常减压装置换热网络调整与操作优化研究

常减压装置换热网络调整与操作优化研究

张宝忠

中国石油化工股份有限公司天津分公司炼油部联合五车间 天津市 300270

摘要：常减压蒸馏是石油生产的首要工序，它是整个生产过程中最重要的一步，它所消耗的能源大约是整个炼厂的五分之一。这将直接关系到炼油企业的整体能源消耗。采用 AspenHYSYS对某企业常减压设备进行了模拟，采用夹点技术对其能量进行了分析，并对中间取热模式进行了调整，并对传热网络进行了优化。将传热温度提升至5℃以上；同时，根据整个工厂的生产工艺，对常压塔的进料过蒸发速率进行了优化，使加热器的负荷减少6.58%，从而达到了节能的目的。

关键词：常减压；换热网络；换热终温；夹点技术；优化改进

常减压设备利用蒸汽的蒸发将石油分解成各种馏份，用于整个生产过程。常减压设备因其产能庞大而成为整个炼油厂能源消耗的主要来源，在总能源消耗中占有15%~20%左右，其能源消耗的大小直接关系到整个炼油厂的整体能源消耗。近几年，由于换热网络优化设计、加热炉节能、高效换热器、设备间热直接供给等技术的不断发展和推广，使常减压装置的能源消耗大大减少，但在总能源消耗中仍然占有相当比例。企业必须重视并不断地针对工厂的实际情况进行改进。本论文主要研究了某石化公司润滑油原材料预处理设备（以下简称为常压设备）的传热终端温度，采用仿真最优的传热网络夹持技术，通过仿真和传热网络的技术，对设备的工作状态进行了综合评价。同时，根据工厂生产工艺的实际情况，对设备进行了优化和调整，提高了设备的能耗，为企业节约能源提供了有力的支持。

一、装置运行现状

（一）装置概况

一家公司于2018年8月投产的常减压设备，工艺流程示意图如下：该设备的生产能力2500,000 t.a-1，年投产时间8400小时，主要生产临盘油、直馏汽油、航煤馏分、柴油馏分、润滑油料、催化料等可供后续设备处理的原料。在此项目中，减三线、减四线、降渣是润滑油及油品的下游原料，可用于制造高质量的重型润滑油和粮油。该设备在初期的开发阶段，以窄点法为基础，对该系统进行了优化，使该系统的剩余热量得到最大程度地发挥。通过增加原油的传热端温度，将设计的原油传热端温度设定为315摄氏度，采用适当温度的流动产生0.3 MPa的汽液供给设备，以实现剩余的低温热，减少设备的能源消耗。

（二）存在的问题

本设备的总能耗为10.8 kgEO/t，从某些节点的设计温度可以看出，在常压炉的加热器中，在52.5摄氏度（即常压箱的出口和预热器的最终温降）中，在常压塔的入料板的温升为49.5摄氏度；降低压力塔的升温（即减压塔的出口和底部的温差）为21.8摄氏度，而在常压塔底部到减压塔的供料盘的温升为13.8摄氏度。本设备的预提工艺和常压柱的预提率分别为2.47%和67.1%，合计69.57%。在2018年，通过实地校准，单位生产的石油消耗达到了9.9 kgEO/t。通过对炼油过程中的实测结果分析，在炼油过程中，从炼油过程中的转化率达到了66.8摄氏度，高于标准规定的17.3摄氏度。由常压塔基到加料盘的原料温度为13.5摄氏度，低于原计划温度0.3摄氏度。另外，校准资料表明，在正常压力下，共抽出占56.65%，较原设计降低12.92个百分点。常减压设备的加热器负载与设备的能量消耗有很大的关系。在实际操作中，加热器的负载往往与加热器的流速和流经加热器后的温度有关。所以，对于常压设备，在进入常压箱之前，其最终温度会对其负载产生直接的作用。而在常压塔前排出速率对减压器的负载有很大的影响。通过对设备的各项设计参数和生产实践的比较，发现常压塔前抽提速率和常压炉前级换热器的最终温度均与设计值存在着较大的差异，因此必须从各个方面进行分析。同时，可依据实际情况对产品进行适当的抽油量调节，促进设备的节电。

