乙烯裝置蒸汽系統(tǒng)操作優(yōu)化與節(jié)能改造

鄒鋮

(中國石化廣州分公司，廣州 510000）

中國石化廣州分公司乙烯裝置（以下簡稱廣州乙烯）于1997年投產(chǎn)，年產(chǎn)聚合級乙烯20萬t，采用Stone&Webster公司USC型管式蒸汽裂解、四段壓縮、丙烯乙烯復(fù)迭制冷、順序深冷分離等專利技術(shù)。蒸汽消耗是乙烯裝置的重要能耗指標(biāo)，通過對蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化減少蒸汽用量，以節(jié)約能源、降低成本、提高效益。

1 蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行分析

1.1 蒸汽系統(tǒng)基本情況

廣州乙烯蒸汽系統(tǒng)主要分為4個(gè)壓力等級：超高壓蒸汽系統(tǒng)（ES，11.5 MPa）、高壓蒸汽系統(tǒng)（HS，3.5 MPa）、中壓蒸汽系統(tǒng)（MS，1.0 MPa）、低壓蒸汽系統(tǒng)（LS，0.3 MPa）。其中ES全部來自裂解爐廢熱鍋爐，HS主要由裂解氣壓縮機(jī)抽汽和外引動力蒸汽構(gòu)成，MS管網(wǎng)蒸汽、LS管網(wǎng)蒸汽由壓縮機(jī)透平、減溫減壓器提供，具體管網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 蒸汽平衡分析

乙烯裝置能源構(gòu)成中，3.5 MPa蒸汽消耗僅次燃料消耗，約占總能耗的40%，有較大的優(yōu)化空間，減少3.5 MPa蒸汽消耗是乙烯裝置節(jié)能優(yōu)化的重點(diǎn)。3.5 MPa蒸汽平衡見圖2。HS主要用于驅(qū)動丙烯機(jī)透平、乙烯機(jī)透平和其他小型透平。正常生產(chǎn)時(shí)，管網(wǎng)壓力偏低由外引動力HS補(bǔ)入，壓力偏高則通過減溫減壓器和丙烯機(jī)透平抽氣/凝氣比降低管網(wǎng)壓力。

圖1 乙烯裝置蒸汽管網(wǎng)

圖2 乙烯3.5 MPa蒸汽平衡

1.3 主要問題分析

1.3.1 裂解爐產(chǎn)汽量偏低

由于裂解爐生產(chǎn)的ES基本上全部用于驅(qū)動裂解氣壓縮機(jī)透平，ES產(chǎn)量越高，則透平抽出的HS量越高，HS管網(wǎng)外引HS量越低，見圖3。

圖3 自產(chǎn)ES量與外引HS量

ES產(chǎn)量偏低主要有以下5個(gè)方面原因：

1）裂解爐的超高壓蒸汽放空閥存在不同程度的內(nèi)漏問題，導(dǎo)致超高壓蒸汽泄漏。

2）投料模式影響，投加氫尾油的裂解爐受COT限制，產(chǎn)汽率偏低，只有1左右，低于投石腦油或輕石腦油1.3的水平。

3）裂解爐對流段積累灰塵，影響換熱效率。

4）原料中雜質(zhì)導(dǎo)致廢熱鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重，ES產(chǎn)量偏低。

5）連排、間排出現(xiàn)泄漏而引起ES泄漏。

1.3.2 壓縮機(jī)透平效率偏低

裂解氣壓縮機(jī)透平和丙烯壓縮機(jī)透平為抽汽凝汽式，壓縮機(jī)負(fù)荷及透平的進(jìn)汽量受裂解負(fù)荷、投料模式、原料組成等因素影響。兩臺透平運(yùn)行情況見表1。

與設(shè)計(jì)值對比，裂解氣壓縮機(jī)透平因負(fù)荷及原料成分的影響，轉(zhuǎn)速高于標(biāo)定值，但進(jìn)汽量明顯不足；丙烯壓縮機(jī)透平在轉(zhuǎn)速一定的情況下，進(jìn)汽量高于設(shè)計(jì)值，抽汽量少，凝液量超標(biāo)；兩臺透平真空度遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)值，說明兩臺汽輪機(jī)的運(yùn)行效率較低。

表1 裂解氣壓縮機(jī)和丙烯壓縮機(jī)透平運(yùn)行數(shù)據(jù)

1.3.3 蒸汽管網(wǎng)不平衡頻繁放空

乙烯裝置通過透平抽氣/凝氣比的調(diào)整和輔鍋各級減溫減壓閥平衡化工區(qū)各級蒸汽管網(wǎng)壓力，但受季節(jié)氣溫變化、下游裝置檢修或其他因素影響，中壓和低壓蒸汽經(jīng)常出現(xiàn)過剩的情況，需要放空，對裝置蒸汽能耗影響較大，目前存在主要問題如下：

