全局過程集成技術(shù)在煉油企業(yè)中的應(yīng)用

黃明富，李宇龍，王廣河，王如強

(中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院節(jié)能與標(biāo)準(zhǔn)研究中心，北京 100083)

全局過程集成技術(shù)在煉油企業(yè)中的應(yīng)用

黃明富，李宇龍，王廣河，王如強

(中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院節(jié)能與標(biāo)準(zhǔn)研究中心，北京 100083)

介紹了全局過程集成技術(shù)的特點，以某煉油企業(yè)為案例，運用SuperTarget軟件為工具，闡述了該技術(shù)的具體應(yīng)用方法和過程，并進行優(yōu)化分析，給出了在現(xiàn)有工藝條件下公用工程理論最佳配置，公用工程等級優(yōu)化的方向，全局夾點位置和熱功聯(lián)產(chǎn)潛力，以及工藝與公用工程系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化的潛力。以分析結(jié)果為指導(dǎo)在案例煉油企業(yè)開展能量系統(tǒng)優(yōu)化并實施，取得了節(jié)能31.4 MW的顯著效果，應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)對指導(dǎo)煉油企業(yè)能量系統(tǒng)優(yōu)化效果明顯。

全局過程集成 公用工程 優(yōu)化 能量系統(tǒng)優(yōu)化

我國煉油企業(yè)能耗整體上與國際先進水平還存在著一定的差距，盡管有些單裝置能耗并不高，但大量低溫?zé)崛匀粵]有得到綜合利用，蒸汽動力系統(tǒng)能耗普遍偏高，熱功聯(lián)產(chǎn)潛力遠未能發(fā)揮，工藝與公用工程之間的能量集成程度不夠，必須著眼于全局能量系統(tǒng)優(yōu)化，才能從本質(zhì)上實現(xiàn)整個石油煉制過程的經(jīng)濟性和能量利用水平的提高[1-2]。煉油企業(yè)的能量優(yōu)化如果只孤立考慮“需方”或孤立考慮“供方”，而不是統(tǒng)籌考慮，則會使優(yōu)化效果大打折扣，比如一個生產(chǎn)裝置節(jié)約了蒸汽而蒸汽管網(wǎng)結(jié)構(gòu)或運行方式不合理，則節(jié)約的這部分蒸汽只能放空。

20世紀(jì)90年代，夾點技術(shù)進入一個新的發(fā)展階段。Linnhoff等將其應(yīng)用范圍拓展，將各個工藝過程之間及其與公用工程系統(tǒng)的能量進行集成，形成了全局過程集成技術(shù)。該技術(shù)在國內(nèi)外石油、化工等行業(yè)能量優(yōu)化工作中得到應(yīng)用[3-9]。 優(yōu)化目標(biāo)為最大化節(jié)約燃料消耗或公用工程成本最少。本研究以全局過程集成技術(shù)的基本原理為基礎(chǔ)，運用SuperTarget軟件為工具，以某煉油企業(yè)為例，闡述該技術(shù)在能量系統(tǒng)優(yōu)化中的具體應(yīng)用方法和過程，并進行優(yōu)化分析，為在全局范圍內(nèi)實現(xiàn)能量系統(tǒng)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 全局過程集成技術(shù)應(yīng)用方法及優(yōu)化分析

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

案例企業(yè)，原油一次加工能力為5.0 Mt/a，主要有常減壓蒸餾、催化裂化原料預(yù)處理、催化裂化、加氫裂化、催化重整、苯抽提、柴油加氫、氣體分餾、石腦油異構(gòu)化、硫磺回收、酸性水汽提、溶劑再生和產(chǎn)品精制(處理干氣、液化氣和汽油)等裝置。依據(jù)全局過程集成技術(shù)的特點，為簡化過程，與公用工程系統(tǒng)(主要是蒸汽動力系統(tǒng))聯(lián)系不是很緊密并且換熱網(wǎng)絡(luò)相對較固定的裝置，不在分析范圍內(nèi)。本文不考慮柴油加氫、石腦油異構(gòu)化、硫磺回收和產(chǎn)品精制裝置。全局組合曲線是由各裝置總復(fù)合曲線組合而成，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時需要收集分析范圍內(nèi)各裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)運行數(shù)據(jù)。

