刘殿栋　李晨光　朱贤琨　焦云强　王建平

【摘要】循环水系统是石化行业重要的公用工程，循环水系统的运行需要消耗大量的水源和电能。针对炼油企业循环水系统普遍存在能耗大、运行不经济等实际问题，为了满足企业降低成本、节能降耗的目的，本文详细分析了当前炼油企业循环水系统优化的影响因素，提出了炼油企业循环水系统的全流程优化策略，建立了循环水系统的全流程优化模型，开展循环水系统的水量优化、压力优化及节电优化。实例分析结果表明，该策略减少了装置的循环水用量，降低了循环水系统的运行压力，节省了循环水系统的电力消耗，对炼油企业循环水系统的优化管理具有重要指导意义。【关键词】循环水；系统；优化；模型1、引言循环冷却水系统是石化行业重要的公用工程，其新鲜水补水量占企业用水量的35%左右，是石油化工领域用水量仅次于锅炉补水的第二大用水系统[1]。循环水输送和冷却处理过程消耗大量的电能，循环冷却水系统运行电耗约占企业总用电量的20%-30%[2]，循环水系统是石化行业的耗电大户。在石化炼油行业，企业的产能能否长期稳定增长、装置设备能否高效安全运行、产品质量能否合格有效，都直接取决于循环水冷却水系统的运行质量情况。循环水系统的节能优化是炼油企业节能降耗的重要内容，如何减少循环水系统的水耗与电耗已成为企业非常关注的问题，研究如何减少循环冷却水系统的能耗对企业有着重要的意义。因此，为提高循环水系统的能量利用水平，循环水系统的更新改造及其优化运行势在必行[3]。目前针对循环水系统优化的主要集中在三个方面：第一方面集中在循环水泵、冷却塔等单体设备的性能优化；第二方面集中在装置端循环水系统的循环水用量优化；第三方面集中在包括冷却塔、装置用水单元在内的循环水系统集成优化。这三方面的优化虽然改善了系统设备的性能，降低了装置的循环水用量，并且获得了相对简单的循环水网络结构，但目前的循环水系统优化主要集中在系统局部方面的研究，未考虑各用水设备所需的压头、装置循环水管网的运行压力、现场各用水设备的实际约束条件、循环水主管网的运行压力，没用开展包括装置用水端、循环水管网、循环水供水端的全流程优化，优化方案脱离现场实际，与现场的实际应用存在一定的差距。本文针对现有技术的不足，提出了炼油企业循环水系统的全流程优化策略，该策略综合考虑了水流量平衡、热量平衡、水冷器、循环水泵、冷却塔风机、循环水管网、压力、现场实际条件等多项因素，建立了循环水系统的全流程优化模型，对炼油企业的循环水系统进行包括节水、降压、节电在内的全流程优化，获得更加切合炼油企业实际的循环水系统优化方案，取得了良好的效果。2、循环水系统优化模型2.1 问题描述炼化企业当前大多数循环水系统为敞开式系统。如图1所示，炼油企業循环水系统由冷却塔、泵、冷却水池、用水装置、工艺水冷器组成，循环水经用水装置，由工艺装置水冷器与工艺介质换热升温后，循环冷水变成循环热水。循环热水通过循环水管道进入冷却塔冷却降温，冷却的水进入冷却塔水池，由冷却塔水池进入冷水池。循环给水泵从冷水池自灌吸水加压后，经循环给水管道输送，供各装置使用。循环水系统全流程优化的目的是：根据各用水装置的实际特点，考虑装置的相关约束条件，以循环水用量最小为目标，建立各装置循环水系统的优化模型，确定各装置循环水系统的水量优化方案；在水量优化的基础上，根据各用水装置的压力特点，搭建循环水系统的全流程模型，对整个系统的设备和管网进行压力核算，确定循环水系统的压力优化方案；在水量优化和压力优化基础上，针对循环水系统的运行需求，对用电设备进行操作调整与适应性改造，确定循环水系统的节电优化方案。2.2 循环水系统水量优化循环水量优化是以装置循环水用量最小为目标，建立循环水换热网络优化模型，指导进行循环水网络改造，获得水量小、结构简单的最佳网络设计[4～8]。通过设定目标函数，确定与实际过程相应的约束条件，建立用水系统的数学优化模型。通过求解该数学模型，就可以得到目标函数要求并满足约束条件的用水网络。2.2.1循环水用水网络的超结构建立循环水用水网络的超结构，需要把循环水用水网络中的相关设备区分为水源和水阱。水源指提供循环水的设备，如冷却塔。水阱指消耗循环水的设备，如装置工艺水冷器。进一步观察发现，水冷器所需的冷却水可以是冷却塔的来水，也可以是其它任何水冷器的升温后的冷却水；水冷器升温后所排的冷却水，可以直接排放至冷却塔，或者也可以排至其它任何水冷器，所以冷却塔与水冷器即使水源又是水阱。