13減壓蒸餾裝置中換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬優(yōu)化

1、常減壓蒸餾裝置中換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬優(yōu)化研究SIMULATION AND OPTIMIZATION OF HEATEXCHANGER NETWORK IN ATMOSPHERICAND VACUUM DISTILLATION UNITS濱工業(yè)大學(xué)2015 年 6 月國內(nèi)圖書國際圖書號：TE09號：621.8學(xué)校代碼：10213密 級：公開工學(xué)常減壓蒸餾裝置中換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬優(yōu)化研究研究 生：導(dǎo)師：教授副導(dǎo)師：講師申請學(xué)位： 工學(xué)學(xué)科： 化工過程機械所在： 能源科學(xué)與期： 2015 年 7 月答辯日授予學(xué)位：濱工業(yè)大學(xué)Classified Index: TE09U.D.C: 621.8Dissertat

2、ion for the Master Degree in EngineeringSIMULATION AND OPTIMIZATION OF HEATEXCHANGER NETWORK IN ATMOSPHERICAND VACUUM DISTILLATION UNITSCandidate： Supervisor： Vice Supervisor：Academic Degree Applied for： Speciality：Affiliation：Liu YaoProf.Wang Qingchao Cai PengMaster of Engineering Chemical Process

3、EquipmentSchool of Energy Science and EngineeringJuly, 2015Harbin Institute of TechnologyDate of Defence：Degree-Conferring-Institution：濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)摘要21 世紀(jì)，能源問題已成我國，甚至全世界所的嚴(yán)峻。其中，作為不可再生的能源：煤、石油以及天然氣的貯備量愈加減少，消耗量卻在不斷增加。僅 2014 年一年，我國的原油消費量就高達五億多噸，總產(chǎn)量僅為耗量的五分之二左右。另外，由于我國長期以來粗放型的增長模式，使得整個石化行業(yè)的能耗量巨大。在原油的煉制過程中，常減壓

4、蒸餾作為原油的第一道工藝，決定著原油品質(zhì)的高低，其裝置用能約占整個煉廠的四分之一。因此，常減壓蒸餾裝置的工藝水平對與企業(yè)的節(jié)能降耗、效益的增長有重要意義。目前，我國的煉化工業(yè)越來越注重裝置的基礎(chǔ)設(shè)計與優(yōu)化改造。這一現(xiàn)模擬并對狀，本文擬使用 Aspen plus 模擬對常減壓蒸餾裝置的工藝流其換熱網(wǎng)絡(luò)加以優(yōu)化設(shè)計，以此來實現(xiàn)化工過程全局用能優(yōu)化。本次課題以惠州煉化常減壓裝置為研究對象。作為世界上第一座集中高含酸重質(zhì)海洋油的煉廠，惠州煉化具備許多石化企業(yè)所沒有的裝置特點與工藝特點。另外，該煉廠的原油量為 1200 萬噸/年，巨大的量使得實際生產(chǎn)中的常減壓裝置操作繁多，連接復(fù)雜。在建模前期，通過繪制

5、其工藝原則圖對實際流plus 模擬適當(dāng)?shù)囊?guī)劃與調(diào)整，增加模擬計算的準(zhǔn)確性。在模擬過程中，利用 Aspen根據(jù)原油性質(zhì)、設(shè)計規(guī)定進行模擬參數(shù)的設(shè)定以選用適當(dāng)?shù)奈镄訠K10，收斂算法 WEGSTEIN，建立常減壓蒸餾裝置的操作模型。分別輸入相應(yīng)的工藝參數(shù)，對整個常減壓工藝流模擬。隨后，提取出參與換熱過程的工藝流股和公用工程流股的溫度、流量、熱量等操作數(shù)據(jù)，利用 Aspen pinch 模塊對其換熱網(wǎng)絡(luò)進行模擬。確的夾點溫度，熱回收量以及公用工程耗量。另外，為了驗證所取夾點溫差的正確性，取Tmin 為多個溫度值，分別計算換熱網(wǎng)絡(luò)在該傳熱溫差下的夾點溫度以及公用工程耗量。繪制換熱網(wǎng)絡(luò)的柵格圖，通過夾點

6、計算可得實際換熱終溫與理論值有一定差距，從而該換熱網(wǎng)絡(luò)具有一定的改造潛力。根據(jù)夾點技術(shù)對換熱系統(tǒng)的優(yōu)化理論，提出改造方案：將換熱網(wǎng)絡(luò)分為油、原油以及油三個換熱段，對其中夾點理論、改造潛力的流程段重新規(guī)劃設(shè)計，確立新的換熱流程。計算得改造后換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱終溫得以提高，且裝置的氣用量減少，系統(tǒng)的能量回收率提高。從而，改造具有一定效果，并可對實際操作產(chǎn)生指導(dǎo)作用。：常減壓蒸餾；換熱網(wǎng)絡(luò)；夾點技術(shù)；Aspen plus；優(yōu)化綜合I濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)AbstractIn the 21st century, energy problem has become a serious challenge toand

7、even the whole world. Among them, coal, oil, gas - as the non-renewable energy, theamount of their reserve is becofewer and fewer, however, their consumption hascontinued to increase. Only in the year 2014,s consumption of crude oil was ashigh as 519 million tons, but our countrys total production w

