王　朝，王　江，李東山（中國(guó)石油蘭州石化公司，甘肅蘭州730060）

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乙烯裝置急冷系統(tǒng)模擬優(yōu)化與應(yīng)用

王朝，王江，李東山
（中國(guó)石油蘭州石化公司，甘肅蘭州730060）

摘要：針對(duì)乙烯裝置急冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化展開，利用Aspen plus建立乙烯裝置急冷系統(tǒng)模型，通過(guò)模型模擬優(yōu)化，找出改變操作方案來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化的措施并進(jìn)行應(yīng)用，達(dá)到裝置節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：乙烯裝置；急冷系統(tǒng)；模擬優(yōu)化

1　背景

乙烯裝置急冷系統(tǒng)是將裂解爐出口的高溫裂解氣逐步冷卻至室溫，分離出裂解氣中的燃料油、焦油和裂解汽油等重質(zhì)餾分，并通過(guò)急冷油、急冷水循環(huán)來(lái)回收低溫位余熱的過(guò)程。急冷系統(tǒng)具有處理量大、組成復(fù)雜、操作條件惡劣的特點(diǎn)，已成為制約乙烯生產(chǎn)裝置節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在［1］。目前國(guó)內(nèi)在役乙烯裝置中，僅中國(guó)石油蘭州石化公司裝置急冷油塔采用焦油段閃蒸技術(shù)進(jìn)行急冷油降粘，難以參考其他裝置進(jìn)行優(yōu)化，為進(jìn)一步降低能耗，準(zhǔn)確地進(jìn)行急冷系統(tǒng)流程模擬相當(dāng)重要。本裝置急冷系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　乙烯裝置急冷系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

對(duì)裝置而言，開發(fā)與本公司裝置切合性好的模型具有重要意義：一方面由于裝置開工后無(wú)加氫尾油原料，以輕柴油或石腦油代替，設(shè)計(jì)的裂解原料構(gòu)成與實(shí)際偏差較大；另一方面逐年提高輕質(zhì)原料如液化石油氣、拔投油等投用量，使得原料構(gòu)成逐年輕質(zhì)化，導(dǎo)致裝置無(wú)法繼續(xù)依靠設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行操作，裝置優(yōu)化運(yùn)行存在屏障。

2　模型介紹

2.1模擬方法

乙烯裝置急冷系統(tǒng)的流程模擬，模型建立的好壞與建模的物性方法、裂解氣組成、裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)的選擇都有很大的關(guān)系。本文中急冷系統(tǒng)模擬采用的物性方法為與急冷系統(tǒng)擬合較好的SRK方程，石油計(jì)算選項(xiàng)下的自由水方法為STMNBS2。對(duì)于裂解氣中重組分的細(xì)分，模擬時(shí)將重組分按沸點(diǎn)曲線和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)分割成虛擬物流［2，3］。

急冷過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的傳質(zhì)和傳熱過(guò)程，給模型的建立及模擬優(yōu)化帶來(lái)很大的困難和不確定性。為了準(zhǔn)確地模擬乙烯裝置急冷系統(tǒng)，決定采用兩步走的方法，即先采用根據(jù)專利商提供的物流、熱量平衡數(shù)據(jù)建立裝置設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型，保證建立的模型與設(shè)計(jì)工況吻合。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修正，以使建立的模型滿足裝置實(shí)際運(yùn)行狀況。利用Aspen plus v7.1 里calculator的input變量將實(shí)際數(shù)據(jù)讀取進(jìn)來(lái)，從而可以便利地將設(shè)計(jì)工況模型轉(zhuǎn)換成實(shí)際工況模型［4］。

2.2模擬結(jié)果

通過(guò)合理選擇物性計(jì)算方法、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)輸入，以及設(shè)定design specs和calculator，并且對(duì)模型的收斂順序進(jìn)行了設(shè)定，整個(gè)模型收斂較快，模擬結(jié)果與裝置實(shí)際操作狀況吻合較好［4］。表1即為模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比。

