硫酸法烷基化装置蒸汽梯级利用的节能与经济性分析

徐令宝 许步建 刘春阳

(中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071)

能源梯级利用是能源合理利用的一种方式，不管是一次能源还是余能资源，均应按其品位逐级加以利用。在热电联产系统中，高、中参数蒸汽先用来发电，低温余热用来向住宅供热。所谓能源品位的高低，是用可转换为机械功的大小来度量的。由于热能不可能全部转换为机械能，因此与机械能、电能相比，其品位较低。热-功转换效率与温度高低有关，高温热能的品位高于低温热能。一切不可逆过程均朝着降低能源品位的方向进行。能源的梯级利用可以提高整个系统的能源利用效率，是节能的重要措施[1-2]。

蒸汽在不同压力和温度下所处的能级不同，蒸汽的能级越高，其做功的能力越强，品位越高；且蒸汽在用过之后，还可以继续降级使用，用的次数越多，能源利用得越充分[3]。硫酸法烷基化装置中制冷压缩机单台设备用电负荷约占全装置用电负荷的50%，在工艺设计阶段将蒸汽梯级利用与装置用电结构优化结合起来考虑，对全装置节能降耗起到至关重要的作用。

1 蒸汽梯级利用的必要性分析

现状蒸汽管网的设计原则是“以汽定电，合理使用一次能源，减少燃料消耗”。3.5 MPa蒸汽管网由催化裂化装置和动力站保证供应；1.0 MPa管网由催化裂化装置、连续重整装置、柴油加氢改质装置供应，不足部分通过抽凝汽轮发电机组调节。烷基化装置涉及物料为C2～C8烃类，装置内各分馏塔底再沸器均需采用蒸汽为热源，同时制冷压缩机功率占全装置用电功率的一半左右。因此，有必要结合蒸汽管网现状和烷基化装置用能特点研究装置内蒸汽梯级利用。

炼厂新建烷基化装置后，全厂蒸汽平衡情况见表1。

由表1可以看出：3.5 MPa和1.0 MPa蒸汽管网的平衡是通过抽凝汽轮发电机组发电来实现的，即1.0 MPa蒸汽不足时，通过抽凝汽轮发电机组把3.5 MPa蒸汽转化为1.0 MPa蒸汽。新建烷基化装置前，抽凝汽轮机负荷满足全厂蒸汽平衡；新建烷基化装置后，如果烷基化装置再沸器蒸汽全部由1.0 MPa蒸汽管网供应，势必增大抽凝汽轮发电机组负荷，可能导致公用工程改造。此外，蒸汽发电相比直接采用锅炉汽做功，效率会大打折扣，造成能源浪费，考虑如何降低全厂1.0 MPa蒸汽用量迫在眉睫。

表1 全厂冬季、夏季工况蒸汽平衡 t/h

表1数据显示：烷基化装置采用蒸汽先做功再加热的梯级利用方式后，制冷压缩机汽轮机蒸汽耗量为20 t/h，背压1.0 MPa蒸汽自用后外送6.8 t/h至管网。该厂1.0 MPa管网蒸汽来源主要为柴油加氢改质装置、连续重整装置和催化裂化装置，不足部分由抽凝汽轮发电机组补充。冬季工况下，抽凝汽轮发电机组产汽占1.0 MPa管网的41%，占动力站总产汽量的57%；夏季工况下，抽凝汽轮发电机组产汽占1.0 MPa管网的29%，占动力站总产汽量的44%。由此可见，即便烷基化采用汽轮机，抽凝汽轮发电机组依然是调节蒸汽管网平衡的重要手段。从尽量不改造公用工程、不增加投资的角度考虑，装置内采用蒸汽梯级利用，减少1.0 MPa蒸汽消耗的方案更合理。

2 制冷压缩机驱动方案对比研究

2.1 不同驱动方式对工艺过程的影响

制冷压缩机如采用电驱动，需要单独配置高压变频器、齿轮箱、开关柜等。分馏塔再沸器蒸汽合计用量为23.99 t/h(详细设计值)，均需引自1.0 MPa管网。根据前述全厂蒸汽平衡情况，所需1.0 MPa蒸汽均需通过抽凝汽轮发电机组“被迫”发电补充低压蒸汽，导致蒸汽用能不科学。