8、as only 211 million tons.Moreover,has developed with the extensive mode of economic growth for solong a time, which makes a huge energy consumption throughout the petrochemical industry. During the refining process of crude oil, as its first technological process- atmospheric and vacuum crude distil

9、lation, it determines the level of quality of the oil production. However, it takes about a quarter of the whole energy amount for a refinery. As it can be seen, the level of technology and energy consumption of the atmospheric and vacuum crude distillation unit has an important impact on energycons

10、ervation and optimization as well as economic improvement for the enterprise。At present,s refining industry has increasingly focused on basic devicedesign and optimization. In response to this situation, author of this paper intends to use the Aspen plus process simulation software to simulate the c

11、hemical process of atmospheric and vacuum distillation unit and its heat exchanger network in order to redesign the system and achieve global energy optimization.Huizhou refinerys atmospheric and vacuum distillation unit has been chosen as the simulation object in this paper.As the first refinery ce

12、ntralized processes high acid heavy marine oil in the world, Huizhou refinery has many characteristics in their device and technology that many petrochemical companies do not have. In addition, the refinerys crude oil processingcapacity is 12 million tons / year, a huge amount of which makes the act

13、ual operatingunits too many and complex when connected with each other. Before ming, bydrawing its process principle diagram to modify and redesign part of actual process, so that the accuracy of simulation calculations can be guaranteed. During the simulation, according to the crude nature of the d

14、esign requirements, set simulation parameters inthe Aspen plus simulation software. Then choose the proper physical methods BK10and convergence algorithm WEGSTEIN to establish operational mIIof atmospheric濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)and vacuum distillation unit. At last, input the appropriate parameters respectively to

15、get the entire process simulation.Followed by that, extracting the data of all the process streams and utilities stream involved in heat transfer process, then use Aspen pinch software simulate its heat exchanger network. Calculate pinch temperature, amount of heat recovery and utility consumption w

16、ithin the system. Furthermore, in order to verify the correctness of the pinch temperature, choose ten different temperature for Tmin and calculate the pinch value and minimum utility consumption of the heat exchanger network respectively inorder to determine whether the simulation of heat exchanger

17、 network is correct or not.By drawing heat exchanger networkter image and pinch temperature calculation,it can be seen that the actual final heat exchanger temperature is a little lower than the theoretical value, so the network has some certain potential for improvement. According to the pinch theo

18、ry: setting a cooling utility upon pinch area or locating a heating utility blow it as well as exchanging heat through it, all this can multiplied increase the systems utility consumption. On the basis of pinch theory, an improved plan is proposed, which is to divide the heat exchanger network into

19、three part of heat transfer zone : before desalination zone、after desalination zone and after flash distillation tower zone. Then, redesign the processes that violates the theory and has potential to be modified and establish new heat flows. After calculation, it can be found that the final heat-exc

20、hanging temperature is increased and the fuel gas consumption of devices is reduced, so the new heat exchanger network can increase the rate of energy recovery in the system. Thus, the transformation plan dose havesome certain effect on energy saving and can be a guidance on practical produce.Keywor

21、ds:atmospheric and vacuum distillation, heat exchanger network, pinchtechnology, Aspen plus, integrated optimizationIII濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)目錄摘要IAbstractII第 1 章 緒論11.11.2課題的背景及研究意義1化工流程模擬及其國內(nèi)外研究進展21.2.1 穩(wěn)態(tài)化工流程模擬31.2.2 化工流程模擬國內(nèi)外研究進展3換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合與國內(nèi)外研究進展4常減壓蒸餾裝置的節(jié)能技術(shù)6本文的主要研究內(nèi)容7換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合91.31.41.5第 2 章2.12.2. 9換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜

22、合夾點技術(shù)法102.2.12.2.22.2.3夾點分析的基本原理10夾點設(shè)計準(zhǔn)則15利用夾點技術(shù)法對換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計調(diào)優(yōu)162.32.4第 3 章3.13.2相關(guān)優(yōu)化簡介17本章小結(jié)18常減壓蒸餾工藝流程的模擬19原油的常減壓蒸餾工藝流程19模擬項目簡介213.2.1 裝置特點213.2.2 工藝特點22流程模擬前期的準(zhǔn)備工作243.33.3.13.3.23.3.3基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的選取24典型的塔模型27模塊及簡介283.4常減壓蒸餾工藝流程的模擬303.4.1 常減壓蒸餾工藝流程的規(guī)劃與調(diào)整30IV濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)3.4.2 單元模塊及的選取303.4.3 流程的模擬31本章小結(jié)35換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬及能

23、耗分析37對現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的分析373.5第 4 章4.14.1.14.1.24.1.3油換熱分析37原油換熱分析38油換熱分析394.24.34.44.5第 5 章5.1流股數(shù)據(jù)的提取39夾點溫度的計算41不同傳熱溫差下?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)的能耗分析46本章小結(jié)48換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計49換熱網(wǎng)絡(luò)的用能. 495.1.15.1.25.1.3油換熱流程調(diào)整51原油換熱流程調(diào)整53油換熱流程調(diào)整565.25.35.45.5工程改造建議58更換59預(yù)期改造效果60本章小結(jié)60結(jié)論61參考文獻63及使用說明67濱工業(yè)大學(xué)性致謝68V濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)第1章 緒論1.1課題的背景及研究意義近些年來，能源的消耗量的增加使得

