林洪俊
(中國(guó)石油工程建設(shè)公司,山東 青島 266071)
節(jié)能是煉油廠建設(shè)的前提條件,也是煉油廠運(yùn)營(yíng)狀況的重要指標(biāo),同時(shí)也是煉油廠生存的必要條件。由于受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念影響及傳統(tǒng)操作模式的限制,其節(jié)能設(shè)計(jì)多注重于微觀研究,習(xí)慣于從裝置內(nèi)部挖潛。如:換熱流程優(yōu)化,工藝設(shè)備改進(jìn),把工藝裝置分成一個(gè)個(gè)能量“孤島”。如果跳出“孤島”,從宏觀角度可以發(fā)現(xiàn)還有廣闊節(jié)能空間,其中在工藝裝置間互供料方面就蘊(yùn)藏著很大的節(jié)能潛力。
近幾年,在裝置間互供料方面的節(jié)能途徑逐漸被認(rèn)識(shí),并在煉油工程中被嘗試。但由于裝置間互供料涉及到多個(gè)裝置的平穩(wěn)操作和安全運(yùn)行,如果沒(méi)有一套完備的控制方案,會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果,實(shí)際經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)也充分證明了這一點(diǎn)。筆者近年來(lái)通過(guò)調(diào)查研究、工程設(shè)計(jì)、實(shí)際應(yīng)用,對(duì)此有深刻的體會(huì),總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)與同行分享。
傳統(tǒng)煉油廠裝置間互供料方式為間接供料,典型控制流程如圖1所示。
上游裝置高溫物料先經(jīng)換熱器與裝置內(nèi)低溫物料換熱,再經(jīng)水冷器或空冷器冷卻到中間罐區(qū)允許溫度,經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥減壓至裝置邊界要求壓力,輸送至中間罐區(qū)。從中間罐區(qū)經(jīng)泵把物料升壓,送到下游裝置的進(jìn)料緩沖罐。由下游裝置進(jìn)料泵再升壓,經(jīng)換熱器、加熱爐升溫后,送入反應(yīng)器或分餾塔。在上游裝置出口處,如果物料出自分餾塔塔底,則設(shè)塔底液位控制回路,如圖1所示;如果物料出自側(cè)線(xiàn)汽提塔塔底,則設(shè)汽提塔塔底出料流量控制回路,圖1中省略。在下游裝置的進(jìn)口處,設(shè)進(jìn)料緩沖罐液位控制回路,如圖1所示。另外,進(jìn)料泵后還要設(shè)流量控制回路,控制下游裝置處理量,圖1中省略。
圖1 傳統(tǒng)煉油廠裝置間供料典型控制流程示意
中間罐一般為常溫罐,只有重質(zhì)油罐為熱罐,溫度稍高于凝點(diǎn),日常靠外引蒸汽加熱維持溫度。同時(shí),中間罐一般為常壓罐,只有液化氣罐、丙烯罐等為壓力罐。物料出裝置邊界壓力用于克服管路壓力、罐內(nèi)液體靜壓、氮封壓力。
從以上過(guò)程可以看出能量變化情況:在壓力勢(shì)能變化方面,從上游裝置到下游裝置壓力先由高到底,再由低到高,前者造成壓力勢(shì)能浪費(fèi),后者又需額外補(bǔ)充壓力勢(shì)能。在熱能變化方面,從上游裝置到下游裝置,溫度先由高到低,再?gòu)牡偷礁?,前者?jīng)冷卻器造成熱量浪費(fèi),后者又需額外補(bǔ)充熱量。
由此可見(jiàn),該方案存在大量能量的浪費(fèi)。盡管如此,目前煉油廠仍在普遍使用該方案,其主要原因是上下游裝置間為間接供料,中間罐區(qū)有足夠的緩沖空間,上下裝置間耦合度很小,操作簡(jiǎn)單,但這無(wú)疑是低水平的運(yùn)行模式。
目前,有些生產(chǎn)廠為了避免或降低上述過(guò)程中熱能的損失,嘗試過(guò)采用熱罐技術(shù),即中間罐區(qū)采用高溫罐,實(shí)現(xiàn)熱進(jìn)熱出。但是受罐體材料、制造技術(shù)、罐體基礎(chǔ)、消防技術(shù)、投資效益等限制,罐體溫度不能太高。因此,即使采用熱罐,仍存在熱能損失。另外,熱罐還需要外部蒸汽加熱維溫,需要耗能;熱罐技術(shù)仍然不能避免壓力勢(shì)能的浪費(fèi)。因此,熱罐技術(shù)雖能節(jié)能,但還很不完善。
從上述傳統(tǒng)的裝置間供料流程可以看出,如果上游裝置的物料不減溫、減壓,不經(jīng)過(guò)中間罐,直接送到下游裝置,即直接供料,會(huì)節(jié)約大量的能量。但直接供料也將使上下游裝置間耦合度大幅增加,這無(wú)疑會(huì)給裝置平穩(wěn)操作帶來(lái)困難,給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。因此,直接供料應(yīng)充分考慮各種工況的需求,如:開(kāi)停工過(guò)程、負(fù)荷變化、設(shè)備故障、應(yīng)急處理等。為此需要設(shè)計(jì)完備的控制流程,使其能自動(dòng)適應(yīng)工況需求。
裝置間直接供料的工藝基本要求:
1)安全、平穩(wěn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行。
2)設(shè)少量的中間罐,滿(mǎn)足開(kāi)停工需要,滿(mǎn)足物料平衡需求。
3)開(kāi)工工況:上游裝置的出料全部去中間罐區(qū);下游裝置的進(jìn)料全部來(lái)自中間罐區(qū)。
