第5-6講：節(jié)能原理與技術(shù)-節(jié)能原理與方法

六節(jié)能原理與方法科學(xué)找出節(jié)能潛力與部位制定節(jié)能措施的指導(dǎo)原則規(guī)劃長短期節(jié)能目標提出不恰當?shù)墓?jié)能指標制定出不合理的節(jié)能決策批準不合理的節(jié)能方案1掌握節(jié)能原理的重要性掌握節(jié)能原理不掌握節(jié)能原理熱力學(xué)第一定律分析法熱力學(xué)第二定律分析法熱經(jīng)濟學(xué)節(jié)能原理與方法窄點技術(shù)能量平衡流程模擬技術(shù)三環(huán)節(jié)理論2節(jié)能分析方法與原理2.1節(jié)能分析方法熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律：能量是物質(zhì)運動的量度，當任何一種形式的能量被轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量時，數(shù)量不變。（1）熱力學(xué)第一定律分析法用熱效率的高低來估計節(jié)能潛力，熱效率越高說明節(jié)能潛力越大。用能量平衡法將能量的來龍去脈搞清楚，確定多少能量被利用，多少能量損失掉。熱力學(xué)第一定律的具體應(yīng)用方法及優(yōu)缺點優(yōu)點：簡單直觀，容易理解和掌握，運用得當對節(jié)能工作能起到重要作用。缺點：僅反映能量數(shù)量上的守恒關(guān)系，在挖掘節(jié)能潛力時有較大的局限性和不合理性。

具體應(yīng)用方法：優(yōu)缺點：（2）熱力學(xué)第二定律分析法當任何一種形式的能量被轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量時，其品位只可能降低或蛻變，絕不可能提高。能量在數(shù)量的守恒性和質(zhì)量上的貶值性，就構(gòu)成了能量的全面本性。熱力學(xué)第二定律的基本內(nèi)涵20世紀50年代以后，熱力學(xué)第二定律的理論開始在節(jié)能實踐中廣泛應(yīng)用！有熵分析法和火用分析法。由于熵分析法比較抽象，不能評價能量的使用價值，且本身也不是一種能量，現(xiàn)在已被火用分析法取代。火用分析法認為：能量=火用+火無火用是這樣一種能，在給定環(huán)境的作用下，可以完全連續(xù)地轉(zhuǎn)化為任何一種其它形式的能量，而火無是一種不可能轉(zhuǎn)化的能量形式?；鹩弥饕轻槍崽岢龅?，即熱量中最大能轉(zhuǎn)化為功的部分。采用火用分析法，能從本質(zhì)上找出能量損失。熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用方法現(xiàn)代節(jié)能原理是同時依據(jù)熱力學(xué)第一、第二定律，并通過直觀實用的方式，來體現(xiàn)能的全面本性，由此建立的節(jié)能理論和方法，稱為第二定律分析法。應(yīng)用方法（3）熱經(jīng)濟學(xué)20世紀60年代以來，在節(jié)能領(lǐng)域產(chǎn)生了將火用分析法與經(jīng)濟因素及優(yōu)化理論有機結(jié)合的熱經(jīng)濟學(xué)方法，即除了研究體系與自然環(huán)境之間的相互作用外，還要研究一個體系內(nèi)部的經(jīng)濟參量與環(huán)境經(jīng)濟參量之間的相互作用。第一定律和第二定律分析法，在方案比較中僅能給出一個參考方向，而不能得出具體結(jié)論。熱經(jīng)濟學(xué)分析法可以直接給出能效評價結(jié)果，這種方法特別適用于解決大型、復(fù)雜的能量系統(tǒng)分析、設(shè)計和優(yōu)化。2.2節(jié)能原理與方法按能量的作功能力，將其分為三大類：高級能量：理論上可完全轉(zhuǎn)化為功的能量，如機械功、電能、水能等。低級能量：理論上不能全部轉(zhuǎn)化為功的能量，主要是熱能；僵態(tài)能量：完全不能轉(zhuǎn)化為功的能量。

可逆過程是熱力學(xué)中的一種理想過程，如沒有摩擦阻力的機械運動，沒有溫差的傳熱過程。真正的可逆過程是不存在的，事實上，自然界的任何過程都不是可逆過程。節(jié)能工作就是在現(xiàn)有的條件下使熱功過程盡可能接近可逆過程。用能的本質(zhì)：大部分能量是過客；能量是完成過程中不發(fā)生化學(xué)變化的“催化劑”；能量是完成過程的推動力。（1）能量的相關(guān)概念使用耗能量小的先進工藝過程和高效設(shè)備。減少過程。由于任何過程均不可逆，因此應(yīng)盡可能減少過程，減少不可逆性。如裝置之間的熱進出料；從整個系統(tǒng)的角度使用能量，抓住優(yōu)化匹配的機會，減少不可逆性。能量多次使用。如對傳熱過程就要減少傳熱溫差。目前的經(jīng)濟傳熱平均溫差（不包括加熱爐）已經(jīng)達20～30℃，隨著強化傳熱技術(shù)的發(fā)展，傳熱系數(shù)提高后，經(jīng)濟傳熱溫差可能進一步減小。煉油過程中，最常見最典型的過程為傳熱過程，各個裝置均有大量的換熱器。凡是傳熱溫差大的地方，即是節(jié)能潛力所在（如何理解？）。高能高用，低能低用（能量梯級利用！）。（2）節(jié)能方法案例-燒開水（1）用電加熱：280kg標油；（2）LPG加熱：94kg標油(加熱效率按90%)；（3）用燃料發(fā)生高壓蒸汽，通過凝汽機的排汽加熱：50.3kg標油。此時，所需的一次能源已大大小于水本身升溫所需的熱量85kg標油！

