炼油过程能量优化和低温余热回收利用

唐孟海，高国正

（中国石油化工股份有限公司洛阳分公司,洛阳 471012）

炼油过程能量优化和低温余热回收利用

唐孟海，高国正

（中国石油化工股份有限公司洛阳分公司,洛阳 471012）

通过分析炼油过程能量传递和低温余热热源及热阱特征，运用热力学试探法和数学规划法建立了炼油过程系统能量优化方法和低温余热大系统优化回收利用方法。系统能量优化涵盖炼油过程总能规划、直接热联合和热供料、装置内部能量优化、低温余热利用等方面；低温余热利用包括热源热阱分类评价、热水子网络建立、大系统柔性分析。在中国石化洛阳分公司的应用结果表明，该方法能有效地应用于炼油厂节能改造和运行优化，实施后全厂能耗降低97.8 MJ/t，年节能效益为4 111.62万元。

能量 优化 低温余热 利用

1 前 言

我国经济的快速发展带动我国石油消费的迅速增长，持续增长的需求和相对稳定的产量使我国石油供应缺口越来越大[1]。由于炼油企业将其生产的能源产品总量的6%～8%消耗于自身生产过程，因此在高原油价格下，无一例外处于盈亏边缘[2-3]。“节能亦利润”、“节能亦生存和发展”已成为炼油企业要面对的问题。

作为过程工业，炼油过程用能有其规律。华贲等[4]在深入研究过程工业能量传递和降质现象的基础上，提出了“能量流结构三环节理论”。指出任何过程系统是由能量转换、能量利用和能量回收三个环节组成的。来自系统外部的能量如燃料化学能、电能、蒸汽能等经过转换环节（主要包括加热炉、机泵、透平等设备）被转化成系统运行所需的热能、流动能，以推动利用环节（主要包括反应、分馏等设备），实现过程系统的产品目标，并且过程余热进入回收环节（主要包括换热器、蒸汽发生器、冷却器）得到再回收利用，以减少外部能量供入、降低工艺总用能。以三环节理论为基础，华贲等建立了基于经济分析的过程能量综合分解协调理论[5-6]，成功应用于国内多家炼化企业。Linnhoff B等[7]提出了“夹点”技术，用冷、热物流复合曲线高度总结了过程内部的热量作用关系，指出“不跨夹点传热的过程系统具有最小冷、热公用工程消耗”，建立了具体的热集成方法和技术，并以此为基础提出了系统能量集成的洋葱模型[8]。此外，还有许多学者[9]就过程能量综合问题进行了广泛研究，研究方法主要有数学规划法和热力学试探法两大类，近年来又呈现出两种方法高度融合的趋势。本文运用热力学试探法和数学规划法建立了炼油过程系统能量优化方法和低温余热大系统优化回收利用方法，并将该方法应用在中国石油化工股份有限公司洛阳分公司节能改造和运行优化上。

2 炼油过程能量优化方法

炼油过程大系统是由若干工艺装置和公用工程装置，如蒸汽、动力、储运、给排水等组成的，同时每个装置又包含能量转换、利用和回收三个子系统。子系统之间、装置之间以及子系统与装置之间通过能流传递相互关联和作用，从而实现炼油过程的对立统一。炼油过程能量优化的目的就是选择优化的单元操作及其间的联结关系，在保证系统安全生产和产品收率及质量的前提下，实现过程最小能量消耗。优化的方法和思路如下：①总能规划。以研究对象总流程为基础，结合现有运行数据以及历史数据如标定结果对装置进行用能评价，确定重点能耗单元，同时通过对炼油厂能源消费状况和能源价格分析，确定合理的能源消费结构。②装置间直接热进料/供料，实施装置热联合操作。装置间热联合操作不但可以减少物流在上游装置的冷却负荷，降低它在下游装置的加热负荷，避免重复冷却和加热，还可以减少它在中间罐区的加热、维温负荷及机泵输送功耗，是单元和系统能量优化的重要手段。在有互供料关系且同步运行的装置间，尽量采用直接热供料/进料工艺，并依据上下游装置的用能情况，确定合适的供料/进料温度。③装置内部能量优化。装置能量优化是系统能量优化的核心，系统优化的结果应在其中体现和落实。装置内部能量优化主要包括：提高加热炉热效率、优化分馏塔操作、优化工艺物流换热流程、优化余热回收以及分馏系统与换热网络的协同优化等。④低温余热大系统利用。装置内部能量优化完成后，以除盐水为媒介的余热采出已基本完成。但由于余热分布散、热阱不集中，决定了余热利用不能局限在局部，必须大系统实施。

