气体多级压缩过程㶲经济分析优化
郭伟新，陆航宇，万向成，张冰剑，陈清林
(中山大学化学工程与技术学院，广东省石化过程节能工程技术研究中心，广州 510275)
摘 要： 以某实际裂解气多级压缩过程为背景，基于Aspen Plus模拟数据，进行压缩过程
经济分析。通过分析不同供入价下，压缩级数对压缩过程整体经济性的影响，揭示最佳压缩级数与供入价之间的关系。研究结果表明，供入价越高，压缩级数对多级压缩过程整体经济性的影响越显著，最佳压缩级数随供入价的增大而增大。当供入价为0.31～0.58元
(kW·h)时，三级压缩最优；当供入价为0.59～0.94元(kW·h)时，四级压缩的总费用最小；当供入价高于0.94元(kW·h)时，相应的最优压缩级数为五级或五级以上。
关键词： 裂解气经济分析 用能优化 多级压缩
随着能源价格的持续上涨，能量利用水平已经成为决定技术经济效益的重要因素之一。气体压缩过程广泛应用于石化工业重点耗能装置，如催化裂化和延迟焦化富气压缩、加氢装置新氢和循环氢压缩、乙烯裂解气压缩等。在装置能耗构成中压缩过程耗能通常占有较大比重，针对不同能源价格的压缩过程用能方案的经济优化分析对于提高企业的生产效益意义重大。经济学是分析与技术经济学相结合而产生的一门交叉学科，基于“”含量估算能量的价值，以此对能量系统进行科学的用能分析、评价以及优化[1-2]。针对实际生产过程，如何得到经济优化的用能方案一直是国内外学者研究的重点，如Tsatsaronis等[3-5]提出燃料和产品的概念，通过追踪过程能量的变化，指出用能改进方向并在不同工艺流程中进行分析与优化，提出了经济分析和评价方法；Hua Ben等[6-7]从能量在过程系统中的作用及追踪其变化线索入手，提出了三环节能量结构模型，结合经济学，建立了过程系统三环节经济分析模型，并提出了经济分解协调优化策略，用以指导复杂过程系统的全局能量综合优化。目前对于多级压缩机的研究大多侧重压缩过程余热的有效回收利用以及系统控制优化方面，对给定裂解气压缩终压，进行实际多级压缩过程经济分析，确定最优压缩级数的研究相对较少。
定义5 简单信号概率计算法.假设电路f中的信号间不存在相关性，按拓扑排序根据逻辑门gk关于其输入信号的逻辑函数由式(3)计算信号gk的信号概率Pr(gk)，并向将信号gk作为输入的逻辑门传播Pr(gk)，最终计算出f的信号概率Pr(f).
从用能过程动力学的角度来看，损耗是过程进行的推动力代价，与设备投资有着直接的消长平衡关系。单纯追求过程节能会使得过程投资费用过高，总费用过大，经济上并不合理。同样，单纯追求节省过程投资造成的能耗过高也会导致经济上的损失。文献[8]结合Aspen Plus模拟数据对实际多级压缩过程的各级间流变化及各级间热回收进行了研究，结果显示压缩级数越多，效率越高，但增幅逐渐平缓，表明在给定裂解气压缩终压下，不同压缩级数下压缩机的效率提高量、冷却负荷降低量(循环冷却水节省量)与设备投资等存在相互权衡关系。
《中华道藏》作为大型道经整理本文献，在校录影印本道经的过程中出现了一些显而易见的错误，即原影印本文字不误，而录校时失误，导致新的讹误产生。这种“正字误录”现象虽然是低级错误，但也影响了道经的准确使用。出现这种情况的原因大致有三：点校者不明字际关系而误录；点校者不审而误录；排印误植。
本研究主要基于文献[8]的分析结果，应用经济分析优化方法，结合Aspen Plus模拟数据，分析不同供入价下，压缩级数对压缩过程整体经济性的影响，通过过程投资费用与能耗费用的权衡，揭示最佳压缩级数与供入价之间的关联关系，以实现提高压缩过程总体经济效益的目标。
1 能量系统
流计价
过程系统三环节模型概括了系统中能量演变的共性规律，给出了定量的能量结构模型，将过程能量演变以“能流”的模式进行了详细的拆分与耦合，主要分为能量转换、能量利用及能量回收3个不同功能的环节，并结合经济学，建立了过程系统三环节经济分析模型[9-10]。气体压缩机作为辅助的能量转换环节，通过消耗外供入的能量实现气体压力的提升。
式中：E Ui ，E Pi ，E hi 分别为有效转换、外供入及物流热,kW；D JU与D KU分别为压缩机散热等排弃损失及内部各种损耗,kW；下标i 表示的种类数。
气体压缩过程可以视为一种能量置换过程，其中机械能转换为压缩气体的。在多数实际气体压缩过程中，压缩气体因温度升高而增加的热由于能级较小而难以利用，或利用价值不大，通常由循环冷却水带走。对于气体多级压缩过程，平衡方程可表示为[11]：
