基于熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)的延遲焦化加熱爐三點(diǎn)注汽量智能優(yōu)化

樊亞明，盧秋旭，吳振華，馬守貴

(中國(guó)石化塔河煉化有限責(zé)任公司，新疆 庫(kù)車(chē) 842000)

延遲焦化是煉油廠(chǎng)處理重質(zhì)油的重要技術(shù)之一，其渣油轉(zhuǎn)化率高、原料適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低，是煉油廠(chǎng)提高輕質(zhì)油收率、生產(chǎn)石油焦的主要手段，也可以生產(chǎn)化工基礎(chǔ)料石腦油[1-3]。相比催化裂化、加氫裂化等重油加工裝置，延遲焦化的原料適應(yīng)性更好，不需要催化劑，可以加工處理各類(lèi)油品。焦化過(guò)程可以簡(jiǎn)單概括為：常壓渣油、減壓渣油、焦炭塔塔頂油氣進(jìn)入分餾塔，分餾塔塔底油進(jìn)入加熱爐加熱，最終在焦炭塔進(jìn)行生焦反應(yīng)[4]。焦化加熱爐作為延遲焦化的核心設(shè)備，其作用是將爐內(nèi)迅速流動(dòng)的原料油加熱至500 ℃左右的高溫[5]，因此爐內(nèi)需要有較高的傳熱速率以保證在短時(shí)間內(nèi)給原料油提供足夠的熱量，同時(shí)要求提供均勻的熱負(fù)荷和流動(dòng)，以防局部過(guò)熱引起爐管結(jié)焦。

延遲焦化裝置的主要目的是使原料油在焦炭塔中發(fā)生結(jié)焦，同時(shí)盡可能避免其在加熱爐、轉(zhuǎn)油線(xiàn)等其他位置結(jié)焦。尤其是在加熱爐中，由于爐中原料油溫度快速升高，一旦出現(xiàn)結(jié)焦問(wèn)題，將會(huì)導(dǎo)致裝置停工，煅燒爐管。加熱爐結(jié)焦問(wèn)題解決了，焦化裝置就可以平穩(wěn)操作，進(jìn)而延長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)周期[6]。為了降低加熱爐爐管的結(jié)焦程度，通常會(huì)在原料油進(jìn)加熱爐爐管的同時(shí)注入蒸汽或水，以加大原料油在爐管中的流速，縮短原料油在爐管內(nèi)的停留時(shí)間。

國(guó)內(nèi)某煉油廠(chǎng)采用了先進(jìn)的三點(diǎn)注汽的方式，在加熱爐爐管中的3個(gè)不同位置注入過(guò)熱蒸汽來(lái)提高原料油流速、防止加熱爐結(jié)焦。本研究針對(duì)該煉油廠(chǎng)加熱爐三點(diǎn)注汽量?jī)?yōu)化問(wèn)題，采用熱負(fù)荷自動(dòng)校正的計(jì)算方法，考察三點(diǎn)注汽量對(duì)加熱爐熱負(fù)荷和爐管結(jié)焦程度的影響，對(duì)不同原料油加工負(fù)荷下的加熱爐熱負(fù)荷和結(jié)焦程度進(jìn)行優(yōu)化。

1 計(jì)算方法

延遲焦化加熱爐結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。根據(jù)加熱爐結(jié)構(gòu)和三點(diǎn)注汽的位置，本研究在模擬計(jì)算時(shí)將延遲焦化加熱爐劃分為4個(gè)主要部分：對(duì)流段(8根爐管)、輻射段1(6根爐管)、輻射段2(24根爐管)和輻射段3(4根爐管)。第1個(gè)注汽點(diǎn)位于對(duì)流段入口，第2個(gè)注汽點(diǎn)位于輻射段2入口，第3個(gè)注汽點(diǎn)位于輻射段3入口。

圖1 延遲焦化加熱爐結(jié)構(gòu)示意

依據(jù)設(shè)計(jì)工況下的瓦斯消耗量Wp和實(shí)際工況下的瓦斯消耗量Ws計(jì)算實(shí)際工況下的加熱爐熱負(fù)荷Q，其計(jì)算式見(jiàn)式(1)。

