应用窄点技术对局部换热网络的分析及节能改造
朱亚东
（荆门分公司经理办）
摘要：中国石化荆门分公司对80万吨/年催化裂解装置进行节能改造，以相关联的几股物流组成的局部换热网络作为优化的对象。利用窄点技术进行分析，并制定换热流程优化方案。经过两次改造后，降低了装置的蒸汽和循环水的消耗，产生的经济效益约630万元/年，投资回收期不到4个月。
关键词： 窄点技术 催化裂解 换热网络 节能 改造
用于过程能量综合（Process Integration）分析的窄点技术已在炼油等多个领域得到广泛应用，通过对换热网络中所涉及的冷热物流的温度、比热容或焓值的数据计算，可以快速得到网络在设定的最小允许传热温差（ΔTmin）下的最大的热量回收，也就是确定了在ΔTmin下网络需要的最小的冷热公用工程负荷。换热网络所涉及的范围可以是一套装置内的所有冷热物流，也可以是其中的一部分。
中国石化荆门分公司对0.8Mt/年催化裂解装置（DCC）进行节能改造，将相关联的几股物流组成一个局部的换热网络。利用此换热网络的运行操作数据为核算基础，计算出网络需要公用工程的目标负荷，得到的公用工程实际负荷与目标负荷的比值较高，同时找出违反窄点设计原则的位置。第一次改造以调整换热流程为主，利用窄点技术中的“分流”原理进行了分析比较，确定了换热流程调整方案。以流程改造后实际运行数据再次核算，表明实际公用工程消耗已接近目标值。进一步节能需要利用“加减原理”改变工艺过程，增加冷热物流的数目，增加热集成的机会。
经过流程模拟和窄点技术分析后，制定了增加中间再沸器的第二次改造方案。实施后运行数据表明在满足同样工艺目标的前提下，新换热网络热需要的公用工程目标负荷降低，新换热流程下公用工程实际负荷与目标负荷的比值为100%。节能改造取得了显著的效果和经济效益。
1 待改造换热网络的分析 1.1待改造换网络介绍
待改造网络为DCC装置分馏系统、吸收稳定系统、胺液脱硫系统的几股物流组成的局部换热网络。网络内的工艺物流和冷换设备见表1和表2，公用工程为160℃的蒸汽和28℃的冷却水。分馏塔一中段循环油从催化裂化装置主分馏塔侧线抽出,先作为吸收－稳定系统解吸塔底再沸器的热源，然后经冷却后返塔。吸收稳定系统稳定塔底汽油先与其进料换热，然后经冷却送出装置。液态烃胺液脱硫化氢系统的再生塔底再沸器采用蒸汽为热源。
表1 待改造换热网络中工艺物流汇总
名称
入口/℃
238 110
出口/℃ 热量/kW 热容量流率kW/℃
140 40
7324 3814
74.74 54.48
热流体 分馏塔一中段循环油
稳定汽油
冷流体 解吸塔底再沸器
胺液再生塔底再沸器
118 120
119 121
5900 2000
5900 2000
表2待改造换热网络中流程中冷换设备
冷换设备名称 解吸塔底再沸器
胺液再生塔底再沸器 一中段循环油冷却器 稳定汽油冷却器
循环冷水
28
36
循环冷水
28
36
一中段循环油 稳定汽油
110
40
3814
159
140
1424
冷流名称 解吸塔底凝缩油 胺液
120
121
入口/℃ 出口/℃ 热流名称 118
119
一中段循环油 蒸汽
160
130
2000
入口/℃ 出口/℃ 换热负荷/kW 238
159
5900
一中油28℃ 238℃ 胺液 121℃ 凝缩油 119℃ 蒸汽 160℃
118℃ 130℃ 118℃ 稳定汽油 120℃ 110℃ 40℃ 140℃ 128℃ 循环水 28℃ 循环水 28℃ 图1改造前换热网络图
1.2原换热网络的窄点技术分析
以10℃作为最小允许传热温差，计算得到的冷热窄点为118℃和128℃ ，公用工程消耗实际负荷与目标值的比较见表3。说明此网络还有进一步优化的潜力,尤其热公用工程实际负荷是目标负荷的三倍以上。按照窄点设计基本原则，不要在窄点之上设置任何公用工程冷却器。而从换热网络（图1）上看一中段循环油冷却器（从159℃冷却到140℃）设置在窄点（热窄点128℃）之上，违反了窄点设计法则。
表3公用工程实际负荷与目标负荷的比较
热公用工程 冷公用工程
实际负荷/kW 2000 5238
目标负荷/kW 576 3815
实际负荷/目标负荷％ 342.7 137.3
2 原换热网络下换热流程的优化改造
2.1“分流原理”在调整换热流程中的应用