E Ui =E Pi -E hi -(D KU+D JU)
(1)
生命周期成本(life cycle cost，LCC)源于20世纪60年代美国国防部对军工产品的成本计算[12]，是基于产品的全生命周期的一种成本研究方法，指产品从开始酝酿，经过研究、设计、发展、生产、使用一直到最后报废的整个生命周期内所耗费的研究、设计与发展费用、生产费用、使用和保障费用及最后废弃费用的总和[13]。
式中：E Di 与E Bi 分别为回收驱动及转换输出,kW；c 为各自的价,元
(kW·h)；β ×Z U为过程投资费用,万元a；β 为与E Ui 、E Pi 的时间单位相应的设备固定资产折旧率；下标j 为单元设备数。在实际气体压缩过程中，回收驱动及转换输出可视为零，则气体压缩过程中费用平衡方程可表示为：
c Ui ×E Ui +c Di ×E Di +c Bi ×E Bi =
c Pi ×E Pi +β j ×Z Uj
(2)
能量转换环节的费用平衡方程为：
2017 年，台州完成港口货物吞吐量7056.6万吨，连续5年创历史新高；完成集装箱吞吐量21.28万标箱，首次突破20万标箱。
c U，n ×E U，n =c P，n ×E P，n +β n ×Z U，n
(3)
所需冷却介质的质量流率可通过热量计算方程估算，即：
c P×E P，n +β n ×Z U，n >c P×E P，n+1 +
β n+1 ×Z U，n+1
(4)
2 多级压缩过程经济分析优化
基于文献[8]粗裂解气五级压缩工艺流程及其分析结果，通过能耗费用与投资费用的权衡，进行裂解气多级压缩过程最佳压缩级数分析，分析的关键主要涉及设备投资费用的估算，包括压缩机、冷却器(换热器)等设备。
2 .1 设备投资费用模型
多级压缩过程流程选择必须比较不同工艺过程所涉及的费用情况，以实现经济上的最优化。压缩机与换热器的工艺参数及设备投资费用相关参数见表1[13]。
表1 设备投资费用相关参数
单元设备投资成本模型如下：
(5)
式中：C A为负荷为Q A的设备在A年的费用，元；C B为负荷为Q B的设备在B年的基础费用，元；M 为设备成本指数常数；I A
I B表示不同年份设备成本指数比，I B取2000年设备成本指数435.8。基于近年来设备成本指数变化情况，推测2018年的成本指数为554.9[14]。
整个工艺的固定投资费用包括直接费用和间接费用，采用设备购置费用乘以其安装因数估算，即：
(6)
式中：C F为固定投资总费用,万元a；C A，l 为设备l 在A年的费用，元；f l 为设备l 的安装因数。
多级压缩工艺设置级间冷却器，冷却器投资费用也需考虑。换热面积是决定换热器投资费用的关键参数，通过总传热速率方程估算[15]，即
高潮瞥了一眼冯可儿，反驳道，是的，费用是很高。但我们的这次颁奖活动，是面向财大气粗的房地产企业的，只有放在如此高档的地方，才能显得我们卓木文化实力不俗，我们以后的一些活动也好继续做下去。
冠状动脉造影采用Judkin氏法,所有患者的造影时间在心肌梗塞发生时间的30天到1.6年。由有经验的医生阅读分析冠状动脉造影,管腔狭窄≥50%即为有意义病变,将狭窄100%定为完全堵塞,狭窄75%~99%定为重度狭窄,狭窄50%~74%定为中度狭窄。根据病变部位分为单支、双支和三支病变。
Q =K ×A ×Δt lm
(7)
(8)
式中：Δt lm为换热器进、出口处的对数平均温差，℃；Δt 1为热流进口端与冷流出口端温差，℃；Δt 2为热流出口端与冷流进口端温差，℃；Q ，K ，A 分别表示换热器的传热量(W)、总换热系数[W(m2·℃)]及总换热面积(m2)。
由于实际工业多级压缩过程通常采取平均分配压缩比，各级间的能耗与出口温度差别不大，所以多级压缩过程设备固定投资总费用C F可表示为：
(9)
式中，K 1、R 1与K 2、R 2分别为流体1与流体2的换热系数[W(m2·℃)]和污垢热阻(m2·℃W)。
式中，n 为压缩级数。基准态一定时，可视为状态函数，与路径无关，压缩气体的压力、温度等状态确定，其能量及亦即确定[12]。但是，不同压缩级数下压缩过程所需外供入E P及过程投资费用Z U不同，Z U越高对应的E P越低，导致不同压缩级数下的压缩总费用(c U×E U)存在差异。优化目标则是最小压缩总费用，即min(c U×E U)，通过比较相同外供入价下不同压缩级数的压缩总费用[如式(4)所示]可以得到气体压缩过程中最优压缩级数所对应的外供入价c P的范围，使得最终压缩气体的压缩总费用(c U×E U)最低。