Q=WsWp×100%

(1)

通過(guò)定義結(jié)焦系數(shù)Kj來(lái)表征整個(gè)加熱爐的爐管總體結(jié)焦程度，其計(jì)算式見(jiàn)式(2)。

Kj=∑(ki×dti)

(2)

式中：ki為原料油在各段加熱爐爐管中的結(jié)焦反應(yīng)速率，s-1；ti為原料油在各段加熱爐爐管中的停留時(shí)間，s；i為加熱爐段編號(hào)，i=1～4。Kj的值越大，表明加熱爐爐管結(jié)焦越嚴(yán)重。

結(jié)焦反應(yīng)速率ki采用式(3)計(jì)算[7]。

ki=A×e(-EaRT)

(3)

式中：A為指前因子，s-1；Ea為表觀(guān)活化能，kJmol；T為溫度，K；當(dāng)T<179 K時(shí)，Ea=74.94 kJmol，A=2.03×102s-1；當(dāng)T>179 K時(shí)，Ea=227.2 kJmol，A=1.99×1012s-1。

本研究采用熱負(fù)荷自動(dòng)校正模塊進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算流程如圖2所示。在計(jì)算中，通過(guò)同時(shí)輸入熱負(fù)荷Q的范圍和三點(diǎn)注汽量(第1點(diǎn)、第2點(diǎn)、第3點(diǎn)的注汽量分別記作qh1，qh2，qh3)的范圍，實(shí)現(xiàn)結(jié)焦系數(shù)Kj和熱負(fù)荷Q的同時(shí)優(yōu)化。共有兩種計(jì)算模式：一種是基于結(jié)焦優(yōu)化的方案，主要目的是要尋找最小結(jié)焦系數(shù)Kj對(duì)應(yīng)的注汽方案；另一種是基于能耗優(yōu)化的方案，主要是給定某一個(gè)可接受的結(jié)焦系數(shù)Kjc，然后尋找滿(mǎn)足結(jié)焦條件的注汽方案。

圖2 計(jì)算流程

2 結(jié)果與討論

2.1 加熱爐熱負(fù)荷、原料油加工負(fù)荷對(duì)各段爐管出口溫度和結(jié)焦系數(shù)的影響

在三點(diǎn)注汽量及其他條件不變的理想情況下，加熱爐熱負(fù)荷和原料油加工負(fù)荷的變化均會(huì)影響爐管出口溫度和結(jié)焦系數(shù)(未采用熱負(fù)荷自動(dòng)校正)。加熱爐熱負(fù)荷對(duì)爐管出口溫度和結(jié)焦系數(shù)的影響如圖3所示，原料油加工負(fù)荷對(duì)爐管出口溫度和結(jié)焦系數(shù)的影響如圖4所示。其中，裝置的額定工況對(duì)應(yīng)于100%加熱爐熱負(fù)荷、100%原料油加工負(fù)荷。

由圖3可以看出：在不考慮加熱爐熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)的情況下，不改變注汽量時(shí)，熱負(fù)荷升高或降低都會(huì)影響各段爐管的出口溫度和管內(nèi)結(jié)焦程度；當(dāng)熱負(fù)荷小于100%時(shí)，輻射段3出口溫度(即加熱爐出口溫度)無(wú)法滿(mǎn)足原料油進(jìn)焦炭塔的溫度要求(485 ℃)；當(dāng)熱負(fù)荷為60%時(shí)，爐出口溫度為431.1 ℃，此時(shí)需要降低注汽量(降低原料油流速)或者提高熱負(fù)荷，以保證原料油在爐管內(nèi)的充分受熱，進(jìn)而保證加熱爐出口的原料油溫度滿(mǎn)足要求；而當(dāng)熱負(fù)荷大于100%時(shí)，結(jié)焦系數(shù)大于額定工況下的結(jié)焦系數(shù)(0.029)，并且隨著熱負(fù)荷的增大而急劇增大，爐管非常容易結(jié)焦，比如在熱負(fù)荷為140%時(shí)，結(jié)焦系數(shù)高達(dá)0.266，是額定工況對(duì)應(yīng)的結(jié)焦系數(shù)的9.17倍，結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)非常大。此時(shí)需要降低熱負(fù)荷或者提高注汽量，提高原料油在爐管內(nèi)的流速，進(jìn)而保證出口溫度不超溫、爐管不結(jié)焦。