24、各種資源急劇短缺。這嚴(yán)重影響并制約著的發(fā)展以及的平衡。其中，作為一種不可再生資源-石油，在全球范圍內(nèi)的剩余量越來越少，但它在世界中所發(fā)揮的作用卻越來越重要。在我國，石油的消費量隨著發(fā)展水平的提高不斷攀升，其供需問題已成為日益突出的。2013 年，我國原油年產(chǎn)量約兩億噸，消費量卻接近五億噸。2014 年，我國的原油消費量之二1。五億噸，累計凈進口量約為三億噸左右，對外依存度接近三分由于我國長期以來粗放型的增長模式，導(dǎo)致整個石化行業(yè)的生產(chǎn)過程能耗、物耗量巨大。，近些年來能源成本的持續(xù)上漲，嚴(yán)重制約了石化企業(yè)發(fā)展，使得該領(lǐng)域正想方設(shè)法地進行各種技術(shù)上的改進以降低能源消耗，節(jié)約運營成本。就目前來看，雖

25、然石油煉制生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展水平在不斷提升，但從整個煉油工業(yè)的角度來看，大多數(shù)裝置的原油換熱終溫未能達到行業(yè)內(nèi)設(shè)計要求水準(zhǔn)。從而，對常減壓蒸餾工藝進行改造、提高能量回收率對于煉油企業(yè)的節(jié)能降耗至關(guān)重要。本課題中所選擇的研究對象為中海油煉化責(zé)任惠州煉油分公司，該煉廠集中高含酸重質(zhì)海洋油，它的規(guī)模為 1200 萬噸/年。該煉廠中的主要的生產(chǎn)裝置：常減壓蒸餾、延遲焦化、加氫裂化元以及連續(xù)重整等 16 套操作單元。除此之外，配有相應(yīng)的成品油碼頭、大型儲罐、污水處理裝置等公用工程設(shè)施2。常減壓蒸餾為原油生產(chǎn)的第一道工藝，常減壓蒸餾工藝準(zhǔn)確對油品的質(zhì)量有很大影響。在惠州煉化中，由于其常減壓蒸餾裝置處理量巨大（

26、1200 萬噸/年），從而涉及帶的投資費用與操作費用也十分龐大。另外，常減壓蒸餾裝置約為全廠總能耗的十分之一甚至置能耗水平的高低直接，是整個煉廠的耗能最大的操作單元。由于常減壓裝到整個企業(yè)的能耗水平和運行水平，因此在保證收率和質(zhì)量的前提下，降低耗量、提高換熱率將對整個常減壓蒸餾裝置節(jié)能降耗起到重要作用。在常減壓蒸餾操作過程中，有一部分物流需要被加熱，而另一部分物流需要-1-濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)被冷卻，從而，多條流股將會在裝置內(nèi)通過換熱進行熱量的匹配，形成完整的換熱系統(tǒng)。由于這樣工藝的特點，每個常減壓蒸餾裝置都擁有一套龐大而復(fù)雜的換熱網(wǎng)絡(luò)用于能量回收，該換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的優(yōu)劣在裝置的節(jié)能降耗方面起到關(guān)鍵的

27、作用。因此，通過合理匹配冷熱流股，設(shè)計最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)對于升裝置的節(jié)能水平、煉廠的效益意義深遠。1.2 化工流程模擬及其國內(nèi)外研究進展的發(fā)展離不開化工行業(yè)的發(fā)展，而在生產(chǎn)過程中，如何對其操作工藝與單元進行改進以提高工作效率、節(jié)約能源是我們所關(guān)心的主要問題。通常，在一個化工過程中，因為某些實際因素我們無法直接得到系統(tǒng)內(nèi)部的具體情況情況，從而需要對整個流模擬以獲取所需。作為化工過程系統(tǒng)中最基本的技術(shù)，無論是對系統(tǒng)內(nèi)部情況詳細(xì)分析還是優(yōu)化工藝過程或是對系統(tǒng)的綜合設(shè)計都離不開化工流程模擬技術(shù)。對流程的模擬即就是根據(jù)化工過程中的工藝操作，建立一個能夠準(zhǔn)確描述流程中所有的模型并采用相關(guān)算法對該模型求解，從而

28、獲得所需3。它是由化工原理、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)以及系統(tǒng)工程學(xué)等多學(xué)科體系綜合發(fā)展而來的產(chǎn)物。隨著化工流程模擬的研發(fā)以及模擬中準(zhǔn)確度和復(fù)雜性的提升，目前數(shù)學(xué)模型的建立與求解通常是利用計算機完成。對于任何一個化工流程模擬系統(tǒng)，均可將其分為四部分：模型、算法、與用戶接口，具體結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。通過化工流程模擬技術(shù)對操作工藝進行改進、提高生產(chǎn)效率；節(jié)約能源，有效地防治污染并且降低了工廠的投資費用和運營成本。問題結(jié)果圖 1-1 化工流程模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖-2-用戶接口軟件算法模型濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)1.2.1穩(wěn)態(tài)化工流程模擬穩(wěn)態(tài)流程模擬是指根據(jù)工藝的特點，在與實際相差不大的基礎(chǔ)上，將部分工藝操作參數(shù)理想化為