3 炼油过程低温余热利用

炼油过程低温余热的特征是热源、热阱点多面广分布散；热源多为工艺余热，负荷相对稳定；但热阱负荷明显随季节变化，且有生产、生活和辅助三类不同热阱；同时源阱负荷高度不平衡，夏季热阱负荷小，余热过剩，冬季热阱负荷大，余热相对不足。因此必须从全厂大系统入手，充分平衡和综合各种因素，以期实现整体平衡回收和利用。

3.1 充分挖掘低温热阱潜力

全面调研低温热用户，进行全厂低温热阱资源普查和分析，确定它们的温位、负荷、类别以及负荷随季节变化的规律。

3.2 优化热水网络结构

依据总图布置、热水流程现状和热源热阱的相对平衡关系，确定全厂热水网络结构。该网络结构可能包含几个相对独立的子系统，各子系统内部热源和热阱的总图位置比较接近、负荷能总体平衡、温位大体相配、源阱单元同步运行率较高、热阱特征基本相同、并具备一定的辅助补热和后冷条件。

3.3 建立各热水子系统

利用线性规划确定热水进出装置温度、热水流量，利用“夹点”技术设计网络结构，利用换热器优化选型技术选择热水换热器，利用换热网络弹性分析技术优化网络的冬夏两季运行策略，实现热水热量梯级利用，最大限度降低后冷负荷，合理安置补热、后冷、监控等。

3.4 热水网络的系统分析

重点是热水子系统之间的关联和调剂以及事故条件或重大生产改变工况条件下的相互协调及长周期安全运行策略等。

4 案例应用

中国石油化工股份有限公司洛阳分公司现有两个低温热水系统。第1套热水系统利用Ⅰ套催化裂化装置和四联合装置（含溶剂脱沥青、减粘裂化、油浆拔头）余热发生热水大约900 t/h，分别供气体分离（气分）装置、原油罐区、化水车间及生活区使用；第2套热水系统利用Ⅱ套催化裂化装置余热发生热水465 t/h，供Ⅱ套催化裂化装置产品精制、工艺物流伴热以及生活区使用。

4.1 用热方面存在的问题

4.1.1 全厂用能格局发生变化 为了生产欧Ⅲ标准汽油和适应分公司炼油能力达到8 000 kt/a、催化裂化装置向石油化工型发展，中国石油化工股份有限公司洛阳分公司决定于2008年大检修期间改造两套催化裂化装置。改造方案：Ⅰ套催化裂化装置由1 400 kt/a重油催化裂化工艺改造成1 600 kt/a蜡油催化裂化工艺，Ⅱ套催化裂化装置由1 400 kt/a重油催化裂化工艺改造成FDFCC -Ⅲ工艺，相应气分装置加工量由450 kt/a扩能到680 kt/a。由于催化裂化装置是能耗大户（2006年两套催化裂化装置能耗占全厂炼油能耗的38.41%）、气分装置是低温热阱大户，其变化必然影响洛阳分公司用能格局。

4.1.2 余热采出不充分 全厂二十几套装置中，只有两套催化裂化装置、溶剂脱沥青、减粘等四套装置有低温热水流程。同时，受热水回水温度高、热水流程结构不合理等因素影响，两套催化裂化装置的余热采出也明显不足。如I套催化裂化装置主分馏塔塔顶油气的冷却温度为90 ℃，顶循环的冷却温度为110 ℃，加上柴油、一中和稳定汽油，总冷却负荷达到132 GJ/h，其中相当部分热量没有回收。

4.1.3 许多低温热阱依然采用低压蒸汽作热源如气分装置，虽然有热水流程，但由于热水温度不高，大约75%以上的用热仍来自蒸汽；热电站低温生水、除盐水全用蒸汽加热；生活区采暖需大量补汽。

