徐令寶 許步建 劉春陽

(中石油華東設(shè)計院有限公司，山東 青島 266071)

能源梯級利用是能源合理利用的一種方式，不管是一次能源還是余能資源，均應(yīng)按其品位逐級加以利用。在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，高、中參數(shù)蒸汽先用來發(fā)電，低溫余熱用來向住宅供熱。所謂能源品位的高低，是用可轉(zhuǎn)換為機械功的大小來度量的。由于熱能不可能全部轉(zhuǎn)換為機械能，因此與機械能、電能相比，其品位較低。熱-功轉(zhuǎn)換效率與溫度高低有關(guān)，高溫熱能的品位高于低溫熱能。一切不可逆過程均朝著降低能源品位的方向進行。能源的梯級利用可以提高整個系統(tǒng)的能源利用效率，是節(jié)能的重要措施[1-2]。

蒸汽在不同壓力和溫度下所處的能級不同，蒸汽的能級越高，其做功的能力越強，品位越高；且蒸汽在用過之后，還可以繼續(xù)降級使用，用的次數(shù)越多，能源利用得越充分[3]。硫酸法烷基化裝置中制冷壓縮機單臺設(shè)備用電負荷約占全裝置用電負荷的50%，在工藝設(shè)計階段將蒸汽梯級利用與裝置用電結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)合起來考慮，對全裝置節(jié)能降耗起到至關(guān)重要的作用。

1 蒸汽梯級利用的必要性分析

現(xiàn)狀蒸汽管網(wǎng)的設(shè)計原則是“以汽定電，合理使用一次能源，減少燃料消耗”。3.5 MPa蒸汽管網(wǎng)由催化裂化裝置和動力站保證供應(yīng)；1.0 MPa管網(wǎng)由催化裂化裝置、連續(xù)重整裝置、柴油加氫改質(zhì)裝置供應(yīng)，不足部分通過抽凝汽輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)。烷基化裝置涉及物料為C2～C8烴類，裝置內(nèi)各分餾塔底再沸器均需采用蒸汽為熱源，同時制冷壓縮機功率占全裝置用電功率的一半左右。因此，有必要結(jié)合蒸汽管網(wǎng)現(xiàn)狀和烷基化裝置用能特點研究裝置內(nèi)蒸汽梯級利用。

煉廠新建烷基化裝置后，全廠蒸汽平衡情況見表1。

由表1可以看出：3.5 MPa和1.0 MPa蒸汽管網(wǎng)的平衡是通過抽凝汽輪發(fā)電機組發(fā)電來實現(xiàn)的，即1.0 MPa蒸汽不足時，通過抽凝汽輪發(fā)電機組把3.5 MPa蒸汽轉(zhuǎn)化為1.0 MPa蒸汽。新建烷基化裝置前，抽凝汽輪機負荷滿足全廠蒸汽平衡；新建烷基化裝置后，如果烷基化裝置再沸器蒸汽全部由1.0 MPa蒸汽管網(wǎng)供應(yīng)，勢必增大抽凝汽輪發(fā)電機組負荷，可能導(dǎo)致公用工程改造。此外，蒸汽發(fā)電相比直接采用鍋爐汽做功，效率會大打折扣，造成能源浪費，考慮如何降低全廠1.0 MPa蒸汽用量迫在眉睫。

表1 全廠冬季、夏季工況蒸汽平衡 t/h

表1數(shù)據(jù)顯示：烷基化裝置采用蒸汽先做功再加熱的梯級利用方式后，制冷壓縮機汽輪機蒸汽耗量為20 t/h，背壓1.0 MPa蒸汽自用后外送6.8 t/h至管網(wǎng)。該廠1.0 MPa管網(wǎng)蒸汽來源主要為柴油加氫改質(zhì)裝置、連續(xù)重整裝置和催化裂化裝置，不足部分由抽凝汽輪發(fā)電機組補充。冬季工況下，抽凝汽輪發(fā)電機組產(chǎn)汽占1.0 MPa管網(wǎng)的41%，占動力站總產(chǎn)汽量的57%；夏季工況下，抽凝汽輪發(fā)電機組產(chǎn)汽占1.0 MPa管網(wǎng)的29%，占動力站總產(chǎn)汽量的44%。由此可見，即便烷基化采用汽輪機，抽凝汽輪發(fā)電機組依然是調(diào)節(jié)蒸汽管網(wǎng)平衡的重要手段。從盡量不改造公用工程、不增加投資的角度考慮，裝置內(nèi)采用蒸汽梯級利用，減少1.0 MPa蒸汽消耗的方案更合理。

2 制冷壓縮機驅(qū)動方案對比研究

2.1 不同驅(qū)動方式對工藝過程的影響

制冷壓縮機如采用電驅(qū)動，需要單獨配置高壓變頻器、齒輪箱、開關(guān)柜等。分餾塔再沸器蒸汽合計用量為23.99 t/h(詳細設(shè)計值)，均需引自1.0 MPa管網(wǎng)。根據(jù)前述全廠蒸汽平衡情況，所需1.0 MPa蒸汽均需通過抽凝汽輪發(fā)電機組“被迫”發(fā)電補充低壓蒸汽，導(dǎo)致蒸汽用能不科學(xué)。