理論上，公用工程系統(tǒng)可以分為無數(shù)個溫度等級，但對于一個已建成的企業(yè)，公用工程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行過程集成優(yōu)化，工程上顯得更為可行。案例企業(yè)中公用工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等級主要為燃料(800 ℃)、中壓蒸汽(249 ℃，飽和溫度)、低壓蒸汽(184 ℃，飽和溫度)、低溫?zé)?75～95 ℃)、循環(huán)水(20～30 ℃)。

1.2 裝置間熱聯(lián)合和裝置總復(fù)合曲線“口袋”的處理

裝置間的熱聯(lián)合為熱量“輸出”或“輸入”，不屬于裝置內(nèi)部的換熱，在繪制裝置總復(fù)合曲線時，可將裝置外被加熱或提供熱量的物流看成裝置內(nèi)的物流來處理。

裝置總復(fù)合曲線在實際過程中，夾點上方或下方不總是表現(xiàn)出平緩的特性，可能出現(xiàn)折點，如圖1(a)的曲線ace所示。表明在ce溫度段熱平衡的結(jié)果是熱量過剩，不需要熱公用工程，還可以為低溫位的物流提供熱量，通常將曲線ace稱之為“口袋”。當(dāng)裝置總復(fù)合曲線出現(xiàn)“口袋”時，合成全局溫焓曲線，全局熱源曲線或全局熱阱曲線也可能會出現(xiàn)“口袋”，給全局過程集成分析帶來許多麻煩。圖1(a)中“口袋”表明在ce溫度段物流可以產(chǎn)生熱公用工程，在ac溫度段物流需要外界供給熱公用工程。在實際過程中只有當(dāng)ce溫度段物流產(chǎn)生的熱公用工程比ac溫度段物流需求的熱公用工程高一個等級以上，且負荷大到在工程上有應(yīng)用價值時才會在物流之間引入公用工程。這時全局溫焓曲線裝置的總復(fù)合曲線可保留“口袋”，否則排除“口袋”，如圖1(b)所示，將曲線abcde簡化為abde處理。

圖1 裝置總復(fù)合曲線示意 —公用工程1; —公用工程2

1.3 繪制各裝置總復(fù)合曲線

根據(jù)案例企業(yè)各裝置換熱網(wǎng)絡(luò)實際運行數(shù)據(jù)，利用夾點分析軟件繪制各裝置總復(fù)合曲線。分析認(rèn)為各裝置總復(fù)合曲線出現(xiàn)的“口袋”在合成全局溫焓曲線時均可排除，其中常減壓蒸餾裝置和催化裂化裝置總復(fù)合曲線如圖2和圖3所示，其它裝置總復(fù)合曲線不再一一列出。

圖2 常減壓蒸餾裝置總復(fù)合曲線

圖3 催化裂化裝置總復(fù)合曲線

1.4 繪制全局溫焓曲線及優(yōu)化分析

將各裝置總復(fù)合曲線合成全局溫焓曲線，并畫出在現(xiàn)有工況下冷、熱公用工程的配置圖，以及理論最佳公用工程配置圖，如圖4所示。

圖4 全局溫焓曲線及公用工程配置 —熱源; —熱阱; —目標(biāo)熱公用工程; —目標(biāo)冷公用工程; —現(xiàn)有熱公用工程; —現(xiàn)有冷公用工程

表1是案例企業(yè)各裝置現(xiàn)有工藝條件下的公用工程配置與理論最佳時公用工程配置的對比狀況。

表1 現(xiàn)有工況與理論最佳公用工程對比狀況

從表1可以看出，在現(xiàn)有工藝條件下，理論最佳冷、熱公用工程的總量分別與現(xiàn)有工況下冷、熱公用工程的總量相同，但是冷、熱公用工程的等級是不同的。全局熱阱曲線，最大化的用低等級的公用工程加熱工藝物流，最高等級公用工程(燃料)消耗可減少27 MW；全局熱源曲線，最大化地產(chǎn)生高等級的公用工程，剩余部分再用循環(huán)水冷卻。在現(xiàn)有工藝條件下即工藝側(cè)不做調(diào)整，僅僅通過公用工程側(cè)的優(yōu)化，節(jié)能效果是有限的。