炼油企业循环水用水网络的超结构如图2所示。在建立循环水用水网络的超结构时，需先建立包括所有可能连接的初始网络结构，然后通过优化算法确定一个最优的网络结构。在寻求最优网络时，需建立与优化问题相关的数学模型并选择优化算法进行计算。数学模型由目标函数和约束条件构成。目标函数一般选择为成本最小化或效益最大化。约束条件需描述超结构中所有单元的物质和能量的衡算方程以及限制条件，并包括用整数变量表示某个过程或连接是否存在。超结构的主要特点就是建立水源到水阱之间的所有连接，由优化模型决定最合适的供水路线和供水量。超结构方法的主要优点在于：优化计算中可以直接添加约束条件和改变优化目标函数，并可同时获得最优的目标函数值和相应的优化网络[9]。2.2.2优化模型根据循环冷却水系统的超结构建模原理，以循环水用量最小为目标，综合考虑水流量平衡、热量平衡、水冷器进出口温度、水冷器温差、整数变量、现场实际条件等约束，建立循环水用水网络优化的数学模型，以获得循环水量最小、网络结构简单的循环水用水网络。求解模型，可以得到循环冷却水量最少且结构简单的循环冷却水网络。以上各式中：J，K为水冷器集合；水冷器的最小连接数；Ft，j 冷却器j消耗的来自于冷却塔的冷却水流量；Fj，k 冷却器k消耗的来自于冷却器j的冷却水流量；Fj，t 冷却器j排向冷却塔的冷却水流量；Tt，out 冷却塔的出口温度；Tj，out 冷却器j的出口温度；Tk，out 冷却器k的出口温度；Tj，in 冷却器j的进口温度； 冷却器j的极限进口温度； 冷却器j的极限出口温度；U水冷器的最大冷却水流量；Xt，j 0，1变量，表示冷却器j是否使用来自于冷却塔的冷却水；Xj，k0，1变量，表示冷却器j是否使用来自于冷却器i的冷却水；Xj，t0，1变量，表示冷却器j是否向冷却塔排水。2.3 循环水系统压力优化循环水系统压力优化就是在水量优化的基础上，根据各用水装置的压力特点，搭建循环水系统的全流程模型，对整个系统的设备和管网进行压力核算，确定循环水系统的压力优化方案，降低整个循环水系统的运行压力。循环水系统压力优化包括以下步骤：（1） 在水量优化的基础上，基于Aspen流程模拟软件搭建包括循环水泵、循环水管网、装置用水设备以及从装置出口至冷却塔的循环水系统全流程模型；（2） 根据搭建的全流程模型，对各用水设备所需的压头与循环水泵所供的压头以及各装置循环水出口的压头与循环水场冷却塔所需的压头进行对比核算，并对各装置的循环水管网进行压力等级分类；（3） 根据各装置循环水管网的压力等级分布情况，将循环水主管网分为高压区和低压区，实行高压高供，低压低供，对循环水进行梯级利用。同时，针对较高平台上的水冷器，采用单独管道泵提升压力，以降低循环水系统的供水压力。2.4 循环水系统节电优化循环水系统节电优化就是在压力优化和水量优化的基础上，搭建循环水系统的全流程模型，针对优化后循环水系统的运行需求，对用电设备进行操作调整与适应性改造，确定循环水系统节电优化方案。循环水系统节电优化包括以下步骤： （1） 在水量优化和压力优化的基础上，搭建包括循环水给水系统、装置循环水系统、循环水回水系统在内的循环水系统全流程模型；（2） 根据搭建的全流程模型，根据循环水主管网所需的压力及循环水量与循环水泵的实际压头和流量进行对比核算，同时对优化后的循环水用量与冷却塔的实际处理量进行对比核算；（3） 根据核算情况，对系统的重点用电设备循环水泵及冷却塔进行操作调整与适应性改造，以满足优化后循环水系统的运行需求。3、实例研究某炼油企业的循环水系统工艺流程图和循环水管网示意图分别如图3和图4所示。该循环水场为12套生产装置的换热设备提供配套循环冷却水。循环水场设计规模为18000m3/h，配备处理量为4500t/h的风机冷却塔4座，供水量为4500t/h的循环水泵5台。3.1 水量优化基于上述水量优化述思路，对该循环水系统进行水量优化，大大降低了装置的循环水用量。由于系统内装置较多且内部循环水管网复杂，装置内部循环水系统的水量优化方案在此不再叙述。各装置的循环水节水量统计如表1所示。装置3、装置4、装置10、装置11、装置12中水冷器的进回水温差较大，基本上无水量优化的空间。