基于火积的SSOT装置换热网络能量利用效率的分析研究

冯园丽，夏力，孙晓岩，项曙光



基于火积的SSOT装置换热网络能量利用效率的分析研究

冯园丽，夏力，孙晓岩，项曙光

（青岛科技大学 过程系统工程研究所， 山东 青岛 266042）

火积的概念可以描述物体传递热量的能力，基于火积的能量利用效率可作为评价热量合理利用的依据。建立基于火积的换热网络的能量利用效率的数学模型，并提出相应的计算步骤，以最大能量回收为目标，通过对某单段单程加氢裂化（SSOT）实际生产装置进行换热网络能量利用效率的分析研究，验证火积传递效率的合理性。结果表明：分析SSOT装置的原始换热网络时，得出公用工程HU1、HU3、CU6、CU7的火积耗散率较大，分别为36.25%、35.36%、85.50%和68.97%，而基于㶲的概念得到公用工程HU3、CU6、CU7的㶲损率较大，分别为37.83%、17.98%和13.95%，则火积传递效率比㶲效率分析换热网络的能量利用情况更加精确。选取最小传热温差Δmin=15 K后，火积传递效率从57.18 %增加到76.45%，节约公用工程52.53%，㶲效率从59.62%增加到83.31%，节约公用工程60.61%，进一步说明火积传递效率能够用来分析换热网络中的能量利用情况。

火积；能量利用效率；火积传递效率；㶲效率

目前,我国仍然是世界上最大的能源消费国,占全球能源消费量的23%［1］。石油、化工、金属冶炼、炼焦等都是高耗能行业，其中石油和化工行业的能源年消费量占我国年消费总量的约60%，“三废”排放也位于前列。加快结构调整和转型升级、降低生产过程中的能耗是行业发展的内在要求。因此，提高石油和化工行业的热量回收利用，对于实现“十三五”期间节能减排的目标，促进国民经济可持续发展，提高石化行业的市场竞争力具有重大意义。

为了描述能量的品质特征，Rant（1956）［2］提出了（Exergy）的概念。㶲损失可以表示实际用能过程中能量品质的下降情况，作为分析可用能利用情况的依据。Ahern（1980）［3］和Kotas（1985）［4］提出了分析方法来揭示体系中㶲（有效能）传递、转换、利用和损失的情况。为了解决某些实际生产工艺中的经济问题，Evans和Tribus引入了㶲经济的概念，由此推动了㶲经济分析法的发展。目前，基于㶲分析方法和㶲经济分析法在许多领域都有广泛研究，比如石油化工［5］、高炉冶炼［6］、环境资源［7］、生态系统［8］等。

传热学中虽然有最小熵产原理来评价传热性能的好坏，但是并没有用来评价热流传递的速率或效率的原理。过增元等人（2006）［9］提出了新的物理量-“火积”和描述传热过程不可逆性的“火积耗散”来分析传热过程的特点。胡帼杰和过增元（2011）［10］定义了火积传递效率用于分析换热器中热量的传递情况。Wu等（2013）［11］分析了3个简单化工过程中自热回收系统的火积传递效率，确定出火积传递效率最大的化工过程。Xia等（2017）［12］提出基于火积的换热网络能量目标的确定方法，说明最大火积传递效率可以表示换热网络中热量的利用最合理。

根据火积的概念，以最大能量回收为目标，通过分析某炼化企业的SSOT装置换热网络的能量利用效率，比较火积传递效率和㶲效率的不同，进而确定出最优的换热网络能量利用效率。

1 换热网络中的火积传递效率

1.1 换热网络中的火积传递效率

换热网络中冷、热物流间热量的利用情况可以通过计算火积传递效率，即基于火积的能量利用效率。 火积传递效率越高表明热物流尽可能最大的将热量传递给冷物流利用，减少换热网络中的火积耗散。

对于有个物流（包括公用工程）的换热网络，换热器内冷、热物流的流动为一维稳定状态，和外界不存在热量交换，不考虑流体动能和势能的变化。则热物流从进口温度inlet到出口温度outlet的火积量为（以0 K为基准）：

式中:CP— 热容流率，kW/K；

H—换热网络中的所有热物流的火积量，kW∙K；

h,i— 第个热物流的火积量，kW∙K；

h,i— 第个热物流的热量，kW。

同理可得到冷物流的火积量为：

式中:C—换热网络中的所有冷物流的火积量，kW∙K；

c,i— 第个冷物流的火积量，kW∙K。

换热网络中冷、热物流在传热过程中耗散了火积，则火积耗散为：

因此，火积传递效率为：

由式（6）看出，冷、热物流间的传热温差越大，火积耗散越大，则火积传递效率越大，此时换热网络的能量利用效果不好。

1.2 换热网络中火积传递效率的计算步骤

对于分析一个实际生产装置换热网络的火积传递效率，可采取以下步骤：

步骤一：提取冷、物流数据。从实际生产装置中提取中所有需要被加热的物流即冷物流和所有被冷却的物流即热物流的数据，包括进口温度、出口温度、热容流率或热负荷。

步骤二：计算所有物流的火积量。根据公式（2）和公式（4）计算每一个热物流和冷物流的火积量，然后求出所有热物流火积量H、所有冷物流火积量C。另外，求出所有冷、热公用工程的火积量及火积耗散量