29、不隨時間改變的態(tài)化工流程模擬技術(shù)主的應(yīng)用相對較，對整個化工過模擬。目前，穩(wěn)，主要集中在以下幾個方面4：（1）工藝流程再現(xiàn)：利用相關(guān)計算機模擬及相關(guān)工藝操作參數(shù)的輸入，可對現(xiàn)行化工過，通過建立運行裝置的模型以模擬，實現(xiàn)生產(chǎn)流程的復(fù)現(xiàn)；（2）優(yōu)化生產(chǎn)過程：通過對現(xiàn)行裝置的工藝流程模擬，利用相關(guān)模塊分析計算其工藝操作參數(shù)、流股數(shù)據(jù)等，找到工藝過程的的不足之處，進行優(yōu)化改造?？衫枚嗵撞煌桨傅牧鞒棠M間的比較，從中優(yōu)選出最佳設(shè)計方案，確定生產(chǎn)工藝路線；（3）對新型化工過程開發(fā)與技術(shù)可行性分析：通常情況下，新型工藝的研發(fā)與推廣需要大量的試驗與實際性操作，這將會耗費一定的時間和人力。另外，由于工藝準(zhǔn)確性

30、無法得以保證，操作中稍有不慎還可能造成一定的危害。通過穩(wěn)態(tài)模擬技術(shù)來代替中間試驗，可在新型工藝條件下進行流程模型，裝置調(diào)優(yōu)以及過程剖析，從中探索得到最佳操作工況，以及利益收率情況的預(yù)估。這不僅提高了工作效率，又可降低生產(chǎn)成本。（4）對生產(chǎn)過程的性分析與評估：通過流程模擬中的相關(guān)模塊設(shè)定適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)函數(shù)與約束條件，跟據(jù)計算結(jié)果對系統(tǒng)的費用，能量費用的投資比率以及總的收率做一預(yù)估；（5）集成的綜合應(yīng)用；將流程模擬與其它工程集成用于化工工藝流程的優(yōu)化設(shè)計。目前已得到普遍推廣應(yīng)用的流程模擬技術(shù)主要是流程的穩(wěn)態(tài)模擬。工程項目中所使用的模擬技術(shù)或是基于計算機進行設(shè)計、操作的流程模擬均為穩(wěn)態(tài)的，所以在后續(xù)章節(jié)

31、中將其簡化成化工流程模擬，即是指穩(wěn)態(tài)的流程模擬。1.2.2化工流程模擬國內(nèi)外研究進展化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，過程學(xué)科的精細(xì)化，使得人們對化工過程、工藝流程、單元操作等的認(rèn)識不斷深化。在此基礎(chǔ)上，“化工流程模擬”這一概念應(yīng)運而生。隨后，在計算機技術(shù)的迅速發(fā)展下，于上世紀(jì)后半葉時期化工流程模擬開始研發(fā)，這使得解決流程模擬時所采用的一些數(shù)值計算件而實現(xiàn)5?？梢酝ㄟ^使用計算機軟國外對于化工流程模擬的研究始于 20 世紀(jì) 50 年代中后期，并相繼推出了各-3-濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)種流程模擬。50 年代，世界上第一款流程模擬程序“Flexible Floweet”由美國 Kellogg 公司率先推出，其主要應(yīng)用于對系統(tǒng)

32、中單個操作的流程模擬。60年代，休斯頓大學(xué)開發(fā)出“CHESS”通用性化工流程模擬系統(tǒng)。70 年代中后期，麻省理工大學(xué)與能源部合作研發(fā)了新一代化工流程模擬系統(tǒng)“Aspen”6，此時的化工模擬已經(jīng)開始由著眼于單個轉(zhuǎn)向?qū)φw裝置的工藝模擬、計算。發(fā)展至 80 年代，化工過程模擬的技術(shù)日益成熟，功能也愈加完善。在這個時Simsci 模擬公司研發(fā)的大型通公司推出第二代化工流程模擬系統(tǒng)段里，一大批優(yōu)秀的模擬相繼突出，如：用性流程模擬“Pro/II”，Aspen Tech“Aspen Plus”。90 年代中后期，新型的交互式模擬系統(tǒng)“Hysys”由公司推出“Htfs”、Hyprotech 公司Aspen

33、Tech開發(fā)并得以推廣應(yīng)用。隨后，“Aspen One”，它在模擬計算方面有較大改進。該公司的“Hysy”、“Aspen Plus”等各大成為目前的主流模擬。與此同時，另一種完全不同的化工流程模擬技術(shù)也得以問世，即以神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（ANN）為理論基礎(chǔ)并將其應(yīng)用于流程模擬中的人工智能，目前仍處于理論階段。國外對于流程模擬的研究以及相關(guān)模擬的廣工作主要由專門的化工模擬公司進行，而非像過去的分散在各大學(xué)院及煉化公司。其模擬計算的精確度、可靠性大大提升，應(yīng)用范圍也已經(jīng)從單純的穩(wěn)態(tài)計算開始向工業(yè)使用愈加方便，功能愈益豐富7,8。裝置“在線化”模擬方向發(fā)展，在我國，盡管對于化工流程模擬的研究起步相對較晚，但仍

