節(jié)能創(chuàng)新改造技術(shù)在加氫改質(zhì)裝置上的應(yīng)用

潘強(qiáng) 辛丁業(yè) 馬曉偉 雷濤（中國(guó)石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司）

煉油企業(yè)既是能源加工生產(chǎn)主要單位之一，又是耗能大戶。能耗費(fèi)用在煉廠現(xiàn)金操作費(fèi)用中占有很大比例，可直接影響到煉廠現(xiàn)金操作費(fèi)用的高低，是煉廠可控費(fèi)用的主要方面之一。按統(tǒng)一價(jià)格計(jì)算，國(guó)內(nèi)煉廠能耗費(fèi)用平均占現(xiàn)金操作費(fèi)用的50%左右，國(guó)外煉廠的比例約為40%，與國(guó)外同行業(yè)相比，國(guó)內(nèi)大部分煉油企業(yè)在能耗方面還存在較大差距。其中，熱能和電能的利用在煉化企業(yè)中挖掘潛力是相當(dāng)大的，煉化企業(yè)在自身生產(chǎn)過(guò)程中需要將其生產(chǎn)原料總量的5%～7%作為能源消耗，在高原油價(jià)格下“節(jié)能亦利潤(rùn)”、“節(jié)能亦生存和發(fā)展”已成為煉油企業(yè)要面對(duì)的問(wèn)題，能耗已成為體現(xiàn)煉化企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素之一[1]。因此，煉化企業(yè)既是高耗能企業(yè)，又是節(jié)能潛力較大的企業(yè)。

1 節(jié)能潛力分析

某石化公司150×104t/a 柴油加氫改質(zhì)裝置[2]經(jīng)過(guò)1個(gè)周期的生產(chǎn)運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)本裝置在用能方面還存在以下問(wèn)題：

1）1.0 MPa 自產(chǎn)蒸汽量和2 塔吹汽消耗量基本持平，為防止蒸汽靜止帶液，在蒸汽線末端一直有現(xiàn)場(chǎng)放空，放空量約1.5 t/h，造成蒸汽浪費(fèi)。

2）0.3 MPa 自產(chǎn)蒸汽線由于汽包設(shè)計(jì)負(fù)荷小，蒸汽含水，汽量為11.5 t/h。外送蒸汽管線（DN250）在裝置西側(cè)與系統(tǒng)線相連，該系統(tǒng)線上集中有雙脫、焦化、苯抽提、重整等裝置大量的0.3 MPa 蒸汽。外送蒸汽管線壓降較大，無(wú)法外送，部分蒸汽裝置內(nèi)放空處理，放空量約6.0 t/h，蒸汽浪費(fèi)嚴(yán)重。

3）中段回流蒸汽發(fā)生器汽包D3801 設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況偏差大，汽包容積偏小，汽水分離效果差，蒸汽帶水嚴(yán)重。

4）柴油去重整裝置流程分配管根部無(wú)放空閥，管線停用后無(wú)法進(jìn)行吹掃，去重整返回點(diǎn)在蒸汽發(fā)生器E-3210前，無(wú)法達(dá)到節(jié)能目的。

5）反應(yīng)爐F-3101、分餾爐F-3201的氮氧化物（NOx）排放超標(biāo)，環(huán)保不達(dá)標(biāo)。

6）冷凝水外送溫度高，容易汽化。

7）新氫壓縮機(jī)采用頂開(kāi)吸氣閥加“三返一”旁路調(diào)節(jié)，實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)采用頂開(kāi)吸氣閥加“三返一”旁路調(diào)節(jié)的機(jī)組能耗較大，通過(guò)“三返一”旁路調(diào)節(jié)需要多壓縮30%的氣體功耗。

8）工藝流程熱高分至熱低分壓降為10.0 MPa，這部分壓力勢(shì)能未能充分利用。

以上問(wèn)題如果能夠及時(shí)解決，將為企業(yè)創(chuàng)造較大的節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)效益。

