刘富余，冯霄（中国石油大学（北京）新能源研究院，北京 049；中国石油天然气股份有限公司规划总院节能中心，北京 00083）



炼化企业节能节水及装置扩能改造瓶颈辨识探讨

刘富余1，2，冯霄1
（1中国石油大学（北京）新能源研究院，北京 102249；2中国石油天然气股份有限公司规划总院节能中心，北京 100083）

摘要：炼化企业是耗能用水大户，随着国家对节能减排要求的逐渐严格，炼化企业节能节水工作面临较大的压力。过程系统集成优化技术把炼化生产过程作为统一整体考虑，可最大化实现节能节水效果。过程系统作为一个有机的整体，系统中必然有一些单元过程构成系统节能节水的瓶颈，辨识这样的系统瓶颈，并研究相应的解瓶颈策略，可使节能节水取得事半功倍的效果。本文在对炼化企业能量系统和用水网络常用的优化技术和方法进行介绍的基础上，重点分析了炼化企业节能节水瓶颈辨识的研究进展，主要涉及节能瓶颈、节水瓶颈以及装置扩能改造瓶颈的辨识等方面的研究进展。当前的研究主要集中在单一网络的瓶颈辨识，下一步的研究方向应从单功能网络逐步推进到耦合网络。

关键词：节能节水；系统优化；瓶颈辨识

第一作者：刘富余（1982—），男，博士，工程师，研究方向为系统节能节水优化。联系人：冯霄，教授，博士生导师，主要研究领域为过程系统工程。E-mail xfeng@mail.xjtu.edu.cn。

我国人口众多，能源和水资源消耗量巨大。我国新鲜水用量长期位居世界第一位，能源消费总量也于2011年超过美国成为世界第一。但是，我国是一个能源和水资源短缺的国家，从1992 年开始，我国能源消费总量超过了国内生产总量，并且供求缺口呈逐年扩大趋势，2014年，我国能源供需缺口已达6.6×108tce[1]，约15.5％的能源消费需要进口。2014年，我国的原油对外依存度接近60％，天然气对外依存度也超过了32％[2]，能源供给形势十分严峻。我国人均水资源占有量仅为世界平均水平的四分之一，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。目前，全国城市中约有三分之二缺水，约四分之一严重缺水[3]。能源和水资源的缺乏已经成为制约我国国民经济可持续发展的主要瓶颈。

石油石化行业是国民经济的支柱性产业，自2005年以来，我国石油石化行业生产规模持续扩大，见表1[4-6]。2013年，石油石化行业能源消费总量突破5×108tce，约占全国能源消费总量的12％，石油石化行业节能减排指标的完成情况对国家节能减排工作有重要影响。“十二五”以来，随着国内汽柴油质量升级的持续推进，要求炼化企业必须新建汽柴油加氢等二次加工装置以满足日益严格的产品质量要求，企业能源消费总量持续上升，而企业能耗指标下降难度逐年加大，炼化单耗指标下降速度减缓甚至出现了反弹，2013年，乙烯和合成氨产品综合能耗同比仅下降1.5％左右，炼油综合能耗同比上升约0.96％[7]，炼化企业的节能减排工作面临空前的压力。炼化企业必须进一步强化节能减排工作，确保“十二五”节能减排指标的完成，为国家“十二五”节能减排指标的完成做出应有的贡献。

炼化生产过程是一个有机的整体，在不同目标情况下系统中各个单元过程对系统的整体性能有不同的影响，必然有一些单元过程构成系统节能节水的瓶颈，其性能制约了系统的整体性能。辨识系统瓶颈单元并研究相应的解瓶颈策略，可取得显著的节能节水效果，有助于企业提高经济效益。

表1　2005年以来石油石化生产变化情况

1　过程系统集成优化技术概述

炼化企业节能节水工作历经加强管理“捞浮财”，单装置（设备）节能节水改造等阶段，目前正进入系统化节能节水的新阶段。过程系统集成优化技术把整个过程系统集成起来作为一个有机整体看待，可达到整体设计最优化，最大程度上获得节能减排效果。

