王 家 劉敬釗 李 浩

(中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南洛陽，471012)

1 研究背景

煉廠常使用氮氣對機(jī)泵密封進(jìn)行保護(hù)，或作為罐體覆蓋氣，或作為設(shè)備吹掃介質(zhì)使用。氮氣是煉廠生產(chǎn)必不可少的公用介質(zhì)，相較于燃料、蒸汽等，因其單位價格偏低，管控時往往未受到一些企業(yè)的重視。為此，某公司通過組織專業(yè)人員摸排全廠氮氣用量情況，按照“必用減量，能停必?！钡脑瓌t，提升操作水平，有效減少氮氣消耗。同時，針對氮氣流量計安裝不規(guī)范、計量不精準(zhǔn)等問題，制定措施，限期整改。

2020年12月，該公司氮氣總消耗量為789.7萬 Nm3，外購量為542.1萬 Nm3。同時，2021年部分新建單元投用，氮氣消耗量進(jìn)一步增加。2020年12月，氮氣總消耗量如表1所示。

表1 優(yōu)化前該公司氮氣消耗情況

2 模擬計算

針對煉廠氮氣的泄漏及計量不準(zhǔn)情況，提出“管線泄漏計算”和“計量模塊偏差計算”兩個重點問題進(jìn)行計算。

2.1 管線泄漏計算

煉廠中氮氣服務(wù)站、VOCs補(bǔ)壓處，易存在閥門未關(guān)閉或失靈的情況，造成氮氣大量外排，為精確計算氮氣外排量，特提出此項計算說明。

對于該種情況，將閥門處簡化為限流孔板進(jìn)行計算，依據(jù)HG-T20570.15-95 《管道限流孔板的設(shè)置》，有“氣體、蒸汽的單孔板計算公式(3.0.1-1)”[1]，如公式1。

(公式1)

公式1中，W：流體的重量流量，kg/h；D：管道內(nèi)徑，m(煉廠中常用氮氣服務(wù)站管徑為0.02m)；d0：孔板孔徑，m(設(shè)定孔板孔徑為0.01m，則有d0/D=0.5)；C：孔板流量系數(shù)，由Re和d0/D值查HG-T20570.15-95《管道限流孔板的設(shè)置》標(biāo)準(zhǔn)中圖6.0.1所得(近似取C=0.62)；P1：孔板前壓力，Pa(煉廠管網(wǎng)壓力約為6×105Pa)；P2：孔板后壓力或臨界限流壓力，取其大者，Pa(對于空氣及雙原子氣體，臨界限流壓力的推薦值Pc=0.53P1=3.2×105Pa)；M：分子量(氮氣分子量為28)；Z：壓縮系數(shù)(取1)；T：孔板前流體溫度，K(以常溫300K計算)；k：絕熱指數(shù)，k(氮氣為1.4)。

將以上數(shù)據(jù)代入公式1可得：

即：

W=235.85kg/h=188.79Nm3/h

由此可知，如果一根直徑20mm的氮氣管線閥門未關(guān)嚴(yán)的話，每小時泄漏量可達(dá)約200 Nm3/h。

利用此公式進(jìn)行計算，若管線全開，則氮氣泄漏量可達(dá)943 Nm3/h。

2.2 計量模塊偏差計算

企業(yè)的物料衡算過程主要利用的是計量器具，該器具的計量準(zhǔn)確度直接影響到計量數(shù)據(jù)的偏差，同時對企業(yè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、經(jīng)濟(jì)核算等方面帶來影響。因此，計量器具的精確性是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)決策、數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ)。在工業(yè)生產(chǎn)中氣體的計量，環(huán)境溫度、壓力是計量器具計算模塊的基礎(chǔ)條件數(shù)據(jù)，為保證計算的準(zhǔn)確性，往往需要通過溫壓補(bǔ)償?shù)氖侄芜M(jìn)行維護(hù)[2]。

常用溫壓補(bǔ)償公式為[3]：

(公式2)

