乙烯裝置三元制冷系統影響因素及優化研究

楊忠梅，張 劍，馮丙坤，楚慶巖

(1.山東理工大學，山東 淄博 255400；2.中國石化齊魯分公司)

乙烯裝置傳統的制冷方式是采用乙烯、丙烯、甲烷等冷劑的單組分制冷。由于甲烷、乙烯的臨界溫度低于冷卻水溫度,所以需要采用復迭制冷。某乙烯裝置建成初期產能為0.3 Mt/a,第一期改擴建后產能為0.45 Mt/a,二期改擴建后產能為0.72 Mt/a。二期改擴建新增加一套世界首套(應用于煉化裝置)三元制冷系統及配套冷箱系統,該三元制冷系統是將甲烷、乙烯、丙烯3種冷劑按一定的比例混合(該乙烯裝置三元冷劑的設計摩爾組成為0.11%氫氣、8.99%甲烷、8.30%乙烯、82.60%丙烯)。在1臺制冷壓縮機中通過壓縮、水冷以及逐級冷卻后,形成重、中、輕3種不同級別的冷劑,這樣由1臺壓縮機就可完成3臺傳統壓縮機的工作,大大節省了現場空間,這在裝置改擴建、現場建設空間不足的情況下非常實用。

三元制冷技術較傳統的單組分復迭制冷技術有以下優點:①節省設備布置面積、降低投資。一套三元制冷系統可以提供傳統的丙烯制冷、乙烯制冷、甲烷制冷3套系統所能提供的冷劑,減少了設備數量,節省了占地空間,使設備投資有所降低,特別適用于裝置改造。②能量利用效率高。三元冷劑冷卻曲線是連續平滑的,而單組分冷劑冷卻曲線則是非連續、級躍式的[1]。

級躍式制冷由于只以一定級位冷劑向工藝流體供冷量,故平均傳熱溫差較大,傳熱系統的熵增較大,即能量的利用效率不高。而連續式制冷采用的是混合冷劑,其蒸發曲線與工藝流體的冷卻曲線十分接近,大大縮小了傳熱平均溫差,從而提高了冷量利用效率,降低了制冷壓縮機的功耗。正是基于三元制冷技術的優點,某企業將三元制冷系統引入乙烯裝置,替代了傳統的乙烯-丙烯復迭制冷系統[1-8]。

乙烯裝置三元制冷系統是與冷箱、脫甲烷塔深度集成的一個系統,當裂解氣負荷或組成發生變化時,整個三元制冷系統會發生較大的生產波動,裝置恢復到平穩運行的調整周期較長。技術人員一般會先參考設計數據來指導裝置的調整,但三元制冷系統工藝條件通常偏離設計工況較大,無法通過設計數據來準確指導裝置的操作調整。正常操作過程中,冷劑比例的分配和系統操作的穩定性對三元制冷系統來說非常重要,因此通過建立模型并開展優化分析,可以使三元制冷系統得到快速穩定的調整,為實際生產操作的優化提供理論指導[9-12]。

本研究采用AspenTech公司相關軟件開展流程模擬。其中,穩態模型涵蓋三元制冷系統的機組、冷箱系統和脫甲烷系統的全工藝流程,主要分析裂解氣負荷和組成變化對系統的影響,找出影響該系統穩定運行的關鍵參數,提出三元制冷系統、冷箱及脫甲烷塔的快速調整方法。動態模型包括三元制冷系統的部分冷箱和脫甲烷系統,主要考察脫甲烷塔塔頂冷凝器跨線流量對系統的影響,提出塔頂冷凝器的跨線調整思路。本研究不僅通過優化三元制冷系統的操作條件,挖掘裝置節能增效的潛力,而且考察上述系統生產過程中的瞬態操作問題,為實際操作指明調整方向。利用流程模擬穩態優化和動態優化相結合的技術手段來解決裝置運行瓶頸,調整優化思路、縮短調整周期、降低乙烯損失,并實現節能增效,對實際生產運行有一定的指導意義。