將10000kg水從15℃加熱到100℃，需能量85萬kcal，按數(shù)量折為85kg標油。典型加熱方法的耗能量如果有類似上述的好條件，一定要抓住機會，充分利用?？赡苡蓄愃粕鲜龅牧己脳l件，但是隱蔽的，應(yīng)讓其顯露出來，并充分利用。（系統(tǒng)越大越復(fù)雜，則越接近優(yōu)化匹配的條件）如果沒有溫度與負荷匹配良好的過程，要創(chuàng)造條件，創(chuàng)造過程（尤其是公用工程），使工藝過程之間及與公用工程之間實現(xiàn)良好的匹配。啟示：2.3窄點技術(shù)窄點技術(shù)的概念窄點技術(shù)(PinchTechnology)是英國Bodolinn

hoff

教授等人于70年代末提出的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方法，并逐步發(fā)展成為化工過程綜合的方法論。窄點技術(shù)是能量回收系統(tǒng)的分析方法的重大突破。窄點技術(shù)原理工藝過程中存在多股冷、熱物流,過程綜合就是設(shè)計出能使冷、熱物流充分換熱以盡可能回收熱量,并同時滿足投資費用、可操作性等方面的約束條件的過程系統(tǒng)。多股冷、熱物流在T－H

圖上可分別合并為冷熱物流復(fù)合曲線,兩條曲線在H軸上投影的重疊部分即為冷、熱物流間的換熱量,未重疊部分即為冷、熱公用工程耗量。當兩曲線在水平方向上相互移近時,熱回收量Qx增大，而公用工程耗量Q。和Q,減小,各部位的傳熱溫差也減小。當曲線互相接近至某一點達最小允許傳熱溫差ΔTmin時,熱回收量達到最大(Qx,max),冷、熱公用工程耗量達到最小(Qc.min,QH.min)。兩曲線縱坐標最接近的位置叫作窄點。窄點把換熱網(wǎng)絡(luò)分為窄點之上(稱為熱端或熱阱)和窄點之下(稱為冷端)兩個子網(wǎng)絡(luò)。為保證達到最小的加熱、冷卻公用工程用量，窄點技術(shù)有三條最基本的原則：(1)不應(yīng)穿過窄點傳熱；(2)窄點之上不應(yīng)采用冷公用工程；(3)窄點之下不應(yīng)采用熱公用工程。（1）總綜合曲線的應(yīng)用Fig.1:窄點溫度180℃，可產(chǎn)低壓蒸汽及供低溫余熱；Fig.2:第1窄點溫度260℃，第2窄點溫度120℃，中間可發(fā)生中壓蒸汽，背壓發(fā)電后，再供出0.5Mpa蒸汽，利用中間富裕的溫差作功。180℃260℃120℃（2）窄點技術(shù)超目標方法確定了窄點溫差，就確定了冷、熱公用工程目標，但窄點溫差如何在具體設(shè)計之前選?。恳虼苏c技術(shù)中發(fā)展出了一個超目標方法，即在換熱網(wǎng)絡(luò)還沒有具體設(shè)計的情況下，運用一些模型，優(yōu)化選取窄點溫差。假如把每一個窄點溫差下的換熱網(wǎng)絡(luò)都設(shè)計出來，而進行選取，其工作量太大，工程上不實用，也沒有這個必要。超目標方法的實質(zhì)是利用冷熱綜合曲線的“垂直換熱”傳熱面積模型、殼程數(shù)模型以及泵功模型，預(yù)測每一個窄點溫差情況下的最小傳熱面積、最小殼程數(shù)，從而預(yù)測出投資，當然選取一個窄點溫差，就可確定了冷熱工程目標，也就可以確定能耗費用。綜合選取年操作費用最低的窄點溫差即為優(yōu)化值。

優(yōu)化的窄點溫差如何選擇？（3）加熱爐在過程組合中的適宜布局

習(xí)慣上總是認為增加空氣預(yù)熱可以提高加熱爐效率和降低燃料耗量。下圖中不帶煙氣預(yù)熱的煙氣溫焓線以虛線表示，而空氣對燃料比率保持不變的帶空氣預(yù)熱的煙氣線以實線表示，顯然空氣預(yù)熱后理論火焰溫度上升，其結(jié)果是煙氣線的斜率變陡了，導(dǎo)致煙氣從煙囪排棄的熱損失降低，降低的燃料耗量熱值相當于助燃空氣所獲得的熱量。如右圖所示：工藝過程所需的最低供熱量為Qhmin，當窄點溫差為50℃

時是1300kW，窄點溫度為400℃

（煙氣窄點溫度為425℃

，工藝冷流窄點溫度為375℃

）。如不用空氣預(yù)熱則理論火焰溫度為1500℃

。如尾端煙氣在熱流窄點溫度下離開加熱爐時，所需燃料為：

燃料=Qhmin+(煙氣窄點溫度－T0)×煙氣熱容流率

＝1790kW

然而，425℃

的煙氣是足以用來預(yù)熱空氣的，設(shè)最小允許離開煙囪的煙氣溫度為200℃，則最高空氣預(yù)熱溫度是270℃

。這時新的理論火焰溫度為1725℃

，并可計算出新的燃料耗量：

燃料＝Ｑhmin+(200-T0)×煙氣熱容流率=1480kW

所以助燃空氣預(yù)熱可節(jié)省燃料17%。以上是有傳統(tǒng)方法設(shè)計的優(yōu)化結(jié)果，煙氣流率和煙囪排棄溫度已經(jīng)是最低了，似乎沒有改進的余地了。用窄點技術(shù)考慮的空氣預(yù)熱

