林子平

（茂名瑞派石化工程有限公司，廣東 茂名 525011）

煉油廠內(nèi)的熱量溫位分布很廣,從常溫到400℃都有,且各裝置內(nèi)熱源、熱阱的溫位分布很不均衡。只在各裝置內(nèi)部進行換熱回收,很難實現(xiàn)完全合理的優(yōu)化匹配,因此,進行能量的綜合利用,優(yōu)化生產(chǎn)過程用能,采取優(yōu)化單元裝置用能、熱聯(lián)合及低溫熱利用等措施,是煉油生產(chǎn)節(jié)能降耗的重要途徑。

1 概述

由于煉油企業(yè)將生產(chǎn)的能源產(chǎn)品總量的6%～8%消耗于自身生產(chǎn)過程，因此在高原油價格下，無一例外處于盈虧邊緣?！肮?jié)能亦利潤”、“節(jié)能亦生存和發(fā)展”已成為煉油企業(yè)要面對的問題。作為過程工業(yè)，煉油過程用能有其規(guī)律。華賁等在深入研究過程工業(yè)能量傳遞和降質(zhì)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，提出了“能量流結(jié)構(gòu)三環(huán)節(jié)理論”。指出任何過程系統(tǒng)是由能量轉(zhuǎn)換、能量利用和能量回收三個環(huán)節(jié)組成的。來自系統(tǒng)外部的能量如燃料化學能、電能、蒸汽能等經(jīng)過轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)（主要包括加熱爐、機泵、透平等設(shè)備）被轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)運行所需的熱能、流動能，以推動利用環(huán)節(jié)（主要包括反應、分餾等設(shè)備），實現(xiàn)過程系統(tǒng)的產(chǎn)品目標，并且過程余熱進入回收環(huán)節(jié)（主要包括換熱器、蒸汽發(fā)生器、冷卻器）得到再回收利用，以減少外部能量供入、降低工藝總用能。以三環(huán)節(jié)理論為基礎(chǔ)，華賁等建立了基于經(jīng)濟分析的過程能量綜合分解協(xié)調(diào)理論，成功應用于國內(nèi)多家煉化企業(yè)。Linnhoff B等提出了“夾點”技術(shù)，用冷、熱物流復合曲線高度總結(jié)了過程內(nèi)部的熱量作用關(guān)系，指出“不跨夾點傳熱的過程系統(tǒng)具有最小冷、熱公用工程消耗”，建立了具體的熱集成方法和技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)提出了系統(tǒng)能量集成的模型。

2 過程能量綜合的基本原理和研究目標

石化工業(yè)是典型的過程連續(xù)工業(yè)，在過程系統(tǒng)工程的范疇內(nèi)研究過程工業(yè)的用能和節(jié)能問題，可以在“過程能量綜合（集成）”的框架內(nèi)展開，它一般基于有如下基本設(shè)想：（1）石化系統(tǒng)是由若干個內(nèi)部同時發(fā)生能量和質(zhì)量轉(zhuǎn)換或傳遞的過程單元所組成的。（2）能量不但有數(shù)量多少的量度還有質(zhì)量（或品位）的差別，能的質(zhì)量即它的能級由它的能力或它所具有的火用（或稱有效能、有用能）來決定。高溫熱源品位高、能級高，因此擁有的火用多、做功能力強；反之亦然。（3）從傳遞過程原理的角度講，溫差是傳熱過程進行的推動力；濃度差是傳質(zhì)過程進行的推動力，壓差是流體流動過程的推動力。在過程熱力學的范疇，我們同樣也可以認為：火用是一切用能過程進行的推動力，并以自身的損耗為代價。（4）溫差（或濃度差）越大，過程的不可逆度越高，但速度也越快，完成該過程的設(shè)備投資也越小，代價也越大。因為過程的火用損耗大，所以高溫（或高濃）體做功的能力損失也就多。（5）熱能可以多次利用，在進行系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，應按合適的溫位逐級利用、優(yōu)化匹配，以盡量減少過程的不可逆度，降低損耗。尤其要避免能量的無功降級。（6）系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化目標，不應是火用損耗愈低愈好，而是費用越小越好。（7）系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，不僅要在單元過程（或設(shè)備）層面上實現(xiàn)用能和節(jié)能的優(yōu)化，更需要在全系統(tǒng)的能量（特別是熱能）利用上實現(xiàn)整體優(yōu)化，這是過程能量綜合的主要任務(wù)。（8）化工過程的能量綜合優(yōu)化，不只是一個單純與過程工藝、設(shè)備和控制相關(guān)的技術(shù)問題，還與工程、質(zhì)量、安全、環(huán)保、開停工、市場、季節(jié)、生產(chǎn)方案等諸多因素密切相關(guān)，施方案的最終效果，需要用對經(jīng)濟和社會效益的整體影響，才能作出最后的評價。（9）能量綜合的原則可應用于新裝置（工廠）的設(shè)計、現(xiàn)有裝置的改造，過程工藝流程的調(diào)整難題，新產(chǎn)品、新工藝的工業(yè)化開發(fā)，以及系統(tǒng)操作和生產(chǎn)管理等各個方面，只有這樣才能從宏觀到微觀，從生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)到相關(guān)的各個部門實現(xiàn)整體用能和節(jié)能的優(yōu)化。這也是過程能量綜合這門科學研究的基本目標和所需要解決的問題。

