基于循環水修正的煉油廠低溫熱潛力快速評價方法研究

厲 勇，邢 兵，張 英

(中國石化大連石油化工研究院，遼寧 大連 116041)

煉化企業在生產過程中不可避免地產生大量余熱。一般將溫度低于150 ℃的余熱看作低溫余熱。生產過程中產生的低溫余熱以各種形式被排放，而一些需要低溫熱的裝置、設備卻耗用大量的蒸汽。據統計，我國的能源利用率僅約為30%，而日本的能源利用率在60%以上，這其中一個重要原因就是沒有充分利用生產過程中產生的低溫余熱。這種現狀既造成了能源的重復浪費，又對環境產生了熱污染。因此研究分析低溫余熱的回收利用具有非常實際的意義[1-2]。

現階段，煉油廠低溫余熱分布廣，溫位低，回收較困難，主要工藝裝置存在大量低溫余熱未被充分回收利用。熱源熱阱能級不匹配，同時熱阱不足，特別是部分熱阱季節性較強，低溫熱換熱網絡復雜，調控的有效性差；低溫熱熱源和熱阱分散，低溫熱被降質利用；低溫熱熱媒水系統受季節影響，水量和溫差設計不合理，水量大，溫位低；同時對傳統煉油廠進行低溫熱調研時，需要對全廠各裝置主要物流進行標定，通過流量、溫差、油品性質等參數計算出低溫熱量，然后匯總得到全廠的低溫熱資源總量。這種方法得到的數據準確，但工作量大，耗時長。因此，需要開發一種對煉油廠整體低溫余熱資源利用效果和潛力進行評估的方法，以便在煉油廠低溫熱調研開展前，對煉油廠低溫熱潛力進行快速評價分析[3-5]。

1 煉油廠低溫熱主要形式及排放方式

對煉化企業低溫余熱資源的調研數據顯示，煉化企業的低溫余熱主要分布于常減壓蒸餾、催化裂化、延遲焦化、臨氫裝置，這4部分的低溫余熱約占全廠低溫余熱總量的60%～80%。

生產過程中未被利用的低溫余熱最終會以各種形式排放到環境中。其主要通過以下4種途徑排放：空氣冷卻器、儲罐、煙氣系統和循環水冷卻系統。空氣冷卻器等主要用于塔頂物料冷卻等，例如催化裂化分餾塔塔頂、加氫裝置熱高壓分離器后冷卻等，溫度通常較高，一般在80 ℃以上；儲罐排放主要是由于罐體維持溫度或熱產品進罐等產生，溫度一般較低，大多數不超過80 ℃；煙氣系統排放主要來自各燃燒爐、鍋爐或反應器，排放溫度較高，一般為120～180 ℃；循環水冷卻系統排放范圍較廣，所有不能或沒有利用的低溫熱，除空氣冷卻器、罐區、煙氣等一般都通過循環水冷卻。

煉油廠的低溫熱熱阱一般為除鹽水、氣體分離裝置塔底再沸等；升級利用技術如吸收式低溫熱制冷熱泵、吸收式低溫熱制熱熱泵等，經濟運行時要求熱媒水溫度大于80 ℃，現階段由于低溫熱利用技術的限制和基于經濟因素的考慮，一般對80 ℃以上的低溫熱源進行回收利用。

統計結果顯示，循環水系統是煉油廠低溫熱的主要排放途徑，全廠大部分的低溫熱由循環水系統排放，同時由于現階段一般只考慮80 ℃以上的低溫熱回收，因此儲罐排放低溫熱可以認為無利用潛力；煙氣由于露點腐蝕的原因，120～180 ℃已到露點腐蝕極限，因此煙氣低溫熱進一步回收利用的難度較大，低溫熱回收潛力較小；空氣冷卻器的低溫熱，如加氫裝置空氣冷卻器多半因為壓力太高或有結鹽腐蝕堵塞現象，利用難度大。因此，可以認為，煉油廠有利用潛力的低溫熱全部通過循環水系統排放。

2 傳統煉油廠低溫熱潛力快速評價方法[6]

2.1 傳統煉油廠低溫熱潛力評價方法的計算

根據上述分析，認為煉油廠絕大部分有利用潛力的低溫熱通過循環水系統排放，因此可以通過循環水系統的運行工況來表征全廠低溫熱的總資源情況，用低溫熱潛力系數的指標來評價全廠低溫熱資源。

由于全廠低溫熱資源與全廠裝置結構和加工量有關，因而低溫熱潛力系數(R)可以表征為全廠加工量、裝置結構、循環水量和循環水溫差的函數。

(1)