34、取得了一定的成果。其中，比較著名的有：上世紀(jì) 80 年代后期，青島化工大學(xué)自行研制了“ECSS”通用模擬9，這是國內(nèi)到目前為止唯一一款廣并得以應(yīng)用的化工流程模擬；90 年代，化工大學(xué)對于動態(tài)模擬轉(zhuǎn)向仿反應(yīng)器的研發(fā)，并在該人為非定態(tài)反應(yīng)模擬技術(shù)方面取得了一定的成果之后將其應(yīng)用于燕山煙機件模擬平臺上；石油化工研發(fā)再生流程模擬系統(tǒng)“CCSOS”，隨后將其應(yīng)用于催化裂化反應(yīng)裝置的模擬中。與國外相比，當(dāng)前我國流程模擬軟件及模擬力量主要集中在相關(guān)院校、石化企業(yè)和各大化工研究所，應(yīng)用還不十分普及，平均水準(zhǔn)也未達到國際先進水平10。1.3 換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合與國內(nèi)外研究進展在石油的生產(chǎn)過程中，著部分物流需要得

35、加熱，如：進入脫鹽罐前的原油、進入常壓塔的油等；而又著一部分物流需要加以冷卻，如：常壓塔、減壓塔產(chǎn)出的測線油品等，這些冷、熱物流流經(jīng)換熱器，并在其中進行合理的熱負(fù)荷匹配所形成交換系統(tǒng)，即為裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)。由于工藝和節(jié)能的需要，-4-濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)工藝流程中總著如何確定冷、熱物流間換熱匹配使能量的回收率升到，公用工程耗量降至最低的最優(yōu)設(shè)計問題。換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合即就是為解決這樣的問題產(chǎn)生的。換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化是指對在整個換熱過程的模擬中，對不合理的換熱段加以改進，使得系統(tǒng)的能耗量減至最小的；換熱網(wǎng)絡(luò)的綜合是指在滿足工藝要求的前提下，降低投資費用與能量費用，并且使得整個換熱網(wǎng)絡(luò)具有較好可控性和較高的準(zhǔn)

36、確度11。1944 年，TeiiBroeck12首次在其文獻中提到有關(guān)換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計問題；1965 年，Hwa13分析了換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化綜合所需具備的基本要素，隨后闡述了提出在系統(tǒng)分析中的重要性；1969 年，Masso 和 RuddtiG14兩人對這一理論了性的概念做出了較為嚴(yán)格的定義，并開始探索換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)對換熱匹配設(shè)定適當(dāng)?shù)募s束性條件。雖然并未得到準(zhǔn)確的可行方式，但為之后有關(guān)，Hohmann15與他的合作者提出在對換熱換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計之前，應(yīng)對系統(tǒng)進行熱力學(xué)分析，確內(nèi)的冷、熱工藝流股數(shù)以及參與換熱的公用工程物流，以此為依據(jù)構(gòu)建換熱網(wǎng)絡(luò)，而非僅僅進行單純

37、的數(shù)學(xué)計算，從理論上確定換熱過程能耗量。隨后，B.Linnhoff16提出了關(guān)于確定換熱網(wǎng)絡(luò)夾點溫度的最小能耗設(shè)計法，該將換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化分為兩個步驟依次求解：首先，確定工藝過程中可回收的最大換熱量以及系統(tǒng)所需最小公用工程耗量；其次，在能量回收率一定的前提條件下，調(diào)整換熱流程，優(yōu)化熱量分配，將操作裝置中的換熱數(shù)目降至最低，這一概念被定義為夾點理論。夾點理論的出現(xiàn)使得換熱網(wǎng)絡(luò)的研究有了性的進展，具有重要的指導(dǎo)性價值。80 年代后期，Grossmann17提出了將換熱網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為帶有多變量約束數(shù)學(xué)模型 MINLP 的數(shù)學(xué)規(guī)劃法.這兩種思想成為了換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化綜合中的兩大主流設(shè)計法，一直被沿用至今。隨后，

38、不斷有學(xué)者分別對這兩種進行了專門的綜述和分析，使得數(shù)學(xué)規(guī)劃法與夾點設(shè)計法不斷加以完善。在我國，換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合在節(jié)能技術(shù)中也占有非常重要的位置，換熱網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計與優(yōu)化的研究相對更集中在各大教授、肖云漢教授18等人在此高校內(nèi)。其中，比較著名的有：方面做了大量的研究；大連理工大學(xué)的的經(jīng)教授19分別在夾點技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃這兩種中所的缺點提出了一系列的可行性改進措施，如：建立三溫差 MILP 轉(zhuǎn)運模型及其設(shè)計優(yōu)化等；華南理工大學(xué)的華賁20教授將人工智能法與數(shù)學(xué)規(guī)劃法有機地結(jié)合起來，建立了大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)模型，從而對于換熱網(wǎng)絡(luò)中的彈性與收斂的問題做出了詳細(xì)解答。-5-濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)目前,換熱網(wǎng)絡(luò)的研究

