在線調(diào)合成品柴油密度分層原因分析及措施

（中國石油化工股份有限公司 金陵分公司，江蘇 南京 210033）

中國石油化工股份有限公司金陵分公司 （以下簡稱金陵分公司）生產(chǎn)裝置現(xiàn)有原油綜合加工能力18 Mt/a，目前生產(chǎn)的柴油規(guī)格主要為0#柴油，具體分為國Ⅵ柴油、出口柴油和輕質(zhì)燃料油3個(gè)品種。根據(jù)金陵分公司儲(chǔ)運(yùn)部成品工區(qū)月技術(shù)報(bào)表統(tǒng)計(jì)，2018年應(yīng)用柴油在線調(diào)合系統(tǒng)完成柴油調(diào)合總量約4.39 Mt，出廠總量約4.143 Mt。已有應(yīng)用情況表明，柴油在線調(diào)合系統(tǒng)不僅可以節(jié)能降耗、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能夠極大提高生產(chǎn)效率，減少調(diào)合質(zhì)量過剩，即在質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)調(diào)合頭產(chǎn)品質(zhì)量與質(zhì)量指標(biāo)的過剩量最小［1-5］。同時(shí)，柴油在線調(diào)合系統(tǒng)也存在一定的不足，主要表現(xiàn)為，①在工藝上還沒有實(shí)現(xiàn)所有組分油均可進(jìn)行在線調(diào)合，造成間斷性收某一組分油的現(xiàn)象。②調(diào)合總管總流量遠(yuǎn)小于混合器的額定流量，各組分油在混合器內(nèi)的湍流強(qiáng)度較弱，混合效果較差，調(diào)合后的成品油需進(jìn)行循環(huán)作業(yè)以防止密度分層，從而延長了成品油的出廠周期，并增加了油品的大、小呼吸損耗(大呼吸損耗是儲(chǔ)油罐收發(fā)油作業(yè)中產(chǎn)生的油品蒸氣損失，即工作損耗；小呼吸損耗是儲(chǔ)油罐內(nèi)氣體空間溫度和油氣濃度的晝夜變化而引起的油品損耗，即靜止損耗)。文中對(duì)在線調(diào)合系統(tǒng)進(jìn)行介紹，分析成品柴油密度分層原因，提出改進(jìn)措施。

1 柴油在線調(diào)合系統(tǒng)簡介

1.1 工藝流程

金陵分公司柴油在線調(diào)合系統(tǒng)分為1#和2#調(diào)合總管，1#調(diào)合總管目前用于調(diào)合國Ⅵ柴油和輕質(zhì)燃料油，2#調(diào)合總管用于調(diào)合國Ⅵ柴油和出口柴油，柴油在線調(diào)合系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 柴油在線調(diào)合系統(tǒng)工藝流程

柴油調(diào)合系統(tǒng)的組分油供應(yīng)來自I加氫裂化、渣油和蠟油加氫、Ⅱ柴油加氫、Ⅲ柴油加氫、Ⅳ柴油加氫及加氫2#付出線等煉油裝置工藝管道。確定目標(biāo)成品油的品種和數(shù)量后，根據(jù)油品的技術(shù)要求確定調(diào)和組分及其配比，根據(jù)成品油的數(shù)量確定抗磨劑、抗靜電劑及十六烷值改進(jìn)劑的數(shù)量，調(diào)節(jié)工藝管線進(jìn)油，通過在線加劑系統(tǒng)加劑，在靜態(tài)混合器中完成組分油與添加劑的混合，調(diào)和均勻的油品進(jìn)入儲(chǔ)罐。柴油在線調(diào)合系統(tǒng)通過近紅外分析儀、硫含量分析儀和整套加劑設(shè)施進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、實(shí)時(shí)控制和修正，可最大程度減少調(diào)合質(zhì)量過剩［6-8］。