式中：K為因數，0.239 2 gJ；Fw為全廠循環水總流量，th；Cp為水的比熱4.186 J(g·℃)；△Tw為全廠循環水場平均進出口溫差，℃；Fc為全廠平均加工量，th；C為全廠裝置復雜系數。

K為使低溫熱潛力系數無量綱化而引入的因數，物理意義為煉油廠原油煉制過程中散失的單位熱量需要的冷卻循環水量；R表示帶走當量單位原油煉制過程中產生的熱量需要的循環水量的倍數。當量單位原油需要的冷卻循環水的量越少，說明煉制過程中熱量的利用越充分。

2.2 傳統煉油廠低溫熱潛力評價方法存在的問題

2.2.1循環水系統取熱量被全部考慮傳統煉油廠低溫熱潛力評價方法中，循環水取熱量被全部考慮，但實際上大部分循環水所取熱量為低于80 ℃熱量，基本無利用價值，不能納入低溫熱考慮。因此，煉油廠中存在必須由循環水等公用工程散失的熱量，也存在不必要的循環水耗量，將循環水全部納入評價體系顯然是不合適的。

2.2.2裝置復雜系數的引入全廠裝置復雜系數法以操作費用的高低作為衡量工藝裝置復雜程度的標志。該方法令平均規模煉油廠常壓蒸餾裝置的復雜系數為1，其它裝置每加工1個單位原料的操作費用與常壓蒸餾裝置每加工1個單位原油的操作費用相比即為該裝置的裝置復雜系數。全廠復雜系數為各二次加工裝置的復雜系數和各二次加工裝置的進料量占常壓蒸餾裝置進料量的百分數的乘積加上常壓蒸餾裝置復雜系數。

裝置復雜系數法主要考慮的是操作費用的高低，其中包括能耗的影響，但煉油廠低溫熱潛力評價方法中，評價的是低溫熱的利用潛力，反映到煉油廠即充分利用低溫熱對全廠能耗的影響，現階段各裝置的裝置復雜系數包含因素多，計算數據獲取困難，無統一標準，準確數值不易獲取。

3 基于循環水修正的煉油廠低溫熱潛力快速評價方法

根據上述分析結果，對傳統低溫熱快速評價方法進行修正，形成新的基于循環水修正的煉油廠低溫熱快速評價方法，設基于循環水修正的煉油廠低溫熱潛力評估系數為RW，則

(2)

式中：Rw為低溫熱潛力評估系數；Fwc為煉油廠循環水修正耗量，th；Cw為煉油廠循環水一般耗量，th；E為全廠能量因數。

3.1 全廠能量因數

煉油廠能量因數法由美國阿莫科公司的湯姆遜于20世紀80年代提出，其要點如下：①以美國各煉油廠工藝裝置的平均能耗為基礎，令其能量因數為1；②其它工藝裝置的能量因數是將該裝置每加工1個單位原料油所消耗的能量與原油蒸餾裝置每加工1個單位原油所消耗的能量進行對比，按原油蒸餾裝置的能量因數為1換算得到。

煉油廠的能量因數計算方法為：

E= ∑[(Fi×Ei)Ft]

(3)

式中：Fi為各裝置的實際加工量；Ei為各裝置的能量因數；Ft為常壓蒸餾裝置的實際加工量。

全廠能量因數法易于對煉油廠間甚至各裝置間的能耗進行對比，低溫熱潛力的快速評價主要針對煉油廠能量系統進行，采用能量因數更為合適。能量因數具有明確的統計標準(GB 30251—2013《煉油單位產品能源消耗限額》)，更容易進行定量分析計算，同時在一定程度上反映出裝置的復雜程度，并直接與裝置能耗進行關聯。

3.2 煉油廠循環水一般耗量的計算

煉油廠循環水一般耗量的計算方法是通過估算煉油廠在低溫熱充分利用的狀態下得出循環水的消耗量，將該循環水一般耗量與實際耗量相比，則多出的循環水量主要用于冷卻可回收低溫熱，若循環水實際耗量小于煉油廠循環水一般耗量，則表明煉油廠低溫熱回收較充分，甚至采取了有效的裝置熱聯合，熱能利用率較高。

假設煉油廠加工量為FC，因原油熱容與溫度有關，設原油典型進料熱容為Cpo(T)，循環水熱容為Cp，在典型工況下，針對常減壓蒸餾裝置，原油分餾后經各側線出裝置，各側線物料80 ℃以上熱量為可回收利用低溫熱，80 ℃以下為需要循環水系統冷卻帶走的熱量。在非熱聯合情況下，側線物料冷卻至60 ℃到罐區或下游裝置，則各側線物料由80 ℃冷卻到60 ℃過程中消耗的循環水量為常減壓蒸餾裝置循環水一般耗量，因循環水溫度的一般設計值為從32 ℃到42 ℃，同時根據GB 30251—2013《煉油單位產品能源消耗限額》規定，常減壓蒸餾裝置能量因數為1，則1個能量因數需要的循環水量Cwn可表示為：

