低溫?zé)峄厥占夹g(shù)在煉油企業(yè)中的應(yīng)用

低溫?zé)峄厥占夹g(shù)在煉油企業(yè)中的應(yīng)用

2004年，中國(guó)的石油和天然氣工業(yè)的總能耗為7322噸，占全國(guó)總能耗的16%，是能源效率最高的行業(yè)。中國(guó)石油和中國(guó)石化兩大集團(tuán)公司都提出了“十一五”期間各單位的加工能耗降低20%的任務(wù),并以此為契機(jī),掀起新一輪節(jié)能降耗、挖潛增效的高潮。經(jīng)過幾年的努力,我國(guó)煉油能耗已有大幅下降,然而在中央關(guān)于科學(xué)發(fā)展觀政策的指導(dǎo)下,特別是同國(guó)外具有先進(jìn)水平的同行相比,我國(guó)石油化工工業(yè)節(jié)能工作仍有降低的空間。低溫?zé)岬睦檬菬捰蛷S節(jié)能的一個(gè)重要的潛力。1系統(tǒng)的配套與整合十多年來,我國(guó)石油化工企業(yè)為配合國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速成長(zhǎng)相繼擴(kuò)建或新建裝置,廠方往往直接向設(shè)計(jì)院委托裝置本身的設(shè)計(jì),而來不及同時(shí)考慮與原有裝置和系統(tǒng)的能量集成優(yōu)化,而設(shè)計(jì)方也往往需要在很短的時(shí)間內(nèi)作出設(shè)計(jì),這就使新、擴(kuò)建裝置大多孤立考慮用能配置,而由煉油廠的輔助系統(tǒng)來“配套”,大量的低溫?zé)峋痛水a(chǎn)生。許多石化企業(yè)事實(shí)上也早就認(rèn)識(shí)到煉油廠低溫?zé)岬臐摿Σ⒉扇∫欢ù胧?但對(duì)低溫?zé)崂玫目傮w認(rèn)識(shí)還存在一些欠缺。1.1低溫?zé)豳Y源調(diào)查目前,低溫?zé)崂霉ぷ鞯牧?xí)慣步驟是先在全廠范圍內(nèi)進(jìn)行以現(xiàn)有冷卻器和加熱爐排煙負(fù)荷為基礎(chǔ)的“低溫?zé)豳Y源調(diào)查”,視某個(gè)溫度以上(如煙氣取120℃)部分的熱量為“低溫?zé)豳Y源”,并以此為基礎(chǔ)去尋找熱阱。事實(shí)上,很多此類“低溫?zé)嵩础辈⒉还潭?會(huì)隨著熱出料、熱聯(lián)合的采用而消失。1.2熱設(shè)計(jì)在運(yùn)行過程中“熱低用”目前大多數(shù)企業(yè)的低溫?zé)崂闷毡榇嬖谥鵁嵩磁c熱阱分散、隨機(jī)匹配的問題。通常兩三個(gè)熱源和熱阱就構(gòu)成一個(gè)低溫?zé)嵯到y(tǒng),有的煉油廠同時(shí)有七八個(gè)低溫?zé)嵯到y(tǒng)在運(yùn)行。這就很難做到“溫度對(duì)口,梯級(jí)利用”,而多是“高熱低用”,結(jié)果導(dǎo)致“低熱無用”。例如:用催化裂化裝置主分餾塔中段回流(200～180℃)熱流去加熱60℃的循環(huán)熱媒水,再用于建筑物室內(nèi)采暖(18～20℃),多個(gè)系統(tǒng)、多臺(tái)水泵必然造成熱媒水循環(huán)量大,功耗增加。1.3熱床的分區(qū)和熱權(quán)的性質(zhì)圖1是一個(gè)常見的低溫?zé)崂孟到y(tǒng),對(duì)于分餾塔溫位不同的各側(cè)線,均使用60℃的熱媒回水并聯(lián)取熱,換熱后水溫相差很大的幾路熱媒水又進(jìn)行混合,最終溫度只有70℃,熱能降質(zhì)比較嚴(yán)重,難以用于溫度較高的熱阱。同樣道理,熱阱的并排方式不但難以有效的將熱量從熱媒水中取出,且由于回水溫度偏高,從而更加難以從較低溫位的熱源(如塔頂油氣)取熱。加上循環(huán)水量很大,溫度變化較小,更加限制了低溫?zé)嵯到y(tǒng)的熱協(xié)調(diào)能力,一旦熱阱負(fù)荷發(fā)生變化,就必須依靠蒸汽補(bǔ)充加熱。1.4蒸汽補(bǔ)充加熱在低溫?zé)嶷逍枨箅S季節(jié)和氣象條件變化較大的情況下,多半要依靠蒸汽補(bǔ)充加熱。環(huán)境溫度越低需要補(bǔ)充的汽量越大,如果控制不好,將會(huì)導(dǎo)致回水溫度升高,回水溫度越高則越取不出熱量,越要靠蒸汽加熱,如此形成惡性循環(huán)。