目前常用的能量系统集成优化技术主要有夹点分析法、数学规划法和“三环节”方法。夹点分析法是20世纪80年代由英国的LINNHOFF教授基于换热网络优化技术而提出的能量综合优化方法[8]，夹点分析法在应用时对技术人员的经验和对问题与目标的理解要求较高，更适合于专家用户。数学规划法通过数学编程，建立与求解系统的超结构模型，从而对整个系统进行优化。数学规划法可以自动完成计算过程，对技术人员要求较低，缺点是很难保证取得全局最优解，并且难于提供最优解的物理意义[9]。“三环节”方法[10]通过建立严格、定量的模型，将经济学理论方法应用于过程系统的能量综合优化，与纯粹的热（㶲）经济学方法相比更接近工程实际，但由于㶲计算的复杂性和实际工程体系的复杂性，三环节方法的推广和应用受到一定限制。

水系统集成优化的技术方法主要有夹点分析法和数学规划法，主要技术原理与能量系统优化类似。FENG和SEIDER[11]为提高用水网络柔性，提出了在用水网络中设置中间水道的水网络结构，大幅提高了用水网络的操作柔性。LIU等[12]提出了浓度势法，降低了多杂质用水网络的设计难度。SAVULESCU和BAGAJEWICZ等[13-14]分别采用图表法和状态空间法研究了用能和用水同时最小化问题。都健等[15]采用数学规划法和模拟退火算法对多杂质系统的能量集成进行了研究。徐冬梅[16]采用逐步双线性规划法和基于序贯操作模型的多组分用水网络的整体设计策略，用夹点分析法进行换热匹配设计，从而完成热集成优化设计。FENG等[17]研究提出了具有较好能量特性的水网络的数学模型，提出了以不增加公用工程量为前提的非等温混合规则，对考虑热集成的水网络设计方法进行了改进。

2　节能节水的瓶颈辨识

2.1节能的瓶颈辨识

冯霄等[18]通过研究发现，在生产装置的节能优化过程中，夹点处的温度虽然影响装置的节能潜力，但是在某些情况下，夹点温度已不再是制约整个系统的节能瓶颈，某些装置的工艺条件可能成为系统的瓶颈，制约了系统的节能潜力。研究提出通过分析系统节能改造的投资费用——节约的能量费用曲线，可以确定系统节能的瓶颈，该曲线上斜率突然增大并使得节能改造的投资回收期大于期望值处，代表了系统节能的瓶颈。采用该方法对某加氢装置换热网络进行了研究，首先采用夹点分析法确定了夹点温度，然后通过分析费用和投资回收期曲线分析确定了制约系统能量回收的瓶颈是高压泵，对高压泵进行改造后，换热网络的冷热负荷均大幅下降，投资回收期大幅下降，验证了所采用方法的合理性。

姚平经等[19]提出的过程系统能量集成技术包括“过程系统用能一致性原则”与大规模过程系统能量优化复合式算法、“虚拟温度法”以及“过程系统能量集成策略”三部分主要内容。利用“过程系统用能一致性原则”把全过程的能量优化综合问题转化为有约束的换热网络综合问题，研究开发的改进的遗传-模拟退火复合式智能算法可以把求解换热网络流股数量从40多条提高到100多条，使能量优化网络更接近工程实际。采用“虚拟温度法”进行操作型夹点分析，得到更符合实际过程的能流分布，从而对过程用能进行正确的诊断。最后，结合“过程系统能量集成策略”，可以有效判断系统的热源、热肼、用能瓶颈以及解瓶颈策略，该技术在多套乙烯和合成氨装置节能改造中得到应用，取得较好的节能效果。

PANJESHAHI等[20]研究了换热网络的解瓶颈问题。他们先期研究了基于固定压差的解瓶颈方法，后来又研究了考虑压差变化并更换水泵和压缩机的方法，以换热网络总成本最低为研究目标，同时优化网络的附加区域和运行成本。通过一个原油预热扩能改造案例与前期研究对比，采用最佳压降换热网络进行换热网络设计可实现投资费用下降17％。

ATAEI等[21]研究提出了一种新的热油系统设计方法，采用串并联混合结构替代原有的并联换热网络结构。该方法首先分别检查热油发生器和热油换热网络，以确定热油系统的性质，接着用已经设计好的热油系统模型来测试热油发生器的性能以及再循环流速和返回温度，测算加热效率。通过研究热油网络设计和热油发生器性能之间的相互作用最终设计出热油换热系统。当热油网络中需要增加单独的加热器或一个新的热交换器被引入时，则成为系统瓶颈。