Cwn=2×FC×Cpo(T)Cp

(4)

雖然各煉油廠加工原油的種類不同，但原油熱容特性曲線在60～80 ℃范圍內相差不大，為快速計算的方便，以煉油廠典型原油為計算標準。煉油廠典型原油分析數據如表1所示。

根據表1典型原油的分析數據可以得出，在溫度60～80 ℃區間內原油平均比熱為1.961 kJ(kg·℃)，代入式(4)，得到1個能量因數需要的循環水量為：

Cwn=0.909 5Fc

(5)

考慮全廠能量因數E，則煉油廠循環水一般耗量Cw為：

Cw=Cwn×E

(6)

3.3 煉油廠循環水修正耗量計算方法

由于各煉油廠循環水系統運行條件不同，換熱器運行狀態和配置不同，循環水系統運行狀態不同，反映到循環水系統即循環水系統換熱溫差不同，換熱溫差的不同直接導致循環水量的差別，因本研究只考慮低溫熱利用潛力，對利用品質不涉及，因此，應考慮實際情況，對煉油廠循環水實際耗量進行修正。

因煉油廠循環水設計溫差一般為10 ℃，從32 ℃到42 ℃，設全廠循環水實際耗量為Fw，循環水進出循環水場溫差為△Tw，則煉油廠循環水修正耗量Fwc可表示為：

Fwc=Fw×△Tw×0.1

(7)

4 低溫熱潛力快速評價方法比較

4.1 典型數據的選取

根據文獻[6]提供的資料，選取12家典型煉油廠進行低溫熱潛力的快速評價，比較并分析兩種評價方法的差別，結果見表2。因各煉油廠規模不一，為便于比較，以煉油廠單位原油低溫熱來表征各煉油廠低溫熱量。

Qu=QtFc

(8)

式中：Qu為單位原油低溫熱，Wt；Qt為全廠可利用低溫熱總量，W；Fc為全廠平均加工量，th。

由表2可見，企業C，F，L低溫熱總量較大，企業B，J，L單位原油低溫熱較大。

4.2 煉油廠低溫熱潛力評估系數的計算

根據前述低溫熱潛力評估系數計算方法，將表2數據代入式(1)，得到12家企業低溫熱潛力評估系數；將表2數據代入式(2)，得到12家企業基于循環水修正的低溫熱潛力評估系數，結果見表3。

由表3可見：企業E，F，I的全廠低溫熱潛力評估系數較小，在全廠低溫熱潛力評估系數中全部低于15，在基于循環水修正的低溫熱潛力評估系數中全部低于0.6，說明該3家企業低溫熱利用較好；而企業N，J，K，L的低溫熱潛力評估系數較大，在全廠低溫熱潛力評估系數中全部大于20，在基于循環水修正的低溫熱潛力評估系數中全部大于1，實際調研時，也顯示該4家企業低溫熱利用還有較大潛力。

4.3 兩種計算方法的比較

低溫熱潛力快速評價方法主要用來快速評價煉油廠未利用低溫熱潛力，對上述12家企業的計算實例而言，低溫熱潛力評估系數變化的趨勢越接近單位原油低溫熱變化趨勢，則說明該低溫熱潛力評估系數越準確。

為便于比較兩種計算方法獲得的低溫熱潛力系數變化趨勢與單位原油低溫熱變化趨勢的相似程度，用每組數據中每個數據點距離該組數據的算術均值的偏離距離與算術均值的比值來衡量該組數據的變化趨勢，偏離距離與算術均值的比值稱為偏離系數，將一組數據的偏離系數與待比較的組數據的偏離系數作差，其差值的平方和即可描述該兩組數據曲線變化趨勢的相符合程度。

設數組A共有j個數據，表示為A[i]，i=1，2，…，j。設數組A數據均值為Aa，則

(9)

設數組A每個點距離該組數據的算術均值的偏離系數為Ad[i]，i=1，2，…，j，則

Ad[i]=(A[i]-Aa)Aa

(10)

設有數組B，考察數組B數據變化趨勢與數組A變化趨勢的相似程度，首先數組B離散為與數組A具有相同維數，設數組B的偏離系數為Bd[i]，則數組A與數組B變化趨勢的相似程度可表示為偏離度Cs。

(11)

