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“智慧热岛”余热利用技术在低温热系统的应用

王永立 ,  侯一波 ,  庄恒亚 ,  王磊 ,  郭伟 ,  王宏宾 ,  黄小亮

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (7) : 254 -259.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (7) : 254-259. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.07.040
工业技术

“智慧热岛”余热利用技术在低温热系统的应用

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Application of “smart heat Island” waste heat utilization technology in low-temperature thermal system

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摘要

通过对某炼厂各装置主要热物料余热回收情况与潜在热源、热阱分布情况进行统计分析,发现低温余热有较大的利用潜力。按照“高温高用、低温低用、温度对口、梯级利用”的原则,对全厂低温余热的利用进行优化设计,并应用“智慧热岛”余热利用技术,对全厂低温热系统进行实时监控、分析和优化。优化后,预计节能量可达1.29万t/a标煤,减少二氧化碳排放1.6万t;经济效益2 200万元/a。

Abstract

Through statistically analyzing the waste heat recovery of main heat materials,and the distribution of potential heat sources and heat traps in each unit of a certain refinery,it is found that there is a great potential for utilization of low-temperature waste heat.According to the principle of “high-temperature heat for high temperature purpose,low-temperature heat for low temperature purpose,temperature counterpart,gradient utilization”,the utilization of low-temperature waste heat in the whole refinery is optimized,and “smart heat island” waste heat utilization technology is applied to monitor,analyze and optimize the low-temperature heat system of the whole refinery in real time.After optimization,it is expected to save energy by 12 900 tons of standard coal per year,reduce CO2 emission by 16 000 tons per year,and receive RMB 22 million of economic benefit per year.

Graphical abstract

关键词

余热回收 / “智慧热岛”技术 / 低温热系统 / 优化设计

Key words

waste heat recovery / “smart heat island” technology / low-temperature thermal system / optimization design

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王永立,侯一波,庄恒亚,王磊,郭伟,王宏宾,黄小亮. “智慧热岛”余热利用技术在低温热系统的应用[J]. 现代化工, 2025, 45(7): 254-259 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.07.040

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为应对气候变化,我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取于2060年前实现碳中和”等目标承诺。在“双碳”背景下,“低温化、高效化、智慧化”成为未来能源系统的发展趋势[1]。炼化企业能源耗量巨大,其中较大一部分都以余热形式损失。这些余热一般为生产设备和燃烧系统转换或剩余排出的,并且能够以热能形式回收的热量,根据温位可以分为较高温位热源(150~200℃)、中等温位热源(80~150℃)和较低温位热源(50~80℃)。50~150℃范围内中低等温位低温余热通常因回收困难等原因难以有效利用,通过空冷或循环水冷却又造成了热能、电能和循环水的浪费,因此回收利用好这部分余热对企业节能减排和降本增效具有重大意义[2-5]。
本文中基于某炼厂低温余热未充分利用的情况,以过程系统能量优化“三环节”理论[6]为指导,按照“高温高用、低温低用、温度对口、梯级利用”的原则对热量进行匹配、优化利用;通过应用“智慧热岛”余热利用技术,优化该炼厂多套低温热系统热源、热阱匹配不合理的问题,做到实时优化与调整,提高全厂低温余热的利用率,具有良好的节能效果和经济效益。

1 炼厂全厂低温热现状

本文中涉及企业全厂范围内已经建立3套低温热利用系统,分别为1#常减压低温热系统、3#催化低温热系统和炼油新区低温热系统。

1.1 1#常减压低温热系统

1 #常减压低温热循环量约1 000 t/h,上水温度为72℃,送至1#常减压、2#催化与S-Zorb装置取热,换后温度为88.2℃,取热后热媒水返回至1#常减压换热站。其中484 t/h经蒸气加热器加热至92℃后送至气分装置供脱乙烷塔再沸器与丙烯塔再沸器用热。其余热媒水通过旁路与低温热媒水混合后进水冷器,经循环水冷却后循环取热;冬季时,还输送一部分热媒水供炼油老区原油罐区原油预热,流程见图1。
目前该低温热系统取出低温热不足,需补充1.0 MPa蒸气进行升温,同时气分装置的丙烯塔仍采用0.4 MPa蒸气作为塔釜热源。

