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1、第五部分公用工程系统顶层分析法与能量集成综合优化法,主讲人：尹 洪 超 大连理工大学能源动力学院 教授 化工系统工程研究所 博士 能源管理与节能研究中心 主任 电话：13940865971 传真：0411-84708460 E-mail：,讲 课 内 容,一、公用工程系统顶层分析法 二、公用工程系统能量集成综合优化方法 三、石化企业蒸汽动力系统优化 四、实例研究,公用工程系统能量集成综合优化方法,大型化工或石油化工企业的全局过程系统一般可分为3个子系统： 工艺过程、换热网络和公用工程 其中公用工程系统向各过程提供所需的动力、电力、热能和蒸汽等公用工程，其中尤以蒸汽动力系统最为重要。 公用工程系
2、统一般具有几个不同压力等级的蒸汽管网向过程输送蒸汽或热量，同时回收过程余热，各级管网之间通过蒸汽透平产生过程所需的动力或电力，亏盈量可由电网购入或输出电力。 因此公用工程系统本身也是过程工业中的耗能大户，它的优化设计和节能改造具有很大的节能潜力，对全局系统的能量利用率和经济性具有重要影响。,（一）公用工程系统能量集成综合优化方法,（1）公用工程系统顶层分析优化 （2）过程全局夹点分析 （3）超结构MINLP的能量集成最优综合法,一、公用工程系统顶层分析优化, 主要思想 剩余热负荷的产生 剩余热负荷的转化途径分析 剩余热负荷转化途径的效益分析 应用顶层分析法能量集成的步骤 应用实例, 主要思想,
3、这种方法与传统的洋葱模型相反，是从公用工程子系统出发，由上及下(top-down-philosophy)逐层深入进行能量集成改造。其主要思路就是首先对公用工程系统进行分析和用能诊断，找出全局节能潜力所在，确定剩余热的最佳转化途径和最经济的改造方向。与传统的方法相比，它仅需要公用工程系统的有关信息，所需工作量大大减少，是用于全局过程节能改造的实用新方法。,图1 洋葱模型与顶层分析法比较, 主要思想,顶层分析法需要分析剩余蒸汽作功的各转化途径的热效率。对于凝汽式发电（作功）装置，其热效率一般在0.350.45；而对于大型复杂的过程系统，为满足各装置的热功需求，采用合理的热电联产公用工程系统，其热效
4、率可达0.9以上。 因此，对现有的全局过程系统，以公用工程系统为出发点进行节能改造具有巨大的节能潜力。, 剩余热负荷的产生,具有热电联产的公用工程系统，若对与其相关的过程系统或换热网络进行节能改造，则可减少过程的蒸汽用量或增加余热回收产汽量。例如对于VHP与HP级蒸汽间有减温减压器的公用工程系统，过剩热负荷可直接以减少VHP产量的形式归结为节省燃料。对于VHP与HP蒸汽间不设减温减压器时，若减少VHP蒸汽产量以平衡HP蒸汽，将导致VHP-HP间透平做功能力下降。,图2 剩余热负荷的产生, 剩余热负荷的产生,这两种结果都将打破公用工程系统原有的平衡关系，产生剩余蒸汽。从而可使公用工程系统获得蒸汽
5、和燃料的节省，但这并不一定获得公用工程成本的节省。若蒸汽量的节省不影响透平的作功能力，其结果为公用工程成本的节省；若蒸汽量的节省影响了透平的作功能力，还必须进行热功权衡才能确定公用工程成本是否节省。, 剩余热负荷的转化途径分析,a.用剩余热负荷通过发电透平做功 b.剩余热负荷通过工艺透平作功 c.通过外购电节省剩余热负荷及锅炉燃料,a.用剩余热负荷通过发电透平做功,公用工程系统有剩余热负荷存在，即相当于VHP蒸汽过剩。在复杂的公用工程系统中，由于存在多级透平，可以利用过剩的VHP做功的途径很多，必须进行热功转化途径分析，才能确定最佳的剩余蒸汽转化途径。,a.用剩余热负荷通过发电透平做功,图2所
