裂解爐汽包連排變動(dòng)規(guī)律及應(yīng)用

薛魁 張國棟 黃超 白濤濤 丁少輝（中國石油獨(dú)山子石化分公司）

1 背景介紹

排污率是煉化企業(yè)發(fā)汽設(shè)備的一個(gè)重要指標(biāo)，一般定義為排污量除以汽包發(fā)汽量（專利商不同，該定義有略微差別）[1]。排污率過小，水中鹽類等腐蝕性介質(zhì)不易排出汽包，長(zhǎng)期積聚會(huì)造成汽包結(jié)垢，甚至?xí)肷喜空羝芫€，導(dǎo)致透平結(jié)垢[2]。排污率過大，則會(huì)降低發(fā)汽設(shè)備的發(fā)汽量，給水用量增加，影響裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[3]，依據(jù)專利商不同的設(shè)計(jì)理念，乙烯裝置裂解爐汽包的最大排污率，一般在1%～3%。某石化公司百萬噸乙烯裝置采用的是德國Linde專利技術(shù)，2006年建設(shè)，2009年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)要求汽包的排污率最大不超過2%，由于SS及汽包連排線均未設(shè)計(jì)流量計(jì)，很長(zhǎng)一段時(shí)間是利用物料平衡估算的方法來確定裂解爐汽包排污率。實(shí)際估算中，由于SS流量與鍋爐給水流量（BFW）相差不大，汽包連排量又遠(yuǎn)小于SS發(fā)汽量，所以長(zhǎng)時(shí)間采用連排量除以給水量來估算汽包排污率，估算得到汽包排污率長(zhǎng)期處于2%以下，沒有對(duì)工藝操作進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，造成能源浪費(fèi)。2019年擴(kuò)建后，裝置高負(fù)荷生產(chǎn)，SS流量不足，裂解氣壓縮機(jī)蒸汽透平轉(zhuǎn)速提升困難，懷疑汽包排污閥（角閥）存在沖蝕，導(dǎo)致汽包排污率過大[4]。文中利用數(shù)字模擬軟件對(duì)汽包運(yùn)行進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)了汽包連排變動(dòng)規(guī)律，并總結(jié)出了汽包排污率快速確定法。裝置利用準(zhǔn)確的排污率，確定汽包連排角閥沖蝕嚴(yán)重，利用檢修時(shí)機(jī)更換角閥，控制汽包排污率，降低了給水成本，增加了SS發(fā)汽量，提高了裝置的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2 裂解爐汽包工藝描述

某百萬噸乙烯裝置設(shè)計(jì)有8臺(tái)裂解爐，每臺(tái)裂解爐配有一臺(tái)汽包，用于回收高溫裂解氣熱量，同時(shí)產(chǎn)生超高壓蒸汽（SS），裂解爐汽包工藝流程見圖1，紅線為汽包的連排線。

圖1 裂解爐汽包工藝簡(jiǎn)圖Fig.1 Process diagram of steam drum of cracking furnace

15 MPa、110℃左右的鍋爐給水在汽包液位調(diào)節(jié)閥的控制下，經(jīng)裂解爐對(duì)流段預(yù)熱至265℃左右后進(jìn)入汽包，汽包中的飽和水在重力作用下進(jìn)入線性急冷換熱器（LQE），經(jīng)與高溫裂解氣換熱后發(fā)生超高壓蒸汽（SS）[5]，并循環(huán)回汽包，飽和蒸汽SS自汽包頂部出來，進(jìn)裂解爐對(duì)流段，與高溫?zé)煔膺M(jìn)一步過熱至515℃左右去用戶。乙烯裝置的裂解氣壓縮機(jī)透平是SS的最大用戶，如果SS溫度低或著流量小，對(duì)透平的運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生很大的影響，會(huì)限制透平轉(zhuǎn)速，從而影響裝置的加工負(fù)荷。為了確保汽包及下游透平免于鹽類結(jié)垢或腐蝕[6]，汽包在液面以下設(shè)計(jì)有連續(xù)排污線，8臺(tái)汽包的連續(xù)排污線從各自汽包液面以下抽出，匯總為一條連排總線，在壓力控制閥PV82002控制下進(jìn)入下游超高壓/高壓凝液罐，進(jìn)一步回收蒸汽和凝液。每臺(tái)汽包的連續(xù)排污線設(shè)計(jì)有角閥，可對(duì)連續(xù)排污量進(jìn)行節(jié)流，連排量的大小會(huì)直接影響汽包的發(fā)汽量和SS溫度[7]。

3 連排變動(dòng)的規(guī)律

Spyro乙烯裂解爐模擬軟件是自由基機(jī)理的一款化工軟件，是目前應(yīng)用較為廣泛的裂解爐優(yōu)化模擬軟件之一。主要應(yīng)用于裂解原料的性能評(píng)價(jià)、裂解深度優(yōu)化模擬，可以為主要產(chǎn)品如乙烯、丙烯、丁二烯等產(chǎn)品的收率、裝置綜合能耗以及物耗等提供數(shù)據(jù)支持。通過利用Spyro軟件搭建裂解爐模型，連排變動(dòng)對(duì)給水及SS的影響模擬數(shù)據(jù)見表1。