公式2中：F：流量；C1：設(shè)計溫度，K；C2：設(shè)計壓力，kPa；P1：實際壓力，kPa；P2：實際溫度，℃；P3：未補(bǔ)償前流量。

為提高氮氣管網(wǎng)運行效率，企業(yè)常使用降低管網(wǎng)壓力的措施，單對于各計量點，若未及時調(diào)整溫壓補(bǔ)償模塊參數(shù)，將會造成計量偏差。

設(shè)定原氮氣管網(wǎng)壓力為0.7MPa，優(yōu)化后管網(wǎng)壓力降低至0.6MPa。

利用公式2進(jìn)行計算可知，對于此項工況變化，對于一處標(biāo)況流量為200 Nm3/h、工作壓力為0.7MPa的流量計點，若工作壓力降低為0.6MPa，則流量降低至175 Nm3/h，降低量為25 Nm3/h。

因此，對于管網(wǎng)壓力變化的計量點，要及時校準(zhǔn)溫壓補(bǔ)償模塊，防止存在計量缺失。

3 對策實施

為降低全廠氮氣消耗量及管網(wǎng)不平衡量，該公司主要采取了以下節(jié)能措施：

3.1 減少儲罐VOCs系統(tǒng)氮封用量

儲罐VOCs治理主要針對油品儲運罐區(qū)按相關(guān)規(guī)范或規(guī)定需要治理的儲罐無組織排放的罐頂油氣進(jìn)行集中收集并治理[4]，該公司主要使用氮氣進(jìn)行密封保護(hù)。經(jīng)過估算，每月儲罐VOCs氮封用量約為195萬 Nm3(約2600 Nm3/h)，占該公司氮氣用量的25.4%。圖1為該公司某罐區(qū)氮封VOCs治理簡圖。

圖1 該公司某罐區(qū)氮封VOCs治理簡圖

3.1.1 做好儲罐VOCs系統(tǒng)密封排查

儲罐VOCs系統(tǒng)中，各儲罐氮氣管線常用管徑為40mm，根據(jù)上述2.1節(jié)計算可知，若存在氮氣補(bǔ)壓點泄漏，將會造成大量氮氣浪費。圖2為該公司某儲油罐VOCs密封點治理前后罐頂壓力變化趨勢，從圖2中可以看出，2022年9月30日治理前，該罐頂壓力波動十分頻繁，通過判斷，確認(rèn)存在VOCs密封點泄漏的可能。經(jīng)過治理，2022年9月30日后，極大降低了該罐的罐頂壓力波動次數(shù)，同時降低了補(bǔ)氮量約800 Nm3/h。

圖2 該公司某儲油罐VOCs密封點治理前后罐頂壓力變化趨勢

3.1.2 優(yōu)化儲罐VOCs系統(tǒng)氮封壓力

在《中國石化煉發(fā)函〔2016〕127號》文件中，提出，為避免儲油罐發(fā)生因負(fù)壓導(dǎo)致空氣由呼吸閥進(jìn)入內(nèi)部的情況，需要保證罐頂壓力為微正壓。該文件同時給出氮封閥的壓力設(shè)定建議值范圍為0.2kPa至0.5kPa。若儲罐內(nèi)罐頂壓力較氮封閥設(shè)定壓力較低時，閥門打開，氮氣由氮封閥進(jìn)入罐內(nèi)；反之閥門關(guān)閉，停止氮氣進(jìn)入。

正常情況下使用氮封閥組維持罐內(nèi)氣相空間壓力在0.3kPa左右，當(dāng)氣相空間壓力高于0.5kPa時，氮封閥關(guān)閉，停止氮氣供應(yīng)；當(dāng)氣相空間壓力低于0.2kPa時，氮封閥開啟，開始補(bǔ)充氮氣。

若設(shè)定壓力偏高，將會造成補(bǔ)氮量的極大增加。

3.2 泄漏點排查

運行時間較長的煉廠經(jīng)歷的改造次數(shù)較多，存在較多分支管線，管理難度較大，易造成疏漏。為降低非生產(chǎn)消耗，該公司分公司級、運行部級對全廠管網(wǎng)進(jìn)行排查，對氮氣系統(tǒng)管線進(jìn)行分級處理：(1)若該管線已停用，則進(jìn)行盲板隔離。(2)若該管線間斷使用，根據(jù)使用頻次，可對閥門進(jìn)行關(guān)閉，加裝鉛封，做好使用期間用量臺賬。(3)對于長期使用的管線，做好流量對比維護(hù)。