表1　急冷系統(tǒng)主要工藝參數(shù)模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比

從上面的數(shù)據(jù)可以看出，模擬結(jié)果和該裝置的實(shí)際情況吻合很好，從整個(gè)模擬結(jié)果來(lái)看所采用的模擬計(jì)算方法是正確的。裝置建立的急冷系統(tǒng)模型能夠?qū)崿F(xiàn)評(píng)估某一操作變量的變化對(duì)能量、平穩(wěn)運(yùn)行的影響，消除了裝置優(yōu)化運(yùn)行的障礙。

3　模型應(yīng)用

裝置通過(guò)模擬，發(fā)現(xiàn)了中壓蒸汽串稀釋蒸汽量偏高、急冷油溫度偏低、急冷水塔熱量未有效利用等問(wèn)題，針對(duì)如上問(wèn)題裝置展開技術(shù)攻關(guān)進(jìn)行研究解決，取得了良好的節(jié)能效果。

3.1降低稀釋蒸汽壓力

裝置稀釋蒸汽壓力設(shè)計(jì)值為0.785MPag，裝置多年來(lái)一直緊扣指標(biāo)進(jìn)行生產(chǎn)。原料輕質(zhì)化逐年上升后，急冷油有效組成減少，雖裝置在減少重急冷油循環(huán)量，但重急冷油溫度仍在逐年降低，稀釋蒸汽發(fā)生量逐漸下降，到2014年已基本無(wú)發(fā)生量，需要大量補(bǔ)充中壓蒸汽進(jìn)行生產(chǎn)，導(dǎo)致裝置蒸汽消耗較高。

裂解爐通過(guò)注入稀釋蒸汽降低爐管內(nèi)烴分壓，達(dá)到促進(jìn)裂解反應(yīng)發(fā)生并提高烯烴收率的目的。若稀釋蒸汽壓力過(guò)低可能導(dǎo)致蒸汽無(wú)法正常注入對(duì)流段原料系統(tǒng)中，造成稀釋蒸汽流量低-低聯(lián)鎖，影響裝置安穩(wěn)運(yùn)行；若稀釋蒸汽壓力設(shè)定過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致稀釋蒸汽發(fā)生量下降，影響裝置運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于蒸汽發(fā)生器而言，發(fā)生蒸汽的壓力越高則需要的加熱介質(zhì)溫度越高。

裝置通過(guò)分析稀釋蒸汽調(diào)節(jié)閥參數(shù)，得出正常操作流量下該閥門的壓降較小，可以在一定范圍內(nèi)承受稀釋蒸汽壓力降低而保證正常生產(chǎn)的結(jié)論。為保證穩(wěn)定操作，裝置以稀釋蒸汽調(diào)節(jié)閥開度不大于70%為安全界限。裝置分階段將稀釋蒸汽壓力由原來(lái)的0.785MPag降低至0.735MPag，蒸汽發(fā)生器汽化溫度相應(yīng)下降約3℃，稀釋蒸汽發(fā)生量提高4t/h，相應(yīng)減少中壓蒸汽用量4t/h。

3.2提高重急冷油溫度

為提高裝置烯烴產(chǎn)品收率，裝置裂解原料逐年輕質(zhì)化，2014年原料輕質(zhì)化率已達(dá)38%，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)的30%，造成重急冷油溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，嚴(yán)重影響到稀釋蒸汽的發(fā)生量。實(shí)際急冷油溫度約175℃，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值190℃，造成稀釋蒸汽發(fā)生量低于設(shè)計(jì)值30t/h，導(dǎo)致中壓蒸汽補(bǔ)充量增加約30t/ h，造成裝置蒸汽消耗偏高，運(yùn)行水平較低。若能有效提高重急冷油溫度，將很大程度上減少裝置蒸汽消耗，提高運(yùn)行效益。

裝置在保證急冷油塔重急冷油段穩(wěn)定操作的前提下，通過(guò)進(jìn)塔溫度由263℃降低至252℃，使得裂解爐出口的裂解氣熱量有效定向轉(zhuǎn)移至重急冷油系統(tǒng)，達(dá)到提高重急冷油溫度的目的，有效提高重急冷油溫度約2.5℃，提高稀釋蒸汽發(fā)生量1.5t/h，相應(yīng)減少中壓蒸汽用量1.5t/h。

