過程系統(tǒng)工程方法在煉油廠設(shè)計(jì)階段節(jié)水優(yōu)化中的應(yīng)用

劉雪鵬（北京圣金橋信息技術(shù)有限公司）

過程系統(tǒng)工程方法在煉油廠設(shè)計(jì)階段節(jié)水優(yōu)化中的應(yīng)用

劉雪鵬（北京圣金橋信息技術(shù)有限公司）

當(dāng)前煉油化工企業(yè)已全面開展水系統(tǒng)優(yōu)化工作，但對設(shè)計(jì)階段的項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化力度較小。本文采用過程系統(tǒng)工程方法，對處于初步設(shè)計(jì)階段的某千萬噸煉油廠進(jìn)行水平衡計(jì)算和水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，并對全廠水系統(tǒng)“七環(huán)節(jié)”的用水和排水進(jìn)行分析，提出優(yōu)化改進(jìn)建議。設(shè)計(jì)單位重新調(diào)整設(shè)計(jì)內(nèi)容后，該廠加工噸原油取水量由0.51 t降低到0.43 t，節(jié)水效果顯著。

煉油廠；設(shè)計(jì)階段；節(jié)水；優(yōu)化

過程系統(tǒng)工程是一門綜合性的邊緣學(xué)科，它以處理物料—能量—資金—信息流的過程系統(tǒng)為研究對象，其核心功能是過程系統(tǒng)的組織、計(jì)劃、協(xié)調(diào)、設(shè)計(jì)、控制和管理[1]。過程系統(tǒng)工程于20世紀(jì)60年代形成基本體系，并隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用普及開始推廣應(yīng)用到各類過程工業(yè)部門，90年代后其開始應(yīng)用在工業(yè)節(jié)水工作中。

過程系統(tǒng)工程方法已經(jīng)廣泛用于煉油化工企業(yè)的節(jié)水減排優(yōu)化工作中，而且已經(jīng)開始應(yīng)用于煤化工等新興化工企業(yè)[2-5]。目前設(shè)計(jì)院已經(jīng)開始在設(shè)計(jì)階段考慮節(jié)能節(jié)水[6]，但采用過程系統(tǒng)工程方法對尚處于設(shè)計(jì)階段的煉化企業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)水優(yōu)化，本案例尚屬首次應(yīng)用。

1 節(jié)水減排的過程系統(tǒng)工程方法

煉化企業(yè)節(jié)水減排的過程系統(tǒng)工程方法是：水平衡測試→水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化→外排污水深度處理回用。從系統(tǒng)的角度考慮水的有效利用，將煉化企業(yè)的全部用水部門當(dāng)成一個整體水網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化，考慮如何分配各用水單元的水量和水質(zhì)，使水的重復(fù)利用率達(dá)到最大，同時廢水排放量達(dá)到最小。

在設(shè)計(jì)階段采用過程系統(tǒng)工程方法對全廠水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，與運(yùn)行中的企業(yè)相比，關(guān)鍵區(qū)別在以下兩點(diǎn)：首先，所有水量及水質(zhì)等數(shù)據(jù)都來源于設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，是按照工藝?yán)碚摵驮O(shè)計(jì)規(guī)范得出的數(shù)據(jù)，雖然也參考了同類工藝裝置的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，但仍留有設(shè)計(jì)余量，且不存在計(jì)量誤差和泄漏損失；其次，優(yōu)化分析后得出的改造方案建議，不需要企業(yè)再次申請投資，可直接應(yīng)用于設(shè)計(jì)工作，由設(shè)計(jì)單位調(diào)整原設(shè)計(jì)內(nèi)容，從工廠建設(shè)初始階段就保障了企業(yè)的用水節(jié)水的先進(jìn)性。

2 過程系統(tǒng)工程方法的應(yīng)用

2.1 水平衡計(jì)算

在水平衡計(jì)算階段，匯總該煉油廠各套生產(chǎn)裝置及輔助部門的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以代替水平衡測試數(shù)據(jù)。該新建煉油廠用水技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)現(xiàn)狀與GB/T 26926—2011《節(jié)水型企業(yè)石油煉制行業(yè)》對比情況見表1。

表1 某新建煉油廠用水計(jì)算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對照

由表1可知，該新建煉油廠用水技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中，重復(fù)利用率、含硫污水汽提凈化水回用率、加工噸原油取水量、加工噸原油排水量和污（廢）水回用率均優(yōu)于國家節(jié)水型企業(yè)考核標(biāo)準(zhǔn)；但循環(huán)水濃縮倍數(shù)和軟化水除鹽水制取系數(shù)未達(dá)到國家節(jié)水型企業(yè)考核標(biāo)準(zhǔn)?？傮w來說，該項(xiàng)目用水現(xiàn)狀總體處于達(dá)標(biāo)水平，還存在一定的節(jié)水優(yōu)化潛力。

