炼油企业低温热系统集成与优化

黄明富

（中国石油天然气股份有限公司规划总院，北京 100083）

炼油企业既是能源生产大户也是能耗大户，尽管近年来开展了大量节能工作，炼油综合能耗不断下降，但随着节能工作的持续与深入，节能空间越来越小，节能边际效益逐步降低；另外产品质量升级逐步展开，加工链不断延伸，增加了新的能耗，部分企业能耗不降反升。目前，我国常减压、催化裂化等部分装置能耗已处于国际先进水平；在新技术应用、公用工程系统优化等方面也投入了大量的精力，但低温热的优化利用仍处于薄弱环节。

通常将未被工艺过程直接利用，但在当前技术经济条件下仍具有利用价值的高于环境温度的低品位热量称为低温热。例如产品、分馏塔顶油气、中段循环油、蒸汽凝结水等，与工艺物流换热后剩余热量不能再被工艺过程所直接利用，同时还需采用空冷器或循环水冷却，但能通过热媒介质如除盐水或除氧水回收后集成用于低温位的热阱。炼油企业低温热的温度范围一般为70～150 ℃。

对国内十余家炼油企业低温热进行统计，对于加工量为5 Mt/a 的炼厂，低温热负荷约为60～100 MW，目前有效利用率仅为30%～70%，尤其是夏季利用率普遍不高，节能潜力巨大。为提高低温热的有效利用率，国内技术人员从利用方式、系统优化策略、优化利用技术等方面进行了大量研究[1-5]，取得显著成果。但是面对更为紧张的能源环境、更为苛刻的环保政策以及能量系统优化的新格局，必须以新的眼光重新对低温热进行系统集成与优化。

1 低温热利用现状分析

1.1 低温热源、热阱特点

炼油企业低温热源主要包括工艺物流如塔顶油气、中段循环、侧线产品、塔底产品、蒸汽凝结水和烟气等。低温热负荷较大的有催化裂化、加氢裂化、延迟焦化、常减压、制氢、溶剂脱沥青等装置。低温热源的特点为量大、分散、温位低，随工艺过程用能改进、换热网络优化、设备能效提高而减少，其中蒸汽凝结水携带的低温热冬季远大于夏季。

炼油企业低温热阱主要包括生产类热阱和生活类热阱，生产类热阱如轻烃分离装置再沸器、装置进料、生水、除盐水等加热场所，原油、中间原料和成品油罐区维温，管线伴热、溴化锂吸收式制冷、热泵、低温热发电等动力物流；生活类热阱如厂区和生活区采暖水、洗浴水等加热场所。相比低温热源，低温热阱更具有分散性，区域跨度更大，负荷随季节性变化更加明显。

1.2 低温热利用的主要问题

（1）部分低温热源难于取出。例如加氢装置反应产物和制氢装置中变气温位高、热量大，是理想的低温热源；但这些物流压力高、硫含量和氢气浓度高，回收新增换热器成本高，投资回报率低，并且存在换热器泄露、腐蚀等安全隐患。

（2）低温热源负荷大于热阱需求。国内炼油企业面临一个普遍问题是低温热源负荷大于热阱需求，夏季尤为突出。大量的低温热取出后找不到合适的热阱，只能通过空冷或水冷冷却。

（3）低温热阱负荷冬季大于夏季。冬季低温热阱负荷较夏季负荷大的多，主要表现在采暖、部分油品管线伴热、罐区维温为季节性热阱，生水和除盐水加热负荷受季节影响也较大。

（4）距离长难以输送。低温热系统通常会采用热媒介质如除盐水或除氧水来集成热源的热量，再将携带的热量分配给各个热阱用户。由于热媒介质温度和压力都不高，输送距离很难长远，否则需要加强保温与提高泵出口压力，经济上不合理。

（5）低温热系统分散，缺乏集成。部分企业低温热系统存在随机匹配的现象，一般本着就近，热源与热阱匹配相对单一的原则，通常两、三个热源和热阱就构成一个低温热系统。有的企业同时有七、八个低温热系统在运行，例如催化裂化装置产生的低温热只送往气体分馏装置，各装置产生的低温热只用于该装置油品管线伴热和办公区域采暖等。

2 低温热利用途径及评价

2.1 同级利用

2.1.1 轻烃装置加热

气体分馏、烷基化和MTBE等装置的原料和部分分馏塔底再沸器加热，这些低温热阱由于负荷稳定、量大，且温位较低，是炼油企业应优先考虑利用的低温热阱，热量利用效率高，效益显著。