圖3 加熱爐熱負(fù)荷對(duì)爐管溫度和結(jié)焦系數(shù)的影響■—爐入口溫度； ●—對(duì)流段出口溫度； ▲—輻射段1出口溫度； 輻射段2出口溫度； 輻射段3出口溫度。圖4同

圖4 原料油加工負(fù)荷對(duì)爐管溫度和結(jié)焦系數(shù)的影響

由圖4可以看出：在加熱爐熱負(fù)荷不變的情況下，隨著原料油加工負(fù)荷不斷增大，各段爐管出口溫度不斷降低；當(dāng)原料油加工負(fù)荷分別為105%，120%，140%時(shí)，加熱爐出口溫度分別為480.7，469.2，456.4 ℃，無(wú)法滿(mǎn)足原料油進(jìn)焦化塔的的溫度要求(485 ℃)，需要提高熱負(fù)荷或者降低注汽量(提高原料油在爐管停留時(shí)間)，以提高原料油在加熱爐內(nèi)的吸熱量，進(jìn)而保證加熱爐出口的原料油溫度滿(mǎn)足要求；當(dāng)原料油加工負(fù)荷小于100%時(shí)，原料油溫度過(guò)高，比如當(dāng)原料加工負(fù)荷為60%時(shí)，出口溫度高達(dá)530.1 ℃，遠(yuǎn)高于485 ℃，爐管結(jié)焦系數(shù)為0.264，為設(shè)計(jì)工況對(duì)應(yīng)結(jié)焦系數(shù)的9.10倍。此時(shí)爐管易超溫、易結(jié)焦，需要降低加熱爐熱負(fù)荷、提高注汽量，以降低結(jié)焦系數(shù)及加熱爐出口的原料油溫度。

在煉油廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)原料油加工負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，為保證原料油出口溫度達(dá)到要求值(485 ℃)，加熱爐熱負(fù)荷也會(huì)發(fā)生變化，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。因此在后面計(jì)算中增加熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊，通過(guò)選擇合適的加熱爐熱負(fù)荷，可以確保加熱爐出口溫度達(dá)到要求，在此基礎(chǔ)上，對(duì)注汽量進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，保證爐管結(jié)焦系數(shù)在合理范圍。

2.2 注汽量對(duì)加熱爐熱負(fù)荷、結(jié)焦系數(shù)的影響

在煉油廠(chǎng)實(shí)際操作過(guò)程中，主要通過(guò)DCS系統(tǒng)調(diào)整加熱爐熱負(fù)荷，使出口原料油溫度達(dá)到設(shè)定值，但對(duì)注汽量的調(diào)整缺乏明確方向，調(diào)整較少。因此在不改變?cè)嫌图庸へ?fù)荷的情況下，基于目前某煉油廠(chǎng)采用的三點(diǎn)注汽量(qh1，qh2，qh3分別為56，205，250 kgh)，采用熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)算，在其他點(diǎn)注汽量不變的情況下，通過(guò)變化某一點(diǎn)注汽量的數(shù)值，分析各點(diǎn)注汽量對(duì)加熱爐熱負(fù)荷、結(jié)焦系數(shù)的影響，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 三點(diǎn)注汽量對(duì)加熱爐熱負(fù)荷的影響■—第1點(diǎn)； ●—第2點(diǎn)； ▲—第3點(diǎn)。圖6同

