乙烯裝置能耗的分析與優(yōu)化

張志忠，鄭文兢，梁釗源，李斌榮

(中科(廣東)煉化有限公司，廣東 湛江 524076)

0 引言

某新建80萬噸/年蒸汽裂解裝置生產工藝采用中石化CBL裂解技術(7臺裂解爐)及LECT低能耗乙烯分離技術，采用復疊制冷的辦法進行深冷分離，最終產出乙烯、丙烯等主要產品。在生產過程中主要的耗能介質為燃料氣、水、電、汽、風等，而2021年作為投產首年，裂解爐操作調整、燒焦計劃安排、工藝系統(tǒng)優(yōu)化等方面均存在一定的不足，進而造成多種能源介質的消耗高居不下，導致乙烯能耗(折合標油)偏高。

1 能耗情況概述

某新建乙烯裝置能耗主要由燃料氣、蒸汽、水、電、風、氮氣組成，表1為近兩年的能耗情況。乙烯能耗(折合標油)的計算方式為：乙烯能耗=介質消耗量×折標系數(shù)/乙烯產量，即介質折算標準油量/乙烯產量，單位為kg/t。其中折標系數(shù)取自《GB 30250—2013乙烯裝置單位產品能源消耗限額》[1]中的耗能工質折算值。

表1 某新建乙烯裝置近兩年的能耗情況

表2 裝置2021年2月、7月、12月負荷率與能耗(折合標油)的變化

由表1中2021年乙烯能耗(折合標油)情況可知，2022年較2021年乙烯能耗(折合標油)降低32.561 kg/t，其中能耗變化較大的介質為燃料氣、蒸汽、循環(huán)水。同時2021年各能源介質的能耗占比從大到小排序為燃料氣＞水＞蒸汽＞電＞氮氣＞風，具體如圖1所示。由此可見，乙烯裝置節(jié)能降耗的最大潛力在于燃料氣、蒸汽、水三個方面。

圖1 2021年乙烯能耗(折合標油)占比情況

2 影響能耗的相關變量及優(yōu)化措施

2.1 裝置負荷

裝置負荷是影響乙烯能耗(折合標油)的重要因素之一，加工量越接近設計負荷，燃料氣、蒸汽、電、循環(huán)水等單耗下降，單位能耗越小[2]。圖2為2021年裝置負荷變化對乙烯能耗(折合標油)的影響。受市場需求和形勢影響，2021年乙烯裝負荷率在74%～99%之間調整，其中2月和12月負荷率為全年最低的兩個月，分別為85.93%和74.6%，其對應的乙烯能耗(折合標油)為全年最高的兩個月，分別為673.643 kg/t和727.637 kg/t。

圖2 裝置負荷率與乙烯能耗(折合標油)的關系

裝置負荷過低會導致乙烯能耗上升，主要受如下因素影響：

(1) 裝置負荷下降幅度大，但水冷器的循環(huán)水消耗與裝置負荷不是等比例減少，減少幅度更小，造成循環(huán)水能耗增加。

(2) 低負荷下裂解爐汽包11.0 MPa蒸汽產汽量少，同時大型機組的效率下降，且防喘振閥常有開度產生了一定的循環(huán)負荷，透平的蒸汽消耗量與裝置負荷不是等比例減少，造成11.0 MPa蒸汽能耗增加；此外，為保護裂解爐爐管，所通入的稀釋蒸汽量也需過量，造成1.2 MPa蒸汽能耗增加。

(3) 裂解爐的加工負荷過低，裂解爐熱效率下降，造成燃料氣相對用量增加。

由此可見，裝置高負荷穩(wěn)定生產能有效提高能源介質的使用效率，降低裝置的乙烯能耗(折合標油)。

2.2 原料結構

裂解原料的輕重對乙烯收率的高低起到?jīng)Q定性的作用，直接影響乙烯能耗的高低[3]。相同負荷下，乙烯收率越高，產出等量的乙烯所需要的投料量就越少。乙烯裝置主要投用輕石腦油、重石腦油、液化氣、煤油、加裂尾油、富乙烷氣、下游返回尾氣，其中輕石腦油、液化氣、富乙烷氣均為輕質原料，重石腦油、煤油、加裂尾油為重質原料。選取2021年乙烯產量相近的月份作為對比，如表3和表4所示。

