煉油過(guò)程能量?jī)?yōu)化和低溫余熱回收利用

林子平

（茂名瑞派石化工程有限公司，廣東 茂名 525011）

煉油廠內(nèi)的熱量溫位分布很廣,從常溫到400℃都有,且各裝置內(nèi)熱源、熱阱的溫位分布很不均衡。只在各裝置內(nèi)部進(jìn)行換熱回收,很難實(shí)現(xiàn)完全合理的優(yōu)化匹配,因此,進(jìn)行能量的綜合利用,優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程用能,采取優(yōu)化單元裝置用能、熱聯(lián)合及低溫?zé)崂玫却胧?是煉油生產(chǎn)節(jié)能降耗的重要途徑。

1 概述

由于煉油企業(yè)將生產(chǎn)的能源產(chǎn)品總量的6%～8%消耗于自身生產(chǎn)過(guò)程，因此在高原油價(jià)格下，無(wú)一例外處于盈虧邊緣。“節(jié)能亦利潤(rùn)”、“節(jié)能亦生存和發(fā)展”已成為煉油企業(yè)要面對(duì)的問(wèn)題。作為過(guò)程工業(yè)，煉油過(guò)程用能有其規(guī)律。華賁等在深入研究過(guò)程工業(yè)能量傳遞和降質(zhì)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，提出了“能量流結(jié)構(gòu)三環(huán)節(jié)理論”。指出任何過(guò)程系統(tǒng)是由能量轉(zhuǎn)換、能量利用和能量回收三個(gè)環(huán)節(jié)組成的。來(lái)自系統(tǒng)外部的能量如燃料化學(xué)能、電能、蒸汽能等經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)（主要包括加熱爐、機(jī)泵、透平等設(shè)備）被轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)運(yùn)行所需的熱能、流動(dòng)能，以推動(dòng)利用環(huán)節(jié)（主要包括反應(yīng)、分餾等設(shè)備），實(shí)現(xiàn)過(guò)程系統(tǒng)的產(chǎn)品目標(biāo)，并且過(guò)程余熱進(jìn)入回收環(huán)節(jié)（主要包括換熱器、蒸汽發(fā)生器、冷卻器）得到再回收利用，以減少外部能量供入、降低工藝總用能。以三環(huán)節(jié)理論為基礎(chǔ)，華賁等建立了基于經(jīng)濟(jì)分析的過(guò)程能量綜合分解協(xié)調(diào)理論，成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多家煉化企業(yè)。Linnhoff B等提出了“夾點(diǎn)”技術(shù)，用冷、熱物流復(fù)合曲線高度總結(jié)了過(guò)程內(nèi)部的熱量作用關(guān)系，指出“不跨夾點(diǎn)傳熱的過(guò)程系統(tǒng)具有最小冷、熱公用工程消耗”，建立了具體的熱集成方法和技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)提出了系統(tǒng)能量集成的模型。

2 過(guò)程能量綜合的基本原理和研究目標(biāo)

石化工業(yè)是典型的過(guò)程連續(xù)工業(yè)，在過(guò)程系統(tǒng)工程的范疇內(nèi)研究過(guò)程工業(yè)的用能和節(jié)能問(wèn)題，可以在“過(guò)程能量綜合（集成）”的框架內(nèi)展開(kāi)，它一般基于有如下基本設(shè)想：（1）石化系統(tǒng)是由若干個(gè)內(nèi)部同時(shí)發(fā)生能量和質(zhì)量轉(zhuǎn)換或傳遞的過(guò)程單元所組成的。（2）能量不但有數(shù)量多少的量度還有質(zhì)量（或品位）的差別，能的質(zhì)量即它的能級(jí)由它的能力或它所具有的火用（或稱有效能、有用能）來(lái)決定。高溫?zé)嵩雌肺桓?、能?jí)高，因此擁有的火用多、做功能力強(qiáng)；反之亦然。（3）從傳遞過(guò)程原理的角度講，溫差是傳熱過(guò)程進(jìn)行的推動(dòng)力；濃度差是傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行的推動(dòng)力，壓差是流體流動(dòng)過(guò)程的推動(dòng)力。在過(guò)程熱力學(xué)的范疇，我們同樣也可以認(rèn)為：火用是一切用能過(guò)程進(jìn)行的推動(dòng)力，并以自身的損耗為代價(jià)。（4）溫差（或濃度差）越大，過(guò)程的不可逆度越高，但速度也越快，完成該過(guò)程的設(shè)備投資也越小，代價(jià)也越大。因?yàn)檫^(guò)程的火用損耗大，所以高溫（或高濃）體做功的能力損失也就多。（5）熱能可以多次利用，在進(jìn)行系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按合適的溫位逐級(jí)利用、優(yōu)化匹配，以盡量減少過(guò)程的不可逆度，降低損耗。尤其要避免能量的無(wú)功降級(jí)。（6）系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化目標(biāo)，不應(yīng)是火用損耗愈低愈好，而是費(fèi)用越小越好。（7）系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，不僅要在單元過(guò)程（或設(shè)備）層面上實(shí)現(xiàn)用能和節(jié)能的優(yōu)化，更需要在全系統(tǒng)的能量（特別是熱能）利用上實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化，這是過(guò)程能量綜合的主要任務(wù)。（8）化工過(guò)程的能量綜合優(yōu)化，不只是一個(gè)單純與過(guò)程工藝、設(shè)備和控制相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，還與工程、質(zhì)量、安全、環(huán)保、開(kāi)停工、市場(chǎng)、季節(jié)、生產(chǎn)方案等諸多因素密切相關(guān)，施方案的最終效果，需要用對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的整體影響，才能作出最后的評(píng)價(jià)。（9）能量綜合的原則可應(yīng)用于新裝置（工廠）的設(shè)計(jì)、現(xiàn)有裝置的改造，過(guò)程工藝流程的調(diào)整難題，新產(chǎn)品、新工藝的工業(yè)化開(kāi)發(fā)，以及系統(tǒng)操作和生產(chǎn)管理等各個(gè)方面，只有這樣才能從宏觀到微觀，從生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)到相關(guān)的各個(gè)部門(mén)實(shí)現(xiàn)整體用能和節(jié)能的優(yōu)化。這也是過(guò)程能量綜合這門(mén)科學(xué)研究的基本目標(biāo)和所需要解決的問(wèn)題。