1.2 核心設(shè)備

靜態(tài)混合器是油品調(diào)和的場(chǎng)所和關(guān)鍵設(shè)備。柴油在線調(diào)合系統(tǒng)所用的靜態(tài)混合器為南通市旺達(dá)石化工程股份有限公司生產(chǎn)，產(chǎn)品型號(hào)為SWX400-2.5-3000AB，公稱壓力 2.5 MPa，額定體積流量800 m3/h，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 柴油在線調(diào)合系統(tǒng)靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)示圖

該混合器主要由7組混合單元構(gòu)成，每組混合單元的長度與管道直徑相同，均為400 mm，相鄰2組混合單元成90°安裝，其中每組混合單元由24個(gè)厚度為3 mm的板片組成，每個(gè)板片的安裝與管道軸線成45°。其工作原理為，各組分油和添加劑在靜態(tài)混合器內(nèi)部受到混合單元板片的阻擾，經(jīng)過分散、剪切、重新定向產(chǎn)生湍流，從而達(dá)到充分混合的效果［9-11］。

2 柴油在線調(diào)合系統(tǒng)使用情況

2.1 存在問題

應(yīng)用柴油在線調(diào)合系統(tǒng)后，產(chǎn)品的磨痕直徑、電導(dǎo)率、十六烷值等指標(biāo)合格率基本達(dá)到100%。在線調(diào)合系統(tǒng)相對(duì)線下調(diào)和表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)，主要包括節(jié)約能耗、降低了人工加劑的勞動(dòng)強(qiáng)度、最大程度減少了質(zhì)量過剩及提高了調(diào)合油品的工作效率和產(chǎn)品合格率。在線調(diào)合系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中暴露的問題主要是密度分層。

按照金陵分公司油品密度分層取樣分析方法，從調(diào)合后儲(chǔ)罐上、中、下、底4個(gè)部位采集油樣，將上、中、下部位的樣品組成一個(gè)混合樣與底樣進(jìn)行密度分析對(duì)比。2個(gè)數(shù)據(jù)需要同時(shí)滿足該種油品的密度指標(biāo)，以兩者密度差不大于1.0 g/L為密度合格，否則為密度分層。

2018-01～2018-06成品調(diào)合柴油儲(chǔ)罐密度分層采樣分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。由表1看出，油品密度分層現(xiàn)象計(jì)算比例在1月份達(dá)最大，達(dá)到了7.3%；5月份最小，也有 2.1%。

表1 2018-01～2018-06成品調(diào)合柴油儲(chǔ)罐密度分層采樣分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2.2 采取措施

按照柴油在線調(diào)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)調(diào)和總管背壓可以消除油品密度分層。調(diào)合總管背壓調(diào)節(jié)原理見圖3。調(diào)節(jié)調(diào)合總管中的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，并設(shè)定一個(gè)壓力進(jìn)行串級(jí)（CAS狀態(tài)）控制，使1#和2#柴油調(diào)合總管壓力維持在0.25～0.30 MPa（通過實(shí)踐確定壓力范圍），各組分油輸送裝置不存在憋壓現(xiàn)象，且密度分層的發(fā)生頻率較低。這種調(diào)節(jié)方式的作用原理為，通過提高總管背壓提高總管內(nèi)的壓力來增加管道阻力，增加各組分油在混合器內(nèi)的滯留時(shí)間，強(qiáng)化湍流程度，使組分油與組分油、組分油與添加劑之間充分混合，降低密度分層現(xiàn)象發(fā)生比例，提高一次調(diào)油合格率。

圖3 調(diào)合總管背壓調(diào)節(jié)原理示圖

通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，提高調(diào)合總管壓力雖然有一定效果，但密度分層現(xiàn)象還是會(huì)發(fā)生，管道阻力增大，加劑系統(tǒng)中加劑泵密封或法蘭處密封易損壞，并出現(xiàn)大量泄漏等問題。

