基于夹点技术的海上原油处理系统换热优化

(1. 中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028; 2. 中海油研究总院，北京 100028)

目前石油行业正面临严冬，低油价下给原油开采带来巨大挑战。如何把能量用在刀刃上，提高生产作业过程中的用能效率，减少不必要的浪费和排放，是现代油田企业追求高质高效、环境友好发展目标的必然要求[1-2]。原油处理即对采出液进行脱水、脱盐、脱除机械杂质等，使之成为合格原油的工艺流程。采出液在进入相应处理设备之前，需要加热到一定温度，才能保证处理效果[3-5]。加热采出液消耗大量能量的同时，不同处理阶段会产生一定量的废水，这些废水往往蕴含着大量的余热；而合格的原油外输之前又有一定的降温需求。因此一个合理的换热网络，需要综合考虑各股热流和冷流，并根据处理原油所需温区的不同，保证处理效果的同时，将余热最大程度回收并加以利用，以减少燃料消耗量，达到节能减排目的。

换热网络优化在工业化工领域应用较多，在原油处理方面，鉴于作业流程的特殊性，一般都是“遇热加热、遇冷冷却”的设计思路，较为粗犷。随着环保要求的提升和排放指标的收紧，精细化换热设计成为日益迫切需求[6-7]。换热网络的设计有多种方法，夹点技术是一种以热力学基础，以最大限度回收热量为目标的换热网络设计方法[8-10]，旨在有效降低热公用工程和冷公用工程的使用量，在换热网络复杂的工业流程中得到了广泛的应用[11-13]。本文将基于夹点技术，开展原油处理系统换热网络优化，并分析节能效果。

1 夹点技术

1.1 夹点定义

以横坐标为流体的焓、纵坐标为温度绘制流体温-焓(T-H) 图。在换热网络中，热流体放热，因此有一个高温到低温的趋势，同理冷流体吸热所以是从低温到高温倾斜。起点和终点的换热量体现在温焓图上即是横坐标的差值，用焓差(ΔH)表示，换热量的大小与曲线在图中的左右位置无关。曲线在横坐标上的投影重叠部分即为换热量，不重叠的为公用工程消耗量。通过平移曲线可构造冷热物流的复合曲线，如图1所示。

图1 复合曲线构造示意图

水平方向上平移两条曲线，使其相互靠近，重叠部分变大，相互之间的换热量也就变大，公用冷热源的使用量就变小，最小换热温差也在变小。移近曲线至某一点达到最小允许传热功当量温差时，热回收量达到最大值，公用工程消耗量达到最小，这一点定义为此换热网络的夹点，如图2所示。

图2 总复合曲线示意图

夹点的物理意义可以理解为是一个热量平衡点，夹点上方的换热只有热公用工程，而下方只有冷公用工程。如在夹点上方设置冷却用的设备，那冷却所带走的热量就需要额外的加热器来弥补[14]，从能量的最大回收利用角度来讲认为是一个不合理的换热设计，因此换热的设计需要尽量避免跨越夹点的换热[15-17]。

1.2 夹点的确定

温-焓图解法是通过平移曲线的方式来改变最小换热温差，以此确定夹点位置的方法。此方法形象直观但有缺陷，有多股物流时,平移曲线将导致结果不精确，并且过程也变得较为复杂，此时最常用的为问题表格法[18]。问题表格法求解的一般步骤分为

(1)按照物流的初始温度和终了温度绘制垂直线和水平线并在途中划分成换热网格图。

(2)对每个网格按照下式依次进行热量平衡计算。

Dk=(∑CPk,c-∑CPk,h)(Tk-Tk+1)

(1)

Ok=Ik-Dk

(2)

Ok=Ik-Dk

(3)

式中：k为子网络数目；∑CPk,c为冷物流热容流率之和；∑CPk,h为热物流热容流率之和；Tk-Tk+1为温度间隔；Dk为第k个为满足热平衡时所需外加的净热量；Ik为由外界或其他子网络放出的热量；Ok为第k个子网络向外或其他子网络放出的热量。

(3)确定换热网络的夹点温度及最小公用工程负荷用量。通过对每个网格不断迭代计算使Ok=0，此时对应温度为夹点温度，其中首个子网络的供热量为最小热公用工程用量，末尾子网络输出的热量为最小冷公用工程用量[19]。

1.3 阈值问题

在换热网络中，并非所有问题都有真正意义上的夹点。通过工艺流程内部的热流和冷流相互热量交换不能达到最终的温度要求，公用热源和公用冷源都要用到的换热网络存在夹点。很多时候只需要一种公用工程便可以解决问题，这类问题称为夹点分析中的阈值问题，阈值的最小传热温差称为阈值温差，阈值问题的复合曲线只有夹点的上半部分，称为热阱部分。

2 换热改造

某油田中心处理平台现行对采出液进行加热后处理的工艺流程如图3所示。

图3 某油田中心处理平台工艺流程图

由图3可知，因采出液温度达不到进入分离器的温度要求，为保证处理效果，需要使用导热油锅炉对原油进行逐级加热，所需温度根据各级分离器的分离要求及效果确定。经三级分离后，脱出的气再利用，脱出的废水进入污水处理系统，合格的原油外输时所蕴含热量在一级分离器之后重新利用一次，之后经过海水冷却降温后外输。