2基于低溫?zé)崂孟到y(tǒng)的建設(shè)2.1“梯級(jí)利用”和“能量降質(zhì)”對(duì)低溫?zé)嵯到y(tǒng)而言,科學(xué)用能的要義是“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”。簡(jiǎn)言之,就是不要在溫度差異很大的熱源和熱阱間做直接匹配,以免造成大的?損失。圖2是圖1流程下低溫?zé)釤嵩床糠值哪芗?jí)系數(shù)-功率(ε-Q)圖。幾股高溫?zé)嵩磁c熱媒水的傳熱溫差高達(dá)50℃以上,所有各路熱媒水與熱源換熱后溫度都僅從60℃升高到70℃,只能用于極少數(shù)最低溫的熱阱。圖中的陰影部分是因傳熱溫差而產(chǎn)生的?損失?！疤菁?jí)利用”是讓60℃的低溫?zé)崦剿扰c低溫物流換熱,再?gòu)牡蜏氐礁邷?逐級(jí)與其它熱源換熱,這樣可實(shí)現(xiàn)熱媒水“小流量、大溫升”的操作。圖3所示的是改進(jìn)后的流程,盡管熱媒水量降低了一半,溫度卻從60℃提高到102℃,取熱量的增加大于50%。圖4中對(duì)應(yīng)的傳熱溫差和?損失也大大減小。能量利用的本質(zhì)是用其品質(zhì),而非用其數(shù)量。在利用過程中,能量的數(shù)量并沒有減少,只是品位降低。不同用能戶要求不同品位的能量,只要安排恰當(dāng),就可以連續(xù)利用。能量的降質(zhì)會(huì)比能量的散失造成更大的損失。能量降質(zhì)有許多種途徑:大溫差換熱即大梯度降質(zhì);兩股或多股溫度差異較大的流股混合也是降質(zhì)。例如,把120℃、流量為1t/h的凝結(jié)水與20℃、流量為9t/h的原水混合,成為30℃、流量為10t/h的水便是雙重的浪費(fèi)。因?yàn)?0℃的原水本來是極好的低溫?zé)嶷?是能夠把熱媒回水溫度降低到45℃以下,從而從裝置里取出更多的低溫余熱;而120℃的凝結(jié)水經(jīng)過除油、除鐵后也可以直接并入除鹽水中,把它們混合起來的結(jié)果,其品質(zhì)都大大降低了。2.2產(chǎn)品的價(jià)格調(diào)整缺乏技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的觀念和實(shí)踐,是技術(shù)人員不能提出科學(xué)改進(jìn)方案的重要原因。不經(jīng)過計(jì)算而簡(jiǎn)單、武斷的決策,是不符合當(dāng)今經(jīng)濟(jì)全球化形勢(shì)下激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)局面的。技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的核心是投資和節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益之間的權(quán)衡。能源價(jià)格節(jié)節(jié)上升,而設(shè)備價(jià)格并未同比例增長(zhǎng)。1973年以前,原油價(jià)格為6.29US$/m3,經(jīng)濟(jì)合理的加熱爐排煙溫度是400℃,油品換熱器的傳熱溫差為80～100℃;原油價(jià)格為62.9US$/m3時(shí),投資改造對(duì)流段,把加熱爐排煙溫度降到250℃就合算,油品換熱器的經(jīng)濟(jì)傳熱溫差為30～50℃;原油價(jià)格為125.8～188.7US$/m3,合理的加熱爐排煙溫度是160℃左右,油品換熱器的經(jīng)濟(jì)傳熱溫差小于30℃;目前原油價(jià)格已經(jīng)是566.1US$/m3,優(yōu)化的排煙溫度和傳熱溫差應(yīng)當(dāng)更低。這么低的排煙溫度對(duì)裝置的直接供能是困難的,低溫?zé)崂脛t可利用較少的投資有效地解決這樣的問題。2.3系統(tǒng)不健全、節(jié)能較低,影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展了解了用能原理,有了技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化思維,但是缺乏系統(tǒng)工程觀念,仍然難以真正做到能量系統(tǒng)化。