常減壓裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化研發(fā)和應(yīng)用

馬慧麗

（鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司，浙江 寧波 315200）

某石化公司對150萬t/a一常裝置進行技術(shù)改造，按照輕質(zhì)原油改造設(shè)計，采用常規(guī)普通換熱模式，原油換熱終溫偏低，裝置能耗和運行成本高。因此在裝置設(shè)計階段，對比普通換熱器方案和高效換熱器方案，從換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和減少裝置整體能耗、占地、投資等角度考慮，將原改造方案中的脫后原油換熱網(wǎng)絡(luò)和初底油換熱網(wǎng)絡(luò)改用高效換熱器，提高裝置整體經(jīng)濟效益。

該裝置于2016年5月一次投料試車成功，生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，這也是該類型高效換熱器在常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)的首次全面應(yīng)用。

1 高效換熱器技術(shù)特點

高效換熱器因其高效節(jié)能的特性已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煉油、化工、空分、LNG、醫(yī)藥、軍工等多個領(lǐng)域。圖1為高效換熱器的典型外形結(jié)構(gòu)，與普通換熱器相比，高效換熱器由于其內(nèi)部特殊緊湊的換熱芯體結(jié)構(gòu)，換熱效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)普通換熱器無法達到的熱端溫差；其抗垢性能強，管殼程不易發(fā)生堵塞；且1臺多股流高效換熱器內(nèi)，可實現(xiàn)殼程原油與多種管程物料同時換熱，簡化換熱流程。以上設(shè)備特點為常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化工作提供了技術(shù)保障。

圖1 2股流高效換熱器的典型外形結(jié)構(gòu)

2 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

2.1 原改造方案

150萬t/a一常裝置原改造工藝設(shè)計煉制文昌原油（847 kg/m3），采用初餾塔+常壓塔工藝，常底重油為催化裂解裝置供料。換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案皆采用傳統(tǒng)列管換熱器，數(shù)量較多，脫前原油換熱網(wǎng)絡(luò)約有12臺普通換熱器，脫后原油換熱網(wǎng)絡(luò)約有14臺普通換熱器，初底油換熱網(wǎng)絡(luò)約有3臺普通換熱器，配管復(fù)雜，占地面積大；傳統(tǒng)列管式換熱器換熱效率低，設(shè)計初底油去常壓爐的換熱終溫為292.5℃。

2.2 高效換熱器優(yōu)化方案

由于裝置規(guī)模較小，根據(jù)原設(shè)計方案，換熱網(wǎng)絡(luò)全部采用普通列管換熱器，能耗較高。通過與業(yè)主、設(shè)計院的溝通交流，在原換熱網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，我公司用流程模擬軟件模擬出高效換熱器應(yīng)用環(huán)境下的換熱流程，通過組合分配，得出最優(yōu)化方案提高換熱終溫，降低裝置能耗，建立了目前常減壓領(lǐng)域里全新的換熱網(wǎng)絡(luò)。

（1）由于脫前原油雜質(zhì)和泥垢較多，業(yè)主擔(dān)憂即便是高效換熱器也容易發(fā)生堵塞，因此業(yè)主決定保留脫前原油普通換熱器換熱網(wǎng)絡(luò)方案，其他原油換熱全部采用高效換熱器換熱流程方案。

（2）優(yōu)化方案中存在四個非變量：脫前換熱網(wǎng)絡(luò)溫度不變、脫后原油進初餾塔溫度不變、初底油進常壓塔溫度不變以及所有熱流介質(zhì)的起始和最終溫度不變。由于能量守恒，在熱流流量和溫度不改變的情況下無法提高原油換熱終溫，只能額外引入公用工程熱源。若是對全部換熱網(wǎng)絡(luò)進行改造，在夾點溫度下引入公用工程加熱器的設(shè)計違反了夾點技術(shù)基本設(shè)計原則。但由于脫前換熱網(wǎng)絡(luò)未參與優(yōu)化，可以從閾值理論來論述低原油溫度下引入公用工程加熱器的合理性，因此在電脫鹽罐出口處增加一臺蒸汽預(yù)熱器預(yù)熱原油進高效換熱器的溫度。隨著原油進換熱器溫度的提高，對換熱器的換熱苛刻度要求也隨之提高，普通換熱器無法達到設(shè)計要求，更能體現(xiàn)高效換熱器的換熱性能。且一般在相同能耗條件下，低壓蒸汽價格低于燃料油價格，能耗費用降低。

