煉油企業(yè)低溫熱系統(tǒng)集成與優(yōu)化

黃明富

（中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京 100083）

煉油企業(yè)既是能源生產(chǎn)大戶也是能耗大戶，盡管近年來開展了大量節(jié)能工作，煉油綜合能耗不斷下降，但隨著節(jié)能工作的持續(xù)與深入，節(jié)能空間越來越小，節(jié)能邊際效益逐步降低；另外產(chǎn)品質量升級逐步展開，加工鏈不斷延伸，增加了新的能耗，部分企業(yè)能耗不降反升。目前，我國常減壓、催化裂化等部分裝置能耗已處于國際先進水平；在新技術應用、公用工程系統(tǒng)優(yōu)化等方面也投入了大量的精力，但低溫熱的優(yōu)化利用仍處于薄弱環(huán)節(jié)。

通常將未被工藝過程直接利用，但在當前技術經(jīng)濟條件下仍具有利用價值的高于環(huán)境溫度的低品位熱量稱為低溫熱。例如產(chǎn)品、分餾塔頂油氣、中段循環(huán)油、蒸汽凝結水等，與工藝物流換熱后剩余熱量不能再被工藝過程所直接利用，同時還需采用空冷器或循環(huán)水冷卻，但能通過熱媒介質如除鹽水或除氧水回收后集成用于低溫位的熱阱。煉油企業(yè)低溫熱的溫度范圍一般為70～150 ℃。

對國內十余家煉油企業(yè)低溫熱進行統(tǒng)計，對于加工量為5 Mt/a 的煉廠，低溫熱負荷約為60～100 MW，目前有效利用率僅為30%～70%，尤其是夏季利用率普遍不高，節(jié)能潛力巨大。為提高低溫熱的有效利用率，國內技術人員從利用方式、系統(tǒng)優(yōu)化策略、優(yōu)化利用技術等方面進行了大量研究[1-5]，取得顯著成果。但是面對更為緊張的能源環(huán)境、更為苛刻的環(huán)保政策以及能量系統(tǒng)優(yōu)化的新格局，必須以新的眼光重新對低溫熱進行系統(tǒng)集成與優(yōu)化。

1 低溫熱利用現(xiàn)狀分析

1.1 低溫熱源、熱阱特點

煉油企業(yè)低溫熱源主要包括工藝物流如塔頂油氣、中段循環(huán)、側線產(chǎn)品、塔底產(chǎn)品、蒸汽凝結水和煙氣等。低溫熱負荷較大的有催化裂化、加氫裂化、延遲焦化、常減壓、制氫、溶劑脫瀝青等裝置。低溫熱源的特點為量大、分散、溫位低，隨工藝過程用能改進、換熱網(wǎng)絡優(yōu)化、設備能效提高而減少，其中蒸汽凝結水攜帶的低溫熱冬季遠大于夏季。

煉油企業(yè)低溫熱阱主要包括生產(chǎn)類熱阱和生活類熱阱，生產(chǎn)類熱阱如輕烴分離裝置再沸器、裝置進料、生水、除鹽水等加熱場所，原油、中間原料和成品油罐區(qū)維溫，管線伴熱、溴化鋰吸收式制冷、熱泵、低溫熱發(fā)電等動力物流；生活類熱阱如廠區(qū)和生活區(qū)采暖水、洗浴水等加熱場所。相比低溫熱源，低溫熱阱更具有分散性，區(qū)域跨度更大，負荷隨季節(jié)性變化更加明顯。

1.2 低溫熱利用的主要問題

（1）部分低溫熱源難于取出。例如加氫裝置反應產(chǎn)物和制氫裝置中變氣溫位高、熱量大，是理想的低溫熱源；但這些物流壓力高、硫含量和氫氣濃度高，回收新增換熱器成本高，投資回報率低，并且存在換熱器泄露、腐蝕等安全隱患。