2.2节水的瓶颈辨识

1994年，英国的SMITH教授将能量集成的思路引入水系统优化研究中，用类似于能量集成中构造冷热复合曲线的方式构造极限水负荷曲线，把水中污染物浓度作为纵坐标，需要除去的污染物质量作为横坐标，供水曲线的斜率就代表供水量。基于SMITH教授提出的方法，冯霄等[22]通过研究认为对于单杂质用水系统，夹点处是系统瓶颈，夹点（包括进出口浓度为夹点浓度以及进出口浓度跨越夹点浓度）用水单元有可能成为制约系统用水量的单元，对这些用水单元进行灵敏度分析，找出关键用水单元，再对关键用水单元分析，可以确定系统瓶颈；对于多杂质用水系统，也可以采用灵敏度分析法，确定影响用水量的关键环节，再针对关键用水环节进行分析，进而解瓶颈。解瓶颈策略主要有两种：一是调整关键用水单元的传质推动力，使供水线斜率增大，新鲜水用量减少；二是改变关键用水单元的工艺，减少其用水量来解瓶颈。

沈人杰等[23]采用灰色关联度分析法来确定用水网络的瓶颈，将瓶颈单元定义为扰动工况下，灰色关联度值大于或等于0.85的单元。该方法将用水网络的新鲜水用量作为研究目标，首先对影响单元性能的极限进出口浓度、实际进出口浓度、杂质负荷、单元间水流率、新鲜水用量、废水排放量、单元操作能力等指标进行规范化处理，确定最大值型、最小值型和固定值型等三类指标的规范化处理公式；然后计算求得扰动工况与正常工况下各单元的灰色关联度系数；最后计算各单元的灰色关联度值。灰色关联度值大于或等于0.85的单元即为该用水网络的瓶颈单元。灰色关联度分析法可以考虑影响用水量的多种因素，即适用于单杂质用水系统，也可进一步推广到多杂质用水系统的瓶颈单元辨识。

2.3装置扩能改造的瓶颈辨识

除了应用夹点技术和数学规划等方法对现有用能用水网络进行瓶颈分析外，还有部分学者对装置扩能改造瓶颈进行了研究，也可以为炼化企业节能节水瓶颈辨识提供借鉴。

王春花等[24]采用“三环节”方法，对某延迟焦化装置进行扩产及用能瓶颈分析，分别对该装置的能量转换、能量利用和能量回收等三个环节进行了分析，确定了装置的用能瓶颈，然后利用流程模拟软件对工艺利用环节进行物料和能量的同时优化，最后进行能量回收环节和能量转换环节的优化改造，有效解决了装置扩产及用能瓶颈。

范卫东等[25]在软件工程思想的指导下，利用Aspen Plus软件开发出化工过程系统扩产解瓶颈软件（CPDB，chemical process de-bottlenecking）。该软件由系统界面、系统分析、裕度分析和解瓶颈知识库四部分组成。该软件具有开放性，可由用户将自己建立的模型按软件要求嵌入；此外，裕度分析的各模块相互对立，方便进行模块扩展。利用该软件对某化工厂乙烯装置扩能改造进行了模拟，准确找到了限制系统扩能的单元，并提供了相应的解瓶颈策略，改造后装置运行平稳，产品质量合格，取得了较好的节能效果。

胡仰栋等[26]对化工装置扩建改造的瓶颈进行了分析认为，瓶颈因素一般可分为三类：①信息量，包括工艺路线、流程结构信息、设备型式、控制方案等；②强度量，包括设备的操作温度、压力、反应收率、转化率、分离效率、传热系数、单位体积的反应强度等；③容积量，包括设备容积、泵的流量、压缩机负荷、换热器换热面积、仪表量程等。通过直观推断法、现场能力测试、计算机模拟等方法可进行瓶颈辨识。解瓶颈的顺序依次是信息量瓶颈，强度量瓶颈，容积量瓶颈。

