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石化过程系统能量、蒸汽系统优化技术优势

一、石化过程系统能量优化方法

经过多年研究和实践石化过程系统能量优化方法是蓝图工程(青岛)有限公司为打造设计院的核心竞争力,组织、整合了休斯顿美孚石油公司、清华大学、华南理工大学、中国石油大学等单位在该领域最强的教授、专家团队,历时两年的不懈努力,逐步建立了如下石化过程能量优化方法(简称五步法)。

石化过程能量优化方法

下面分步简要说明。
1、全厂总能规划
    在具体进行各装置和系统单元能量优化研究之前,结合全厂总流程、产品方案、原料情况、能源消费结构、近中期发展规划、总图布置及周边地区能源消耗情况,以总流程分析和线性规划为手段,进行全厂总能规划,以原则确定全厂最大效益生产流程方案和最佳能源消耗结构,为后续能量优化研究指明方向和重点。
2、装置间热联合和热供料
由于工艺不同,各装置热平衡是不同的。有的装置热量富余,有的装置却能量欠缺。如果仅局限于单套装置内部热集成,则必然导致热过剩装置能量利用效率低、冷却负荷大,而热欠缺装置却需大量消耗高能级公用工程。因此有必要打破装置局限,依据“运行同步、温位合适、负荷匹配、便于布置”的原则,实施装置间直接热联合,将热量盈余装置的热量直接送到相邻且同步运行的热量欠缺装置。研究方法是在全面考察各装置工艺特性、能量分布以及总图布置的基础上,制定出初步的联合方案,进而建立起联合装置的用能模型,实施系统求解,以确定最终的热联合方案,包括联合能量的数量、品质和深度等。
互供料关系在石化过程广泛存在。但由于各种原因以及过分追求安全底限等,传统工艺大多采用冷出料和冷进料,即上游装置的中间产品先在本装置换热、冷却,再经中间罐区,实施蒸汽加热和维温,然后通过中间泵输送到下游装置,或被换热或被工业炉进一步加热到规定的工艺温度。其过程不但重复换热和冷却,还消耗罐区加热蒸汽和泵功。因此,在一定的辅助工艺条件和安全措施保证下,在同步运行的装置间实施热出料/热进料是十分必要的,除了减少重复冷却,最主要的是用上游装置中间原料的中低温位能量代替下游装置的高能级加热负荷,实现能量升级利用。研究的重点是以中间物料直接供应温度为变量,通过上、下游装置总体优化,以确定优化的供料温度。
3、装置内部能量优化
     首先,上述第一、二步研究即全厂总能规划和装置间热联合、热出料完成后,装置能量优化的边界条件便已合理确定,已不再是孤立的装置优化,它的措施将与全厂总目标和相关装置协同一致。这十分重要,否则将顾此失彼,即某套装置能耗降低了,但其他装置或单元或系统的能耗却增加了。
      装置能量优化是全厂能量优化的基础,内容极其广泛,主要有物料效益优化(如提高收率,升级产品质量,避免重复加工,避免能量和原料高质低用,回收高价值组分如轻烃、氢气、蒸汽凝结水等),局部工艺或流程调整(如关停某工段、整合全厂同类工段等)、操作参数优化(如调整加热炉出口温度、塔压、吹汽量、分馏塔回流参数及回流取热分配等)、工艺物流换热流程优化(也包括蒸汽产、用流程优化)、低温余热采出流程优化等。为此,要建立各全厂各装置严格全流程模拟模型,在过程能量综合理论的指导下,运用先进、成熟的技术和设备,并结合装置的具体流程和设备及空间条件等,进行多方案技术经济对比,最终确定实际可行且与全厂总目标协同一致的优化方案。 
4、全厂低温热大系统利用
第3步装置能量优化完成后,装置内部工艺热的利用已经优化,换句话说热量已最大限度的为工艺所用,余热总量已达到最小,而且采集流程(主要是以热水为媒介的低温热采集流程)也已建立,故接下来应实施余热利用。
环境温度约束和过程热推动特征决定石化生产过程必将产生大量的低温余热,而且它们点多、面广、高度分散;同时,石化过程能消耗低温余热的热阱也离散分布,并且相当部分热阱的负荷还随环境温度变化,这就决定了余热回收和利用不可能“点对点”,必须“面对面”,必须在全面研究全厂低温余热和低温热阱特征的基础上(热阱还应包括工厂周边用户),提出实际有效的系统解决方案,特别是利用热水能长距离安全输送、比容较大、沸点较高的特征,建立起以热水为媒介的全厂低温余热回收和利用系统。从多年的实践来看,这类热水系统可能还不止一个,要分区域、分功能建立几个,它们相对独立,又互为补充,因此研究的重点是热水流程的拓扑结构、热水系统适应环境温度变化的柔性、子系统间的协同、和热水系统与余热回收装置间的操作协调等。
低温热利用是装置能量优化,自然是全厂大系统优化的落脚点之一,是装置能量优化的延续和保证,如果不实施或实施得不好,许多装置优化和系统优化的措施就成了“半拉子”,就无法落实,要高度重视。
5、全厂蒸汽动力系统优化
前面4项研究完成后,全厂蒸汽平衡无疑将发生深刻变化,因此蒸汽系统优化是工艺过程能量优化的客观要求。研究重点有三项。一)各工艺装置和单元的蒸汽产、用优化;二)全厂蒸汽管网优化;三)以热电厂为重点的蒸汽动力系统操作优化。第一项研究实际在装置内部能量优化研究中已经完成,它给出了全厂最小工艺蒸汽需求;第二项研究的主要内容是调整全厂蒸汽管网结构、改善蒸汽输送品质、以实现最小蒸汽输送损耗;第三项研究则是在“以热定电”的原则下,基于热电厂锅炉和透平的实际情况,确定其最佳正常运行方案和应急调整方案。另外,与蒸汽系统相关的新鲜水、除盐水、除氧水、凝结水系统的优化也应涵盖其中。