從表1數(shù)據(jù)分析，給水變動(dòng)量除以排污變動(dòng)量、SS變動(dòng)量除以排污變動(dòng)量的結(jié)果均為固定值。以連排變動(dòng)量為x軸，繪制排污變動(dòng)量與給水變動(dòng)量及SS變動(dòng)量之間的關(guān)系見圖2。

圖2 排污變動(dòng)量與給水變動(dòng)量及SS變動(dòng)量之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between discharge variability and feedwater variability and SS variability

表1 連排變動(dòng)對(duì)給水及SS的影響模擬數(shù)據(jù)Tab.1 Simulation data on the impact of continuous discharge changes on feedwater and SS

模擬發(fā)現(xiàn)，隨著連排增大，連排變動(dòng)量與SS變動(dòng)量、連排變動(dòng)量與給水變動(dòng)量呈直線關(guān)系，給水變動(dòng)量與SS變動(dòng)量呈反向變動(dòng)，兩條直線的斜率分別為0.581 6和-0.418 4。這兩個(gè)斜率的實(shí)際意義是：當(dāng)連排量增加為t值，待汽包給水及發(fā)汽系統(tǒng)穩(wěn)定后，鍋爐給水增加量為58.2%，SS量則會(huì)減少41.8%，反之亦然。這個(gè)生產(chǎn)規(guī)律計(jì)算公式為：

式中：ΔF為排污變動(dòng)量，t；ΔW為給水變動(dòng)量，t；ΔSS為超高壓蒸汽(SS)變動(dòng)量，t。

利用這個(gè)規(guī)律能很好地解釋由于汽包連排變動(dòng)帶來的一些生產(chǎn)現(xiàn)象。當(dāng)開大連排角閥時(shí)，單爐SS溫度會(huì)有明顯的增加，這是因?yàn)檫B排開大導(dǎo)致SS發(fā)汽量降低，在裂解爐負(fù)荷不變，風(fēng)門未調(diào)整的情況下，流經(jīng)對(duì)流段，經(jīng)煙氣過熱的SS會(huì)由于流量減少，導(dǎo)致溫度增加；當(dāng)減小連排時(shí)，SS發(fā)汽量會(huì)增加，在裂解爐負(fù)荷及風(fēng)門不變的情況下，SS經(jīng)裂解爐對(duì)流段過熱值會(huì)下降。所以，如果連排開的過大，會(huì)形成SS發(fā)汽量不足，SS溫度會(huì)出現(xiàn)短期上升的現(xiàn)象。在裝置高負(fù)荷運(yùn)行中，當(dāng)出現(xiàn)裂解氣壓縮機(jī)透平低壓抽汽閥全開，機(jī)頭SS壓力低，轉(zhuǎn)速無法提高時(shí)，說明SS蒸汽流量不足，就必須要檢查影響SS發(fā)汽量的各因素變化，其中汽包連排量應(yīng)該是一個(gè)很重要的檢查內(nèi)容。

4 連排變動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用

汽包連排變動(dòng)影響規(guī)律主要可用于在沒有足夠?qū)嶋H工藝數(shù)據(jù)的情況下，快速準(zhǔn)確的判斷汽包的排污率，從而優(yōu)化連排角閥，確保SS的蒸汽量及品質(zhì)。Linde Pyrocrack1-1型裂解爐的汽包設(shè)計(jì)允許汽包最大排污率為2%，由于SS線及連排線均沒有設(shè)計(jì)流量計(jì)，確定汽包實(shí)際排污率存在困難，可以利用連排變動(dòng)影響規(guī)律，在實(shí)際數(shù)據(jù)不足的的情況下，對(duì)汽包的排污率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)算。

2017年1月25號(hào)，由于裂解氣壓縮機(jī)透平動(dòng)力不足，需要檢查汽包實(shí)際排污率。將連排總線壓力閥PV82002臨時(shí)關(guān)閉，系統(tǒng)穩(wěn)定后，測(cè)得連排總閥（PV82002）關(guān)閉后的工藝參數(shù)變化見表2。

表2數(shù)據(jù)表明，關(guān)閉連排閥，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，SS發(fā)汽量明顯增加。利用物料衡算估算得到閥門關(guān)閉前，連續(xù)排污量為11 t/h（估算連排量等于鍋爐給水減少的量），估算汽包排污率為1.93%（低于2%）。

表2 連排總閥（PV82002）關(guān)閉后的工藝參數(shù)變化Tab.2 Changes of process parameters after closing the main valve of continuous discharge(PV82002)