圖6 三點(diǎn)注汽量對(duì)結(jié)焦系數(shù)的影響

2.3 三點(diǎn)注汽量的優(yōu)化

為了更好地優(yōu)化延遲焦化加熱爐的結(jié)焦問(wèn)題，在實(shí)際操作中，加熱爐中的原料油結(jié)焦程度既不能太強(qiáng)也不能弱。將結(jié)焦系數(shù)控制在一個(gè)合理范圍，能夠保證正常開(kāi)工周期里爐管不結(jié)焦，也能保證加熱爐熱負(fù)荷、三點(diǎn)注汽量等參數(shù)的合理分配。本研究通過(guò)采用加熱爐長(zhǎng)期運(yùn)行工況條件下對(duì)應(yīng)的結(jié)焦系數(shù)0.029，對(duì)不同原料油加工負(fù)荷下的熱負(fù)荷進(jìn)行能耗優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化前加熱爐熱負(fù)荷、結(jié)焦系數(shù)與原料油加工負(fù)荷的關(guān)系如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前加熱爐熱負(fù)荷、結(jié)焦系數(shù)與原料油加工負(fù)荷的關(guān)系■—熱負(fù)荷； ●—結(jié)焦系數(shù)。圖8同

由圖7可以看出：優(yōu)化前，在不改變注汽量且加熱爐出口溫度不變的情況下，原料油加工負(fù)荷對(duì)加熱爐熱負(fù)荷的影響作用明顯；當(dāng)原料油加工負(fù)荷在60%～140%的范圍內(nèi)變化時(shí)，熱負(fù)荷在設(shè)計(jì)工況熱負(fù)荷的75%～127%范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)原料油加工負(fù)荷低于額定工況的情況下，爐管中原料油流速較小，隨著加工負(fù)荷不斷降低，結(jié)焦系數(shù)也不斷增加，比如在60%的加工負(fù)荷時(shí)，結(jié)焦系數(shù)可以提高到0.041，為額定原料油加工負(fù)荷下結(jié)焦系數(shù)的1.41倍，此時(shí)爐管容易結(jié)焦，應(yīng)適當(dāng)提高注汽量，降低結(jié)焦系數(shù)；在原料油加工負(fù)荷高于額定工況的情況下，爐管中原料油流速較大，結(jié)焦系數(shù)明顯低于額定工況下的結(jié)焦系數(shù)，在原料油加工負(fù)荷為140%的工況下，結(jié)焦系數(shù)為0.023，降至額定工況下結(jié)焦系數(shù)的0.79倍，爐管不容易結(jié)焦，此時(shí)可適當(dāng)降低注汽量，使得結(jié)焦系數(shù)適當(dāng)提升，同時(shí)加熱爐瓦斯消耗量也會(huì)下降，起到節(jié)能降耗的作用。

裝置實(shí)際運(yùn)行中，加熱爐爐管的結(jié)焦程度既不能太強(qiáng)也不能太弱，合理的結(jié)焦系數(shù)范圍能夠保證爐管不結(jié)焦，也能夠保證瓦斯消耗量、注汽量等參數(shù)的合理分配。本注汽模型的核心在于將各工況下的加熱爐結(jié)焦系數(shù)(也就是爐管結(jié)焦程度)穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)固定的范圍內(nèi)。如果當(dāng)前工況下?tīng)t管非常不易結(jié)焦，說(shuō)明爐管內(nèi)原料油注汽量過(guò)大，爐管內(nèi)原料油的流速過(guò)大，原料油停留時(shí)間短，瓦斯量消耗量過(guò)大。這時(shí)應(yīng)該智能調(diào)節(jié)注汽量、熱負(fù)荷(瓦斯量)，使得結(jié)焦系數(shù)適當(dāng)提高。如果當(dāng)前工況下?tīng)t管很容易結(jié)焦，說(shuō)明注汽量過(guò)小，爐管內(nèi)原料油的流速過(guò)小，這時(shí)應(yīng)該提高注汽量，使得結(jié)焦系數(shù)適當(dāng)降低。

在現(xiàn)有注汽量的情況下(qh1，qh2，qh3分別為56，205，250 kgh)，裝置在開(kāi)工周期內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)焦問(wèn)題，說(shuō)明對(duì)應(yīng)的結(jié)焦系數(shù)0.029是可以接受的。因此根據(jù)現(xiàn)有注汽方案對(duì)應(yīng)的結(jié)焦系數(shù)，同時(shí)優(yōu)化熱負(fù)荷和注汽量，進(jìn)行了基于能耗的再次優(yōu)化，使各工況下的結(jié)焦系數(shù)在目前結(jié)焦系數(shù)的±3%范圍內(nèi)變化，優(yōu)化后加熱爐熱負(fù)荷、結(jié)焦系數(shù)如圖8所示，優(yōu)化后各點(diǎn)注汽量如圖9所示。