1.2 3#催化低温热系统

该低温热系统总循环量650 t/h,热媒水上水温度55℃,经3#催化换热后温度约80.6℃。冬季作为炼油老区伴热系统热源,其余经循环水冷却;夏季3#催化低温热水内循环运行,热量通过循环水冷却,流程见图2。

1.3 新区低温热系统

炼油新区低温热系统总循环量约1 900 t/h,上水温度78℃,经2#常减压/轻烃回收、加氢裂化、3#重整、3#柴油加氢、渣油加氢等装置换热后温度约91.8℃,约1 450 t/h输送至各装置作为水伴热、除盐水预热和采暖热源,流程见图3。该低温热系统冬季富余热量约15 MW,夏季富余热量约27 MW。

2 全厂低温热利用情况及优化设计

按照过程用能“三环节”原理,首先对装置进行优化,消除部分低温热源,然后在全厂范围内寻找热源热阱,根据“温度对口、梯级利用”的用能原理,同时结合全厂平面布置,优化全厂或区域低温热系统。

2.1 全厂低温热热源、热阱现状分析

根据该炼厂全厂低温热现状,对全厂低温热回收情况和利用情况进行汇总,具体见表1、表2。
由全厂低温热源、热阱统计表知,全厂低温热源回收率约83%/84%(冬/夏),热阱利用率为63%/48%(冬/夏),热源回收较为合理;但热阱未能够充分利用,利用率相对较低,需对全厂低温系统热进行规划,提高热阱利用率。

2.2 全厂新增低温热热源、热阱统计

由全厂低温热热源、热阱的现状热负荷统计知,全厂低温热热源负荷富余且利用不充分。因此,需要拓展热阱,提高热源负荷利用率。通过对各装置详细排查,全厂未利用或利用不完全的热源、热阱统计见表3、表4。

2.3 全厂低温热系统优化设计

合理利用低温余热是提高能源利用效率,降低石化企业全厂能耗的有效途径。低温热系统将分散在各装置剩余的热量(即热源)与热媒水换热后,输送到全厂需要低温位热源加热的地方(即热阱)。在构建全厂热出料和低温热系统之前,应根据该厂的加工总流程、平面布置和热源、热阱的位置等进行综合分析,即应对全厂热量流做好顶层设计,规划好热量流向。同时在做低温热系统设计时,应在全厂范围内按照“高热高用、低热低用、温度对口、梯级利用”的原则对低温热源、热阱进行匹配和梯级利用[7-8]。
该炼厂虽然建立有多套低温热系统,但低温热匹配不合理,导致低温热系统一方面补蒸气加热,另一方面再空冷、水冷冷却,热量利用不合理。因此,根据全厂平面布置以及热源、热阱的相对位置关系,全厂低温热系统规划如下。
(1)3#催化低温热系统新增老区锅炉除盐水换热器,提高锅炉除氧器上水温度,减少除氧蒸气消耗。
(2)针对炼油新区低温热系统热量富余,炼油老区低温热系统热量不足情况,考虑将炼油新区低温热系统热量送至炼油老区,一部分供气分装置丙烯塔利用,另一部分继续加热经3#催化低温热系统预热后的除盐水,进一步提高除氧器上水温度,减少除氧蒸气消耗。
(3)炼油新区低温热系统优化后,气分装置热源由1#常减压低温热系统和炼油新区低温热系统同时供热,调整1#常减压低温热系统,与炼油新区低温热系统相结合,使之不再补充1.0 MPa蒸气。
(4)低温热系统运行数据分散或无运行数据,没有一个监控管理平台负责低温热系统的运行、诊断,没有“大脑”去实时优化、调整低温热系统的运行。因此,建议新增低温热大系统综合优化技术(智慧热岛)对全厂低温热系统进行监控、分析和优化,以实现全厂低温热系统的合理高效利用。
优化后全厂低温热源情况统计见表5。
优化后全厂低温热阱情况统计见表6。
由表5、表6知,通过全厂低温热系统优化后,全厂低温热源回收率可达93%,热阱利用率为89%(夏季82%),低温热系统热源回收率、热阱利用率得到明显提高。

