煉油過程能量優化和低溫余熱回收利用

林子平

（茂名瑞派石化工程有限公司，廣東 茂名 525011）

煉油廠內的熱量溫位分布很廣,從常溫到400℃都有,且各裝置內熱源、熱阱的溫位分布很不均衡。只在各裝置內部進行換熱回收,很難實現完全合理的優化匹配,因此,進行能量的綜合利用,優化生產過程用能,采取優化單元裝置用能、熱聯合及低溫熱利用等措施,是煉油生產節能降耗的重要途徑。

1 概述

由于煉油企業將生產的能源產品總量的6%～8%消耗于自身生產過程，因此在高原油價格下，無一例外處于盈虧邊緣?！肮澞芤嗬麧櫋?、“節能亦生存和發展”已成為煉油企業要面對的問題。作為過程工業，煉油過程用能有其規律。華賁等在深入研究過程工業能量傳遞和降質現象的基礎上，提出了“能量流結構三環節理論”。指出任何過程系統是由能量轉換、能量利用和能量回收三個環節組成的。來自系統外部的能量如燃料化學能、電能、蒸汽能等經過轉換環節（主要包括加熱爐、機泵、透平等設備）被轉化成系統運行所需的熱能、流動能，以推動利用環節（主要包括反應、分餾等設備），實現過程系統的產品目標，并且過程余熱進入回收環節（主要包括換熱器、蒸汽發生器、冷卻器）得到再回收利用，以減少外部能量供入、降低工藝總用能。以三環節理論為基礎，華賁等建立了基于經濟分析的過程能量綜合分解協調理論，成功應用于國內多家煉化企業。Linnhoff B等提出了“夾點”技術，用冷、熱物流復合曲線高度總結了過程內部的熱量作用關系，指出“不跨夾點傳熱的過程系統具有最小冷、熱公用工程消耗”，建立了具體的熱集成方法和技術，并以此為基礎提出了系統能量集成的模型。

2 過程能量綜合的基本原理和研究目標

石化工業是典型的過程連續工業，在過程系統工程的范疇內研究過程工業的用能和節能問題，可以在“過程能量綜合（集成）”的框架內展開，它一般基于有如下基本設想：（1）石化系統是由若干個內部同時發生能量和質量轉換或傳遞的過程單元所組成的。（2）能量不但有數量多少的量度還有質量（或品位）的差別，能的質量即它的能級由它的能力或它所具有的火用（或稱有效能、有用能）來決定。高溫熱源品位高、能級高，因此擁有的火用多、做功能力強；反之亦然。（3）從傳遞過程原理的角度講，溫差是傳熱過程進行的推動力；濃度差是傳質過程進行的推動力，壓差是流體流動過程的推動力。在過程熱力學的范疇，我們同樣也可以認為：火用是一切用能過程進行的推動力，并以自身的損耗為代價。（4）溫差（或濃度差）越大，過程的不可逆度越高，但速度也越快，完成該過程的設備投資也越小，代價也越大。因為過程的火用損耗大，所以高溫（或高濃）體做功的能力損失也就多。（5）熱能可以多次利用，在進行系統換熱網絡設計時，應按合適的溫位逐級利用、優化匹配，以盡量減少過程的不可逆度，降低損耗。尤其要避免能量的無功降級。（6）系統換熱網絡的優化目標，不應是火用損耗愈低愈好，而是費用越小越好。（7）系統換熱網絡的優化，不僅要在單元過程（或設備）層面上實現用能和節能的優化，更需要在全系統的能量（特別是熱能）利用上實現整體優化，這是過程能量綜合的主要任務。（8）化工過程的能量綜合優化，不只是一個單純與過程工藝、設備和控制相關的技術問題，還與工程、質量、安全、環保、開停工、市場、季節、生產方案等諸多因素密切相關，施方案的最終效果，需要用對經濟和社會效益的整體影響，才能作出最后的評價。（9）能量綜合的原則可應用于新裝置（工廠）的設計、現有裝置的改造，過程工藝流程的調整難題，新產品、新工藝的工業化開發，以及系統操作和生產管理等各個方面，只有這樣才能從宏觀到微觀，從生產的各個環節到相關的各個部門實現整體用能和節能的優化。這也是過程能量綜合這門科學研究的基本目標和所需要解決的問題。

