郭 土,胡 丞,張 偉
中國石化煉廠蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀分析
郭 土,胡 丞,張 偉
(中國石油化工股份有限公司 撫順石油化工研究院,遼寧 撫順 113001)
煉廠蒸汽是影響全廠能耗的重要因素,大型煉廠蒸汽消耗巨大,是節(jié)能降耗工作的重點(diǎn)。針對(duì)煉廠雨天蒸汽用量增加的情況,對(duì)蒸汽管網(wǎng)長(zhǎng)度、晴雨天蒸汽用量情況及管網(wǎng)散熱情況進(jìn)行了匯總分析;得出雨天蒸汽消耗增加的原因;提出了三方面的優(yōu)化建議,指導(dǎo)煉油企業(yè)提高蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行水平。
煉廠;蒸汽管網(wǎng);保溫
蒸汽是生產(chǎn)過程中的重要的工藝物流,優(yōu)點(diǎn)是安全、便于傳輸、熱容量大、無污染、價(jià)格低,因此被廣泛應(yīng)用在發(fā)電、煉油、化工、鋼鐵、供暖等工業(yè)生產(chǎn)及民用領(lǐng)域[1-4]。蒸汽是煉廠公用工程中的主要用能部分,并且在全場(chǎng)能耗中的占比很大,是僅次于燃料消耗的第二大用能消耗[5]。大型煉廠的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)是十分復(fù)雜、巨大的,如何將蒸汽設(shè)備的運(yùn)行達(dá)到最優(yōu),合理的產(chǎn)汽、輸汽、用汽是實(shí)現(xiàn)煉油企業(yè)節(jié)能降耗的重要途徑之一[6]。石化企業(yè)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)由產(chǎn)汽、輸汽、用汽、凝結(jié)水回收等幾個(gè)環(huán)節(jié)組成,涉及鍋爐、汽機(jī)、透平、蒸汽加熱設(shè)備、蒸汽管網(wǎng)、機(jī)泵、表面冷凝器、抽真空、霧化等相關(guān)設(shè)備。蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)是煉廠公用工程的核心部分,所承擔(dān)的任務(wù)及責(zé)任也越來越重要[7]。
蒸汽管網(wǎng)是石化企業(yè)中的重要熱力設(shè)備,作用是降低蒸汽品質(zhì)損耗,確保蒸汽能夠安全、穩(wěn)定的送到工藝用汽裝置。實(shí)際生產(chǎn)過程中,正常工況和雨天、冬季工況下,蒸汽輸送在品質(zhì)和數(shù)量上有較大差別,雨天、冬季工況下部分蒸汽管道輸送到裝置內(nèi)的蒸汽品質(zhì)有所降低,輸送量增加。為明確蒸汽管網(wǎng)保溫散熱情況及蒸汽消耗增加的原因,中國石化煉油事業(yè)部組織撫順石油化工研究院開展了蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化專項(xiàng)調(diào)研工作。
通過函調(diào)表的形式統(tǒng)計(jì)各企業(yè)蒸汽系統(tǒng)晴天、雨天/冬季實(shí)際運(yùn)行參數(shù),分析晴天、雨天蒸汽耗量、蒸汽品質(zhì)改變的原因,找出蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行存在的問題。函調(diào)內(nèi)容包含:(1)企業(yè)蒸汽管網(wǎng)整體情況,包括管線名稱、管徑、長(zhǎng)度、蒸汽流量、流速、溫度、壓力、環(huán)境溫度、管線表面溫度、是否使用絕熱管托以及對(duì)應(yīng)的用汽裝置;(2)中壓和低壓蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行情況,包括正常工況及雨天、冬季工況下,產(chǎn)汽裝置產(chǎn)汽溫度、壓力和流量、管徑等,耗汽裝置進(jìn)裝置蒸汽的流量、溫度、壓力以及管徑等。
根據(jù)調(diào)函匯總,27家企業(yè)中壓蒸汽管線總長(zhǎng)度超過200 km,其中中原無中壓管網(wǎng)。不同規(guī)模類型的煉廠中壓蒸汽管網(wǎng)規(guī)模差別較大,中壓蒸汽管線規(guī)模較大的企業(yè)能夠達(dá)到20 km,蒸汽管線規(guī)模較小的企業(yè)總長(zhǎng)度不到1 km。
