廠際間減壓渣油熱料輸送經濟管徑的設計

韓曉輝 盧桂萍 楊玉臣 中石油華東設計院有限公司吉林分院 吉林 132000

中國石油某石化公司煉油化工轉型升級項目，根據全廠總加工流程的安排，采用國內“單塔一段抽提+超臨界回收溶劑”工藝技術建設80萬噸/a溶劑脫瀝青裝置，年開工時間8400 h，操作彈性60%~110%。該裝置以常減壓裝置的減壓渣油（摻混10%催化油漿）為主要原料，丁烷做溶劑，在保證脫瀝青油產品質量的情況下，最大化提高脫瀝青油收率，脫瀝青油送至催化裂化裝置進一步加工，脫油瀝青送至氣化造氣裝置和合成氨裝置作為原料。

常減壓裝置與溶劑脫瀝青裝置分別布置在兩個廠區內，輸送路徑管道長度20 km（已有管廊），管道彎頭數量約2200個（當量長度2200×40 DN）。減壓渣油具有輸送距離遠、溫降大、壓降大等特點，需要對管道規格、機泵功率進行對比分析，確定最終的設計參數，以達到節能降耗、減少建設投資及運行成本的目的。

1 減壓渣油長輸管道系統投資及運行費用

1.1 減壓渣油描述

常減壓裝置內減壓渣油換熱流程優化后，換熱終溫可以達到180 ℃，既可以用于低溫熱取熱（即加熱熱水）至減壓渣油低溫（90 ℃）出裝置；也可以熱出料 （180 ℃） 進入下游裝置。為了實現熱聯合，減少能量損失，溶劑脫瀝青裝置接收減壓渣油熱進料（≤150 ℃）。若減壓渣油低溫（90 ℃）輸送粘度顯著增加，管道阻力損失大，動力消耗大，不適合長距離輸送，而且要先降溫再升溫，不利于節能，因此，結合項目特點，本文僅研究熱料長距離輸送工況。

根據裝置110%負荷物料平衡，減壓渣油流量為91.67 t/h。以此流量作為核算基礎，考慮到不同熱進料溫度對減壓渣油輸送壓力、管道直徑、管道投資等不同工況的影響，使用PRO/II軟件對常減壓裝置進行工藝流程模擬。不同溫度減壓渣油的性質見表1。

表1 不同溫度減壓渣油性質

1.2 減壓渣油輸送方案比選原則的確定

不同直徑管道阻力降計算長度（含當量長度）：DN200為20000+40×0.2×2200=37600 m，DN250為20000（-45）+ 40×0.25×2200=41955 m，DN300為20000（-85）+ 40×0.3×2200=46315 m。管道起點比終點高30 m，終點邊界壓力為0.6 MPa（G）。在不考慮管道溫降的前提下，相同質量流量的減壓渣油，對不同規格管道DN200、250、300，不同溫度140℃、160℃、180℃的9種組合方案經PROII進行穩態模擬計算的流體力學相關參數結果見表2。

表2 不同方案減壓渣油輸送流體力學相關參數計算

通過模擬可知，隨著管道溫度由180 ℃降低到140 ℃，粘度逐漸增大，管道全程壓降增大，僅就DN200直徑管道而言，全程壓降由3.03 MPa增加到6.37 MPa，管道因溫度降低粘度增加，140 ℃的管道由中壓管道升級為高壓管道，投資將大大增加。同時，管道阻力的增加導致機泵消耗有效功率也從86.8 kW增加到178.5 kW。

顯然，降低操作溫度不利于節能。因此，本項目選擇在160 ℃、180 ℃工況下對比不同管道規格的建設投資情況。

1.3 管道系統建設投資

為了方便對比記錄不同溫度、不同規格的管道方案投資及運行費用等情況，規定方案編號，見表3。

表3 不同溫度不同規格管道系統方案編號

管道系統投資包括輸送泵（含電氣電纜投資）、管道閥門、隔熱保溫、管道伴熱、防腐涂漆及管道支吊架等工程費用（含主材費用及安裝費）。管道及閥門投資包括主體材料及安裝工程費，主材費用按照管道材料噸造價進行估算，安裝工程費根據不同管道直徑按照長度進行估算。各方案管道系統工程量及投資現值計算分別見表4、表5。

