第三章 设备能量平衡和火用平衡12

第三章设备能量平衡和火用平衡设备是构成石油化工生产装置的基础，装置能量平衡和火用平衡测试与分析通常是从设备开始的。在设备能量平衡和火用平衡测试的基础上，按照用能分析三环节模式进行汇总，从局部到总体（装置）进行分析和综合，再从总体看局部用能的合理性，做出切实的评价，并指出节能挖潜的方向和措施，这就是进行用能分析的主要目的。因此，首先介绍设备的能量平衡和火用平衡。第一节装置用能分析测试的内容和要求一、测试工况的确定和测试范围用能分析核定：为进行现有过程能量平衡和火用平衡而对过程设备及公用系统进行的用能数据的调查、测试、统计和核算。两个层次的内容：用能数据测定和数据的校核处理。而校核的主要手段是能量平衡。选取一个用于进行用能分析和评价的生产工况，称为测试工况。测试工况的选取应满足下述条件：(1)装置处理量要尽可能满足全年或标定期的全厂物料平衡；(2)操作方案要有代表性，即选择全年应用最长的生产方案；(3)操作要求平稳，能代表装置的操作水平，具有一定的先进性。对于炼油行业，由于生产装置众多，难以在同一时间内进行装置测试。物料平衡与全厂物料平衡也可能出现不一致的情况。另一方面，装置测试能耗与阶段统计能耗之间也存在差异。一般来说，能耗统计是在一个阶段内，（年、季、月）累计消耗的最终的、统计的平均结果。是宏观的统计结果，反映不出用能过程中内部设备之间，设备内在具体条件下的用能问题。装置用能分析核定是测试期内，在某一测试工况下瞬时的用能过程的具体反映。在此基础上进行的能量平衡和火用平衡，则可反映出过程和设备用能存在的具体问题，揭示出用能不合理的具体部位及原因，从而指出节能改进的潜力。基准工况下的能耗和统计能耗数值是不同的，一般统计值要高一些。能量平衡提出的装置能耗结果与测试期统计结果，应完全一致。它与某一阶段的平均统计结果显然不同，这主要是由于原料品种、生产方案、负荷率等因素与测试期不同而产生的差异，通常称之为附加能耗，其具体数值可通过分析估算确定。测试范围，应是装置内所有涉及能量使用和变化的设备，即用能三环节的设备，都应予以测定、核算，按单元操作设备归类为泵、压缩机、加热炉、再生器、透平机械、塔、反应器和冷换设备等，这是因为用能分析测试的目的在于解剖能量在工艺过程的变化规律、能量损失和耗散的部位。因此，测试的内容不限于能量转换和换热设备。用能分析涉及到的三环节设备都应测试。用能的核心过程是工艺设备，虽然能量数量守恒，但能量质量却不相同。因此，必须对工艺设备进行用能测试和核定，才能得出全面的用能分析结果，对装置做出切实的诊断和评价。二、测试要求测试期，企业能量平衡测试工作要求在两个月内完成。测试期内各单元测试要求同步进行，对炼油企业要求测试期内各单元生产负荷稳定，尽可能接近同步进行。测试数据应包括设备各部位的温度、流量、压力以及相应的物性及组成化验分析数据。测试记录组数不应少于四组。测试尽量采用在线仪表，同时根据需要增装必要的各种能源计量器具，和配备部分便携式测试仪表。所有的测试仪表，要经过校验，标出误差范围，计量精度应达到规定要求，液体物流流量计量数据应与罐检尺数据相互校核，并满足装置的物料平衡。燃料、原料、产品、烟道气及其它能量平衡需要的化验分析数据应齐全、准确，要求与能量平衡同时进行。每个分析化验项目不得少于两组数据，一般可取其平均值。对检测标定数据，应进行分析核定，满足测试设备及系统的热平衡，合理取舍数据，一般取其平均值。原始数据应记录齐全准确，载入标定档案。三、能量核查工作的组织和准备大体上有两种方式：‹一是集中一批人组成一个专门小组，逐一对全厂各工艺过程和辅助单元进行能量核查。特点调用的人力较少，专业人员比较熟练；但是整个工作时间拖得很长，各单元汇总为全厂时比较麻烦。‹另一种是在统一组织安排下，以各单元自己的技术力量为主，在同一个时间对所有的单元进行能量核查。特点：需同时调动很多人力，培训工作量大第二节机泵设备机泵按介质状态可划分为泵(液体)、风机和压缩机(气体)两大类。按原动机驱动方式划分，可分为电动、汽动两类。