1 流程簡介

三元制冷壓縮機系統工藝側進料為乙烯裝置原料經過裂解、油洗、水洗、壓縮、干燥后的裂解氣,通過三元冷箱逐級深冷脫除氫氣和甲烷,再經過脫甲烷塔、乙烯精餾塔進一步分離[13-15]。裂解氣在本系統的壓力范圍為0～3.5 MPa,溫度范圍為-170～16 ℃(以最終產出氫氣產品為基準)。三元冷劑由甲烷、乙烯、丙烯及少量氫氣等混合物組成,分為重、中、輕3種,分別提供14.4,-50,-66,-79,-102,-136 ℃溫度級別的冷劑。三元冷劑在本系統的壓力范圍為0～3.1 MPa,溫度范圍為-143～15 ℃。系統流程示意見圖1。

圖1 三元制冷系統流程示意1—重冷劑罐; 2—中冷劑罐; 3—第一氣液分離罐; 4—第二氣液分離罐; 5—第三氣液分離罐; 6—甲烷/氫分離罐; 7—輕冷劑收集罐; 8—脫甲烷塔塔頂冷凝器; 9—脫甲烷塔

2 三元制冷系統多工況穩態優化

三元制冷系統的平穩操作受裂解氣量或組成的影響較大,且調整周期長,有必要通過建立模型并開展優化分析,以達到快速調整三元制冷系統操作的目的。

2.1 脫甲烷塔高負荷運行時的優化分析

保持脫甲烷塔塔頂冷凝負荷和塔釜熱負荷不變,通過模型計算脫甲烷塔進料負荷變化時脫甲烷塔塔頂溫度的變化,結果見圖2。從圖2可以看出,隨著進料負荷增加,脫甲烷塔塔頂溫度升高,會導致塔頂甲烷產品中乙烯含量升高,乙烯損失增加。

圖2 脫甲烷塔進料負荷變化對塔頂溫度的影響

調整模型的目的是為了保證脫甲烷塔塔頂溫度和產品質量。經過模型計算,發現可以通過提高三元冷劑冷量和調整脫甲烷塔冷熱負荷來實現,結果見表1。從表1可以看出,當裂解氣量增加時,適當提高三元冷劑總量,調整脫甲烷塔冷熱負荷,可保證裂解氣出冷箱溫度基本不變,進而滿足脫甲烷塔產品質量,但是乙烯損失隨之增加。

表1 脫甲烷塔負荷變化時的多工況計算結果

2.2 裂解氣組成變化時的優化分析

在乙烯裝置的生產運行過程中,裂解爐會被周期性地切出進行檢修,其中,乙烷爐的清焦和投用對裝置生產的穩定性影響較大,因為在該過程中裂解氣組成變化較大。本方案將通過高乙烷工況(乙烷爐投用)和低乙烷工況(乙烷爐清焦)考察裂解氣組成對裝置運行的影響。

2.2.1 操作分析

以脫甲烷塔產品質量合格(其中塔頂乙烯體積分數小于1.4%,塔釜甲烷體積分數小于600 μL/L)為前提,經模型分析,裂解氣組成發生變化時的調整與裂解氣進料跨線、壓縮機三段出口冷卻溫度以及冷劑組成密切相關。

模型調整過程中,發現如下規律:

(1)裂解氣進料走跨線量越大,裂解氣去后路冷箱的熱量就越多,因此,冷箱最后一級分離罐(第三氣液分離罐)的溫度就越高;反之,第三氣液分離罐溫度就越低。

(2)壓縮機三段出口冷卻溫度越低,則重冷劑罐中的重冷劑量就越多,第三氣液分離罐溫度就越高;反之,第三氣液分離罐溫度就越低。

(3)三元冷劑中甲烷含量越高,說明輕冷劑量越多,第三氣液分離罐溫度就越低;反之,三元冷劑中甲烷含量越低,說明輕冷劑量越少,第三氣液分離罐溫度就越高。

因此,在模型調整過程中,首先要穩定制冷壓縮機三段出口冷卻溫度,使輕、中、重冷劑量進行平穩分配;然后依據裂解氣組成中乙烷含量的不同,調整裂解氣進料走跨線的流量;最后,適當調整三元冷劑組成,或調整制冷壓縮機轉速,可以保證三元制冷系統在裂解氣組成變化后平穩運行。