如果把工藝過程和加熱爐作為一個整體來考慮，預(yù)熱空氣就意味著引入了一股以前沒有考慮的冷物流，根據(jù)窄點金法則，引入冷物流只有當其溫度低于窄點時才是有效的，因為它增加了低于窄點部分的冷物流熱量從而有助于降低冷公用工程（如冷卻水）。同時窄點金法則也告訴我們：最大的空氣預(yù)熱溫度應(yīng)該等于冷流的窄點溫度。如果空氣和燃料的預(yù)熱需要QR的熱量，則工藝過程所消耗的冷公用工程量也下降QR，但更重要的是燃料耗量也按下式降低了（即燃料量等于煙氣放熱量減去空氣和燃料的預(yù)熱量）。燃料=Qhmin+(TPH-T0)*Cp煙氣-（TPC-T0）*（Cp空氣+Cp燃料）由于

Cp煙氣=Cp空氣+Cp燃料燃料=Qhmin+（TPH-TPC）*Cp煙氣也即

燃料=Qhmin+窄點溫差*Cp煙氣

(1)

如果燃料不預(yù)熱或沒有預(yù)熱到窄點溫度，則上式做如下修改：燃料=Qhmin+窄點溫差*Cp煙氣+Cp燃料*（TPC–T燃料）

(1a)TPH------熱物流窄點溫度

TPC------冷物流窄點溫度

T燃料------燃料溫度以上述公式為前提的結(jié)果令人吃驚，因為當窄點溫差為0且燃料又完全預(yù)熱的話，可以得到燃料量等于最小熱公用工程Qhmin，即可以得到100%的加熱爐效率。即使窄點溫差在合理的范圍內(nèi)，且假定燃料不預(yù)熱，也可以算出很高的加熱爐效率。用公式（1a）可以計算得出這時的燃料是1379kW，而用傳統(tǒng)優(yōu)化方法所得到的燃料是1480kW，其差別主要在于加熱爐和過程是否組合在一起考慮。傳統(tǒng)的方法中，空氣預(yù)熱溫度只能加熱到270℃，而冷流窄點溫度卻是375℃。通過上圖中總綜合曲線可以清楚看出：低于窄點溫度處尚有多余的工藝過程熱量可利用，就可把空氣預(yù)熱到375℃，燃料耗量降到1379kW,進一步降低了6%的燃料消耗。這時燃料耗量才真正降到最低值了。應(yīng)注意的是：加熱爐效率是不可能等于100%的，之所以出現(xiàn)前面的結(jié)果是因為：空氣預(yù)熱的一部分熱量是由工藝過程物流提供的。

（4）易污垢換熱的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計法傳統(tǒng)設(shè)計方法：增大易導(dǎo)致結(jié)垢換熱器的傳熱面積。窄點技術(shù)設(shè)計方法：減少易結(jié)垢換熱器的傳熱面積，增大其下游不易結(jié)垢換熱器的傳熱面積。物流3在超過125℃以后易結(jié)垢，結(jié)垢趨勢為漸近線型，6個月（裝置操作周期為12個月）達到最高峰后就平緩了。換熱器1的總傳熱系數(shù)是120W/m2.K，運行6個月后降至81W/m2.K。物流1和2的終溫不嚴格，而物流3、4的終溫則必須滿足要求。所以不管有無結(jié)垢，物流3的終溫必須是17℃。利用傳統(tǒng)設(shè)計方法，則換熱器1需增加148m2，且為確保裝置正常運轉(zhuǎn)，在換熱器1增設(shè)旁路，流經(jīng)旁路的流量應(yīng)隨換熱器1結(jié)垢的嚴重程度逐步減少，直到6個月后把旁路關(guān)死。裝置能耗在運轉(zhuǎn)期間維持在1850kW。案例——見下圖示：傳統(tǒng)設(shè)計法的缺點：

（1）增加面積的利用率低，投資沒有充分利用。另一個可能方案是在換熱器1后增設(shè)一臺加熱器，但這樣不僅設(shè)備利用率低，而且還增加了能耗。（2）增加面積的換熱器的布局不好。在換熱網(wǎng)絡(luò)不同換熱器中增加面積的成本效益是不同的。如將增加的面積放在較好布局中將有利于投資的回收。（3）設(shè)計安全系數(shù)過大往往會進一步導(dǎo)致結(jié)垢。因為選用大富裕量換熱器或使用旁路時，通過換熱器的物流流速會降低，污垢加快，膜傳熱系數(shù)降低以致影響管壁溫度，而壁溫度又對結(jié)垢有較大影響。（4）設(shè)備利用率低。結(jié)垢后往往在裝置繼續(xù)操作的同時，必須把換熱器切除負荷進行清洗，這時設(shè)備沒有被利用。新方案及優(yōu)點新方案的優(yōu)點：（1）額外增加面積的利用率高；（2）額外增加面積不僅得到了充分利用，而且還降低了能耗；（3）不會加速結(jié)垢；（4）不存在清洗問題。

