頂層設計導向的煉油全局節能研究與應用實踐

魏志強

(中國石化 煉油事業部，北京 100728)

近年來，伴隨著中國經濟社會發展，煉油節能面臨新的約束和要求：一是受國家、地方政策影響，煉油企業能源供應形勢發生變化，將面臨“能源供應受限”的新約束，如《北京市高污染燃料禁燃區劃定方案(試行)》要求規定的禁燃區內禁止銷售、使用石油焦、煤等高污染燃料，對企業的總加工流程和燃料平衡產生重大影響；二是煉油產業面臨產能總體過剩的嚴峻挑戰，節能降耗通過降低生產成本提升企業綜合競爭力或將成為應對產能過剩的重要抓手之一，也對煉油全局節能提出了新的要求。

煉油節能，作為企業降低生產運行成本、提升企業綜合競爭力、源頭減少碳排放實現綠色發展的重要途徑，歷經多年發展，已經取得了豐富的理論和應用成果[1-4]，煉油能耗顯著降低。中國石化2001～2019年煉油單位能耗的變化趨勢見圖1。煉油單位能耗降低約24.3%，節能效果顯著，這主要與一批煉油企業原油加工能力達到千萬噸級、煉油主要工藝裝置普遍實現大型化、大量采用先進成熟節能技術等密切相關。2010年之后，煉油單位能耗降低趨勢減緩，進入瓶頸平臺區。一方面，大量成熟節能技術已廣泛應用，煉油單位能耗持續降低的空間縮小；另一方面，煉油節能更加關注局部節能和“短、平、快、新”項目，對煉油全局節能方法及其應用研究相對匱乏，制約了煉油單位能耗進一步降低。為此，筆者針對煉油全局節能優化，結合近期的節能研究與應用實踐[5-7]，發展完善了“煉油企業創新系統化節能方法”[6-7]，提出“頂層設計導向的煉油全局節能方法”，以及相應的煉油全局節能實施策略，通過案例研究，演示、驗證該方法的實用性。

圖1 中國石化煉油單位能耗變化趨勢(2001～2019年)Fig.1 Trend of refining unit energy consumption in SINOPEC (2001—2019)

1 全局優化的頂層設計策略

全局優化是煉油能量系統集成的重要策略。傳統全局優化從單元過程優化開始，單元優化結束后將結果輸入子系統并進行優化，子系統優化結果輸入全局層次再開展全局優化，最后按照全局優化結果對子系統、單元進行反饋調節，如圖2(a)所示。煉油過程采用這種優化策略會更加注重單元、子系統自身的優化，弱化了全局優化對單元、子系統的約束，使得單元、工藝過程能源消耗需求基本按照“給齊補足”進行配置，公用工程系統在全廠能源配置中處于被動服從地位，在新形勢下不利于實現煉油節能全局優化。

在借鑒頂層設計(Top-down)理念[8]的基礎上，結合煉油企業用能特征，創新系統化節能方法[6-7]，提出以頂層設計為導向的煉油全局節能優化策略邏輯圖，如圖2(b)和圖2(c)所示。從全局優化開始，基于知識、經驗與既有信息，開展初步優化，優化結果輸出到子系統、單元層次，子系統優化與單元優化需要結合全局優化和自身優化的雙目標，并結合工程實際向全局反饋，進而實現全局優化。按照頂層設計導向的煉油全局節能優化策略，通過提升公用工程系統在能源配置中的影響力，更易實現煉油全局優化節能。

圖2 頂層設計導向的煉油全局優化策略邏輯圖Fig.2 Logic diagram of top-level design oriented total refinery optimization strategy(a)傳統全局優化；(b),(c)頂層設計為導向的煉油全局節能優化策略

2 頂層設計導向的煉油全局節能方法

2.1 多層次分解協調方法

“頂層設計導向的煉油全局節能方法”是結合近年來節能研究與應用實踐對“煉油企業創新系統化節能方法”的完善發展，包含能源規劃、能量集成、單元強化3個層次，相關內容及相互關系如圖3所示。