2.2.2 優化分析

通過模擬優化,發現影響三元制冷系統冷劑配比的主要因素為壓縮機三段出口冷卻溫度,該溫度波動會直接影響下游重冷劑罐、中冷劑罐和輕冷劑罐的閃蒸情況,進而導致三元冷劑的配比需要重新調整。當乙烷爐清焦或投用時,裂解氣組成將發生較大變化,因此對三元制冷系統的影響較大。考察裂解氣組成變化和壓縮機三段出口冷卻溫度變化對系統的影響,結果見表2。

表2 裂解氣組成變化和壓縮機三段出口冷卻溫度變化時不同工況下系統主要運行參數

從表2可以看出,當制冷壓縮機三段出口冷劑溫度一定時,在保證脫甲烷塔塔頂產品質量和第三氣液分離罐溫度的前提下,從工況1至工況3,隨著裂解氣中乙烷含量的降低,重冷劑量應適當調低,同時增加中冷劑和輕冷劑用量,裂解氣進料走跨線的流量將會增加,壓縮機轉速上升,脫甲烷塔塔頂溫度出現下降。此外,對比工況1和工況4發現,裂解氣組成一定時,壓縮機出口溫度上升1 ℃,裂解氣走跨線的流量增量非常大,整個系統的熱量平衡被打破,將導致工藝調整的周期較長。這說明壓縮機三段出口冷卻溫度的重要性,其會嚴重影響三元制冷系統的冷量分配。因此,要嚴格控制三段出口冷卻溫度的穩定。

基于表2對三元制冷系統的調整思路,組合考察了裂解氣組成發生變化或者壓縮機三段出口冷卻溫度發生變化時的優化調整思路,目的在于確保脫甲烷塔塔頂乙烯損失不超標(塔頂乙烯體積分數小于1.4%)。具體的優化思路及運行數據見表3。其中:優化1,僅裂解氣組成發生變化,優化跨線流量、調整冷劑甲烷含量;優化2,僅裂解氣組成發生變化,優化跨線流量和壓縮機轉速以及調整冷劑甲烷含量;優化3,僅裂解氣組成發生變化,優化跨線流量與壓縮機轉速;優化4,裂解氣組成和壓縮機三段出口冷劑的冷卻溫度同時發生變化,優化跨線流量與壓縮機轉速。

表3 不同工況下的系統優化運行數據

三元制冷系統的裂解氣組成發生變化后,若不及時進行工藝調整,脫甲烷塔塔頂乙烯損失無法滿足控制指標要求。從表3可以看出,通過多種調整手段進行優化,在穩定制冷壓縮機三段出口冷卻溫度后,確定合理的裂解氣走跨線流量,三元制冷系統達到平穩運行的優化調整思路可以有多種,比如微調三元冷劑的配比或者壓縮機轉速能達到工藝參數的控制指標要求。通過合適的調整手段可以有效縮短調整時間,以達到降低乙烯損失和穩定生產的目的。

3 三元冷劑組成預測模型

三元制冷系統運行一段時間后,各種冷劑量會有不同程度的損耗,需要不定期進行補充,通過開發三元冷劑組成預測模型,設定重冷劑罐和中冷劑罐的溫度、壓力以及各種冷劑的流量,可以計算出三元冷劑的配比,為裝置的穩定操作提供數據支持。圖3為三元冷劑預測模型示意。

圖3 三元冷劑預測模型示意

指定操作條件如下:重冷劑罐進料量154 000 m3/h,重冷劑罐壓力2.87 MPa,中冷劑罐壓力2.75 MPa,中冷劑罐溫度17.5 ℃。

由于三元制冷壓縮機出口壓力相對穩定,在組成和壓力相對恒定的情況下,一定的溫度就對應著一定的冷凝量,通過溫度反映冷劑量是通用的方法。本研究只通過重冷劑罐溫度的變化反映三股冷劑量的變化,具體見表4。