使用换热网络图表示现有的工艺流程如图4所示。

图4 现行换热网络图

经工艺分析，本换热网络同时使用公用热源和公用冷源，污水蕴含的热量没有再利用，具有进一步优化空间。

2.1 物性参数

根据图4，排除公用热源后，图4中的热流只有一股，即合格原油外输前热量回收的这股，称为H1。冷流有三股，分别是：

(1)进入一级分离器(游离水分离器)之前的采出液，称为C1；

(2)进入二级分离器之前，经过合格外输原油加热后的采出液，称为C2；

(3)进入三级分离器(电脱水器)之前的采出液。

为达到热量充分利用的换热效果，污水所蕴含的热量不可忽略，尤其是后两级分离器分离出的污水，因经过前面几次连续加热，其温度高，利用价值较大。将这部分污看作一股热流，称为H2。因原油的换热图并没有利用污水热量，在图4上没有换热器与其连接，但在改造计算时考虑在内。

经分析及计算，冷热物流基本参数见表1。

表1 冷热物流基本数据

以焓差为横坐标，以温度为纵坐标绘制冷热物流复合曲线，见图5。

图5 复合曲线图

2.2 夹点温度

采用问题表格法，将数据代入式(1)～式(3)后得出最小传热温差Δt从9～17 ℃的夹点温度、回收热量、公用消耗等数据，见表2。当Δt在9～13 ℃，公用冷源的使用量为0，即不需要冷却，公用热源的使用量一直维持在3 654.3 kW，即可判定此换热网络是阈值问题无真正意义夹点。随着Δt进一步升高，公用冷源不再是0，且逐渐增大。与此同时公用热源的使用量变大，回收热量逐渐变小。这种情况可以认为公用冷源的使用无形浪费掉公用热源的热量，且导致回收的热量变小。

表2 不同Δt下夹点温度、回收热量、公用工程负荷比较

取最小传热温差Δt为13 ℃作为阈值传热温差构造总复合曲线，见图6。从图6中得出：曲线最下部与竖坐标交汇处为阈值问题的夹点；最上端点的横坐标值为3 654.3kW，为最小公用热源负荷。对比第一章节具有真正意义夹点的换热网络而言，此网络的总复合曲线只有上半部分，没有下半部分，只使用一种公用工程可以满足输入输出要求，为阈值问题。

当取Δt为13 ℃作为最小传热温差时，公用冷源为0，说明合格的原油在外输时，通过合理的换热网络设计即可达到冷却要求，无需额外的海水冷却设施。自身具有的热量也全部回收利用，减少了公用冷源的需求，可谓一举两得。

图6 总复合曲线

2.3 换热设计

经验总结基于夹点技术换热设计基本原则有以下三条[20]：

(1)热流体放热时温度变化范围尽量不要覆盖夹点温度；

(2)温度比夹点温度高的热流体尽量不要使用公用热源；

(3)温度比夹点温度低的热流体尽量不要使用公用冷源。

依据上述三条基本原则重新设计换热流程，新的换热网络图见图7。污水热流即H2热量被充分利用，用以加热C1，因C1所需热量大，H1的热量也被用于加热C1，不足由导热油锅炉热量补充。C2和C3都由公用热源负责。

图7 改造后换热网络图

换热效果与传热温差息息相关，H1和C1换热的温差要比H1和C2的换热温差大，因此采用H1加热C1的方式，可以有效减少换热面积，节省部分投资。

3 效果分析

借助夹点技术重新设计原油换热网络，对比之前的换热工艺，节能效果除了分析所能节省的公用热源、冷源消耗外，换热器的数量、换热器的体积、造价等因素也是衡量换热网络优劣的指标。换热器的造价、体积等因素可直观用换热面积表示，换热面积A用下式计算：

(4)

式中：Q为换热器负荷，kW；K为换热系数，统一取200 W/(m2·K)；ΔTd为对流换热温差，K。

发电效率取30%，导热油锅炉效率取90%，天然气热值取36 MJ/m3(标准)，年运行小时数取8 500 h，计算得出优化前后节能效果对比见表3。

表3 节能效果对比

对比改造前后的换热网络，可知在保持换热器台数不变的情况下，公用热源负荷降低，公用冷源可以直接省去，总换热面积增加200 m2左右，但每年可节省燃料量超过100万m3(标准)方天然气，节能减排效果显著。

4 结 论

(1)基于夹点技术分析某原油处理平台各股热流和冷流物性，通过计算后得出52℃为阈值夹点温度，并根据换热原则重新设计换热网络。通过分析对比，新设计的换热网络大幅降低公用热源负荷，公用冷源负荷降至0，可直接取消冷却用海水，年节约天然气用量超过百万方。

(2)节能减排项目需要以实用性为基础，新设计的换热网络换热面积有所增加，将带来换热器体积、造价增大等问题，在实际项目设计阶段需要结合投资、设备布置等因素综合考虑，基于夹点技术的换热网络分析为方案设计提供更多思路和依据。