唐孟海，高國正

（中國石油化工股份有限公司洛陽分公司,洛陽 471012）

煉油過程能量優(yōu)化和低溫余熱回收利用

唐孟海，高國正

（中國石油化工股份有限公司洛陽分公司,洛陽 471012）

通過分析煉油過程能量傳遞和低溫余熱熱源及熱阱特征，運(yùn)用熱力學(xué)試探法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法建立了煉油過程系統(tǒng)能量優(yōu)化方法和低溫余熱大系統(tǒng)優(yōu)化回收利用方法。系統(tǒng)能量優(yōu)化涵蓋煉油過程總能規(guī)劃、直接熱聯(lián)合和熱供料、裝置內(nèi)部能量優(yōu)化、低溫余熱利用等方面；低溫余熱利用包括熱源熱阱分類評價(jià)、熱水子網(wǎng)絡(luò)建立、大系統(tǒng)柔性分析。在中國石化洛陽分公司的應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能有效地應(yīng)用于煉油廠節(jié)能改造和運(yùn)行優(yōu)化，實(shí)施后全廠能耗降低97.8 MJ/t，年節(jié)能效益為4 111.62萬元。

能量 優(yōu)化 低溫余熱 利用

1 前 言

我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶動我國石油消費(fèi)的迅速增長，持續(xù)增長的需求和相對穩(wěn)定的產(chǎn)量使我國石油供應(yīng)缺口越來越大[1]。由于煉油企業(yè)將其生產(chǎn)的能源產(chǎn)品總量的6%～8%消耗于自身生產(chǎn)過程，因此在高原油價(jià)格下，無一例外處于盈虧邊緣[2-3]。“節(jié)能亦利潤”、“節(jié)能亦生存和發(fā)展”已成為煉油企業(yè)要面對的問題。

作為過程工業(yè)，煉油過程用能有其規(guī)律。華賁等[4]在深入研究過程工業(yè)能量傳遞和降質(zhì)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，提出了“能量流結(jié)構(gòu)三環(huán)節(jié)理論”。指出任何過程系統(tǒng)是由能量轉(zhuǎn)換、能量利用和能量回收三個(gè)環(huán)節(jié)組成的。來自系統(tǒng)外部的能量如燃料化學(xué)能、電能、蒸汽能等經(jīng)過轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)（主要包括加熱爐、機(jī)泵、透平等設(shè)備）被轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)運(yùn)行所需的熱能、流動能，以推動利用環(huán)節(jié)（主要包括反應(yīng)、分餾等設(shè)備），實(shí)現(xiàn)過程系統(tǒng)的產(chǎn)品目標(biāo)，并且過程余熱進(jìn)入回收環(huán)節(jié)（主要包括換熱器、蒸汽發(fā)生器、冷卻器）得到再回收利用，以減少外部能量供入、降低工藝總用能。以三環(huán)節(jié)理論為基礎(chǔ)，華賁等建立了基于經(jīng)濟(jì)分析的過程能量綜合分解協(xié)調(diào)理論[5-6]，成功應(yīng)用于國內(nèi)多家煉化企業(yè)。Linnhoff B等[7]提出了“夾點(diǎn)”技術(shù)，用冷、熱物流復(fù)合曲線高度總結(jié)了過程內(nèi)部的熱量作用關(guān)系，指出“不跨夾點(diǎn)傳熱的過程系統(tǒng)具有最小冷、熱公用工程消耗”，建立了具體的熱集成方法和技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)提出了系統(tǒng)能量集成的洋蔥模型[8]。此外，還有許多學(xué)者[9]就過程能量綜合問題進(jìn)行了廣泛研究，研究方法主要有數(shù)學(xué)規(guī)劃法和熱力學(xué)試探法兩大類，近年來又呈現(xiàn)出兩種方法高度融合的趨勢。本文運(yùn)用熱力學(xué)試探法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法建立了煉油過程系統(tǒng)能量優(yōu)化方法和低溫余熱大系統(tǒng)優(yōu)化回收利用方法，并將該方法應(yīng)用在中國石油化工股份有限公司洛陽分公司節(jié)能改造和運(yùn)行優(yōu)化上。