石化过程蒸汽系统优化方法

通过上述五步研究,全厂用能方面存在的问题以及解决方案就基本确定。
可见,该方法具有如下特征:
1)系统性。图中第一、第四和第五步属于全厂大系统优化,第二步属于包括几套装置的局部优化,只有第三步才是装置层面的优化。整个过程从全局到装置,又从装置回到全厂,因此所发现的问题和提出的改进措施是全面的和彼此协同的。
2)定量性。全过程无论是分析问题还是制定改进措施,均基于严格的全流程模拟计算,从而能满足实际工程需求。
3)集成性。一切合理和成熟的技术、工艺均可集成到本方法中。
总结上述技术的项目“过程工业能量系统综合优化及在石油化工行业表的工程应用”曾获广东省科技进步一等奖。
 二、装置能量优化方法
可以看出装置能量优化是系统优化的基础。经过多年实践,我们总结了如下装置能量优化方法。
 装置能量优化方法
下面分步简要说明。
1、了解装置基本情况。主要是通过查阅操作规程、相关设计文件/图纸和进行现场调研等,了解装置的总图及现场布置、主要设备型号等,为后续计算提供基础;
2、现场操作模拟拟合。由于测量手段有限,装置DCS和现场表所能给出的数据是极其有限的,其中有些数据可能还是错误的,因此不可能基于这些数据对现有工艺和操作进行正确的用能分析,自然也不可能提出适宜的改进措施。我们的方法是:
① 采用通用大型商用流程模拟软件如PRO/II、ASPEN PLUS、HTRI等建立装置全流程模拟模型;
② 实施模拟计算,并在计算过程中,不断调整热力学方法、设备效率、污垢热阻和可能的过程损耗等,尽量使计算结果与现场数据一致;如果一致,便认定计算参数仿真了实际操作,依此所发现的问题是真实的和定量的,接下来所提出的改进措施也是可靠的。
模拟拟合后,我们可以最大限度的获取数据。以换热器为例,可以得到其管内外雷诺数Rei、Reo;管内外传热膜系数αi、αo;管内外流体流速ui、uo;管内外流体流动压降△Pi、△Po;总传热系数K;对数平均温差LMTD;温差校正系数Ft;热负荷Q;换热面积A;过程效率k0等。显然,它们是现场表和DCS根本无法提供的,有了这些数据我们就可以较全面的了解换热器的用能情况。
模拟拟合过程十分关键,是正确分析问题和提出措施的基础,当然也是最耗时的。
3、总结装置用能方面存在的主要问题。由于第二步仿真使我们得到最丰富的定量数据,从而在科学用能理论指导下进行用能分析就成为可能。
4、制定能量优化方案。通常要依据难易程度、依据与其他装置和单元配合方便与否,依据现场实际情况(包括空间位置等),以及可能的停工检修周期和近中期规划等由浅到深、由简到繁的制定多个方案,交由甲方审查。
5、对方案进行技术经济分析,估算出每个方案的工程量、投资量及节能量和效益,并明确给出推荐方案。

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