流程行业能量优化国内外研究及应用现状
责任编辑:icynet    浏览:2173次    时间: 2015-06-02 10:32:31      

摘要:随着世界各国对节能工作的日益重视和对节能技术的深入研究,国内外相关研究机构、技术公司和软件公司在能量系统优化理论研究、模拟优化技术研究及软件开发等方面获得了较大的发展,在能量系统优化技术应用方面也取得了较为显著的经济效益。以下分别对能量系统优化理..

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随着世界各国对节能工作的日益重视和对节能技术的深入研究,国内外相关研究机构、技术公司和软件公司在能量系统优化理论研究、模拟优化技术研究及软件开发等方面获得了较大的发展,在能量系统优化技术应用方面也取得了较为显著的经济效益。

以下分别对能量系统优化理论研究现状、国内外技术公司研究应用现状以及本课题涉及的关键技术研究应用现状进行阐述。

1)能量系统优化理论研究现状

对过程能量系统理论的研究始于上世纪70年代,随着研究的不断深入,国内外学者相继提出了三子系统交互模型、洋葱模型和三环节模型等,对能量在过程系统中的结构、作用和变化进行描述。

1983年,TownsendLinnhoff在研究过程优化涉及的结构化方法时,将过程系统看成是由一些相互作用的子系统所组成,以简化设计优化过程,并提出了三子系统交互模型,将过程系统划分为加工(反应、分离)、换热网络和动力3个子系统,以定性反映过程系统能量转换和利用内在的联系及制约关系,但并不能确切反映能量结构的本质。

1988年,Linnhoff等人提出了洋葱模型以强调过程设计的层次特性,其核心为反应子系统,其余由内向外依次为分离子系统、换热网络和公用工程子系统,但该模型只是对过程系统能量结构的粗略描述,没有给出严格、定量的数学模型。

1982年起,华贲等人以热力学第二定律分析为基础,从能量在过程系统中的变化规律入手,提出并逐步完善了包括能量转换环节、能量利用环节和能量回收环节在内的三环节能量结构模型。该模型给出了严格、定量的过程系统能量流结构拓扑关系,其关键是按功能区分子系统并分别给出了火用经济模型、相应的目标函数和边界条件,并在子系统分解协调优化的基础上进行全局改进方案的火用经济评价调优。但是,由于火用经济分析方法的理论性较强且工作过程比较复杂,使得其在企业实际生产中的应用受到了一定限制。

2)国内外研究及应用现状

①国外现状

近年来,KBC公司、ASPEN公司、Shell GlobalSolutions公司、Invensys公司、Honeywell公司和ProcessIntegrated Limited(PIL)公司等国际知名技术及软件公司依托成熟的流程模拟和优化技术,结合先进的夹点分析方法,借助丰富的专家经验,逐步形成了自主的能量系统优化技术解决方案,并在一些国际大型石油公司和炼化企业取得了较好的应用效果。

KBC公司基于HYSYS.Refinery开发了Petro-SIM过程模拟软件,并拥有可在Petro-SIM中使用的催化裂化(FCC-SIM)、加氢裂化(HCR-SIM)、催化重整(REF-SIM)、石脑油加氢(NHTR-SIM)、柴油加氢(DHTR-SIM)、VGO加氢(VGOHTR-SIM)、渣油加氢脱硫(RHDS-SIM)、延迟焦化(DC-SIM)、烷基化(ALK-SIM)、减粘裂化(VIS-SIM)、异构化模型等标准反应堆模型套件;研究开发了用于换热网络优化的SuperTarget软件、蒸汽系统模拟优化的ProSteam软件和基于BT(BestTechnology)指数的最佳能量使用效率技术。其研究提出的全厂能量一体化技术(Total Site),使用全厂夹点分析技术和应用战略性节能发展规划路线图RoadMaps,对全厂工艺装置和公用工程系统的用能和供能进行分析、优化并排序,从而找出最快捷有效的改进途径。目前,KBC已在BPBASFESSOChevronTotalCOSMO、日本能源全球等50多个炼油厂和化工厂实施了Total Site全厂能量优化项目,实现节能15%~30%,氢气需求减少8%~20%,压缩机节能25%~35%,总成本下降14%~20%。例如,欧洲某炼厂通过应用Total site技术进行夹点分析和蒸汽系统建模,在公用工程方面提出了透平改造、余热利用、联合发电等若干节能项目,实施后炼厂能源密度指数(Energy IntensityIndex, EII)下降5个点;南非的Sasol燃料公司应用Total Site技术对公用工程系统进行分析后,提出了改善换热网络、增加联合发电等许多典型的节能项目,实施后可使公用工程需求量节约30%左右。

