王萌，李曉輝

（中國(guó)石化洛陽(yáng)分公司，河南洛陽(yáng) 471012）

1 熱聯(lián)合技術(shù)的發(fā)展

熱聯(lián)合技術(shù)是將裝置多余的熱量輸出給另一套裝置作為熱源，其出發(fā)點(diǎn)是在大系統(tǒng)內(nèi)尋找合適的熱匹配，達(dá)到能量?jī)?yōu)化利用的目的，避免“高熱低用”以及反復(fù)加熱、冷卻所帶來(lái)的能源消耗，是一項(xiàng)重要的、發(fā)展成熟的節(jié)能措施。

Dhole和Linnhoff[1]首先提出了總廠熱聯(lián)合的概念，優(yōu)化不同裝置之間的熱聯(lián)合，提出了總廠熱源－熱阱圖，用來(lái)確定總廠中所有熱源能發(fā)生的各個(gè)等級(jí)的蒸汽量。Kleme?等[2]進(jìn)一步發(fā)展了總廠熱源－熱阱圖與總負(fù)荷曲線圖，用來(lái)分析總廠的能量目標(biāo)。Rodera和Bagajewicz[3]提出了用數(shù)學(xué)規(guī)劃法來(lái)解決總廠能量聯(lián)合問(wèn)題，分析了直接換熱與間接換熱方式的優(yōu)劣，并進(jìn)一步分析了在間接換熱的總廠熱聯(lián)合中，采用多股中間介質(zhì)物流的情況。近年，Perry等[4]將總廠熱聯(lián)合的邊界擴(kuò)展到了廠區(qū)周邊居民的用能，并增加了對(duì)二氧化碳排放的考慮。Varbanov和Kleme?[5]則將可再生能源的利用考慮進(jìn)了總廠的熱聯(lián)合。Kapil等[6]在總廠熱聯(lián)合的方法中加入了對(duì)低溫?zé)崃康目紤]，并考慮了熱泵等節(jié)能手段[7]。

2 洛陽(yáng)石化熱聯(lián)合技術(shù)應(yīng)用概況

洛陽(yáng)石化熱聯(lián)合技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)歷了三個(gè)階段，即裝置內(nèi)部的熱聯(lián)合、裝置與裝置間單股物流的熱聯(lián)合、上下游之間的深度熱聯(lián)合。

2002年前后，洛陽(yáng)石化陸續(xù)實(shí)施了兩套催化裝置一中油作為穩(wěn)定塔和解吸塔底重沸器的熱源，常減壓裝置初底油與一催化油漿的熱聯(lián)合，部分常壓渣油與兩套催化裝置的熱聯(lián)合，脫瀝青油與兩套催化裝置的熱聯(lián)合，減壓渣油與溶劑脫瀝青裝置熱聯(lián)合，兩套催化油漿與油漿拔頭、減黏裂化裝置熱聯(lián)合，催化柴油與催柴加氫裝置熱聯(lián)合。

2008年，常減壓裝置擴(kuò)能改造后加工能力達(dá)到800萬(wàn)t/a，陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了常減壓與兩套催化裝置熱聯(lián)合，兩套催化與汽油加氫裝置熱聯(lián)合，重整裝置與芳烴裝置熱聯(lián)合，兩套催化與催柴加氫裝置熱聯(lián)合。

2012年，隨著焦化裝置、蠟油加氫裝置、260萬(wàn)t/a柴油加氫裝置的陸續(xù)投用平穩(wěn)運(yùn)行后，根據(jù)裝置間物料流向和關(guān)聯(lián)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和模擬優(yōu)化，逐步實(shí)現(xiàn)了上下游之間的深度熱聯(lián)合，避免了物料的冷卻和再加熱，減少了換熱網(wǎng)絡(luò)的兩次傳熱?損。