4)正常工況:下游裝置80%的進(jìn)料直接來(lái)自上游裝置的熱出料,20%的進(jìn)料為經(jīng)中間罐區(qū)來(lái)的冷進(jìn)料。以上冷熱料進(jìn)料比例為2∶8是設(shè)計(jì)工況,可根據(jù)操作水平,減少冷進(jìn)料,提升節(jié)能水平。
5)理想工況:下游裝置的進(jìn)料100%來(lái)自上游裝置的熱出料。
6)上游裝置的出料控制權(quán)在上游裝置,下游裝置的操作不能直接干擾上游裝置的順利出料。
7)下游裝置的進(jìn)料控制權(quán)在下游裝置,上游裝置的操作不能直接干擾下游裝置的順利進(jìn)料。
根據(jù)上游裝置出料流程情況,筆者把裝置間直接供料工藝流程與控制方案分為兩種典型模式:模式A為上游裝置主分餾塔塔底物料去下游裝置;模式B為上游裝置主分餾塔的側(cè)線(xiàn)汽提塔塔底物料去下游裝置。
2.3.1模式A
模式A控制流程如圖2所示。控制方案說(shuō)明如下:
1)上游裝置主分餾塔設(shè)塔底液位控制回路,以保證上游裝置主分餾塔液位被可靠控制。液位調(diào)節(jié)閥須設(shè)在塔底出料總管上。該調(diào)節(jié)閥不能設(shè)在去中間罐區(qū)的冷料管線(xiàn)上,否則在冷料較少時(shí),該調(diào)節(jié)閥不能有效調(diào)節(jié)分餾塔液位;該調(diào)節(jié)閥也不能設(shè)在去下游裝置的熱料管線(xiàn)上,否則造成下游裝置進(jìn)料大幅波動(dòng),下游裝置不能安全平穩(wěn)運(yùn)行。液位調(diào)節(jié)閥須設(shè)在出料換熱器后,不應(yīng)設(shè)在換熱器前,因?yàn)閾Q熱器后介質(zhì)溫度低,可降低對(duì)調(diào)節(jié)閥的要求,降低投資。
圖2 裝置間直接供料模式A控制流程示意
2)上游裝置分餾塔液位調(diào)節(jié)閥后,塔底出料分成兩路:一路經(jīng)冷卻器去中間罐區(qū),稱(chēng)為冷料;另一路未經(jīng)冷卻器去下游裝置,稱(chēng)為熱料。冷料管線(xiàn)設(shè)壓力控制回路,當(dāng)下游裝置熱進(jìn)料減少時(shí),使壓力升高,壓力調(diào)節(jié)閥將自動(dòng)增大開(kāi)度,保證上游裝置能順暢出料;當(dāng)下游裝置熱進(jìn)料增大時(shí),使壓力減小,壓力調(diào)節(jié)閥將自動(dòng)減小開(kāi)度,保證下游裝置熱進(jìn)料流量。
由于裝置開(kāi)工時(shí),為簡(jiǎn)化操作,上游物料全部為冷料去中間罐區(qū),而正常狀態(tài)時(shí)僅有20%或更少的冷物料,顯然設(shè)在冷料管線(xiàn)上的1個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥其可調(diào)范圍是不能滿(mǎn)足全工況需求的,需要設(shè)置一大一小2個(gè)調(diào)節(jié)閥,采用分程控制,量小時(shí)自動(dòng)選用小閥,量大時(shí)自動(dòng)啟用大閥。
3)下游裝置進(jìn)料緩沖罐設(shè)液位控制回路,調(diào)節(jié)閥設(shè)在冷進(jìn)料管線(xiàn)上。由于裝置開(kāi)工時(shí),為簡(jiǎn)化操作,下游裝置進(jìn)料全部為冷料,而正常狀態(tài)時(shí)僅有20%或更少的冷進(jìn)料,顯然設(shè)在冷料管線(xiàn)上的1個(gè)液位控制閥其可調(diào)范圍是不能滿(mǎn)足要求的,也需要設(shè)置一大一小2個(gè)調(diào)節(jié)閥,采用分程控制,量小時(shí)自動(dòng)選用小閥,量大時(shí)自動(dòng)啟用大閥。
4)下游裝置熱料管線(xiàn)設(shè)遙控閥。開(kāi)工時(shí),下游裝置進(jìn)料全部來(lái)自中間罐區(qū),緩沖罐液位通過(guò)冷進(jìn)料液位調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制在允許范圍內(nèi)。然后,逐漸增大熱料管線(xiàn)遙控閥的開(kāi)度,冷進(jìn)料調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度會(huì)自動(dòng)減小。以此方法,直至熱進(jìn)料與冷進(jìn)料達(dá)到可操控的比例。理想狀態(tài)全部進(jìn)料為熱料。
從上述過(guò)程可以看出,該控制方案可以滿(mǎn)足開(kāi)工、正常運(yùn)行、理想狀態(tài)等各種工況。
2.3.2模式B
模式B與模式A的區(qū)別在于上游裝置出料控制方案不同:模式A是主分餾塔塔底液位定值控制;模式B是側(cè)線(xiàn)汽提塔塔底出料流量定值控制,這是總體控制流程決定的,在此不細(xì)述。除此之外,模式B與模式A控制方案相同,不再贅述。
以上所述節(jié)能型裝置間供料流程及控制方案經(jīng)過(guò)了幾個(gè)大中型工程的應(yīng)用,證明了該方案安全、實(shí)用,自動(dòng)化水平適宜,是一種節(jié)能降耗的好方案。在實(shí)際工程中,裝置間供料還有更復(fù)雜的情況,例如:下游裝置進(jìn)料來(lái)自更多的裝置,多股物料間可能還有比例要求,但基本控制方案不變,只是需要在物料間附加更多的限制性控制。
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