王 文

(中國石化上海石油化工股份有限公司塑料部，上海 200540)

高壓低密度聚乙烯裝置能耗分析及優(yōu)化

王 文

(中國石化上海石油化工股份有限公司塑料部，上海 200540)

分析了中國石化上海石油化工股份有限公司塑料部兩套高壓低密度聚乙烯裝置能耗的構(gòu)成，針對影響裝置能耗的主要因素，采用調(diào)整反應(yīng)壓力、調(diào)整壓縮比、技術(shù)改造、合理控制和充分利用反應(yīng)熱等方法，有效地降低了高壓低密度聚乙烯裝置的能耗。

高壓低密度聚乙烯 能耗 蒸汽 水 電

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)塑料部共有兩套高壓低密度聚乙烯(LDPE)裝置：第一套LDPE裝置(以下簡稱1PE裝置)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60 kt/a，共兩條生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)年開工時間為7 464 h，1976年9月7日投產(chǎn)，裝置采用日本三菱油化—聯(lián)邦德國巴斯夫超高壓管式E法高壓聚乙烯技術(shù)專利，經(jīng)過多次改造，現(xiàn)裝置生產(chǎn)能力達(dá)90 kt/a；第二套LDPE裝置(簡稱2PE裝置)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為80 kt/a，系引進(jìn)日本三菱油化公司超高壓管式法專利，設(shè)計(jì)年開工時間為8 000 h，經(jīng)過工藝優(yōu)化，現(xiàn)生產(chǎn)能力達(dá)110 kt/a。

由于上海石化兩套LDPE裝置生產(chǎn)規(guī)模較小，投產(chǎn)時間早等原因，裝置能耗一直高于中國石油化工集團(tuán)內(nèi)同類裝置。文章就1PE和2PE裝置的能耗組成進(jìn)行分析，找出影響裝置能耗的主要因素，并針對分析提出降低裝置能耗的措施。

1 LDPE裝置能耗構(gòu)成分析

1PE和2PE裝置的月能耗構(gòu)成數(shù)據(jù)見表1。

表1 1PE和2PE裝置的月能耗構(gòu)成

由表1可知：1PE裝置電消耗占裝置總能耗的92.11%,高壓蒸汽消耗占總能耗的4.23%，低壓蒸氣消耗所占比例為1.74%；2PE裝置的電消耗占裝置總能耗的91.65%，高壓蒸汽消耗占裝置總能耗的6.20%，低壓蒸氣消耗占裝置總能耗的0.17%。從月能耗構(gòu)成可以看出：影響高壓裝置能耗的因素主要是電和蒸汽，二者之和為裝置能耗的98%。由于1PE和2PE為同類裝置，以下討論時將兩者合稱為LDPE裝置。

1.1 裝置電耗分析

LDPE是由乙烯在高壓、高溫和使用引發(fā)劑作用下形成的，生產(chǎn)LDPE的乙烯聚合反應(yīng)服從自由基聚合方程，包括鏈引發(fā)、鏈增長、鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止等基本反應(yīng)。乙烯在進(jìn)入反應(yīng)器聚合反應(yīng)之前，需要經(jīng)過一次壓縮機(jī)和二次超高壓壓縮機(jī)壓縮，一次壓縮機(jī)進(jìn)行五段壓縮，二次超高壓壓縮機(jī)有兩段壓縮。經(jīng)過多次壓縮將乙烯從0.3 MPa壓縮到280 MPa，需要對其做大量功以降低活化能。一次壓縮機(jī)和二次壓縮機(jī)都是耗電大戶，均由6 kV高壓供電，一次壓縮機(jī)功率1.73 MW，二次壓縮機(jī)功率8.50 MW，電耗主要構(gòu)成見表2。

表2 LDPE裝置的電耗構(gòu)成

從表2可以看出：電耗在LDPE裝置的能耗中所占比例最大，而二次超高壓壓縮機(jī)又是聚乙烯裝置最大的耗電設(shè)備，占電耗的62%左右，因而降低能耗應(yīng)從壓縮機(jī)節(jié)電入手。

LDPE裝置的乙烯壓縮機(jī)為柱塞往復(fù)式壓縮機(jī)，均由電機(jī)驅(qū)動[1]。電機(jī)消耗的功包括以下幾個方面：

(1)傳動損失(電機(jī)與壓縮機(jī)聯(lián)軸器)；

(2)內(nèi)部功率，即指示功率(壓縮機(jī)壓縮氣體的功)、熱傳遞和泄漏損失的功率；

(3)摩擦損失，即用來克服活塞與氣缸、活塞桿與填料函、十字頭與滑道、連桿與十字頭銷及曲柄銷、主軸與軸承等摩擦副的機(jī)械摩擦損失。

減小壓縮機(jī)的電耗就必須從減小這3個方面的功耗著手：選擇合適的電機(jī)提高傳動效率；加強(qiáng)機(jī)組潤滑，減小摩擦副的摩擦；降低指示功率。