3 煉油過程能量優化方法

煉油過程大系統是由若干工藝裝置和公用工程裝置，如蒸汽、動力、儲運、給排水等組成的，同時每個裝置又包含能量轉換、利用和回收三個子系統。子系統之間、裝置之間以及子系統與裝置之間通過能流傳遞相互關聯和作用，從而實現煉油過程的對立統一。煉油過程能量優化的目的就是選擇優化的單元操作及其間的聯結關系，在保證系統安全生產和產品收率及質量的前提下，實現過程最小能量消耗。優化的方法和思路如下：

3.1 總能規劃

以研究對象總流程為基礎，結合現有運行數據以及歷史數據如標定結果對裝置進行用能評價，確定重點能耗單元，同時通過對煉油廠能源消費狀況和能源價格分析，確定合理的能源消費結構。

3.2 裝置內部能量優化

裝置能量優化是系統能量優化的核心，系統優化的結果應體現和落實。裝置內部能量優化主要包括：提高加熱爐熱效率、優化分餾塔操作、優化工藝物流換熱流程、優化余熱回收以及分餾系統與換熱網絡的協同優化等。

3.3 裝置間直接熱進料/供料

實施裝置熱聯合操作。裝置間熱聯合操作不但可以減少物流在上游裝置的冷卻負荷，降低它在下游裝置的加熱負荷，避免重復冷卻和加熱，還可以減少它在中間罐區的加熱、維溫負荷及機泵輸送功耗，是單元和系統能量優化的重要手段。在有互供料關系且同步運行的裝置間，盡量采用直接熱供料/進料工藝，并依據上下游裝置的用能情況，確定合適的供料/進料溫度。

3.4 低溫余熱大系統利用

裝置內部能量優化完成后，以除鹽水為媒介的余熱采出已基本完成。但由于余熱分布散、熱阱不集中，決定了余熱利用不能局限在局部，必須大系統實施。

4 煉油過程低溫余熱利用

煉油過程低溫余熱的特征是熱源、熱阱點多面廣分布散；熱源多為工藝余熱，負荷相對穩定；但熱阱負荷明顯隨季節變化，且有生產、生活和輔助三類不同熱阱。必須從全廠大系統分析，充分平衡和綜合各種因素，以期實現整體平衡回收和利用。

4.1 充分挖掘低溫熱阱潛力

全面調研低溫熱用戶，進行全廠低溫熱阱資源普查和分析，確定它們的溫位、負荷、類別以及負荷隨季節變化的規律。

4.2 優化熱水網絡結構

依據布置、熱水流程現狀和熱源熱阱的相對平衡關系，確定全廠熱水網絡結構。該網絡結構可能包含幾個相對獨立的子系統，各子系統內部熱源和熱阱的總圖位置比較接近、負荷能總體平衡、溫位大體相配、源阱單元同步運行率較高、熱阱特征基本相同、并具備一定的輔助補熱和后冷條件。

4.3 建立各熱水子系統

利用線性規劃確定熱水進出裝置溫度、熱水流量，利用“夾點”技術設計網絡結構，利用換熱器優化選型技術選擇熱水換熱器，利用換熱網絡分析技術優化的策略，實現熱水熱量梯級利用，最大限度降低后冷負荷，合理安置補熱、后冷、監控等。

4.4 熱水網絡的系統分析

重點是熱水子系統之間的關聯和調劑以及事故條件或重大生產改變工況條件下的相互協調及策略等。

[1]田純文等.實現裝置熱聯合回收利用低溫熱.節能.2003.

[2]楊良玉.高油價形勢下煉油企業面臨的挑戰和對策[J].當代石油石化.2007.