1、过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨LI Shi-yuLI Shi-yu20112011年年5 5月月过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法Process Integration for Process Integration for Energy EfficiencyEnergy Efficiency过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨内容 概述(Introduction) 夹点法(Pinch Technology) 蒸汽动力系统优化(Steam Power System Optimisation)过程工业节能的系统工程方法过程工业节
2、能的系统工程方法李士雨化工生产过程的三个子系统化工生产过程的三个子系统 通过三个子系统的能量优化集成，从根本上保证全厂的节能通过三个子系统的能量优化集成，从根本上保证全厂的节能概述(Introduction)-系统工程的思路过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨概述(Introduction)-系统工程的思路 Total site 模型FuelFuelFuelPROCESS APROCESS BFuelPOWERHIGH PRESSMED. PRESSLOW PRESSPROCESS CCOOLING WATERCONDAirWREFRIGERATION过程工业节能的系统工
3、程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨概述(Introduction)-过程集成技术 举例说明什么是过程集成BYPRODUCTSteamFEEDFEED PRODUCTBYPRODUCTCWSteamReactorCWCWSteamPRODUCTBYPRODUCTUnreactedFEEDPRODUCTUNFORTUNATELYThis is inefficient in energy useSo let= s consider heat recovery to reduce the energyconsumptionFinished Process?过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系
4、统工程方法李士雨概述(Introduction)-过程集成技术 举例说明什么是过程集成BYPRODUCTSteamFEEDFEED PRODUCTBYPRODUCTCWSteamReactorCWCWSteamPRODUCTBYPRODUCTUnreactedFEEDPRODUCTSome streams need to be cooled down and some need to beheated up过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨概述(Introduction)- -过程集成技术 举例说明什么是过程集成BYPRODUCTSteamFEEDFEED PRODUC
5、TBYPRODUCTCWSteamReactorCWCWSteamPRODUCTBYPRODUCTUnreactedFEEDPRODUCTRecover heat between a stream that needs to be cooleddown and one that needs to be heated up过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨概述(Introduction)- -过程集成技术 举例说明什么是过程集成.and more heat recovery completes the designBYPRODUCTSteamFEEDCWSteamCWSt
6、eamUnreactedFEEDPRODUCTReactor过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨概述(Introduction)- -过程集成技术 举例说明什么是过程集成SteamReactorFEEDFEEDCWSteamSteamBYPRODUCTPRODUCTCWA different chemical reactor design.leads to a different separation system and different heat recovery过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨概述(Introduction)- -过程集成
7、技术 实际装置对过程集成的要求是复杂的FeedStreamsProductStreamsreactionseparation?mixingheatingcoolingpressurechange过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨概述(Introduction)- -过程集成技术 过程集成的定义(?)： Robin Smith: Process integration as a systematic approach to the development of chemical process flow sheets BP: Process Integration, wh
8、ich seeks the optimum approach to minimum theoretical energy consumption,过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨概述(Introduction)- -过程集成技术 对过程集成的理解： 是一种新的过程优化技术。它从分析过程优化的理论目标值入手，通过过程结构和操作条件优化，寻求现实中与目标最接近的解决方案 过程集成的目标已经从单一的经济目标，扩展到多目标（经济、环境），甚至可持续发展 过程集成的领域也已从能量流的集成，扩展到质量流的集成，以及综合集成过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨
9、概述(Introduction)- -过程集成技术 当前过程集成技术的主要应用领域： 能量系统的集成 工艺热集成 蒸汽动力系统优化 全厂（Total site）能量系统优化 精馏塔的热集成 水系统的集成 氢气系统的集成 多目标的集成过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点夹点法法Pinch TechnologyPinch Technology过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨起源(History) 起源于起源于CPICPI，代表人物，代表人物Linhoff(1978)Linhoff(1978) 约约25002500套装置使用了这一技术套装置使用了这
10、一技术 节能效果节能效果303050%50%（对新装置）（对新装置）换热窄点分析与换热网络合成换热窄点分析与换热网络合成过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点法原理 热流股、冷流股、T-H图THTH热流股需要冷却冷流股需要加热过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点法原理(Principle of Pinch Technology) 热组合曲线(Composite Curves)180OT(OC)H(kW)130ODH=-3600DH=-2000 80O 40OCP=20CP=40180OT(OC)H(kW)130ODH=-5600 80O 40O