39、主要集于兩個方面：新型換熱系統(tǒng)的設(shè)計與原有換熱流程的改造。其應(yīng)用范圍也已從原來的石化能源動力行業(yè)。由于換熱系統(tǒng)容易受到流域拓展至制冷、熱電聯(lián)產(chǎn)等其他以及操作上各種變化的干擾，導(dǎo)致模擬結(jié)果失真。因此，目前的換熱網(wǎng)絡(luò)正朝著智能模擬的方向發(fā)展，以適應(yīng)各種變工況操作環(huán)境下模擬，的性與準(zhǔn)確性。1.4 常減壓蒸餾裝置的節(jié)能技術(shù)節(jié)能是指通過加強用能管理，采用現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)的，投入產(chǎn)出經(jīng)濟合理的并能夠減少對環(huán)境污染的措施，減少能源消耗量。在化工過程系統(tǒng)中，以系統(tǒng)的合理用能為指導(dǎo)思想，把整個裝置集為一個有機的整體，提高能源的回收率,實現(xiàn)利潤的最大化。由于石化行業(yè)的能耗量巨大，從而，節(jié)能技術(shù)在該領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)

40、用就顯得意義非凡。對于煉油工藝中的常減壓蒸餾裝置的節(jié)能發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段的發(fā)展:第一階段是對常減壓蒸餾裝置中余熱的回收,所采用節(jié)能措施只是考慮單個操作單元的余熱流，并未將整個熱回收系統(tǒng)納入考慮范圍內(nèi)；第二階段是對整體系統(tǒng)中某特定操作單元工藝上的優(yōu)化；第三階段也就是目前的階段，通過將整個過程系統(tǒng)集優(yōu)21。為一個有機整體來考慮，對系統(tǒng)內(nèi)進行節(jié)能優(yōu)化，使整體設(shè)計達到最目前，我國煉油廠中常減壓蒸餾裝置中主要的節(jié)能技術(shù)可以歸納為三類22。第一類是通過改進操作過程以降低系統(tǒng)的能耗，如：采用新型工藝、技術(shù)，優(yōu)化總流程；使用新型的催化劑等，其在于減少利用環(huán)節(jié)的過程火用損耗，使可用能能被地回收利用。第二類是

41、對操作單元間進、出物料的重置的與熱聯(lián)合。例如：原油蒸餾裝置被分成了兩個甚至的塔，重新配置成一個熱聯(lián)合過程。這些塔都是熱耦合的，熱聯(lián)合原油蒸餾裝置被設(shè)計為一個多效分餾過程，或者為了節(jié)能修改了塔的進料條件23。盡管這些技術(shù)的應(yīng)用會減少加熱爐的負(fù)荷，但是只有一部分熱被回收，而且還要靠燃燒來供應(yīng)大量的額外的熱量。第三類是利用夾點技術(shù)或數(shù)學(xué)歸納法對于常見減壓蒸餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。在石油煉化過程中，著多股冷、熱物料，這些流股通過換熱進行熱交換所的龐大而繁雜的換熱系統(tǒng)，即為裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)24。當(dāng)若系統(tǒng)內(nèi)部的熱回收量不足夠時，則需要補充外部公用工程，以確保換熱網(wǎng)絡(luò)的正常運行。所以，作能量回收利用中的一個重要

42、部分，換熱系統(tǒng)設(shè)計得越合理，優(yōu)化越到位，能源利用率就越高，從而企業(yè)生產(chǎn)成本也就不斷降低。-6-濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)1.5 本文的主要研究內(nèi)容量為 1200 萬噸/年的中海油惠州煉化常減壓裝置為研究本課題是以原油對象，對其常減壓工藝流個方面的研究工作：（1）換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模擬以及換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)的化綜合，具體將做以下幾的學(xué)習(xí)：對換熱網(wǎng)絡(luò)的概念及其優(yōu)化：試探法、夾點技術(shù)法、數(shù)學(xué)規(guī)范法與人工智法分別進行了解。之后，對于本次模擬中所使用的基于熱力學(xué)定律的夾點技術(shù)法進行細(xì)致的學(xué)習(xí)。對夾點分析中所涉到、問題表格、設(shè)計準(zhǔn)則以及對換熱網(wǎng)絡(luò)的基本調(diào)優(yōu)方式均加以研究，對為后續(xù)章節(jié)打好扎實的理論基礎(chǔ)；（2）常減壓蒸餾工藝的學(xué)習(xí)：

43、通過繪制常減壓工藝流程圖，對典型三段汽化：閃蒸塔-常壓塔-減壓塔的原油煉制工藝流程加以學(xué)習(xí)。通過對本次模擬煉廠的原油性質(zhì)參數(shù)與側(cè)線相關(guān)數(shù)據(jù)的提取、實沸點蒸餾曲線和原則流程圖的繪制，對該煉廠的原油裝置特點加以學(xué)習(xí)。（3）常減壓蒸餾裝置工藝流程的模擬：工藝特點、運用 Aspen plus 流程模擬對原油的常減壓蒸餾工藝流模擬。在對，選取相應(yīng)的實際流程加以適當(dāng)簡化與調(diào)整的基礎(chǔ)上，運用 Aspen plus 模擬物性熱、收斂算法與模型模塊，分別建立其閃蒸塔、常壓塔、減壓塔、換等各個操作單元的模型。進而，根據(jù)原油性質(zhì)、設(shè)計規(guī)定進行模擬參數(shù)的設(shè)定，建立整個裝置的工藝流程。將各個操作模塊的模擬結(jié)果與實際標(biāo)對