傳統(tǒng)的估算方法，是通過短時(shí)關(guān)閉連排總閥，待系統(tǒng)重新穩(wěn)定平衡后，獲得汽包給水的變化量，并認(rèn)為此變化量即為總閥關(guān)閉前的連排量，忽略了操作變動(dòng)過程中SS汽化量下降對(duì)汽包給水的需求影響。

利用汽包連排變動(dòng)影響規(guī)律及表2中的數(shù)據(jù)對(duì)汽包排污率進(jìn)行重新計(jì)算，汽包實(shí)際排污率為3.44%，與估算排污率偏差很大，已超過了專利商的設(shè)計(jì)最大值。主要原因在于傳統(tǒng)估算法對(duì)連排量的估算出現(xiàn)了較大偏差[8]。

查閱連排總閥PV82002儀表計(jì)算書可對(duì)現(xiàn)有的排污量進(jìn)行驗(yàn)證：壓力控制閥計(jì)算書顯示該閥最小開度32%對(duì)應(yīng)汽包連排最小流量，正常開度46%對(duì)應(yīng)為設(shè)計(jì)正常流量，最大開度59%。實(shí)際工況下（裝置負(fù)荷相當(dāng)）閥開度已達(dá)到61%，說明汽包連排量應(yīng)該已超過了汽包連排總的設(shè)計(jì)排污量。2019年，裝置利用檢修之際，對(duì)8臺(tái)裂解爐汽包問題角閥均進(jìn)行了更換，通過對(duì)汽包角閥的節(jié)流，SS發(fā)汽量明顯上升，為裝置高負(fù)荷生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

裂解爐汽包連排變動(dòng)影響規(guī)律亦可用于對(duì)所有煉化企業(yè)一般性發(fā)汽設(shè)備在節(jié)能降耗及降本增效方面的研究做參考。

5 汽包排污率的經(jīng)濟(jì)性核算

以表2實(shí)際工況下的數(shù)據(jù)為例，通過節(jié)流汽包連排角閥，減小連排量，將排污率由3.44%降至2%，計(jì)算鍋爐給水（BFW）及SS發(fā)汽量的變化：

實(shí)際排污率3.44%時(shí)的數(shù)據(jù)：給水流量569 t/h，排污量18.9 t/h，SS發(fā)汽量550.1 t/h（由計(jì)算得到）。調(diào)整汽包角閥，排污率控制在2%，經(jīng)計(jì)算得到的鍋爐給水及SS量等相關(guān)數(shù)據(jù)，排污率下調(diào)后的工藝參數(shù)變化見表3。

表3 排污率下調(diào)后的工藝參數(shù)變化Tab.3 Changes of process parameters after reduction of discharge rate

從表3可以看出，將排污系數(shù)由3.44%降至設(shè)計(jì)值2%，裝置鍋爐給水節(jié)約4.6 t/h，SS發(fā)汽量增加了3.3 t/h。以裝置設(shè)計(jì)年運(yùn)行8 000 h計(jì)算，低壓除氧水9.2元/t（2017年），SS采用HS價(jià) 格88元/t（2017年）計(jì)算，除氧水節(jié)約3.68×104t/a；SS增量為27 520 t/a，裝置經(jīng)濟(jì)成本降低值約276萬元/a。

6 結(jié)論

利用汽包排污變動(dòng)規(guī)律做好裂解爐汽包連排的管控，對(duì)乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)性影響很大[9]。在優(yōu)化操作時(shí)，需要注意三個(gè)方面的問題：一是裂解爐汽包連排變動(dòng)規(guī)律中的系數(shù)是由裂解爐熱負(fù)荷、線性急冷換熱器、汽包等設(shè)備的幾何尺寸決定的，裝置一旦建成，這個(gè)系數(shù)就會(huì)固定下來，不同的裝置，該系數(shù)應(yīng)該略有不同，但是影響規(guī)律是相同的，需要利用Spyro軟件建立裂解爐模型，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確后，模擬汽包生產(chǎn)運(yùn)行，得到準(zhǔn)確系數(shù)值；二是在關(guān)閉連排總閥前后，應(yīng)保持裂解爐負(fù)荷穩(wěn)定，各汽包液位處于自動(dòng)控制狀態(tài)，保證調(diào)整前后汽包液位穩(wěn)定一致，才能取得有效真實(shí)數(shù)據(jù)；三是在進(jìn)行汽包連排優(yōu)化時(shí)，要關(guān)注汽包排污水及SS的品質(zhì)，尤其是其中的電導(dǎo)率的變化，避免因關(guān)小連排量，導(dǎo)致汽包腐蝕或SS品質(zhì)下降。

目前，利用化工軟件對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行模擬，了解化工單元的運(yùn)行規(guī)律，預(yù)判生產(chǎn)波動(dòng)方向以及對(duì)設(shè)定事故進(jìn)行應(yīng)急演練，對(duì)煉化企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)、安全及培訓(xùn)越來越重要[10]，工程技術(shù)人員掌握成熟的化工軟件，為優(yōu)化生產(chǎn)提供方向和數(shù)據(jù)支持，將有助于煉化企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展。