某30萬t/a加氫裝置節能降耗探討

劉 超，趙保頌，劉雪軍，陳相寧

(中海瀝青股份有限公司，山東 濱州 256600)

1 加氫裝置節能降耗現狀

1)能耗特點

加氫裝置能量輸入多為系統升壓、維持系統用壓力所消耗的電能，燃氣消耗多為反應和分離再加熱的消耗；耗氫隨著催化劑活性損耗、原料組成性質變化而變化，反應熱隨著氫耗增加；反應產物與混氫原料等換熱、回收利用能量、分餾部分利用低溫熱水等等可降低綜合單耗[1]。

2)運行對能耗的影響

根據綜合單耗計算公式：分項使用量/加工總量*能源及耗能工質折算標油系數(以下簡稱能耗折算系數)，可知一套裝置的能耗與加工量、公用工程介質單類別能耗折算系數、使用量等。裝置自身使用量為消耗正值；發生或產生的數值為負值，可以抵消能源消耗；裝置發生的低溫熱水與回收的凝結水，同樣是一個節能工作的重點。季節性的能源消耗，如冬季防凍凝，一般在當年10月至次年2月。

2 能量特點模型的建立

2.1 裝置基本簡介

本裝置設計能力為30萬t/a，操作彈性60%～110%；加氫反應部分采用高壓一段加氫工藝技術；臨氫降凝和補充加氫精制反應在一個反應器內進行，采用冷高分流程；分餾部分采用汽提+分餾流程，各塔底熱源采用塔底再沸器；裝置于2020年3月一次性開車成功[2]。

反應部分主要由反應器、螺紋鎖緊環壓換熱器、反應進料加熱爐、高壓空冷等設備組成。混氫原料油依次經過混氫油、反應產物換熱器后，經反應加熱爐加熱升溫，進入反應器。反應產物與混氫原料油換熱后，進入分餾系統。

分餾部分主要由汽提塔、常壓塔、常壓側線塔、減壓塔、減壓側線塔上塔、減壓塔側線塔下塔，以及配套的冷換設備、機泵組成。低分油經過換熱，依次進入汽提塔、常壓塔、減壓塔和對應的側線塔，分餾出對應側線產品[3]。

本裝置設有獨立的導熱油系統，主要由導熱油爐、熱媒循環泵、油氣分離器、膨脹槽、儲油槽和6臺塔底重沸器組成。導熱油系統由PLC控制，對系統內的導熱油循環加熱，為各塔底重沸器加熱塔底油，是保證分餾系統正常運行的主要系統。

2.2 裝置基本能耗組成

本裝置所需能源主要有天然氣、1.0 MPa 低壓蒸汽、工業用電、除鹽水、除氧水、循環水、新水、低壓氮氣、中壓氮氣、非凈化風、凈化風、低溫熱水與伴熱熱水。其中，燃料氣主要來源于煉廠干氣和天然氣混合氣體。

2.3 裝置主要用能分析

加氫反應與分餾部分是整套工藝中耗能較高的部分，在產品生產中占有較大的比重。降低生產過程中的能耗是精餾節能技術的關鍵之一。

本裝置各分項用能為：

1)低壓蒸汽。用于服務點、消防蒸汽、水箱加溫、反沖洗、冬季防凍凝。

2)燃料氣。消耗部位主要有三處，一為反應加熱爐燃燒為加氫反應提供熱量；二為導熱油系統為分餾系統分離提供熱源；三為裝置原料罐分程控制氣封用氣(因裝原料罐壓力穩定，故此項目消耗較少)。在滿足泵入口壓頭的需求下，適當調低分程系統的設定壓力數值，可節約一定燃氣消耗?；鹁鏆饨涍^回收脫硫，作為煉廠干氣使用。