2.2水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化

該煉油廠的水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化分析，主要集中在廠內(nèi)凈化水回用上。該廠凈化水回用率設(shè)計(jì)為78.7%，優(yōu)于《節(jié)水型企業(yè)石油煉制行業(yè)》中要求大于60%的水平，但仍有部分凈化水排到了污水處理裝置。此外，催化裂化裝置鍋爐定連排污水水質(zhì)也較一般污水要好，可以進(jìn)行二次利用。利用夾點(diǎn)計(jì)算分析得出優(yōu)化后的水網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化效果示意

1.3 外排污水深度處理回用

經(jīng)過全廠水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化，提高了工業(yè)水重復(fù)利用率，同時減少了排向污水系統(tǒng)的污水。在此基礎(chǔ)上，考慮外排污水深度處理制成中水的回用方案，可降低污水深度處理裝置的設(shè)計(jì)規(guī)模和投資成本。

3 節(jié)水減排“七環(huán)節(jié)”優(yōu)化

對于煉油化工企業(yè)來說，可將水系統(tǒng)分為七個環(huán)節(jié)，即水汽輸送、制水、工藝水、循環(huán)水、蒸汽冷凝水、生活水、污水回用水。根據(jù)各個環(huán)節(jié)的特點(diǎn)并結(jié)合集成優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，以達(dá)到企業(yè)水系統(tǒng)的先進(jìn)性和科學(xué)性。“七環(huán)節(jié)”優(yōu)化分析步驟也是首次應(yīng)用于設(shè)計(jì)階段的煉油廠節(jié)水優(yōu)化工作。

3.1 水汽輸送系統(tǒng)優(yōu)化

該煉油廠設(shè)計(jì)中，水輸送管道材質(zhì)的選取符合相關(guān)規(guī)范。但碳鋼金屬管材的使用量較大，設(shè)計(jì)的金屬管道管材防腐方式，雖然也符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，但長期運(yùn)行后，管網(wǎng)的腐蝕泄漏問題還是會逐漸出現(xiàn)。建議設(shè)計(jì)中還應(yīng)該考慮管道陰極保護(hù)，可進(jìn)一步降低埋地金屬管道的腐蝕速率，減少水輸送管網(wǎng)的漏失量。

3.2 制水系統(tǒng)優(yōu)化

1）制水系統(tǒng)工藝優(yōu)化：該煉油廠除鹽水制水工藝設(shè)計(jì)采用超濾反滲透加混床處理工藝，同時該廠不單獨(dú)建設(shè)中壓鍋爐，中壓蒸汽采用外購+余熱鍋爐自產(chǎn)模式。但除鹽水裝置處理規(guī)模考慮到開車階段需求大等原因，處理規(guī)模設(shè)計(jì)較大，穩(wěn)定工況下超濾反滲透系統(tǒng)將有75%處于閑置狀態(tài)。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，反滲透膜只要通水試運(yùn)行以后，即使閑置，其壽命也將不斷減短，造成項(xiàng)目投資浪費(fèi)。同時該廠新鮮水水質(zhì)較好，水中總?cè)芄淘?78～458 mg/L之間，完全可以采用離子交換工藝制水。建議設(shè)計(jì)改用離子交換工藝替代超濾反滲透工藝，每小時可節(jié)省新鮮水量66 t。

2）鍋爐排污水優(yōu)化及改進(jìn)：該煉油廠部分余熱鍋爐排污率設(shè)計(jì)較高，高于GB/T 1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》中排污率≤2%的要求。建議調(diào)整設(shè)計(jì)排污率，每小時可節(jié)省新鮮水量4.78 t。

3.3 工藝水系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化結(jié)果，建議該煉油廠調(diào)整加氫裝置空冷前注水設(shè)計(jì)內(nèi)容，同時考慮到加氫裝置回用凈化水導(dǎo)致的銨鹽結(jié)晶風(fēng)險，建議用凈化水?dāng)v兌除鹽水作為注水，減少除鹽水用量，同時減少凈化水的排污量。

凈化水的主要回用設(shè)備有柴油加氫精制空冷器、柴油加氫改質(zhì)空冷器、催化汽油加氫空冷器、焦化富氣空冷器和焦化液化氣水洗分離器。該項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容優(yōu)化后，每小時可減少除鹽水用量27.6 t，同時將凈化水排污量減少至每小時14.59 t。

3.4 循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化

1）循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水優(yōu)化：該煉油廠設(shè)計(jì)循環(huán)水場的補(bǔ)水由新鮮水、回用水等構(gòu)成，回用水水質(zhì)比新鮮水水質(zhì)好，并優(yōu)于循環(huán)水場補(bǔ)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)很多，甚至在一個數(shù)量級以上。