4.1.4 现有热水系统热量利用率低 第1套热水系统（见图1）由于供水温度低，第2套热水系统（见图2）由于产品精制方案改变以及工艺伴热仍采用蒸汽，大量热量没有利用，总后冷循环水消耗达2 500～3 000 t/h。

图1 现有第1套热水系统原则流程

图2 现有第2套热水系统原则流程

4.1.5 现有热水系统布局不合理 两个热水站都设在发变电车间，它们将邻近的催化裂化装置、四联合发生的热水送到气分、生活区等；但在新建装置区以及邻近区域没有热水站，该区域不但有芳烃联合装置和在建的焦化装置，还有热电站除盐水站和与新建CFB炉配套的惠康除盐水站；既有热源，又有热阱，却没有热水系统。

4.2 炼油过程能量优化

4.2.1 采用直接热供料/出料和直接热联合工艺通过分析常减压蒸馏装置原油换热流程和柴油加氢装置原料换热流程，决定蜡油进催化裂化装置温度为160 ℃，柴油进加氢精制装置温度为95 ℃；并用Ⅱ套催化裂化装置主分馏塔顶循一次作相邻气分装置脱丙烷塔塔底再沸器热源，节省其蒸汽消耗；用Ⅰ套催化裂化装置循环油浆一次加热相邻常减压蒸馏装置的初底原油，提供有效热负荷30 GJ/h。

4.2.2 装置内部能量优化

装置内部能量优化如下：

①对两套催化裂化装置分馏系统进行回流操作和回流取热分配优化。在保证分馏系统产品收率和质量的前提下，回流采用“大流量、小温差”操作，以提高输出热的能级；全塔则尽可能多采高温热，少采低温热，以最大限度地提高原料换热终温和降低装置冷却负荷。优化后Ⅰ套催化裂化装置主分馏塔顶循和一中回流的温差分别为62 ℃和80 ℃，一中和循环油浆的取热比例达到48.7%；Ⅱ套催化裂化装置主分馏塔顶循和一中回流的温差分别为61 ℃和80 ℃，一中和循环油浆的取热比例达到46.5%，分馏塔实现了塔顶零冷回流操作。

②优化工艺物流换热流程。在分馏系统操作优化的基础上，运用“夹点”技术匹配工艺物流换热流程。优化后Ⅰ套催化裂化装置原料换热终温达到260 ℃，节省解吸塔塔底再沸蒸汽消耗6 t/h，循环油浆向常减压蒸馏装置供热30 GJ/h；Ⅱ套催化裂化装置原料换热终温达到275 ℃，油浆发生中压蒸汽48 t/h。

③余热回收流程优化。针对催化裂化装置主分馏塔塔顶油气和顶循热量多的特点，建立了回收低温余热的高效“双热水”系统，合计取出余热263 GJ/h，使油气进冷却器的温度降到80 ℃，顶循停后冷，余热全部回收。

4.2.3 大系统余热回收和利用 在取出两套催化裂化装置余热的同时，还新增了常减压蒸馏、催化裂化柴油加氢精制、发变电凝结水、化纤、芳烃、硫磺凝结水的余热回收措施，合计发生热水3 955 t/h，采出余热730 GJ/h（见表1）。同时进行全厂低温热阱资源普查，冬季总负荷为681 GJ/h 、夏季总负荷为429 GJ/h（见表2）。

在表1和表2的基础上，结合现有热水流程和总图分布，提出全厂建立四个热水系统。

第一热水系统：以Ⅰ套和Ⅱ套催化裂化装置高温热水以及常减压蒸馏装置部分热水为热源，以气分和化水车间生水、除盐水加热为热阱，在现有1套热水系统基础上建立。

第二热水系统：以四联合、催化裂化装置柴油加氢、发变电、Ⅰ套和Ⅱ套催化裂化装置低温热水、芳烃部分热水、化纤、硫磺热水和常减压蒸馏装置部分热水为热源，以生活区采暖、油品车间原油加热和工艺物流伴热为热阱，在现有2套热水系统基础上建立。