圖8 優(yōu)化前后加熱爐熱負(fù)荷、結(jié)焦系數(shù)與原料油加工負(fù)荷的關(guān)系

圖9 優(yōu)化后不同原料油加工負(fù)荷下的3點(diǎn)注汽量■—第1點(diǎn)； ■—第2點(diǎn)； ■—第3點(diǎn)

從圖8可以看出：通過(guò)優(yōu)化，在各工況下的結(jié)焦系數(shù)與已有工況下的額定結(jié)焦系數(shù)0.029基本一致，說(shuō)明此時(shí)爐管不易結(jié)焦；相比圖7，加熱爐熱負(fù)荷也有了一定優(yōu)化，在原料油加工負(fù)荷為90%～140%的條件下，優(yōu)化后的額定工況熱負(fù)荷較優(yōu)化前下降了4.0%～20.0%，在原料油加工負(fù)荷低于90%的條件下，為了保證不結(jié)焦，加熱爐額定工況熱負(fù)荷有了一定提高，較優(yōu)化前的數(shù)值增加了2.0%～12.0%。

從圖9可以看出：優(yōu)化后，在不同原料油加工負(fù)荷下，三點(diǎn)注汽量相比現(xiàn)有注汽量(56，205，250 kgh)也有了一定的調(diào)整；在各原料油加工負(fù)荷條件下，第3點(diǎn)注汽量均降低至50 kgh，主要原因是第3點(diǎn)注汽在加熱爐爐管末端，對(duì)原料油在爐管內(nèi)的受熱和結(jié)焦影響較弱；當(dāng)原料油加工負(fù)荷較低時(shí)(小于100%)，主要調(diào)節(jié)了第2點(diǎn)注汽量，比如在原料油加工負(fù)荷為60%的工況下，第2點(diǎn)注汽量提高至327 kgh，主要原因是第2點(diǎn)注汽對(duì)于加熱爐熱負(fù)荷和結(jié)焦程度的影響較大；在原料油加工負(fù)荷較高時(shí)(大于100%)，主要降低了第1點(diǎn)和第2點(diǎn)注汽總量，主要原因是此時(shí)原料油流速較高，不再需要注入過(guò)多蒸汽以提高原料油流速。通過(guò)智能優(yōu)化計(jì)算，各原料油加工負(fù)荷下的三點(diǎn)注汽量也有了一定的下降，總注汽量降低84～360 kgh。

3 結(jié) 論

(1)基于熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)的模型，對(duì)國(guó)內(nèi)某煉油廠(chǎng)延遲焦化加熱爐三點(diǎn)注汽問(wèn)題進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)第1點(diǎn)和第2點(diǎn)注汽量對(duì)加熱爐熱負(fù)荷和結(jié)焦程度的調(diào)節(jié)較為敏感，第3點(diǎn)注汽量對(duì)加熱爐熱負(fù)荷和結(jié)焦程度的影響相對(duì)較弱。

(2)在原料油加工負(fù)荷低于額定工況的情況下，原料油在爐管內(nèi)的流速較小，加熱爐結(jié)焦系數(shù)高于額定工況下的結(jié)焦系數(shù)，加熱爐爐管容易結(jié)焦，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高注汽量，使結(jié)焦系數(shù)降低。

(3)在原料油加工負(fù)荷高于額定工況的情況下，原料油在爐管內(nèi)的流速較大，加熱爐結(jié)焦系數(shù)低于額定工況下的結(jié)焦系數(shù)，加熱爐爐管不容易結(jié)焦，此時(shí)可適當(dāng)降低注汽量，使結(jié)焦系數(shù)適當(dāng)提升，同時(shí)使瓦斯消耗量下降，起到節(jié)能降耗的作用。

(4)加熱爐爐管的結(jié)焦程度既不能太強(qiáng)也不能太弱，合適的結(jié)焦系數(shù)既能保證爐管不結(jié)焦，也能保證瓦斯量、注汽量等參數(shù)的合理分配。