在窄点技术换热网络合成过程，如果某股物流的热容量流率（流量与比热的乘积）过大，与其他物流换热时导致换热器传热温差低于设定最小允许传热温差。这时就需要对此股物流进行分流，分割成两股及以上的物流，使得每股物流的热容量流率降低。实际应用中这种情况主要发生在当一股物流与多股物流换热时，选择“并联”或“串联”流程设计的问题。当采用“串联”流程无法满足温差要求时，就需要对“热容量流率”大的一股进行分流，与其它几股物流采用“并联”换热的流程。
根据对原网络换热流程的分析，将原进入冷却器的159℃的一中段循环油和蒸汽共同作为胺液再生塔底再沸器的热源，以减少加热蒸汽的消耗。采用在原蒸汽再沸器前增加串联再沸器的方案，核算的换热温差没有出现低于ΔTmin的情况。也就是说根据窄点技术中“分流原理”进行判断，针对于壳程的胺液介质，这两台再沸器可以采用“串联”的流程，不需要对壳程介质进行“分流”。
2.2胺液再生塔采用并联两台再沸器的技术改造
胺液再生塔底再沸器型式为一次通过式热虹吸再沸器，壳程的压降越低越有利于再沸器的循环。因此采用将冷物流（即壳程介质）进行“分流”的方案，在胺液再生塔底并联增加一台以一中段循环油为热源的再沸器。胺液再生塔的两个并联再沸器的操作方案为：以一中循环油为热源的再沸器热负荷固定，利用蒸汽加热再沸器的负荷来控制再生效果。原一中段循环油冷却器保留，以确保一中段循环油返回主分馏塔温度的控制。新增再沸器的换热面积按照单台能够满足胺液再生负荷需要设计，目的是在以后热源充足时，将蒸汽加热再沸器能够停用。
两台再沸器并联运行时，进入两台再沸器壳程介质的流量采用自然分配的原则，由各自再沸器内提供的热量所决定。胺液再生所用蒸汽是将1.0MPa蒸汽减压减温后得到的160℃蒸汽，以避免胺液的热降解。再沸器蒸汽热源出口的温度在130℃左右，由于实际排放的凝结水中带有蒸汽，以及1.0Mpa蒸汽减温后管线疏水也排空了部分蒸汽。因此实际加热所用的1.0MPa蒸汽的消耗数量为6～8t/h ，大大超过理论计算值（约3.5t/h）。加热蒸汽热量损失较大，最好能够停用。
2.2第一次改造后对换热流程的窄点技术分析
2002年5月荆门分公司对换热流程进行改造，改造后的换热网络中的冷换设备如表4。从换热网络图（图2）上可以看出，对冷流胺液进行分流后，重新对冷热物流进行匹配。尽管在窄点之上仍设置了循环水冷却器，但其负荷已经很低（从143℃降低为140℃），其设置的目的是保证分馏塔一中段回流返塔温度的稳定。
一中油238℃ 胺液 121℃ 凝缩油 119℃ 蒸汽 160℃ 130℃ 118℃ 159℃ 143℃ 128℃ 循环水 28℃ 循环水 28℃ 140℃ 120℃ 110℃ 40℃ 稳定汽油 118℃ 图2 第一次改造后换热网络图
表4 第一次改造换热网络流程后冷换设备汇总
冷流名称
入口温度 出口温度 热流名称
119 121 121 36 36
入口温度 出口温度 换热负荷/ kW
159 143 130 140 40
5900 1195 805 229 3814
解吸塔底凝缩油 118 胺液 胺液 循环冷水 循环冷水
120 120 28 28
一中段循环油 238 一中段循环油 159 蒸汽 稳定汽油
160 110
一中段循环油 143
表5第一次改造换热网络流程后公用工程实际值与目标值的比较
实际负荷/Kw
目标负荷/ kW
第一次改造后实际负荷/目标负荷％
热公用工程 冷公用工程
805 4043
576 3815
138.9 106.0
从表5与表3的数据比较看，改造后网络的冷、热公用工程负荷与目标负荷更加接近。冷热公用工程的实际负荷均降低了1195 kW，胺液再生塔再沸器消耗的蒸汽数量为2～3t/h，减少1.0MPa蒸汽消耗3～4t/h，一中循环油冷却器的循环水消耗也大幅降低。
3产生新换热网络的第二次优化改造
3.1利用“加减原理”对优化换热网络集成的分析
对于由固定冷热物流组成的换热网络，通过窄点技术分析后其优化的目标就是固定的，最小的冷、热公用工程的负荷目标值也确定下来。为降低冷热公用工程的负荷，就必须对工艺过程进行改造，即在满足工艺目标的前提下，改变冷热
物流的数量和构成。改造后的冷热物流组成一个新的换热网络，利用窄点技术对新的换热网络分析后，其冷、热公用工程负荷目标值将低于之前的换热网络。
从冷、热物流的热－焓复合曲线上看，在窄点之上只需要热公用工程，在窄点之下只需要冷公用工程。窄点技术中的“加减原理”是指：增加窄点之上总热流的热负荷，降低窄点之上总冷流的冷负荷。或者降低窄点之下总热流的热负荷，增加窄点之下总冷流的冷负荷。将总冷流曲线从窄点之上向下移动，或者将总热流曲线从窄点之下向上移动。
