柴油改質裝置節能措施的應用

韓維濤 黃曉暉 潘強（克拉瑪依石化公司）

中國石油克拉瑪依石化公司完善稠油集中加工及配套項目的主體裝置——1.2 Mt/a 柴油改質裝置于2012年4月試車一次成功，并生產出合格產品。這標志著該公司柴油產品質量全面升級。該裝置由加氫改質、分餾、煤油加氫補充精制和煤油汽提四部分組成，采用中壓加氫改質-中間餾分油加氫補充精制組合工藝，裝置設計能耗為1244 MJ/t 原料油。為了降低裝置能耗，技術人員通過采取先進的節能措施，并有針對性地進行改造，使裝置能耗水平逐步降低，2013年9月裝置實際能耗達到了862 MJ/t，達到國內先進水平。

1 優化加熱爐系統

該裝置反應進料加熱爐采用雙室水平管箱式爐，熱負荷為10.28 MW。分餾塔進料加熱爐為輻射-對流型圓筒爐，熱負荷為15.56 MW。兩爐的熱效率均為90%，共用一套煙風系統。通過技術改造和加強管理兩方面對加熱爐系統進行優化[1]，以達到節能降耗的目的。

1.1 余熱回收系統技術改造

空氣預熱器是通過對加熱爐產生的高溫煙氣與燃燒所用冷空氣換熱從而降低能耗，將高溫煙氣冷卻，減少有害氣體（如二氧化硫、氮氧化物等）的排放以達環保要求，從而保護環境，并且同時加熱了燃燒所用冷空氣，節約燃料，也是節能減排的重要設備之一。

該裝置的加熱爐余熱回收系統原來設計采用熱管式空氣預熱器，公司經過反復比選，最終改用了鑄鐵板翅式空氣預熱器。該空預器利用鑄鐵的耐腐蝕、耐磨損特性，結合板翅式換熱器結構的優點，把無法澆注的全尺寸大面積鑄鐵板片轉化為可澆注的中小尺寸板片，用中小尺寸板片組合成鑄鐵翅片板，用多個這樣的“鑄鐵翅片板”組合便形成了大型鑄鐵板翅式空氣預熱器。該空預器結構緊湊、傳熱效率高、阻力降小、膨脹自由、密封性能好，耐低溫露點腐蝕，對煙氣溫度變化適應能力強。該系統投用后總排煙溫度由160 ℃降至目前的132 ℃，熱空氣入爐溫度由200℃升至目前的220 ℃左右，熱效率分別提高1.4%和1.6%。具體數據見表1。

表1 各加熱爐改造前、后運行參數對比

1.2 采用新型燃燒器

根據不同加熱爐特點，采用了各種類型燃燒器。反應進料加熱爐爐底共設有32 臺附墻式扁平焰氣體燃燒器，其特點是燃燒氣一次進入主燃氣燒嘴，徑U 型氣包管，從兩側分別進入各3 支氣燒嘴，以高速180～200 m/s 噴出沿火盆斜面流動后在火盆口燃燒。由于燃料氣噴向墻面，并且助燃風再次噴向墻面，所以火焰附墻性能好。同時，特定的噴孔及火盆磚尺寸與角度設計，燃燒時自然形成二層火焰，兩側中間的燒嘴形成富氧燃燒的內下層火焰，兩側兩邊的燒嘴形成氧分壓的外上層火焰，因此可有效降低火焰內層燃燒溫度，從而有效地降低了煙氣中NOX生存濃度，獲得最佳燃燒效果。

分餾塔進料加熱爐配置8 套氣體燃燒器。該節能燃燒器由中心主氣槍與周圍均勻分布的四支輔助氣槍組成，可主、輔槍聯燒，小負荷時可單燒主氣槍，因而調節比大，可達6∶1，操作彈性寬。采用典型的二段燃料低NOX燃燒技術，一段燃料燃燒形成圓形火焰的中心層火焰，此時是高過剩空氣量燃燒，故降低了中心火焰溫度，多余空氣繼續向爐膛內上噴射，與二段燃料混合燃燒，此時，由于向爐膛內噴射的空氣與向爐膛內高速噴射的燃料混合氣形成一個負壓區，將與爐管進行熱交換后溫度已下降的煙氣吸回，冷卻外層火焰，從而達到降低排放煙氣中NOX濃度的目的。

新型燃燒器投用后，火焰形狀規則、整齊、剛強有力、呈藍色、不添爐管，氣燒嘴不結焦，不堵塞，總耗量由2100 m3/h（標況）降至1800 m3/h（標況），節能效果明顯。