步骤三：计算装置原始换热网络中的火积传递效率。根据步骤二中得到的所有物流的火积量，由公式（6）求出原始换热网络的火积传递效率。为了确定换热网络中存在能量利用不合理严重的地方，可以进一步求出每一个物流的火积耗散率。

步骤四：计算装置在最大能量回收下的换热网络的火积传递效率。选择合适的最小传热温差△min，运用步骤一至步骤二，计算此时的火积传递效率，与原始换热网络的火积传递效率进行对比，分析在最大能量回收下的换热网络热量是否合理利用。

2 SSOT装置的物流数据提取

2.1 SSOT装置工艺流程

SSOT装置是大部分炼化企业二次加工、重油轻质化的重要手段。由于加氢裂化过程是高压和强放热反应，而产品要求保持在常温，因此，对SSOT装置进行换热网络的研究帮助降低能耗和节约成本具有重要意义。

SSOT装置主要由反应部分、气体脱硫部分、生成油脱硫部分以及分馏部分组成，工艺流程图见图1。首先从减压装置和罐区来的减压瓦斯油作为原料，经过预热与氢气混合后经加热后进入反应器顶部，自上而下发生加氢脱硫、脱氮、裂解及烯烃和芳烃饱和等反应，反应产物被冷却后经冷高分、冷低分。冷高分顶部的循环气脱硫后进入分液罐，分离液滴后返回到反应部分循环使用。冷低分的酸性气排入脱硫总管，冷低分的液体进入硫化氢汽提塔脱除H2S后进入分馏塔，在塔中将未转化产品与转化产品分离，得到转化产品石脑油、航煤、柴油和作为乙烯装置进料的尾油。

2.2 提取物流数据

利用Aspen Plus模拟SSOT装置的工艺流程，得到了能量衡算和物料衡算数据，提取所需要的冷、热物流数据见表1，公用工程的数据见表2和表3［13］。

图1 SSOT装置的工艺流程图

3 SSOT装置换热网络能量利用效率的分析研究

3.1 原始换热网络分析

根据表1中的数据，在图中绘制出冷、热组合曲线，如图2所示。

3.1.1 火积传递效率的分析

热物流的火积量为2.132×107kW·K，冷物流的火积量为1.660×107kW·K，热公用工程的火积量为4.414×106kW·K，冷公用工程的火积量为6.680×106kW·K，则火积回收为1.219×107kW·K，火积耗散为2.447×106kW·K，火积传递效率为57.18%。进一步对公用工程的火积传递效率，见表4、表5。

表1 工艺物流数据

表2 热公用工程数据

表3 冷公用工程数据

表4 热公用工程数据

表5 冷公用工程数据

由表4、表5可以看出HU1、HU3、CU6、CU7火积耗散率较大，分别为36.25%、35.36%、85.50%和68.97%。因此，为了提高火积传递效率，应该主要减少这4个公用工程的火积耗散。

3.1.2 㶲效率的分析

换热网络中的热量㶲可以表示物流热量的可用能，则㶲效率也能用来分析换热网络中的能量利用效率。

选取环境温度为0=298.15 K，压力=0.1013 MPa，通过计算可得热物流的供给㶲为1.2712×104kW，冷物流需要的㶲为1.4279×104kW，热公用工程㶲为1.214×104kW，冷公用工程的㶲为1.604×104kW，㶲损失6.251×103kW，㶲效率为59.62 %,㶲损率为40.38 %。

为了进一步确定换热网络中热量损失最大的部位，可以计算公用工程的㶲效率和㶲损率，见表6、表7。

表6 热公用工程数据

表7 冷公用工程数据

由表6、表7可以看出HU3、CU6、CU7㶲损率较大，分别为37.83%、17.98%和13.95%。因此，为了提高能量利用效率，应该主要从减少这3个公用工程的㶲损失出发。

3.2 最大热回收换热网络分析

选取最小传热温差Δmin=15 K，夹点温度为410.5 K，热公用工程用量为484.53 kW，冷公用工程为10 894.02 kW，节约公用工程为63.39%。并通过计算SSOT装置的火积传递效率和㶲效率来评价换热网络的热量利用情况。

3.2.1 火积传递效率的分析

热公用工程的火积量为3.019×105kW·K，冷公用工程的火积量为3.855×106kW·K，则火积回收为1.630×107kW·K，火积耗散为1.167×106kW·K，火积传递效率为76.45%，节约公用工程52.53%。

3.2.2 㶲效率的分析

热物流的供给㶲为1.497×104kW，冷物流需要的㶲为1.299×104kW，热公用工程㶲为7.497×103kW，冷公用工程的㶲为3.604×103kW，㶲损失2.583×103kW，㶲效率为83.31%,㶲损率为16.69%，节约公用工程60.61%。