在能够满足工艺生产目标的前提下，应用“加减原理”对于塔器改造可以采用的技术有进料预热或预冷却技术，使用侧线（中间）再沸器或冷却器技术等等。 3.2在解吸塔采用中间再沸器技术进行改造
应用窄点技术中的“加减原理”降低塔底再沸器的热负荷，可以采用进料预热或者中间再沸器的方案。对于催化裂化装置吸收稳定系统解吸塔，也同样可以采用进料预热或者中间再沸器的办法来降低塔底再沸器的负荷，热源都可以是稳定汽油。但是流程模拟表明：采用解吸塔进料预热工艺（即“热进料”流程）尽管能够降低解吸塔底再沸器负荷，但塔顶解吸气流量增加，增加了吸收系统的负荷，造成干气产品中C3以上组分增加，回收的高价值液态烃产品数量降低。从吸收－稳定系统完成分离过程的总能耗看，解吸塔进料预热后总能耗是降低的，但得到的产品价值也是降低的，经济效益反而是降低的。而采用中间再沸器的技术，在塔底再沸器热负荷降低的情况下，解吸气的流量与进料不预热工艺（即“冷进料”流程）相比变化不大，能够同时满足能耗降低和经济效益上升的目的。也就是说在以节能为目的改变工艺过程以改造换热网络时，要以总体的经济效益增加为准则，而不能单纯以能耗降低为目标。
2004年5月荆门分公司0.8Mt/年催化裂解装置解吸塔增加了以稳定汽油为热源的中间再沸器，中间再沸器壳程介质的抽出和返回位置位于塔的中下部，采用一次通过式热虹吸再沸器。
3.3第二次改造后对换热流程的窄点技术分析
以中间再沸器投用后的工业运行数据作为新换热网络中各冷热物流的数据，第二次改造后换热网络图见图3。计算该换热网络没有窄点，即所有的冷热物流均处于窄点之下，不需要热公用工程。实际运行的结果也是完全切除了胺液再生塔底以蒸汽为热源的再沸器。分馏塔一中段循环油的热量同时满足了解吸塔和胺液再生塔塔底再沸器热量的需要，利用原来需要循环水冷却的稳定汽油的热量作为解吸塔中间再沸器的热源，降低了解吸塔底再沸器的热负荷，最后顶替出蒸汽热源的热量。也就是说通过利用窄点技术对已有换热网络进行优化，同时降低了循环水冷却负荷和蒸汽加热负荷。从表8中可以看出，采用中间再沸器改造后，实际负荷与目标负荷完全相同，说明节能潜力得到充分发挥。 表6 第二次改造后换热网络中工艺物流汇总
热流体 冷流体
名称
分馏塔一中段循环油,1-recycle 稳定汽油,gasoline
解吸塔底再沸器,desor-rebolier 解吸塔中间再沸器，side－reboiler
入口/℃ 出口/℃ 238 110 118 71.6
140 40 119 77.6 121
热量/ kW 热容量流率kW /℃ 7324 3814 4260 1907 2000
74.74 54.48 4260 317.8 2000
胺液再生塔底再沸器，amine-rebolier 120
表7 第二次改造后换热网络中冷换设备汇总
冷流名称 解吸塔底凝缩油
入口温度 出口温度 热流名称 118
119 77.6 121 36 36
入口温度 出口温度 换热负荷/Kw
181 75 154.2 140 40
4260 1907 1195 10 1907
一中段循环油 238 稳定汽油
110
解吸塔中间凝缩油 71.6 胺液 循环冷水 循环冷水
120 28 28
一中段循环油 181 一中段循环油 154.2 稳定汽油
75
表8第二次改造换热网络流程后公用工程实际值与目标值的比较
热公用工程 冷公用工程
实际负荷/ kW 0 2971
目标负荷/ kW 0 2971
实际负荷/目标负荷％ 100％ 100%
238℃ 一中油 110℃ 稳定汽油 胺液 解吸塔塔底凝缩油 中间凝缩油 77.6℃ 71.6℃ 119℃ 118℃ 121℃ 120℃ 75℃ 40℃ 154.2℃ 140℃ 循环水 28℃ 循环水 28℃ 图3 第二次改造后换热网络图
4 结论
（1）利用窄点技术既可对整个装置的所有换热设备组成的网络分析，也可以针对由具体几股物流组成的局部换热网络流程进行优化分析。
（2）利用窄点技术中“加减原理”，通过改变工艺过程从而改变换热网络内冷热物流的构成，以增加热集成的机会。但是要在满足工艺生产需要的前提下进行，并且以总体经济效益增加为标准。
（3）荆门分公司利用窄点技术中对DCC装置中局部换热网络流程进行优化。经过前后两次的技术改造，降低的冷、热公用工程负荷分别为2267Kw和2000Kw，体现在实物消耗上为1.0Mpa蒸汽7t/h，循环水243t/h（按照冷却器出入口温差8℃计算）。按照实物价格计算创造的经济效益约630万元/年。改造的费用不足200万元，项目的投资回收期不足4个月。
（收稿日期：2008-05-21）