從圖3可以看出，能源規劃是第一層次，主要基于總加工工藝流程優化和外部能源供給情況等開展節能頂層設計，提出企業能源配置規劃、能量集成方案、能源消耗建議、關鍵設備能效建議等，明確節能工作的方向與目標，指導、約束能量集成層次和單元強化層次開展工作，并根據下兩個層次的反饋優化調整相關規劃、方案和建議。能量集成為第二層次，主要以第一層次的能源配置規劃、能量集成方案、能源消耗建議為指導，開展工藝裝置、公用工程系統及附屬、輔助生產系統用能優化，并在全廠層次開展熱能、壓力能等的集成協調優化，以減緩能量降質，提高能量利用效率，降低能源消耗成本。同時，根據工程實際要求對能源規劃層次進行反饋協調，并根據能量集成需要，對關鍵耗能單元提出能效提升要求，指導單元強化層次開展工作。單元強化，作為第三層次，主要通過采用滿足技術經濟要求的節能技術，實現能源規劃層次提出的關鍵耗能設備能效建議，以及能量集成層次提出的關鍵耗能單元能效提升要求，并根據工程實際目標，對能源規劃、能量集成層次進行反饋協調。

圖3 頂層設計導向的煉油全局節能方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of top-level design oriented total energy-saving methodology

2.2 能源規劃實施策略

能源規劃層次主要包含4部分工作：一是優化煉油總加工工藝流程；二是測算既定總加工工藝流程的能源消耗；三是制定能源配置規劃、能量集成方案、能源消耗建議、關鍵設備能效建議等；四是根據能量集成、單元強化層次的反饋，協調優化能源配置規劃、能量集成方案、能源消耗建議、關鍵設備能效建議等。

煉油總加工工藝流程優化重點依托開發添加關鍵工藝裝置能耗模型的PIMS軟件完成；依托開發的煉油單位能耗模擬系統，分析測算既定煉油總加工工藝流程的能源消耗。輸出數據包括：煉油單位能耗、煉油單位因數能耗以及氫氣平衡基礎數據、蒸汽平衡基礎數據、燃料氣平衡基礎數據、電力基礎數據、循環水基礎數據等。基于系統輸出數據，制定全廠能源配置規劃、能量集成方案、能源消耗建議和關鍵設備能效建議。

2.3 能量集成實施策略

能量集成主要包含5部分工作：一是基于能源配置規劃、能量集成方案、能源消耗建議開展工藝裝置、儲運系統、氫氣系統、循環水系統、燃動系統等的用能優化以及裝置間熱集成、低溫熱綜合利用；二是基于工藝裝置、裝置間熱集成、低溫熱綜合利用、蒸汽系統等的用能優化情況開展全廠熱集成協調優化；三是基于氫氣系統、循環水系統、蒸汽系統用能優化情況開展全廠動力源協調優化；四是基于全廠熱集成、全廠動力源協調優化結果，完善工藝裝置、儲運系統、氫氣系統、循環水系統、燃動系統等的用能優化以及裝置間熱集成、低溫熱綜合利用；五是對能源配置規劃、能量集成方案、能源消耗建議形成反饋，根據能源消耗建議完成情況及工程經驗提出關鍵耗能單元能效提升要求。

能量集成主要基于煉油能量系統優化平臺完成，其中包括基于Aspen Utilities的燃動系統集成優化平臺、基于Aspen Energy Analyzer的煉油熱集成平臺、蒸汽平衡模型、動力源匹配優化模型、氫氣平衡模型、氫氣管網壓力設置模型、基于流體力學的循環水系統壓力平衡模擬模型等。

2.4 單元強化實施策略

單元強化主要包含3部分工作：一是基于關鍵設備能效情況，建議對功率高于10 MW的加熱爐、軸功率高于1000 kW的壓縮機組、軸功率高于160 kW的泵機組等開展用能優化，在滿足技術經濟條件的前提下，合理提升關鍵設備能效；二是基于關鍵耗能單元能效提升要求，積極關注應用反應耦合、微界面強化、超重力、分壁塔、高效換熱器等過程強化技術及裝備，合理提升反應過程、分離過程、冷換設備、壓力能回收過程能效；三是根據單元強化效果與工程實際向能源規劃、能量集成層次反饋，確保關鍵設備能效、關鍵耗能單元能效的合理性。

3 頂層設計導向煉油全局節能方法的實施案例研究

3.1 案例企業能源規劃研究

3.1.1 企業概況和用能問題分析

某煉油企業地處環境敏感區域，原油加工能力為1.0×107t/a，主要產品包括：液化氣、航空煤油(航煤)、汽油、柴油、乙烯原料、瀝青、焦炭等，車用燃料油品執行京Ⅵ標準，總加工工藝流程如圖4 所示。