新方案：由于換熱網(wǎng)絡(luò)特有的靈敏性能，即在一個地方增加額外傳熱面積會促使該換熱器物流溫度變化而進一步影響到其它物流溫度變化，可在網(wǎng)絡(luò)中不產(chǎn)生污垢或污垢較少的地方增加額外面積以解決結(jié)垢問題。因此推薦的方案是加大不結(jié)垢的換熱器3的面積。計算結(jié)果表明：換熱器3增加不大于103m2的面積完全可以補償換熱器1結(jié)垢的影響。換熱器3增加的面積比原方案少30%，該方案的另一優(yōu)點是：加大換熱器3的換熱量后，換熱器1的負荷降低，換熱器2的負荷增大而使物流4的加熱器負荷下降，從而減少熱公用工程量15%。（5）設(shè)備或系統(tǒng)性能量組合設(shè)計單裝置的優(yōu)化與多裝置相互之間及其系統(tǒng)的大優(yōu)化有很大的不同，系統(tǒng)越復(fù)雜越大，系統(tǒng)優(yōu)化的潛力就越大，因為此時優(yōu)化匹配的機會大大增加了。同時對多個工藝裝置及輔助系統(tǒng)，尤其是蒸汽動力系統(tǒng)應(yīng)用總綜合曲線，進行系統(tǒng)優(yōu)化?？梢詫M進行系統(tǒng)優(yōu)化體系內(nèi)的所有單元的各自總綜合曲線集合畫成一條全局綜合曲線，可以方便地選擇合適的公用工程方案或改造方案?；驹砼c方法案例分析——燃煤鍋爐過?？諝庀禂?shù)的優(yōu)化ηglαq4q2αopt全局（綜合）總曲線2.4能量平衡法摸清用能現(xiàn)狀；分析企業(yè)及產(chǎn)品的用能水平；摸清主要用能設(shè)備和工藝的能效指標（能量利用率等）；查清企業(yè)余熱資源及其回收利用情況；找出能量損失的原因、潛力，明確節(jié)能途徑，為節(jié)能規(guī)劃和節(jié)能改造提供依據(jù)。能量平衡最好由企業(yè)自身進行，培養(yǎng)出能搞清能量的來龍去脈的隊伍，便于開展經(jīng)常性的節(jié)能工作，容易使節(jié)能管理工作落到實處。（1）企業(yè)開展能量平衡的主要目的（2）企業(yè)能量平衡的方法A.測算結(jié)合，以測為主能量平衡主要靠測試，必須以測為主，不能以計算代替測試。某些設(shè)備或數(shù)據(jù)的可測性是能量平衡現(xiàn)場測試的一大難點。因此在制定能量平衡工作大綱時，必須充分考慮可測性問題。對于重點設(shè)備、重點參數(shù)，要采取各種直接或間接的方法盡可能做到實測；而對于一般情況，測試大困難時，則采用根據(jù)日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行推算。尤其對重點參數(shù)，還應(yīng)采用多種估算方法進行校核性結(jié)算，以提高數(shù)據(jù)的準確性、可靠性。能量平衡測試并不是要對企業(yè)的所有設(shè)備和裝置都完全地進行實測，應(yīng)該選擇主要耗能設(shè)備進行實測，其它則只進行統(tǒng)計計算。采用測試計算與統(tǒng)計計算相結(jié)合的方法。測試計算反映測試狀況下的能耗水平，而統(tǒng)計計算反映實際平均水平。B.先易后難，掌握步驟開展能評工作時，應(yīng)先從簡單設(shè)備，掌握原則，“練好兵”。C.正反結(jié)合，抓住重點能量平衡測試原則上應(yīng)同時采用效率直接測定法（正平衡法）與效率間接測定法（反平衡法），并以其中一種方法為主。如對鍋爐，規(guī)定必須同時使用正反平衡法，且正平衡法為主，反平衡法為校核方法。實際能量平衡測試時，對用能較少的設(shè)備，可只進行正平衡測試。D.分批測試，統(tǒng)一計算對于大型復(fù)雜企業(yè)，應(yīng)對所測試設(shè)備分類，按先易后難原則分批測試。整個企業(yè)的測試階段不宜拖得太長，以避免測試數(shù)據(jù)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)嚴重脫節(jié)的現(xiàn)象。全企業(yè)能量平衡測試完成后，再進行數(shù)據(jù)整理，統(tǒng)一計算，以避免先后計算口徑的不一致。（3）能量平衡工作步驟一般分為以下6個步驟。

A.組織準備工作

開展培訓(xùn)教育工作，建立企業(yè)能量平衡工作領(lǐng)導(dǎo)小組（全面組織、協(xié)調(diào)，合理安排生產(chǎn)，推進實施能量平衡結(jié)果后的成果實施）、工作小組（實施機構(gòu)）和有關(guān)專業(yè)測試小組，明確職責。收集主要耗能設(shè)備的設(shè)計與運行技術(shù)參數(shù)、以及測試統(tǒng)計期（截止到能平結(jié)束，向前追溯一個整年度）的主要產(chǎn)品品種及數(shù)量、能源消耗量。做好計量準備工作，配備、完善（校核）測試儀器，以及現(xiàn)場采樣點、測試點的準備。B.制定能量平衡測試方案

確定加工的原料與產(chǎn)品、處理量，需要遵守的標準和原則，哪些設(shè)備與裝置是需要測試的，測試時間與進度（石化企業(yè)一般能量平衡測試要求在二個月內(nèi)完成），測試體系的劃分，

有關(guān)基準（基準溫度）、數(shù)據(jù)單位（包括絕壓、表壓）的統(tǒng)一、能量平衡采用的計算公式的確定。人為地單獨劃分出來作為研究分析的對象稱為體系，體系具有一定的空間和邊界。企業(yè)能量平衡中的體系可以劃分為設(shè)備能量平衡體系、主要生產(chǎn)車間（工藝裝置）能量平衡體系、企業(yè)能量平衡體系。也可以根據(jù)能源品種劃分為蒸汽平衡體系、電能平衡體系、燃料平衡體系和水平衡體系等。體系的邊界必須明確，并且符合能量平衡工作目標的要求，使測試方便。隨著測試體系的確定，被測設(shè)備、測試項目、測點布置、數(shù)據(jù)采集、計算方法才能確定。計算方法需首先確定，是因為不同的計算方法需要的測試數(shù)據(jù)不同。