3)新鮮水。用于服務點、檢修沖洗用水、生活沖洗用水。

4)除氧水消耗。主要為裝置注水。

5)除鹽水。用于機封冷卻用水、壓縮機水箱補水、緩蝕劑配置用水。

6)非凈化風。用于服務點，無具體連接設備。

7)凈化風消耗。用于儀表調節閥、壓縮機正壓通風、PLC控制柜正壓通風、火焰監控系統保護氣、油霧潤滑系統使用消耗。

8)低壓氮氣。用于分程控制、壓縮機隔離氮氣、置換用氮氣。

9)中壓氮氣。用于事故用氮氣、置換用氮氣。

10)循環水消耗。為裝置機泵、冷換設備、取樣器提供冷卻。

11)低溫熱水。用于發生低溫熱水。

12)伴熱熱水消耗。用于裝置管線、儀表、設備伴熱。

13)凝結水消耗。用于蒸汽冷凝水，回收蒸汽伴熱與分水包疏水。

14)工業電消耗。電源由總變分為兩路高壓電，配送至裝置配電室。高壓柜供電主要用于反應進料泵、新氫壓縮機、循氫壓縮機等高壓設備的運轉，低壓電用于日常照明、普通機泵、儀表間中央空調、儀表運行等使用。

15)使用過程中的熱能，是能量損失中重要的部分。

2.4 裝置能耗計算方法

綜合單耗計算公式，使用了能耗折算系數。能耗折算系數參考了規范GB 30251-2013與本裝置工藝的說明書。本次計算所有能耗數據均采用表1中的數值。

表1 計算所有能耗數據

根據本裝置設計數據(表2)，裝置連續消耗主要集中在電、燃料氣、循環水、除氧水、凈化風、氮氣、凝結水、發生低溫熱水、使用低溫熱水。

表2 本裝置設計數據(設計加工量為35.71 t/h)

表3為裝置3年連續運行消耗的數據，并根據表1折算系數計算。為保證具有參考意義，數據中去除了設計數據表中未列出的非設計連續消耗，重新進行了整合計算。經過優化調整操作，裝置綜合單耗在裝置現有的85%負荷下，達到了預期的能耗目標。

表3 整理裝置3年連續運行消耗的數據

3 裝置節能分析

影響加氫裝置能耗的因素有：催化劑、工藝條件、原料組成、分餾-精餾裝置、裝置負荷等等。

本裝置原有的節能措施：

1)充分回收反應產物及各產品的熱量，降低反應進料加熱爐負荷；2)裝置各部分需冷卻的物料及產品盡量選用空氣冷卻器，以節省用水；3)常壓塔頂設置塔頂、中段、常一線外送、減三線設置低溫熱水換熱器，充分回收裝置低溫熱量；4)加熱爐設置余熱回收系統，回收煙氣余熱，提高加熱爐總效率；5)部分機泵設置有變頻，降低用電負荷；6)選擇新型保溫材料，減少熱損失；7)裝置伴熱采用低溫熱水伴熱，效果優于蒸汽伴熱，成本低于蒸汽伴熱，也可減少蒸汽溫度過高對各儀表造成的損傷。

經過一次停車消缺、一次大修，本裝置在原有節能措施的基礎上，新增了部分節能降耗的方法。本文以本裝置節能降耗方法為例，取部分代表性案例進行分析探討。

3.1 分餾系統優化調整

按照工藝流程，汽提塔底油經換熱器與變壓器油換熱，然后進入常壓塔。換熱器殼程原始設定溫度 230 ℃，制約換熱效率的同時，也影響常壓塔進料溫度。根據核算，設定溫度由 230 ℃ 改為 250 ℃。50 ℃ 的低分油依次與中段回流換熱器、減三線換熱器、變壓器油換熱器、反應產物換熱器等換熱升溫，然后進入汽提塔。由于汽提塔底油受換熱器殼程設計溫度的限制，汽提塔進料溫度控制指標為180±5 ℃，導致以上換熱器換熱效率較低。優化后，汽提塔進料溫度控制指標提高至200±5 ℃。具體對比數據如表4。

表4 汽提塔與常壓塔進料溫度對比表

優化后，裝置燃氣消耗明顯下降，導熱油循環量下降，熱媒循環泵電耗下降。由于汽提塔分離精度和分離效率提高，常壓塔、減壓塔塔內氣相負荷下降，各塔回流量下降，塔頂氣相組分明顯減少，減壓塔頂回流罐產生的回煉污油明顯降低，具體效果見表5。

表5 減壓塔頂污油產出量

原有設計減頂污油定期送回污油罐回煉(圖1)，重復回煉輕質污油會導致實際加工量降低，綜合能耗上升。根據對減頂回煉污油樣品的分析(表6)，確定指標符合與石腦油合并外送條件，合并外送對石腦油產品無影響。2022年新增一條減頂污油并入石腦油管線(圖2)，實現減頂油與石腦油的合并外送，避免減頂污油重復回煉造成能源的浪費，提高了石腦油產品的收率。