（2）低溫熱源負荷大于熱阱需求。國內煉油企業(yè)面臨一個普遍問題是低溫熱源負荷大于熱阱需求，夏季尤為突出。大量的低溫熱取出后找不到合適的熱阱，只能通過空冷或水冷冷卻。

（3）低溫熱阱負荷冬季大于夏季。冬季低溫熱阱負荷較夏季負荷大的多，主要表現(xiàn)在采暖、部分油品管線伴熱、罐區(qū)維溫為季節(jié)性熱阱，生水和除鹽水加熱負荷受季節(jié)影響也較大。

（4）距離長難以輸送。低溫熱系統(tǒng)通常會采用熱媒介質如除鹽水或除氧水來集成熱源的熱量，再將攜帶的熱量分配給各個熱阱用戶。由于熱媒介質溫度和壓力都不高，輸送距離很難長遠，否則需要加強保溫與提高泵出口壓力，經(jīng)濟上不合理。

（5）低溫熱系統(tǒng)分散，缺乏集成。部分企業(yè)低溫熱系統(tǒng)存在隨機匹配的現(xiàn)象，一般本著就近，熱源與熱阱匹配相對單一的原則，通常兩、三個熱源和熱阱就構成一個低溫熱系統(tǒng)。有的企業(yè)同時有七、八個低溫熱系統(tǒng)在運行，例如催化裂化裝置產(chǎn)生的低溫熱只送往氣體分餾裝置，各裝置產(chǎn)生的低溫熱只用于該裝置油品管線伴熱和辦公區(qū)域采暖等。

2 低溫熱利用途徑及評價

2.1 同級利用

2.1.1 輕烴裝置加熱

氣體分餾、烷基化和MTBE等裝置的原料和部分分餾塔底再沸器加熱，這些低溫熱阱由于負荷穩(wěn)定、量大，且溫位較低，是煉油企業(yè)應優(yōu)先考慮利用的低溫熱阱，熱量利用效率高，效益顯著。

2.1.2 生水除鹽水預熱

企業(yè)熱電站產(chǎn)汽用的給水預熱，包括兩個溫度段：1）生水預熱，自水源溫度加熱到除鹽操作溫度，一般為5～35 ℃；2）除鹽水預熱，自除鹽溫度加熱到除氧前的某一溫度。生水和除鹽水預熱負荷大且隨季節(jié)變化不大，溫位較低尤其是生水預熱，是煉油企業(yè)非常重要的低溫熱阱，熱量利用效率高，效益顯著。

2.1.3 油品罐區(qū)維溫

原油、中間原料和成品油罐為防止凍凝需要維持在一定的溫度范圍內，一般原油罐區(qū)溫度維持在20～40 ℃，中間原料罐溫度維持在50～90 ℃。罐區(qū)維溫通常采用內置盤管加熱的方式來實現(xiàn)，也可通過在油品進罐前設置加熱器的方式。油品罐區(qū)維溫負荷普遍不大，且受季節(jié)影響，重油罐區(qū)維溫溫度較高，低溫熱通常難于滿足；油品罐區(qū)分散，區(qū)域跨度較大，利用低溫熱進行油品罐區(qū)維溫應詳細分析經(jīng)濟可行性。

2.1.4 裝置油品管線伴熱

裝置油品管線伴熱熱阱負荷受季節(jié)影響明顯，冬季負荷遠大于夏季，部分油品管線夏季甚至不需要伴熱。因冬季伴熱負荷大，采用低溫熱替代蒸汽進行伴熱通常具有明顯的節(jié)能效果；但管線伴熱熱源由蒸汽改為低溫熱改造工程量較大。另外，重油管線溫度高，采用低溫熱伴熱難于滿足。