3.3 計量點排查

由上述2.2節(jié)敘述可知，在氮氣系統(tǒng)管網(wǎng)壓力變化后，要及時校準(zhǔn)溫壓補(bǔ)償?shù)饶K參數(shù)。通過對氮氣管網(wǎng)流量計進(jìn)行排查，不僅發(fā)現(xiàn)部分計量點存在溫壓補(bǔ)償參數(shù)偏差較大的情況，還發(fā)現(xiàn)部分計量器具安裝不規(guī)范的情況。例如部分流量計安裝位置與管線彎頭過近，流量計安裝存在傾斜角等情況，對于該種情況，已提報檢修項目進(jìn)行處理。

3.4 優(yōu)化氮氣保護(hù)壓力

根據(jù)生產(chǎn)調(diào)整，煉廠存在部分裝置、儲罐等停用的情況，為減少設(shè)備腐蝕，常利用氮氣充壓的方式。

因大型裝置或設(shè)備的法蘭、閥門等密封部位易存在泄漏情況，為減少氮氣補(bǔ)充量，應(yīng)降低設(shè)備保護(hù)壓力。

3.5 更改密封介質(zhì)

為提高管網(wǎng)運行效率，應(yīng)合理選用密封介質(zhì)。例如，部分設(shè)備通過氮氣密封，介質(zhì)后路排放至低壓瓦斯管網(wǎng)，易造成瓦斯管網(wǎng)氮氣組分增加，降低瓦斯熱值，最終導(dǎo)致各加熱爐瓦斯消耗量增加，影響裝置能耗。

因此，該部分設(shè)備密封介質(zhì)，可選用煉廠干氣等進(jìn)行密封，減少瓦斯管網(wǎng)中氮氣占比。同時，部分加熱爐流量計使用氮氣密封，后路排放至進(jìn)爐瓦斯線，為保護(hù)設(shè)備，可更改為工業(yè)風(fēng)進(jìn)行密封，不僅能降低密封成本，還可提高瓦斯熱值。

4 實施效果

4.1 優(yōu)化儲罐VOCs系統(tǒng)

通過3.1節(jié)對策實施，排查系統(tǒng)漏點，更換呼吸閥墊片，該公司罐區(qū)氮氣消耗量合計降低近800 Nm3/h。

4.2 泄漏點、計量點排查

通過對氮氣管網(wǎng)進(jìn)行排查，管網(wǎng)實時不平衡量由4230 Nm3/h，降低至2500 Nm3/h(降低了1730 Nm3/h)。

4.3 優(yōu)化氮氣保護(hù)壓力、更改密封介質(zhì)

1#重整、焦化通過調(diào)整設(shè)備保護(hù)壓力、機(jī)組氮氣使用方式等，氮氣流量分別由原來的623 Nm3/h、170 Nm3/h，降低至200 Nm3/h、104 Nm3/h。

經(jīng)過優(yōu)化攻關(guān)，近期氮氣每月外購費用由365萬元降低至266萬元，全年增效近1200萬元。

5 總結(jié)

通過針對煉化企業(yè)常見的管線泄漏、計量模塊偏差等工況進(jìn)行分析計算，對氮氣優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。經(jīng)過一系列對策分析實施，該公司針對氮氣管網(wǎng)優(yōu)化取得了較大成效。

但仍存在一些遺留問題，例如：(1)部分裝置氮氣流量計存在安裝不規(guī)范、故障等問題，無法在線切除整改；(2)部分裝置大型機(jī)組氮氣消耗量仍較高；(3)管網(wǎng)不平衡量仍較高等。針對以上問題，還需進(jìn)一步精細(xì)化處理，以使外購氮氣量降低到最優(yōu)水平。