单元过程及设备的能量优化途径和方法一.docx

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单元过程及设备的能量优化途径和方法一

单元过程及设备的能量优化途径和方法

（一）

——流体输送设备及塔

[摘要]介绍单元过程及设备（流体输送设备及塔）的能量优化特点、优化思路、优化方法。

一、单元过程及设备的特点；

二、单元过程及设备的节能优化；

一、单元过程及设备的特点

物料通过管道和设备输送，需要克服沿程所经历的所有阻力，造成能量损失；炼厂的动力消耗大多直接用于弥补这些能量的损耗，所以需要有能做功的设备源源不断地位流体提高能量，如各种泵、压缩机等。

为了减少这种能量损失，应尽可能减少流动过程中的压降，包括降低局部阻力损失和沿程阻力损失。

减少局部阻力损失，应尽可能减少管道上的弯头和缩扩变化，减少阀门等管件的数量。

减少沿程阻力损失，可以适当加大管径（即降低流速）以减少阻力等。

降低物料输送的流速可以降低流动过程的压降，能量损失随之下降，但根据工艺要求，在输送量一定的条件下，降低流速意味着需要加大管径，将导致设备费用增加，而且对传热、传质过程也会产生影响，降低传热、传质效率，增加传热、传质设备投资。

因此为了解决能耗降低与投资增大的矛盾，必须合理选择经济流速，求取最佳管径。

随着科技进步，新的降低阻力手段得到应用，如为减少物流流动过程的不可逆能耗，可添加减阻剂等。

二、单元过程及设备的节能优化

炼厂中使用着大量的流体机械：

泵、鼓风机、压缩机等，炼厂中电能消耗的大部分都是这些这些流体机械用于驱动流体。

作为流体机械的节能措施，提高流体机械本身的性能是一方面，而另一方面优化流体机械的运行，也有很大的节能潜力。

炼厂中流体机械的选型，是按满足额定性能进行设计，炼厂设计者在选用时，考虑管路阻力、流量变化等因素后，会留有较大余地，导致设计中采用大容量设备、而运行中采用关小调节阀来调节流量，人为地造成流动过程的能量损失。

1.流体机械的选用

流体机械是炼厂流动系统的组成部分，选用流体机械时，应使流体机械与流动系统之间匹配很好。

以离心泵为例，从离心泵特性曲线的效率曲线可见，随流量Q的变化，效率有一最高点，称为设计点。

离心泵铭牌上所标明的流量、压头H、功率N等参数，就是对应该最高效率的参数。

当离心泵安装在一定的管路上时，其所提供的压头与流量，必须与管路所需要的压头和流量一致，所以离心泵的实际工作情况由泵的特性和管路特性共同决定。

将离心泵的特性曲线与管路特性曲线绘在一张图上，则两曲线的交点M就是离心泵的工作点。

在设计过程选用泵的时候，工作点M应该在离心泵的高效率区域内。

由于管路输送条件不同，一般离心泵不可能正好在最佳工况点运行，应使其工作区处于最高效率点的92%左右。

在选用流体机械时，如果不依据正常流量而是依据最大流量来选择，同时为了留有余量，再放大一个系数，就会造成“大马拉小车”的现象，使流体机械长期在低效率区运行，浪费了能量，应该避免这种情况。