2.1.5 采暖水加熱

生活區(qū)和辦公區(qū)采暖水為循環(huán)使用，溫度一般為50～75 ℃，采暖水加熱負荷巨大，溫位較低，是理想的低溫熱阱，但嚴重受制于季節(jié)，一般采暖季只有4～6個月，低溫熱利用效率為30%～50%。利用低溫熱加熱生活區(qū)采暖水應同時考慮輸送距離、管線散熱，詳細分析經(jīng)濟可行性。

2.2 升級利用

2.2.1 熱泵

利用熱泵需要從系統(tǒng)全局考慮，只有將全局夾點以下溫位的熱量升級為全局夾點以上溫位的熱量，效果才更加明顯，如圖1，否則公用工程的消耗不會減少。目前，國內煉油企業(yè)低溫熱采用熱泵升溫利用案例較少，部分企業(yè)氣體分餾裝置采用熱泵將丙烯塔頂物流升溫作為塔底再沸器熱源，部分企業(yè)利用熱泵產(chǎn)生0.3 MPa的蒸汽，效益比較顯著。

圖1 熱泵經(jīng)濟應用

2.2.2 制冷

煉油企業(yè)低溫熱制冷主要采用溴化鋰吸收的方式，產(chǎn)生約7 ℃的冷凍水，通常機組熱效率可達到70%～80%，冷凍水一是用于生產(chǎn)過程，如降低催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的吸收塔頂溫度、氣體分餾裝置的丙烯塔頂溫度，多回收輕烴，取代乙二醇裝置蒸汽制冷等；二是作為辦公區(qū)中央空調的冷源節(jié)約用電。利用低溫熱驅動溴化鋰制冷用于中央空調具有季節(jié)性，且機組會消耗大量的循環(huán)水，需要綜合考慮循環(huán)水廠的能力，在夏季低溫熱源過剩時，可以考慮使用。

2.2.3 發(fā)電

低溫熱發(fā)電有兩種方式，一是熱水擴容，二是有機朗肯循環(huán)或卡琳娜循環(huán)，但是由于低溫熱溫度不高，用于發(fā)電的效率通常只有7%～12%。目前熱水擴容發(fā)電已經(jīng)很少使用。有機朗肯循環(huán)需要熱水溫度達到120 ℃以上經(jīng)濟上才較為合理。

綜上，低溫熱利用的優(yōu)先級通常為輕烴裝置加熱、生水除鹽水加熱、采暖水加熱、制冷用于工藝、油品罐區(qū)維溫、油品管線伴熱、制冷用于中央空調、有機朗肯發(fā)電、熱泵和熱水擴容發(fā)電。

3 低溫熱利用策略

3.1 系統(tǒng)優(yōu)化

按照“三環(huán)節(jié)”能量流結構模型，低溫熱利用屬于能量回收環(huán)節(jié)，與能量轉化環(huán)節(jié)和能量利用環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密。在此基礎上，陳清林等人[6]本著從裝置和局部到系統(tǒng)全局的思想，又提出了石化企業(yè)分段遞進式協(xié)同優(yōu)化策略，流程見圖2。

圖2 分段遞進式協(xié)同優(yōu)化流程

低溫熱綜合利用優(yōu)化是石化企業(yè)能量系統(tǒng)優(yōu)化中的關鍵一環(huán)，與其他環(huán)節(jié)緊密關聯(lián)。增加復雜分餾塔高溫位取熱量，優(yōu)化換熱網(wǎng)絡，上下游裝置采用熱供料后，低溫熱產(chǎn)生量將減少。優(yōu)化儲罐的運行方式，以低溫熱為熱源的維溫負荷將減少。低溫熱利用大部分是用來頂替低壓蒸汽，優(yōu)化后需要調整蒸汽動力系統(tǒng)的運行方式或結構才能最終節(jié)約一次能源。因而，低溫熱的優(yōu)化利用需要從系統(tǒng)全局來統(tǒng)籌考慮。