11、CP=40CP=60CP=20过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点法原理(Principle of Pinch Technology) 热组合曲线(Composite Curves)120O100ODH=-3240DH=-3200 60O 30OCP=36CP=80T(OC)H(kW)120O100ODH=-6440 60O 30OCP=36CP=36CP=116T(OC)H(kW)过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点法原理(Principle of Pinch Technology) Pinch Analysis and Energy Ta
12、rgetTminTHQCminQRECQHmin) TminPINCH过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点法原理(Principle of Pinch Technology) 通过热交换网络的设计，使实际的热回收接近目标值 130O 180O122 80O 70O 40O3C1120kW34HH 60O 90O100O120O800kW2400kW160kW2000kW1080kW115.6O30OPINCH过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点法原理(Principle of Pinch Technology)DISTILLATIONCOLU
13、MN80O60O130O2400kW 70O 40OCoolingWater1200kWProduct180O2000kWREACTOR 2Steam800kW100OREACTOR 1120OSteam1240kW85.6O30OFeed 是否需要是否需要2040kW2040kW的蒸汽热量？的蒸汽热量？过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点法原理(Principle of Pinch Technology)DISTILLATIONCOLUMN60O80O130O3240kW 49O180OSteam100OREACTOR 11200kW120O360kW 40OPro
14、ductCoolingWaterREACTOR 22000kW30OFeed 消耗蒸汽热量降低到消耗蒸汽热量降低到1200kW1200kW 是否达到最低？是否达到最低？过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点法原理(Principle of Pinch Technology)T(OC)180O160O140O120O100O 80O 60O 40O 20O 0 QCmin=120kW1000200030004000500060007000H(kW)PINCH70OC60OC DTmin = 10OCQHmin=960kW60O80O120O 60O 40OProductF
15、eed 30O100OREACTOR 1180OREACTOR 2130O 70O将问题分解成两部分：夹点上方和夹点下方将问题分解成两部分：夹点上方和夹点下方过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点法原理(Principle of Pinch Technology)REACTOR 2REACTOR 1Steam160kW 60O 43O1080kW 115.6O800kWSteamDISTILLATION 80O 60O 180O2000kW 100O 120O 90O 130O2400kW 70OCoolingWater120kW 40OProductFeed 30O蒸
16、汽耗量为目标值的蒸汽耗量为目标值的960kW960kW过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨Atmospheric towerVacuum towerStabiliserFlashFurnaceCrude oilFlashDesalterFurnaceTypical configuration of heat-integrated refinerydistillation system某炼厂现有热交换网络的操作调优过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨某炼厂现有热交换网络的操作调优第一步：系统建模第一步：系统建模过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系
17、统工程方法李士雨第二步：用能分析第二步：用能分析夹点位置常压炉入口温度261 C常压炉加热负荷循环水冷却负荷155C190C某炼厂现有热交换网络的操作调优过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨第三步：热交换网络分析第三步：热交换网络分析某炼厂现有热交换网络的操作调优过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨跨越夹点换热跨越夹点换热 Hot stream = 6 常三线 Cold stream = 25 空气 Specification = Duty Hot inlet temperature = 340.10 C Hot outlet temperature
18、 = 189.00 C Cold inlet temperature = 54.13 C Cold outlet temperature = 190.00 C Log Mean Temperature diff.= 142.35 C Min. approach temperature = 134.87 C常三线空气加热器某炼厂现有热交换网络的操作调优过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨项目项目实施前标定值实施前标定值实施后标定值实施后标定值原油温度原油温度()2626原油进电脱盐温度原油进电脱盐温度()112115原油进初馏塔温度原油进初馏塔温度()175175原油进常压
19、炉温度原油进常压炉温度()255.4262.4常压炉出口温度常压炉出口温度()360360冷进料流量（冷进料流量（m3/h）9090容容-7产产0.35MPa蒸汽量（蒸汽量（t/h）8.8（日均值）（日均值）10.15（日均值）（日均值）容容-8产产1.0MPa蒸汽量（蒸汽量（t/h）7.2（日均值）（日均值）5.2（日均值）（日均值）第四步：操作优化第四步：操作优化 换热终温提高换热终温提高7 7 取得经济效益取得经济效益800800万元万元/ /年！年！某炼厂现有热交换网络的操作调优过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点技术用于公用工程的优化配置 净热组合曲线(Gr