我國(guó)煉油企業(yè)一般較重視獨(dú)立裝置的節(jié)能工作和能耗指標(biāo),盡管獨(dú)立裝置的能耗有的已經(jīng)非常低,但結(jié)合輔助系統(tǒng)、低溫?zé)崛制ヅ湎到y(tǒng)、蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)以及全局整體的節(jié)能來看,綜合能耗卻很高。在節(jié)能上不菲的投資,沒有顯著降低能耗的煉油廠也不少。這些往往與缺乏用系統(tǒng)工程觀念和技術(shù)手段對(duì)能量系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析,統(tǒng)籌制訂總體規(guī)劃和長(zhǎng)遠(yuǎn)的、分步實(shí)施的進(jìn)度計(jì)劃有關(guān)。系統(tǒng)工程的概念是:全局和局部是相互關(guān)聯(lián)、制約的;能量利用與資源和物料的優(yōu)化、綜合利用是相互關(guān)聯(lián)、制約的;擴(kuò)產(chǎn)和新建裝置同節(jié)能改進(jìn)是應(yīng)該和可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)的;設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化必須同時(shí)考慮,雖然外部條件發(fā)生了變化但是在運(yùn)行中必須保持優(yōu)化狀態(tài)。這些方面的技術(shù)和軟件都在不斷的發(fā)展,而我國(guó)企業(yè)在認(rèn)識(shí)、觀念和實(shí)行上,都還有一定的差距。3優(yōu)化低溫?zé)岽笙到y(tǒng)應(yīng)用技術(shù)3.1大系統(tǒng)熱利用的優(yōu)化方案低溫?zé)岬拇笙到y(tǒng)優(yōu)化匹配原則包括下列四個(gè)要點(diǎn)和一個(gè)關(guān)鍵。四個(gè)要點(diǎn)是:(1)裝置能量綜合優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)熱出料和熱聯(lián)合,以減少低溫?zé)岬漠a(chǎn)生。裝置能量綜合優(yōu)化在我國(guó)已經(jīng)有很不錯(cuò)的基礎(chǔ),當(dāng)前進(jìn)一步改進(jìn)的契機(jī)是熱出料。隨著裝置開工周期不斷延長(zhǎng)和控制水平的不斷提高,平面布置日益緊湊,實(shí)現(xiàn)裝置間的熱出料和熱聯(lián)合已經(jīng)越來越成熟、可靠。美國(guó)能源部把它作為煉油廠進(jìn)一步節(jié)能的重要手段。顯然,熱出料將消除一批被看作“低溫?zé)豳Y源”的中間物流出裝置,降低其冷卻的負(fù)荷,同時(shí)在下游裝置騰出來一批原來用于預(yù)熱冷的進(jìn)料的溫位更高的、非常有用的熱量。(2)與蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化同時(shí)考慮。低溫?zé)崂玫耐緩蕉鄶?shù)是替代原來用做熱源的蒸汽,因而低溫余熱的回收利用將使裝置和輔助系統(tǒng)對(duì)低壓蒸汽的需求顯著減少,從而引致全廠蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn):把工藝裝置發(fā)生蒸汽的余熱改為換熱以節(jié)省燃料,停開部分鍋爐,調(diào)整蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行策略等。但與此同時(shí),原水、除鹽水預(yù)熱等低溫?zé)嶷逡蚕鄳?yīng)減少。(3)充分利用各類低溫?zé)嶷?。?yōu)先考慮的是各類低溫加工裝置用熱。例如氣體分餾、MTBE、烷基化、污水汽提、各種溶劑回收裝置以及其它輕烴分離裝置的再沸器用熱和進(jìn)料預(yù)熱。它們的溫位大部分在100℃以下,部分在100～120℃,目前多用1.0MPa蒸汽為熱源,?損失很大。這些熱阱的最大優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)、穩(wěn)定用熱,沒有季節(jié)變化,節(jié)能效果極好;其次是儲(chǔ)運(yùn)、伴熱,發(fā)汽用原水、除鹽水、干燥空氣、采暖水、空調(diào)新風(fēng)等,以及包括廠外生活區(qū)的采暖、生活等熱阱。