2.流量调节方式的优化

正常生产的流量会经常发生变化，不同的流量调节方式，会产生不同的能量利用效果。

一般流体流量的调节可以通过两种途径实现：

（1）改变管路特性

一般通过调节阀门的开度实现管路特性的改变，采用阀门调节流量这种方法简单，流量可以连续变化，但能量损失较大。

（2）改变流体机械特性

改变流体机械特性的主要方法有：

①改变转速，②切削叶轮直径，③采用泵的串联或并联，④三元流设计。

调节转速时，管路特性不变，但由于离心泵的流量与转速成正比，功率与转速的立方成正比，所以减少流量，离心泵的功率相应减小，该调节方式具有节能效果。

离心式鼓风机和压缩机具有与离心泵类似的压力-风量特性。

但因工作流体是气体，故在小风量区域存在发生喘振现象的极限风量，在低速下由于雷诺数减小而压力下降，在高速下由于马赫数增加而发生奎塞现象，压力急剧下降，效率也降低。

转速调节可采用变频装置。

变频调速适用于同步电动机和异步电动机，具有调速范围广、平滑、工作相对稳定性好、操作方便等优点。

3.流动过程的能量回收

绝大部分的炼油工艺过程中的反应和分馏工艺要在一定压力下进行，而物料的存储需要在常压下进行，所以物料经过泵升压进行处理后，又要降压进行存储，物料降压过程的压力能可以回收利用。

如加氢装置的反应产物经分离后的冷高分油，部分流程可以采用液力透平回收压力能，用以驱动原料升压泵，降低装置电耗；加氢装置的循环氢脱硫塔在高压下运行，贫胺液经过升压进入脱硫塔，吸收循环氢中的H2S等杂质后变为富胺液，由脱硫塔送出，该股富胺液的压力能也可以采用液力透平回收利用。

4.输送机械的节能技术

（1）调节流体机械转速技术

通过调节流体机械转速相比于阀门截流具有更好的节能优势，流体机械的驱动源采用蒸汽透平驱动时，其转速的调节容易实现；当流体机械驱动源采用电机驱动时，可以采用如下技术实现转速调节。

（a）变频调速技术

变频调速是将调速装置安装在供电电源与电机之间，电机转轴直接与泵相连，通过改变电源的频率和电压来改变电机转速，从而调节泵的转速。

变频器使用过程会产生谐波电流，进而污染电网。

可通过以下措施减少变频器谐波：

①、当设备附近有电磁干扰时，加装抗射频干扰滤波器；

②、使用具有隔离的变压器，可以将电源侧绝大部分的传导干扰隔离在变压器之前；

③、在电动机与变频器之间的电缆应穿钢管敷设或用恺装电缆，并和其他弱电信号线分走不同的电缆沟铺设，降低线路干扰，变频器使用专用接地线。

（b）液力耦合调速技术

液力耦合器安装于离心泵与原动机之间，以液体为介质，利用液体的动能来传递转矩，其主要由壳体、泵轮和涡轮组成。

工作时，输入轴从电机获得能量带动泵轮叶片转动，使机械能转变为工作腔内工作液的动能；然后，高速液体进入涡轮带动涡轮叶片转动，将机械能传给输出轴，带动离心泵工作；最后，液体返回泵轮，形成周而复始的流动。

液力耦合器通过液体将输入轴与输出轴联系起来，密闭工作腔内工作液的流量决定了能量传递的多少，从而决定了输出轴转速的大小。

因此，液力耦合器通过调节工作液的流量，实现泵的转速调节。

（c）永磁调速

永磁调速装置通过调节空隙，实现从电动机向负载传输扭力的调节。

在外输泵上加装1套永磁调速装置，可以使电动机根据泵的需要供电，使泵达到理想的运行状态。

永磁调速装置主要由导体转子、永磁转子和控制器3部分组成。

导体转子固定在电动机轴上，永磁转子固定在负载转轴上，导体转子和永磁转子之间有间隙（称为气隙）。

这样，电动机和负载由原来的硬（机械）连接转变为软（磁）连接，通过调节永磁体和导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转矩变化，从而实现负载转速变化。

永磁调速是根据滑差原理工作，为产生转矩，必须有滑差，因此能量的损失又叫滑差损失。

滑差损失以发热的方式消耗，同时附加有散热和摩擦损失。

产生的热量由空气对流自然冷却，但大功率设备一般都采用水冷散热设计。

永磁调速设备为非接触、纯机械联接，结构简单、易损件少；电动机与泵轴不直接连接，振动不产生相互影响；不产生谐波，不伤害电动机，不影响电网功率因数；可空载启动或软启动，电动机启动电流小、时间短，对电网无冲击。