4 结论

本文运用火积的概念，以最大能量回收为目标，对SSOT实际生产装置换热网络的能量利用效率进行分析研究，并与㶲效率对比，得到的结论如下：

（1） 火积传递效率可以分析换热网络中的能量利用效率。换热网络中物流的火积量表示物流具有传递热量的能力，则热量是否被最大化利用可以计算 火积传递效率来评价。

（2） 火积传递效率和㶲效率都能分析换热网络的用能情况。案例中火积传递效率分析原始换热网络中有4个公用工程的火积耗散率较大，而㶲效率的结果为3个公用工程㶲损失率较大，则火积传递效率更加精确。另外，选取△min=15 K时，火积传递效率从57.18%增加到76.45%，㶲效率从59.62%增加到83.31%，说明两个效率都能分析出网络中能量的利用情况。

（3） 㶲效率从热功转换的角度考虑，火积传递效率从传热的角度考虑，对于分析换热网络中热量的利用情况并不需要考虑做功问题，则火积传递效率更具有价值。

［1］ 中国能源网．BP世界能源统计年鉴[EB/OL]. [2016-07-08].http://www.cnenergy.org/sylb/tj/201607/t20160708_332709.html.

［2］Rant Z. Exergy, a new word for technical available work[J]. Forsch Ingenieurwes, 1956, 22(1): 22-36.

［3］Ahern J E. Exergy Method of Energy Systems Analysis[M]. New York: John Wiley and Sons, 1980: 295-296.

［4］Kotas T J. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis[M]. UK: Butterworths Academic Press, 1985.

［5］Ghannadzadeh A, Sadeqzadeh M. Exergy analysis as a scop- ing tool for cleaner production of chemicals: a case study of an ethylene production process[J]. Journal of Cleaner Production, 2016, 129(8): 508-520.

［6］ Liu X, Chen L, Qin X, et al. Exergy loss minimization for a blast furnace with comparative analyses for energy flows and exergy flows[J]. Energy, 2015, 93(12):10-19.

［7］ Parket S R, Pandey A K, Tyagi V V, et al. Energy and exergy analysis of typical renewable energy systems[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 30(2): 105-123.

［8］ Vargas-Parra M V, Villalba G, Gabarrell X. Applying exergy analysis to rainwater harvesting systems to assess resource efficiency[J]. Resources Conservation &Recycling, 2013, 72(2): 50-59.

［9］ 过增元，梁新刚，朱宏晔. 火积-描述物体传递热量能力的物理量[J]. 自然科学进展，2006，16(10)：1288-1296.

［10］胡帼杰，过增元. 传热过程的效率[J]. 工程热物理学报，2011, 32(6)：1005-1008.

［11］Wu J, Guo Z Y. Application of entransy analysis in self-heat recuperation technology[J]. Ind. Eng. Chem. Res., 2013, 53(3): 1274-1285.

［12］Xia L, Feng Y L, Sun X Y, et al. A Novel Method Based on Entransy Theory for Setting Energy Targets of Heat Exchanger Network[J]. CJCHE, 2017, In Press.

［13］王凌燕. SSOT装置的模拟与节能研究[D]. 青岛：青岛科技大学，2012.

Analysis on the Energy Utilization Efficiency of Heat Exchange Network in SSOT Unit based on Entransy

,

（Institute of Process System Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266042, China）

The concept of entransy can be used to describe the ability of an object to transfer heat, and the energy utilization efficiency based on entransy theory can be used as a basis for the rational use of heat. In this paper, a mathematical model of energy utilization efficiency of heat exchange networks (HENs) based on entransy was established, and the corresponding calculation procedure was put forward. With the aim of the maximum energy recovery, the energy utilization efficiency of the HEN in a single-stage once through hydrocracker (SSOT) unit was studied, and the rationality of the entransy transfer efficiency was verified. When the original HEN of SSOT unit was analyzed, the entransy dissipation rate value of HU1, HU3, CU6 and CU7 of utilities was bigger, which was 36.25%, 35.36%, 85.50% and 68.97% respectively. Based on the concept of exergy, the exergy loss rate value of HU3, CU6, CU7 of utilities was bigger, 37.83%, 17.98% and 13.95% respectively, so the entransy transfer efficiency was more accurate than the exergy efficiency. After selecting the minimum heat transfer temperature differencemin= 15 K, the entransy transfer efficiency increased from 57.18% to 76.45%, saving 52.53% of the utilities, the exergy efficiency increased from 59.62% to 83.31%, saving 60.61 % of the utilities. Thus, the entransy transfer efficiency can be used to analyze the energy utilization efficiency in the HENs.

Entransy; Energy utilization efficiency; Entransy transfer efficiency; Exergy efficiency

TQ 021.8

A

1671-0460（2017）12-2578-05

国家自然科学基金资助项目，项目号： 21406124。

2017-05-11

冯园丽（1992-），女，宁夏回族自治区银川市人，硕士研究生，青岛科技大学化学工程与技术专业，研究方向: 过程系统工程。E-mail：284399677@qq.com。

夏力（1981-），男，讲师，博士，研究过程系统工程方向。E-mail：xiali9369b@126.com。