44、比，以確定流程模擬的正確性；進行（4）換熱網(wǎng)絡(luò)的建立及用能將現(xiàn)行的換熱網(wǎng)絡(luò)分為；油、原油以及油三個換熱段對其換熱流程加以分析。提取出過程系統(tǒng)中所有參與換熱過程的工藝流股以及公用工程流體匹配換熱流股的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：進初始溫度、目標(biāo)溫度、質(zhì)量流率、比熱容比等。運用 Aspen pinch 建立系統(tǒng)的原始換熱網(wǎng)絡(luò)，通過冷、熱流股的組合曲線圖以及問題表格獲取夾點溫度、熱回收量以及公用工程耗量等數(shù)據(jù)。通過選取不同的最優(yōu)換熱溫差Tmin 繪制換熱網(wǎng)絡(luò)，以確定該夾點溫差取值的正確性。（5）換熱網(wǎng)絡(luò)的綜合優(yōu)化設(shè)計；通過繪制換熱網(wǎng)絡(luò)的柵格圖，尋找夾點理論進行換熱的流股。以此為基礎(chǔ)， 分析系統(tǒng)目前的能量利用問題并確定

45、其是否具有可改造潛力。以此為為優(yōu)化目標(biāo)，提出相關(guān)改造方案。將換熱網(wǎng)絡(luò)分為油、原油以及油三個換熱段，-7-濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)對其中夾點理論、改造潛力的流程段重新規(guī)劃設(shè)計，并對改造后可提升的效益進行簡單計算。本文中，各章節(jié)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。第三章：常減壓蒸餾裝置的流程模擬第一章：緒論理論基礎(chǔ)，統(tǒng)領(lǐng)全文第四章：換熱網(wǎng)絡(luò)的建立及用能第五章：換熱網(wǎng)絡(luò)的綜合優(yōu)化設(shè)計圖 1-2各章節(jié)邏輯-8-結(jié)論第二章：Aspen plus 流程模擬簡介；換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化綜合濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)第2章 換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合2.1換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合對于換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合所使用的主要可以分為四類:試探法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、夾點技術(shù)法和人

46、工智能算法，其簡述分別如下：（1）試探法；試探法也稱啟發(fā)式經(jīng)驗規(guī)則法或直觀推斷調(diào)優(yōu)法。該能得到最優(yōu)解，其精確度不高。實際問題中，可在此的調(diào)優(yōu)方試用來有效地可加快系統(tǒng)的調(diào)優(yōu)速度，需通過多次調(diào)試才有可的基礎(chǔ)上采用一些其他了其調(diào)整方向的正確性，25。是工程設(shè)計中常常采用到的（2）數(shù)學(xué)規(guī)劃法；數(shù)學(xué)規(guī)劃是指通過系統(tǒng)工藝流程的分析與簡化，建立研究對象數(shù)學(xué)模型，繼而選擇目標(biāo)函數(shù)計算求解，并在可行解范圍內(nèi)得到一個最優(yōu)匹配的。通常，在實際建模過程中，通常要對數(shù)學(xué)模型進行一些可以合理的約束。在數(shù)學(xué)計算中， 將該問題稱作混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題(MINLP)，可依據(jù)如下函數(shù)式（1-1）加以計算：minZ= f (x,

47、y)s.t h(x, y) 0g(x, y) 0x X , y Y（1-1）式中， f (x, y) 為目標(biāo)函數(shù)，通?？稍O(shè)置的總費用函數(shù)等，x工藝流程中的連續(xù)變量，如溫度、等操作參數(shù)， y結(jié)構(gòu)的離散變量，通常是0-1。X 表示所有可能的 x 的集合。通過求解模型可得到換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果。數(shù)學(xué)規(guī)劃法具有較強的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，但對于復(fù)雜的大規(guī)模工業(yè)系統(tǒng)，由于其變量的非線性，目標(biāo)函數(shù)及約束方程非連續(xù)、不可微性，數(shù)學(xué)規(guī)劃法目前尚未對此類問題形成有效的求解算法26。（3）夾點技術(shù)法；夾點設(shè)計是依據(jù)熱力學(xué)定律，對研究系統(tǒng)中違背傳熱原理的流程重新進行設(shè)計修改得到初始換熱網(wǎng)絡(luò)的。該的關(guān)鍵點是要先確定夾點溫度

48、，以夾點溫度將換熱網(wǎng)絡(luò)分為兩部分分別進行冷熱流股的合理匹配，不允有許通過夾點換熱的流程，以此來設(shè)計具有最大熱量回收的網(wǎng)絡(luò)。-9-濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)（4）人工智能法；人工智能算法是一門通過模擬人的感覺和思維過程設(shè)計出可作出類似人類反應(yīng)的智能化機器的科學(xué)。人工智能法中最為重要的式就是遺傳算法，該算法的理論基礎(chǔ)是遺傳理論和生物進化論。在自然界中，生物以 “適者生存，優(yōu)勝劣汰”的方式不斷進化，而遺傳算法就是將自然選擇與自然遺傳原則相結(jié)合而提出的一種并行性隨機搜索的優(yōu)化算法。通過收集現(xiàn)有，利用遺傳算子選，將人工智能法應(yīng)用擇出一組更搜索點以實現(xiàn)特定目標(biāo)下的迭代優(yōu)化。于換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合雖然是極具潛力的創(chuàng)新性想