圖1 原有設計減頂污油定期送回污油罐回煉

圖2 2022年新增一條減頂污油并入石腦油管線

表6 減頂回煉污油樣品分析

3.2 低壓蒸汽線主線改造

根據表1可知，蒸汽是裝置綜合單耗計算系數中較大的部分，所以改造蒸汽主線，不僅可以提升蒸汽溫度，減少沿途蒸汽排凝浪費，降低蒸汽沿途損失，還能改善蒸管網的性能，提高裝置蒸汽系統的運行效率，減少管廊外部沿途冷凝水無法有效及時回收，提高環保效果，為裝置帶來更多的經濟效益。

因本裝置蒸汽主要為消防、服務點、臨時伴熱等使用，功能比較單一，對蒸汽的品質要求不高，但原有設計產生的沿途蒸汽損失較多。改造前，蒸汽管線從預留口通過4個龍門架，橫跨3套裝置，主管線設計尺寸DN200，設計壓力PN5.0，蒸汽由界區沿途熱量輸送損耗比較大，產生凝結水比較多。改造后，在檢修時在就近裝置界區進裝置前增設等徑三通，預留一接口，對本裝置原有蒸汽管線進行切割，在主管網對接，利用部分原有蒸汽管線。改造完成后，對停用蒸汽管線進行封堵，盲板隔離，管線內充氮氣保護。本次該改造減少蒸汽管線約 300 m，取消疏水器4臺，提高了蒸汽品質，減少了沿途凝結水排凝消耗，降低了班組人員巡檢的工作量。

3.3 反應系統降壓操作

裝置設計壓力 16.16 MPa，日常操作壓力 15 MPa；2021年平均加工負荷在84.27%，2012年平均加工負荷85.3%。根據開工至今的數據收集，對系統進行降壓操作，裝置由正常操作壓力 15 MPa 降壓至 10 MPa，其余指標不變。監測各產品指標，滿足中控監測需求，確保安全運行。對比數據截取2021年和2022年對應月份，如表7。

表7 2021年和2022年對應月份單耗與綜合單耗對比數據*

調整到位后，燃氣消耗由調整前的 17.90 m3/t 上升至 18.31 m3/t，因原料變化，無顯著降低；電消耗由調整前的 42.77 kWh/t 降至 39.07 kWh/t，調整期間，單日總電耗降低2400～2800 kWh；綜合單耗由 25.25 kg/t 降至 23.64 kg/t，已經達到預期目標。由此可驗證，電耗的主要損失是在系統升壓過程中。在保證產品質量的前提下，合理降低操作壓力，是節能的一種有效措施。

3.4 提高減壓塔底外送溫度

裝置之間物料輸送損失也較為嚴重。上下游裝置間采用熱進料/出料，既能降低上游裝置的冷卻負荷，又能提高下游裝置的進料溫度，在滿足上下游裝置安全的前提下，是實現節能降耗的重要途徑。

設計壓力PN5.0，設計溫度 80 ℃，日常操作 35 ℃。與下游裝置溝通，外送的產品還需要在罐區再次加熱，將變壓器油空冷切出，改走空冷跨線，外送溫度由 35 ℃ 提高至 55 ℃。本次調整操作在設計范圍內操作，本裝置關閉了外送空冷，提高了外送溫度，變壓器油外送空冷與去年同期對比，全月未開，空冷設計 34.92 kW，每天節電 838.08 kW·h。下游裝置免去了油品再次加熱所造成的電耗和蒸汽消耗，實現了兩套裝置在節能方向的共贏。

3.5 停用常一線側線泵。

原常一側線與常頂產出后的產品在裝置界區合并。停用側線泵后，關閉側線餾出閥，側線塔定期開泵外送。停用前后塔頂石腦油產品餾程合格。常一側線泵設計功率 12.1 kW，現在間歇使用，每天使用約 1 h，每天節電 278.3 kW·h。