（2）压缩机无级气量调节

炼油工艺过程中大量采用往复式压缩机，对于相同的进气工况，往复式压缩机的排气量都是在设计中就已确定。

但是随着操作的变化，工艺条件对气量的需求也会变化，而正常情况下往复式压缩机载荷控制只有三个挡（0，50%，100%），流量调节跨度较大。

而现有的气量调节方法包括：

旁路回流、全顶开进气阀等，都不能达到连续、节能和小扰动的要求。

无级气量调节通过如下过程实现：

在压缩机活塞往复运动中，当气缸进气终了时，进气阀在执行机构作用下，被卸荷器强制地保持开启状态，随着活塞运动，吸入气缸中的部分气体，经被顶开的进气阀回流到进气管而不被压缩；待活塞运动到特定的位置（对应所要求的气量）时，执行机构使顶开进气阀的强制外力消失，进气阀关闭，气缸内剩余的气体开始被压缩；气体达到额定排气压力后由排气阀排出。

该调节方式可以使压缩机的功耗随实际容积流量变化，具有简单高效特点。

无级气量调节技术能够通过仅压缩所需要的气量，最大限度的节约能源，通过智能化的液压调节机构，快速、精准地控制压力和流量，实现气量理论上0～100%的连续调节（实际因压缩机而异，一般在10%～100%的范围内）。

（3）3C控制技术

每台离心式压缩机都有一个最大压头和最小流量的极限，超过这个极限，压缩机将发生喘振。

而喘振防止的唯一办法是将部分流量回流到压缩机的入口或放空，以使压缩机工作点远离其喘振极限。

然而回流或放空部分气体将损失掉大量的压缩功，从而造成压缩机能耗的增加。

因此控制系统必须能够精确地确定压缩机工作点离喘振点有多远，从而维持一个足够的又不过分大的回流量来保证机组运行的可靠性和经济性。

为了使压缩机工况点始终远离喘振极限区域，并且保证能耗最小，建立一种可变极限流量的控制方式，即在不同转速及不同的压比条件，都有一个可以相应变化的极限流量与之对应。

采用这种可变极限流量的控制方法，是当前压缩机防喘振控制普遍采用的控制策略。

只要使压缩机工况点沿防喘振控制线变化，就可保证压缩机工况点不进入喘振区域，且能耗最小。

压缩机的喘振极限是一个复杂的函数，它随气体组分、入口压力、温度、转速和入口导流叶片角度的变化而变化。

3C控制技术采用多元函数来计算压缩机工作点对喘振的趋近程度，精确地确定对扰动大小的响应，从而使压缩机防喘振安全裕量最小，其结果是既保护了压缩机，又使回流量或放空量降到最低程度。