2 煉油過程能量優(yōu)化方法

煉油過程大系統(tǒng)是由若干工藝裝置和公用工程裝置，如蒸汽、動力、儲運(yùn)、給排水等組成的，同時(shí)每個(gè)裝置又包含能量轉(zhuǎn)換、利用和回收三個(gè)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)之間、裝置之間以及子系統(tǒng)與裝置之間通過能流傳遞相互關(guān)聯(lián)和作用，從而實(shí)現(xiàn)煉油過程的對立統(tǒng)一。煉油過程能量優(yōu)化的目的就是選擇優(yōu)化的單元操作及其間的聯(lián)結(jié)關(guān)系，在保證系統(tǒng)安全生產(chǎn)和產(chǎn)品收率及質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)過程最小能量消耗。優(yōu)化的方法和思路如下：①總能規(guī)劃。以研究對象總流程為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有運(yùn)行數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)如標(biāo)定結(jié)果對裝置進(jìn)行用能評價(jià)，確定重點(diǎn)能耗單元，同時(shí)通過對煉油廠能源消費(fèi)狀況和能源價(jià)格分析，確定合理的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。②裝置間直接熱進(jìn)料/供料，實(shí)施裝置熱聯(lián)合操作。裝置間熱聯(lián)合操作不但可以減少物流在上游裝置的冷卻負(fù)荷，降低它在下游裝置的加熱負(fù)荷，避免重復(fù)冷卻和加熱，還可以減少它在中間罐區(qū)的加熱、維溫負(fù)荷及機(jī)泵輸送功耗，是單元和系統(tǒng)能量優(yōu)化的重要手段。在有互供料關(guān)系且同步運(yùn)行的裝置間，盡量采用直接熱供料/進(jìn)料工藝，并依據(jù)上下游裝置的用能情況，確定合適的供料/進(jìn)料溫度。③裝置內(nèi)部能量優(yōu)化。裝置能量優(yōu)化是系統(tǒng)能量優(yōu)化的核心，系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果應(yīng)在其中體現(xiàn)和落實(shí)。裝置內(nèi)部能量優(yōu)化主要包括：提高加熱爐熱效率、優(yōu)化分餾塔操作、優(yōu)化工藝物流換熱流程、優(yōu)化余熱回收以及分餾系統(tǒng)與換熱網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化等。④低溫余熱大系統(tǒng)利用。裝置內(nèi)部能量優(yōu)化完成后，以除鹽水為媒介的余熱采出已基本完成。但由于余熱分布散、熱阱不集中，決定了余熱利用不能局限在局部，必須大系統(tǒng)實(shí)施。

3 煉油過程低溫余熱利用

煉油過程低溫余熱的特征是熱源、熱阱點(diǎn)多面廣分布散；熱源多為工藝余熱，負(fù)荷相對穩(wěn)定；但熱阱負(fù)荷明顯隨季節(jié)變化，且有生產(chǎn)、生活和輔助三類不同熱阱；同時(shí)源阱負(fù)荷高度不平衡，夏季熱阱負(fù)荷小，余熱過剩，冬季熱阱負(fù)荷大，余熱相對不足。因此必須從全廠大系統(tǒng)入手，充分平衡和綜合各種因素，以期實(shí)現(xiàn)整體平衡回收和利用。

3.1 充分挖掘低溫?zé)嶷鍧摿?/p>

全面調(diào)研低溫?zé)嵊脩?，進(jìn)行全廠低溫?zé)嶷遒Y源普查和分析，確定它們的溫位、負(fù)荷、類別以及負(fù)荷隨季節(jié)變化的規(guī)律。