2.1.2 生水除盐水预热

企业热电站产汽用的给水预热，包括两个温度段：1）生水预热，自水源温度加热到除盐操作温度，一般为5～35 ℃；2）除盐水预热，自除盐温度加热到除氧前的某一温度。生水和除盐水预热负荷大且随季节变化不大，温位较低尤其是生水预热，是炼油企业非常重要的低温热阱，热量利用效率高，效益显著。

2.1.3 油品罐区维温

原油、中间原料和成品油罐为防止冻凝需要维持在一定的温度范围内，一般原油罐区温度维持在20～40 ℃，中间原料罐温度维持在50～90 ℃。罐区维温通常采用内置盘管加热的方式来实现，也可通过在油品进罐前设置加热器的方式。油品罐区维温负荷普遍不大，且受季节影响，重油罐区维温温度较高，低温热通常难于满足；油品罐区分散，区域跨度较大，利用低温热进行油品罐区维温应详细分析经济可行性。

2.1.4 装置油品管线伴热

装置油品管线伴热热阱负荷受季节影响明显，冬季负荷远大于夏季，部分油品管线夏季甚至不需要伴热。因冬季伴热负荷大，采用低温热替代蒸汽进行伴热通常具有明显的节能效果；但管线伴热热源由蒸汽改为低温热改造工程量较大。另外，重油管线温度高，采用低温热伴热难于满足。

2.1.5 采暖水加热

生活区和办公区采暖水为循环使用，温度一般为50～75 ℃，采暖水加热负荷巨大，温位较低，是理想的低温热阱，但严重受制于季节，一般采暖季只有4～6个月，低温热利用效率为30%～50%。利用低温热加热生活区采暖水应同时考虑输送距离、管线散热，详细分析经济可行性。

2.2 升级利用

2.2.1 热泵

利用热泵需要从系统全局考虑，只有将全局夹点以下温位的热量升级为全局夹点以上温位的热量，效果才更加明显，如图1，否则公用工程的消耗不会减少。目前，国内炼油企业低温热采用热泵升温利用案例较少，部分企业气体分馏装置采用热泵将丙烯塔顶物流升温作为塔底再沸器热源，部分企业利用热泵产生0.3 MPa的蒸汽，效益比较显著。

图1 热泵经济应用

2.2.2 制冷

炼油企业低温热制冷主要采用溴化锂吸收的方式，产生约7 ℃的冷冻水，通常机组热效率可达到70%～80%，冷冻水一是用于生产过程，如降低催化裂化吸收稳定系统的吸收塔顶温度、气体分馏装置的丙烯塔顶温度，多回收轻烃，取代乙二醇装置蒸汽制冷等；二是作为办公区中央空调的冷源节约用电。利用低温热驱动溴化锂制冷用于中央空调具有季节性，且机组会消耗大量的循环水，需要综合考虑循环水厂的能力，在夏季低温热源过剩时，可以考虑使用。

2.2.3 发电

低温热发电有两种方式，一是热水扩容，二是有机朗肯循环或卡琳娜循环，但是由于低温热温度不高，用于发电的效率通常只有7%～12%。目前热水扩容发电已经很少使用。有机朗肯循环需要热水温度达到120 ℃以上经济上才较为合理。

综上，低温热利用的优先级通常为轻烃装置加热、生水除盐水加热、采暖水加热、制冷用于工艺、油品罐区维温、油品管线伴热、制冷用于中央空调、有机朗肯发电、热泵和热水扩容发电。

3 低温热利用策略

3.1 系统优化

按照“三环节”能量流结构模型，低温热利用属于能量回收环节，与能量转化环节和能量利用环节联系紧密。在此基础上，陈清林等人[6]本着从装置和局部到系统全局的思想，又提出了石化企业分段递进式协同优化策略，流程见图2。

图2 分段递进式协同优化流程

低温热综合利用优化是石化企业能量系统优化中的关键一环，与其他环节紧密关联。增加复杂分馏塔高温位取热量，优化换热网络，上下游装置采用热供料后，低温热产生量将减少。优化储罐的运行方式，以低温热为热源的维温负荷将减少。低温热利用大部分是用来顶替低压蒸汽，优化后需要调整蒸汽动力系统的运行方式或结构才能最终节约一次能源。因而，低温热的优化利用需要从系统全局来统筹考虑。