這些低溫?zé)嶷宓奶攸c(diǎn)是:溫度低、耗熱量大,負(fù)荷隨季節(jié)變化大。例如:原水和空氣在夏季的溫度通常為25～30℃;冬季南方為10℃,而北方則在零下10℃到20℃不等。它們?cè)诙灸苡行У亟档突厮疁囟?增加取熱量。(4)升級(jí)利用措施(做功、制冷、熱泵)與優(yōu)化匹配同時(shí)考慮。在低溫?zé)嶷鍖?shí)在不足,可用熱源過剩的情況下,可以采用諸如:低溫朗肯循環(huán)發(fā)電、制冷、熱泵等升級(jí)利用技術(shù),使低溫?zé)徂D(zhuǎn)變?yōu)楣に嚳捎玫膭?dòng)力、冷或較高溫位的熱。這些技術(shù)相對(duì)于同級(jí)換熱回收利用而言需要較高的投資,但只要經(jīng)過嚴(yán)格的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、核算,認(rèn)為合理,就應(yīng)當(dāng)納入到大系統(tǒng)低溫?zé)崂玫囊?guī)劃中來,與同級(jí)換熱回收利用一并統(tǒng)籌優(yōu)化匹配。一個(gè)關(guān)鍵是:鑒于低溫?zé)峄厥绽檬墙⒃谌珡S能量綜合優(yōu)化之上的系統(tǒng)安排,因而無論在空間上還是時(shí)間上,都必須在系統(tǒng)全局范圍內(nèi)統(tǒng)籌滾動(dòng)規(guī)劃,分期分批實(shí)施?？臻g范圍包括全廠以及附近的企業(yè),生產(chǎn)、生活、甚至農(nóng)業(yè)用戶;時(shí)間跨度應(yīng)當(dāng)是在幾年之內(nèi),包括擴(kuò)產(chǎn)、建新裝置、開發(fā)新產(chǎn)品、一次能源構(gòu)成改變、或與鄰近企業(yè)的能量關(guān)系整合等所有發(fā)展規(guī)劃內(nèi)容。滾動(dòng)的必要性在于外部條件和發(fā)展規(guī)劃都會(huì)改變,節(jié)能規(guī)劃也必須滾動(dòng)調(diào)整。3.2合成熱媒水-熱緣低溫?zé)峄厥障到y(tǒng)設(shè)計(jì)的工作步驟如下:(1)在初步確定熱出料和高溫位熱聯(lián)合方案之后,把各生產(chǎn)裝置(如催化裂化、常減壓蒸餾、焦化等)內(nèi)的低溫余熱源按照溫位從低到高依次排列,注明溫度區(qū)間、流量、熱容流率和熱量;(2)按照3.1節(jié)(3)的原則把工藝裝置和輔助系統(tǒng)的兩類低溫?zé)嶷?按照溫位高低依次分別排列。注明溫度區(qū)間、流量和熱容流率,并統(tǒng)計(jì)總所需熱負(fù)荷;(3)參照夾點(diǎn)技術(shù),在同一張T-H圖上,畫出熱源、熱阱兩條復(fù)合曲線;(4)按照文獻(xiàn)的方法,計(jì)算目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下熱媒水與油品換熱的最優(yōu)傳熱溫差△Topt作為合成優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)的初始判據(jù)。由于具體的物性和經(jīng)濟(jì)條件不同,△Topt并不是常數(shù),但是在一定的工程項(xiàng)目范圍內(nèi),變化不會(huì)很大。在T-H圖上熱源、熱阱兩條復(fù)合曲線之間,以ΔTopt為尺度畫出一條代表循環(huán)熱媒水的直線,使其斜率大致介于熱源復(fù)合曲線的平均斜率與熱阱復(fù)合曲線的平均斜率之間?？上裙潭嵩辞€,通過左右移動(dòng)熱阱曲線,實(shí)現(xiàn)符合ΔTopt尺度的三條曲線的配合。此時(shí),這條直線與熱源、熱阱兩條復(fù)合曲線在H軸投影的重合部分,即為可以回收利用的低溫?zé)?直線兩端點(diǎn)的溫差,就是熱媒水的溫升。由直線的斜率可計(jì)算出熱媒水的流量。圖5為由最優(yōu)傳熱溫差決定的熱源、熱阱與熱媒水循環(huán)系統(tǒng)T-Q圖。以步驟(4)為指導(dǎo),開始合成熱源-熱媒水換熱網(wǎng)絡(luò)(HEN)。