过程系统工程方法在炼油厂设计阶段节水优化中的应用

2017-07-03刘雪鹏北京圣金桥信息技术有限公司

石油石化节能 2017年6期

刘雪鹏（北京圣金桥信息技术有限公司）

刘雪鹏（北京圣金桥信息技术有限公司）

当前炼油化工企业已全面开展水系统优化工作，但对设计阶段的项目进行优化力度较小。本文采用过程系统工程方法，对处于初步设计阶段的某千万吨炼油厂进行水平衡计算和水网络优化，并对全厂水系统“七环节”的用水和排水进行分析，提出优化改进建议。设计单位重新调整设计内容后，该厂加工吨原油取水量由0.51 t降低到0.43 t，节水效果显著。

炼油厂；设计阶段；节水；优化

过程系统工程是一门综合性的边缘学科，它以处理物料—能量—资金—信息流的过程系统为研究对象，其核心功能是过程系统的组织、计划、协调、设计、控制和管理[1]。过程系统工程于20世纪60年代形成基本体系，并随着计算机的应用普及开始推广应用到各类过程工业部门，90年代后其开始应用在工业节水工作中。

过程系统工程方法已经广泛用于炼油化工企业的节水减排优化工作中，而且已经开始应用于煤化工等新兴化工企业[2-5]。目前设计院已经开始在设计阶段考虑节能节水[6]，但采用过程系统工程方法对尚处于设计阶段的炼化企业进行系统节水优化，本案例尚属首次应用。

1 节水减排的过程系统工程方法

炼化企业节水减排的过程系统工程方法是：水平衡测试→水网络系统集成优化→外排污水深度处理回用。从系统的角度考虑水的有效利用，将炼化企业的全部用水部门当成一个整体水网络来优化，考虑如何分配各用水单元的水量和水质，使水的重复利用率达到最大，同时废水排放量达到最小。

在设计阶段采用过程系统工程方法对全厂水系统进行优化分析，与运行中的企业相比，关键区别在以下两点：首先，所有水量及水质等数据都来源于设计单位的设计数据，是按照工艺理论和设计规范得出的数据，虽然也参考了同类工艺装置的实际运行数据，但仍留有设计余量，且不存在计量误差和泄漏损失；其次，优化分析后得出的改造方案建议，不需要企业再次申请投资，可直接应用于设计工作，由设计单位调整原设计内容，从工厂建设初始阶段就保障了企业的用水节水的先进性。

2 过程系统工程方法的应用

2.1 水平衡计算

在水平衡计算阶段，汇总该炼油厂各套生产装置及辅助部门的设计数据，以代替水平衡测试数据。该新建炼油厂用水技术经济指标现状与GB/T 26926—2011《节水型企业石油炼制行业》对比情况见表1。

表1 某新建炼油厂用水计算经济指标对照

由表1可知，该新建炼油厂用水技术经济指标中，重复利用率、含硫污水汽提净化水回用率、加工吨原油取水量、加工吨原油排水量和污（废）水回用率均优于国家节水型企业考核标准；但循环水浓缩倍数和软化水除盐水制取系数未达到国家节水型企业考核标准。总体来说，该项目用水现状总体处于达标水平，还存在一定的节水优化潜力。

2.2水网络系统集成优化

该炼油厂的水网络集成优化分析，主要集中在厂内净化水回用上。该厂净化水回用率设计为78.7%，优于《节水型企业石油炼制行业》中要求大于60%的水平，但仍有部分净化水排到了污水处理装置。此外，催化裂化装置锅炉定连排污水水质也较一般污水要好，可以进行二次利用。利用夹点计算分析得出优化后的水网络如图1所示。

图1 水网络系统集成优化效果示意

1.3 外排污水深度处理回用

经过全厂水网络集成优化，提高了工业水重复利用率，同时减少了排向污水系统的污水。在此基础上，考虑外排污水深度处理制成中水的回用方案，可降低污水深度处理装置的设计规模和投资成本。

3 节水减排“七环节”优化

对于炼油化工企业来说，可将水系统分为七个环节，即水汽输送、制水、工艺水、循环水、蒸汽冷凝水、生活水、污水回用水。根据各个环节的特点并结合集成优化结果进行详细分析，以达到企业水系统的先进性和科学性。“七环节”优化分析步骤也是首次应用于设计阶段的炼油厂节水优化工作。