表3 2021年5月和6月原料結構對比

表4 2021年5月和6月乙烯收率和能耗(折合標油)對比

通過對比可知，6月較5月輕質原料占比增加4.41%，乙烯收率增加0.75%，投料量減少5747 t，同時能耗(折合標油)降低了18.49 kg/t。由此可見，原料輕質化有利于提高乙烯收率。在相同乙烯產量的情況下，原料越輕，乙烯收率越高，能有效降低投料量，降低裂解爐的原料處理負荷，以減少燃料氣、稀釋蒸汽、0.6 MPa脫鹽水的消耗。此外，裂解爐負荷降低后，裂解氣壓縮機的處理量減少，11.0 MPa蒸汽消耗降低。同時丙烯制冷壓縮機和乙烯制冷壓縮機的制冷負荷也相應降低，減少了11.0 MPa蒸汽和3.8 MPa蒸汽的消耗。

2.3 裂解爐的無乙烯產出投用

乙烯裝置共建有7臺裂解爐，其無乙烯產出投用主要包括三方面，分別是燒焦、點火升溫、降溫停爐。裂解爐的無乙烯產出的投用期間，會造成燃料氣、1.2 MPa蒸汽、0.6 MPa脫鹽水、6.4 MPa除氧水的消耗。表5統(tǒng)計了2021年和2022年裂解爐的無乙烯產出投用時長，表6統(tǒng)計了2021年和2022年裂解爐的無乙烯產出投用對能耗(折合標油)的影響。

表5 2021年和2022年裂解爐的無乙烯產出投用時長

表6 2021年和2022年裂解爐的無乙烯產出投用對能耗(折合標油)的影響

2021年裂解爐共燒焦32次(1920 h)，點火升溫共11次(576 h)，降溫停爐10次(240 h)。2022年裂解爐共燒焦26次(1272 h)，點火升溫共10次(360 h)，降溫停爐10次(240 h)。2022年在裂解爐的無乙烯產出投用方面，主要做了如下提升工作：

(1) 加強裂解爐燒焦的操作管理，縮短單次燒焦時長。2021年上半年因缺少燒焦經(jīng)驗，燒焦時間長達72 h。從2021年下半年開始至2022年全年，通過優(yōu)化燒焦參數(shù)，將燒焦時長控制在48 h，大大縮短了單次燒焦的時間。

(2)提高裂解爐檢修質量。裂解爐存在部分設備缺陷，2021年裂解爐因檢修造成的非計劃性燒焦共9次。通過加強設備檢維修質量的過程監(jiān)控，2022年裂解爐的檢修縮短至6次，有效降低了點火后投用備用爐的點火升溫時長。

(3)加強裂解爐的日常維護，延長裂解爐的周期。2021年因裂解爐的操作未優(yōu)化至最佳，造成裂解爐周期較短，計劃性燒焦共23次。2022年通過優(yōu)化裂解爐運行末期的COT和裂解深度、延長原料切罐前的并聯(lián)時間，有效延長了裂解爐的運行周期，將計劃性燒焦次數(shù)縮減至20次。

(4) 精準把控裂解爐升溫過程中相關工作的節(jié)點。2021年裂解爐因升溫過程中的工作安排不合理，包括熱緊、升溫速率、投料時間等，造成多次裂解爐點火升溫時長高達72 h。2022年調整了升溫過程中各工作節(jié)點的時間安排，將單臺裂解爐點火升溫的耗時縮短至24～48 h。