3.2 科学用能

遵循“温度对口，梯级利用”科学用能原则，降低效能损失。低温热系统包括取热和用热两套换热网络，及连结两者的辅组系统如缓冲罐、泵、加热器、冷却器等，两套换热网络之间的耦合性强。通过热媒水连接取热和用热两套换热网络，需要按照热源、热阱的温位特点，科学的合成两套换热网络。

热媒水循环量、上水和回水温度的确定是重要内容。首先，将热源、热阱物流按照“夹点技术”复合曲线的方式分别复合成为热源曲线和热阱曲线；其次，移动热阱曲线使其右端与热源曲线的右端横向对齐；再在热源曲线、热阱曲线横向对齐线上选择一点作为热媒水的出水温度，需考虑两套换热网络传热温差，同时温度不宜过高，以避免氧腐蚀；然后，在热阱曲线左边，根据热媒水负荷适当大于热阱负荷的方法同时考虑两套换热网络传热温差，选取一点作为热媒水的回收温度；最后，根据热媒水的负荷和温差计算得出热媒水循环量，如图3所示。

图3 热媒水循环量、上水、回水温度确定

3.3 技术经济优化

低温热系统的特点之一就是热源与热阱随原料种类、加工负荷、生产方案和季节的变化而变化。低温热利用时应优先考虑能够长期稳定运行、负荷大的用户，先生产后生活，先厂内后厂外。在低温热系统中应设置缓冲系统，保证热媒水流量和压力的稳定。为使低温热系统具有一定的操作弹性，热媒水取热之后应有补热措施、回水之后应有后冷措施，保证温度稳定，热源与热阱在低温热系统停运时应有应急措施。根据炼油企业实际低温热源和热阱的特点计算效益与投资，综合评价后确定可纳入到热水系统中的热源和热阱。按照目前技术发展趋势，未来低温热系统将朝着大型化、集成化方向发展。

4 低温热系统集成与优化

4.1 集成步骤

低温热系统的集成一般步骤如下：

（1）全厂低温热源普查。在能量系统优化基础上，对炼油企业可能回收的低温热源进行调研，可借助流程模拟等手段，初步计算物流出换热器温度到80 ℃之间的热负荷作为低温热。

（2）低温热阱普查。在全局范围内深入挖掘可利用的热阱资源，如该文第2节所举例。

（3）低温热优化利用子系统的确定。根据低温热源、热阱的特点、负荷、分布等将全厂低温热利用分为一个或几个低温热系统，确定各系统热源和对应的热阱。

（4）各低温热子系统热媒水循环量、出水、回水温度确定。

（5）各低温热子系统的低温热换热网络合成。根据热媒水流量、温差、立面、平面布局等，按照科学用能和热媒水管线尽可能短且不在装置之间来回反复等原则，合成初始的“热源—热媒水”换热网络，再反复对比、核算形成最终换热网络。同理合成“热媒水—热阱”换热网络。然后通过设置热媒水缓冲罐、循环泵、加热器、冷却器、管线、仪表等合成低温热系统。

（6）各热水系统之间的柔性调节。根据实际情况设置各热源、热阱在各热水子系统之间进行连通，设置低温热系统停运时热源冷却、热阱加热的应急措施，增强操作弹性。

4.2 操作优化

低温热系统的操作优化主要包含热媒水回水温度、循环量，各支路流量分配、加热蒸汽量和泵运行等方面。

回水温度偏高可能由系统后冷负荷降低所致，此时会造成低温热取热量降低，装置冷却负荷加大，热媒水上水温度过高，设备和管线的氧腐蚀加重等情况；热媒水出水温度低，需要加大补热蒸汽量。因而需综合考虑两套换热网络的传热温差，合理确定出、回水温度。