2 節(jié)能創(chuàng)新改造思路

由于該裝置目前自產(chǎn)1.0 MPa 蒸汽量和消耗量基本平衡，在既要解決外部蒸汽進(jìn)汽量小所帶來(lái)的系統(tǒng)線冷凝帶水問(wèn)題，而又不希望通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)放空來(lái)實(shí)現(xiàn)的前提下，可以通過(guò)外排一部分至0.3 MPa 蒸汽線實(shí)現(xiàn)；對(duì)于0.3 MPa 蒸汽帶水及外送阻力大的原因是汽包汽、水分離效果不好，造成蒸汽帶水不能正常外送，可以通過(guò)重新設(shè)計(jì)改造中段回流蒸汽發(fā)生器汽包D-3801 及外送流程來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于柴油后路去重整流程吹掃及能量利用不合理的問(wèn)題，可以通過(guò)增設(shè)放空及去重整流程返回點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于2臺(tái)加熱爐NOx排放不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，可以通過(guò)更換燃燒器來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于冷凝水外送溫度高的問(wèn)題，可以通過(guò)增加其與燃料氣換熱的流程來(lái)實(shí)現(xiàn)，在充分利用冷凝水余熱的同時(shí)還可有效解決冬季燃料氣入加熱爐軟管及火嘴易結(jié)鹽問(wèn)題；對(duì)于新氫壓縮機(jī)的氣量調(diào)節(jié)方式，可以采用HydroCOM 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于熱高分至熱低分之間的壓降勢(shì)能問(wèn)題，可以充分利用液力回收透平驅(qū)動(dòng)原料泵來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3 節(jié)能創(chuàng)新改造方案

利用2015 年大檢修，針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行對(duì)應(yīng)的優(yōu)化改造，極大地提高了裝置的節(jié)能環(huán)保水平及經(jīng)濟(jì)效益，具體創(chuàng)新改造實(shí)施方案如下：

1）在1.0 MPa蒸汽管線末端增加一路至0.3 MPa系統(tǒng)管線流程，如圖1云線范圍所示。

圖1 1.0 MPa蒸汽流程改造示意圖

2）該裝置外送0.3 MPa 蒸汽線管徑為DN200，流量為11.5 t/h。DN200 無(wú)法滿足蒸汽正常排放。本次改造將該管線更換為DN300，并將外送線由西面改至東面在氣分龍門架處與新增系統(tǒng)蒸汽分汽缸相連。廢除原有西側(cè)出裝置的0.3 MPa 蒸汽線。新增管線長(zhǎng)度約為400 m，采用已有管架敷設(shè)。如圖2所示，云線范圍為原有流程。

圖2 0.3 MPa蒸汽流程改造示意圖

3）重新委托設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)中段回流蒸汽發(fā)生器汽包D3801。

4）在柴油去重整流程分配管根部增加密閉放空，并將返回點(diǎn)改造至柴油蒸汽發(fā)生器E-3210后。如圖3所示，云線范圍為改造后流程。

圖3 柴油去重整流程改造示意圖

5）將反應(yīng)爐F-3101、分餾爐F-3201的燃燒器全部更換為由洛陽(yáng)瑞昌石油化工設(shè)備有限公司制造的GFFW-110.25、GCFB-12.0 的 低NOx 高 效 燃 燒器。該燃燒器可以有效調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，燃料氣與控制混合均勻，防止出現(xiàn)局部高溫而產(chǎn)生NOx。

6）將原有重石腦油與燃料氣流程改造為冷凝水與燃料氣換熱流程。如圖4所示，云線范圍為改造后流程。

圖4 冷凝水與燃料氣換熱流程改造示意圖

7）新氫壓縮機(jī)采用HydroCOM 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，可以根據(jù)實(shí)際氫耗量精確調(diào)整壓縮機(jī)的負(fù)荷，沒(méi)有多余壓縮氣體，以達(dá)到節(jié)約能耗的目的[3]。HydroCOM 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)節(jié)能原理如圖5所示。