由熱力學(xué)計(jì)算可知，柱塞往復(fù)式壓縮機(jī)每一級的指示功率計(jì)算公式如下：

Ni=KT/(KT-1)PSλvVN〔(Pd/PS)(KT-1)/KT-1〕(Z1+Z2)/2Z1

式中，Ni為壓縮機(jī)指示功率；KT為氣體溫度絕熱指數(shù)；λv為壓縮機(jī)容積因子；V為壓縮機(jī)氣缸體積；N為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；PS為為吸入壓力；Pd為排出壓力；Z1、Z2為吸入、排出狀態(tài)時氣體的壓縮因子。

通過上式可以看出：①減小壓縮比(Pd/PS)可以減小指示功，實(shí)際壓縮過程中由于存在各種阻力導(dǎo)致壓縮比增大從而增加了壓縮機(jī)功耗。如裝置高壓循環(huán)系統(tǒng)阻力大導(dǎo)致二次壓縮機(jī)入口壓力低于設(shè)計(jì)值，壓縮比提高增加了部分功耗；②由于等溫壓縮時KT為1，所以指示功最小，因此提高氣缸傳熱也是降低壓縮機(jī)功率的重要手段；③KT、λv、V、N、PS、Pd、Z1、Z2均可求得，因此可以編制計(jì)算機(jī)程序計(jì)算出壓縮機(jī)的最佳操作點(diǎn)。

從以上原理可知：壓縮機(jī)多級壓縮時，各級吸入溫度相同、壓力比相等時最省功，因此通過調(diào)節(jié)最佳壓力比、提高段間冷卻效果是降低壓縮機(jī)電耗的有效方法[2]。

1.2 裝置蒸汽分析

從裝置月能耗消耗看，蒸汽消耗在LDPE裝置總能耗中占據(jù)第二位。上海石化LDPE裝置蒸汽系統(tǒng)的現(xiàn)狀為接入3.3 MPa高壓蒸汽和0.7 MPa低壓蒸汽供用戶使用。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時高壓蒸汽用戶有反應(yīng)預(yù)熱段，放出閥-放出塔管線夾套，放出閥閥門夾套及出料口夾套，ME401筒體接頭、濾網(wǎng)、模頭、模板等的加熱，高壓蒸汽消耗量為5～6 t/h。低壓蒸汽用戶有新鮮乙烯接受管線、各類盤管等，低壓蒸汽消耗量為2～3 t/h。

LDPE裝置聚合反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，反應(yīng)熱用熱水槽由蒸汽加熱到150～170 ℃，再由各熱水泵送到反應(yīng)器，低溫?zé)崴畯母鞣磻?yīng)段帶走熱量，溫度升高，然后返回低溫?zé)崴?，使該槽中的壓力和溫度升高，產(chǎn)生0.5 MPa副產(chǎn)蒸汽。高溫?zé)崴畯母鞣磻?yīng)段帶走熱量，溫度升高后返回高溫?zé)崴?，其結(jié)果使該槽中壓力和溫度升高，產(chǎn)生1.3 MPa副產(chǎn)中壓蒸汽。

此反應(yīng)熱產(chǎn)生的部分中壓、低壓副產(chǎn)蒸汽進(jìn)行綜合利用，部分副產(chǎn)蒸汽有時放空至大氣。

2 降低能耗措施

2.1 降低電消耗

(1)調(diào)整反應(yīng)壓力和壓縮比

根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算可知：壓縮機(jī)多級壓縮時，各級吸入溫度相同、壓力比相等時最省功，因此通過計(jì)算每級的最佳壓力比、提高段間冷卻效果是優(yōu)化壓縮機(jī)運(yùn)行的科學(xué)方法[3]。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將反應(yīng)壓力控制在27.5 MPa，對二次壓縮機(jī)一、二段進(jìn)出口壓力進(jìn)行調(diào)整。原一段進(jìn)口壓力為23 MPa，出口為90 MPa，一段壓縮比為3.9；二段進(jìn)口壓力為10 MPa，出口壓力為27.5 MPa，二段壓縮比為2.75。運(yùn)行中通過對各冷卻器溫度的調(diào)節(jié)和壓力控制，調(diào)整后一段壓縮比為3.8，二段壓縮比為2.72。調(diào)整后壓縮機(jī)的運(yùn)行電流下降30 A，折合功率650 kW，每月可下降電耗2%左右。

(2)技術(shù)改進(jìn)