3 煉油過程能量優(yōu)化方法

煉油過程大系統(tǒng)是由若干工藝裝置和公用工程裝置，如蒸汽、動力、儲運、給排水等組成的，同時每個裝置又包含能量轉(zhuǎn)換、利用和回收三個子系統(tǒng)。子系統(tǒng)之間、裝置之間以及子系統(tǒng)與裝置之間通過能流傳遞相互關(guān)聯(lián)和作用，從而實現(xiàn)煉油過程的對立統(tǒng)一。煉油過程能量優(yōu)化的目的就是選擇優(yōu)化的單元操作及其間的聯(lián)結(jié)關(guān)系，在保證系統(tǒng)安全生產(chǎn)和產(chǎn)品收率及質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)過程最小能量消耗。優(yōu)化的方法和思路如下：

3.1 總能規(guī)劃

以研究對象總流程為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有運行數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)如標定結(jié)果對裝置進行用能評價，確定重點能耗單元，同時通過對煉油廠能源消費狀況和能源價格分析，確定合理的能源消費結(jié)構(gòu)。

3.2 裝置內(nèi)部能量優(yōu)化

裝置能量優(yōu)化是系統(tǒng)能量優(yōu)化的核心，系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果應體現(xiàn)和落實。裝置內(nèi)部能量優(yōu)化主要包括：提高加熱爐熱效率、優(yōu)化分餾塔操作、優(yōu)化工藝物流換熱流程、優(yōu)化余熱回收以及分餾系統(tǒng)與換熱網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化等。

3.3 裝置間直接熱進料/供料

實施裝置熱聯(lián)合操作。裝置間熱聯(lián)合操作不但可以減少物流在上游裝置的冷卻負荷，降低它在下游裝置的加熱負荷，避免重復冷卻和加熱，還可以減少它在中間罐區(qū)的加熱、維溫負荷及機泵輸送功耗，是單元和系統(tǒng)能量優(yōu)化的重要手段。在有互供料關(guān)系且同步運行的裝置間，盡量采用直接熱供料/進料工藝，并依據(jù)上下游裝置的用能情況，確定合適的供料/進料溫度。

3.4 低溫余熱大系統(tǒng)利用

裝置內(nèi)部能量優(yōu)化完成后，以除鹽水為媒介的余熱采出已基本完成。但由于余熱分布散、熱阱不集中，決定了余熱利用不能局限在局部，必須大系統(tǒng)實施。

4 煉油過程低溫余熱利用

煉油過程低溫余熱的特征是熱源、熱阱點多面廣分布散；熱源多為工藝余熱，負荷相對穩(wěn)定；但熱阱負荷明顯隨季節(jié)變化，且有生產(chǎn)、生活和輔助三類不同熱阱。必須從全廠大系統(tǒng)分析，充分平衡和綜合各種因素，以期實現(xiàn)整體平衡回收和利用。

4.1 充分挖掘低溫熱阱潛力

全面調(diào)研低溫熱用戶，進行全廠低溫熱阱資源普查和分析，確定它們的溫位、負荷、類別以及負荷隨季節(jié)變化的規(guī)律。

4.2 優(yōu)化熱水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

依據(jù)布置、熱水流程現(xiàn)狀和熱源熱阱的相對平衡關(guān)系，確定全廠熱水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能包含幾個相對獨立的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)內(nèi)部熱源和熱阱的總圖位置比較接近、負荷能總體平衡、溫位大體相配、源阱單元同步運行率較高、熱阱特征基本相同、并具備一定的輔助補熱和后冷條件。

4.3 建立各熱水子系統(tǒng)

利用線性規(guī)劃確定熱水進出裝置溫度、熱水流量，利用“夾點”技術(shù)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用換熱器優(yōu)化選型技術(shù)選擇熱水換熱器，利用換熱網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)優(yōu)化的策略，實現(xiàn)熱水熱量梯級利用，最大限度降低后冷負荷，合理安置補熱、后冷、監(jiān)控等。

4.4 熱水網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分析

重點是熱水子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)和調(diào)劑以及事故條件或重大生產(chǎn)改變工況條件下的相互協(xié)調(diào)及策略等。

[1]田純文等.實現(xiàn)裝置熱聯(lián)合回收利用低溫熱.節(jié)能.2003.

[2]楊良玉.高油價形勢下煉油企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和對策[J].當代石油石化.2007.