28家企業(yè)低壓蒸汽管線總長(zhǎng)度近400 km。其中,低壓蒸汽管網(wǎng)規(guī)模最大的企業(yè)管線總長(zhǎng)度超過40 km,低壓蒸汽管網(wǎng)規(guī)模最小的企業(yè)管線長(zhǎng)度不到3 km。
正常工況下,27家企業(yè)中壓蒸汽用量超過6 000 t/h,雨天中壓蒸汽耗量增加274 t/h(雨天數(shù)據(jù)缺失的企業(yè)默認(rèn)耗汽量與晴天耗汽量相同,下同)。絕對(duì)增量方面,某煉廠雨天中壓蒸汽用量增加量最大,達(dá)到69 t/h。相對(duì)增量方面,某煉廠雨天用汽量增加51%。
正常工況下,28家企業(yè)低壓蒸汽用量近5 000 t/h,雨天低壓蒸汽耗量增加271 t/h。絕對(duì)增量方面,某石化企業(yè)雨天低壓蒸汽用量增加量最大,達(dá)到77 t/h。相對(duì)增量方面,某石化企業(yè)雨天用汽量增加60%。
函調(diào)統(tǒng)計(jì),3家單位中壓蒸汽管網(wǎng)沒有雨天蒸汽產(chǎn)、用數(shù)據(jù),中原石化總廠沒有中壓管網(wǎng)。低壓蒸汽管網(wǎng)方面。兩家企業(yè)晴雨天蒸汽溫度、壓力相等,無法計(jì)算晴雨天的散熱損失差別。因此,未將上述5家企業(yè)列入保溫情況計(jì)算范圍。管網(wǎng)散熱量根據(jù)管網(wǎng)進(jìn)出口蒸汽參數(shù)焓差計(jì)算得出,為實(shí)際散熱量,較理論計(jì)算及熱流量計(jì)測(cè)量后的計(jì)算值要準(zhǔn)確。一般認(rèn)為,蒸汽管線雨天散熱量與晴天散熱量之比在1到1.5之內(nèi)表明蒸汽管線保溫情況良好。
23家企業(yè)正常工況(晴天,下同)下中壓蒸汽管網(wǎng)總散熱量超過300 GJ/h,雨天時(shí)增加散熱量為33 GJ/h,增加的散熱量折合中壓蒸汽10 t/h(中壓蒸汽散熱量折合成蒸汽量時(shí)按400 ℃,4.0 MPa蒸汽計(jì)算,下同),總散熱比1.1。其中有兩家企業(yè)全廠雨天散熱量與晴天散熱量之比大于1.5。
23家企業(yè)正常工況下,低壓蒸汽管網(wǎng)總散熱量為300 GJ/h,雨天增加散熱量為74 GJ/h,折合低壓蒸汽超過20 t/h(低壓蒸汽散熱量折合成蒸汽量時(shí)按1.0 MPa,300 ℃蒸汽計(jì)算,下同),總散熱比1.25。其中有六家企業(yè)全廠雨天散熱量與晴天散熱量之比大于1.5。
從管網(wǎng)散熱損失及雨天散熱量與晴天散熱量之比來看,低壓蒸汽管網(wǎng)雨天耗量增加較多,保溫情況不達(dá)標(biāo)的企業(yè)涉及較多,而中壓蒸汽管網(wǎng)整體保溫情況較好,只有兩家企業(yè)不達(dá)標(biāo)。
晴、雨天,冬、夏季用汽裝置蒸汽品質(zhì)及用汽量會(huì)發(fā)生變化,原因有兩方面,一方面是雨天及冬季管網(wǎng)散熱增加,裝置界區(qū)蒸汽參數(shù)變化,蒸汽質(zhì)量降低引起的用汽量的增加,另一方面是裝置用汽需求增加,主要是裝置內(nèi)部相關(guān)設(shè)備或管道雨天及冬季散熱損失增大,導(dǎo)致裝置用汽需求增加。具體原因如下:
(1)管線保溫施工質(zhì)量欠佳
部分管線在保溫施工中質(zhì)量不達(dá)標(biāo),比較常見的情況是保溫材料外殼縱向縫隙分布在管線水平中心線上方,外殼縫隙間隙過大,漿料未充分填滿縫隙,導(dǎo)致雨天雨水的滲入使得保溫效果劇烈降低[8]。
對(duì)于一條公稱直徑300 mm、保溫層厚度200 mm、管內(nèi)蒸汽溫度400 ℃時(shí)的蒸汽管線,經(jīng)過測(cè)算可知裸管散熱量是增加保溫后管線散熱的31.5倍;對(duì)于增加保溫后的蒸汽管線,一個(gè)5 mm的縫隙會(huì)使散熱量在保溫完好的基礎(chǔ)上增加7%。
(2)保溫材料破損,散熱損失超標(biāo)
蒸汽管網(wǎng)保溫保溫材料使用多年,導(dǎo)致管線保溫層外表材料破損的地方較多、接縫開裂及局部管線裸露在外;調(diào)研發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期使用還會(huì)導(dǎo)致保溫材料出現(xiàn)下沉塌陷、上薄下厚的情況,這樣會(huì)造成保溫層的上表面溫度偏高從而使得整體保溫效果變差;使用的保溫材料及采用的保溫結(jié)構(gòu)比較單一,缺少有效的防水措施,保溫材料一旦浸水會(huì)使熱損失成倍的增加[9]。