C.能量平衡測試實施首先消除被測設(shè)備體系的明顯缺陷（操作及管理上的缺陷、設(shè)備本體、監(jiān)控儀表、輔助設(shè)施的缺陷，是否存在明顯的偶然性能源浪費現(xiàn)象）；根據(jù)設(shè)備測試計算表，制作原始記錄表，包括測試時間、地點、環(huán)境狀態(tài)、設(shè)備名稱、型號、測點位置、測試儀表、采集次數(shù)、時間間隔、樣品編號、生產(chǎn)產(chǎn)品的名稱及性能參數(shù)、測試人及記錄人等。在最后的測試過程中，應(yīng)統(tǒng)一指揮，分工負責，盡量保證測試開始、結(jié)束時間、數(shù)據(jù)記錄時間及間隔的統(tǒng)一。還必須保證測試記錄與現(xiàn)場分析相結(jié)合，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不合理性，進行調(diào)整和補救測試。D.能量平衡數(shù)據(jù)的整理與計算數(shù)據(jù)整理過程中，將需要三類數(shù)據(jù)：測試數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、引用數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)應(yīng)相互結(jié)合，保證能量平衡結(jié)果的準確可靠。有時靠某一單獨設(shè)備或裝置的數(shù)據(jù)還不行，必須與其它相連的設(shè)備或裝置相聯(lián)系?！妒突つ芰科胶夥椒ā分幸?guī)定，按石化企業(yè)的用能三環(huán)節(jié)進行數(shù)據(jù)的匯總和分析，由于這幾年各企業(yè)普遍開展能量平衡的測試較少，相關(guān)指標沒有可比性，故可根據(jù)實際情況，采用靈活的匯總方法。E.能量平衡分析

分析各設(shè)備、裝置或全廠用能的合理性，以及產(chǎn)生不合理用能的原因。F.提出節(jié)能措施

改進不合理用能是企業(yè)能量平衡的最終目的，因此必須根據(jù)企業(yè)不合理用能現(xiàn)象及原因，有針對性地提出改進和改造的方法與措施。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有些企業(yè)在能量平衡后，只有大堆的表格和數(shù)據(jù)，但分析與措施很少，實際上起不到能量平衡的作用。案例——高壓除氧器能量平衡結(jié)果項目流量t/h壓力MPa溫度^C能量kW供入項高加疏水39.611707830汽機凝結(jié)水86757500供熱回水318.410037024低壓除氧水988091161MPa蒸汽49.41.031042014軸封漏汽6.285915一級連排汽3.870.61592963供入合計112362供出項軸封抽汽用汽1.40.561561070除氧器排汽1.10.56156840除氧水599.1156108815散熱損失1637供出合計112362

流程模擬軟件，CFX,Fluent,Phaenics,roII,aspenplus，hysys等

從流程模擬軟件得到的內(nèi)容：速度場，溫度場，濃度場等。優(yōu)化選取工藝參數(shù)：做好物料平衡、能量平衡，提供大量的物性數(shù)據(jù)；便于從單項局部措施看全廠的凈結(jié)果(如KBC的桌面煉油廠)。

2.5過程模擬技術(shù)（1）過程用能:的主要形式是熱、流動功和蒸汽，通常由轉(zhuǎn)換設(shè)備（如爐、機泵）等轉(zhuǎn)換而來的；（2）轉(zhuǎn)換設(shè)備:提供的熱、功、蒸汽等形式的能量進入工藝核心環(huán)節(jié)（塔、反應(yīng)器），連同回收循環(huán)能量一起推動工藝過程完成后，除部分能量轉(zhuǎn)入到產(chǎn)品中外，其余均進入能量回收系統(tǒng)；（3）回收利用：能量在工藝核心環(huán)節(jié)完成其使命后，質(zhì)量下降，但仍具有較高的壓力和溫度，可以通過換熱設(shè)備、換功設(shè)備（液力透平）等回收利用。但受工程和經(jīng)濟條件約束，回收不能到底，最終通過冷卻、散熱等排棄到環(huán)境中。2.6三環(huán)節(jié)理論首先應(yīng)選用或改進工藝過程，減少工藝用能；再考慮經(jīng)濟合理地回收；其不足部分再由轉(zhuǎn)換設(shè)備提供。僅依靠傳統(tǒng)上的提高設(shè)備效率等局部措施降低能耗之路，幾乎走到了盡頭。要達到突破和提高，必須：全局優(yōu)化；資源綜合優(yōu)化；新的措施等。系統(tǒng)優(yōu)化的思想與局部和裝置優(yōu)化的思想不一樣。對一些大型擴建和改造項目，決不能“畫地為牢”，應(yīng)與全廠其它裝置和系統(tǒng)共同優(yōu)化，提高用能水平。

3系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化的優(yōu)點：

（1）節(jié)能效果較為顯著，是石化工業(yè)深入節(jié)能的必由之路。

（2）單個裝置或局部難于實現(xiàn)的熱量匹配優(yōu)化問題，從系統(tǒng)的角度容易解決。如催化裂化裝置有大量的低溫余熱，僅限于裝置本身內(nèi)幾乎是無法解決的。

系統(tǒng)優(yōu)化的不足：

（1)優(yōu)化工作量大，所需時間長。不同的石化企業(yè)裝置配置不同、產(chǎn)品方案不同、平面布置不同等，沒有固定的模式。

（2）大范圍的系統(tǒng)優(yōu)化，帶來操作和控制的難度增加，生產(chǎn)靈活性降低，如開停工期間及不同步調(diào)節(jié)時。

(3)系統(tǒng)優(yōu)化的節(jié)能效果較為隱蔽。一臺2000萬kcal/h加熱爐的排煙溫度為300℃，每年多損失燃料1340噸，但如果一條100t/h的物流，從150℃冷卻到100℃，年損失可能達到2500噸標油，該物流有效利用的節(jié)能效果不直接，所以這種損失往往不被人注意。

節(jié)能原則(1)生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。(2)全局優(yōu)化，局部優(yōu)化服從于全局優(yōu)化。(3)應(yīng)有合適的評價體系，真實體現(xiàn)各能源價格(能耗費用在石化加工費中的比例分析)。(4)以降低費用、節(jié)能為原則(每個企業(yè)位置不同、流程不同，采用的優(yōu)化方案不一致)。(5)提高裝置與系統(tǒng)規(guī)模(煉化一體化)。(6)打破傳統(tǒng)思想。3.1總工藝流程中的優(yōu)化