49、法，但目前該階段，適用范圍窄。仍屬于起步2.2 夾點技術(shù)法夾點技術(shù)法是一種以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，利用和問題表格對換熱網(wǎng)絡(luò)逐步。對該技術(shù)的研究始于上世紀(jì)后期：1978 年 Linnhoff 和Flower27首先優(yōu)化的指出了加點的。隨后，Umeda28提出了優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)的工具：復(fù)合曲線（T-H）圖；1983 年，Linnhoff 和 HindMarsh29對換熱網(wǎng)絡(luò)綜合的夾點分析做了比較詳細(xì)的論述，奠定了夾點設(shè)計法的理論基礎(chǔ)。正是由于這一理念，利用夾點技術(shù)的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化綜合得以迅速發(fā)展。國內(nèi)也有不少學(xué)者對該項技術(shù)進行了深入的研究，如：華賁30、31等人提出在不考慮有效能損失情況下求取最優(yōu)夾點溫差 Tm

50、inopt 的問題，并進行了深度研究，提出改進方案。夾點分析的基礎(chǔ)是熱力學(xué)定律，它是從宏觀的角度將整個換熱系統(tǒng)作為一個有機整體來分析其用能狀況，綜合了換熱網(wǎng)絡(luò)中各個環(huán)節(jié)所涉及到的有因素，如：沿的投資、流程的合理、操作過程的可控性等。調(diào)優(yōu)的首要目的是使能量合理的，降低公用工程損耗，能量的回收增至最大；其次，在能量回的前提下，盡可能降低投資費用，增大利潤值32。目前，夾點收率基本保持技術(shù)法已成為過程工業(yè)中最使用的優(yōu)化設(shè)計，在擴頸改造、節(jié)能降耗、降低投資等方面均取得了顯著的成效，成為世界性工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。2.2.1 夾點分析的基本原理（1）(T-H 圖)；(T-H 圖)能夠準(zhǔn)確直觀地描述出過換熱網(wǎng)絡(luò)中

51、各個環(huán)節(jié)工藝流股的熱中，縱軸表示溫度 T；橫軸表示焓值 H，任一流量隨溫度變化的特性。在股可由一條線段在圖中表示，如圖 2-1 所示。-10-濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)圖 2-1 物流在上的標(biāo)識假設(shè)某條冷流股在加熱的過程中，其熱容流率 CP1（流股的質(zhì)量流量與熱容的乘積）為一，當(dāng)該流股從Ts 升至終溫 TT 時所需要的總熱量 Q 可依據(jù)公式（2-1）計算得出：TT CQ =d = C (T - T ) =H（2-1）P1 tP1TSTS從等式中可以看出，流股所需熱量的數(shù)值大小為該流股在這段溫度區(qū)間內(nèi)的焓值差，從圖中標(biāo)識即為線段首尾兩點投影在橫坐標(biāo)上的距離，如圖 2-2 所示。圖 2-2 物流在上的熱量標(biāo)識

52、TT - TS= DT1CP1=有：（2-2）DHDH即圖中冷物流線段的斜率為 1/CP。從圖 2-3 上觀察可得，在中物流線段任意的水平移動影響該物流的溫度與焓值的變化。-11-濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)圖 2-3 一股冷物流在上的標(biāo)識（2）組合曲線；若所需表示的冷、熱流股數(shù)目較多，可在中將物流進行合并，即把所需多股熱物流組合繪制成一條熱復(fù)合曲線；將多股冷物流繪制復(fù)合曲線，從33如下（繪制過程如而便可形圖 2-4 所示）：、熱流股的組合曲線。具體的繪制的1）把所有的冷、熱流股按其-焓圖上。每條流股與焓差繪制在同一可沿水平方向移動，但必須保證它們在橫軸 H 軸上的投影（即焓值差）不能有重疊區(qū)域；2） 沿每

53、一條流股的初始溫度和重點溫度分別畫水平線，確定溫度區(qū)間的邊界，從低到高分別表示為 Ti，i=1,2n，將整個溫度區(qū)域分割成了一系列連續(xù)的溫度區(qū)間；3） 將每個溫度區(qū)間內(nèi)部所有冷、熱物流的焓差值相疊加，并在相應(yīng)的溫度區(qū)間內(nèi)重新畫出焓值相加后的流股線段，最后將各線段首尾連接即可得到冷、熱流股組合曲線。-12-濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)圖 2-4 組合曲線的繪制過程（3）夾點的確定；夾點的確定有兩種分別為組合曲線法和問題表，1）組合曲線法；分別將所有冷、熱物流集合形成的組合曲線繪制在上，兩曲線中間交疊部分投影在橫軸 H 上的距離即過兩物流間換熱可回收的能量。在熱組合曲線下端，缺少冷物流，不能換熱的部分需要采用一定的外部公用工程加以冷卻； 而在冷組合曲線頂上端超出的部分表示在這個溫度區(qū)間內(nèi)缺少熱物流將其加熱到目標(biāo)溫度，需采用一定量的外部熱公用工程。圖 2-5 組合曲線及夾點位置-13-濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)通過