此外，还有一类非驱动工艺流体的耗功设备，如电脱盐、电精制过程的高压静电场耗电、电除尘、转盘式萃取塔以及照明等用电称为工艺用电。对此，可作具体分析，一般纳入工艺设备的能量平衡，把电耗作为供入处理。一、离心泵最常用的泵是离心泵，构成装置用泵的90%以上，且多为电机驱动。在进行机泵的计算前要对泵的用能参数进行测试，主要是：介质流量，介质性质(相对密度、粘度等)，进、出泵的压力以及电机的电流、电压、功率因数，并注意收集泵和电机的型号、额定参数。1.泵的供入能泵和电机应作为一个机组考虑，因此供入的能量(电耗)可由测定的电流、电压及校核后的功率因数计算得出：式中U——电机测定电压，V；I——电机测定电流，A；——电机的测定功率因数；N入——电机的电耗，kW。310cos3−×⋅⋅=ϕIUN入ϕcos电机的功率因数是电动机泵计算的一个关键性参数，不可盲目套用电机的额定功率因数。否则，将可能造成机泵的耗电之和大于装置的总电耗。考虑到装置的变配电的输送线路损失，装置电表的读数应略大于所有用电设备的电耗之和。电机功率因数是随着电机负载率降低而大幅度降低，不能套用额定参数。电机效率变化则不大。在进行用能分析计算时，亦可根据不同电机的额定功率因数由负载率查取。2.泵的有效功机泵能量平衡的目的在于调查其效率情况，核定出有效功与无效损失部分。因此机泵的有效功是指机组消耗的电能中经过机泵转入到流体中的能量。通常以泵出口(调节阀前)为边界进行泵效率计算，这对于由电能到流动功的转换设备是合理的。常遇到的泵出口调节阀存在的大量节流损失，则属于工艺能量使用环节的问题，连同管道、设备以及调节阀、计量仪表的压降构成了动力过程火用损，是改进动力工艺总用能的潜力所在，不属于能量转换环节的内容。机泵有效功：60.3pQNeΔ=式中Ne——泵的有效功，kWQ——泵的介质流量，m3/h△p——泵的进出口压差，MPa3.泵总效率对于以用能分析为目的的机泵能量平衡计算，不必区分泵和电机的效率而常以泵的有效功与电机电耗之比值称为（机组的）总效率。%100×=入总NNeη4.泵的无效动力电机输入的电耗中除转入到流体中的有效功外，其余均在转换过程中摩擦变为热能而损失，成为无效动力。无效动力为：注意：对于电动离心泵，电和有效功都属于火用，其能级为1。因此能量平衡和火用平衡结果是相同的，但无效动力在火用平衡中是作为转换环节过程火用损。eWNNN−=入离心泵系统的无效动力，可分为泵和电机的无效动力。电机效率与电机的负载率有关，负载率在0.5以上，电机效率变化在1%以下，而当负载率低于0.4时，电机效率下降较大。泵的无效动力与泵效率有关。而泵效率除取决于泵的结构和型号外，还与泵的负荷率有关。根据泵的特性曲线，机泵运行存在一个高效的负荷区，而当偏离高效区的负荷时(一般是低负荷)，效率下降。提高泵效率的方法是泵的负荷率达到额定流量，要求使泵在高效区运行，因此减少机泵的无效动力关键在于避免大马拉小车，从而提高电机的负载率和泵的负荷率。在设计选型时，泵的裕留量要合理，电机亦相应配套。应核算电机正常负载率在60%以上，更换长期处于低负荷运行的机泵和电机。对负荷率随生产操作条件及生产方案、负荷频繁变化的机泵，可考虑采用调速装置，目前电机变频调速、液力藕合器和可控硅串级调速装置，都已有应用实例。采用调速装置，单位流量的电耗比在满负荷下的单位流量电耗还要小，这是离心泵采用调速装置的重要优点。二、压缩机压缩机的种类较多，按工作原理可分为容积型：活塞往复式压缩机速度型：离心式压缩机石油化工厂最常用的也是这两大类。1.电动压缩机(1)数据收集在进行压缩机的计算前，要对压缩机的用能参数进行标定，主要是入口流量、介质性质、大气压力、压缩机进出口压力、进出口温度、电动机运行的电流、电压及，电机和压缩机型号、规格及额定参数。ϕcos(2)电动压缩机的功耗(电)同离心泵电机电耗计算（压缩机的供入能）。(3)压缩机的有效供出能压缩机的压缩过程有三种情况，等温压缩、绝热压缩和多变压缩。等温和绝热压缩是实际压缩过程的极限情况。