建議從回用水中取出一部分作為除鹽水站制水所需的原水，剩余的回用水再作為循環(huán)水補(bǔ)水。同時，將除鹽水站所用的新鮮水送到循環(huán)水場作為循環(huán)水補(bǔ)水，新鮮水水質(zhì)比回用水差，但完全可以滿足循環(huán)水補(bǔ)水要求。這樣不僅實(shí)現(xiàn)了較合理的利用高品質(zhì)水，而且可以減少除鹽水系統(tǒng)生產(chǎn)負(fù)荷，降低反洗頻率提高除鹽水制水率。

2）循環(huán)水濃縮倍數(shù)優(yōu)化：該煉油廠循環(huán)水場濃縮倍數(shù)設(shè)計(jì)為N=3，未達(dá)到煉油循環(huán)水場濃縮倍數(shù)N≥4的考核要求。建議循環(huán)水場將循環(huán)水設(shè)計(jì)濃縮倍數(shù)提高到N≥4。同時，設(shè)計(jì)單位對該煉油廠循環(huán)水場設(shè)計(jì)時參考的氣候條件錯誤，涼水塔蒸發(fā)量設(shè)計(jì)偏小，建議重新調(diào)整涼水塔蒸發(fā)系數(shù)。設(shè)計(jì)調(diào)整后，每小時可減少新鮮水補(bǔ)水量及循環(huán)水排污量各18.72 t。

3）循環(huán)水中油份在線監(jiān)測優(yōu)化：煉油裝置在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)裝置換熱器不可避免會發(fā)生漏油現(xiàn)象，導(dǎo)致循環(huán)水被污染，從而需要利用新鮮水對循環(huán)水場的循環(huán)水進(jìn)行置換，排放大量的循環(huán)水，對污水處理裝置的正常運(yùn)行造成沖擊；同時也造成了循環(huán)水補(bǔ)水及藥劑的浪費(fèi)。

該煉油廠設(shè)計(jì)中未考慮循環(huán)水系統(tǒng)漏油監(jiān)測，建議煉油裝置循環(huán)水回水管線上安裝在線油份監(jiān)測儀及遠(yuǎn)傳報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測循環(huán)水回水中的油份濃度。同時配套便攜式油份檢測儀，檢測漏油現(xiàn)象，出現(xiàn)換熱器漏油后，及時進(jìn)行管線切換，降低換熱器泄漏對循環(huán)水系統(tǒng)的污染危害程度。

4）循環(huán)水中COD在線監(jiān)測優(yōu)化：實(shí)際生產(chǎn)中，硫磺回收裝置存在含硫污水及凈化水中氨氮超標(biāo)風(fēng)險，凈化水在冷卻過程中會存在泄漏進(jìn)循環(huán)水的情況，從而會導(dǎo)致循環(huán)水場中集水池氨氮含量上升，對細(xì)菌滋生產(chǎn)生影響。目前對氨氮含量的監(jiān)測也是人工取樣化驗(yàn)的手段，時間滯后十分嚴(yán)重，泄漏點(diǎn)排查較為困難。

建議設(shè)計(jì)中硫磺回收裝置循環(huán)水回水總管上加裝1臺TOC分析儀，及時分析硫磺裝置循環(huán)水回水中COD的含量變化，從而判斷是否發(fā)生泄漏，避免泄漏時有機(jī)物及氨氮進(jìn)入回水，影響循環(huán)水系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.5 冷凝水系統(tǒng)優(yōu)化

該煉油廠設(shè)計(jì)內(nèi)容中，冷凝水在進(jìn)入冷凝水處理裝置前設(shè)置了pH值、電導(dǎo)和TOC在線分析儀表，合格的工藝?yán)淠厥罩脸}水站處理后，再與除油除鐵后的透平冷凝水一起進(jìn)入混床處理，最后作為脫鹽水使用。經(jīng)檢測不合格的冷凝水排入事故冷凝水罐。該回收工藝設(shè)計(jì)尚存在不足之處，雖然在冷凝水處理前設(shè)置了水質(zhì)監(jiān)測分析儀，但當(dāng)某一個裝置的冷凝水被嚴(yán)重污染時，由于該股冷凝水沒有單獨(dú)的水質(zhì)監(jiān)測，會導(dǎo)致冷凝水匯總后，使其他清潔冷凝水也被污染而無法進(jìn)行回收利用，造成冷凝水的浪費(fèi)。