20、and Composite Curves)HQCmin = 20 80QHmin = 55403045QCmin = 20 80QHmin = 554030T*H45T2DTmin 2DTmin 过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点技术用于公用工程的优化配置 采用中低压蒸汽代替高压蒸汽MPHPLPHPHHT*T*过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨 加热油进出口温度的确定DTmin = 20 OC290o120oDHThe Pinch does not need to be limiting.CPminPinchT*夹点技术用于公用工程的优化配置
21、过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨 加热炉烟气出口温度的确定QHminTPinchToTTFTTPinchTacid dewToTTFTCPminDHT*夹点技术用于公用工程的优化配置过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨 加热炉烟气与蒸汽的混用FGFGLPDHDHT*T*夹点技术用于公用工程的优化配置过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨 制冷剂的使用方法CW-5 OC-40 OC-70 OCDHT*夹点技术用于公用工程的优化配置过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨夹点法应用效果 应用效果 新设计：节能效果
22、30% 50% 技术改造：节能效果5% 30%过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨蒸汽动力系统优化蒸汽动力系统优化过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨考虑全场（Total Site）及各种类型的用能、产能设备FuelFuelFuelPROCESS APROCESS BFuelPOWERHIGH PRESSMED. PRESSLOW PRESSPROCESS CCOOLING WATERCONDAirW蒸汽动力系统优化过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨操作优化Boiler 1T4T6T5T7CWVHP (101 bara, 53
23、0 C)HP (41bara)MP (15 bara)LP (3 bara)Boiler 2HRSGGT18 MW20.054.555.9128.0CoalFuel OilNatural GasLP Vent0.05.01.00.073 baraFlows t/h可调的优化变量有哪些？可调的优化变量有哪些？过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨操作优化Path 2FuelB1B1Path 3FuelB2B2Boiler 1Boiler 2Path 1Turbine 1VHPHPHRSGFuelHRSGFuelGTHRSGProcessGT与燃烧设备相关的优化变量与燃烧设备相
24、关的优化变量燃料的选择设备效率上的差异过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨操作优化BFWBFWT11T2T3T12Process与背压式汽轮机和减温减压器相关的优化变量与背压式汽轮机和减温减压器相关的优化变量过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨操作优化T1T2T3VHPHPMPLPCW与凝汽式汽轮机相关的优化变量与凝汽式汽轮机相关的优化变量过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨操作优化Boiler 1T4T6T5T7CWVHP (101 bara, 530 C)HP (41bara)MP (15 bara)LP (3 bara)B
25、oiler 2HRSGGT18 MWCurrent :95.9Min: 60.0Max: 165.0Current : 44.0Min: 15.0Max: 75.0Current : 51.9Min: 30.0Max: 90.0Current : 20.0Min: 20.0Max: 20.0Current : 65.0Min: 40.0Max: 75.0Current: 209.5Min:115.0Max: 335.0Current: 35.5Min:15.0Max: 65.0Current: 109.0Min: 60.0Max: 150.0Current: 65.0Min:30.0Max:
26、70.020.054.555.9128.0Current: 200.0Current: 99.8CoalFuel OilNatural GasCurrent:25.6LP Vent0.05.01.02.0Min: 50Max: 250Min: 40Max: 1800.073 baraFlows t/h所有优化变量要同时进行考虑要同时考虑硬件的约束条件过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨锅炉设备模型锅炉设备模型1#1#锅炉测量结果同回归结果比较图锅炉测量结果同回归结果比较图2#2#锅炉测量结果同回归结果比较图锅炉测量结果同回归结果比较图操作优化过程工业节能的系统工程方法过程
27、工业节能的系统工程方法李士雨汽轮机设备模型汽轮机设备模型1# 1# 和和 2#2#汽轮机模型回归结果与预测结果汽轮机模型回归结果与预测结果比较图比较图3#3#汽轮机模型回归结果与预测结果汽轮机模型回归结果与预测结果比较图比较图操作优化过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨蒸汽管网模型蒸汽管网模型操作优化过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨全全场场蒸汽动力系统网络模型流程图蒸汽动力系统网络模型流程图操作优化过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨操作优化全厂蒸汽动力公用工程优化改造的实施效果全厂蒸汽动力公用工程优化改造的实施效果 通过公
28、用工程系统操作条件的优化，可以提高公用工程的效率，可降低能耗5%-10%； 通过公用工程系统的优化改造，可进一步降低能耗15-30%； 公用工程总体节能潜力可达20-40%过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨操作优化中国石化2008年相关节能项目效益汇总序 号企业名称内容1广州分公司蒸汽动力系统优化30882九江分公司蒸汽动力系统优化16113茂名分公司蒸汽动力系统优化9684茂名分公司换热网络优化1054合 计6721序 号企业名称内容效益（万元/年）1广州分公司蒸汽动力系统优化30882九江分公司蒸汽动力系统优化16113茂名分公司蒸汽动力系统优化9684茂名分公司换热网络优化1054合 计6721过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨操作优化序 号企业名称内容效益（万元/年）1金陵分公司蒸汽动力系统优化51132洛阳分公司蒸汽动力系统优化13673武汉分公司蒸汽动力系统优化416合 计6896序 号企业名称内容1金陵分公司蒸汽动力系统优化51132洛阳分公司蒸汽动力系统优化13673武汉分公司蒸汽动力系统优化416合 计6896中国石化2009年相关节能项目效益汇总过程工业节能的系统工程方法过程工业节能的系统工程方法李士雨THANKSTHANKS
