T-H图确定过程的最小冷公用工程用量，采用分批逐次加人冷公用工程的方式，确定冷公用工程的温位及匹配位置，使冷公用工程的温位更为合理。 如图 5( a)所示为一次性加人冷公用工程方式，在确定最小的冷公用工程负荷以后，把冷组合曲线向左移动使其左端点与热组合曲线左端点对齐，如图5(a)中虚线所示，找到冷组合曲线与热组合曲线的交点T1，交点右边的部分冷组合曲线温度高于热组合曲线温度，需加人冷公用工程使交点T1右边的冷组合曲线向右移动直到出现接触点，加人冷公用工程负荷Q.，其操作费用为: CC。 二 U nX Q c · ( 8) 式中:CCU为冷公用工程费用;U为单位冷剂费用;Q为冷公用工程负荷(kW)o 又如图5(b)所示，找到冷组合曲线与热组合曲线的交点T1后，加人冷公用工程的数量是一个小于最小的冷公用工程负荷的随机值Q cl，然后寻找下一个交点T2，加人剩余冷公用工程负荷口。其操作费用为: 低温过程换热网络中冷公用工程的温度愈高其操作费用愈低，从图5(a)以及图5(b)中可以看出，TZ>Tl，因此u二<uTI，由式(8)及式(9)可以得出其操作费用此。<以。，所以采用两次加入冷公用工程方式比采用一次加入冷公用工程方式为低，以此类推，加人冷公用工程的次数愈多，其操作费用愈低，但是加人次数愈多，其每次加人冷公用工程的负荷愈小，造成冷组合曲线分割较多，增加了冷却器设备数，增大了设备投资费用，不利于换热网络综合，因此应设置每次加人冷公用工程的最小负荷。 2.4 目标函数及其求解方法 遗传 / 模 拟退火算法是将遗传算法与模拟退火算法相结合而构成的一种优化算法，克服了遗传算法存在提前收敛的缺陷，增强了遗传算法的局部搜索能力，使之更有效地寻找全局最优解囚。 遗传算法从一组初始可行解出发，历经选择、交叉、变异等操作，以对解空间的所有区域进行探测，并将搜索重点放在最有希望的区域。希望能有一个好的初始可行解产生策略，以实现问题空间上的均匀、随机采样，如果这个方法设计不当，将可能导致种群的产生和遗传进化会始终围绕在解域中的某个局部进行，从而不可避免地影响最终求解的质量[6J。 (1) 根据 2.1节所述得到初始的冷、热流股的温差贡献值，每条流股的传热温差贡献值是在设定的初始温差贡献值的不确定区间中随机选取产生，以流股1为例:通过温差贡献值计算式(5)得到流股1的初始温差贡献值△欢，C，设定〔0.8△叫，C，1.2△衅，C〕为流股1的温差贡献值的不确定区间，随机选取的流股1的温差贡献值为△尹‘，C=random(0.5，1.2)x△衅，C。 (2) 根据 2.2及2.3节所述，以随机取得的流股温差贡献值计算得到流股的虚拟温度，基于流股虚拟温度的T一H图得到一多流股换热器网络，作为遗传模拟退火算法的初始解。 选定每个流股的传热温差贡献值△7’c为多流股换热器网络综合问题的决策优化变量川，以换热网络的年度总费用为目标函数，年度总费用包括设备费用和操作费用，利用遗传/模拟退火算法寻找最优解，实现冷热流股传热温差贡献值与换热网络匹配结构的同步优化，得到最终的换热网络，如图6所示。从表2可以看出，冷公用工程用量降低了4.5%，其相应的温度提高了10K，大大地降低了乙烯冷箱系统换热网络的操作费用。 由于一部分流股温度范围较大，其热力学性质变化也较大，所以在提取流股数据时，将某些流股分为几段流股，所以在图6所示最终的换热网络结构中，其结构比较复杂，在工程应用中，可以将一部分换热单元合并，从而简化网络结构，进一步降低设备投资费用。 3 结语 笔者对国内某乙烯装置冷箱系统进行了用能分析，结果表明过程系统传热温差较大，有很大的节能潜力，冷公用工程用量能够降低44.5%;基于等有效能损失，分析了流殷传热温差贡献值与流股虚拟温度(有效温位)温位间的关系，温度愈低其温差贡献值愈小;采用分批逐次加人冷公用工程，自动得到冷公用工程的合理温位和热负荷，降低换热网络的操作费用;基于流股虚拟温度的T-H图构造多流股换热器网络作为遗传/模拟退火算法的初始解，以冷热流股的传热温差贡献值为决策优化变量，以换热网络的年度总费用为目标函数，利用遗传/模拟退火 算法求解，得到最终的换热网络，实例表明笔者所提出的方法能够有效地进行大规模低温过程换热网络的综合，对工程实践有一定的理论指导意义。 |
| 上一篇：土壤蓄冷与释冷过程的模拟与试验验证 | 下一篇：多流股换热器网络综合问题的优化算法设计 |