6、示的过剩热负荷,可以通过T1,T3两个透平做功发电后以全凝方式排出系统；也可以通过T2透平背压后以LP蒸汽放空形式排出系统。,图3 剩余热负荷转化途径示意图,a.用剩余热负荷通过发电透平做功,图4 Qf、Qp、Qloss和W的关系,a.用剩余热负荷通过发电透平做功,不同的做功途径会产生不同的效益。过剩热负荷QP通过某一途径转化可增加系统做功量W，而节省QP对应的燃料消耗量的变化为 QF。 QF与QP之间的关系如图4所示，即 QF = (QP + W + Qloss)/boiler 式中，Qloss由QP引起的乏汽热损失的变化， boiler 锅炉效率。 过剩热负荷转化途径的做功效率为 = =
7、boiler （1） Qloss与对应的乏汽焓和回收凝液焓有关 Qloss = H乏汽H凝液 （2） 由式(1)、(2)计算各路径的效率后，即可找出效率最大的做功途径。,a.用剩余热负荷通过发电透平做功,设计发电透平时，一般要限定蒸汽的最大用量Vsmax和最小用量Vsmin，正常操作时透平的用汽量介于二者之间。 顶层分析法着眼于寻找剩余热负荷的转化途径，当通过某透平转化有较高的效率时，可根据剩余热负荷的量增加该透平用汽量至最大，以最大限度地利用现有设备产生经济效益；当通过某透平转化效率较低时，可调节该透平用汽量至最小，以节省蒸汽，将形成的剩余热负荷转移至效率最佳转化途径。,b.剩余热负荷通过工
8、艺透平作功,在复杂的石化过程公用工程系统中，许多工艺压缩机或机泵都是采用工艺透平直接做功驱动。这种工艺透平的做功对象为工艺物流，工艺物流的状态参数又为过程所规定。因此，剩余热负荷用于工艺透平的作功量是有限制的，这与发电透平存在本质区别。 工艺透平直接驱动机泵耗用的轴功与工艺物流的体积流量成正比，亦即与装置的生产负荷成正比。因此，蒸汽用量的变化与工艺物流负荷的变化成正比。定义= qv/qvd为工艺物流的负荷率，其中qvd为工艺物流的设计负荷，qv为工艺物流的操作负荷，则蒸汽用量 qs=qsd 式中，qs操作状态下的蒸汽用量； qsd设计状态下的蒸汽用量。,b.剩余热负荷通过工艺透平作功,当公用工
9、程系统存在剩余热负荷，且通过某一途径效率最大的透平途径作功时，对发电透平可增加蒸汽用量使剩余热负荷通过该途径效率最大的透平产生动力，其用汽最大可增加量为qsmax-qs；对工艺透平亦可增加蒸汽用量使剩余热负荷通过途径效率最大的工艺透平作功，其最大可调节量为 qsmax- qs。 当1 时, qsmax-qs =qsmax-qs 当1 时, qsmax-qs qsmax-qs,b.剩余热负荷通过工艺透平作功,若不考虑工艺透平与发电透平作功的区别，当1 时，仍将工艺透平的蒸汽用量调至qsmax， 一则可能造成工艺物流出口参数偏离操作要求，使生产过程产生波动而达不到工艺目的； 二则压缩机部分可能因采
10、用工艺物流走旁路循环的方式，抵消了增加蒸汽量所多作的功，从而失去了剩余热负荷转化的意义。 因此，运用顶层分析必须区分发电透平和工艺透平，才能确保剩余热负荷的高效转化。,c.通过外购电节省剩余热负荷及锅炉燃料,对于必须进行热功权衡的公用工程系统，节省剩余热负荷QP就等于节省了VHP蒸汽，其结果是燃料消耗减少QF，同时造成了系统做功量的下降。为弥补这部分做功能力的减少，公用工程系统需从外界购入动力或电力。 若购买单位燃料所需费用为CF，外购单位动力所需费用为Cp，定义外购动力的效率为 in =CF/Cp （3） 通过计算各途径效率和透平能力限度，即可依次排列出剩余热负荷转化的最佳途径及转化量、较佳
11、途径及转化量等，为进一步优化改造过程或换热网络提出了节省/多产蒸汽的等级及数量上的要求，确定过程节能的改造方案。, 剩余热负荷转化途径的效益分析,若将1MJ燃料的热负荷从现有途径移至最佳效率途径可多产功Wadd为 Wadd = Wm - Wc = m - c （4） 式中，C为现有途径效率，m为最佳途径效率。 为保持公用工程系统产/用功的平衡，多产的功量Wadd 可从效率最差的途径减少相应的功量，相应的燃料节省 QF=Wadd/least=（m - c）/ least（5） 式中，least为最差途径效率。, 剩余热负荷转化途径的效益分析,即在公用工程系统中，1MJ燃料的热负荷从现有途径移至最