表1 工艺装置低温余热分布

表2 低温热阱分布

第三热水系统：以芳烃联合装置部分热水为热源，以惠康生水、除盐水加热和芳烃装置内部伴热为热阱，该系统新建。

第四热水系统：以焦化装置余热为热源，以热电站除盐水加热为热阱，该系统在焦化装置建设过程中新建。

四个系统相对独立，但各系统间设有热水跨线和流量调控手段，且第一、第二和第三系统间热源负荷可以调整分配。四个系统构成了全公司低温热利用的大框架，以后新建装置和装置改造新增的热水可以向其中补充。

表3 第1套和第2套热水系统改造效果

4.2.4 改造效果 按照一次规划、分期实施的原则，2008年5月装置检修时首先实施了第1和第2套热水系统改造（芳烃热水暂时没有回收）。从2008年6月8日试运行至今，系统运行平稳，第1套和第2套热水系统改造效果见表3。从表3数据计算可知，改造后第1套和第2套热水系统实现全厂每吨原油能耗降低97.8 M J，按标准燃料油2 700 元/t计算，年节能效益为4 111.62 万元。

5 结 论

（1）提出了基于热力学试探法和数学规划法的炼油过程能量优化方法和基于热联合、热供料和装置内部能量优化的低温余热大系统优化回收利用方法。

（2）建立了洛阳分公司低温热回收的总体框架和高效回收低温余热的“双热水”系统。

（3）将炼油过程系统能量优化方法和低温余热大系统优化回收利用方法成功应用于洛阳分公司炼油板块改造，实施后全厂能耗降低97.8 MJ/t，年节能效益为4 111.62万元。

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Abstract Based on the analysis of energy transfer characteristics,distribution of low-level heat resources and sinks,a new method about process energy integration and utilization of low-level heat in petroleum processing is proposed,which combines mathematical planning and heuristic method. The energy integration covers total energy planning （TEP）,direct heat exchange among various processing units,materials supply in high temperature,unit inner energy integration,recovering and applying low-level heat systematically, operation of steam power system. The utilization of low-level heat includes estimation and classifi cation of low level heat resources and sinks,establishment of hot water sub-networks,and flexibility analysis of total hot water system. A practical application of this proposal in SINOPEC Luoyang Company shows that an energy conservation of 97.8 M J/t was obtained,i.e. a 41 m illion RMB saving annually.

Key Words: energy;optim ization;low-level heat;utilization

美国能源部为生物炼油厂注资6亿美元

美国能源部于2009年12月7日表示，将为15个州建设19座生物炼油厂项目总计注资6亿美元。选择的这些项目将采用生物质生产先进生物燃料、生物电力和生物产品。美国能源部表示，先进生物燃料是美国建立清洁、可持续发展运输体系的关键。这些项目将有助于建立国内新产业，为就业创造机遇，并开拓美国农村的新市场。

资助基金的4.83亿美元将用于建设14个中型规模和4个验证规模生物炼油厂项目。其余8 100万美元将用于加快建设以前被资助的一些项目。

这些基金被接受的对象，包括A lgenol生物燃料公司接受2 500万美元，用于其与陶氏化学公司合作在得克萨斯州自由港实施的海藻制生物燃料项目。Archer Daniel M idland公司获得约2 400万美元，以便在依利诺斯州Decatur的装置上从生物质生产乙醇和丙烯酸乙酯。Elevance可再生能源科学公司将获得约2 500万美元，完成装置初步工程设计，以便从植物油生产喷气燃料、可再生柴油替代品和高价值化学品。UOP公司获得2 500万美元，从Ensyn公司取得一体化的现有技术，并从农业残余物、木质生物质、专用能源作物和海藻生产绿色汽油、柴油和喷气燃料。HI Enerkem公司获得5 000万美元，在密西西比州Pontotoc建设验证规模装置，使用来自城市生活废弃物为原料，通过气化和催化工艺过程，生产乙醇和其它绿色化学品。

[章文摘译自Chem ical Week,2009-12-7]

ENERGY INTEGRATION AND UTILIZATION OF LOW-LEVEL HEAT IN PETROLEUM PROCESSING

Tang Menghai,Gao Guozheng
（SINOPEC Luoyang Company,Luoyang 471012）

2009-07-20；修改稿收到日期：2009-09-28。

唐孟海，高级工程师，1991年毕业于抚顺石油学院石油加工专业，现在中国石油化工股份有限公司洛阳分公司发展规划处负责发展规划工作。