制冷壓縮機如采用蒸汽驅(qū)動，3.5 MPa蒸汽通過制冷壓縮機汽輪機做功后，背壓至1.0 MPa繼續(xù)作為分餾塔再沸器熱源，不足部分再從管網(wǎng)補充。再沸后的凝結(jié)水經(jīng)冷卻后統(tǒng)一回收至凝結(jié)水罐，最后泵送至界區(qū)凝結(jié)水管網(wǎng)。蒸汽的使用符合梯級利用原理，對全廠及裝置節(jié)能會產(chǎn)出積極影響。

2.2 不同驅(qū)動方式對裝置能耗的影響

不同驅(qū)動方式能耗對比詳見表2(裝置規(guī)模為160 kt/a)。

表2 不同驅(qū)動方式能耗對比

電驅(qū)動方案，再沸器蒸汽(1.0 MPa)全部來自管網(wǎng)，電和蒸汽單位能耗4 633.400 MJ/t；蒸汽驅(qū)動方案，再沸器蒸汽絕大部分來自汽輪機背壓蒸汽，只有2.38 t/h來自管網(wǎng)，電和蒸汽兩部分單位能耗為4 577.181 MJ/t。采用蒸汽驅(qū)動時裝置能耗減少約56.229 MJ/t，略占優(yōu)勢。

2.3 不同驅(qū)動方式對一次性投資和操作費用的影響

國內(nèi)知名壓縮機及汽輪機廠家對350 kt/a烷基化制冷壓縮機方案報價對比見表3。

表3 電驅(qū)動與蒸汽驅(qū)動關(guān)鍵設(shè)備投資對比

由表3可見：對于350 kt/a規(guī)模烷基化裝置，蒸汽驅(qū)動方案略占優(yōu)勢，投資節(jié)省4%，與130 kt/a烷基化裝置相比，兩方案一次性投資絕對值相差不大。

采用廠內(nèi)公用工程單價，對比兩種方案操作費用，詳見表4。

表4 操作費用對比

由表4可見:電驅(qū)動方案由于裝置塔底再沸器蒸汽用量大，導(dǎo)致蒸汽費用占總費用的80%，占比較大；蒸汽驅(qū)動方案背壓獲得的低壓蒸汽在裝置自用，少量不足部分由管網(wǎng)補充，可以獲得比較明顯的經(jīng)濟效益，每年節(jié)約操作費用約217萬元。

綜合考慮節(jié)能、一次性投資和操作費用的對比情況，該裝置采用蒸汽驅(qū)動方案。需要說明的是，3.5 MPa蒸汽和1.0 MPa蒸汽價格差對方案的整體對比結(jié)果會產(chǎn)生重要影響。假如3.5 MPa蒸汽價格為167元/t，兩個方案操作費用持平。因此，在項目設(shè)計過程中，由于不同煉廠用能情況、公用工程單價、規(guī)模等都各具特點，需具體分析才能得到最優(yōu)結(jié)果，而不能一概而論，盲目套用。

3 蒸汽梯級利用配套流程設(shè)計

汽輪機背壓后的蒸汽量占裝置再沸器總蒸汽需求的90%(見表2)，在裝置節(jié)能降耗乃至全廠蒸汽高效利用方面均有突出貢獻。因此，如何從工藝流程設(shè)計上保證汽輪機和再沸器穩(wěn)定運行也不容忽視。本項目對裝置內(nèi)蒸汽-汽輪機-再沸器-凝結(jié)水流程做了細致規(guī)劃。

烷基化裝置蒸汽-凝結(jié)水系統(tǒng)流程示意見圖1。如圖1所示,汽輪機進出口分別連接3.5 MPa和1.0 MPa蒸汽管網(wǎng)，這種流程的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：(1)汽輪機進出口均與管網(wǎng)相連，汽輪機進出口蒸汽壓力和溫度穩(wěn)定，充分保證汽輪機的安全穩(wěn)定運行；(2)裝置內(nèi)的再沸器熱源從汽輪機背壓蒸汽側(cè)引出，保證再沸器熱源的穩(wěn)定，可以充分利用汽輪機背壓后的低壓蒸汽，背壓蒸汽不足時，會自動從1.0 MPa蒸汽管網(wǎng)補充，保證了分餾塔熱源的穩(wěn)定。該部分流程設(shè)計是汽輪機方案的畫龍點睛之筆，流程雖不復(fù)雜，卻起到非常重要的保障作用。

再沸后的凝結(jié)水在裝置內(nèi)匯總并經(jīng)水冷(投資不受限時，可以采用空冷器)冷卻后送至凝結(jié)水回收罐，最后泵送至裝置界區(qū)。凝結(jié)水罐設(shè)置蒸汽捕集系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)，有效防止冬天出現(xiàn)“白霧”，保證蒸汽-凝結(jié)水系統(tǒng)壓力平衡，物流穩(wěn)定順暢。

圖1 烷基化裝置蒸汽-凝結(jié)水系統(tǒng)流程示意

4 結(jié)語

中國石油慶陽石化公司130 kt/a烷基化裝置通過對不同壓力等級蒸汽的梯級利用，對裝置節(jié)能、全廠蒸汽高效利用和全廠公用工程利舊方面均有突出貢獻，年節(jié)約操作費用約217萬元，經(jīng)濟效益顯著。

鑒于不同煉廠蒸汽平衡組成、價格不同，該方案并不能簡單地推而廣之，但思路和方法值得借鑒。設(shè)計過程中應(yīng)具體問題具體分析，“量體裁衣”，為企業(yè)做好工藝方案與經(jīng)濟性分析才能急企業(yè)之所需，成就好的設(shè)計。