Q =C ×m ×ΔT
(10)
式中，C ，m ，ΔT 分别为冷却介质的比热容[kJ(kg·℃)]、质量(kg)及始末温度差(℃)。
对于两流体的换热，其总换热系数可表示为：
(11)
式中：上标M l 为设备l 的设备成本指数；r e为美元对人民币的汇率。设备固定投资费用的折旧率β 可表示为：
(12)
式中：r a为年利率；d 为折旧年限。
年度过程投资费用β ×Z U可表示为：
田头、河边，花草争妍，颜色深深浅浅，坟地也这样，有嫩绿的荠菜、枸杞头，也有深红的杜鹃和浅白的丁香，当然，也少不了艳丽夺目的蝴蝶。别呦呦眼都看不过来了，说：“这么多野菜，我走的时候，一定要带一些。”她一会蹲下来，说：“这是马兰头，你认得吧？”一会手指前方对我说：“看，那是苜蓿。”
β ×Z U，n =C F，n ×β +C H2O，n
(13)
式中，C H2O 为年度循环冷却水费用，万元a。
2 .2 设备投资与能耗费用分析
通过压缩过程能耗与过程投资费用权衡，优化压缩过程级数。取循环冷却水侧的传热膜系数为6 000 W(m2·℃)，污垢热阻为2.6×10-4m2·℃W，粗裂解气侧的传热膜系数为300 W(m2·℃)，污垢热阻为3.0×10-4m2·℃W，由式(9)可估算出粗裂解气压缩机级间冷却器总传热系数K 值为246.3 W(m2·℃)。
设压缩机级间冷却时循环冷却水进、出口温度分别为30 ℃和40 ℃，水的比热容为4.2 kJ(kg·℃)，结合文献[8]换热器热负荷值与式(7)～式(10)，计算得到不同压缩级数下气体压缩过程中的压缩机级间冷却器总换热面积及其所需冷却水的质量流率，估算结果见表2。
MRI组患者接受核磁共振检查，应用专用膝关节线圈，患者取平卧位，设置参数：间距3mm、层厚0.5mm，根据患者病情进行轴位和斜位一般扫描，采用梯度回波、自旋形式回波序，扫描患者膝关节矢状位和冠状位，采取T2加权成像，T2、T1加权成像。
表2 不同压缩级数下压缩机级间冷却器总负荷、总换热面积及循环冷却水用量
设年利率为0.05，设备折旧期为15年，年操作时间以8 000 h计，循环冷却水价格为0.4元t[16]，取2018年平均美元对人民币的汇率为1美元=6.7元，结合式(5)、式(6)以及式(11)～式(13)，得到不同压缩级数下气体压缩过程中的年度过程投资费用及在不同供入价下压缩27.5 th粗裂解气至2.7 MPa(绝压)的相关费用，估算结果见表3。
许沁将手中的笔按了一下，办公室里响起了声音，正是方才许沁和小虫的对话。许沁刚才故意问仔细，诱导小虫把葛局长的意图全说了出来。许沁放完录音，大笑，说太好了，我正愁证据不足呢，你帮我完成了心愿，谢谢。
表3 不同压缩级数下粗裂解气压缩过程费用
由表3可知，过程投资费用随压缩级数的增加而增大，能耗费用随压缩级数的增加而减小，年度总费用随压缩级数的增加先减小后增大。供入价差异导致不同压缩级数年度总费用的变化如图1所示。由图1可以看出，供入价为0.4，0.7，1.0元(kW·h)时对应的最低年度总费用的压缩级数分别是三级、四级和五级，表明供入价越高，压缩级数对多级压缩过程整体经济性的影响越显著，最佳压缩级数随供入价的增大而增大。
图1 不同压缩级数的年度总费用
供入价，元
(kW·h)：
—0.4；
—0.7；
—1.0
2 .3 最优压缩级数分析
对于粗裂解气压缩过程，结合表3数据与式(4)，可计算气体压缩过程中最优级数对应的供入价范围。计算结果显示：当供入价为0.31～0.58元(kW·h)时，三级压缩的投资总费用最少；供入价为0.59～0.94元(kW·h)时四级压缩为最优；而最优压缩级数为五级时对应的供入价为0.95～1.20元(kW·h)；若供入价大于1.20元(kW·h)则需考虑六级或六级以上级数压缩。表明最优压缩级数与供入价密切相关。
3 结 论