3.1 水汽输送系统优化

该炼油厂设计中，水输送管道材质的选取符合相关规范。但碳钢金属管材的使用量较大，设计的金属管道管材防腐方式，虽然也符合相关标准及规范，但长期运行后，管网的腐蚀泄漏问题还是会逐渐出现。建议设计中还应该考虑管道阴极保护，可进一步降低埋地金属管道的腐蚀速率，减少水输送管网的漏失量。

3.2 制水系统优化

1）制水系统工艺优化：该炼油厂除盐水制水工艺设计采用超滤反渗透加混床处理工艺，同时该厂不单独建设中压锅炉，中压蒸汽采用外购+余热锅炉自产模式。但除盐水装置处理规模考虑到开车阶段需求大等原因，处理规模设计较大，稳定工况下超滤反渗透系统将有75%处于闲置状态。根据生产经验，反渗透膜只要通水试运行以后，即使闲置，其寿命也将不断减短，造成项目投资浪费。同时该厂新鲜水水质较好，水中总溶固在178～458 mg/L之间，完全可以采用离子交换工艺制水。建议设计改用离子交换工艺替代超滤反渗透工艺，每小时可节省新鲜水量66 t。

2）锅炉排污水优化及改进：该炼油厂部分余热锅炉排污率设计较高，高于GB/T 1576—2008《工业锅炉水质》中排污率≤2%的要求。建议调整设计排污率，每小时可节省新鲜水量4.78 t。

3.3 工艺水系统优化

根据水网络系统集成优化结果，建议该炼油厂调整加氢装置空冷前注水设计内容，同时考虑到加氢装置回用净化水导致的铵盐结晶风险，建议用净化水搀兑除盐水作为注水，减少除盐水用量，同时减少净化水的排污量。

净化水的主要回用设备有柴油加氢精制空冷器、柴油加氢改质空冷器、催化汽油加氢空冷器、焦化富气空冷器和焦化液化气水洗分离器。该项设计内容优化后，每小时可减少除盐水用量27.6 t，同时将净化水排污量减少至每小时14.59 t。

3.4 循环水系统优化

1）循环水系统补水优化：该炼油厂设计循环水场的补水由新鲜水、回用水等构成，回用水水质比新鲜水水质好，并优于循环水场补水水质标准很多，甚至在一个数量级以上。

建议从回用水中取出一部分作为除盐水站制水所需的原水，剩余的回用水再作为循环水补水。同时，将除盐水站所用的新鲜水送到循环水场作为循环水补水，新鲜水水质比回用水差，但完全可以满足循环水补水要求。这样不仅实现了较合理的利用高品质水，而且可以减少除盐水系统生产负荷，降低反洗频率提高除盐水制水率。

2）循环水浓缩倍数优化：该炼油厂循环水场浓缩倍数设计为N=3，未达到炼油循环水场浓缩倍数N≥4的考核要求。建议循环水场将循环水设计浓缩倍数提高到N≥4。同时，设计单位对该炼油厂循环水场设计时参考的气候条件错误，凉水塔蒸发量设计偏小，建议重新调整凉水塔蒸发系数。设计调整后，每小时可减少新鲜水补水量及循环水排污量各18.72 t。

3）循环水中油份在线监测优化：炼油装置在实际生产过程中，由于生产装置换热器不可避免会发生漏油现象，导致循环水被污染，从而需要利用新鲜水对循环水场的循环水进行置换，排放大量的循环水，对污水处理装置的正常运行造成冲击；同时也造成了循环水补水及药剂的浪费。

该炼油厂设计中未考虑循环水系统漏油监测，建议炼油装置循环水回水管线上安装在线油份监测仪及远传报警系统，实时监测循环水回水中的油份浓度。同时配套便携式油份检测仪，检测漏油现象，出现换热器漏油后，及时进行管线切换，降低换热器泄漏对循环水系统的污染危害程度。

4）循环水中COD在线监测优化：实际生产中，硫磺回收装置存在含硫污水及净化水中氨氮超标风险，净化水在冷却过程中会存在泄漏进循环水的情况，从而会导致循环水场中集水池氨氮含量上升，对细菌滋生产生影响。目前对氨氮含量的监测也是人工取样化验的手段，时间滞后十分严重，泄漏点排查较为困难。

建议设计中硫磺回收装置循环水回水总管上加装1台TOC分析仪，及时分析硫磺装置循环水回水中COD的含量变化，从而判断是否发生泄漏，避免泄漏时有机物及氨氮进入回水，影响循环水系统正常运行。