3 “智慧热岛”余热利用技术

3.1 “智慧热岛”余热利用技术介绍

“智慧热岛”为低温热大系统综合优化一体化技术及其设备的总称。该技术是在传统低温热综合优化“温位对口、梯级利用”、夹点技术的基础上,结合工业物联网,大数据分析等技术,通过集成智能高效换热设备、智能仪表,撬装化和智能化的低温热热媒水监测、输送、运行中心,信息化和智能化的低温热管理调优平台而形成的低温热利用的软硬件及工程技术一体化的成套集成技术。
该技术一方面在低温热系统的方案设计阶段,通过传统优化技术结合大数据分析,实现方案设计阶段低温热系统的方案最优化;另一方面,通过集成的智能化设备、仪表和智能调优系统,实现低温热系统投运后的安全、高效、稳定运行,保证低温热系统契合实际的运行工况。

3.1.1 取热岛和用热岛

取热岛和用热岛由定制高效换热设备、集成在高效换热设备上的仪表以及智能优化控制器组成。智能优化控制器具备如下功能:换热机组模拟、核算;核心、关键数据显示,至少包括传热效率、热负荷、温降、压降;采用RS485通讯协议与智能优化控制中心进行通讯。

3.1.2 热岛中心

热岛中心分为现场和机柜间2大块,现场的主要功能是通过热媒水温度调节系统和流量分配系统进行水温调整和水量调配。机柜间内集成1台智能优化控制中心机柜,该智能优化控制中心作为新建低温热回收和利用系统的集中管控平台,具有如下作用。
(1)从企业实时数据库或数采系统获取生产运行数据,了解低温热系统运行状态,实现透明化管理。
(2)综合工艺侧工况变化、蒸气用量、热源热阱的热负荷、环境因素,自动核算最佳运行工况点。
(3)将最佳运行工况点目标参数传输给热源热阱装置的DCS或PLC控制系统,实现动态最佳化。
(4)对各智能高效换热设备监控分析,判端结垢、泄露、腐蚀的几率,保障低温热系统安全运行。
(5)对低温热系统发生的任何异常或故障,发出警示信息。

3.2 “智慧热岛”余热利用技术在炼油新区低温热系统的应用

该炼厂全厂加工流程存在单、双系列生产工况,工况变化较大,且存在多套低温热系统。优化后,低温热系统存在同时向多个热阱供热的情况,运行工况较为复杂。虽然低温热系统在原始方案设计过程中会适当考虑工况波动,但实际运行过程中由于加工量变化、操作参数调整、产品结构变化等原因,低温热系统在实际运行过程中偏离设计运行工况,从而影响到低温热系统的回收率,无法达到设计条件下的理想工况。为保证系统柔性,提高低温热系统的换热效率,使低温热系统始终在高效、稳定、安全的条件下运行,采用“智慧热岛”余热利用技术和撬装设备对低温热系统进行优化。

3.2.1 “智慧热岛中心”

在原有余热回收站基础上建立“智慧热岛中心”,包括余热回收站热水泵、新增的智能仪表、数据处理和传输系统、智慧分析决策系统、智能控制系统、智慧管理系统、智慧热网系统、取热岛和用热岛等。
热媒水由“智慧热岛中心”经热水泵加压后输送至取热岛(包括2#常减压/轻烃回收、加氢裂化、3#柴油加氢、渣油加氢、3#重整和制氢装置等)换热后返回热岛中心。
热媒水由“智慧热岛中心”经热水泵再次加压后输送至用热岛(包括新区除盐水站、冷冻站、各装置伴热,老厂区除盐水站和气分装置等)换热后返回热岛中心,进行循环取热。