案例企業(yè)中蒸汽結(jié)構(gòu)分為兩個等級，即中壓和低壓蒸汽，從全局熱源組合曲線來看，若增加低壓的蒸汽管網(wǎng)，工藝物流所能產(chǎn)生的蒸汽很少(1.6 MW)，意義不大。對于現(xiàn)有低壓蒸汽，從其與全局熱阱曲線的匹配關(guān)系來看，傳熱溫差較大，可以適當(dāng)降低現(xiàn)有低壓蒸汽管網(wǎng)的壓力(對應(yīng)不同的飽和溫度)，達到增加全局熱回收，從而減少燃料消耗，或增加聯(lián)產(chǎn)功的目的。

1.5 繪制全局公用工程總組合曲線及優(yōu)化分析

圖5是案例企業(yè)的全局公用工程總組合曲線，從上至下公用工程分別為燃料、中壓蒸汽、低壓蒸汽、低溫?zé)崴脱h(huán)水，與縱坐標(biāo)相交的公用工程分別為低壓蒸汽和低溫?zé)崴?陰影部分上方的橫線為陰影部分的上邊界，水平方向靠右與陰影部分上邊界相連的橫線是中壓蒸汽公用工程)。全局公用工程總組合曲線的夾點溫度在與縱坐標(biāo)相交的兩類公用工程之間，即低壓蒸汽和低溫?zé)崴g，就全局而言，只有節(jié)約夾點以上公用工程的消耗(低壓蒸汽、中壓蒸汽和燃料)才能最終節(jié)約最高等級公用工程(燃料)的消耗。案例企業(yè)在現(xiàn)有工藝條件下，通過優(yōu)化公用工程的配置，效率最高的聯(lián)產(chǎn)功潛力為1.85 MW，即圖5中陰影部分的面積。

圖5 全局公用工程總組合曲線

1.6 工藝與公用工程系統(tǒng)集成優(yōu)化分析

為考察工藝與公用工程之間的聯(lián)合優(yōu)化效果，做以下兩種優(yōu)化假設(shè)：①各裝置換熱網(wǎng)絡(luò)均按夾點技術(shù)進行優(yōu)化；②在全局范圍內(nèi)，各裝置間物流可以自由換熱，即理論最大熱聯(lián)合，分別得到對應(yīng)工況下的公用工程匹配情況，見表2。

表2 裝置換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和全局換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化公用工程對比狀況

從表2與表1的對比可看出：各裝置換熱網(wǎng)絡(luò)均按夾點技術(shù)進行優(yōu)化后，冷、熱公用工程的總量均可減少3.6 MW，即通過裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化熱量回收加深，全局冷、熱公用工程消耗均減少，同時公用工程優(yōu)化匹配后最高等級的公用工程(燃料)消耗可減少31.1 MW；在全局范圍內(nèi)進行深層次的熱聯(lián)合后，冷、熱公用工程的總量均可減少107.6 MW，同時公用工程優(yōu)化匹配后高等級的公用工程(燃料)消耗可減少105.3 MW。從對比結(jié)果來看，工藝與公用工程之間的聯(lián)合優(yōu)化效果尤其是最大化地進行裝置間的熱聯(lián)合，比僅僅只對公用工程一側(cè)進行優(yōu)化的效果要顯著得多。

2 應(yīng)用效果

案例企業(yè)以上述分析結(jié)果為指導(dǎo)，在煉油全局范圍內(nèi)開展能量系統(tǒng)優(yōu)化，在換熱網(wǎng)絡(luò)、裝置間熱聯(lián)合、裝置操作、低溫?zé)峋C合利用、蒸汽動力系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)優(yōu)化及重點設(shè)備改造等方面共計提出40項能量優(yōu)化方案，實施了其中的17項，見表3，經(jīng)對優(yōu)化方案現(xiàn)場標(biāo)定和計算，共計節(jié)能31.4 MW，年增效5 839萬元。