（3）根據(jù)高效換熱器的技術(shù)特點，對整體換熱網(wǎng)絡(luò)進行整合再分配。此設(shè)計的核心和難點就是換熱介質(zhì)的匹配度：冷流與多股不同熱流在熱負荷、進出口溫度和流量等因素上進行調(diào)節(jié)匹配，這直接關(guān)系著設(shè)備設(shè)計的可行性以及合理性。

我們經(jīng)過多次模擬、調(diào)試原油與常底重油、常三線、常二中等各熱物流在換熱過程中的中間溫位匹配度，以及調(diào)試后的設(shè)備設(shè)計可行性，最終用3臺多股流高效換熱器E204（初底油-常三線、常底換熱器）、E209（脫后原油換熱器Ⅰ）、E211（脫后原油換熱器Ⅱ）替換了脫后原油換熱網(wǎng)絡(luò)和初底油換熱網(wǎng)絡(luò)中15臺普通換熱器，如圖2、圖3。在這3臺換熱器內(nèi)，殼程原油與2～3股管程熱流同時換熱，從根本上減少了換熱器數(shù)量和裝置占地面積，簡化了設(shè)備配管工作。

圖2 E209和E211現(xiàn)場照片

圖3 E204現(xiàn)場照片

（4）通過上述設(shè)計整合，最終設(shè)計初底油去常壓爐溫度從292.5℃提高至297.5℃。

普通換熱方案和高效換熱器優(yōu)化方案對比見表1。

表1 方案對比

3 換熱網(wǎng)絡(luò)運行效果

3.1 標(biāo)定數(shù)據(jù)

該裝置在2016年5月16日及6月15日分別進行兩次滿負荷標(biāo)定，由于這是多股流高效換熱器在常減壓領(lǐng)域首套換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案的實施裝置，故對其運行效果重點關(guān)注。標(biāo)定期間，設(shè)備運行良好，滿足設(shè)計要求，換熱終端關(guān)鍵數(shù)據(jù)見表2。

表2 換熱終端關(guān)鍵溫度

標(biāo)定數(shù)據(jù)顯示，采用新的換熱網(wǎng)絡(luò)模組形式，初底油的換熱終溫實際應(yīng)用效果為305℃，比初版普通換熱器改造方案的換熱終溫提高了約12.5℃。根據(jù)標(biāo)定結(jié)果核算裝置能耗，150萬t/a一常裝置在使用高效換熱器優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)后，在換熱終溫方面實際節(jié)約燃料消耗約640萬元/a，為裝置創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益。

3.2 長周期運行

截止目前，該裝置已投用32個月，期間共經(jīng)歷兩次開停工，3臺高效換熱器運行良好。

（1）圖4為裝置2018年初底油換熱終溫趨勢圖，裝置負荷長期處于110%，換熱終溫一般在300℃～315℃之間，優(yōu)于設(shè)計要求。根據(jù)2018年12月停工前均溫在313.7℃計算，換熱終溫方面實際節(jié)約燃料消耗約1173.2萬元/a，大大降低裝置能耗。相較于一般加工輕質(zhì)原油且無減壓流程的原油分餾裝置，該裝置已處于較為先進的水平。

（2）高效換熱器運行平穩(wěn)，大大降低了裝置對設(shè)備在運行期間的操作調(diào)節(jié)工作以及檢修維保費用。

根據(jù)目前裝置的實際運行和維護情況，該3臺設(shè)備的投資成本不到一年就已經(jīng)完全收回，并在節(jié)能和設(shè)備免維護上繼續(xù)為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

圖4 2018年初底油換熱終溫趨勢圖

4 結(jié)語

（1）根據(jù)長周期實際運行情況，采用3臺高效換熱器初底油去常壓爐溫度在300℃～315℃之間，每年以巨大的節(jié)能經(jīng)濟效益為企業(yè)節(jié)能降耗做出貢獻。

（2）150萬t/a一常改造裝置的良好穩(wěn)定運行，成為高效換熱器優(yōu)化常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)、降低裝置能耗、提高裝置經(jīng)濟效益的典型案例；取代了原先需要多臺原油與單一介質(zhì)換熱的單股流普通換熱器，從根本上減少了換熱器數(shù)量，降低設(shè)備投資，節(jié)省裝置的占地面積，簡化現(xiàn)場配管、操作等工作，也減少了許多普通換熱器因泄漏堵塞而引起的維護工作；證明高效換熱器優(yōu)化常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效果不僅局限于理論可行性，可在眾多常減壓裝置推廣應(yīng)用。