3 洛陽(yáng)石化熱聯(lián)合應(yīng)用現(xiàn)狀及效果

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，洛陽(yáng)石化熱聯(lián)合技術(shù)應(yīng)用較好的為熱供料，焦化裝置汽、柴油和頂循三股物料去加熱CFB鍋爐的除鹽水，焦化裝置自產(chǎn)0.3 MPa蒸汽去PTA發(fā)電機(jī)組等。

洛陽(yáng)石化現(xiàn)有熱供物料15路，涉及11套生產(chǎn)裝置，2012－2015年主要煉油裝置進(jìn)料熱供比例可達(dá)92%。具體熱供物料流程如圖1所示（石腦油至重整裝置僅為直供，未熱供）。

圖1 洛陽(yáng)石化熱聯(lián)合物料流程

2016年，通過(guò)大檢修對(duì)熱供料流程進(jìn)一步優(yōu)化，相關(guān)裝置熱供物料進(jìn)出裝置溫度如表1所示。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 熱供料效果

利用Petro-Sim軟件對(duì)熱供料后加熱爐所減少的燃料消耗進(jìn)行模擬計(jì)算（以常減壓裝置瓦斯組成為測(cè)算依據(jù)），得出加熱爐入口溫度每增加10℃，燃料消耗減少0.02 t/h。與2012年初洛陽(yáng)石化熱供料溫度進(jìn)行對(duì)比，2016年僅裝置熱進(jìn)料使煉油裝置燃料消耗降低0.204 t/h。按照2016年608萬(wàn)t加工量計(jì)算，煉油綜合能耗下降0.27 kgEO/t。

3.2.2 其他熱聯(lián)合效果

焦化裝置與動(dòng)力部CFB鍋爐熱聯(lián)合，可節(jié)約動(dòng)力部除鹽水加熱用1.0 MPa蒸汽約8 t/h，同時(shí)減少焦化裝置循環(huán)水消耗約120 t/h。焦化裝置與PTA發(fā)電機(jī)組熱聯(lián)合，PTA每小時(shí)可增加700 kW·h發(fā)電量。二催化裝置頂循與氣分T501熱聯(lián)合，減少T501 0.5 MPa蒸汽用量約6 t/h。精制航煤與石腦油加工流程熱聯(lián)合，減少T3302底重沸器1.0 MPa蒸汽用量約4.5 t/h，停用精制航煤出裝置空冷，每小時(shí)節(jié)電110 kW·h。

4 熱聯(lián)合存在的問(wèn)題

熱聯(lián)合技術(shù)應(yīng)用范圍廣，可匹配能量多，但因?yàn)橄到y(tǒng)壓力、產(chǎn)品質(zhì)量的影響，熱聯(lián)合技術(shù)在實(shí)際運(yùn)作中也存在一定的問(wèn)題，熱聯(lián)合效果也會(huì)打折扣，需要突破上下游的一些固有約束。

表1 洛陽(yáng)石化熱供物料基本情況

4.1 不符合設(shè)備設(shè)計(jì)溫度要求

部分下游裝置的原料緩沖罐、原料泵等在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮熱供料工藝，設(shè)備設(shè)計(jì)溫度無(wú)法滿足熱進(jìn)料溫度的要求。根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，不能實(shí)施熱供料。

1）航煤加氫裝置

航煤加氫裝置原料油罐設(shè)計(jì)溫度為80℃，航煤熱進(jìn)溫度（100℃以上）高于罐體設(shè)計(jì)溫度，違反《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，考慮設(shè)備安全運(yùn)行等因素，2014年10月停止熱供。

常減壓裝置為將航煤出裝置溫度降至80℃以下，需運(yùn)行空冷A1003，電機(jī)功率30 kW，使常一線至航煤加氫裝置進(jìn)料平均溫度降為56.3℃，滿足了固定式壓力容器的安全運(yùn)行要求。但增加了常減壓裝置的電耗，以及航煤加氫裝置的燃料消耗。

2）S-Zorb裝置

目前催化穩(wěn)定汽油至S-Zorb裝置溫度為69℃，原料泵設(shè)計(jì)操作溫度40～70℃，不能滿足兩套催化裝置穩(wěn)定汽油提高熱供溫度的要求。