1）中壓蒸汽過剩時(shí)，一般要減少丙烯機(jī)透平抽氣量，但丙烯機(jī)復(fù)水器原設(shè)計(jì)凝氣能力僅為30 t/h，目前基本處于滿負(fù)荷狀態(tài)，調(diào)節(jié)余量較少。

2）裂解爐受NOx排放限制，裝置目前需要停空氣預(yù)熱器，導(dǎo)致低壓蒸汽過剩時(shí)無法調(diào)整。

2 運(yùn)行優(yōu)化措施

2.1 提高裂解爐產(chǎn)汽量

2.1.1 抑制廢熱鍋爐結(jié)焦

裂解原料主要有石腦油、輕石腦油和加氫尾油，原料中的烯烴和芳烴是造成廢熱鍋爐結(jié)焦的主要成分，為了驗(yàn)證產(chǎn)汽量與原料中烯烴、芳烴含量的關(guān)系，對裂解爐進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果見表2。一臺裂解爐采用一種原料在同樣負(fù)荷和COT控制下，運(yùn)行至同一運(yùn)行周期（30～35天），加工石腦油時(shí)，烯烴含量由0.40%上升至1.85%，產(chǎn)汽比下降0.03。當(dāng)加工加氫尾油時(shí)，BMCI值由14.5降低至12.2，產(chǎn)汽比上升0.07，說明原料中烯烴、芳烴引起廢熱鍋爐結(jié)焦，導(dǎo)致ES產(chǎn)量降低。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過密切監(jiān)控原料分析數(shù)據(jù)，聯(lián)合上游裝置及時(shí)調(diào)整，將石腦油中烯烴控制在1%（w）以下，將加氫尾油的BMCI值控制在12以下，可以有效減輕廢熱鍋爐結(jié)焦，提高ES產(chǎn)汽量[1]。

2.1.2 安排裂解爐對流段吹灰

當(dāng)裂解爐排煙溫度高于150℃時(shí)，對裂解爐對流段進(jìn)行吹灰，通過外操觀察煙囪排煙情況，保持與吹灰操作人員的聯(lián)系。單個(gè)孔吹灰結(jié)束以煙囪不冒黑煙為標(biāo)志。完成1次吹灰，汽包出來的飽和蒸汽進(jìn)入裂解爐對流段“冷”蒸汽過熱盤管，過熱后溫度能夠提高約5℃，經(jīng)過BFW注入后，能夠在一定程度上提高單爐產(chǎn)汽量[2]。石腦油爐運(yùn)行至45天后吹灰，吹灰前后工藝參數(shù)見表3。

表2 裂解爐產(chǎn)汽比標(biāo)定結(jié)果

表3 裂解爐吹灰前后工藝參數(shù)對比

2.1.3 裂解爐化學(xué)清洗

化學(xué)清洗的機(jī)理是通過清洗液的浸潤、滲透、乳化、分散和剝離性能，將污垢從對流段爐管表面清除干凈[3]。清洗過程是由清洗設(shè)備將清洗液輸送到對流段頂部，由上而下噴淋到對流段管束表面，在對流段下部安裝1個(gè)接液槽，將清洗液導(dǎo)出爐體。裂解爐對流段化學(xué)清洗后，在進(jìn)料量相當(dāng)?shù)那闆r下，排煙溫度下降了18℃左右，裂解爐熱效率相應(yīng)上升了1%，鍋爐給水上水量和減溫水量同時(shí)上升，有效提升了超高壓蒸汽的產(chǎn)量。

2.1.4 合理安排裂解爐燒焦周期

裂解爐一般燒焦周期為55～60天，運(yùn)行末期急冷鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重，產(chǎn)汽比下滑，及時(shí)根據(jù)產(chǎn)量情況合理安排裂解爐燒焦可以有效將總產(chǎn)汽比保持在合理水平。一臺加工石腦油的裂解爐運(yùn)行周期產(chǎn)汽比變化見圖4。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，產(chǎn)汽比由1.40逐漸降低至1.28。

圖4 裂解爐運(yùn)行周期內(nèi)產(chǎn)汽比變化

2.1.5 減少超高壓蒸汽泄漏

對汽包連排和間排進(jìn)行檢查，減少泄漏量。在裂解爐點(diǎn)火升溫、燒焦、降溫和停爐期間，溫度變化快，不規(guī)范的操作和排污閥內(nèi)漏會造成排污量增加。加強(qiáng)汽包連排和間排檢查，及時(shí)更換內(nèi)漏閥門，提高操作精度，可以有效減少泄漏量。利用停爐機(jī)會處理ES放空閥內(nèi)漏，減少超高壓蒸汽放空。