3.2 優(yōu)化熱水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

依據(jù)總圖布置、熱水流程現(xiàn)狀和熱源熱阱的相對平衡關(guān)系，確定全廠熱水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能包含幾個(gè)相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)內(nèi)部熱源和熱阱的總圖位置比較接近、負(fù)荷能總體平衡、溫位大體相配、源阱單元同步運(yùn)行率較高、熱阱特征基本相同、并具備一定的輔助補(bǔ)熱和后冷條件。

3.3 建立各熱水子系統(tǒng)

利用線性規(guī)劃確定熱水進(jìn)出裝置溫度、熱水流量，利用“夾點(diǎn)”技術(shù)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用換熱器優(yōu)化選型技術(shù)選擇熱水換熱器，利用換熱網(wǎng)絡(luò)彈性分析技術(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的冬夏兩季運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)熱水熱量梯級利用，最大限度降低后冷負(fù)荷，合理安置補(bǔ)熱、后冷、監(jiān)控等。

3.4 熱水網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分析

重點(diǎn)是熱水子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)和調(diào)劑以及事故條件或重大生產(chǎn)改變工況條件下的相互協(xié)調(diào)及長周期安全運(yùn)行策略等。

4 案例應(yīng)用

中國石油化工股份有限公司洛陽分公司現(xiàn)有兩個(gè)低溫?zé)崴到y(tǒng)。第1套熱水系統(tǒng)利用Ⅰ套催化裂化裝置和四聯(lián)合裝置（含溶劑脫瀝青、減粘裂化、油漿拔頭）余熱發(fā)生熱水大約900 t/h，分別供氣體分離（氣分）裝置、原油罐區(qū)、化水車間及生活區(qū)使用；第2套熱水系統(tǒng)利用Ⅱ套催化裂化裝置余熱發(fā)生熱水465 t/h，供Ⅱ套催化裂化裝置產(chǎn)品精制、工藝物流伴熱以及生活區(qū)使用。

4.1 用熱方面存在的問題

4.1.1 全廠用能格局發(fā)生變化 為了生產(chǎn)歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)汽油和適應(yīng)分公司煉油能力達(dá)到8 000 kt/a、催化裂化裝置向石油化工型發(fā)展，中國石油化工股份有限公司洛陽分公司決定于2008年大檢修期間改造兩套催化裂化裝置。改造方案：Ⅰ套催化裂化裝置由1 400 kt/a重油催化裂化工藝改造成1 600 kt/a蠟油催化裂化工藝，Ⅱ套催化裂化裝置由1 400 kt/a重油催化裂化工藝改造成FDFCC -Ⅲ工藝，相應(yīng)氣分裝置加工量由450 kt/a擴(kuò)能到680 kt/a。由于催化裂化裝置是能耗大戶（2006年兩套催化裂化裝置能耗占全廠煉油能耗的38.41%）、氣分裝置是低溫?zé)嶷宕髴?，其變化必然影響洛陽分公司用能格局?/p>

4.1.2 余熱采出不充分 全廠二十幾套裝置中，只有兩套催化裂化裝置、溶劑脫瀝青、減粘等四套裝置有低溫?zé)崴鞒?。同時(shí)，受熱水回水溫度高、熱水流程結(jié)構(gòu)不合理等因素影響，兩套催化裂化裝置的余熱采出也明顯不足。如I套催化裂化裝置主分餾塔塔頂油氣的冷卻溫度為90 ℃，頂循環(huán)的冷卻溫度為110 ℃，加上柴油、一中和穩(wěn)定汽油，總冷卻負(fù)荷達(dá)到132 GJ/h，其中相當(dāng)部分熱量沒有回收。

4.1.3 許多低溫?zé)嶷逡廊徊捎玫蛪赫羝鳠嵩慈鐨夥盅b置，雖然有熱水流程，但由于熱水溫度不高，大約75%以上的用熱仍來自蒸汽；熱電站低溫生水、除鹽水全用蒸汽加熱；生活區(qū)采暖需大量補(bǔ)汽。