12、佳效率途径可多做功Wadd；通过做功效率最差的途径减少做功Wadd，即可实现最大的燃料节省，其对应的燃料费用节省 CF QF = CF（m - c）/ least （6） 若1吨蒸汽相当于Qs MJ燃料，经济效益B B=CF Qs（m - c）/least (元/t) （7） 式中，Qs = ( Qp+ Qloss)/boiler, 应用顶层分析法能量集成的步骤,a)收集公用工程数据； b)计算现有蒸汽消耗途径效率及负荷限制； c)计算可选蒸汽消耗途径效率及负荷限制； d)计算节省剩余热负荷外购动力途径效率； e)比较现有途径、可选途径和外购动力效率； f)选择最优转化途径； g)计算优化后的
13、效益。, 应用实例,某石化公司3105t/a乙烯装置公用工程系统如图5所示，该系统有工艺透平4台，每台透平的现有运行负荷均高于最低设计负荷。原系统中没有低压蒸汽回收设施，蒸汽冷凝热全部损失。要求在不改造透平的前提下对整个公用工程系统调优。透平T1、T2、T3、T4的工艺物流负荷率分别为0.9，1.0，1.04，0.95；各透平的功与各级用汽的关系已知1，开工锅炉效率b=0.92。, 应用实例,图5 公用工程示意图,a.现有途径分析,当冷凝热全部损失时，采用顶层分析法求得的剩余热负荷用现有作功途径的效率如表1和图6的阴影面积的下边折线所示,其中 Qsmax为蒸汽最大节省量。,图6 剩余热负荷转化
14、途径对比,a.现有途径分析,表1 现有作功途径的效率 Tab.1 The efficiencies of current paths 蒸汽等级 途径 Qsmax/th-1 HP T1 0.057 20 HP T2 0.061 35 MP T1 0.134 30 MP T3 0.160 55 LP T3 0.218 12 LP T2 0.232 32 ,b.剩余热负荷途径优化,采用顶层分析法得到的剩余热负荷转化途径效率如表2所示, 其中Qmax为剩余热负荷上限。可见，最佳剩余热可转化途径为T4透平满负荷运行(多用3.5t/h)，其余热负荷以少产VHP形式节省，由于VHP负荷降低而减少的作功能力可
15、用外购电力形式弥补，如图6的阴影面积的上边线所示。 由图中的两条曲线可对优化的途径和现有途径进行比较，它不但给出了剩余热负荷转化途径优化前后的效率变化（阴影部分），而且给出了各等级蒸汽的最大节省量，阴影面积正比于改变前后的经济收益。,b.剩余热负荷途径优化,根据图6分段对改变剩余热负荷转化途径前后的公用工程系统的经济收益按式（7）进行计算，得到改变剩余热负荷转化途径后的经济效益如图7所示。 图中折线下的面积为每小时节约各等级蒸汽剩余热负荷所产生的收益（6843.73元/h），全年按运行8000h计，年收益为5.47107元/a。 以上分析是以减少锅炉新汽（VHP）为基础，但实际中由于开工锅炉的
16、最小运行负荷为不低于设计负荷的87% ，所以VHP只有30t/h左右的调节余地。若按节省30t/h蒸汽计算，年实现经济效益为1541.11万元。可见选择优化的转化途径可明显增加全局公用工程的经济效益。,b.剩余热负荷途径优化,表2 剩余热负荷转化途径及能源价格 Tab.2 The conversion paths of residual heat 序号 途 径 Qmax /th-1 1 T4冷凝 0.364 3.5 2 外购电 0.277 3 T2放空 0.232 15 4 T1-MP-减温减压放空 0.218 40 注:外购电价0.3元/kWh; 燃料价格0.083元/kWh ,b.剩余热负荷途径优化,图7 不同途径的经济效益比较,二、过程全局夹点分析与超结构MINLP相结合的能量集成最优综合法, 全局夹点分析与MINLP优化相结合的方法 公用工程换热网络超