Aspen公司拥有众多的模拟优化软件产品,主要包括用于化工流程模拟的Aspen Plus、炼油流程模拟的Aspen RefSYS、化工流程模拟的HYSYS、动态模拟的Aspen Dynamics、换热网络优化的HX-NetAspen Pinch、公用工程系统优化的Aspen Utilities、实时优化的Aspen PlusOptimizer、换热设备模拟计算的Aspen HTFS+ 系列产品、部分炼油反应装置模拟软件和聚合物反应模拟的POLYMER等。其中,Aspen Plus是稳态流程模拟工具,是唯一将序贯模块和联立方程两种算法同时包含在一个模拟工具中的软件产品;HYSYS原是加拿大Hyprotech公司产品,2002Aspen公司收购该公司后,HYSYS成为Aspen公司旗下的产品,是唯一同时具有稳态和动态模拟功能的软件产品;Aspen PlusOptimizer允许用户利用联立方程求解算法对拥有多个自由度的非线性目标函数优化问题进行快捷准确的求解,为过程工业的工程师提供了一种求解大型复杂工艺流程的有效工具,为实施闭环实时优化系统创造了条件,作为Aspen Plus的嵌套产品,能够全面支持Aspen Plus中涵盖的自由度、约束条件以及目标函数设定、配置等功能,可用于在线工艺优化和离线模拟。基于上述软件产品,Aspen公司进一步研究提出了能量优化整体解决方案,并借助其专家力量在许多炼化企业开展了能量系统优化分析工作。例如,Aspen2000年对BPBulwer Island炼厂实施了公用工程系统优化项目,投资回收期低于1年;对位于韩国YosuYNCC乙烯厂开展了乙烯装置节能优化改造项目,通过操作工况调整和设备改造,实现产量增加10%、单位能耗降低2.2%2005年,开展了中海油惠州炼油厂设计方案的能量系统优化分析,包括氢气系统分析和优化、全厂蒸汽系统分析和优化、全厂燃料和电力(热电联供)系统分析和优化、全厂范围内夹点分析等,优化后设计方案的EII80降到61.5,相当于年经济效益2.4亿美元。

ShellGlobal Solutions公司利用其内部的专业咨询团队和引进开发的模拟优化软件开展能量系统优化分析工作,使用的软件产品包括Aspen PlusUnisim和自主开发的ECUSHARCplan24tuneEMS等。其中,ECU软件用于乙烯裂解炉模拟优化、SHARC软件用于催化裂化装置模拟优化。目前,Shell GlobalSolutions已在全球29家炼厂和石化企业开展了能量系统优化实施,为炼厂降低了约2%~7%的能耗,为石化企业降低了约3%~5%的能耗。

Invensys公司在流程模拟(稳态和动态模拟)、离线和在线优化、操作员培训系统等方面拥有诸多软件产品,包括用于化工流程模拟的PRO/II、用于换热设备和网络优化的HEXTRAN、用于动态过程模拟的DYNSIM、用于在线模拟优化的ROMeo等。2002年,该公司分别为韩国Daesan的乙烯厂和日本Mizushima的炼油厂进行了乙烯公用工程系统优化;2005年,分别为Ohita的乙烯厂公用工程系统和Aichi的炼油厂公用工程系统进行优化改造。

Honeywell公司于2004年收购了用于稳态和动态模拟优化的软件产品HYSYS2005年在HYSYSUOP技术基础上推出了新一代流程模拟软件系统UniSim,将设计、在线优化及操作员培训系统集成在同一产品环境下,增加及强化了换热网络优化、流程过程合成等技术。其中,UniSim Desig用于稳态流程模拟,Unisim DynamicOption用于动态流程模拟,UniSim SQPOptimizer Option用于流程模拟优化,UniSim ExchangerNet用于夹点分析与换热网络设计,Profit Optimizer用于在线动态优化。

PIL公司研究开发了热回收换热网络系统设计与改造技术及HEAT-int软件、全厂蒸汽动力系统设计与操作优化技术及软件SITE-int、用于全厂氢资源管理与优化的氢夹点分析技术及软件H2-int。其中,H2-int软件产品具有独特的加氢装置建模方法和先进的数学优化方法,并与氢网络的严格流程模拟相结合,能够准确描述各单元操作,对炼厂氢气系统操作进行全局调优。目前,该公司已实施了多项能量系统优化项目,取得了较好的节能效果。例如,对BPGrangemouth炼厂13套炼油装置(3套常减压、加氢裂化、催化裂化、重整、烷基化、多套加氢精制)和8套石化装置进行了能量系统优化分析,在只做操作调整的情况下年节能效益达到780万美元;对BPCoryton炼厂25套装置进行能量系统优化,在只做操作调整的情况下年节能效益达到370万美元。