3.2 科學用能

遵循“溫度對口，梯級利用”科學用能原則，降低效能損失。低溫熱系統(tǒng)包括取熱和用熱兩套換熱網(wǎng)絡，及連結兩者的輔組系統(tǒng)如緩沖罐、泵、加熱器、冷卻器等，兩套換熱網(wǎng)絡之間的耦合性強。通過熱媒水連接取熱和用熱兩套換熱網(wǎng)絡，需要按照熱源、熱阱的溫位特點，科學的合成兩套換熱網(wǎng)絡。

熱媒水循環(huán)量、上水和回水溫度的確定是重要內容。首先，將熱源、熱阱物流按照“夾點技術”復合曲線的方式分別復合成為熱源曲線和熱阱曲線；其次，移動熱阱曲線使其右端與熱源曲線的右端橫向對齊；再在熱源曲線、熱阱曲線橫向對齊線上選擇一點作為熱媒水的出水溫度，需考慮兩套換熱網(wǎng)絡傳熱溫差，同時溫度不宜過高，以避免氧腐蝕；然后，在熱阱曲線左邊，根據(jù)熱媒水負荷適當大于熱阱負荷的方法同時考慮兩套換熱網(wǎng)絡傳熱溫差，選取一點作為熱媒水的回收溫度；最后，根據(jù)熱媒水的負荷和溫差計算得出熱媒水循環(huán)量，如圖3所示。

圖3 熱媒水循環(huán)量、上水、回水溫度確定

3.3 技術經(jīng)濟優(yōu)化

低溫熱系統(tǒng)的特點之一就是熱源與熱阱隨原料種類、加工負荷、生產(chǎn)方案和季節(jié)的變化而變化。低溫熱利用時應優(yōu)先考慮能夠長期穩(wěn)定運行、負荷大的用戶，先生產(chǎn)后生活，先廠內后廠外。在低溫熱系統(tǒng)中應設置緩沖系統(tǒng)，保證熱媒水流量和壓力的穩(wěn)定。為使低溫熱系統(tǒng)具有一定的操作彈性，熱媒水取熱之后應有補熱措施、回水之后應有后冷措施，保證溫度穩(wěn)定，熱源與熱阱在低溫熱系統(tǒng)停運時應有應急措施。根據(jù)煉油企業(yè)實際低溫熱源和熱阱的特點計算效益與投資，綜合評價后確定可納入到熱水系統(tǒng)中的熱源和熱阱。按照目前技術發(fā)展趨勢，未來低溫熱系統(tǒng)將朝著大型化、集成化方向發(fā)展。

4 低溫熱系統(tǒng)集成與優(yōu)化

4.1 集成步驟

低溫熱系統(tǒng)的集成一般步驟如下：

（1）全廠低溫熱源普查。在能量系統(tǒng)優(yōu)化基礎上，對煉油企業(yè)可能回收的低溫熱源進行調研，可借助流程模擬等手段，初步計算物流出換熱器溫度到80 ℃之間的熱負荷作為低溫熱。

（2）低溫熱阱普查。在全局范圍內深入挖掘可利用的熱阱資源，如該文第2節(jié)所舉例。

（3）低溫熱優(yōu)化利用子系統(tǒng)的確定。根據(jù)低溫熱源、熱阱的特點、負荷、分布等將全廠低溫熱利用分為一個或幾個低溫熱系統(tǒng)，確定各系統(tǒng)熱源和對應的熱阱。

（4）各低溫熱子系統(tǒng)熱媒水循環(huán)量、出水、回水溫度確定。

（5）各低溫熱子系統(tǒng)的低溫熱換熱網(wǎng)絡合成。根據(jù)熱媒水流量、溫差、立面、平面布局等，按照科學用能和熱媒水管線盡可能短且不在裝置之間來回反復等原則，合成初始的“熱源—熱媒水”換熱網(wǎng)絡，再反復對比、核算形成最終換熱網(wǎng)絡。同理合成“熱媒水—熱阱”換熱網(wǎng)絡。然后通過設置熱媒水緩沖罐、循環(huán)泵、加熱器、冷卻器、管線、儀表等合成低溫熱系統(tǒng)。