與化工等平面布置的協(xié)調(diào)，考慮與發(fā)展用地的協(xié)調(diào)；設(shè)置一般性或高度聯(lián)合裝置；按流程布置；循環(huán)水場布置在負荷中心位置；動力站位置的設(shè)置；大型熱源與熱阱的配合。3.2平面布置的節(jié)能

換熱流程優(yōu)化是降低裝置能耗的重要內(nèi)容。對復(fù)雜換熱網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)外廣泛采用的實用優(yōu)化方法是窄點技術(shù)。國外主要如KBC公司、Aspen公司等，應(yīng)用范圍很廣。國內(nèi)的窄點技術(shù)應(yīng)用主要局限于常減壓裝置，達到了很好效果。存在的主要問題是，窄點技術(shù)應(yīng)用的范圍還比較窄，催化裂化、延遲焦化等換熱流程不太復(fù)雜的裝置，均沒有使用，潛力較大。3.3熱集成3.3.1裝置換熱流程優(yōu)化

有些裝置換熱流程設(shè)計與10年前幾乎相同，相當落后，主要具體表現(xiàn)在：（1）換熱網(wǎng)絡(luò)的熱回收溫差（窄點溫差）未經(jīng)過優(yōu)化，窄點溫差達到30℃以上，低壓換熱網(wǎng)絡(luò)平均傳熱溫差達到40～50℃甚至更高；（2）塔頂?shù)睦浠亓髁肯喈敶?；?）有條件設(shè)計分餾塔中間重沸器的未設(shè)置；（4）中段回流溫差未經(jīng)過優(yōu)化；（5）能產(chǎn)低壓蒸汽的熱量未充分回收，或產(chǎn)低溫熱媒水或被冷卻掉。

(6)換熱流程的彈性較小。

(7)多股進料時混合不均等問題。裝置換熱流程存在的問題如某煉油廠130萬t/a催化裂化裝置的進料有4路：（1）冷焦化蠟油，60℃，30t/h；（2）熱減壓蠟油，160℃，30t/h；（3）冷蠟油,60℃，60t/h。（4）熱常渣，200℃，13t/h。前三路混合后為85℃，再經(jīng)柴油、一中、二中、循環(huán)油漿加熱到200℃后與第四路混合。

問題：該混合過程年浪費能量多少噸標油？熱進出料

熱進出料的節(jié)能效果：上游、下游、罐區(qū)。熱進出料熱聯(lián)合按溫度從低到高可劃分淺、中、深三個層次，熱聯(lián)合程度越深，節(jié)能效果越好，但裝置之間的相互影響也越大。兩個裝置之間不同熱聯(lián)合程度的節(jié)能效果。3.3.2裝置之間

從整體上看，石化企業(yè)裝置之間的熱進出料存在較大的節(jié)能潛力。主要為：（1）許多裝置仍為冷出料；（2）已經(jīng)實現(xiàn)熱進出料的大部分熱聯(lián)合處于淺層次；（3）有些裝置的進料為多條，部分為熱進料，部分為冷進料，直接混合后再進一步升溫，這種混合部分抵消了熱進料的節(jié)能效果。如某企業(yè)催化進料為180℃的熱渣油與來自罐區(qū)的冷渣油和冷蠟油（均為90℃）卻直接混合，造成能級浪費。這種熱交換不同于裝置的熱進出料，一條或數(shù)條物流至另外塔、單元或裝置換熱后返回，屬于深層次的熱聯(lián)合。具有顯著的節(jié)能效果，但目前的應(yīng)用范圍還比較有限。催化裂化裝置循環(huán)油漿加熱初底油是國內(nèi)裝置之間常用的一種熱聯(lián)合流程，這在企業(yè)燃料氣不足，而動力站由焦炭或煤作燃料產(chǎn)汽的情況下，經(jīng)濟效益顯著。隨著常減壓裝置換熱流程的深化，原油換后終溫達到了300℃，而催化裂化采用MIP工藝后，催化循環(huán)油漿的出分餾塔底溫度從過去的340～350℃降到320～330℃，如果仍然采用傳統(tǒng)的熱聯(lián)合流程，節(jié)能效果較少。裝置高溫物流之間的熱交換熱聯(lián)合的分餾塔之間特指一個分餾塔的塔頂熱量供另一個塔重沸器使用。分餾塔的塔頂油氣熱量多，溫度低，大部分情況下被冷卻掉。如果通過分餾塔操作參數(shù)的變化，提高一個塔的溫度，使其塔頂溫度可以滿足另一個塔底重沸器熱源的需要。通過這種方式，可以提高能量的使用次數(shù)，有效降低能耗。3.3.3分餾塔之間某30萬t/a芳烴裝置分餾部分加壓流程的結(jié)果對比見下表

如果不采用加壓流程，苯塔、甲苯塔和二甲苯塔分別需要1.0Mpa,3.5Mpa，燃料氣約25t/h，20t/h，2807kg/h，采用加壓流程后，不僅投資略有降低，而且僅增加燃料消耗370kg/h，電270kW，就減少中壓、低壓蒸汽用量分別達20t/h，37t/h，每年的節(jié)能量達到31600噸標油。

加熱爐消耗大量的燃料，它的三個熱特性在熱聯(lián)合中有獨特的影響。（1）燃燒用空氣的溫度較低；（2）大多數(shù)情況下，被加熱物流的溫度并不高，一般不高于400℃