表4 重冷劑罐溫度的變化對3股冷劑流量的影響

從表4可以看出,隨著重冷劑罐溫度的升高,重冷劑量逐步減少,中冷劑量和輕冷劑量逐漸增加。通過該預測模型,可以快速計算出3種冷劑的流量,在實際操作中可以確保各級冷劑能夠為用戶提供穩定且充足的冷量,為裝置補充冷劑提供數據支持,有助于生產過程的快速調整。

4 三元制冷系統溫控改造方案

脫甲烷塔負荷較大或者冷卻水換熱器能力不足會導致三元冷劑在制冷壓縮機三段出口冷卻溫度較高,進而打亂輕、中、重3種冷劑在閃蒸罐中的平衡分配,尤其是輕冷劑的冷量會明顯不足,導致脫甲烷塔塔頂溫度升高,塔頂乙烯損失較大,產品質量不合格。因此,考慮新增1臺換熱器,用于降低三元制冷壓縮機三段出口的冷卻溫度,并保持該溫度的穩定,解決因三元冷劑配比頻繁波動導致三元制冷系統穩定性較差的問題。

4.1 優化方案

圖4為脫甲烷塔塔釜物料流向示意,塔釜物料經冷箱降溫后降至-1 ℃,分為兩路,第一路直接作為脫乙烷塔上部進料,第二路換熱到6 ℃后進入脫乙烷塔下部作為下部進料。

圖4 脫甲烷塔塔釜物料流向示意

考慮將脫甲烷塔塔釜物料在經過裂解氣冷卻器換熱后,與壓縮機三段換熱器出口物料換熱,以穩定三元冷劑三段出口溫度,保證輕、中、重3種冷劑的分配平衡,減少系統波動,具體方案如圖5所示。

圖5 三元制冷壓縮機三段出口冷劑溫控改造方案示意

從圖5可以看出,在三元制冷壓縮機三段出口換熱器后新增一臺換熱器,將降溫后的三元冷劑(約35 ℃)引50%進入新增換熱器,控制三元冷劑三段出口溫度為33 ℃,而換熱后的裂解氣則升溫至約12 ℃后進入脫乙烷塔下部。

4.2 熱平衡

新增換熱器換熱后的脫乙烷塔下部進料熱量增加約985.9 kW。對脫乙烷塔冷熱負荷進行核算,結果見表5。從表5可以看出,冷凝器負荷增加124 kW,再沸器熱負荷減少876 kW。塔頂冷負荷由-23 ℃的丙烯冷劑提供,塔釜熱負荷由急冷水提供,通過提高塔頂冷劑用量和降低塔釜熱媒用量可以保證該塔的熱量平衡。

表5 脫乙烷塔冷熱負荷計算結果

脫乙烷塔的塔釜再沸器熱源為乙烯裝置自產的急冷水,多余的熱負荷最終將被冷卻水帶走。該換熱器冷卻水的設計負荷為10 078 t/h,若脫乙烷塔熱負荷減少876 kW,在循環水上水與回水溫差為3 ℃的前提下,需要增加冷卻水用量約250 t/h。該部分熱量消耗的冷卻水用量占比較小,對裝置的循環冷卻水系統影響不大。因此通過此優化調整,脫甲烷塔運行效果可以得到保障,塔頂的乙烯損失可以滿足控制指標要求。

5 脫甲烷塔塔頂冷凝器跨線流量動態分析

三元制冷系統中,輕冷劑為脫甲烷塔塔頂物料提供冷量,輕冷劑的制冷效果對脫甲烷塔的操作有著很大的影響。考察輕冷劑進入脫甲烷塔塔頂冷凝器跨線的流量范圍,找出合理的跨線流量,使得輕冷劑冷量得到最大化利用,進而提高脫甲烷塔的操作彈性。圖6為脫甲烷塔塔頂跨線示意。