（6）各熱水系統(tǒng)之間的柔性調節(jié)。根據(jù)實際情況設置各熱源、熱阱在各熱水子系統(tǒng)之間進行連通，設置低溫熱系統(tǒng)停運時熱源冷卻、熱阱加熱的應急措施，增強操作彈性。

4.2 操作優(yōu)化

低溫熱系統(tǒng)的操作優(yōu)化主要包含熱媒水回水溫度、循環(huán)量，各支路流量分配、加熱蒸汽量和泵運行等方面。

回水溫度偏高可能由系統(tǒng)后冷負荷降低所致，此時會造成低溫熱取熱量降低，裝置冷卻負荷加大，熱媒水上水溫度過高，設備和管線的氧腐蝕加重等情況；熱媒水出水溫度低，需要加大補熱蒸汽量。因而需綜合考慮兩套換熱網(wǎng)絡的傳熱溫差，合理確定出、回水溫度。

在一定的回水溫度下，熱媒水循環(huán)量與出水溫度高低密切相關，循環(huán)量越大出水溫度越低，反之則相反，應根據(jù)實際熱源、熱阱的溫位和負荷情況，合理優(yōu)化熱媒水循環(huán)量。

熱媒水流量分配優(yōu)化包括取熱熱媒水流量分配和供熱熱媒水流量分配兩方面，均應根據(jù)傳熱溫差、熱負荷以及各路熱媒水出口溫度基本一致的原則進行優(yōu)化。

低溫熱系統(tǒng)在熱媒水出水集合總管線或支路上會設有蒸汽加熱器。優(yōu)化主要是綜合回水溫度及熱媒水循環(huán)量提高出水溫度，并根據(jù)熱阱用戶具體情況適當調節(jié)加熱蒸汽用量。

在熱阱負荷夏季與冬季相差較大的情況下，可停運其中一臺循環(huán)泵或采用變頻等降低熱媒水循環(huán)量。低溫熱系統(tǒng)補水量應根據(jù)系統(tǒng)壓力進行調節(jié)，補水泵應設置變頻調節(jié)措施。

5 實例

5.1 問題分析

某5 Mt/a 煉油企業(yè)有常減壓、溶劑脫瀝青和催化裂化裝置3 套獨立的低溫熱系統(tǒng)。其中常減壓裝置通過熱媒水回收低溫熱9.07 MW，全部通過循環(huán)水冷卻；溶劑脫瀝青裝置通過熱媒水回收低溫熱21.62 MW，全部通過空冷冷卻；催化裂化裝置通過熱媒水回收低溫熱21.72 MW，用于氣體分餾裝置加熱，仍有15.52 MW的低溫熱沒有得到回收利用。另一方面，企業(yè)仍有大量低溫熱阱沒得到挖掘利用，例如生活區(qū)、廠區(qū)采暖水和洗浴水仍在利用中壓蒸汽加熱，原油維溫和裝置伴熱仍在利用低壓蒸汽，動力站除鹽水進入除氧器溫度只有50～60 ℃，消耗大量低壓蒸汽除氧，裝置伴熱仍在利用低壓蒸汽，合計冬季低溫熱阱為30.54 MW，夏季低溫熱阱為6.85 MW。該企業(yè)低溫熱系統(tǒng)存在的主要問題為：1）裝置為逐步改擴建，裝置與裝置、裝置與系統(tǒng)之間熱集成程度差，導致整體低溫熱過剩；2）沒有充分挖掘低溫熱用戶；3）冬季與夏季低溫熱阱差異較大。