采用往復(fù)式壓縮機(jī)的氣量控制系統(tǒng)，其主要功能是降低往復(fù)式壓縮機(jī)的功耗，LDPE裝置一次壓縮機(jī)的壓力控制主要使用回流方式。在入口壓力和溫度恒定的情況下，LDPE裝置的一次壓縮機(jī)打氣量是恒定的。由于不同牌號的產(chǎn)品產(chǎn)量不相同，造成高壓裝置的一次壓縮機(jī)打氣量有1/4～1/5通過回流控制閥返回到一次壓縮機(jī)的入口，造成壓縮機(jī)的功率被浪費(fèi)，導(dǎo)致裝置的能耗上升，增加了裝置的操作成本。應(yīng)用氣量控制系統(tǒng)，可以使一次壓縮機(jī)的回流控制閥基本處于關(guān)閉狀態(tài)。一次壓縮機(jī)的打氣量隨不同牌號的產(chǎn)品而變化，基本做到一次壓縮機(jī)不浪費(fèi)電耗，一次壓縮機(jī)使用氣量控制系統(tǒng)每小時可節(jié)省電耗200 kW。

(3)優(yōu)化操作

加強(qiáng)工藝管理，優(yōu)化工藝操作，停運(yùn)不必要的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備。例如：根據(jù)脫氣料倉情況脫氣結(jié)束及時停止風(fēng)機(jī)；根據(jù)停車時間的長短來安排好機(jī)泵停運(yùn)時間等；根據(jù)氣溫變化來決定溴化鋰?yán)鋬鰴C(jī)是否停運(yùn)；加強(qiáng)對高壓系統(tǒng)操作的運(yùn)行監(jiān)護(hù)，控制好系統(tǒng)氣量，確保裝置長周期運(yùn)行。

2.2 降低蒸汽消耗

(1)對裝置聚合的蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行改造

在2.5 MPa(外界進(jìn)來的3.3 MPa蒸汽壓力調(diào)節(jié)至2.5 MPa)蒸汽管線上加裝一截止閥，其閥后開口與相鄰的1.3 MPa蒸汽管相接，通過閥門切換，裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，聚合2.5 MPa供汽部分由1.3 MPa副產(chǎn)蒸汽代替，停車時仍恢復(fù)原狀。改造項(xiàng)目投產(chǎn)至今，運(yùn)行正常，無異常情況出現(xiàn)，節(jié)能效果顯著， 原裝置聚合副產(chǎn)的富余1.3 MPa蒸汽經(jīng)改造后全部利用，此措施可節(jié)約高壓蒸汽量2 t/h。

(2)降低高壓蒸汽總管壓力

上海地區(qū)氣候環(huán)境較暖，蒸汽的熱耗用相對較低，在保持裝置熱量足夠的情況及保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，將高壓蒸汽總管壓力從設(shè)計(jì)值3.3 MPa合理降低至2.5 MPa。降低高壓蒸汽壓力，可減少不必要的蒸汽損失，從目前運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)看，外界高壓蒸汽壓力可以降低至2.5 MPa，蒸汽耗量下降0.5 t/h。

(3)采用熱泵技術(shù)回收利用副產(chǎn)蒸汽

因LDPE裝置在運(yùn)行過程中的副產(chǎn)蒸汽可以通過熱泵技術(shù)進(jìn)行回收利用，不僅避免了蒸汽直接排入大氣所造成的能源浪費(fèi)，而且也改善了環(huán)境。這種蒸汽噴射熱泵為供應(yīng)聚丙烯裝置所需要的蒸汽(壓力)提供了保證。蒸汽噴射熱泵利用蒸汽噴射器對高品位蒸汽進(jìn)行引射式減壓替代傳統(tǒng)的閥門節(jié)流減壓，向熱力系統(tǒng)提供所需要品位和數(shù)量的蒸汽，既可以實(shí)現(xiàn)蒸汽無損耗減壓，又可以高品位蒸汽減壓前后的壓力差為動力，回收工業(yè)余熱蒸汽,從而實(shí)現(xiàn)熱力系統(tǒng)用汽數(shù)量和質(zhì)量的雙平衡，達(dá)到優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)用熱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源梯級利用的目的。采用這一技術(shù)，能有效提升2PE裝置產(chǎn)生的副產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量，目前可連續(xù)、穩(wěn)定地滿足聚丙烯裝置工藝之所需。

目前2PE裝置產(chǎn)生的副產(chǎn)蒸汽已經(jīng)充分利用，一部分中壓副產(chǎn)蒸汽用于裝置的聚合保溫，一部分低壓副產(chǎn)蒸汽(3～4 t/h)送至熱泵用于聚丙烯保溫，還有2～3 t/h的副產(chǎn)蒸汽用于聚烯烴的保溫。LDPE裝置副產(chǎn)蒸汽綜合利用后使蒸汽單耗下降了2～3 kg/t。