在蒸馏塔改造过程中，大多研究倾向于改造塔内件，提高塔盘分离效率以提高处理量，但这种方法有时候不能达到最佳分离效果和最大经济效益，LONG等[27]以分馏塔内部再循环流动作为主要优化变量研究了乙酸提纯装置扩能改造。通过对比常规精馏塔和隔板塔的投资费用以及能源消耗成本，研究认为隔板塔可以有效提高装置加工量，解除扩能瓶颈，同时保持较低的投资和操作成本，具有较好的经济效益。

TAN等[28]研究提出了一种用于连续生产过程的瓶颈识别的数学方法。生产过程中的每个单元存在固定的质量和能量的平衡关系，若干个生产单元根据产品要求被设计成特定的组合方案，根据预期产品设定基准状态。当目的产品方案发生变化时，可用生产能力过剩量不足以满足增量需求的生产单元即为瓶颈单元，该方法在热电联产工厂和甲醇厂得到了验证。

TAHOUNI等[29]研究了天然气化工厂中凝析油稳定装置扩产的解瓶颈问题，该稳定装置由一个两级压缩机和使用高压蒸汽作为热源的再沸器组成。解瓶颈主要分为两步，首先将流体压力降作为主要参数，要综合考虑传热系数和压差变化带来的对于设备投资和运行成本的影响；第二步是换热网络详细设计解瓶颈阶段，通过校正以改变换热器的热输入和输出优化换热网络结构，而不是重新对单元进行定位。研究结果表明，通过采用优化压差的方法可以解决装置扩能瓶颈，在装置处理量增加20％的情况下，新增1555m2换热面积，公用工程消耗可维持不变，实现节能效益99478$/a。

3　结论与展望

国内外学者采用图示法、数学规划法、“三环节”方法、灰色关联度分析法以及灵敏度分析法等多种方法及相关延伸方法进行了炼化企业节能节水瓶颈以及装置扩能改造瓶颈的辨识研究，取得了较好的效果，总体看来图示法比较适合单一功能网络，对于复杂的炼化生产过程，需要多种方法综合使用才能取得较好的效果。

站在系统工程角度研究炼化生产过程节能节水已经取得了较大的研究进展，很多技术已经在企业节能节水改造和优化中得到应用，取得了较好的节能节水效果。但是对于炼化企业节能节水瓶颈过程辨识的研究工作开展较少，且研究工作单一，大都只单独考虑了节能瓶颈辨识或节水瓶颈辨识。对于多种功能错综交织和高度耦合的能量/质量梯级利用整体系统，节能节水瓶颈辨识研究鲜有报道。

今后炼化企业节能节水瓶颈辨识研究工作应从单功能网络逐步推进到耦合网络，从单功能网络瓶颈的特点入手，对于无法用图示法描述的具有高维特征的能量/质量耦合系统，通过灵敏度分析法或角点法辨识不同目标下的系统瓶颈，分析瓶颈特征。研究能量和质量不同特性瓶颈之间的关系、交互作用与协调规律，研究不同目标下的系统瓶颈辨识方法并建立相应的解瓶颈策略。

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Discussion on identifying energy，water and capacity expansion bottlenecks for refineries

LIU Fuyu1，2，FENG Xiao2
（1New Energy Institute，China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2Energy Conservation Center，PetroChina Planning & Engineering Institute，Beijing 100083，China）

Abstract：Refineries and chemical plants consume great amounts of energy and water. With increasingly stringent national requirements for energy conservation and emission reduction，these enterptises face more and more pressure. Process system integration and optimization technology dealing with an enterprise as a whole，can maximize energy and water saving effects. As an organic whole，a process system necessarily includes some unit processes that form the bottleneck of energy or/and water conservation，whose performance constrains the whole system's overall performance. Identificating such bottleneck，and studying the corresponding solution strategy，will get twice the result with half the effort of energy and water conservation. Based on energy system and water network optimization techniques and methods，this paper analyzes research progress of bottleneck identification on energy conservation，water conservation and plant retrofit for refineries and chemical plants. Current researches focus on bottleneck identification of single-function networks，and further research should pay attention to multi-function networks bottleneck identification.

Key words：energy and water conservation; system optimization; identifying bottlenecks

中图分类号：TQ 021.8

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）04–0995–05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.004

收稿日期：2015-08-27；修改稿日期：2015-11-26。

基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（2012CB720500）。