表4 各方案管道系統工程量

表5 各方案管道系統投資現值(萬元)

管道設計溫度為200 ℃，管道隔熱厚度、散熱損失及全程溫降計算按照《工業設備及管道絕熱工程設計規范》[1]（GB 50264—2013）及《石油化工設備和管道絕熱工程設計規范》[2]（SH/T 3010—2013）進行。各方案管道系統散熱損失及總溫降計算結果見表6。

表6 各方案管道系統散熱損失及總溫降計算(年平均值)

1.4 管道系統運行費用

減壓渣油長距離輸送管道系統涉及到的運行費用包括兩方面：①輸送泵電消耗費用；②管道輸送溫降散熱部分損失。為了達到減壓渣油在進入溶劑脫瀝青裝置前150 ℃的溫度要求，需用1.0 MPa（G）、250 ℃過熱蒸汽對管道伴熱。各方案機泵耗電量計算見表7，管道伴熱所消耗蒸汽量計算見表8。

表7 各方案機泵耗電量計算（8400 h/年）

表8 各方案補充溫降損失消耗蒸汽量計算（8400 h/年）

根據中石油價格體系，電價按0.80元/kWh，過熱蒸汽價格按148元/噸。各方案兩種運行費用年值計算結果見表9。

表9 各方案兩種運行費用年值計算（8400 h/年）

2 各方案費用年值及單位能耗對比分析

2.1 費用年值對比

按照運營期15年考慮，忽略凈殘值，根據各管道系統方案的投資現值P計算，折算出投資費用年值，各方案取相同基準折現率i=12%。

根據方案相對經濟效果分析指標及原理，可以利用基準折現率，將建設投資視為費用現值。根據計算期折算出費用年值，即已知現值（P），求年值（A）計算公式如下：

式中，A為年值；n為15；i為基準折現率。各方案的投資費用年值（A1）與運行費用年值（A2）

計算結果匯總見表10。

表10 各方案投資費用年值與運行費用年值匯總表（萬元）

經核算：隨著管道直徑加大，散熱面積加大、散熱損失加大，減壓渣油無論在輸送溫度為160 ℃時還是在180 ℃，全程溫降均是隨著管道直徑的加大而增大，在180 ℃輸送時，比160 ℃輸送時保溫厚度增加10 mm，這樣散熱損失基本一致（見表6）。

同時，隨著管道直徑加大，散熱損失加大，伴熱所消耗蒸汽費用較大。諸方案中，DN200管道散熱損失最小，但全程管道壓力降大，需要將中壓管道升級為高壓管道，管道投資高，且泵操作壓力大，年運行費用中電耗也大，不利于節能。

2.2 單位能耗對比

單位能耗根據《石油化工設計能耗計算標準》[4]（GB/T 50441—2016）編制，各方案的單位能耗計算見表11。

表11 各方案單位能耗計算表（處理量91.67t/h）

由表11可知，隨著輸送溫度降低、管道直徑增大，熱損失增大蒸汽消耗增加，單位能耗增大，進一步說明，與180 ℃相比，160 ℃輸送不利于節能，高溫輸送的流程更合理。

綜上，各方案費用年值依次從大到小排列為：CASE-6> CASE-4> CASE-5> CASE-3> CASE-1>CASE-2，各方案單位能耗數值從大到小排列為：CASE-6> CASE-5> CASE-4> CASE-3> CASE-2>CASE-1。在CASE-1與CASE-2能耗差別不大的前提下，應該選擇總費用年值最小的方案CASE-2，即：180 ℃，DN250方案為最佳方案更合理。

3 結語

本文通過對比分析，總結出不同管道規格、不同電量消耗、不同蒸汽消耗對方案的影響規律，即：管道直徑增大，投資增大、散熱損失增加，管道直徑減小，管道阻力增大、散熱損失減少；但是管道等級將升高，也增加投資，并增加動力消耗。因此，需要通過投資年值和運行費用年值之和，來找到最小費用點，進而確定管道系統方案；另外，通過各方案的能耗對比分析，也進一步驗證了此方法所確定的流程的合理性。此方法可為同類工藝管道系統優化設計、科學決策提供參考和借鑒。