3.3急冷水用戶用量合理分配

裝置設(shè)計(jì)急冷水循環(huán)量?jī)H1800t/h，由于逐年原料輕質(zhì)化，導(dǎo)致裂解氣組成與設(shè)計(jì)有較大偏差，急冷油塔熱量向急冷水塔轉(zhuǎn)移，目前急冷水循環(huán)量約2200t/h，有11臺(tái)設(shè)備用戶，如何合理分配用量是急冷水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的關(guān)鍵。裝置在保證其他小量用戶用量穩(wěn)定的前提下，將原料預(yù)熱器及丙烯精餾塔再沸器兩個(gè)用水大戶進(jìn)行優(yōu)化平衡，是急冷水系統(tǒng)節(jié)能降耗的主要思路。

裝置有兩臺(tái)氣相裂解原料汽化器，由于原料組成改變較大，裝置一直不能確定各原料精確的汽化點(diǎn)，兩臺(tái)汽化器出口溫度控制一直偏高，導(dǎo)致急冷水用量較大，急冷水熱量不能有效利用。參照兩臺(tái)原料氣化器實(shí)際數(shù)據(jù)及原料實(shí)際組成，通過(guò)Aspen plus精確模擬，得到了兩種原料的準(zhǔn)確汽化溫度，為保證安穩(wěn)操作，裝置將兩臺(tái)汽化器出口溫度在模擬值基礎(chǔ)上提高5℃進(jìn)行操作。節(jié)省急冷水用量約300t/h，丙烯精餾塔再沸器相應(yīng)多用急冷水300t/h，該塔的輔助蒸汽加熱器節(jié)約低壓蒸汽用量約2.5t/h。

3.4降低燃料油汽提塔汽提蒸汽消耗

裝置原設(shè)計(jì)裂解原料較目前實(shí)際原料重，造成急冷油塔燃料油段循環(huán)物流輕于設(shè)計(jì)值，在保證合適的混合燃料油粘度條件下，繼續(xù)提高塔頂溫度已無(wú)意義。原設(shè)計(jì)的燃料油汽提塔進(jìn)料126.3℃，塔頂溫度為127.2℃，進(jìn)出料溫差僅為1℃。原料構(gòu)成變化后，目前實(shí)際的燃料油進(jìn)料及塔頂溫度差約為5℃，勢(shì)必消耗大量汽提用的中壓蒸汽。裝置將該塔塔頂溫度設(shè)定高于進(jìn)料溫度2℃以內(nèi)，汽提中壓蒸汽用量減少2t/h。

4　結(jié)論

裝置通過(guò)急冷系統(tǒng)模型建立及模擬優(yōu)化，最終找出降低稀釋蒸汽壓力、提高重急冷油溫度、急冷水用戶優(yōu)化分配、降低燃料油汽提塔蒸汽用量4項(xiàng)優(yōu)化措施，實(shí)施后取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)標(biāo)定，各項(xiàng)目節(jié)能量見表2。

表2　各項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間及節(jié)能量計(jì)算

由表2可知，裝置通過(guò)急冷系統(tǒng)的研究?jī)?yōu)化，節(jié)約蒸汽量10t/h，節(jié)能12.2kgEO/t乙烯，若按照每噸蒸汽100元，年開工時(shí)長(zhǎng)8000h進(jìn)行計(jì)算，可知每年直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)800萬(wàn)元?？梢姽?jié)能效果十分顯著，并具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，裝置通過(guò)立足內(nèi)部創(chuàng)新創(chuàng)效，在未進(jìn)行任何投資的基礎(chǔ)上，依靠建模指導(dǎo)，進(jìn)行優(yōu)化操作，取得了良好的效果，為公司節(jié)能降耗做出了貢獻(xiàn)。該項(xiàng)目具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值，可作為同類裝置節(jié)能優(yōu)化的重要參考。

參考文獻(xiàn)：

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