圖4 案例企業基準總加工工藝流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of the benchmark total processing process in the case study

案例企業所在區域到2020年底將被規劃為高污染燃料禁燃區，區域內禁止銷售、使用高污染燃料，包括原煤、煤矸石、粉煤、煤泥、水煤漿、型煤、燃料油、石油焦等以及國家規定的其他高污染燃料。高污染燃料禁燃區的界定將對企業生存帶來巨大挑戰：一方面，企業燃料平衡受到重大影響，當前使用的燃料如煤炭、石油焦、燃料油均將受限，實現能源清潔化需要將燃料全部改為天然氣，但短期內天然氣并不具備供應條件，特別是，耗用天然氣將使得企業燃料成本大幅上升；另一方面，石油焦禁止銷售和使用后，延遲焦化裝置必須關停，延遲焦化裝置加工的渣油需要加氫處理，而企業近年完成車用油品質量升級后，氫氣資源供應緊張，所在區域不鼓勵新建天然氣制氫，氫氣資源將成為企業發展新的巨大約束。企業能源供應、資源利用均處于受限狀態，迫切需要結合全廠能源規劃開展“能源供應受限”狀態下的總加工工藝流程優化，同時，結合能源成本升高的約束，開展煉油全局節能優化工作。

3.1.2 “能源供應受限”狀態下的總加工工藝流程優化

案例企業存在兩個“受限”能源：一是燃料氣，二是氫氣資源，二者的獲取只能通過優化總加工工藝流程解決。針對現有加工流程，應用添加關鍵工藝裝置能耗模型的PIMS軟件進行優化、對比，提出應用“減壓渣油高拔出率溶劑脫瀝青+脫瀝青油加氫+瀝青造氣組合工藝”，優化的總加工工藝流程如圖5所示。

3.1.3 燃料氣、氫氣配置規劃及指標分解

基于優化的總加工工藝流程，應用添加關鍵工藝裝置能耗模型的PIMS軟件及煉油單位能耗建模系統測算，并結合現有裝置能源數據，給出燃料氣、氫氣配置方案及各工藝裝置指標分解，見圖6和圖7。由圖6和圖7可知，基于“減壓渣油高拔出率溶劑脫瀝青+脫瀝青油加氫+瀝青造氣組合工藝”替代現有延遲焦化工藝路線，可同時滿足煉油部分自用氫氣和燃料氣，并可為動力站提供部分燃料氣，減少企業議價天然氣的用量，降低燃料成本。

3.1.4 能量集成方案

燃料氣、氫氣是案例企業能源消耗的主要約束，通過設置瀝青造氣制氫裝置滿足了煉油部分自用氫氣和燃料氣，但動力站仍然需要購買一定量的天然氣。對于瀝青造氣裝置，多產氫氣則少產燃料氣。因此，案例企業節能目標是：合理節約燃料氣、氫氣。

圍繞這一目標，制定案例企業能量集成方案：

(1)工藝裝置用能優化：對主要工藝裝置換熱網絡進行優化，如常減壓裝置綜合權衡原油性質、產品分布、總加工工藝流程優化改進換熱網絡，合理降低燃料氣消耗；通過開發、優選新型高效催化劑和新工藝技術，從全流程角度優化產品反應深度，合理降低加氫類工藝裝置反應苛刻度及氫氣消耗。

(2)氫氣系統優化：考慮總圖布局優化利用氫氣資源，結合總圖布置、管網壓力、區域加氫裝置氫氣消耗特點等合理優化氫氣平衡[9]；結合總圖、氫阱壓力需求、壓縮機級數設置等優化設置氫氣管網壓力；優化確定氫氣經濟回收濃度，如結合低溫熱制冷等條件強化氫氣回收。

(3)儲運系統用能優化：優化罐區加熱方式，設置物料帶溫進罐，優先采用熱媒水作為熱源等多途徑節約伴熱、維溫蒸汽；合理利用工藝裝置進料緩沖罐，通過調度優化減少中間油品進罐區。

(4)裝置間熱集成：基于總加工工藝流程、總圖布置及工程熱直供料溫度[10]，實現關鍵工藝裝置間熱直供料；按照煉油多裝置熱集成策略[11]開展裝置間熱集成。

(5)低溫熱綜合利用：通過循環熱媒水流程的串、并聯設計實現低溫熱的大系統集成回收；考慮煉化企業用能、用熱、總圖實際情況，合理優化組合低溫余熱資源實現分布式按級匹配與升級利用。