2.4 裂解爐熱效率

表7為2021年和2022年各臺裂解爐的平均排煙溫度和平均熱效率情況，均在負荷穩(wěn)定且接近設計進料量的條件下測試。由此可知，降低排煙溫度有利于提高裂解爐熱效率，降低燃料氣消耗。排煙溫度主要受裂解爐的爐膛氧含量、爐膛負壓影響[4]。2022年加強了裂解爐的日常操作管理，通過關小風門以降低爐膛氧含量，以及調整風機轉速降低爐膛負壓，裂解爐共降低約1.7 t/h的燃料氣消耗。

表7 2021年和2022年裂解爐的操作參數(shù)比對

此外，裂解爐的保溫效果差、燃燒器效率低、燃燒器堵塞等也是影響提高其熱效率的重要因素。

(1) 在裂解爐周檢查管理中，定期對全爐外壁進行檢測，對于溫度高的部位待停爐冷備時擇機整改保溫；

(2) 在裂解爐日常巡檢管理中，每晚夜班均對裂解爐的火焰燃燒情況進行檢查并記錄，擇機對堵塞的燃燒器進行疏通，以及更換效率低的燃燒器。

2.5 蒸汽用戶消耗

目前裝置的蒸汽主要有四個等級，分別為11.0 MPa蒸汽、3.8 MPa蒸汽、1.2 MPa蒸汽、0.4 MPa蒸汽，主要的產出和用戶如圖3所示。

圖3 2021年和2022年0.4 MPa蒸汽產出情況

圖3 裝置各等級蒸汽主要產消示意圖

(1) 2021年10月，對11.0 MPa蒸汽保溫進行外溫檢測，發(fā)現(xiàn)部分管段表面溫度在50～190 ℃，熱量損失最大達到1953.83 W/m2，遠超國標允許最大熱量損失251 W/m2。2022年1月對熱量損失超標的管段進行保溫升級改造后，有效降低了11.0 MPa蒸汽的熱量損失，同時將裂解氣壓縮機透平和丙烯制冷壓縮機透平入口11.0 MPa蒸汽溫度從約509 ℃提高至516 ℃，在同等負荷下降低11.0 MPa蒸汽約4 t/h的消耗。11.0 MPa蒸汽管線保溫整改情況詳見表8。

表8 11.0 MPa蒸汽管線保溫整改情況

(2) 急冷水泵設計為2臺透平泵運行和2臺電泵備用。透平泵使用3.8 MPa蒸汽，抽出0.4 MPa蒸汽，設計蒸汽量為18 t/h。電泵設計電耗為710 kW·h。

根據(jù)2021年急冷水的循環(huán)量以及切泵情況，發(fā)現(xiàn)投用1臺透平泵和1臺電泵可以滿足生產需求。2022年6月，停用1臺急冷水透平泵并切至電泵運行，根據(jù)3.8 MPa蒸汽、0.4 MPa蒸汽、電的產消及折標系數(shù)，以設計100 t/h乙烯產出計算，可降低約2.378 kg/t，如表9所示。

表9 急冷水透平泵切電泵能耗情況

(3) 自開工以來，受南方氣候影響，冬季最低溫度基本在10 ℃以上，大量設計中考慮溫度低所提供的0.4 MPa蒸汽伴熱均未投用，能有效降低0.4 MPa蒸汽的消耗，大幅度增加其產量。但同時造成了流量計超設計量程導致計量不準，以及內部管網(wǎng)壓力過高導致時常打開放空閥泄壓的問題。

圖3為2021年和2022年0.4 MPa蒸汽每月產量情況。0.4 MPa蒸汽流量計原設計量程為0～38 t/h，2021年3月中旬經(jīng)量程擴充和更換儀表后，量程范圍擴大至0～123 t/h，其計量的產量在4月有大幅度上漲。2021年5月，協(xié)調熱電聯(lián)產裝置對0.4 MPa蒸汽管網(wǎng)壓力進行調整，將壓力從0.55 MPa降低至0.45 MPa后，裝置內的0.4 MPa蒸汽放空閥不再需要打開，減少了0.4 MPa蒸汽的放空浪費，其產量大幅度增加。同時從圖中可知，經(jīng)過2021年優(yōu)化后，2022年0.4 MPa蒸汽整體產量有所上升，有效降低了裝置的蒸汽能耗(折合標油)。