按上述熱媒水的流量和溫升,根據(jù)總平面布置,按照“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”和熱媒水管線盡可能短,不在裝置之間來回反復(fù)的原則,運(yùn)用分流-合流手段,合成初始的“熱源-熱媒水”HEN。注意調(diào)整分流各支路水量以使合流點(diǎn)各支路的水溫盡量一致,也須避免偏離ΔTopt太大的匹配。按照同樣的方法,合成熱媒水-熱阱HEN。如果必須安排升級(jí)利用措施,此類熱阱必須一并參與規(guī)劃匹配。根據(jù)柔性、可操作性、可靠性,以及安全、設(shè)備限制、開停工、事故處理等各項(xiàng)要求,對(duì)兩個(gè)初始HEN和循環(huán)熱媒水參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,形成滿足實(shí)際工程要求的系統(tǒng),并設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱媒水循環(huán)泵、緩沖罐,以及控制來水和會(huì)水溫度的兩個(gè)控制回路(參見圖6)。3.3網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的調(diào)節(jié)如上所述,一個(gè)低溫?zé)崂么笙到y(tǒng)的構(gòu)建包含熱源和熱阱兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的合成,以及熱媒水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。一般工藝余熱溫度:60～130℃,個(gè)別可達(dá)150℃,部分可用煙氣為180～230℃,則在盡可能安排逆流換熱下,熱媒水被加熱到的溫度為120～140℃,利用煙氣余熱的可達(dá)170～200℃。熱媒水的溫度越高,所能夠供給的低溫?zé)嶷宓臏匚辉礁?節(jié)約的能量就越多。整個(gè)低溫?zé)崂镁W(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)手段主要包括:蒸汽補(bǔ)加熱器、回水用循環(huán)水冷卻器、流量調(diào)節(jié)控制。蒸汽加熱器和回水冷卻器主要是保證熱媒水的來水溫度和回水溫度的恒定,有利于熱源裝置和熱阱裝置相關(guān)的取、放熱物流設(shè)備的操作控制,不受彼此操作波動(dòng)的影響。當(dāng)然,它們也可在不同季節(jié)補(bǔ)充加熱,但是不能過于依賴它們。流量調(diào)節(jié)控制有利于在實(shí)際情況下通過調(diào)節(jié)循環(huán)水量來控制循環(huán)熱媒水的溫度參數(shù),達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。例如在冬季控制一個(gè)最適宜的回水溫度,盡可能多取工藝余熱。采用計(jì)算機(jī)輔助的可視化操作模擬優(yōu)化系統(tǒng)可以評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的柔性,也可以針對(duì)各種變化工況進(jìn)行應(yīng)對(duì)策略演練和調(diào)優(yōu)。4熱源、床熱利用流程圖7給出了按照以上各節(jié)所述的原則和方法建立的低溫?zé)崂昧鞒獭Ｔ搱D涉及常減壓蒸餾、催化分餾、溶劑脫瀝青、氣體分離、動(dòng)力及儲(chǔ)運(yùn)等多套裝置20余個(gè)熱源、阱的全廠大系統(tǒng)低溫?zé)崂昧鞒獭嵩床糠职凑諟囟雀叩瓦f進(jìn)為熱媒水供熱,熱媒水共取熱32.33MW/h,熱阱部分遞進(jìn)自熱媒水取熱,共用熱30.68MW/h。按照低壓蒸汽熱值為6.978MW/h(含其冷凝潛熱和冷卻至100℃以下的顯熱),共節(jié)約蒸汽44t/h,按每噸低壓蒸汽80RMB￥,按年開工8400h計(jì),該低溫?zé)嵯到y(tǒng)每年可節(jié)約成本29×106RMB￥,預(yù)計(jì)投資回收期不超過一年。5設(shè)備選型的優(yōu)化方法煉油廠大量的低溫?zé)崾且驍U(kuò)建過程中能量匹配不合理而產(chǎn)生,其隨機(jī)、分散的利用方式,不能使它們得到充分的使用。采用一個(gè)以除氧軟水為熱媒體,聯(lián)結(jié)熱源、熱阱兩個(gè)換熱網(wǎng)