偏離度越大，說明兩數組數據變化趨勢越不一致。

根據上述方法，考察12家企業全廠低溫熱潛力評估系數和基于循環水修正的低溫熱潛力評估系數與12家企業單位原油低溫熱數據變化趨勢的相似程度，計算結果見表4。

由表4可見，12家企業的基于修正的低溫熱潛力評估系數與單位原油低溫熱的偏離度為1.34，而12家企業的全廠低溫熱潛力評估系數與單位原油低溫熱的偏離度為3.65，說明基于循環水修正的低溫熱潛力快速評價方法更能反映煉油廠真實的低溫熱潛力情況。

5 某煉化企業基于循環水修正的煉油廠低溫熱潛力快速評價分析

5.1 某煉化企業低溫熱狀況

某煉化企業目前采用二級除鹽水回收各裝置的低溫熱，換熱后除鹽水用于動力中心以及除氧水站制備除氧水，全廠除鹽水換熱系統具體情況如下：①二級除鹽水管網總量約為1 100 th，溫度約為59 ℃。除少量供生產裝置直接使用外，約940 th送至各裝置回收低溫熱，換熱至120 ℃左右，供循環流化床鍋爐除氧器及全廠除氧水站給水；②換熱系統總體流程為冷除鹽水分別送至焦化、重整、蠟油加氫、柴油加氫、S Zorb、制氫裝置，與各裝置低溫熱源進行換熱，總計回收熱量65 MW。圖1為全廠除鹽水系統總體流程示意；③此外，催化單元中催化裂化裝置與氣體分離裝置進行熱聯合，有效回收催化裂化裝置熱量供氣體分離裝置塔底重沸使用，整個催化單元通過熱媒水系統共計回收熱量33 MW左右。

圖1 某企業低溫熱流程示意 —二級除鹽水冷水線； —二級除鹽水熱水線

對全廠進行調研，統計80 ℃以上未被利用的低溫熱數據，結果見表5，總計可多回收熱量約103 MW。該煉化企業全部低溫熱資源共計約201 MW，未回收低溫熱占總低溫熱的比例約為51%。

5.2 某煉化企業基于循環水修正的煉油廠低溫熱潛力評估系數的計算

表6為某煉化企業裝置加工規模和能量因數統計情況。

循環水場包括4部分：煉油循環水場、化工循環水場、動力中心循環水場和苯乙烯加氫裂化循環水場。對煉化部分有影響的為煉油循環水場、化工循環水場、苯乙烯加氫裂化循環水場，循環水系統情況見表7。

由式(3)和表6，計算得到全廠能量因數E為8.26；由式(5)和式(6)，計算得到全廠循環水一般耗量Cw為87 905.86 th；由式(7)和表7，計算得到全廠循環水修正耗量Fwc為17 710.24 th；由式(2)計算得到全廠低溫熱潛力評估系數RW為0.953。

5.3 基于循環水修正的煉油廠低溫熱快速評價分析

根據前述結果，計算得到該煉化企業基于循環水修正的煉油廠低溫熱潛力評估系數RW為0.953，接近1，說明未利用的低溫熱較多，實際結果也表明，該煉化企業存在大量可利用低溫熱未被回收利用。具體分析如下：①統計該企業低溫熱時，選擇80 ℃為截止溫度，統計過程中僅計算80 ℃以上的較高溫位的熱負荷，對于單個熱源，考慮到工程經濟性，則僅統計負荷在1 MW以上的具有回收價值的熱源。統計結果顯示，該企業未回收熱負荷占總熱負荷的約51%，仍有約一半的可利用低溫熱通過空氣冷卻和水冷卻散失。②該企業建廠時間較短，在全國石化系統內綜合能耗水平較高，企業能量因數較高，裝置復雜度高，加工流程長，包含化工部分，評價系數接近于1，仍然具有豐富的低溫熱資源未被利用。③從實際情況看，煉油部分的催化裂化裝置仍然是未利用低溫熱大戶，應繼續加大低溫熱提取利用力度，催化重整及其后續的芳烴裝置余熱資源豐富，未利用的較高品位的低溫熱資源較多，應作為以后低溫熱優化的重點關注對象。

6 結 論

(1)煉化企業80 ℃以下物流熱量利用較困難，存在必須由循環水等公用工程散失的熱量，通過引入循環水修正方法，計算循環水一般耗量，形成基于循環水修正的煉油廠低溫熱快速評價方法。

(2)鑒于裝置復雜系數計算的不確定性和低溫熱評價的針對性，在低溫熱快速評價中引入能量因數。能量因數具有明確的統計標準(GB 30251—2013)，更容易進行定量分析計算，同時在一定程度上反應出裝置的復雜程度，并直接與裝置能耗進行關聯，因此，采用能量因數更適合進行煉化企業低溫熱狀況的快速評價。