裂解炉汽包连排变动规律及应用

薛魁 张国栋 黄超 白涛涛 丁少辉（中国石油独山子石化分公司）

1 背景介绍

排污率是炼化企业发汽设备的一个重要指标，一般定义为排污量除以汽包发汽量（专利商不同，该定义有略微差别）[1]。排污率过小，水中盐类等腐蚀性介质不易排出汽包，长期积聚会造成汽包结垢，甚至会带入上部蒸汽管线，导致透平结垢[2]。排污率过大，则会降低发汽设备的发汽量，给水用量增加，影响装置运行的经济性[3]，依据专利商不同的设计理念，乙烯装置裂解炉汽包的最大排污率，一般在1%～3%。某石化公司百万吨乙烯装置采用的是德国Linde专利技术，2006年建设，2009年投产，设计要求汽包的排污率最大不超过2%，由于SS及汽包连排线均未设计流量计，很长一段时间是利用物料平衡估算的方法来确定裂解炉汽包排污率。实际估算中，由于SS流量与锅炉给水流量（BFW）相差不大，汽包连排量又远小于SS发汽量，所以长时间采用连排量除以给水量来估算汽包排污率，估算得到汽包排污率长期处于2%以下，没有对工艺操作进行优化调整，造成能源浪费。2019年扩建后，装置高负荷生产，SS流量不足，裂解气压缩机蒸汽透平转速提升困难，怀疑汽包排污阀（角阀）存在冲蚀，导致汽包排污率过大[4]。文中利用数字模拟软件对汽包运行进行了模拟，发现了汽包连排变动规律，并总结出了汽包排污率快速确定法。装置利用准确的排污率，确定汽包连排角阀冲蚀严重，利用检修时机更换角阀，控制汽包排污率，降低了给水成本，增加了SS发汽量，提高了装置的运行经济性。

2 裂解炉汽包工艺描述

某百万吨乙烯装置设计有8台裂解炉，每台裂解炉配有一台汽包，用于回收高温裂解气热量，同时产生超高压蒸汽（SS），裂解炉汽包工艺流程见图1，红线为汽包的连排线。

图1 裂解炉汽包工艺简图Fig.1 Process diagram of steam drum of cracking furnace

15 MPa、110℃左右的锅炉给水在汽包液位调节阀的控制下，经裂解炉对流段预热至265℃左右后进入汽包，汽包中的饱和水在重力作用下进入线性急冷换热器（LQE），经与高温裂解气换热后发生超高压蒸汽（SS）[5]，并循环回汽包，饱和蒸汽SS自汽包顶部出来，进裂解炉对流段，与高温烟气进一步过热至515℃左右去用户。乙烯装置的裂解气压缩机透平是SS的最大用户，如果SS温度低或着流量小，对透平的运行都会产生很大的影响，会限制透平转速，从而影响装置的加工负荷。为了确保汽包及下游透平免于盐类结垢或腐蚀[6]，汽包在液面以下设计有连续排污线，8台汽包的连续排污线从各自汽包液面以下抽出，汇总为一条连排总线，在压力控制阀PV82002控制下进入下游超高压/高压凝液罐，进一步回收蒸汽和凝液。每台汽包的连续排污线设计有角阀，可对连续排污量进行节流，连排量的大小会直接影响汽包的发汽量和SS温度[7]。

3 连排变动的规律

Spyro乙烯裂解炉模拟软件是自由基机理的一款化工软件，是目前应用较为广泛的裂解炉优化模拟软件之一。主要应用于裂解原料的性能评价、裂解深度优化模拟，可以为主要产品如乙烯、丙烯、丁二烯等产品的收率、装置综合能耗以及物耗等提供数据支持。通过利用Spyro软件搭建裂解炉模型，连排变动对给水及SS的影响模拟数据见表1。

从表1数据分析，给水变动量除以排污变动量、SS变动量除以排污变动量的结果均为固定值。以连排变动量为x轴，绘制排污变动量与给水变动量及SS变动量之间的关系见图2。

图2 排污变动量与给水变动量及SS变动量之间的关系Fig.2 Relationship between discharge variability and feedwater variability and SS variability

表1 连排变动对给水及SS的影响模拟数据Tab.1 Simulation data on the impact of continuous discharge changes on feedwater and SS

模拟发现，随着连排增大，连排变动量与SS变动量、连排变动量与给水变动量呈直线关系，给水变动量与SS变动量呈反向变动，两条直线的斜率分别为0.581 6和-0.418 4。这两个斜率的实际意义是：当连排量增加为t值，待汽包给水及发汽系统稳定后，锅炉给水增加量为58.2%，SS量则会减少41.8%，反之亦然。这个生产规律计算公式为：