建議設(shè)計(jì)中對冷凝水回收量較大的裝置，在其冷凝水回收線上分別安裝水質(zhì)監(jiān)測分析儀，并配備增加冷凝水切換閥門、管線等。當(dāng)冷凝水水質(zhì)不合格時，直接進(jìn)行切換排放，從而避免與其他裝置冷凝水混合污染。此外，建議對冷凝水處理工藝進(jìn)行優(yōu)化選擇，適當(dāng)提高冷凝水處理裝置的允許進(jìn)口油含量，將目前設(shè)計(jì)的進(jìn)口水質(zhì)TOC≤30 mg/L提高至50～80 mg/L，可以有效減少冷凝水的排放量。

3.6 生活水系統(tǒng)優(yōu)化

國家正在提倡居民沖廁用水不再使用生活水，而是用中水或海水等水質(zhì)較低的水來進(jìn)行代替。該煉油廠在設(shè)計(jì)中并沒有這方面的相關(guān)考慮，生活用水只有一條管網(wǎng)同時供給生活及沖廁用水，使用生活水管網(wǎng)的新鮮水作為沖廁用水屬于高水低用的浪費(fèi)現(xiàn)象。

建議設(shè)計(jì)中增加敷設(shè)一條輸水管網(wǎng)供給沖廁用水，水源采用生產(chǎn)水代替外購的生活水，避免高水低用，并降低生活水的外購量，節(jié)約成本。

3.7 污水系統(tǒng)優(yōu)化

該煉油廠設(shè)計(jì)中污水排放和收集為清污分流的方式，這種設(shè)計(jì)適合采用含鹽污水和含油污水單獨(dú)處理工藝;然后對含油污水進(jìn)行適度處理回用，對含鹽污水進(jìn)行深度處理回用,這樣可減小污水深度處理裝置設(shè)計(jì)規(guī)模，減少投資。但該煉油廠目前所設(shè)計(jì)的污水處理方式為“全混”處理+深度處理組合工藝，而且已不能改動。

建議設(shè)計(jì)中為循環(huán)水場排污水適度處理系統(tǒng)預(yù)留空間，為今后的工藝改造提供基礎(chǔ)條件。循環(huán)水場排污水相對較干凈，適度除鹽處理費(fèi)用不高，運(yùn)行成本只有0.7～1.0元/t水，節(jié)水量可觀，經(jīng)濟(jì)也比較合算。循環(huán)水排污水直接處理回用后，使循環(huán)水系統(tǒng)最大程度獨(dú)立運(yùn)行，在一定程度上減輕了污水廠運(yùn)行效果好壞產(chǎn)生的干擾，提高系統(tǒng)的安全性、管理的合理性。

3.8 小結(jié)

上述提出的優(yōu)化改進(jìn)建議，全部被設(shè)計(jì)單位采納。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)中的除鹽水制水工藝、降低鍋爐排污率、提高凈化水回用量、提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)等內(nèi)容，每小時節(jié)省新鮮水量119.86 t，全廠加工噸原油取水量由0.51 t降低到0.43 t，優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)考核水平。

4 結(jié)論

1）對處于設(shè)計(jì)階段的煉油廠采用過程系統(tǒng)工程方法進(jìn)行水系統(tǒng)優(yōu)化，真正做到了源頭優(yōu)化，從圖紙階段即保證了企業(yè)用水水平的先進(jìn)性。

2）當(dāng)前大型煉油廠設(shè)計(jì)普遍采用總體院拿總、分包院分頭設(shè)計(jì)的方式開展，分包院重點(diǎn)關(guān)注的是工作符合設(shè)計(jì)規(guī)范，雖然已經(jīng)開始在各自分包的范圍內(nèi)采取優(yōu)化設(shè)計(jì)，但也是各自為戰(zhàn)。這就要求總體院具有系統(tǒng)優(yōu)化的能力，統(tǒng)一協(xié)調(diào)各分包院調(diào)整初始設(shè)計(jì)，達(dá)到設(shè)計(jì)項(xiàng)目的系統(tǒng)最優(yōu)化。

3）隨著各項(xiàng)節(jié)水國家標(biāo)準(zhǔn)和政策文件陸續(xù)出臺，國家對工業(yè)企業(yè)節(jié)水減排工作要求的進(jìn)一步加大，煉油化工作為節(jié)水減排重點(diǎn)關(guān)注行業(yè)，承擔(dān)的壓力顯而易見。采用過程系統(tǒng)工程方法，從設(shè)計(jì)階段優(yōu)化企業(yè)全廠水系統(tǒng)，對企業(yè)的節(jié)水減排工作意義重大。該工作方法若推廣到目前正在興起的新型煤化工行業(yè)，對國家的節(jié)水減排工作將會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.009

2017-03-29

（編輯 李發(fā)榮）

新疆石西油田

劉雪鵬，工程師，2008年畢業(yè)于天津大學(xué)，主要從事煉化企業(yè)節(jié)能節(jié)水優(yōu)化工作，E-mail：xuepengliu021@163.com，地址：北京市海淀區(qū)清華東路17號金碼大廈B座808室，100083。