借助Aspen Plus对粗裂解气多级压缩过程进行模拟分析，通过构建多级压缩过程设备投资费用模型，应用经济分析，分析关键操作参数对多级压缩过程总费用的影响，能有效揭示最佳压缩级数与供入价之间的定量关系。在给定裂解气压缩终压下，以包括过程投资费用与能耗费用的年度总费用为目标，定量分析了不同外供入价下，压缩级数对压缩过程整体经济效益的影响，讨论了气体压缩过程的理论最优压缩级数对应的外供入价范围。结果表明，对于粗裂解气多级压缩过程，最佳压缩级数与供入价密切相关，供入价越高，压缩级数对多级压缩过程整体经济性的影响越显著，最佳压缩级数随供入价的增大而增大。当供入价为0.31～0.58元(kW·h)时三级压缩最优，供入价为0.59～0.94元(kW·h)时四级压缩的投资总费用最小，当供入价高于0.94元(kW·h)时相应的最优压缩级数为五级或五级以上。
参 考 文 献
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EXERGOECONOMIC ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF MULTI -STAGE GAS COMPRESSION PROCESSES
Guo Weixin， Lu Hangyu， Wan Xiangcheng， Zhang Bingjian， Chen Qinglin
(School of Chemical Engineering and Technology ，Guangdong Engineering Center for Petrochemical Energy Conservation ，Sun Yat -sen University ，Guangzhou 510275)
Abstract ： Exergoeconomic analysis was conducted on an actual cracking gas multi-stage compression process based on simulation data from Aspen Plus.The impacts of number of compressing stages on the total economic performance at different prices of input exergy were studied to reveal the relationship between optimal stage number and price of input exergy.The results obtained showed that the higher the price of input exergy，the more the impact of the stage number on the total cost.The optimal stage number increased as the price of the input exergy increased.Among them,the optimal number of compressor stage was 3 when the price of input exergy was 0.31-0.58 yuan(kW·h);when prices of input exergy was 0.59-0.94 Yuan(kW·h)，the optimal number of stage was 4;and when the input exergy exceeded 0.94 Yuan(kW·h)，the optimal number of stages was 5 at least.
Key Words ： cracking gas； exergoeconomic analysis； optimization of energy utilization； multi-stage compression
收稿日期： 2018-12-03；修改稿收到日期： 2019-02-28。
作者简介： 郭伟新，硕士研究生，主要研究方向为催化裂化装置节能优化。
通讯联系人： 陈清林，E-mail：chqlin@mail.sysu.edu.cn。
基金项目： 国家自然科学基金项目(51776228)。
标签：裂解气论文; ?经济分析论文; 用能优化论文; 多级压缩论文; 中山大学化学工程与技术学院广东省石化过程节能工程技术研究中心论文;