3 煉油過(guò)程能量?jī)?yōu)化方法

煉油過(guò)程大系統(tǒng)是由若干工藝裝置和公用工程裝置，如蒸汽、動(dòng)力、儲(chǔ)運(yùn)、給排水等組成的，同時(shí)每個(gè)裝置又包含能量轉(zhuǎn)換、利用和回收三個(gè)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)之間、裝置之間以及子系統(tǒng)與裝置之間通過(guò)能流傳遞相互關(guān)聯(lián)和作用，從而實(shí)現(xiàn)煉油過(guò)程的對(duì)立統(tǒng)一。煉油過(guò)程能量?jī)?yōu)化的目的就是選擇優(yōu)化的單元操作及其間的聯(lián)結(jié)關(guān)系，在保證系統(tǒng)安全生產(chǎn)和產(chǎn)品收率及質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)過(guò)程最小能量消耗。優(yōu)化的方法和思路如下：

3.1 總能規(guī)劃

以研究對(duì)象總流程為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有運(yùn)行數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)如標(biāo)定結(jié)果對(duì)裝置進(jìn)行用能評(píng)價(jià)，確定重點(diǎn)能耗單元，同時(shí)通過(guò)對(duì)煉油廠能源消費(fèi)狀況和能源價(jià)格分析，確定合理的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。

3.2 裝置內(nèi)部能量?jī)?yōu)化

裝置能量?jī)?yōu)化是系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化的核心，系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果應(yīng)體現(xiàn)和落實(shí)。裝置內(nèi)部能量?jī)?yōu)化主要包括：提高加熱爐熱效率、優(yōu)化分餾塔操作、優(yōu)化工藝物流換熱流程、優(yōu)化余熱回收以及分餾系統(tǒng)與換熱網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化等。

3.3 裝置間直接熱進(jìn)料/供料

實(shí)施裝置熱聯(lián)合操作。裝置間熱聯(lián)合操作不但可以減少物流在上游裝置的冷卻負(fù)荷，降低它在下游裝置的加熱負(fù)荷，避免重復(fù)冷卻和加熱，還可以減少它在中間罐區(qū)的加熱、維溫負(fù)荷及機(jī)泵輸送功耗，是單元和系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化的重要手段。在有互供料關(guān)系且同步運(yùn)行的裝置間，盡量采用直接熱供料/進(jìn)料工藝，并依據(jù)上下游裝置的用能情況，確定合適的供料/進(jìn)料溫度。

3.4 低溫余熱大系統(tǒng)利用

裝置內(nèi)部能量?jī)?yōu)化完成后，以除鹽水為媒介的余熱采出已基本完成。但由于余熱分布散、熱阱不集中，決定了余熱利用不能局限在局部，必須大系統(tǒng)實(shí)施。

4 煉油過(guò)程低溫余熱利用

煉油過(guò)程低溫余熱的特征是熱源、熱阱點(diǎn)多面廣分布散；熱源多為工藝余熱，負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定；但熱阱負(fù)荷明顯隨季節(jié)變化，且有生產(chǎn)、生活和輔助三類不同熱阱。必須從全廠大系統(tǒng)分析，充分平衡和綜合各種因素，以期實(shí)現(xiàn)整體平衡回收和利用。

4.1 充分挖掘低溫?zé)嶷鍧摿?/h3>

全面調(diào)研低溫?zé)嵊脩?，進(jìn)行全廠低溫?zé)嶷遒Y源普查和分析，確定它們的溫位、負(fù)荷、類別以及負(fù)荷隨季節(jié)變化的規(guī)律。

4.2 優(yōu)化熱水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

依據(jù)布置、熱水流程現(xiàn)狀和熱源熱阱的相對(duì)平衡關(guān)系，確定全廠熱水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能包含幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)內(nèi)部熱源和熱阱的總圖位置比較接近、負(fù)荷能總體平衡、溫位大體相配、源阱單元同步運(yùn)行率較高、熱阱特征基本相同、并具備一定的輔助補(bǔ)熱和后冷條件。

4.3 建立各熱水子系統(tǒng)

利用線性規(guī)劃確定熱水進(jìn)出裝置溫度、熱水流量，利用“夾點(diǎn)”技術(shù)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用換熱器優(yōu)化選型技術(shù)選擇熱水換熱器，利用換熱網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)優(yōu)化的策略，實(shí)現(xiàn)熱水熱量梯級(jí)利用，最大限度降低后冷負(fù)荷，合理安置補(bǔ)熱、后冷、監(jiān)控等。

4.4 熱水網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分析

重點(diǎn)是熱水子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)和調(diào)劑以及事故條件或重大生產(chǎn)改變工況條件下的相互協(xié)調(diào)及策略等。

[1]田純文等.實(shí)現(xiàn)裝置熱聯(lián)合回收利用低溫?zé)?節(jié)能.2003.

[2]楊良玉.高油價(jià)形勢(shì)下煉油企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和對(duì)策[J].當(dāng)代石油石化.2007.