炼油厂工艺装置间互供料节能控制研究

2014-09-10林洪俊

石油化工自动化 2014年2期

林洪俊

(中国石油工程建设公司，山东青岛 266071)

节能是炼油厂建设的前提条件，也是炼油厂运营状况的重要指标，同时也是炼油厂生存的必要条件。由于受传统设计观念影响及传统操作模式的限制，其节能设计多注重于微观研究，习惯于从装置内部挖潜。如：换热流程优化，工艺设备改进，把工艺装置分成一个个能量“孤岛”。如果跳出“孤岛”，从宏观角度可以发现还有广阔节能空间，其中在工艺装置间互供料方面就蕴藏着很大的节能潜力。

近几年，在装置间互供料方面的节能途径逐渐被认识，并在炼油工程中被尝试。但由于装置间互供料涉及到多个装置的平稳操作和安全运行，如果没有一套完备的控制方案，会带来严重的后果，实际经验教训也充分证明了这一点。笔者近年来通过调查研究、工程设计、实际应用，对此有深刻的体会，总结了一些经验与教训与同行分享。

1 传统炼油厂装置间供料流程及控制方案

传统炼油厂装置间互供料方式为间接供料，典型控制流程如图1所示。

上游装置高温物料先经换热器与装置内低温物料换热，再经水冷器或空冷器冷却到中间罐区允许温度，经过调节阀减压至装置边界要求压力，输送至中间罐区。从中间罐区经泵把物料升压，送到下游装置的进料缓冲罐。由下游装置进料泵再升压，经换热器、加热炉升温后，送入反应器或分馏塔。在上游装置出口处，如果物料出自分馏塔塔底，则设塔底液位控制回路，如图1所示；如果物料出自侧线汽提塔塔底，则设汽提塔塔底出料流量控制回路，图1中省略。在下游装置的进口处，设进料缓冲罐液位控制回路，如图1所示。另外，进料泵后还要设流量控制回路，控制下游装置处理量，图1中省略。

图1 传统炼油厂装置间供料典型控制流程示意

中间罐一般为常温罐，只有重质油罐为热罐，温度稍高于凝点，日常靠外引蒸汽加热维持温度。同时，中间罐一般为常压罐，只有液化气罐、丙烯罐等为压力罐。物料出装置边界压力用于克服管路压力、罐内液体静压、氮封压力。

从以上过程可以看出能量变化情况：在压力势能变化方面，从上游装置到下游装置压力先由高到底，再由低到高，前者造成压力势能浪费，后者又需额外补充压力势能。在热能变化方面，从上游装置到下游装置，温度先由高到低，再从低到高，前者经冷却器造成热量浪费，后者又需额外补充热量。

由此可见，该方案存在大量能量的浪费。尽管如此，目前炼油厂仍在普遍使用该方案，其主要原因是上下游装置间为间接供料，中间罐区有足够的缓冲空间，上下装置间耦合度很小，操作简单，但这无疑是低水平的运行模式。

目前，有些生产厂为了避免或降低上述过程中热能的损失，尝试过采用热罐技术，即中间罐区采用高温罐，实现热进热出。但是受罐体材料、制造技术、罐体基础、消防技术、投资效益等限制，罐体温度不能太高。因此，即使采用热罐，仍存在热能损失。另外，热罐还需要外部蒸汽加热维温，需要耗能；热罐技术仍然不能避免压力势能的浪费。因此，热罐技术虽能节能，但还很不完善。

2 节能型装置间供料流程及控制方案

2.1 概述

从上述传统的装置间供料流程可以看出，如果上游装置的物料不减温、减压，不经过中间罐，直接送到下游装置，即直接供料，会节约大量的能量。但直接供料也将使上下游装置间耦合度大幅增加，这无疑会给装置平稳操作带来困难，给安全生产带来隐患。因此，直接供料应充分考虑各种工况的需求，如：开停工过程、负荷变化、设备故障、应急处理等。为此需要设计完备的控制流程，使其能自动适应工况需求。

2.2 工艺要求

装置间直接供料的工艺基本要求：

1)安全、平稳、长周期运行。

2)设少量的中间罐，满足开停工需要，满足物料平衡需求。

3)开工工况：上游装置的出料全部去中间罐区；下游装置的进料全部来自中间罐区。

4)正常工况：下游装置80%的进料直接来自上游装置的热出料，20%的进料为经中间罐区来的冷进料。以上冷热料进料比例为2∶8是设计工况，可根据操作水平，减少冷进料，提升节能水平。

5)理想工况：下游装置的进料100%来自上游装置的热出料。

6)上游装置的出料控制权在上游装置，下游装置的操作不能直接干扰上游装置的顺利出料。

7)下游装置的进料控制权在下游装置，上游装置的操作不能直接干扰下游装置的顺利进料。

2.3 工艺流程与控制方案

根据上游装置出料流程情况，笔者把装置间直接供料工艺流程与控制方案分为两种典型模式：模式A为上游装置主分馏塔塔底物料去下游装置；模式B为上游装置主分馏塔的侧线汽提塔塔底物料去下游装置。

2.3.1模式A

模式A控制流程如图2所示。控制方案说明如下：

1)上游装置主分馏塔设塔底液位控制回路，以保证上游装置主分馏塔液位被可靠控制。液位调节阀须设在塔底出料总管上。该调节阀不能设在去中间罐区的冷料管线上，否则在冷料较少时，该调节阀不能有效调节分馏塔液位；该调节阀也不能设在去下游装置的热料管线上，否则造成下游装置进料大幅波动，下游装置不能安全平稳运行。液位调节阀须设在出料换热器后，不应设在换热器前，因为换热器后介质温度低，可降低对调节阀的要求，降低投资。

图2 装置间直接供料模式A控制流程示意

2)上游装置分馏塔液位调节阀后，塔底出料分成两路：一路经冷却器去中间罐区，称为冷料；另一路未经冷却器去下游装置，称为热料。冷料管线设压力控制回路，当下游装置热进料减少时，使压力升高，压力调节阀将自动增大开度，保证上游装置能顺畅出料；当下游装置热进料增大时，使压力减小，压力调节阀将自动减小开度，保证下游装置热进料流量。

由于装置开工时，为简化操作，上游物料全部为冷料去中间罐区，而正常状态时仅有20%或更少的冷物料，显然设在冷料管线上的1个压力调节阀其可调范围是不能满足全工况需求的，需要设置一大一小2个调节阀，采用分程控制，量小时自动选用小阀，量大时自动启用大阀。

3)下游装置进料缓冲罐设液位控制回路，调节阀设在冷进料管线上。由于装置开工时，为简化操作，下游装置进料全部为冷料，而正常状态时仅有20%或更少的冷进料，显然设在冷料管线上的1个液位控制阀其可调范围是不能满足要求的，也需要设置一大一小2个调节阀，采用分程控制，量小时自动选用小阀，量大时自动启用大阀。

4)下游装置热料管线设遥控阀。开工时，下游装置进料全部来自中间罐区，缓冲罐液位通过冷进料液位调节阀自动控制在允许范围内。然后，逐渐增大热料管线遥控阀的开度，冷进料调节阀的开度会自动减小。以此方法，直至热进料与冷进料达到可操控的比例。理想状态全部进料为热料。

从上述过程可以看出，该控制方案可以满足开工、正常运行、理想状态等各种工况。

2.3.2模式B

模式B与模式A的区别在于上游装置出料控制方案不同：模式A是主分馏塔塔底液位定值控制；模式B是侧线汽提塔塔底出料流量定值控制，这是总体控制流程决定的，在此不细述。除此之外，模式B与模式A控制方案相同，不再赘述。