4.1.4 現(xiàn)有熱水系統(tǒng)熱量利用率低 第1套熱水系統(tǒng)（見圖1）由于供水溫度低，第2套熱水系統(tǒng)（見圖2）由于產(chǎn)品精制方案改變以及工藝伴熱仍采用蒸汽，大量熱量沒有利用，總后冷循環(huán)水消耗達(dá)2 500～3 000 t/h。

圖1 現(xiàn)有第1套熱水系統(tǒng)原則流程

圖2 現(xiàn)有第2套熱水系統(tǒng)原則流程

4.1.5 現(xiàn)有熱水系統(tǒng)布局不合理 兩個(gè)熱水站都設(shè)在發(fā)變電車間，它們將鄰近的催化裂化裝置、四聯(lián)合發(fā)生的熱水送到氣分、生活區(qū)等；但在新建裝置區(qū)以及鄰近區(qū)域沒有熱水站，該區(qū)域不但有芳烴聯(lián)合裝置和在建的焦化裝置，還有熱電站除鹽水站和與新建CFB爐配套的惠康除鹽水站；既有熱源，又有熱阱，卻沒有熱水系統(tǒng)。

4.2 煉油過程能量優(yōu)化

4.2.1 采用直接熱供料/出料和直接熱聯(lián)合工藝通過分析常減壓蒸餾裝置原油換熱流程和柴油加氫裝置原料換熱流程，決定蠟油進(jìn)催化裂化裝置溫度為160 ℃，柴油進(jìn)加氫精制裝置溫度為95 ℃；并用Ⅱ套催化裂化裝置主分餾塔頂循一次作相鄰氣分裝置脫丙烷塔塔底再沸器熱源，節(jié)省其蒸汽消耗；用Ⅰ套催化裂化裝置循環(huán)油漿一次加熱相鄰常減壓蒸餾裝置的初底原油，提供有效熱負(fù)荷30 GJ/h。

4.2.2 裝置內(nèi)部能量優(yōu)化

裝置內(nèi)部能量優(yōu)化如下：

①對兩套催化裂化裝置分餾系統(tǒng)進(jìn)行回流操作和回流取熱分配優(yōu)化。在保證分餾系統(tǒng)產(chǎn)品收率和質(zhì)量的前提下，回流采用“大流量、小溫差”操作，以提高輸出熱的能級；全塔則盡可能多采高溫?zé)?，少采低溫?zé)幔宰畲笙薅鹊靥岣咴蠐Q熱終溫和降低裝置冷卻負(fù)荷。優(yōu)化后Ⅰ套催化裂化裝置主分餾塔頂循和一中回流的溫差分別為62 ℃和80 ℃，一中和循環(huán)油漿的取熱比例達(dá)到48.7%；Ⅱ套催化裂化裝置主分餾塔頂循和一中回流的溫差分別為61 ℃和80 ℃，一中和循環(huán)油漿的取熱比例達(dá)到46.5%，分餾塔實(shí)現(xiàn)了塔頂零冷回流操作。

②優(yōu)化工藝物流換熱流程。在分餾系統(tǒng)操作優(yōu)化的基礎(chǔ)上，運(yùn)用“夾點(diǎn)”技術(shù)匹配工藝物流換熱流程。優(yōu)化后Ⅰ套催化裂化裝置原料換熱終溫達(dá)到260 ℃，節(jié)省解吸塔塔底再沸蒸汽消耗6 t/h，循環(huán)油漿向常減壓蒸餾裝置供熱30 GJ/h；Ⅱ套催化裂化裝置原料換熱終溫達(dá)到275 ℃，油漿發(fā)生中壓蒸汽48 t/h。