式中：ΔF为排污变动量，t；ΔW为给水变动量，t；ΔSS为超高压蒸汽(SS)变动量，t。

利用这个规律能很好地解释由于汽包连排变动带来的一些生产现象。当开大连排角阀时，单炉SS温度会有明显的增加，这是因为连排开大导致SS发汽量降低，在裂解炉负荷不变，风门未调整的情况下，流经对流段，经烟气过热的SS会由于流量减少，导致温度增加；当减小连排时，SS发汽量会增加，在裂解炉负荷及风门不变的情况下，SS经裂解炉对流段过热值会下降。所以，如果连排开的过大，会形成SS发汽量不足，SS温度会出现短期上升的现象。在装置高负荷运行中，当出现裂解气压缩机透平低压抽汽阀全开，机头SS压力低，转速无法提高时，说明SS蒸汽流量不足，就必须要检查影响SS发汽量的各因素变化，其中汽包连排量应该是一个很重要的检查内容。

4 连排变动规律的应用

汽包连排变动影响规律主要可用于在没有足够实际工艺数据的情况下，快速准确的判断汽包的排污率，从而优化连排角阀，确保SS的蒸汽量及品质。Linde Pyrocrack1-1型裂解炉的汽包设计允许汽包最大排污率为2%，由于SS线及连排线均没有设计流量计，确定汽包实际排污率存在困难，可以利用连排变动影响规律，在实际数据不足的的情况下，对汽包的排污率进行准确测算。

2017年1月25号，由于裂解气压缩机透平动力不足，需要检查汽包实际排污率。将连排总线压力阀PV82002临时关闭，系统稳定后，测得连排总阀（PV82002）关闭后的工艺参数变化见表2。

表2数据表明，关闭连排阀，待系统稳定后，SS发汽量明显增加。利用物料衡算估算得到阀门关闭前，连续排污量为11 t/h（估算连排量等于锅炉给水减少的量），估算汽包排污率为1.93%（低于2%）。

表2 连排总阀（PV82002）关闭后的工艺参数变化Tab.2 Changes of process parameters after closing the main valve of continuous discharge(PV82002)

传统的估算方法，是通过短时关闭连排总阀，待系统重新稳定平衡后，获得汽包给水的变化量，并认为此变化量即为总阀关闭前的连排量，忽略了操作变动过程中SS汽化量下降对汽包给水的需求影响。

利用汽包连排变动影响规律及表2中的数据对汽包排污率进行重新计算，汽包实际排污率为3.44%，与估算排污率偏差很大，已超过了专利商的设计最大值。主要原因在于传统估算法对连排量的估算出现了较大偏差[8]。

查阅连排总阀PV82002仪表计算书可对现有的排污量进行验证：压力控制阀计算书显示该阀最小开度32%对应汽包连排最小流量，正常开度46%对应为设计正常流量，最大开度59%。实际工况下（装置负荷相当）阀开度已达到61%，说明汽包连排量应该已超过了汽包连排总的设计排污量。2019年，装置利用检修之际，对8台裂解炉汽包问题角阀均进行了更换，通过对汽包角阀的节流，SS发汽量明显上升，为装置高负荷生产创造了条件。

裂解炉汽包连排变动影响规律亦可用于对所有炼化企业一般性发汽设备在节能降耗及降本增效方面的研究做参考。

5 汽包排污率的经济性核算

以表2实际工况下的数据为例，通过节流汽包连排角阀，减小连排量，将排污率由3.44%降至2%，计算锅炉给水（BFW）及SS发汽量的变化：

实际排污率3.44%时的数据：给水流量569 t/h，排污量18.9 t/h，SS发汽量550.1 t/h（由计算得到）。调整汽包角阀，排污率控制在2%，经计算得到的锅炉给水及SS量等相关数据，排污率下调后的工艺参数变化见表3。

表3 排污率下调后的工艺参数变化Tab.3 Changes of process parameters after reduction of discharge rate

从表3可以看出，将排污系数由3.44%降至设计值2%，装置锅炉给水节约4.6 t/h，SS发汽量增加了3.3 t/h。以装置设计年运行8 000 h计算，低压除氧水9.2元/t（2017年），SS采用HS价 格88元/t（2017年）计算，除氧水节约3.68×104t/a；SS增量为27 520 t/a，装置经济成本降低值约276万元/a。

6 结论

利用汽包排污变动规律做好裂解炉汽包连排的管控，对乙烯装置的经济性影响很大[9]。在优化操作时，需要注意三个方面的问题：一是裂解炉汽包连排变动规律中的系数是由裂解炉热负荷、线性急冷换热器、汽包等设备的几何尺寸决定的，装置一旦建成，这个系数就会固定下来，不同的装置，该系数应该略有不同，但是影响规律是相同的，需要利用Spyro软件建立裂解炉模型，验证模型准确后，模拟汽包生产运行，得到准确系数值；二是在关闭连排总阀前后，应保持裂解炉负荷稳定，各汽包液位处于自动控制状态，保证调整前后汽包液位稳定一致，才能取得有效真实数据；三是在进行汽包连排优化时，要关注汽包排污水及SS的品质，尤其是其中的电导率的变化，避免因关小连排量，导致汽包腐蚀或SS品质下降。

目前，利用化工软件对生产进行模拟，了解化工单元的运行规律，预判生产波动方向以及对设定事故进行应急演练，对炼化企业优化生产、安全及培训越来越重要[10]，工程技术人员掌握成熟的化工软件，为优化生产提供方向和数据支持，将有助于炼化企业的数字化转型和智能化发展。