3.2.2 取热岛流程

热媒水(1 439 t/h,75℃)经泵升压后送至取热岛换热,换后温度94℃返回智慧热岛中心。取热岛包括2#常减压/轻烃回收、加氢裂化、3#柴油加氢、渣油加氢、3#重整和制氢等,其中制氢装置为新增取热岛。
在制氢装置内新增低低压蒸气-热媒水高效换热设备,回收低低压蒸气热量,热量回收后凝结水返回除氧器,制氢Ⅰ、Ⅱ系列共用新增低低压蒸气-热媒水高效换热设备。为防止新增低低压蒸气-热媒水高效换热设备换热负荷较大,影响其他用户蒸气用量,在低低压蒸气-热媒水换热器处新增压控阀。

3.2.3 用热岛流程

炼油老区新增2个用热岛:气分丙烯塔塔釜和老区锅炉除氧器上水。用热岛分冬夏季2种用热工况(表7)。
(1)冬季工况
热媒水(1 439 t/h,94℃)经智慧热岛中心热媒水泵再次升压后分为2路,一路(1 020 t/h)送至炼油新区各原有用热岛,如装置伴热、采暖、除盐水预热等;另一路(419 t/h)输送至炼油老区新增用热岛,分为2路,一路至气分装置供丙烯塔再沸器用热,另一路至老区锅炉除氧器上水(经3#催化低温热系统预热后的除盐水)加热。换热后的2路热媒水混合后,返回智慧热岛中心经空冷控温至75℃循环利用。
优化后,炼油新区伴热水流量由现状的1 433 t/h调整至约1 020 t/h,增加伴热水温差。
(2)夏季工况
热媒水(1 439 t/h,94℃)经智慧热岛中心热媒水泵再次升压后分为2路,一路直接返回空冷。另一路先经热媒水加热器加热(控温>85℃,实际无需投运),再经热媒水泵二次升压后分为2路,一路(318 t/h)送至各原有用热岛,如装置伴热、采暖、除盐水预热等;另一股(419 t/h)输送至炼油老区新增用热岛,分为2路,一路至气分装置供丙烯塔再沸器用热,另一路至老区锅炉除氧器上水(经3#催化低温热系统预热后的除盐水)加热。换热后的2路热媒水混合后,返回智慧热岛中心经空冷控温至75℃循环利用。
新建“智慧热岛”系统流程如图4所示。

4 节能效果及经济效益

通过对炼油新区低温热系统进行优化,可以有效实现节能降碳,节省实物量和节能效果见表8统计。
由表8可知,优化后可节省低压蒸气7.4 t/h和低低压蒸气9.7 t/h,多耗电78 kW,少生成凝结水17.1 t/h,预计降低全厂能耗12 900 tce/a,降低二氧化碳排放量16 000 t/a,经济效益2 200万元/a。

5 结语

(1)“双碳”背景下,炼化企业低温余热的回收利用是节能降碳的重要研究课题,根据“高温高用、低温低用、温度对口、梯级利用”的原则,对低温余热的利用进行优化设计,能有效提高余热回收利用率。
(2)根据某炼厂低温余热利用现状及装置内潜在热源、热阱分布情况,对全厂低温热系统进行优化设计,进一步回收利用全厂余热,减少蒸气消耗;并合理应用“智慧热岛”余热利用技术,实现炼油新区低温热系统热源、热阱匹配优化和实时调整,保证炼油新区低温热系统安全、高效和稳定运行。
(3)炼油新区低温热系统优化后,节能效果和经济效益显著,共降低全厂能耗12 900 t/a标煤,降低二氧化碳排放量16 000 t/a,经济效益2 200万元/a。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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