(4)做好日常維護(hù)與管理工作

定期檢查蒸汽閥和疏水器，及時更換工作不正常的閥門和疏水器，減少跑冒滴漏造成的損失；選用新型節(jié)能型疏水器，降低蒸汽消耗；做好設(shè)備管線保溫的施工管理和日常維護(hù)，對不合格的保溫及時進(jìn)行更換，減少熱量損失；LDPE裝置停車期間動力消耗較大，故應(yīng)保持裝置長周期運(yùn)轉(zhuǎn)，減少非計(jì)劃停車，提高裝置開工率來降低各項(xiàng)動力消耗。

3 結(jié)果與討論

通過采取以上措施，在保證生產(chǎn)正常運(yùn)行的前提下，與2010年相比，2014年上海石化LDPE裝置的電和蒸汽消耗有了顯著的降低。表3列出了2014年和2010年月度單位產(chǎn)品電和蒸汽消耗量對比情況。

表3 2010年和2014年月度電和蒸汽消耗量對比

由于影響高壓裝置能耗主要因素電和蒸汽消耗下降，使上海石化LDPE裝置能耗近幾年也有了較大幅度的下降(見表4)。

表4 2010—2014年裝置能耗對比

4 結(jié)語

通過對LDPE裝置能耗分析，對制約裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造；同時借助30多年積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及LDPE工藝特點(diǎn)，采取合理有效及互補(bǔ)的科學(xué)管理方法，解決生產(chǎn)中遇到問題，降低裝置的能耗。近年來上海石化LDPE裝置能耗逐年降低，目前1PE裝置能耗為236 kg/t，2PE裝置能耗為206 kg/t，2PE裝置的能耗在中國石化同類裝置中排名第三，1PE裝置的能耗排名也有所提高。

[1] 洪定一主編.塑料工業(yè)手冊 聚烯烴[M] 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[2] Cornelia Vasile 主編.聚烯烴手冊 [M] .2版.北京：中國石化出版社，2005.

[3] 徐躍華.化工裝置節(jié)能技術(shù)與實(shí)例分析[M] 北京：中國石化出版社，2009.

Sabic將關(guān)閉英國環(huán)己烷生產(chǎn)裝置

沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司(Sabic)位于英國Wilton的一套195 kt/a環(huán)己烷生產(chǎn)裝置將在2017年初關(guān)閉，主要原因是相關(guān)的一套乙烯裂解裝置的原料改變將結(jié)束該工廠的苯抽提業(yè)務(wù)。

2014年，Sabic跟隨Ineos和北歐化工宣布，計(jì)劃利用從美國進(jìn)口的乙烷作為裂解原料對位于Wilton的一套865 kt/a的乙烯裂解裝置進(jìn)行升級改造。由于該裂解裝置的原料將趨于輕質(zhì)化，裂解汽油的產(chǎn)量將減少。這將大大削減公司在當(dāng)?shù)乇匠樘嵫b置的原料供應(yīng)，屆時該苯抽提裝置也將關(guān)閉,而苯抽提裝置主要是為環(huán)己烷裝置提供原料。

據(jù)悉，Wilton環(huán)己烷裝置產(chǎn)能占據(jù)西歐市場約20%的份額，隨著該裝置的關(guān)閉，歐洲環(huán)己烷市場將留下顯著的供應(yīng)缺口。歐洲當(dāng)前的環(huán)己烷進(jìn)口量已經(jīng)占到需求的25%，隨著該裝置的關(guān)閉，進(jìn)口量占需求的比例將升至35%～40%。

(中國石化有機(jī)原料科技情報中心站供稿)

Energy Consumption Analysis and Optimization of High Pressure Low Density Polyethylene Unit

Wang Wen

(PlasticsDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

Based on analysis of the energy consumption structure of two high pressure Low Density Polyethylene (LDPE) units in Plastics Division of SINOPEC Shanghai Petrochemical Co., Ltd., it was concluded that the main factors affecting energy consumption of units were consumption of electricity and steam. Through adjustment of reaction pressure and compression ratio, technological innovation, rational control, and full use of the reaction heat, the energy consumption of high pressure LDPE units was reduced effectively.

high pressure LDPE, energy consumption, steam, water, electricity

2015-11-18。

王文，女，1967年出生, 1988年畢業(yè)于上海石油化工高等專科學(xué)校，高級工程師，現(xiàn)從事合成樹脂工藝技術(shù)管理工作。

1674-1099 (2015)06-0041-04

TP202+.1

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