圖6 脫甲烷塔塔頂跨線示意

5.1 動態模型分析

在動態模型中,逐漸關閉旁路閥門,隨著跨線流量的降低,雖然脫甲烷塔塔頂冷凝器的負荷保持恒定,但輕冷劑溫度會有所降低,相對應的輕冷劑所提供的冷量將會增大,原因在于主線閥門的節流制冷作用。

5.2 動態模擬優化1(主線閥后壓力下降)

逐步關閉脫甲烷塔塔頂冷凝器旁路閥門,使輕冷劑最終全部走主線,在主線調節閥開度恒定的情況下,關閉旁路閥使主線調節閥壓降增加,導致節流效果得到明顯改善,輕冷劑將能提供更多冷量,因此脫甲烷塔塔頂溫度下降更多;同時輕冷劑在三元冷箱閉式循環過程中,第三氣液分離罐溫度也會隨之降低,罐底冷劑的流量增加,形成良性循環。表6為動態模擬優化1過程的工藝參數變化。

表6 動態模擬優化1脫甲烷塔塔頂冷凝器輕冷劑旁路跨線流量分配計算結果

從表6可以看出,關閉小旁路閥門,脫甲烷塔塔頂溫度從-126.1 ℃降低至-130.4 ℃,第三氣液分離罐罐底流量從1.51 t/h增加至1.68 t/h。因此,適當關閉脫甲烷塔旁路閥門,在裂解氣量增加時,通過此措施可以有效提高脫甲烷塔的操作彈性,穩定冷箱的運行效果。

5.3 動態模擬優化2(主線閥后壓力不變)

參考動態模擬優化1,輕冷劑優化調整為以主線調節閥后壓力不變為基準(動態模擬優化2)。逐步關閉輕冷劑用戶旁路閥門,并逐漸開大主線調節閥、保持閥后壓力不變,發現節流效果并不理想。表7為動態模擬優化2過程的工藝參數變化。從表6和表7可以看出,在基本相同的旁路流量下,優化2的脫甲烷塔塔頂溫度高于優化1的脫甲烷塔塔頂溫度。

表7 動態模擬優化2脫甲烷塔塔頂冷凝器輕冷劑旁路跨線流量分配計算結果

從表7可以看出,若通過調整主線閥門開度控制其閥后壓力不變,則在逐步關閉旁路閥門的過程中,主線閥門開度會逐漸增加,第三氣液分離罐溫度和罐底流量變化均不明顯。說明主線閥門開度增加時,系統節流制冷效果并不明顯。

綜上分析,建議實際操作中控制主線閥門開度相對恒定,然后盡可能關小旁路閥門開度(從70%關至0),如此可使輕冷劑達到好的節流制冷效果,進一步提高脫甲烷塔的運行效果,以及更好地控制產品質量。同時,輕冷劑冷量的增加最終也使三元制冷系統形成良性循環,反過來也有利于操作的穩定。

6 結 論

(1)采用穩態模型分析了裂解氣量及其組成變化對三元制冷系統的影響,考察了在不同工況條件下提高三元制冷系統快速穩定操作的關鍵參數和優化方向,對降低脫甲烷塔塔頂乙烯損失和提高系統操作穩定性提出了優化建議。

(2)通過建立三元冷劑預測模型,考察了在壓力和組成一定的情況下,溫度對冷劑分配的影響,并將冷劑的用量進行量化,通過預測模型進而總結規律,有助于生產過程的快速調整。

(3)控制制冷壓縮機三段出口溫度盡量保持穩定,以提高整個三元制冷系統的操作穩定性,同時減少輕、中、重3種冷劑量的配比發生波動,進而保證脫甲烷塔塔頂溫度穩定,控制塔頂的乙烯損失。

(4)采用動態模型分析了脫甲烷塔塔頂冷凝器跨線流量與制冷效果的關系。優化結果表明,通過盡量關閉跨線流量并盡可能降低主線閥后壓力,可以明顯提升輕冷劑的制冷效果,進而提高脫甲烷塔的運行效果,同時可以更好地控制分離效果和產品質量。此措施同樣也使三元制冷系統形成良性循環,更利于裝置操作保持穩定。