；（3）對流段有大量的過剩熱。

3.3.4加熱爐工藝物流低溫余熱預(yù)熱空氣在目前的技術(shù)經(jīng)濟條件下，加熱爐效率一般可以達到90%~91%，大型加熱爐（如乙烯加熱爐）可以達到94%。并且對煉油廠加熱爐，受煙氣酸露點的限制，排煙溫度一般不低于150℃。因此，用常規(guī)辦法進一步提高加熱爐效率已沒有可能。將工藝物流大量的低溫余熱加熱空氣，不僅有助于提高空氣預(yù)熱器的壁溫，降低或避免露點腐蝕問題，而且可以提高加熱爐效率，這對大型加熱爐以及在氣溫較低的地區(qū)是非常合適的。如對2000萬kcal/h的加熱爐，將空氣溫度由常溫提高到120℃，加熱爐效率將由目前的91%提高到95%。在某800萬t/a煉油廠的方案論證中，對燃料用量大的常減壓裝置、延遲焦化裝置和催化重整加熱爐，使用工藝物流預(yù)熱空氣的方案，可降全廠能耗0.8kgEo/t。工藝物流預(yù)熱加熱爐空氣從技術(shù)及工程上不存在問題，盡管在石化企業(yè)的應(yīng)用比較多，但還未發(fā)揮節(jié)能效果，具有較大的潛力，尤其是在新設(shè)計的大型加熱爐上。加熱爐與燃氣輪機的熱聯(lián)合石化企業(yè)大部分加熱爐加熱物料的溫度不高于400℃，直接用高等級的燃料加熱，能級損失非常大。而且許多企業(yè)加熱爐燃料為燃料氣，因此設(shè)置燃氣輪機是提高用能效率的一個有效辦法。由于燃氣輪機投資較大，該方法對加熱爐負荷大且燃料氣過剩的企業(yè)，是值得采用的方案。日本根岸煉油廠的常壓裝置就使用了該方案，目前國內(nèi)還無實例。在某燃氣輪機方案的論證方案中，多耗燃料量為4787kgEo/h，多發(fā)電23950kW，產(chǎn)1.0Mpa蒸汽23t/h。電價按0.45元/kWh，蒸汽價格按100元/t，則燃料氣價值相當于2732元/t，考慮到有關(guān)可比成本，燃料氣價值也將提升2500元/t，如果當煤一樣燒掉，價值最高不超過1200元/t。

三井油化公司浮島石化廠投資400億日元增設(shè)燃氣輪機與裂解爐匹配，能耗從523kgEo/t乙烯降至452kgEo／t乙烯，相當于每年節(jié)約3.93萬噸標油。低溫余熱回收利用時，應(yīng)首先鑒別哪些不是低溫余熱：（1）換熱流程不優(yōu)化造成的；（2）塔頂有大量冷回流或頂循返塔溫度過低的；（3）能產(chǎn)低壓蒸汽的熱量；（4）裝置之間熱進出料后。低溫余熱的用途：（1）作工藝裝置重沸器熱源，如氣體分餾裝置；（2）預(yù)熱除鹽水；（3）預(yù)熱加熱爐空氣；（4）采暖與生活熱水；（5）發(fā)電；（6）制冷；（7）作海水淡化的熱源；

(8)第二種吸收式熱泵。

3.3.5低溫余熱統(tǒng)一回收利用作為一個整體時，低溫余熱回收利用的總投資為2600萬元。

夏季實際新增利用低溫熱量為1560萬kcal/h，冬季新增為3012萬kcal/h，全年折合平均節(jié)約1.0MPa蒸汽37.2t/h。該措施將減少凝結(jié)水37.2t/h，平均增加耗電300kW，平均增加除鹽水消耗7t/h，年凈效益為3350萬元（計算效益時，1.0MPa蒸汽價格按120元/t），降低全廠能耗2.05kgEo/t。蒸汽動力系統(tǒng)的優(yōu)化涉及兩大方面：（1）自身優(yōu)化：如鍋爐與汽機的高效運行、加強計量與管理以減少跑冒滴漏、減少蒸汽管道散熱損失、與低溫熱系統(tǒng)的有效熱集成減少蒸汽用量等；（2）熱聯(lián)合優(yōu)化：與生產(chǎn)裝置的熱聯(lián)合是降低蒸汽消耗、提高用能效率的重要內(nèi)容。蒸汽動力系統(tǒng)在國內(nèi)石化企業(yè)是具有很大節(jié)能潛力：減溫減壓蒸汽量大；蒸汽不平衡導(dǎo)致的放空；蒸汽管網(wǎng)及等級設(shè)置不完善；與低溫熱利用和工藝裝置的熱聯(lián)合不完善；未實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化等。3.3.6蒸汽動力系統(tǒng)蒸汽動力系統(tǒng)與常減壓裝置相結(jié)合的原則：裝置余熱能熱出料，就不產(chǎn)蒸汽；能產(chǎn)1MPa蒸汽就不產(chǎn)0.3MPa蒸汽；能產(chǎn)低壓蒸汽，就不產(chǎn)低溫熱水。

如某煉油廠130萬t/a催化裂化裝置的進料有4路：（1）冷焦化蠟油，60℃，30t/h；（2）熱減壓蠟油，160℃，30t/h；（3）冷蠟油,60℃，60t/h。（4）熱常渣，200℃，13t/h。

前三路混合后為85℃，再經(jīng)柴油、一中、二中、循環(huán)油漿加熱到200℃后與第四路混合。

問題：該混合過程年浪費能量多少噸標油？4節(jié)能設(shè)備4.1熱泵4.2燃氣輪機4.3IGCC4.4變頻調(diào)速4.5超聲波除垢4.6高效傳熱設(shè)備4.7機械抽真空4.8溴化鋰制冷4.1熱泵吸收式熱泵有二種形式，第一種吸收式熱泵需要較高溫位的低溫熱，溫度約為（120～130℃），使更低溫位（20～50℃）的低溫熱溫度升高30℃，提溫到50～80℃