2.2 透平增效節(jié)能改造

2.2.1 改造內(nèi)容

將裂解氣壓縮機(jī)透平和丙烯壓縮機(jī)透平原有轉(zhuǎn)子組件中的部分葉片替換為高效翼型葉片，并更新部分高效隔板，更換新型進(jìn)汽噴嘴環(huán)和第6級抽汽噴嘴及導(dǎo)向環(huán)，采用刷式密封。

2.2.2 改造后運(yùn)行情況

裂解氣壓縮機(jī)透平改造投用后機(jī)組運(yùn)行正常，改造后機(jī)組功率增加了5%，總進(jìn)汽量保持不變，凝汽量相應(yīng)減少，從而多抽出HS，裝置外引動力HS相應(yīng)減少約6.5 t/h，復(fù)水器真空度提高了29 kPa，提升約46%；丙烯機(jī)透平經(jīng)過改造后運(yùn)行正常，機(jī)組功率比改造前增加了5%，進(jìn)汽流量反而減少4.8 t/h，即外引HS減少了4.8 t/h，抽汽量減少2.8 t/h，凝汽量減少2 t/h，復(fù)水器真空度提高了7 kPa，提升約12.5%。

通過噸乙烯HS耗量可以直觀反映HS節(jié)省情況。對比乙烯裝置生產(chǎn)負(fù)荷、原料以及乙烯產(chǎn)量工藝參數(shù)相差不大的情況，將生產(chǎn)月報(bào)中記錄的乙烯裝置大修前2015年8—10月和大修后2016年2—3月的噸乙烯產(chǎn)品高壓蒸汽消耗量平均值數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，詳見表4。

由表4數(shù)據(jù)可見，改造后裝置的噸乙烯HS耗量明顯下降，由3.4 t/t左右下降到2.8 t/t左右，下降了17.6%。根據(jù)項(xiàng)目投資概算，改造項(xiàng)目投資為1 894.59萬元。按蒸汽的年平均價(jià)格184元/噸計(jì)算，改造后每年節(jié)能效益約1 821.38萬元，投資回收期約12個(gè)月。

表4 兩臺透平改造前后蒸汽消耗量對比

2.3 蒸汽平衡優(yōu)化

2.3.1 裂解氣壓縮機(jī)、丙烯機(jī)透平抽凝比調(diào)整

正常生產(chǎn)情況時(shí)，根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行工況特點(diǎn)，合理調(diào)整蒸汽管網(wǎng)工況，使壓縮機(jī)透平多抽氣，增加蒸汽梯級利用效率。壓縮機(jī)抽氣量明顯增加，外引動力高壓蒸汽量大幅降低，蒸汽使用得到進(jìn)一步優(yōu)化，能耗明顯降低。特殊情況時(shí)，例如下游裝置停工，中壓蒸汽過剩，就需要降低丙烯機(jī)抽凝比，減少中壓蒸汽產(chǎn)出，避免中壓蒸汽過剩放空。

2.3.2 蒸汽管網(wǎng)平衡內(nèi)部調(diào)整

1）稀釋蒸汽系統(tǒng)調(diào)整。當(dāng)中壓蒸汽過剩，裂解爐負(fù)荷較低時(shí)，可以適當(dāng)提高稀釋蒸汽操作壓力，增加中壓蒸汽消耗，減少中壓蒸汽過剩放空。

2）空氣預(yù)熱器調(diào)整。裂解爐空氣預(yù)熱器以低壓蒸汽為熱源，一般不全部投用，可以進(jìn)行調(diào)整。在低壓蒸汽過剩時(shí)可以適當(dāng)投用空氣預(yù)熱器。

3）透平電機(jī)切換。裝置內(nèi)的一些機(jī)泵為透平驅(qū)動，均使用高壓蒸汽作為動力，例如鍋爐給水泵、急冷油泵、急冷水泵、機(jī)組潤滑油泵等，高壓蒸汽不足時(shí)，可以適當(dāng)將透平切換至電機(jī)，降低高壓蒸汽的外引量。

3 優(yōu)化效果

通過實(shí)施技術(shù)改造、優(yōu)化裝置運(yùn)行管理，乙烯裝置蒸汽運(yùn)行水平得到很大提高。透平經(jīng)過大修改造后，乙烯裝置蒸汽能耗大幅降低，對比兩個(gè)大修周期運(yùn)行第二年全年蒸汽能耗值，由優(yōu)化前的128.85 kgEO/t乙烯降至106.85 kgEO/t乙烯，降幅達(dá)到17%。

4 結(jié)論

乙烯裝置蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行問題與瓶頸主要是裂解爐產(chǎn)汽量偏低、透平效率偏低、蒸汽管網(wǎng)不平衡。通過原料品質(zhì)監(jiān)控和操作優(yōu)化提高了裂解爐產(chǎn)汽量，通過壓縮機(jī)透平改造降低了3.5 MPa蒸汽消耗，通過管網(wǎng)平衡優(yōu)化減少了蒸汽放空損失，節(jié)能效果明顯。