1) 前3項合計。

3 問題探討

全局過程集成技術(shù)主要考慮裝置與裝置之間、裝置與公用工程系統(tǒng)之間的熱集成，在全局范圍突破單個裝置的夾點限制做到熱量的深度集成，并優(yōu)化公用工程的配置和發(fā)揮熱功聯(lián)產(chǎn)潛力，但仍存在以下局限性：①沒有考慮工藝過程本身的能量需求優(yōu)化，即沒有從能量的利用環(huán)節(jié)優(yōu)化工藝流程結(jié)構(gòu)和工藝操作參數(shù)，從而減少過程的能量需求，也沒有從能量的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換設(shè)備效率；②公用工程僅考慮換熱(加熱、冷卻)過程的需要，對非換熱過程的公用工程使用(或產(chǎn)生)情況，如汽提蒸汽、霧化蒸汽，反應(yīng)器(爐)和再生器產(chǎn)蒸汽等，沒有納入考慮范圍之內(nèi)，即實際生產(chǎn)過程的公用工程需求(產(chǎn)生)量在全局溫焓曲線和公用工程總組合曲線中沒有完全體現(xiàn)出來；③缺乏用于過程設(shè)計的嚴(yán)格模型，分步優(yōu)化的特點決定了它無法更有效地考慮各層次之間的相互作用，對夾點傳熱溫差ΔTmin的依賴也決定了它很難得到過程綜合的全局最優(yōu)解[10]。因而，對煉油企業(yè)進行全局能量系統(tǒng)優(yōu)化，除利用全局過程集成技術(shù)以外，還應(yīng)根據(jù)企業(yè)用能特點綜合利用其它能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，才能取得更大的節(jié)能和增效效果。

4 結(jié) 論

(1) 全局過程集成技術(shù)可在全局范圍突破單裝置的夾點限制做到熱量的深度集成，并能優(yōu)化公用工程的配置和發(fā)揮熱功聯(lián)產(chǎn)潛力。

(2) 給出了在現(xiàn)有工藝條件下公用工程理論最佳配置，公用工程等級優(yōu)化方向，全局夾點位置和熱功聯(lián)產(chǎn)潛力，以及工藝與公用工程系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化潛力的分析方法。

(3) 將只對公用工程系統(tǒng)一側(cè)優(yōu)化，裝置內(nèi)部換熱網(wǎng)路和公用工程系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化，裝置間換熱網(wǎng)絡(luò)和公用工程系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化3種情況做了比較，結(jié)果表明優(yōu)化潛力依次增加。只對公用工程系統(tǒng)一側(cè)優(yōu)化，公用工程消耗的總量不變，只能優(yōu)化公用工程的使用等級，后兩者不僅可以優(yōu)化公用工程的等級，公用工程消耗的總量分別降低3.6 MW和107.6 MW，以該技術(shù)為指導(dǎo)，在案例企業(yè)中開展能量系統(tǒng)優(yōu)化后，取得節(jié)能31.4 MW、增效5 839萬元/a的顯著效果。

(4) 全局過程集成技術(shù)主要考慮熱集成和熱功聯(lián)產(chǎn)，存在一定的局限性，與其它能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)結(jié)合將會取得更大的節(jié)能增效效果。

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[許建耘摘譯自Worldwide Refining Business Digest Weekly，2015-01-19]

APPLICATION OF TOTAL SITE INTEGRATION TECHNOLOGY IN OIL REFINING ENTERPRISE

Huang Mingfu， Li Yulong， Wang Guanghe， Wang Ruqiang

(EnergySaving&CriterionResearchCenter，PetrochinaPlanning&EngineeringInstitute，Beijing100083)

This paper introduces the characteristics of total site integration technology. With a real case of oil refining enterprise and SuperTarget software， the method was introduced in detail and optimized. The theoretical optimal utility configuration， total site pinch position， the direction of the utility level optimization， potential heat and power co-generation， and the potential of the processes and utilities combination optimization were investigated. Guided by the above analysis， energy system optimization of the sample refinery was implemented. The energy saving of 31.4 MW is obtained. The application shows that the technology to guide energy system optimization of oil refining enterprises has an obvious effect.

total site integration； utility； optimization； energy system optimization

2014-10-31； 修改稿收到日期： 2014-12-23。

黃明富，碩士研究生，工程師，從事石油化工節(jié)能技術(shù)研究與推廣等工作，發(fā)表論文4篇，申請獲得2項實用新型技術(shù)專利。

黃明富，E-mail：huangmingfu@petrochina.com.cn。