(4) 乙烯裝置設置有除氧器，作用是對外補0.6 MPa脫鹽水和裝置返回的工藝凝結水進行除氧處理，經(jīng)由超高壓鍋爐給水泵送至各臺裂解爐的汽包上水用。除氧器的主要除氧手段為注入除氧藥劑和0.4 MPa蒸汽，控制氧含量≤7 μg/L。

圖4為除氧器壓力和0.4 MPa蒸汽注入量的優(yōu)化情況，當除氧器壓力控制從約0.257 MPa降低至約0.246 MPa時，0.4 MPa蒸汽注入量從約34.5 t/h降低至約29.5 t/h，節(jié)約0.4 MPa蒸汽5 t/h。由此可見，在保證6.4 MPa除氧水氧含量不超標的情況下，可適當降低除氧器壓力控制，減少0.4 MPa蒸汽的消耗。

圖4 除氧器優(yōu)化情況

圖5 脫丁烷塔優(yōu)化情況

(5) 脫丁烷塔頂冷凝器使用循環(huán)水冷卻，塔釜再沸器使用0.4 MPa蒸汽加熱，設計控制壓力為0.420 MPa，2021年基本圍繞設計值進行操作控制。2022年對脫丁烷塔進行操作優(yōu)化，通過逐步降低塔頂壓力控制，以達到降低再沸器0.4 MPa蒸汽消耗的目的，如圖4所示。

由圖可知，隨著脫丁烷塔塔壓的降低，其再沸器的再沸用量呈現(xiàn)同步下降的趨勢。當塔壓從0.417 MPa降低至0.365 MPa后，再沸器的再沸量從約8.5 t/h降低至約6.9 t/h，節(jié)約0.4 MPa蒸汽約1.6 t/h。

2.5 水冷器用水

循環(huán)水作為乙烯裝置中最重要的冷劑，使用于各個系統(tǒng)的水冷器，主要包括急冷油換熱器、急冷水換熱器、裂解氣壓縮機段間冷卻器、丙烯冷劑冷凝器、丙烯精餾塔頂冷凝器等，其消耗量的大小對乙烯能耗也有重要影響。

圖6為2021年和2022年循環(huán)水的消耗情況。2021年為開工首年，受限于操作經(jīng)驗、設備磨合等因素，各水冷器的循環(huán)水用量調整幅度較少，造成了全年循環(huán)水用量居高不下，尤其在6—9月高溫天氣下，循環(huán)水最高超過3600萬噸/月。吸取了2021年的優(yōu)化經(jīng)驗，2022年針對各系統(tǒng)的實際情況，在保證單臺水冷器循環(huán)水流速不過低的情況下，盡可能調小循環(huán)水用量。同時在溫度較低的月份，如2、10、11、12月，聯(lián)系循環(huán)水廠適當降低上水壓力，降低循環(huán)水在低溫天氣下的消耗。2022年循環(huán)水消耗總量較2021年降低了4193萬噸，乙烯能耗(折合標油)降低3.63 kg/t。

圖6 2021年和2022年循環(huán)水消耗情況

5 結語

某新建80 kt/a乙烯裝置吸取2021年投產首年的相關操作經(jīng)驗和參數(shù)，通過提高裝置負荷、調整原料結構、優(yōu)化裂解爐操作參數(shù)和燒焦計劃、加強蒸汽和循環(huán)水用戶調整等手段，將乙烯能耗(折合標油)從2021年的654.215 kg/t降低至2022年的621.69 kg/t，降低了32.561 kg/t，確保裝置的經(jīng)濟效益持續(xù)向優(yōu)。