炼油过程能量优化和低温余热回收利用

林子平

（茂名瑞派石化工程有限公司，广东 茂名 525011）

炼油厂内的热量温位分布很广,从常温到400℃都有,且各装置内热源、热阱的温位分布很不均衡。只在各装置内部进行换热回收,很难实现完全合理的优化匹配,因此,进行能量的综合利用,优化生产过程用能,采取优化单元装置用能、热联合及低温热利用等措施,是炼油生产节能降耗的重要途径。

1 概述

由于炼油企业将生产的能源产品总量的6%～8%消耗于自身生产过程，因此在高原油价格下，无一例外处于盈亏边缘。“节能亦利润”、“节能亦生存和发展”已成为炼油企业要面对的问题。作为过程工业，炼油过程用能有其规律。华贲等在深入研究过程工业能量传递和降质现象的基础上，提出了“能量流结构三环节理论”。指出任何过程系统是由能量转换、能量利用和能量回收三个环节组成的。来自系统外部的能量如燃料化学能、电能、蒸汽能等经过转换环节（主要包括加热炉、机泵、透平等设备）被转化成系统运行所需的热能、流动能，以推动利用环节（主要包括反应、分馏等设备），实现过程系统的产品目标，并且过程余热进入回收环节（主要包括换热器、蒸汽发生器、冷却器）得到再回收利用，以减少外部能量供入、降低工艺总用能。以三环节理论为基础，华贲等建立了基于经济分析的过程能量综合分解协调理论，成功应用于国内多家炼化企业。Linnhoff B等提出了“夹点”技术，用冷、热物流复合曲线高度总结了过程内部的热量作用关系，指出“不跨夹点传热的过程系统具有最小冷、热公用工程消耗”，建立了具体的热集成方法和技术，并以此为基础提出了系统能量集成的模型。

2 过程能量综合的基本原理和研究目标

石化工业是典型的过程连续工业，在过程系统工程的范畴内研究过程工业的用能和节能问题，可以在“过程能量综合（集成）”的框架内展开，它一般基于有如下基本设想：（1）石化系统是由若干个内部同时发生能量和质量转换或传递的过程单元所组成的。（2）能量不但有数量多少的量度还有质量（或品位）的差别，能的质量即它的能级由它的能力或它所具有的火用（或称有效能、有用能）来决定。高温热源品位高、能级高，因此拥有的火用多、做功能力强；反之亦然。（3）从传递过程原理的角度讲，温差是传热过程进行的推动力；浓度差是传质过程进行的推动力，压差是流体流动过程的推动力。在过程热力学的范畴，我们同样也可以认为：火用是一切用能过程进行的推动力，并以自身的损耗为代价。（4）温差（或浓度差）越大，过程的不可逆度越高，但速度也越快，完成该过程的设备投资也越小，代价也越大。因为过程的火用损耗大，所以高温（或高浓）体做功的能力损失也就多。（5）热能可以多次利用，在进行系统换热网络设计时，应按合适的温位逐级利用、优化匹配，以尽量减少过程的不可逆度，降低损耗。尤其要避免能量的无功降级。（6）系统换热网络的优化目标，不应是火用损耗愈低愈好，而是费用越小越好。（7）系统换热网络的优化，不仅要在单元过程（或设备）层面上实现用能和节能的优化，更需要在全系统的能量（特别是热能）利用上实现整体优化，这是过程能量综合的主要任务。（8）化工过程的能量综合优化，不只是一个单纯与过程工艺、设备和控制相关的技术问题，还与工程、质量、安全、环保、开停工、市场、季节、生产方案等诸多因素密切相关，施方案的最终效果，需要用对经济和社会效益的整体影响，才能作出最后的评价。（9）能量综合的原则可应用于新装置（工厂）的设计、现有装置的改造，过程工艺流程的调整难题，新产品、新工艺的工业化开发，以及系统操作和生产管理等各个方面，只有这样才能从宏观到微观，从生产的各个环节到相关的各个部门实现整体用能和节能的优化。这也是过程能量综合这门科学研究的基本目标和所需要解决的问题。

3 炼油过程能量优化方法

炼油过程大系统是由若干工艺装置和公用工程装置，如蒸汽、动力、储运、给排水等组成的，同时每个装置又包含能量转换、利用和回收三个子系统。子系统之间、装置之间以及子系统与装置之间通过能流传递相互关联和作用，从而实现炼油过程的对立统一。炼油过程能量优化的目的就是选择优化的单元操作及其间的联结关系，在保证系统安全生产和产品收率及质量的前提下，实现过程最小能量消耗。优化的方法和思路如下：

3.1 总能规划

以研究对象总流程为基础，结合现有运行数据以及历史数据如标定结果对装置进行用能评价，确定重点能耗单元，同时通过对炼油厂能源消费状况和能源价格分析，确定合理的能源消费结构。

3.2 装置内部能量优化

装置能量优化是系统能量优化的核心，系统优化的结果应体现和落实。装置内部能量优化主要包括：提高加热炉热效率、优化分馏塔操作、优化工艺物流换热流程、优化余热回收以及分馏系统与换热网络的协同优化等。

3.3 装置间直接热进料/供料

实施装置热联合操作。装置间热联合操作不但可以减少物流在上游装置的冷却负荷，降低它在下游装置的加热负荷，避免重复冷却和加热，还可以减少它在中间罐区的加热、维温负荷及机泵输送功耗，是单元和系统能量优化的重要手段。在有互供料关系且同步运行的装置间，尽量采用直接热供料/进料工艺，并依据上下游装置的用能情况，确定合适的供料/进料温度。

3.4 低温余热大系统利用

装置内部能量优化完成后，以除盐水为媒介的余热采出已基本完成。但由于余热分布散、热阱不集中，决定了余热利用不能局限在局部，必须大系统实施。

4 炼油过程低温余热利用

炼油过程低温余热的特征是热源、热阱点多面广分布散；热源多为工艺余热，负荷相对稳定；但热阱负荷明显随季节变化，且有生产、生活和辅助三类不同热阱。必须从全厂大系统分析，充分平衡和综合各种因素，以期实现整体平衡回收和利用。

4.1 充分挖掘低温热阱潜力

全面调研低温热用户，进行全厂低温热阱资源普查和分析，确定它们的温位、负荷、类别以及负荷随季节变化的规律。

4.2 优化热水网络结构

依据布置、热水流程现状和热源热阱的相对平衡关系，确定全厂热水网络结构。该网络结构可能包含几个相对独立的子系统，各子系统内部热源和热阱的总图位置比较接近、负荷能总体平衡、温位大体相配、源阱单元同步运行率较高、热阱特征基本相同、并具备一定的辅助补热和后冷条件。

4.3 建立各热水子系统

利用线性规划确定热水进出装置温度、热水流量，利用“夹点”技术设计网络结构，利用换热器优化选型技术选择热水换热器，利用换热网络分析技术优化的策略，实现热水热量梯级利用，最大限度降低后冷负荷，合理安置补热、后冷、监控等。

4.4 热水网络的系统分析

重点是热水子系统之间的关联和调剂以及事故条件或重大生产改变工况条件下的相互协调及策略等。

[1]田纯文等.实现装置热联合回收利用低温热.节能.2003.

[2]杨良玉.高油价形势下炼油企业面临的挑战和对策[J].当代石油石化.2007.