二、换热终温影响因素分析与优化

（一）常压塔与减压塔中段取热对换热终温影响

利用 AspenHYSYS工艺仿真程序建立了这种常减压设备和传热网络的数学模型，并对其在设计和实际操作条件下的状态进行了仿真和仿真，并对其进行了计算。在生产实践中，塔中段的循环率比设计的要低，以达到供能要求。回热器的回程温度会下降，从而导致传热网络的取热温位下降。根据中段取热器的设计工作情况进行了仿真，结果表明，在实际操作过程中，采用了中间取热器的方法，可以达到304.7摄氏度。结果表明，此系统的传热最终温度降低1.3摄氏度，只有303.4摄氏度，而两种加热器的热负载分别为18322 kW，较原设计值提高1.6个百分点。

（二）换热网络对换热终温的影响

基于 AspenHYSYS建立的设备模型，基于已有的传热网络，采用 AspenEnergyAnalyzer对各个传热系统的参数进行了分析。设定了在特定的环境下，各个换热器的热量损耗和管壳体两侧的结垢热阻力，并给出了相应的传热网络。在10摄氏度的最大传热温度下，仿真结果表明，该传热网络的温度分布在139.6摄氏度。对现有的传热网络进行了研究，发现其问题有：一是温度较低处的减一线，常一中物料的交叉夹点传热，其换热器总量为4319 kW；二是在329摄氏度的基础上，由于在290摄氏度下，导致了传热系统中两个邻近的E133、E132的传热温位差；三是E132前端两个支管出口的温差大于24摄氏度，E129-E130-E131支管的取热量不充分，导致了高温和低温的混合；四是E122和E123之间的传热温度位置发生了偏差；五是E134的传热区域稍有不足。

经仿真计算，采用E133和E132两种输油管道，可使原油进入常压站的最终温度从304.7~305.5摄氏度。再者，将换热器E133置于E129-E130-E131支路后，与另外一条路进行传热，使其与另外一条路的导热管E132~E134进行换热，这时，两条岔道的出口的温差为1.5°，传热的最终温度可以提高到306.1摄氏度。通过调节E122和E123原油管线的前后次序，可以将闪蒸塔中的原料加热温度升高0.3摄氏度。将E134从3个增加到4个，最终的传热温度提高1.9摄氏度，达308.1摄氏度。

三、常压炉出口温度控制优化

通过对该装置的实际操作情况进行了检验，结果表明：在常压炉中，原油的出气温度为365摄氏度时，其进给速度为4.31%。从有关的文献中可以看出，蒸发器的过蒸发速率在2%-4%之间是比较合理的。在板数、塔顶压力和塔底吹气量等因素的影响下，提高过蒸发速率对提高产品质量和降低产品重叠程度是有益的。如果对产品的重叠程度不高，可以通过降低常压炉的出口温度来减少其过蒸发。在实际应用中，本公司的常压侧线都是下游的原材料，其蒸馏过程不需进行严密的监控。在不改变燃料结温和燃料结温条件下，催化剂负载充足，可以适当地减小过蒸发速率。通过模型计算，得出了减少常压炉的出口温度和过汽化率、常压炉+减压炉的总负载之间的相关性。采用标准的9.9 kgEO计算，该设备的能源消耗比为0.386 kgEO。

为了符合实际情况，采用该模型对同一常压式高炉的出口温度进行了仿真。结果表明，在1:1.1的配比下，临盘石油与 API原油的配比对原料的过度蒸发速率有明显的作用。计算结果表明，石油的过度蒸发速率随 API的增大而增大。综合以上结果表明：在常压塔中，入口温度是决定原料过气速率的重要因素，而 API含量对其作用不大。

四、结论

利用 Aspen仿真程序对某公司的常减压设备和传热网络进行了仿真，并根据设计参数对设备的不合理性进行了研究。通过调节传热网，使E133与E132、E122和E123之间的输油管道互调，在E133调节到E131以后并入到传热支路中。在运行时，应加大中段的换热器循环量，增大回流温度，以防止循环量低、回流温度低的运行方式。常压塔的进给过蒸发速率高，可以在实际操作中，满足下游的要求。在此基础上，合理地将炉膛出口的温度降至5~15摄氏度，同时对两侧馏分间进行合理的交迭，以减少加热器的负载。