1.3 強化加熱爐操作管理

車間加強加熱爐鼓風機和引風機變頻技術的管理，爐膛氧含量控制在2%～3%，負壓控制在-40～-60 Pa，從而有效地控制加熱爐過剩空氣系數在1.1～1.2 之間。

加強了日常操作維護，封堵了漏風部位，各看火窗、看火孔使用后必須關嚴，40 個燃燒器分班組維護和保養，定期清理阻火器。

2 采用節電新技術

2.1 利用壓縮機無級氣量調節系統降低電耗

HydroCOM 是賀爾碧格公司專門為往復式壓縮機開發的液壓式氣量無級調節系統。該系統的基本原理可通過PV 圖清晰解釋（圖1）。使用HydroCOM氣量調節系統，在滿負荷運行工況下，壓縮過程沿CD 曲線進行；在部分負荷運行工況下，氣缸進氣終了時，進氣閥閥片將在液壓執行機構的電磁閥作用下仍被卸荷器強制地保持在開啟狀態，壓縮過程先從位置C 到達位置Cr，此時原吸入氣缸的部分氣體經被頂開的進氣閥回流到進氣管而不被壓縮，待活塞運動到特定的位置Cr時（對應所要求的氣量），電磁閥作用在進氣閥片上的強制外力消失，進氣閥關閉，氣缸內剩余的氣體開始被壓縮，壓縮過程再從位置Cr到達位置Dr。采用這種調節方法，壓縮機的指示功消耗與實際容積流量成正比，實現排氣量0～100%全行程范圍無級調節。如圖1 所示，當壓縮機的負荷為50%時，它所消耗的能量只有滿負荷時的一半左右，這就是HydroCOM 系統“回流省功”的原理[2]。

圖1 HydroCOM 原理圖及其作用下的PV 圖

新氫壓縮機是加氫裝置的核心設備，其作用是補充反應所消耗的氫氣，參與加氫反應。該裝置有兩臺新氫壓縮機組（K-3101A/B），一開一備，軸功率為2806 kW，設計排氣量為34 000 m3/h （標況）。目前裝置實際氫耗量為23 000 m3/h（標況），若使用K-3101/B 的頂開吸氣閥以及三返一旁路跨線調節，其設有0%、50%、100%三個負荷開關，實際生產中只能選擇100%負荷，多余的11 000 m3/h（標況）氣量只能通過旁路調節返回至壓縮機入口，造成了很大的能量損耗。此外，由于機組沒有逐級返回控制，機組無法實現逐級緩慢增負荷，不能避免開機時快速升壓造成的對機組及系統的沖擊，嚴重影響了壓縮機及系統流程的穩定。

而經改造的K-3101/A 作為運行的主要機組，在負荷為70%時，電流由改造前的270 A 下降至目前的190 A，年可節約電耗費用240 萬元。該系統投用后，通過對各級壓力自動控制，可使壓縮機保持最佳壓縮比[3]，在不停機的情況下可實現與原旁路控制自由切換，最大限度地保證了裝置的安全運行。此外，還降低了壓縮機級間冷卻器的負荷，循環水耗量減少45 t/h。

2.2 利用液力透平降低電耗

液力透平主要是將流體工質中蘊有的能量轉換成機械功的機器。該裝置新增的液力透平，是根據熱高壓分離器至熱低壓分離器的壓力差轉換成動力能，帶動進料泵，從而減少電動機的負荷，為裝置的運行節約能耗[4]，具體見圖2。

P-3101/AB 是該裝置的高壓進料泵，A 泵由進料泵、電動機、離合器和液力透平組成，平時作為主泵，B 泵不帶液力透平，作為備用輔泵，這樣可以達到更好的節能效果。液力透平未投用時，由電動機（功率為1050 kW）帶動泵葉輪旋轉。液力透平投用后由熱高分油驅動透平軸旋轉，通過離合器帶動電動機軸旋轉，與電動機共同做功，從而減小電動機的負荷。透平的驅動介質為高分油，溫度為240 ℃，壓力11.5 MPa，經過透平減壓為2.5 MPa，進入熱低壓分離器。液力透平正常運行后，電動機電流由115 A 降低至83 A，每年節約費用約56.7萬元。