制冷压缩机如采用蒸汽驱动，3.5 MPa蒸汽通过制冷压缩机汽轮机做功后，背压至1.0 MPa继续作为分馏塔再沸器热源，不足部分再从管网补充。再沸后的凝结水经冷却后统一回收至凝结水罐，最后泵送至界区凝结水管网。蒸汽的使用符合梯级利用原理，对全厂及装置节能会产出积极影响。

2.2 不同驱动方式对装置能耗的影响

不同驱动方式能耗对比详见表2(装置规模为160 kt/a)。

表2 不同驱动方式能耗对比

电驱动方案，再沸器蒸汽(1.0 MPa)全部来自管网，电和蒸汽单位能耗4 633.400 MJ/t；蒸汽驱动方案，再沸器蒸汽绝大部分来自汽轮机背压蒸汽，只有2.38 t/h来自管网，电和蒸汽两部分单位能耗为4 577.181 MJ/t。采用蒸汽驱动时装置能耗减少约56.229 MJ/t，略占优势。

2.3 不同驱动方式对一次性投资和操作费用的影响

国内知名压缩机及汽轮机厂家对350 kt/a烷基化制冷压缩机方案报价对比见表3。

表3 电驱动与蒸汽驱动关键设备投资对比

由表3可见：对于350 kt/a规模烷基化装置，蒸汽驱动方案略占优势，投资节省4%，与130 kt/a烷基化装置相比，两方案一次性投资绝对值相差不大。

采用厂内公用工程单价，对比两种方案操作费用，详见表4。

表4 操作费用对比

由表4可见:电驱动方案由于装置塔底再沸器蒸汽用量大，导致蒸汽费用占总费用的80%，占比较大；蒸汽驱动方案背压获得的低压蒸汽在装置自用，少量不足部分由管网补充，可以获得比较明显的经济效益，每年节约操作费用约217万元。

综合考虑节能、一次性投资和操作费用的对比情况，该装置采用蒸汽驱动方案。需要说明的是，3.5 MPa蒸汽和1.0 MPa蒸汽价格差对方案的整体对比结果会产生重要影响。假如3.5 MPa蒸汽价格为167元/t，两个方案操作费用持平。因此，在项目设计过程中，由于不同炼厂用能情况、公用工程单价、规模等都各具特点，需具体分析才能得到最优结果，而不能一概而论，盲目套用。

3 蒸汽梯级利用配套流程设计

汽轮机背压后的蒸汽量占装置再沸器总蒸汽需求的90%(见表2)，在装置节能降耗乃至全厂蒸汽高效利用方面均有突出贡献。因此，如何从工艺流程设计上保证汽轮机和再沸器稳定运行也不容忽视。本项目对装置内蒸汽-汽轮机-再沸器-凝结水流程做了细致规划。

烷基化装置蒸汽-凝结水系统流程示意见图1。如图1所示,汽轮机进出口分别连接3.5 MPa和1.0 MPa蒸汽管网，这种流程的优势主要体现在：(1)汽轮机进出口均与管网相连，汽轮机进出口蒸汽压力和温度稳定，充分保证汽轮机的安全稳定运行；(2)装置内的再沸器热源从汽轮机背压蒸汽侧引出，保证再沸器热源的稳定，可以充分利用汽轮机背压后的低压蒸汽，背压蒸汽不足时，会自动从1.0 MPa蒸汽管网补充，保证了分馏塔热源的稳定。该部分流程设计是汽轮机方案的画龙点睛之笔，流程虽不复杂，却起到非常重要的保障作用。

再沸后的凝结水在装置内汇总并经水冷(投资不受限时，可以采用空冷器)冷却后送至凝结水回收罐，最后泵送至装置界区。凝结水罐设置蒸汽捕集系统和压力控制系统，有效防止冬天出现“白雾”，保证蒸汽-凝结水系统压力平衡，物流稳定顺畅。

图1 烷基化装置蒸汽-凝结水系统流程示意

4 结语

中国石油庆阳石化公司130 kt/a烷基化装置通过对不同压力等级蒸汽的梯级利用，对装置节能、全厂蒸汽高效利用和全厂公用工程利旧方面均有突出贡献，年节约操作费用约217万元，经济效益显著。

鉴于不同炼厂蒸汽平衡组成、价格不同，该方案并不能简单地推而广之，但思路和方法值得借鉴。设计过程中应具体问题具体分析，“量体裁衣”，为企业做好工艺方案与经济性分析才能急企业之所需，成就好的设计。