圖5 回流省功P-V

8）采用液力透平來(lái)回收利用熱高分至熱低分的壓降勢(shì)能（圖6）。液力透平的驅(qū)動(dòng)介質(zhì)為熱高分油，熱高分油由熱高壓分離器底部進(jìn)入透平入口，介質(zhì)溫度為240 ℃，壓力為11.5 MPa。熱高分油沖轉(zhuǎn)透平后減壓為2.6 MPa，從液力透平出口進(jìn)入熱低壓分離器。液力透平技術(shù)的應(yīng)用有效地回收了反應(yīng)生成油從熱高分至熱低分的壓力能和熱能，并將其轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)反應(yīng)進(jìn)料泵做功，從而降低裝置能耗[4]。

表1 裝置0.3 MPa蒸汽線節(jié)能效果對(duì)比數(shù)據(jù)

圖6 液力透平能量回收系統(tǒng)示意圖

4 節(jié)能創(chuàng)新改造效果評(píng)價(jià)

1）1.0 MPa 蒸汽管線末端增加至0.3 MPa 系統(tǒng)管線流程后，1.0 MPa 蒸汽不再改現(xiàn)場(chǎng)放空，并入0.3 MPa 蒸汽管網(wǎng)回收利用，有效節(jié)省外排蒸汽量約1.5 t/h。改造后運(yùn)行1年多時(shí)間內(nèi)，累計(jì)節(jié)約1.0 MPa 蒸汽外排量12 960 t，回收蒸汽費(fèi)用達(dá)32.4萬(wàn)元。

本次改造150×104t 柴油加氫改質(zhì)裝置進(jìn)入新增蒸汽分汽缸的0.3 MPa 蒸汽約為11.5 t/h。2015年大檢修時(shí)改造完成，現(xiàn)將改造前后的節(jié)能效果進(jìn)行對(duì)比，氣分裝置和150×104t/a 柴油加氫改質(zhì)裝置都是80%左右負(fù)荷，由于生產(chǎn)任務(wù)和原油加工任務(wù)的連續(xù)性，無(wú)長(zhǎng)時(shí)間大幅度地調(diào)整加工量，基本可以確定加工負(fù)荷的影響很低。從表1可以看出節(jié)能效果比較明顯，按財(cái)務(wù)處提供的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，費(fèi)用如下：1.0 MPa蒸汽，廠內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)76元/t，廠外標(biāo)準(zhǔn)95元/t；0.3 MPa蒸汽，廠內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)25元/t，廠外標(biāo)準(zhǔn)32元/t；冷凝水，廠內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)10元/t。

對(duì)于150×104柴油加氫改質(zhì)裝置，以2014年下半年和2015年上半年作為大檢修前的1個(gè)自然年的統(tǒng)計(jì)年度，共外送0.3 MPa 蒸汽而產(chǎn)生的效益為82.32萬(wàn)元；以2015年下半年和2016年上半年作為大檢修后的1個(gè)自然年的統(tǒng)計(jì)年度，共外送0.3 MPa蒸汽而產(chǎn)生的效益為170.27 萬(wàn)元，多產(chǎn)生效益87.95萬(wàn)元。

2）在柴油去重整流程分配管根部增加密閉放空后，有效解決了停工吹掃置換難題；將去重整流程返回點(diǎn)改造至柴油蒸汽發(fā)生器E-3210 后，使在自產(chǎn)1.0 MPa蒸汽量的裝置內(nèi)調(diào)節(jié)更加具有主動(dòng)性，有效提高了分餾塔底柴油熱能的合理利用。

3）全部更換反應(yīng)爐F-3101、分餾爐F-3201的燃燒器后，2 臺(tái)加熱爐煙氣中NOx 全部達(dá)標(biāo)，與改造前相比，反應(yīng)爐F-3101 的NOx 有效降低26.4%，分餾爐F-3201的NOx有效降低27.1%（表2）。