5.2 解決方案

從企業(yè)全局出發(fā)優(yōu)化低溫熱及相關系統(tǒng)，使熱量做到“溫度對口、梯級利用”，最終減少公用工程消耗。采取的具體主要措施為：1）將催化頂循與氣體分餾裝置脫丙烷塔進行熱聯(lián)合，一中返塔溫度調節(jié)換熱器由產(chǎn)生熱水改為發(fā)生低壓蒸汽，減少低溫熱產(chǎn)生，增加低溫熱與動力站除鹽水換熱流程；2）將常減壓裝置低溫熱用于常減壓、加氫裂化和制氫裝置管線伴熱；3）將溶劑脫瀝青裝置低溫熱冬季用于生活區(qū)、廠區(qū)采暖水和洗浴水加熱以及原油罐區(qū)維溫熱源，夏季作為有機朗肯循環(huán)發(fā)電的熱源；4）根據(jù)低溫熱替代后的新的蒸汽平衡，調整熱電站鍋爐負荷和抽凝式透平運行方式，最終節(jié)約燃料并增加發(fā)電量。預計項目總投資8 000萬元。

催化裂化裝置低溫熱改造后流程如圖4 所示，在生水換熱器之前增加了熱媒水與除鹽水換熱流程，可根據(jù)具體氧腐蝕情況適當調節(jié)換熱器EN1/AB 旁路熱水量控制除鹽水的換后溫度，熱媒水的出水、回水溫度、循環(huán)量按照3.2 小節(jié)方法確定。當?shù)蜏責嵩床蛔銜r優(yōu)先滿足其它熱阱需求，將熱媒水—除鹽水換熱負荷作為一種調節(jié)手段。

圖4 催化裂化裝置低溫熱系統(tǒng)改造后流程

溶劑脫瀝青裝置低溫熱系統(tǒng)改造后冬季流程見圖5，低溫熱取出后經(jīng)泵分別送往采暖和原油罐區(qū)維溫，熱媒水的出水、回水溫度、循環(huán)量按照3.2小節(jié)方法確定。夏季產(chǎn)生138 ℃的熱水作為有機朗肯循環(huán)發(fā)電的熱源，回水溫度控制在110 ℃，熱媒水循環(huán)量為600 t/h，發(fā)電機組裝機功率3 500 kW，發(fā)電量3 100 kW，凈發(fā)電量2 500 kW，凈發(fā)電率達到12%。

圖5 溶劑脫瀝青裝置低溫熱系統(tǒng)改造后冬季流程

5.3 實施效果

通過低溫熱系統(tǒng)集成與優(yōu)化冬季工況預計節(jié)約燃料氣1.57 t/h，增加發(fā)電1 500 kW，減少除鹽水消耗10 t/h；夏季工況預計可增加發(fā)電7 500 kW，增加循環(huán)水消耗10 t/h。全年冬季工況按4個月，夏季工況按8個月計算，預計可節(jié)約燃料4 396 t，增加發(fā)電4 620×104kW·h，增加除鹽水消耗84 000 t，節(jié)能20 641 tec，節(jié)約成本3 166萬元/年，效益顯著。

6 結論

煉油企業(yè)有大量低溫熱分散在各裝置和系統(tǒng)中，回收并有效利用這些熱量可大幅度降低企業(yè)能耗，提高經(jīng)濟效益。低溫熱因負荷大、分散，隨生產(chǎn)過程變化而變化，與季節(jié)關聯(lián)性強等原因難以有效利用。為優(yōu)化低溫熱系統(tǒng)和提高低溫熱的利用率，應首先通過優(yōu)化生產(chǎn)過程減少低溫熱的負荷，再充分挖掘各類熱阱，并根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化、科學用能和技術經(jīng)濟優(yōu)化的策略，遵循新建或改造低溫熱系統(tǒng)的一般步驟集成低溫熱系統(tǒng)，然后對集成的低溫熱系統(tǒng)進行操作優(yōu)化，最后通過調整蒸汽動力系統(tǒng)的運行方式、管網(wǎng)結構、蒸汽鍋爐負荷等降低終端能源消耗。