优化后的系统每小时节约循环水2110.84吨，节水率达16%。装置端水量优化减少了系统的循环水用量，降低了循环水系统的运行成本，为循环水系统带来了效益，实现企业节能增效的目标。水量优化所带来的效益主要体现在循环水用量的减少，节省了循环水泵和冷却塔风机的电耗，节省的电耗主要来自于少处理节约的这部分循环水的电力消耗，为循环水场的机泵节电带来了直接的经济效益。3.2压力优化基于压力优化思路，搭建整个循环水系统的流程模型，对整个系统的设备和管网进行压力核算，通过以下措施对该循环水场进行压力优化：1） 对各装置的循环水管网进行了压力等级分类，将各个用水装置的循环水管网分为高压区和低压区，将循环水给水主管网用阀门分隔为高压供水管网与低压供水管网；2） 根据各装置循环水系统的压力需求，循环水主管网高压区的供水压力保持原来的0.5Mpa不变，循环水主管网低压区的供水压力由原来的0.5MPa减小为0.4Mpa；3） 将各装置出口的循环水回水压力由原来的0.22MPa降低到0.15Mpa，以满足冷却塔的运行需求。由于循环水系统内的装置较多，且各装置内部循环水管网复杂，装置内部循环水系统的压力优化方案在此不再叙述。压力优化后循环水系统的主管网如图5所示，从图5可以看出，优化后的循环水系统充分利用了原来的循环水管线，在尽量不改动原有循环水管网的基础上，新增两个阀门将循环水给水系统分隔为虚线表示的高压循环水系统和实线表示的低压循环水系统，同时新增两条高压输水管线和一条低压输水管线以保证循环水系统高压区与低压区循环水的正常供应。3.3节电优化基于节电优化思路，搭建循环水系统的全流程模型，针对优化后循环水系统的运行需求，对用电设备进行操作调整与适应性改造。根据水量优化及压力优化的结果，循环水主管网可分为高压管网和低压管网，利用原来的一台循环水泵向高压管网供水。同时，对两台循环水泵进行叶轮切削改造，将这两台循环水泵的工作压力由0.5 MPa降低为0.4 MPa，由改造过的两台循环水泵向低压管网供水，这将大大降低循环水泵的电耗，节省了循环水系统的电力运行成本，每年可节电耗216.24×104 kW·h，节约电费123.69万元。剩下的两台循环水泵作为备用，在非正常工况下系统循环水出现严重不足时，可对循环水系统进行补水，保证整个循环水系统的正常运行。4、结论本文针对目前循环水系统优化技术研究的不足，提出了炼油企业循环水系统的全流程优化策略，该策略综合考虑了水流量平衡、热量平衡、水冷器、循环水泵、冷却塔风机、循环水管网、压力、现场实际条件等多项因素，建立了循环水系统的全流程优化模型，对炼油企业的循环水系统进行包括节水、降压、节电在内的全流程优化。案例分析结果表明，该策略实现了循环水系统的全流程优化，对比原始的循环水系统，优化后的循环水系统有效的降低了系统的运行成本，为企业带来了良好的经济效益和节能效果。参考文献：[1] 陈应新. 循环冷却水系统的工业应用[J]. 石化技术， 2005， 12（2）： 44.[2] 郑雪松， 冯霄， 沈人杰. 具有最简结构水回用网络的优化[J]. 高校化学工程学报， 2006， 20（4）：622-627.[3] 李友松，江萍.炼油工艺过程节水的研究与应用效果[J].化工进展，2009，28（增）：21-23.[4] MAJOZI T，MOODLEY A.Simultaneous Targeting and Design for Cooling Water Systems with Multiple Cooling Water Supplies[J].Computers and Chemical Engineering，2008，32（3）：540-551.[5] 丁力，鄢烈祥，史彬等.冷却塔水循环系统的集成优化[J].计算机与应用化学，2010，27（11）：1469-1472.[6] 冯霄，雷哲，沈人杰.基于数学规划法的循环冷却水网络的优化[J].华北电力大学学报，2012，39（1）：33-36.[8] 梁伟，苗磊，张洪林等.水网络设计优化软件在工业节水中的应用[J].矿冶，2006，15（4）：65-68.[9] 关新虎，焦云强，李晨光等.一种工业循环水系统的优化方法：中国，104680247 A[P]，2015-06-03.