DAO—Deasphalted oil (脫瀝青油)圖5 案例企業優化的總加工工藝流程示意圖Fig.5 Schematic diagram of the optimized overall processing process in the case study

DAO—Deasphalted oil (脫瀝青油)圖6 案例企業的燃料氣配置方案Fig.6 Fuel gas allocation plan in the case study

(6)循環水系統優化：按照全廠工藝物流冷卻溫度需求，合理設置循環水串級利用，降低循環水總量；統籌水冷臺位設置高度及壓力需求，通過分壓供水、局部增壓等合理降低循環水系統運行壓力。

(7)燃動系統優化：考慮關鍵工藝裝置蒸汽產耗規律及工藝參數波動、季節性溫差等因素對蒸汽動力系統的影響，優化供汽系統，實行熱電聯供，實現煉油廠在復雜工況下的蒸汽平衡與優化，避免不必要的減溫減壓和蒸汽放空；基于全廠蒸汽平衡并結合燃料成本、電力成本優化協調全廠大型動設備的驅動源；開展全廠燃料、除鹽水、除氧水、蒸汽凝結水平衡優化。

DAO—Deasphalted oil (脫瀝青油)圖7 案例企業的氫氣配置方案Fig.7 Hydrogen configuration plan in the case study

3.1.5 關鍵設備能效提升建議

根據案例企業合理節約燃料氣、氫氣的節能目標，制定關鍵設備能效提升建議，如優化提升煉油廠所有加熱爐熱效率至92%以上，重整四合一爐熱效率提升至94%以上。

3.2 案例企業能量集成研究

按照能量集成實施策略和能量集成建議，結合工藝裝置實際，開展案例企業能量集成工作，主要涉及關鍵工藝裝置熱直供料、低溫熱綜合利用、循環水系統節能優化等節能措施。能量集成工作開展過程中，考慮到成熟的節能技術大多已應用，建議重點關注強化反應、分離過程的新催化劑、新技術和新裝備等單元強化措施，以進一步降低工藝過程總用能。

3.2.1 多裝置熱集成

圖8為案例企業常減壓蒸餾-溶劑脫瀝青-固定床加氫-催化裂化裝置間的熱量集成關聯關系。減壓渣油熱出料至溶劑脫瀝青裝置，脫瀝青油熱出料至固定床加氫裝置，加氫重油取消發生1.0、0.5 MPa蒸汽，熱出料至催化裂化裝置，在不影響常減壓蒸餾換熱終溫的前提下，降低了溶劑脫瀝青、固定床加氫裝置燃料消耗，催化裂化裝置多產3.5 MPa蒸汽。

圖8 多裝置熱量集成示意圖Fig.8 Schematic diagram of heat integration of multiple units

3.2.2 低溫熱綜合利用的“集成回收與分布利用”

低溫熱綜合利用過程應采用“集成回收、分布利用”原則，首先通過串、并聯設計設置一個或多個全廠性的低溫熱回收利用系統，大系統回收全廠低溫余熱資源。其次，在保證統計利用低溫熱后，分布式設置發電、制冷、第二類熱泵制蒸汽等低溫熱升級利用技術。低溫熱綜合利用示意圖如圖9所示。

圖9 低溫熱綜合利用示意圖Fig.9 Schematic diagram of comprehensive utilization of low temperature heat

案例企業規劃了3個低溫熱回收利用系統：一是現有的催化裂化-氣體分餾低溫熱回收利用系統；二是煉油廠南部低溫熱回收利用系統，用于預熱鍋爐給水和設置溴化鋰制冷，回收煉油廠輕烴中的C3組分；三是設置煉油廠北部低溫熱回收利用系統，采暖季為居民區提供采暖熱源，非采暖季，高溫位工藝物流設置有機朗肯循環(ORC)發電。在北部低溫熱回收利用系統中，設置航空煤油加氫裝置、S Zorb裝置，設置ORC發電。項目實施后全廠增加回收利用低溫余熱資源約42 MW，煉油廠能耗降低約2.0 kgoe/t(1 kgoe=41.816 MJ，下同)。