表2 改造前后加熱爐煙氣成分對(duì)比分析

4）增加冷凝水與燃料氣換熱流程后，冷凝水外送溫度由改造前的117 ℃降至75 ℃，有效降低了冷凝水溫度高造成的汽化水擊問(wèn)題。此外，經(jīng)過(guò)2 個(gè)冬季的運(yùn)行，燃料氣入加熱爐軟管及火嘴處結(jié)鹽明顯降低，瓦斯耗量呈現(xiàn)一定程度的降低。

5）新氫壓縮機(jī)K-3101/ABCD是150×104t/a柴油加氫改質(zhì)裝置的關(guān)鍵設(shè)備[5]，目前運(yùn)行狀態(tài)為兩開(kāi)兩備。K-3101/ABCD經(jīng)過(guò)技術(shù)創(chuàng)新改造后，能夠長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，給整個(gè)公司創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，本項(xiàng)目效益計(jì)算先以1臺(tái)無(wú)級(jí)調(diào)量壓縮機(jī)K-3101/A 進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)技術(shù)創(chuàng)新改造后，K-3101/A 實(shí)現(xiàn)了按照公司節(jié)能設(shè)備使用的要求運(yùn)行，即采用HydroCOM 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)的K-3101/A機(jī)作為主力機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，采用“三返一”旁路調(diào)節(jié)的K-3101/B 作為長(zhǎng)期備用機(jī)使用的節(jié)能運(yùn)行方式。

采用HydroCOM無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)的K-3101/A機(jī)節(jié)能效果顯著，2 臺(tái)新氫壓縮機(jī)（K-3101A/B）設(shè)計(jì)的排氣量為34 000 m3/h（0 ℃，101.325 kPa）。目前裝置實(shí)際氫耗量為21 000 m3/h，K-3101/A 通過(guò)HydroCOM 調(diào)節(jié)負(fù)荷在70%，對(duì)應(yīng)的電流顯示值為170 A。若使用K-3101/B頂開(kāi)吸氣閥旁路調(diào)節(jié)，對(duì)應(yīng)負(fù)荷為100%，多余的13 000 m3/h 排氣量通過(guò)旁路調(diào)節(jié)返回至壓縮機(jī)入口，對(duì)應(yīng)的電流顯示值為280 A。通過(guò)2 臺(tái)壓縮機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)工況下的對(duì)比，使用HydroCOM 調(diào)節(jié)的K-3101/A 機(jī)電流值下降了110 A，電動(dòng)機(jī)的工作電壓為6 000 V，電動(dòng)機(jī)功率因素為0.9，其節(jié)約功率為1 028.808 kW。

這意味著1 h 節(jié)電1 028 kWh，電價(jià)按0.414元/kWh 計(jì)算，該機(jī)組1 年運(yùn)行8 000 h，這樣可節(jié)約費(fèi)用340.7萬(wàn)元。

150×104t/a柴油加氫改質(zhì)裝置正常生產(chǎn)時(shí)需要開(kāi)2 臺(tái)無(wú)級(jí)調(diào)量的壓縮機(jī)，1 年可節(jié)約費(fèi)用681.4萬(wàn)元。

6）液力透平正常運(yùn)行后，減輕了電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，電動(dòng)機(jī)電流由118 A 降至83 A，節(jié)約功率為338.3 kW。按每年運(yùn)行8 000 h、工業(yè)用電0.414元/kWh計(jì)算，可年節(jié)約資金112.1萬(wàn)元。

5 結(jié)論

綜上所述，裝置節(jié)能改造后產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益為913.85萬(wàn)元，高效燃燒器更換后火焰的燃燒效果明顯改善，反應(yīng)爐F-3101 和分餾爐F-3201 的NOx顯著降低，為煉油行業(yè)節(jié)能減排改造提供了新的思路和參照。