4.2 熱聯(lián)合裝置熱進(jìn)出料溫差大

實(shí)際生產(chǎn)中，因熱聯(lián)合裝置間距離、管線保溫情況等因素的影響，造成裝置間輸送溫差大，熱損嚴(yán)重。

1）常減壓裝置常一線至航煤加氫裝置熱進(jìn)出料溫差大

航煤加氫裝置由原來(lái)的直餾柴油加氫裝置改造而來(lái)，常一線至航煤加氫裝置管線部分利用以前常一線至罐區(qū)管線，部分利舊以前的直柴加氫裝置進(jìn)料管線，造成常一線至航煤加氫裝置部分管線有保溫，部分無(wú)保溫，增加了物料傳輸過(guò)程中的熱損。2015年12月，常一線熱料出溫度約103℃，航煤加氫熱料進(jìn)溫度約79℃，熱料進(jìn)出溫差約24℃，熱損為1 265 kW。

2）溶劑脫瀝青裝置DMO至蠟油加氫裝置熱進(jìn)出料溫差較大

溶劑脫瀝青裝置與蠟油加氫裝置距離較遠(yuǎn)，熱聯(lián)合管線實(shí)際長(zhǎng)度約1 000 m，加上管線保溫時(shí)間長(zhǎng)等因素的影響，造成DMO熱進(jìn)出料溫差較大。2016年7月以來(lái)，DMO熱進(jìn)出溫差逐步由10℃左右增加至27℃左右。

4.3 影響下游裝置正常運(yùn)行

熱供料的溫度并不是越高越好，需要通過(guò)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和綜合權(quán)衡后才能確定，因?yàn)樯嫌窝b置熱出料之后，相應(yīng)的熱阱需要新的熱源，同樣下游裝置的熱源也要找到新用戶，兩個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)原來(lái)的換熱順序打亂，需要重新匹配，只有熱阱和熱源匹配符合能量逐級(jí)利用的原則，才能使系統(tǒng)能量得到綜合優(yōu)化。大部分裝置在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮熱進(jìn)料，因此當(dāng)系統(tǒng)實(shí)施深度熱聯(lián)合后，對(duì)下游裝置的正常運(yùn)行造成了較為明顯的影響。

1）影響下游裝置產(chǎn)品質(zhì)量

煉油系統(tǒng)實(shí)施深度熱聯(lián)合后，大幅降低了加熱爐燃料消耗，但較大影響了分餾系統(tǒng)的平穩(wěn)生產(chǎn)。類似問(wèn)題普遍存在于“出產(chǎn)品”的煉油裝置中，例如航煤加氫裝置、汽油加氫裝置等。

柴油加氫裝置的進(jìn)料溫度大幅提高，受制于裝置內(nèi)部換熱流程的局限，上游裝置將熱量轉(zhuǎn)移至柴油加氫裝置后，在原有換熱網(wǎng)絡(luò)下，裝置內(nèi)的熱量又聚集在分餾系統(tǒng)，而精制柴油出裝置溫度無(wú)法滿足＜55℃的要求，進(jìn)而影響到精制柴油的產(chǎn)品質(zhì)量。因此只能將部分（或全部）進(jìn)料退出熱供，降低原料熱進(jìn)溫度。

2）影響下游裝置平穩(wěn)運(yùn)行

焦化裝置穩(wěn)定汽油換熱器與動(dòng)力部CFB鍋爐熱聯(lián)合，將原有約64℃，240 t/h的除鹽水加熱至75℃左右，可節(jié)約1.0 MPa蒸汽約8 t/h，同時(shí)減少焦化裝置循環(huán)水消耗約120 t/h。

實(shí)際生產(chǎn)中，由于系統(tǒng)管網(wǎng)壓力的影響，加之設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行后，易出現(xiàn)穩(wěn)定汽油泄漏至除鹽水系統(tǒng)中的現(xiàn)象，影響鍋爐水的品質(zhì)，進(jìn)而影響鍋爐的平穩(wěn)運(yùn)行。