③余熱回收流程優(yōu)化。針對催化裂化裝置主分餾塔塔頂油氣和頂循熱量多的特點(diǎn)，建立了回收低溫余熱的高效“雙熱水”系統(tǒng)，合計(jì)取出余熱263 GJ/h，使油氣進(jìn)冷卻器的溫度降到80 ℃，頂循停后冷，余熱全部回收。

4.2.3 大系統(tǒng)余熱回收和利用 在取出兩套催化裂化裝置余熱的同時(shí)，還新增了常減壓蒸餾、催化裂化柴油加氫精制、發(fā)變電凝結(jié)水、化纖、芳烴、硫磺凝結(jié)水的余熱回收措施，合計(jì)發(fā)生熱水3 955 t/h，采出余熱730 GJ/h（見表1）。同時(shí)進(jìn)行全廠低溫?zé)嶷遒Y源普查，冬季總負(fù)荷為681 GJ/h 、夏季總負(fù)荷為429 GJ/h（見表2）。

在表1和表2的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有熱水流程和總圖分布，提出全廠建立四個(gè)熱水系統(tǒng)。

第一熱水系統(tǒng)：以Ⅰ套和Ⅱ套催化裂化裝置高溫?zé)崴约俺p壓蒸餾裝置部分熱水為熱源，以氣分和化水車間生水、除鹽水加熱為熱阱，在現(xiàn)有1套熱水系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立。

第二熱水系統(tǒng)：以四聯(lián)合、催化裂化裝置柴油加氫、發(fā)變電、Ⅰ套和Ⅱ套催化裂化裝置低溫?zé)崴?、芳烴部分熱水、化纖、硫磺熱水和常減壓蒸餾裝置部分熱水為熱源，以生活區(qū)采暖、油品車間原油加熱和工藝物流伴熱為熱阱，在現(xiàn)有2套熱水系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立。

表1 工藝裝置低溫余熱分布

表2 低溫?zé)嶷宸植?/p>

第三熱水系統(tǒng)：以芳烴聯(lián)合裝置部分熱水為熱源，以惠康生水、除鹽水加熱和芳烴裝置內(nèi)部伴熱為熱阱，該系統(tǒng)新建。

第四熱水系統(tǒng)：以焦化裝置余熱為熱源，以熱電站除鹽水加熱為熱阱，該系統(tǒng)在焦化裝置建設(shè)過程中新建。

四個(gè)系統(tǒng)相對獨(dú)立，但各系統(tǒng)間設(shè)有熱水跨線和流量調(diào)控手段，且第一、第二和第三系統(tǒng)間熱源負(fù)荷可以調(diào)整分配。四個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了全公司低溫?zé)崂玫拇罂蚣?，以后新建裝置和裝置改造新增的熱水可以向其中補(bǔ)充。

表3 第1套和第2套熱水系統(tǒng)改造效果

4.2.4 改造效果 按照一次規(guī)劃、分期實(shí)施的原則，2008年5月裝置檢修時(shí)首先實(shí)施了第1和第2套熱水系統(tǒng)改造（芳烴熱水暫時(shí)沒有回收）。從2008年6月8日試運(yùn)行至今，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，第1套和第2套熱水系統(tǒng)改造效果見表3。從表3數(shù)據(jù)計(jì)算可知，改造后第1套和第2套熱水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全廠每噸原油能耗降低97.8 M J，按標(biāo)準(zhǔn)燃料油2 700 元/t計(jì)算，年節(jié)能效益為4 111.62 萬元。

5 結(jié) 論

（1）提出了基于熱力學(xué)試探法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法的煉油過程能量優(yōu)化方法和基于熱聯(lián)合、熱供料和裝置內(nèi)部能量優(yōu)化的低溫余熱大系統(tǒng)優(yōu)化回收利用方法。