(3)非絕熱管托散熱損失大
調(diào)研發(fā)現(xiàn)部分蒸汽管線沒有采用絕熱管托,有些管托直接焊接在管線外壁上,管托底部沒有進(jìn)行保溫處理;由相應(yīng)的軟件模擬可知,如果蒸汽管線全部采用非絕熱管托則相當(dāng)于整條蒸汽管線裸露一到兩個(gè)百分點(diǎn),造成不必要的熱量損失。
(4)閥門及法蘭保溫效果差
現(xiàn)場(chǎng)部分閥門的保溫層效果不理想,部分與設(shè)備連接處的法蘭缺少異型保溫,造成散熱損失超標(biāo)。
根據(jù)相關(guān)測(cè)算,每個(gè)保溫完好的閥門散熱損失只有裸露閥門散熱損失的三分之一,而每對(duì)保溫完好的法蘭散熱損失只有裸露法蘭散熱損失的十分之一。
(5)工藝裝置的設(shè)備及罐區(qū)保溫工作不好,冬季及雨天散熱損失增加
部分裝置塔器、換熱器、管道等設(shè)備保溫不好,冬天及雨天散熱損失增加明顯;部分企業(yè)罐區(qū)保溫效果差、缺少必要的維護(hù)措施,造成雨天消耗蒸汽量較多。
(6)蒸汽管線管徑同蒸汽流量不匹配
部分蒸汽管線管徑相對(duì)較大,輸送蒸汽量偏少,這樣由于管內(nèi)蒸汽流速偏低,蒸汽溫度降低較大,造成末端蒸汽品質(zhì)下降嚴(yán)重,部分低壓蒸汽管線甚至?xí)心Y(jié)水產(chǎn)生,不但影響了裝置用汽品質(zhì)還威脅到蒸汽管網(wǎng)的安全運(yùn)行。
28家企業(yè)匯總分析,雨天條件下,有10家企業(yè)的部分煉油裝置低壓蒸汽用量增加較大,另有兩家企業(yè)外銷低壓蒸汽量增加較多。裝置低壓蒸汽用量增加情況如表1所示。
表1 部分煉油裝置低壓蒸汽用量增加情況
晴、雨天,冬、夏季裝置蒸汽用量的波動(dòng)主要是由于輸送管網(wǎng)保溫效果不佳、裝置內(nèi)部相關(guān)設(shè)備或管道散熱損失增大、輸送管道與蒸汽用量不匹配等原因造成。針對(duì)散熱損失增加原因,提出以下三方面建議。
裝置邊界正常溫度偏低,晴雨天散熱量劇增,主要是蒸汽管網(wǎng)保溫效果不好引起,應(yīng)進(jìn)行保溫改造或更換。如
某企業(yè)柴油加氫裝置使用3.5 MPa中壓蒸汽17.6 t/h,在正常天氣條件下,裝置入口蒸汽溫度為378 ℃,壓力為3.4 MPa。在雨天情況下,溫度下降到353 ℃,壓力不變,用汽量增加到17.9 t/h。對(duì)比晴、雨天情況下的產(chǎn)汽品質(zhì),晴天平均產(chǎn)汽溫度為438 ℃,雨天平均產(chǎn)汽溫度為431 ℃,產(chǎn)汽品質(zhì)變化不大,但雨天裝置入口溫度下降較大,為25 ℃。可以認(rèn)為,柴油加氫裝置雨天蒸汽入口溫度下降的主要原因是管網(wǎng)散熱量增加導(dǎo)致的。
建議更換該條管線保溫。管線全長(zhǎng)200 m,直徑DN400。投資約為16萬元。進(jìn)重整裝置的蒸汽溫度為425 ℃,更換保溫后,進(jìn)柴油加氫裝置蒸汽可以提高40 ℃,可減少散熱量2.9 GJ/h,全年減少散熱量折合4 MPa、400 ℃中壓蒸汽0.7萬t。
晴雨及冬夏天,裝置界區(qū)蒸汽參數(shù)變化不大,裝置用汽量大幅度增加,主要是裝置區(qū)工藝管線或設(shè)備保溫不好導(dǎo)致用汽需求增加,需做好工藝管線或設(shè)備保溫。如
某煉油廠加氫裂化裝置使用3.5 MPa中壓蒸汽35 t/h。在正常天氣條件下,裝置蒸汽入口溫度329 ℃,壓力3.58 MPa,焓值3 051 kJ/kg。在雨天情況下,入口溫度上升到356 ℃,壓力為3.47 MPa,焓值為3120 kJ/kg,用汽量為42 t/h。對(duì)比晴、雨天情況下裝置用汽量和用汽品質(zhì)發(fā)現(xiàn),在雨天情況下,裝置入口蒸汽溫度和焓值均有所提高,但用汽量增加20%,主要原因是裝置內(nèi)部設(shè)備和管線保溫不好,導(dǎo)致雨天情況下裝置用汽量增加。
建議排查裝置內(nèi)部保溫情況,更換保溫效果不佳的保溫層。
正常情況下,裝置界區(qū)蒸汽邊界溫度低,流量上升后,蒸汽溫度上升,一般情況都是蒸汽管線管徑過大,蒸汽流速過低引起,也可通過流量計(jì)算復(fù)核驗(yàn)證。對(duì)于蒸汽流速過低引起的蒸汽質(zhì)量低,可通過蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行解決,包括停用蒸汽管網(wǎng),更換管線管徑等。如:
某煉化企業(yè)連續(xù)重整裝置使用3.5 MPa中壓蒸汽7.2 t/h,正常天氣條件下,裝置入口蒸氣溫度為387 ℃,壓力為3.38 MPa。在雨天條件下,入口溫度為385 ℃,壓力為3.35 MPa,用汽量為7.4 t/h。晴天全廠中壓產(chǎn)汽平均溫度為439.6℃,雨天為439.2 ℃。對(duì)比晴、雨天蒸汽產(chǎn)、用情況發(fā)現(xiàn),產(chǎn)汽品質(zhì)變化不大,裝置蒸汽入口溫度下降較小,說明管線保溫情況較好。但是相比于平均產(chǎn)汽溫度,裝置入口蒸汽溫度較低,相差約52 ℃。該條管線從焦化裝置至連續(xù)重整裝置,全長(zhǎng)400 m,管徑DN250,蒸汽進(jìn)焦化裝置溫度為422 ℃,進(jìn)連續(xù)重整裝置溫度為385 ℃。蒸汽溫度下降較大的原因是蒸汽在該條管線中的流速過低,僅為3.7 m/s,遠(yuǎn)低于經(jīng)濟(jì)流速,造成蒸汽進(jìn)連續(xù)重整裝置的溫度過低。
建議對(duì)2#焦化至連續(xù)重整管線進(jìn)行優(yōu)化,合理匹配管徑與蒸汽流量,使蒸汽在管道中的流速處在合理范圍內(nèi)。
本文為明確中國石化下屬煉廠蒸汽管網(wǎng)保溫散熱情況及雨天蒸汽消耗增加的原因,對(duì)蒸汽管網(wǎng)長(zhǎng)度、晴雨天蒸汽用量情況及管網(wǎng)散熱情況進(jìn)行了匯總分析;得出了雨天蒸汽消耗增加的原因;提出了三方面的優(yōu)化建議,對(duì)煉油企業(yè)提高蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行水平具有良好的指導(dǎo)意義。
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Analysis on the Operation of Steam Pipe Network in a Sinopec Refinery
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(Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemical, Sinopec, Liaoning Fushun 113001,China)
Steam is an important factor affecting the energy consumption of refinery, refinery's steam consumption is huge, is the focus of energy saving. In the light of the increase of refinery's steam consumption in rainy days, the length of steam pipe network, amount of steam consumption in rainy days and sunny days, heat dissipation of the pipe network were summarized and analyzed. The reasons causing the increase of steam consumption in rainy days were determined. Three optimization suggestions were put forward to improve the operation level of steam pipeline network in refining enterprises.
Refinery;Steam pipe network; Heat preservation
TQ460.32
A
1671-0460(2017)10-2145-04
中石化總部課題,項(xiàng)目號(hào):CLY16063。
2017-08-14
郭土(1986-),男,山東濱州市人,助理工程師,碩士,2014年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)熱能工程專業(yè),研究方向:從事煉廠節(jié)能技術(shù)工作。E-mail:guotu.fshy@sinopec.com。