310cos3−×⋅⋅=ϕIUN入一般的压缩过程可视为理想气体的多变压缩过程，离心式压缩机轴功率为：)/()1(134.16/)1(11cgpmmsmmVpNηηηε⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=−式中p1和p2——入口压力和排气压力，MPa；V1——吸入状态下的体积流量，m3/min；ε——压缩比ε=p2/p1m——多变指数；ηp——多变效率；ηg——压缩机械效率；N＞1000kW,ηg=96%~98%;N≤1000kW,ηg=94%~96%;ηc——传动效率，直接传动时，ηc=1.0，用齿轮增速箱传动时，ηc=0.93~0.98。多级往复压缩机其压缩过程可视为多级多变压缩，其轴功率为：cgsmmsmsmVpNηη−ε−=−)1))(1/((34.16/)1(11s为压缩级数，其它符号同前。往复压缩机的机械效率和传动效率随压缩机的大小和传动方式不同而异。以上的计算是对理想气体而言，对不能视为理想气体的实际气体，其轴功可乘以实际气体的修正系数即可。Z=(Z1+Z2)/2Z1式中，Z1、Z2分别为压缩机进、出口状态下的压缩因子，可根据工质在进、出口状态下的对比参数由手册查取。(4)压缩机供出的物理火用火用主要是物理火用即热火用和压火用。压火用热火用dTMVTTCNTTPe4.2260)/1(21102∫×−=12011ln4.2260ppRTVNe×=当比热容可视为常数时：式中Cp——物流的比热容，kJ/(kg·K)；V1——物流流量，Nm3/min；M——物流相对分子质量；R——气体常数，8.314kJ/(kmol·K)。总的物理火用为：21eeeNNN+=4.2260ln11202×⋅⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=MVTTTCTCNPPeΔ（5）压缩机总效率能量效率：可见，压缩机的总能量效率近似为电机的效率。火用效率：%100×=入NNsη%100×=入NNexη火用效率和能量效率数值是不同的。（6）无效动力能量无效动力sWNNN−=入eKNND−=入过程火用损2.汽动压缩机汽动压缩机是由背压或凝汽式蒸汽透平驱动，压缩机轴功率、有效能量和有效火用的计算方法完全同电动压缩机部分。只是供入能量计算方法不同。标定数据中除了压缩机的有关内容外，还要对蒸汽透平的进出口温度及压力进行标定，从而确定供入能量和火用。(l)凝汽式透平供入能即为供入蒸汽的能量和火用值，可由相应温度、压力下焓、熵值计算。3600/)15sGHHE−=（入[]3600/)()15015sxGSSTHHE−−−=（入(l)凝汽式透平供入能即为供入蒸汽的能量和火用值，可由相应温度、压力下焓、熵值计算。3600/)15sGHHE−=（入[]3600/)()15015sxGSSTHHE−−−=（入蒸汽用量，kg/hH、H15——分别为蒸汽透平入口状态和15℃饱和水的焓值，kJ/kg；S、S15——分别为蒸汽透平入口状态和15℃饱和水的熵值，kJ/kg.K；凝汽透平的输出功（直联时）即为所带动的压缩机的轴功率，计算同前。凝汽透平的输出功远小于供入的能量（火用），对于低压凝汽透平尤甚，其能量利用较低。随着节能改进的深入，企业已在逐步减少低压凝汽透平的使用，代之而用的是高压凝汽透平和背压透平。（2）背压透平排汽压力大于大气压，供工业用汽或生活用汽。供入的净能量为：3600/)21sGHHE−=（入背压透平的净能耗，kW供入火用值为：3600/)]()[21021sxGSSTHHE−−−=（入Ex入—透平的火用耗，kW式中：H1、H2和S1、S2——分别为背压透平进出蒸汽的焓值和熵值，kJ/kg，kJ/kg•K；背压透平轴功率。忽略位头和速度头的绝热膨胀过程，因此背压透平的膨胀轴功等于背压蒸汽的焓降。亦即轴功等于净供入能。背压透平的能量效率可接近为1，而火用效率却小于1。背压透平消耗的能量是蒸汽中的高能级部分。蒸汽的物性(焓、熵)可由有关图表查算，也可按蒸汽物流