成品油出現(xiàn)密度分層，通常的處理措施是將油罐進(jìn)行循環(huán)作業(yè)或者靜置一段時(shí)間，最后采樣分析合格后才準(zhǔn)許出廠。密度分層不僅會(huì)嚴(yán)重影響出廠周期，而且還會(huì)增加勞動(dòng)強(qiáng)度和能耗。為確保每罐成品油質(zhì)量合格，對(duì)調(diào)合后的油罐均進(jìn)行循環(huán)4～8 h操作，待循環(huán)結(jié)束后，靜置2 h后采樣分析。

在2019年的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，循環(huán)作業(yè)后的成品油再未出現(xiàn)密度分層，但是機(jī)泵的能耗以及油品的損耗量極大提高，也增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。2019-01～2019-10機(jī)泵循環(huán)耗電量統(tǒng)計(jì)見表2，月均耗電量約為24 065.8 kW·h。

表2 2019-01～2019-10機(jī)泵循環(huán)耗電量統(tǒng)計(jì)

3 調(diào)和柴油密度分層原因分析及建議措施

3.1 管總流量過小

柴油在線調(diào)合系統(tǒng)中靜態(tài)混合器的額定體積流量為800 m3/h，而實(shí)際生產(chǎn)過程中裝置輸送過來的各組分油 （Ⅰ加氫裂化柴油、Ⅲ柴油加氫柴油、Ⅳ柴油加氫柴油）進(jìn)入調(diào)合總管的總體積流量一般在400～500 m3/h，僅占額定體積流量的50%～62.5%，造成各組分油在混合器內(nèi)的湍流強(qiáng)度較弱，混合效果較差。另外，靜態(tài)混合器內(nèi)壓力隨著調(diào)合過程中成品油儲(chǔ)罐液位升高而出現(xiàn)逐步上升，導(dǎo)致了混合過程的不穩(wěn)定、混合效果差以及油品密度易分層。針對(duì)這個(gè)問題，結(jié)合實(shí)際情況提出2種設(shè)備改進(jìn)方案。

3.1.1 混合器并聯(lián)方案

參考中石化上海工程有限公司研發(fā)的可調(diào)式靜態(tài)混合器［12-13］，將3個(gè)不同體積流量的靜態(tài)混合器進(jìn)行并聯(lián)，代替目前在用的800 m3/h混合器，并聯(lián)方案見圖4。1#、2#和3#混合器額定體積體積流量分別為 300 m3/h、200 m3/h、300 m3/h，當(dāng)總管體積流量為200～300 m3/h時(shí)，啟用1#或3#混合器;當(dāng)總管體積流量為300～500 m3/h時(shí)，啟用1#（或3#）混合器和2#混合器;當(dāng)總管體積流量為500～800 m3/h時(shí)，3個(gè)混合器全部啟用。此方案可針對(duì)調(diào)合總管不同體積流量啟用相應(yīng)混合器組合，使混合器盡可能在額定體積流量工況下運(yùn)行，使各組分油在混合器內(nèi)達(dá)到良好混合效果。

圖4 調(diào)合總管中混合器并聯(lián)示圖

3.1.2 混合器并聯(lián)變頻泵方案

調(diào)合總管中混合器并聯(lián)變頻泵方案見圖5，給混合器并聯(lián)1個(gè)變頻泵，構(gòu)成1個(gè)閉環(huán)回路。通過變頻泵在線實(shí)時(shí)調(diào)控混合器入口的組分油流量，使混合器入口流量滿足靜態(tài)混合器的額定流量，從而使各組分油在靜態(tài)混合器內(nèi)達(dá)到較好的混合效果。

圖5 調(diào)合總管中混合器并聯(lián)變頻泵示圖

3.2 組分油密度波動(dòng)

來料組分油（Ⅰ加氫裂化柴油、Ⅲ柴油加氫柴油、Ⅳ柴油加氫柴油）存在密度波動(dòng)現(xiàn)象，且密度波動(dòng)幅度不小于1‰。長期觀察表明，Ⅰ加氫裂化柴油密度較大，且波動(dòng)的頻率較高。這種情況導(dǎo)致的密度分層，目前僅通過調(diào)油結(jié)束后的循環(huán)作業(yè)進(jìn)行改善。