3.6 導熱油系統優化調整

本裝置燃料消耗在全裝置綜合能耗占比約為60%。燃氣消耗中，反應爐占37%，導熱油爐占73%。通過優化分餾系統操作，能耗可下降1～3 kg/t，如表8。

表8 燃氣用量調整前后對比

調整導熱油各用戶用量(圖3)：常壓塔底再沸器導熱油入口閥由24%關至18%；常壓塔底油油溫下降，進料熱源減少，常壓塔底油溫由 256 ℃ 降至 252 ℃；石腦油終餾點在155～160 ℃ 之間正常波動，未影響石腦油產品質量。

圖3 調整導熱油各用戶用量

減壓塔底再沸器導熱油入口閥開度由30%關至25%，減壓塔塔底導熱油熱源減少。為降低熱源減少對減壓塔側線產品拔出的影響，將減壓塔中段流量由 27 t/h 降至 20 t/h，降低冷卻量；將減壓塔液位由65%降至55%，確保中段返塔溫度控制 160 ℃、側線餾出溫度控制 180 ℃、塔底溫控制 240 ℃，不影響減壓塔各產品質量。

減二線塔底再沸器調節閥開度由3%關至2%，降低導熱油使用量，同時也降低減二產品輕組分地拔出，使塔頂氣相負荷有所緩解。

因工藝調整，關閉常壓側線塔再沸器，常一線間歇外送，關閉的再沸器無導熱油消耗。

調整導熱油各用戶重沸器出入口總跨線：常壓塔底再沸器溫控跨線由2%降至1%，減壓塔底再沸器溫控跨線由2%降至1%。在保證溫控跨線正常運行的前提下，減少跨線流量，降低管線的熱損失。

經過以上調整，導熱油燃氣量較調整前降低 35.84 m3/h，每天節省 860.16 m3。在原料穩定，產品合格的基礎上，對各塔底重沸器負荷進行優化調整。在滿足塔底熱量的前提下，導熱油燃氣量的降低，減少了生產成本，降低了裝置生產單耗，達到降低燃氣消耗的目的。

4 未來節能計劃與可行性分析

1)使用熱成像技術，對裝置高溫管線進行拍照檢查，及時修復保溫，合理降低流程中的熱量損失，降低反應、分餾加熱爐燃氣消耗。根據目前熱成像設備的檢測，裝置導熱油系統，各容器外保溫披掛，現場的伴熱主線、分支等均存在不同程度熱量損耗。例如：導熱油系統循環加熱為各塔底提供熱源，沿途損耗也較為龐大，采用熱成像儀對保溫效果差的高溫部位進行修補填充，減少輸送過程中的能量損失。

2)注水介質由除氧水改除鹽水。本裝置反應注水的目的是為了洗滌胺鹽，防止銨鹽結晶析出堵塞高壓空冷、高壓寒熱器等，并可通過注水來維持高分界面穩定。注水水質要求：固化物質量分數≤25 μg/g、氯離子質量分數≤5 μg/g、氧質量分數≤50 μg/g、氨質量分數≤100 μg/g、硫化氫質量分數≤100 μg/g、ph值7～9，原有設計為除氧水，但除氧水成本較高。本裝置的除鹽水和凝結水都滿足以上需求，但凝結水每小時產量過低，無法直接用于注水。本裝置設有一條除鹽水管線，除鹽水主要用途為機泵機封沖洗、壓縮機水站補水、緩蝕劑配置。

除氧水進裝置 93 ℃，進入注水緩沖罐前需要經過冷卻器降溫至 50 ℃。改造后除鹽水進裝置溫度常溫，無需冷卻，可節省1臺除氧水冷卻器用水，每天可節約循環水 364.8 t，節能節水意義重大。用于機械密封沖洗的除鹽水，取樣觀察，水質潔凈，未改造前沖洗后直接排入循環水回收系統，回收機泵機封冷卻沖洗除鹽水可最大限度地提高裝置除鹽水的利用率，達到節能降耗的目的，節能測算見表9，綜合單耗節能效果明顯。

3)增設天然氣與中段餾出物換熱器，充分利用分餾系統的余熱來對天然氣進行預加熱，預計可將天然氣加熱至 80 ℃ 以上。在提高天然氣進爐前溫度的同時充分利用低溫熱，減少天然氣管線帶液。

5 結語

通過三年的運行，深挖裝置潛能，降低了工藝生產中的綜合能耗，減少了異常能量消耗，提高了能量轉換效率，初步實現了裝置間的熱聯合，為上下游裝置的聯合節能邁出了第一步。