在一定的回水温度下，热媒水循环量与出水温度高低密切相关，循环量越大出水温度越低，反之则相反，应根据实际热源、热阱的温位和负荷情况，合理优化热媒水循环量。

热媒水流量分配优化包括取热热媒水流量分配和供热热媒水流量分配两方面，均应根据传热温差、热负荷以及各路热媒水出口温度基本一致的原则进行优化。

低温热系统在热媒水出水集合总管线或支路上会设有蒸汽加热器。优化主要是综合回水温度及热媒水循环量提高出水温度，并根据热阱用户具体情况适当调节加热蒸汽用量。

在热阱负荷夏季与冬季相差较大的情况下，可停运其中一台循环泵或采用变频等降低热媒水循环量。低温热系统补水量应根据系统压力进行调节，补水泵应设置变频调节措施。

5 实例

5.1 问题分析

某5 Mt/a 炼油企业有常减压、溶剂脱沥青和催化裂化装置3 套独立的低温热系统。其中常减压装置通过热媒水回收低温热9.07 MW，全部通过循环水冷却；溶剂脱沥青装置通过热媒水回收低温热21.62 MW，全部通过空冷冷却；催化裂化装置通过热媒水回收低温热21.72 MW，用于气体分馏装置加热，仍有15.52 MW的低温热没有得到回收利用。另一方面，企业仍有大量低温热阱没得到挖掘利用，例如生活区、厂区采暖水和洗浴水仍在利用中压蒸汽加热，原油维温和装置伴热仍在利用低压蒸汽，动力站除盐水进入除氧器温度只有50～60 ℃，消耗大量低压蒸汽除氧，装置伴热仍在利用低压蒸汽，合计冬季低温热阱为30.54 MW，夏季低温热阱为6.85 MW。该企业低温热系统存在的主要问题为：1）装置为逐步改扩建，装置与装置、装置与系统之间热集成程度差，导致整体低温热过剩；2）没有充分挖掘低温热用户；3）冬季与夏季低温热阱差异较大。

5.2 解决方案

从企业全局出发优化低温热及相关系统，使热量做到“温度对口、梯级利用”，最终减少公用工程消耗。采取的具体主要措施为：1）将催化顶循与气体分馏装置脱丙烷塔进行热联合，一中返塔温度调节换热器由产生热水改为发生低压蒸汽，减少低温热产生，增加低温热与动力站除盐水换热流程；2）将常减压装置低温热用于常减压、加氢裂化和制氢装置管线伴热；3）将溶剂脱沥青装置低温热冬季用于生活区、厂区采暖水和洗浴水加热以及原油罐区维温热源，夏季作为有机朗肯循环发电的热源；4）根据低温热替代后的新的蒸汽平衡，调整热电站锅炉负荷和抽凝式透平运行方式，最终节约燃料并增加发电量。预计项目总投资8 000万元。

催化裂化装置低温热改造后流程如图4 所示，在生水换热器之前增加了热媒水与除盐水换热流程，可根据具体氧腐蚀情况适当调节换热器EN1/AB 旁路热水量控制除盐水的换后温度，热媒水的出水、回水温度、循环量按照3.2 小节方法确定。当低温热源不足时优先满足其它热阱需求，将热媒水—除盐水换热负荷作为一种调节手段。

图4 催化裂化装置低温热系统改造后流程

溶剂脱沥青装置低温热系统改造后冬季流程见图5，低温热取出后经泵分别送往采暖和原油罐区维温，热媒水的出水、回水温度、循环量按照3.2小节方法确定。夏季产生138 ℃的热水作为有机朗肯循环发电的热源，回水温度控制在110 ℃，热媒水循环量为600 t/h，发电机组装机功率3 500 kW，发电量3 100 kW，净发电量2 500 kW，净发电率达到12%。

图5 溶剂脱沥青装置低温热系统改造后冬季流程

5.3 实施效果

通过低温热系统集成与优化冬季工况预计节约燃料气1.57 t/h，增加发电1 500 kW，减少除盐水消耗10 t/h；夏季工况预计可增加发电7 500 kW，增加循环水消耗10 t/h。全年冬季工况按4个月，夏季工况按8个月计算，预计可节约燃料4 396 t，增加发电4 620×104kW·h，增加除盐水消耗84 000 t，节能20 641 tec，节约成本3 166万元/年，效益显著。

6 结论

炼油企业有大量低温热分散在各装置和系统中，回收并有效利用这些热量可大幅度降低企业能耗，提高经济效益。低温热因负荷大、分散，随生产过程变化而变化，与季节关联性强等原因难以有效利用。为优化低温热系统和提高低温热的利用率，应首先通过优化生产过程减少低温热的负荷，再充分挖掘各类热阱，并根据系统优化、科学用能和技术经济优化的策略，遵循新建或改造低温热系统的一般步骤集成低温热系统，然后对集成的低温热系统进行操作优化，最后通过调整蒸汽动力系统的运行方式、管网结构、蒸汽锅炉负荷等降低终端能源消耗。