（最高不超過90℃）。目前使用的第一種熱泵主要采用溴化鋰作工質(zhì)，循環(huán)形式與溴化鋰制冷機相同。第一種熱泵的性能系數(shù)COP通常為1.5～1.7,即可使用100份的高溫熱,得到150～170份的中溫熱（70～90℃）。第二種吸收式熱泵不需較高溫位的低溫熱，僅耗少量的泵功，就可使70～90℃的低溫熱升高至150～200℃，這種方式一般稱為吸收式變熱器（absorptionheattransformer)，應(yīng)是在煉油廠非常實用的一種節(jié)能措施。典型的單級吸收式變壓器如下圖所示。

C—冷凝器G—發(fā)生器E—蒸發(fā)器A—吸收器H1、H2—換熱器P1、P2—液泵V—節(jié)流閥4.2燃氣輪機

工作原理：壓氣機（壓縮機，在燃機的前部）連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮，壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣進入透平中膨脹作功，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉(zhuǎn)，加熱后的高溫燃氣作功能力顯著提高，因而透平在帶動壓氣機的同時，尚有余功作為燃氣輪機的輸出機械功。壓比和溫比對效率的影響壓氣機中空氣出口壓力與進口壓力之比稱為壓比π，燃燒室出口至透平進口的燃氣溫度稱為燃氣初溫t3,溫比τ為T3與大氣溫度T1的比值。為了提高燃氣輪機效率，人們不斷地提高溫比，同時配合提高壓比。當前t3最高已達1200～1300℃，簡單循環(huán)（無回熱）壓比達15～30，燃氣輪機效率最高已達40%以上。

幾種循環(huán)方式供電效率的比較石化工業(yè)應(yīng)用方案

石化工業(yè)大部分的工藝加熱溫度在200~400℃，而燃氣輪機的排氣溫度在400~600℃，加之石化企業(yè)有大量的氣體燃料，是燃氣輪機理想的燃料，因此將燃氣輪機與工藝加熱爐結(jié)合起來，先利用高品位的熱量做功，再利用較高溫度的熱量供熱，就組成了一種典型的能量逐級系統(tǒng)，多耗燃料的供電效率在80%以上。一種燃氣輪機熱電聯(lián)供的基本方案見下圖：工業(yè)應(yīng)用目前我國石化企業(yè)中應(yīng)用燃氣輪機最多的是新疆澤普石油化工廠，裝有三臺英國RR公司生產(chǎn)的SK15HE燃氣輪機發(fā)電機組，燃用天然氣，單機功率11.75MW，效率33%，還有三臺帶煙道補燃器的余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽供熱，于1989年投產(chǎn)。由于該地區(qū)周圍無電網(wǎng)，故以該三臺機組組成的熱電站供應(yīng)全部所需的電和熱，平時投運兩臺機組即可滿足生產(chǎn)用電的需要，另一臺備用。（目前可能共裝有五臺SK15HE機組）。廠中還裝有六臺WJ6G1發(fā)電機組。廣州分公司，裝有2臺WJ6G1燃氣輪機發(fā)電機組，燃用煉油廠干氣，配有余熱鍋爐實現(xiàn)熱電聯(lián)供，于1995年投產(chǎn)。日本根岸煉油廠第一套600萬噸/年常壓蒸餾裝置，加熱爐熱負荷為6600萬kcal/h，1987年和一臺12600kW的燃氣輪機聯(lián)合。燃機排出的煙氣含氧15%，溫度550℃，作為加熱爐的燃燒用的空氣，其顯熱相當于提供加熱爐30%的燃料，加熱爐煙氣經(jīng)脫Nox

后，在余熱鍋爐中回收13t/h2.3Mpa的蒸汽。燃氣輪機的熱效率為31.8%，加熱爐及余熱鍋爐回收52%,綜合效率83.8%,4年可回收投資。應(yīng)該說：大部分石化企業(yè)已應(yīng)用了燃氣輪機以天然氣為原料的合成氨廠，一座年產(chǎn)20萬噸、四座年產(chǎn)30萬噸的合成氨廠應(yīng)用了燃氣輪機，大大降低了能耗。其中一個廠的設(shè)計能耗為688kg標油/噸氨。國內(nèi)其它合成氨廠的能耗在900kg標油/噸氨左右。乙烯裝置裂解爐與燃氣輪機聯(lián)合后，節(jié)能率15%。在一個年產(chǎn)30萬噸合成氨廠，用一臺10MW燃氣輪機帶動合成氨所需高壓空氣的壓縮機，燃氣輪機排氣引至一段轉(zhuǎn)化爐中作燃燒用空氣，以減少轉(zhuǎn)化爐中的燃料耗量。這種方式，比空氣壓縮機用汽輪機來帶動使總的燃料消耗降低10%以上。實際上，國內(nèi)大部分企業(yè)應(yīng)該說，已經(jīng)應(yīng)用了燃氣輪機，即煙機，只不過是分體罷了。由于原油質(zhì)量變得越重越劣，油價居高不下以及環(huán)保要求的提高，20世紀90年后期，國外IGCC發(fā)展很快，正在運行和建設(shè)的有幾十套，主要用于電廠、煉油和化工廠。在煉油廠共有16套，其中有5套（4套原料為重油，1套為石油焦）同時生產(chǎn)氫氣、電和蒸汽，應(yīng)用的國家分別為荷蘭、美國、意大利、法國和新加坡。

主要工藝過程是：原料（煤、焦或重油）經(jīng)氣化轉(zhuǎn)化成合成氣，經(jīng)洗滌、冷卻及凈化，一部分合成氣生產(chǎn)氫氣；另一部分合成氣送入燃氣輪機－蒸汽聯(lián)合循環(huán)單元，生產(chǎn)蒸汽和電力。雖然IGCC工藝的每個單元技術(shù)都成熟可靠，但各單元的集成有較深的技術(shù)含量，是實現(xiàn)整個裝置可靠性