4.4 單裝置能耗與系統(tǒng)效益的矛盾

焦化和蠟油加氫裝置分別自產(chǎn)0.5 MPa和1.0 MPa蒸汽，在計(jì)算單裝置能耗時(shí)，自產(chǎn)蒸汽按折標(biāo)系數(shù)計(jì)入能耗，而裝置熱供料時(shí)，存在外輸熱折算，這種規(guī)定算法對(duì)單裝置能耗具有較大影響。實(shí)際操作中，裝置往往采取多產(chǎn)汽的措施來(lái)降低能耗。

煉油裝置是一個(gè)大的系統(tǒng)，當(dāng)實(shí)施深度熱聯(lián)合后，從能量轉(zhuǎn)換角度來(lái)說(shuō)，少產(chǎn)蒸汽，可以減少傳熱?損，增加能量轉(zhuǎn)換效率，有利于降低整個(gè)系統(tǒng)的燃動(dòng)費(fèi)用。

4.5 個(gè)別裝置仍存在熱阱

目前，S-Zorb裝置穩(wěn)定塔底精制汽油（175 t/h、140℃）直接和低溫?zé)崴畵Q熱，再經(jīng)空冷、循環(huán)水冷卻器冷卻至35℃去罐區(qū)，熱源浪費(fèi)較大。

5 改進(jìn)建議及措施

5.1 更換部分設(shè)備，調(diào)整工藝參數(shù)

核算熱進(jìn)料裝置經(jīng)濟(jì)效益，在效益明顯的情況下，對(duì)制約熱聯(lián)合的設(shè)備按照熱進(jìn)溫度的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)更新。

2015年大檢修前，對(duì)航煤加氫裝置原料罐進(jìn)行設(shè)計(jì)更新。結(jié)合熱聯(lián)合實(shí)際情況，將原有的罐體設(shè)計(jì)溫度80℃更改為140℃，實(shí)現(xiàn)了航煤裝置原料的熱供。更新后，航煤加氫裝置原料進(jìn)裝置溫度由55℃左右提高至79℃左右，停用常一線出裝置前空冷器。裝置燃料消耗由之前的0.68 t/h下降至0.61 t/h。

建議提高S-Zorb裝置原料油泵P101機(jī)封材質(zhì)，將進(jìn)料溫度從目前的70℃提高至90℃，降低裝置燃料消耗約0.04 t/h。

5.2 完善熱聯(lián)合管線保溫

航煤實(shí)現(xiàn)熱供后，航煤熱進(jìn)出料溫差近24℃，熱聯(lián)合效果未能完全體現(xiàn)。對(duì)管線保溫情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查后發(fā)現(xiàn)，常一線至航煤加氫裝置管線部分保溫缺失長(zhǎng)度約500 m。完善航煤進(jìn)料管線保溫后，平均溫度由79℃增加至103℃，熱進(jìn)出溫差大幅降低。航煤加氫裝置燃料消耗由0.61 t/h降至目前的0.30 t/h，降幅明顯。

建議對(duì)DMO至蠟油加氫裝置管線保溫進(jìn)行更新，降低DMO熱進(jìn)出溫差。初步估算，在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，可降低蠟油加氫裝置燃料消耗約0.04 t/h。

5.3 增上精制柴油低溫?zé)岚l(fā)電設(shè)施

為解決柴油加氫裝置實(shí)施熱進(jìn)料后不能平穩(wěn)運(yùn)行的問(wèn)題，建議增上低溫?zé)岚l(fā)電設(shè)施。

實(shí)現(xiàn)深度熱聯(lián)合時(shí)，精制柴油冷卻前的溫度基本維持在110～150℃，流量180～250 t/h，壓力1.3 MPa。利用有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）低溫?zé)岚l(fā)電機(jī)組對(duì)這部分余熱進(jìn)行回收發(fā)電，具體改造流程如圖2所示，系統(tǒng)性能見(jiàn)表2。