3.5 冷凝水系统优化

该炼油厂设计内容中，冷凝水在进入冷凝水处理装置前设置了pH值、电导和TOC在线分析仪表，合格的工艺冷凝水回收至除盐水站处理后，再与除油除铁后的透平冷凝水一起进入混床处理，最后作为脱盐水使用。经检测不合格的冷凝水排入事故冷凝水罐。该回收工艺设计尚存在不足之处，虽然在冷凝水处理前设置了水质监测分析仪，但当某一个装置的冷凝水被严重污染时，由于该股冷凝水没有单独的水质监测，会导致冷凝水汇总后，使其他清洁冷凝水也被污染而无法进行回收利用，造成冷凝水的浪费。

建议设计中对冷凝水回收量较大的装置，在其冷凝水回收线上分别安装水质监测分析仪，并配备增加冷凝水切换阀门、管线等。当冷凝水水质不合格时，直接进行切换排放，从而避免与其他装置冷凝水混合污染。此外，建议对冷凝水处理工艺进行优化选择，适当提高冷凝水处理装置的允许进口油含量，将目前设计的进口水质TOC≤30 mg/L提高至50～80 mg/L，可以有效减少冷凝水的排放量。

3.6 生活水系统优化

国家正在提倡居民冲厕用水不再使用生活水，而是用中水或海水等水质较低的水来进行代替。该炼油厂在设计中并没有这方面的相关考虑，生活用水只有一条管网同时供给生活及冲厕用水，使用生活水管网的新鲜水作为冲厕用水属于高水低用的浪费现象。

建议设计中增加敷设一条输水管网供给冲厕用水，水源采用生产水代替外购的生活水，避免高水低用，并降低生活水的外购量，节约成本。

3.7 污水系统优化

该炼油厂设计中污水排放和收集为清污分流的方式，这种设计适合采用含盐污水和含油污水单独处理工艺;然后对含油污水进行适度处理回用，对含盐污水进行深度处理回用,这样可减小污水深度处理装置设计规模，减少投资。但该炼油厂目前所设计的污水处理方式为“全混”处理+深度处理组合工艺，而且已不能改动。

建议设计中为循环水场排污水适度处理系统预留空间，为今后的工艺改造提供基础条件。循环水场排污水相对较干净，适度除盐处理费用不高，运行成本只有0.7～1.0元/t水，节水量可观，经济也比较合算。循环水排污水直接处理回用后，使循环水系统最大程度独立运行，在一定程度上减轻了污水厂运行效果好坏产生的干扰，提高系统的安全性、管理的合理性。

3.8 小结

上述提出的优化改进建议，全部被设计单位采纳。通过改进设计中的除盐水制水工艺、降低锅炉排污率、提高净化水回用量、提高循环水浓缩倍数等内容，每小时节省新鲜水量119.86 t，全厂加工吨原油取水量由0.51 t降低到0.43 t，优于国家标准考核水平。

4 结论

1）对处于设计阶段的炼油厂采用过程系统工程方法进行水系统优化，真正做到了源头优化，从图纸阶段即保证了企业用水水平的先进性。

2）当前大型炼油厂设计普遍采用总体院拿总、分包院分头设计的方式开展，分包院重点关注的是工作符合设计规范，虽然已经开始在各自分包的范围内采取优化设计，但也是各自为战。这就要求总体院具有系统优化的能力，统一协调各分包院调整初始设计，达到设计项目的系统最优化。

3）随着各项节水国家标准和政策文件陆续出台，国家对工业企业节水减排工作要求的进一步加大，炼油化工作为节水减排重点关注行业，承担的压力显而易见。采用过程系统工程方法，从设计阶段优化企业全厂水系统，对企业的节水减排工作意义重大。该工作方法若推广到目前正在兴起的新型煤化工行业，对国家的节水减排工作将会产生深远影响。

[1]成思维，杨友麒.过程系统工程的昨天、今天和明天[J].天津大学学报，2007，40（3）：321-328.

[2]宏晓晶，刘雪鹏，吴盛文，等.过程系统工程方法在煤化工节水优化中的应用[J].工业水处理，2015，35（8）：107-109.

[3]陈鑫，夏蕾.水夹点技术在煤化工企业节水减排中的应用[J].石油石化节能与减排，2011（1）：33-40.

[4]鄢凯.煤化工园区单杂质水网络系统集成的探讨[J].山东化工，2016，45（16）：133-137.

[5]林长喜.大型煤化工项目节水技术进展和应用前景分析[J].煤炭加工与综合利用，2014（6）：58-67.

[6]朱元臣，栾新晓，朱超凡.某大型炼油工程设计采取的节水措施[J].工业用水与废水，2012，43（2）：64-66.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.009

2017-03-29

（编辑李发荣）