針對(duì)這個(gè)問題，需要提高各組分油所屬裝置的生產(chǎn)穩(wěn)定性，并進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度。對(duì)裝置和調(diào)合系統(tǒng)需要同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控組分油密度變化，并設(shè)定在線監(jiān)測(cè)報(bào)警，按照密度波動(dòng)幅度大于等于1‰設(shè)定系統(tǒng)報(bào)警值，密度波動(dòng)幅度大于等于1‰時(shí)將該組分油臨時(shí)性轉(zhuǎn)入不合格罐，待密度穩(wěn)定之后再轉(zhuǎn)入調(diào)合系統(tǒng)，從而提高一次調(diào)油的合格率，縮短出廠周期，并降低能耗和勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.3 間斷性收某一組分油

由于組分油之間存在密度差，間斷性收某一組分油后，會(huì)直接引起組分油配比在管道調(diào)合過程中的大幅變化并導(dǎo)致所調(diào)成品油密度變化，造成成品油儲(chǔ)罐密度分層。

按照目前的工藝流程，Ⅱ加氫裂化柴油組分油無法直接進(jìn)入調(diào)合系統(tǒng)，而是進(jìn)入一個(gè)備用罐，待調(diào)油時(shí)用機(jī)泵將所需該組分油配方量從備用罐中一次性倒入調(diào)合系統(tǒng)中，從而造成Ⅱ加氫裂化柴油間斷性進(jìn)入調(diào)合系統(tǒng)。對(duì)于這種情況造成的密度分層，目前僅通過調(diào)油結(jié)束后進(jìn)行循環(huán)作業(yè)改善。

解決此問題的長遠(yuǎn)之策，需要從提高調(diào)合系統(tǒng)的自動(dòng)化程度入手，進(jìn)行工藝流程優(yōu)化，將Ⅱ加氫裂化柴油組分油管線接入調(diào)合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有組分油的在線連續(xù)性調(diào)合，使所調(diào)合的油品不易出現(xiàn)密度分層，提高一次調(diào)油合格率，并減少質(zhì)量過剩。

3.4 其他原因

還有一種情況，調(diào)合總管內(nèi)的油與前期罐底油存在密度差，即油罐底部原本存在密度較大的油品，而調(diào)和總管來的上層油品的密度又較小，加之調(diào)合總管收油罐在收油過程中對(duì)罐底油擾動(dòng)不夠充分。這種情況下，由于油品自身輕重組分分布不均，油罐內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)密度分層［14-15］。但這種輕重油品的分布沒有一定的規(guī)律可循，而且其發(fā)生的概率極低，采取的措施是在調(diào)油結(jié)束之后進(jìn)行循環(huán)作業(yè)。

4 結(jié)語

對(duì)目前柴油在線調(diào)合系統(tǒng)所得調(diào)合成品油出現(xiàn)的密度分層現(xiàn)象進(jìn)行原因分析。針對(duì)調(diào)合總管總體積流量小于混合器的額定體積流量引起的密度分層，提出從設(shè)備的角度考慮采取將3個(gè)不同體積流量 （額定體積流量為300 m3/h、200 m3/h、300 m3/h）的混合器進(jìn)行并聯(lián)，或者混合器與變頻泵進(jìn)行并聯(lián)，從而使各組分油在靜態(tài)混合器內(nèi)達(dá)到較好的混合效果。針對(duì)裝置輸送的組分油密度波動(dòng)引起的密度分層，提出進(jìn)一步提高裝置和調(diào)合系統(tǒng)本身的自動(dòng)化程度，安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)控組分油密度變化情況。針對(duì)間斷性收Ⅱ加氫裂化柴油引起的密度分層，提出從工藝角度將Ⅱ加氫裂化柴油管線接入在線調(diào)合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有組分油在線連續(xù)性調(diào)合。針對(duì)調(diào)合總管內(nèi)的油與前期罐底油存在密度差引起的密度分層，提出采樣分析密度分層后進(jìn)行循環(huán)作業(yè)。