国内现状

近些年,优华过程技术公司、大连理工大学、中国科学院、清华大学、华南理工大学等在引进部分国际先进模拟优化软件的基础上,自主研究形成了深度热出料和大系统热联合、虚拟温度法等专有技术,开发了换热器优化软件、换热网络优化软件和蒸汽动力系统优化软件等产品,开展了装置及装置间、换热网络、蒸汽动力系统等的能量综合优化工作,获得了较好的经济效益。

优华过程技术公司的能量系统优化技术基于过程系统三环节能量综合优化理论和方法形成,运用该技术已为国内炼化企业开展了40余项节能改进工程项目。其中,20029月通过的由广东省科技厅组织的鉴定成果过程工业能量系统优化在石油石化行业中的工程应用,为4家企业创效益1.2亿元/年。该公司研究开发的专有技术和软件产品包括:专用换热器优化软件(HEDO)、加氢装置热进料后的能量优化技术、深度热出料和大系统热联合专有技术、低温热的大系统综合利用技术、蒸汽动力系统优化软件(STOpti)、专用于全厂循环水系统优化的CWopti工艺包、机泵节电成套技术、换热网络优化软件(ODHEN)等。2001年,开展了大庆炼化常减压装置能量系统优化改造工程,优化改造后一套常压减少蒸汽用量2t/h~3t/h,换热终温提高10以上,降低燃料消耗100kg/h;二套常压提高换热终温6~8,降低燃料消耗200kg/h~250kg/h;减少大气分蒸汽用量8t/h~10t/h,增加低温热回收约2500 kW,总投资约8000万元,实现年节能效益3200万元。对原油加工能力1300万吨/年的某石化企业开展了能量系统优化,提出并实施了热供料与热联合、低温热系统优化和蒸汽动力系统优化等项目,总工程费用为1.6亿元,实现能耗降低14.9千克标油/吨,年经济效益为3.6亿元。

大连理工大学化工学院在自主创新的基础上开发出了过程系统能量集成技术,首次提出了过程系统用能一致性原则,将大规模、复杂的全过程系统从用能的本质上统一为整体,其能量集成问题转化为相应的有约束换热网络系统的最优综合问题,开发了大规模能量网络优化综合系统软件V1.0,能够有效地求解大规模系统能量集成问题;首次提出采用虚拟温度法(即有效温位)进行操作型与设计型的夹点分析,正确地描述能量在系统中的流动分布状况,进而做出用能状况的准确诊断;总结归纳出过程系统能量集成策略,指导实施过程系统用能诊断、发现瓶颈、脱瓶颈以及生产装置节能与扩容的同步优化。目前,这项技术已应用于大连、吉林、辽阳、抚顺、燕山、齐鲁等石化企业20余套生产装置的用能状况和生产能力分析,提出的节能与扩容技术改造方案已实施8项,可达到节能10%~20%及扩产20%~30%,实现年经济效益8000万元。其中,利用虚拟温度法对国内某乙烯装置冷箱系统进行用能诊断分析,找出过程系统的用能瓶颈,并针对低温过程传热温差较小以及冷公用工程采用中间公用工程的特点,提出了低温过程多流股换热器网络的综合方法,实施后冷公用工程用量降低了44.5%

清华大学化工系过程系统工程研究所研究开发了高柔性、低灵敏度的换热网络模拟系统HEXTH和全厂总能系统优化设计工具TSES,并在燕山石化、齐鲁石化和锦西石化等得到应用。在乙烯装置模拟优化方面,开发了GK-V型乙烯裂解炉模拟分析系统PYRO-SimP和乙烯裂解炉模拟及优化系统EPSOS,并为兰州石化小乙烯装置开发了裂解反应动力学模型和全周期操作优化模型,有效指导了装置操作,为双烯产率的提高和装置乙烯综合能耗的降低提供了技术支持。此外,采用PIL公司的HEAT-int软件和清华大学的HEATSim软件,研究开发了工艺过程热回收系统优化改造的软件平台,能够进行换热网络自动设计和改造、换热网络模拟和优化等;采用PIL公司的SITE-int软件和清华大学的HEATSim软件,研究开发了全厂蒸汽动力公用工程优化改造软件,能够进行公用工程系统工程分析、汽电联产目标分析与优化、公用工程系统模拟优化等。

中国科学院过程所同日本三菱公司合作,开发了重油延迟焦化流程模拟系统,提出碳数组分模型,开发了延迟焦化反应器模型,通过Pro/II软件接口,成功嵌入到Pro/II软件中;自主开发了延迟焦化全过程流程模拟的专用软件,可完全独立于现有商业化流程模拟软件运行;提出了基于有效能的全过程能效分析模型和数据库系统,对原料、流股、单元及全过程的能量利用效率和能耗损失原因进行分析,系统可以单独运行,也可与流程模拟软件如Pro/IIAspen等实现联接。


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