該項(xiàng)目投資費(fèi)用約1 200萬(wàn)元，按柴油加氫裝置年運(yùn)行8 000 h計(jì)算，凈發(fā)電量為780.8萬(wàn) kW·h/年，年效益為312萬(wàn)元，投資回收期約3.8年。

圖2 柴油加氫裝置余熱發(fā)電系統(tǒng)改造流程

表2 柴油加氫裝置余熱發(fā)電系統(tǒng)性能參數(shù)

5.4 增上熱媒介質(zhì)

焦化裝置與動(dòng)力部熱聯(lián)合具有較好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益，但由于系統(tǒng)壓力的問(wèn)題，存在物料泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。建議增上熱媒水換熱系統(tǒng)，利用低壓力的介質(zhì)作為換熱媒介，實(shí)現(xiàn)熱量回收和利用。改造流程如圖3所示。

改造后，可節(jié)約動(dòng)力部除鹽水加熱用1.0 MPa蒸汽約8 t/h，同時(shí)減少焦化裝置循環(huán)水消耗約120 t/h。

5.5 優(yōu)化單裝置換熱網(wǎng)絡(luò)[8]

對(duì)焦化和蠟油加氫裝置內(nèi)部換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，停用或降低蒸汽產(chǎn)汽量，增加能量轉(zhuǎn)換利用效率。在權(quán)衡裝置能耗和系統(tǒng)效益的前提下，建議：

1）優(yōu)化焦化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)，降低焦化裝置0.5 MPa蒸汽產(chǎn)汽量，將熱量轉(zhuǎn)移至焦化重蠟，提高焦化重蠟至蠟油加氫裝置進(jìn)料溫度，進(jìn)一步降低蠟油加氫裝置反應(yīng)爐的燃料消耗。

2）優(yōu)化蠟油加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)，降低蠟油加氫裝置1.0 MPa、0.5 MPa蒸汽產(chǎn)量，將熱量轉(zhuǎn)移至兩套催化裝置。

5.6 充分利用裝置熱阱

針對(duì)S-Zorb裝置目前存在的熱阱，建議在穩(wěn)定塔C201精制汽油（170 t/h、140℃）與P101出口增加一臺(tái)換熱器，用精制汽油的熱量給泵出口冷油加熱，從而降低加熱爐燃料消耗，同時(shí)可降低精制汽油線路上冷卻水量、空冷風(fēng)機(jī)的電耗。

圖3 焦化裝置增上熱媒系統(tǒng)流程

6 結(jié)論

裝置間的熱聯(lián)合是將上下游兩套或者多套裝置作為一個(gè)整體，在大系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行“高熱高用，低熱低用”匹配，以達(dá)到能量?jī)?yōu)化綜合利用的目的。其實(shí)質(zhì)是在幾套裝置內(nèi)而不是孤立地在一套裝置內(nèi)考慮能量的優(yōu)化利用。

熱供料溫度的優(yōu)化涉及到換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)的獨(dú)立優(yōu)化和協(xié)同優(yōu)化，是以熱供料溫度為變量的多次分解協(xié)調(diào)，需要根據(jù)裝置間的具體操作，運(yùn)用?經(jīng)濟(jì)學(xué)技術(shù)評(píng)價(jià)，多個(gè)方案進(jìn)行綜合比較后才能得出。

煉化裝置實(shí)施深度熱聯(lián)合后，使各裝置間的操作關(guān)系更加緊密，切換操作變得更加復(fù)雜，因而需要優(yōu)化操作以減少對(duì)操作過(guò)程的影響，以及準(zhǔn)備應(yīng)急方案來(lái)保證熱聯(lián)合情況下裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)深度熱聯(lián)合，必須在確保上下游裝置平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)行，不能單純以節(jié)能降耗為目的，影響下游裝置的安全操作和產(chǎn)品質(zhì)量。