圖2 液力透平能量回收系統示意圖

2.3 利用變頻系統節約電能

秋冬季時，車間根據加工負荷及原料性質變化，及時停用無變頻控制系統的空冷，靈活調節各空冷電動機的變頻開度，既節約了電能又降低了空冷凍凝的概率。

柴油改質裝置汽提塔頂回流泵、分餾塔頂回流泵、中段回流泵及航煤分餾塔頂回流泵等大型機泵安裝先進的變頻控制系統，根據流量及時調整機泵變頻，既控制了流量，也避免了電能的浪費。

3 工藝調整增加自產蒸汽量

該裝置主要使用1.0 MPa 蒸汽，用于兩塔物料汽提使用，設計值為4.1 t/h， 實際使用3 t/h，裝置設有柴油蒸汽發生器，能自產部分1.0 MPa 蒸汽，車間通過工藝參數調整（表2），使柴油收率由53.5%提高到64%，相應地發汽量由2.1 t/h 增加至3.0 t/h，目前發汽量和自用量基本持平，這樣就大幅降低了蒸汽輸送過程中的熱量損失。

為充分利用裝置余熱，在分餾塔的中段回流和煤油線分別設置了0.3 MPa 蒸汽發生器，它們由換熱器、汽包、上升管和下降管組成，均為一頂一型式，自然循環，汽包內設置水下孔板和汽水分離裝置以保證飽和蒸汽的品質。飽和蒸汽至加熱爐過熱，之后并入系統管網。外送量經不斷調整由6.9 t/h提高至8.4 t/h。

表2 工藝調整前后參數對比

4 回收利用低熱介質

4.1 凝結水回收

通過優化改造，將蒸汽凝結水引至停用的重石腦油與燃料氣換熱器，與燃料氣進行換熱降溫后外送出裝置，達到0.37 t/h，既解決了凝結水溫度高無法外送的問題，又將燃料氣溫度由30 ℃提高至70 ℃，提高加熱爐效率，降低了燃料氣消耗，從而實現降本增效。

4.2 低溫熱換熱器用來加熱采暖水

冬季利用分餾塔中段回流和煤油的多余熱量與采暖水換熱，使采暖水溫度由70 ℃提高至90 ℃，每小時回收19.8 MJ 的熱量供其他裝置伴熱系統使用。

5 節能效果

通過多項節能措施的落實，裝置各項消耗大都有了顯著下降。從表3 可以看出，該裝置的循環水、電、1.0 MPa 蒸汽和燃料氣耗量都逐步下降，0.3 MPa 蒸汽的輸出量明顯上升。除氧水耗量增加是由于發汽量增加所致。該裝置注水系統經過改造，可同時向本裝置和0.9 Mt/a 柴油精制裝置供水，所以除鹽水耗量大幅增加。裝置能耗由設計值的1244 MJ/t 逐步降低至目前的862 MJ/t，折合標油是從29.70 kg/t 下降至20.58 kg/t，若標準油價格按3000 元/t 計算，該裝置每年節能降耗帶來的經濟效益可以達到3283 萬元。

表3 改質裝置主要能耗對比 單位：MJ/t

6 結束語

1）利用加熱爐先進技術，優化操作，提高加熱爐熱效率，是降低裝置能耗的最有效途徑。

2）該裝置的液力透平是國內第一套在相近工作壓力及溫度下，采用國產透平以及機械密封的設備，它的成功運行具有良好的經濟效益和社會效益，為今后類似工況的透平運行提供了良好的借鑒和參考。

3）通過技術改造和工藝調整，增加自產蒸汽量，回收低溫熱系統，也是降低裝置能耗的途徑之一。

4）總結了1.2 Mt/a 柴油加氫改質裝置采取的節能措施，為新建加氫裝置或老裝置改造提供了節能優化的思路[5]。

[1]伍忠.潤滑油加氫改質裝置的節能改造[J].石油石化節能與減排,2012,2(6):9-12.

[2]莊永躍.HydroCOM 系統在1.2 Mt/a 柴油加氫裝置新氫壓縮機上的應用[J].遼寧化工,2012,41(10):1068-1070.

[3]王天全,朱榮欣,曲峰,等.HydroCOM 在柴油加氫往復壓縮機的應用[J].石油和化工設備,2012,15(6):38-40.

[4]楊軍虎,張雪寧,王曉暉,等.能量回收液力透平研究綜述[J].流體機械,2011,39(6):29-33.

[5]呂浩.3.2 Mt/a 加氫處理裝置能耗分析與節能措施[J].石油煉制與化工,2013,43(2):81-86.