3.3 案例企業單元強化研究

按照單元強化實施策略、關鍵設備能效提升建議、關鍵耗能單元能效提升要求，結合工藝裝置實際，開展案例企業單元強化工作，主要是分壁塔強化連續重整產物分離。

分壁塔是在塔內部增設一塊或多塊一定長度的豎立隔板，采用一套汽化冷凝系統，同時分離得到3種以上產品的精餾技術[12]。案例企業連續重整裝置設計時將以分壁塔替代脫C6塔和脫C7塔，應用分壁塔技術強化重整產物分離。分壁塔強化重整產物分離示意圖如圖10所示。

工程設計和運行數據表明，對于圖10方框內單元，與脫C6塔和脫C7塔流程相比，分壁塔流程在保證分離精度的前提下，分壁塔實現了工程費降低約13%，能耗降低約15%，C6餾分回收率達到99%，C7餾分中C6質量分數小于100 μg/g，C8芳烴中C7質量分數小于300 μg/g，完全滿足產品質量要求。

圖10 分壁塔強化重整產物分離示意圖Fig.10 Schematic diagram of enhanced reforming products separation in dividing wall column(a)Two-column process (雙塔流程);(b)Dividing wall column process (分壁塔流程)

3.4 案例企業全局節能效果

以基準工況總加工工藝流程當年企業能耗為基準，對比分析總加工工藝流程優化及開展全廠節能后企業關鍵指標變化情況，詳見表1。

表1 案例企業節能優化前后的關鍵指標變化Table 1 Changes in key indicators before and after the energy-saving optimization for the case study

實施總加工工藝流程優化及全廠節能改進后，案例企業“能源供應受限”得以緩解和消除，具體效益如下：一是瀝青造氣裝置生產大量燃料氣，除滿足煉油生產需要外，還可以供應動力站一部分燃料氣，有效緩解了天然氣外購引起的能源成本上升問題和短期內天然氣不能供應問題；二是順利關停延遲焦化裝置不再生產焦炭，避免了在高污染燃料禁燃區禁止生產、銷售石油焦的約束，瀝青造氣裝置制氫有效脫除了氫氣資源的約束。與基準工況相比，由于不再生產焦炭，瀝青不再作為商品，使得企業綜合商品率下降2.0%；但不生產92#汽油提升了汽油牌號，增產了II+及以上潤滑油，高附加值商品收率增加3.0%，有利于提升企業盈利能力。與基準工況相比，煉油單位能耗由62.2 kgoe/t增加至67.8 kgoe/t，但煉油單位因數能耗從7.8 kgoe/(t·Eff)降低至7.4 kgoe/(t·Eff)。煉油單位能耗的增加與煉油廠二次加工裝置的復雜程度有關，如總加工工藝流程優化后，全廠氫氣消耗總量上升3.03×104t/a，折合全廠煉油單位能耗增加約3.3 kgoe/t。煉油單位因數能耗可以更為科學地評價企業能源消耗和能量利用水平，煉油單位因數能耗降低至7.4 kgoe/(t·Eff)，表明企業能源消耗和能量利用水平有所提高，能耗水平進入國內先進行列。

4 結 論

(1)借鑒頂層設計理念，結合煉油企業用能特征，創新系統化節能方法，提出并完善發展了頂層設計導向的煉油全局節能方法。方法包含能源規劃、能量集成、單元強化3個層次，能源規劃主要基于總加工工藝流程優化和外部能源供給情況等開展節能頂層設計，明確節能工作的方向與目標。能量集成主要通過工藝、系統用能優化，減緩能量降質，提高能量利用效率，降低能源消耗成本。單元強化主要提升關鍵耗能單元的能效。提出了能源規劃、能量集成、單元強化3個層次的實施策略。

(2)應用頂層設計導向的煉油全局節能方法，針對某典型煉油企業的發展瓶頸，開展“能源供應受限”狀態下的總加工工藝流程優化與煉油全局節能優化，提出以“溶劑脫瀝青+脫瀝青油加氫+瀝青造氣”組合工藝為基礎的總加工工藝流程，從能源規劃、能量集成、單元強化3個層次開展工作，優化降低能源成本，脫除了制約企業發展的能源、資源瓶頸。

(3)案例研究結果表明，頂層設計導向煉油全局節能方法能夠指導現階段煉油全局節能工作，企業“能源供應受限”得到緩解和消除，煉油單位因數能耗降至7.4 kgoe/(t·Eff)，能耗水平進入國內先進行列。