（4）液力透平

液力透平是将流体工质压力能转换成机械能的机械设备。

液力透平主要部件是一个旋转元件—叶轮，它安装于透平轴上，具有沿圆周均匀排列的叶片。

带有压力能的流体在流动中，经过冲转叶轮后，将自身能量转换为叶轮的动能，驱动叶轮轴产生扭矩，透平轴直接或经过传动机构带动其他机械，输出机械功。

液力透平主要对采用减压阀或孔板减压的连续工艺流程中的高压流体，回收压力能，包括

①氢裂化装置中，液力透平应用在高压分离器与低压分离器之间；

②循环氢脱硫过程中，应用在高压吸收塔与低压分离器之间：

贫胺液经高压贫胺泵加压后进入到高压循环氢脱硫塔对循环气进行脱硫。

脱硫后的气相返回到反应系统作为循环氢。

吸收硫化氢后的富胺液自高压循环氢脱硫塔底部进入到液力透平，由液力透平减压后送出装置。

③从管线的高压处向罐区输送成品油或原油时。

在这些液力透平的典型应用中，液力透平可回收高达80%的流体能量并用来驱动泵或其他转动机械。

（5）螺杆膨胀机及应用

对于气体流动过程压力能回收利用可以采用螺杆膨胀机。

螺杆膨胀机主要利用带压气体膨胀，驱动螺杆旋转实现能量回收利用。

螺杆膨胀机由一对螺旋转子和壳体组成，热的带压气体经过进汽口（A）进入阴阳螺杆前端面齿槽，推动阴阳螺杆转子向相反的方向旋转，随着转子的转动，气体沿前端齿槽开始向后端面扩容（B、C、D），气体膨胀、容积增加、压力降低，实现膨胀做功，最后从后部齿槽排气口（E）排出，功率从主轴阳转子输出。

螺杆膨胀机的应用广泛，包括：

①低压蒸汽压差做功

与汽轮机比较，螺杆膨胀动力机有如下技术特点：

蒸汽在机内流速低，除机械泄漏外，无其它能量损失，即使蒸汽参数或流量波动仍能维持较高的内效率；

主轴阳转子的转速可根据被拖动机械的要求设计，达到直接驱动；

螺杆粗大结实、机组转速低，机组除轴承密封件易损外，无其它磨损件，安全可靠，使用寿命长；

螺杆膨胀机起动力矩大，作为原动机可直接驱动风机、泵、压缩机，因为螺杆与螺杆、螺杆与机壳的相对运行能限制污垢的生长，具有自清洁能力，因此机组对蒸汽的品质要求不高，特别适用于蒸汽压力0.3MPa以上、温度300℃以下或进出压差在0.2～1.0MPa的利用饱和蒸汽差压作动力的系统；设备体积小、重量轻；

②天然气压差回收

天然气的高压输送管道蕴藏了大量的压力能，简单调压过程会造成巨大能源浪费。

天然气螺杆膨胀余压发电，可以有效地回收管网的压力能。

③有机朗肯循环

有机朗肯循环技术是利用炼油企业的低温余热，加热低沸点的有机工质，使其蒸发变成带压力的气体，通过螺杆膨胀机对外作功。

对于炼油企业的低压蒸汽（压力小于0.3MPa、温度小于250℃），很多处于气、液二相状态；由于水不能直接用于膨胀做功，但其热量可以被有机朗肯循环利用。

炼油企业的其他温度高于85℃的物流，如油、低压水蒸汽、烟气、地热、太阳能聚焦面板等都可以用于有机朗肯循环。

5.分馏过程及设备节能

炼油生产过程存在大量的物料分馏过程，分馏过程主要靠分馏塔实现：

物料自分馏塔中部的适当位置连续加入；分馏塔底的再沸器将塔底加热，使其汽化产生上升蒸气，一部分塔底物料抽出后作为塔底产品；分馏塔顶冷凝器，将塔顶蒸气冷凝为液相，一部分作为分馏塔回流，由塔顶返回塔内，其余作为塔顶产品。

分馏塔内的汽相由下向上流动、液相由上向下流动，汽、液两相逆流接触；在塔板上完成组分分离，自动进行着低沸点组分蒸发和高沸点组分冷凝的热交换过程。

（1）分馏过程能量分析

分馏塔能量平衡满足：

Qs＋QF＝QD＋QC＋QW

Qs为再沸器的加热负荷；QF为进料带入热量；QD为塔顶产品带出热量；QC为塔顶冷凝器负荷；QW为塔底产品带出热量。

分馏过程的用能分析。

由分馏过程能量平衡可以看出，分馏塔的塔底再沸过程和塔顶冷凝过程是驱动分馏过程不断产生上升汽相和下降液相的能量消耗环节，也是分馏塔与外界进行能量交换的主要渠道。

从温度分布、压力分布和浓度分布看，塔底的温度高、压力高、重组分含量高，通过再沸器加入能量使得塔底物料汽化，成为分馏塔汽相来源的能量供入，塔底汽相温度较高，其上升过程中会在每一块塔板上，被冷却和冷凝放出部分冷凝热，该冷凝热是塔板上液相蒸发的能量来源之一，汽相冷凝过程和液相蒸发过程既是能量交换过程，也是组分提浓过程即分馏过程：