（2）建立了洛陽分公司低溫?zé)峄厥盏目傮w框架和高效回收低溫余熱的“雙熱水”系統(tǒng)。

（3）將煉油過程系統(tǒng)能量優(yōu)化方法和低溫余熱大系統(tǒng)優(yōu)化回收利用方法成功應(yīng)用于洛陽分公司煉油板塊改造，實(shí)施后全廠能耗降低97.8 MJ/t，年節(jié)能效益為4 111.62萬元。

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Abstract Based on the analysis of energy transfer characteristics,distribution of low-level heat resources and sinks,a new method about process energy integration and utilization of low-level heat in petroleum processing is proposed,which combines mathematical planning and heuristic method. The energy integration covers total energy planning （TEP）,direct heat exchange among various processing units,materials supply in high temperature,unit inner energy integration,recovering and applying low-level heat systematically, operation of steam power system. The utilization of low-level heat includes estimation and classifi cation of low level heat resources and sinks,establishment of hot water sub-networks,and flexibility analysis of total hot water system. A practical application of this proposal in SINOPEC Luoyang Company shows that an energy conservation of 97.8 M J/t was obtained,i.e. a 41 m illion RMB saving annually.

Key Words: energy;optim ization;low-level heat;utilization

美國能源部為生物煉油廠注資6億美元

美國能源部于2009年12月7日表示，將為15個(gè)州建設(shè)19座生物煉油廠項(xiàng)目總計(jì)注資6億美元。選擇的這些項(xiàng)目將采用生物質(zhì)生產(chǎn)先進(jìn)生物燃料、生物電力和生物產(chǎn)品。美國能源部表示，先進(jìn)生物燃料是美國建立清潔、可持續(xù)發(fā)展運(yùn)輸體系的關(guān)鍵。這些項(xiàng)目將有助于建立國內(nèi)新產(chǎn)業(yè)，為就業(yè)創(chuàng)造機(jī)遇，并開拓美國農(nóng)村的新市場。

資助基金的4.83億美元將用于建設(shè)14個(gè)中型規(guī)模和4個(gè)驗(yàn)證規(guī)模生物煉油廠項(xiàng)目。其余8 100萬美元將用于加快建設(shè)以前被資助的一些項(xiàng)目。

這些基金被接受的對象，包括A lgenol生物燃料公司接受2 500萬美元，用于其與陶氏化學(xué)公司合作在得克薩斯州自由港實(shí)施的海藻制生物燃料項(xiàng)目。Archer Daniel M idland公司獲得約2 400萬美元，以便在依利諾斯州Decatur的裝置上從生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇和丙烯酸乙酯。Elevance可再生能源科學(xué)公司將獲得約2 500萬美元，完成裝置初步工程設(shè)計(jì)，以便從植物油生產(chǎn)噴氣燃料、可再生柴油替代品和高價(jià)值化學(xué)品。UOP公司獲得2 500萬美元，從Ensyn公司取得一體化的現(xiàn)有技術(shù)，并從農(nóng)業(yè)殘余物、木質(zhì)生物質(zhì)、專用能源作物和海藻生產(chǎn)綠色汽油、柴油和噴氣燃料。HI Enerkem公司獲得5 000萬美元，在密西西比州Pontotoc建設(shè)驗(yàn)證規(guī)模裝置，使用來自城市生活廢棄物為原料，通過氣化和催化工藝過程，生產(chǎn)乙醇和其它綠色化學(xué)品。

[章文摘譯自Chem ical Week,2009-12-7]

ENERGY INTEGRATION AND UTILIZATION OF LOW-LEVEL HEAT IN PETROLEUM PROCESSING

Tang Menghai,Gao Guozheng
（SINOPEC Luoyang Company,Luoyang 471012）

2009-07-20；修改稿收到日期：2009-09-28。

唐孟海，高級工程師，1991年畢業(yè)于撫順石油學(xué)院石油加工專業(yè)，現(xiàn)在中國石油化工股份有限公司洛陽分公司發(fā)展規(guī)劃處負(fù)責(zé)發(fā)展規(guī)劃工作。