液相蒸发过程中，轻组分优先蒸出并进入汽相；汽相冷凝过程中，重组分优先冷凝并进入液相，因此沿塔自下而上的汽相轻组分含量逐渐升高，沿塔自上而下的液相重组分含量逐渐升高。

分馏塔自下而上的压力梯度是汽相得以沿塔上升的驱动力；分馏塔液相的自身重量是液相得以沿塔下流的驱动力，同时由于液相不断流动，因此分馏塔全塔压降要远小于整塔静液相压差。

分馏过程是能量消耗主要为完成以下过程：

①用于克服汽、液相流动阻力造成的压降；②不同温度物流间的传热；③相浓度不平衡物流间的传质，或不同浓度物流的混合。

（2）分馏过程及节能设备

对于炼油过程，提高分馏过程能效的手段包括：

①减少冷凝器和再沸器中传热过程的温差，②减少精馏塔中传热和传质过程的推动力以及流动压差，③研究和应用高效换热设备以及高效率、低压降的新型塔板和填料，实现过程节能。

④选择最适宜回流比和进料热状态。

⑤开发新型分馏工艺。

（A）中间冷凝器和中间再沸器。

常规分馏过程的能量交换是通过在塔顶和塔底，对塔内物料进行冷凝和蒸发实现，在分馏塔内温度自塔底逐渐升高，在塔中部设置中间冷凝器，可以采用温度较高的冷却剂。

如果在塔的中间设置中间再沸器，对于高温塔，则可以应用温位较低的加热剂。

中间冷凝器和中间再沸器的使用并不会降低分馏过程的总热负荷，但是分馏过程的有效能降级程度会减小。

因此，在生产过程中必须要有适当温位的加热剂和冷却剂与其相配，并需有足够大的热负荷值得利用，如此才有效益。

（B）多效精馏。

在精馏操作中，分离过程消耗的能量是热能，多效精馏就是将一个塔的塔顶冷凝热量用于另外一个塔的塔底再沸热量。

在多效精馏流程中，全部原料加入高压塔，在该塔中分离得到纯度较高的塔底产品，塔顶得到易挥发物部分浓缩的产物，再引入低压塔作进一步分离为两股较纯的产品。

多效精馏可节省能耗，但需增加设备投资，经济上是否可行需通过经济核算决定。

由于两塔间的热耦合，所以要求更高级的控制系统。

（C）热泵精馏。

将塔顶温度较低的能量进行压缩升级后，作为塔底再沸器的热源。

热泵精馏是靠消耗一定量机械能达到低温热能再利用，因此消耗单位机械能回收的热能是一项重要的经济指标。

显然，对于原料中各组分沸点接近的精馏塔应用热泵精馏的效果会更好。

由于热泵精馏需要增设压缩机，又要消耗机械能，所以推广应用受到限制。

（D）Petlyuk塔（耦合塔、分壁精馏塔）

在一定分离顺序下两塔非常规（液相产品）联结，即或汽相或液汽双相联结形成耦合，其节能机制是：

避免组份在塔段内无谓的重复冷凝-汽化。

下图为三组分分离的四种方案。

运用分壁精馏塔，一般可降低20－30%的分离能耗。

分壁精馏塔的应用实例主要有：

炼油工业的侧线汽提、闪蒸塔，BASF公司在化工装置中也有应用。

壁精馏塔在运用时要根据分离对象物性、组成，选择适当方案。

（E）复杂塔

复杂塔是指一个或多个进料、除塔顶和塔底出料（产品）外还有一至数个侧线产品（出料）的分馏塔，炼油工业中的常减压蒸馏装置的常压塔、减压塔和催化裂化装置的主分馏塔等就是复杂塔。

其节能机制为：

某些产品从侧线抽出，用于要求分离精度不太高时，可节省再沸器和冷凝器的负荷，避免无谓的重复冷凝汽化。