原油儲運(yùn)節(jié)能優(yōu)化研究

1儲存系統(tǒng)能耗及用量分析原油倉儲主要包括原油、中間原油、中間產(chǎn)品、油、各種化學(xué)品、燃料和燃料的儲存和運(yùn)輸，以滿足原料接收、設(shè)備建設(shè)、成品外輸和事故處理的需要，確保公司安全穩(wěn)定。這是主要的輔助系統(tǒng)。儲運(yùn)能耗占煉油總能耗的2%~8%,節(jié)能潛力巨大。但在迄今的煉油節(jié)能努力中,多半局限于儲運(yùn)維溫伴熱利用低溫?zé)岬拇胧?較少從系統(tǒng)全局的高度,全面深入地研究儲運(yùn)本身的節(jié)能規(guī)律。圖1是一個典型的大型煉油企業(yè)儲運(yùn)系統(tǒng)耗能分布圖。將各罐區(qū)按溫位排序后,對應(yīng)能耗呈“兩頭多,中間少”的特點。與生產(chǎn)裝置相比,儲運(yùn)系統(tǒng)總體溫位較低,受季節(jié)、地理位置影響大,部分煉油廠冬季用量比夏季用量多1倍以上,北方煉油廠更明顯。從儲運(yùn)系統(tǒng)本身分析,用能主要集中在兩頭(高溫端100℃左右以及低溫端40℃左右),熱源還是1MPa蒸汽。油品儲運(yùn)是煉油企業(yè)原油采購—生產(chǎn)加工—產(chǎn)品銷售供應(yīng)鏈中的重要環(huán)節(jié),隨著煉油節(jié)能的不斷深入,以及裝置間熱出料、原油管輸化、成品油在線調(diào)合等技術(shù)的發(fā)展,原油、中間物流和成品油的儲運(yùn)需求都大大減少,儲運(yùn)工藝和用能策略也應(yīng)隨之改變。因此,有必要抓住新一輪煉油節(jié)能的機(jī)遇,在全局大系統(tǒng)能量優(yōu)化規(guī)劃中,以儲運(yùn)工藝自身優(yōu)化為基礎(chǔ),與全局能量優(yōu)化相結(jié)合,進(jìn)一步大幅度降低儲運(yùn)能耗,實現(xiàn)煉油企業(yè)全局能量優(yōu)化利用。2存在的問題和潛力近年來國際能源價格大幅波動,國家政策強(qiáng)制企業(yè)節(jié)能降耗,國內(nèi)新一輪的節(jié)能高潮已經(jīng)開始。隨著各種新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝的出現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,節(jié)能工作的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件已經(jīng)改變,具體到煉油企業(yè)儲運(yùn)系統(tǒng),呈現(xiàn)出以下特點:(1)隨著大批原油中轉(zhuǎn)站的投用,原油大部分由管線運(yùn)輸至廠區(qū),能夠按計劃到廠,原油穩(wěn)定供應(yīng)得以保障。且原油大多在中轉(zhuǎn)站脫水,到廠的原油含水量合格。(2)以裝置間熱出料為契機(jī)的全廠能量優(yōu)化,上游裝置產(chǎn)品不經(jīng)冷卻直接進(jìn)入下游裝置,使中間產(chǎn)品儲運(yùn)量大幅度減少。中間產(chǎn)品的儲運(yùn)功能改變?yōu)樘峁┻\(yùn)營儲備和平衡上下游裝置生產(chǎn)波動,因而可停用大部分中間罐。(3)在線調(diào)合系統(tǒng)節(jié)省了成品油調(diào)合倒罐操作,并可大大減少成品油組分罐的數(shù)量和容積。(4)國際原油價格大幅波動,油品存量占用流動資金和利息支出金額有越來越大的趨勢。(5)熱罐(進(jìn)罐溫度大于100℃的儲罐)儲存技術(shù)成熟,高溫物流的儲存安全得以保障。(6)廠區(qū)地塊面積越來越珍貴,節(jié)省大量儲罐占地,可給新擴(kuò)建裝置的緊湊、優(yōu)化布置創(chuàng)造條件。迄今為止,仍有部分煉油企業(yè)對儲運(yùn)節(jié)能重視不夠,對儲運(yùn)用能的規(guī)律和潛力很少進(jìn)行仔細(xì)分析;儲量、進(jìn)出罐溫度等工藝參數(shù),按照老的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件設(shè)置;操作人員已經(jīng)習(xí)慣了傳統(tǒng)的冷罐、盤管蒸汽維溫伴熱老工藝;企業(yè)按照傳統(tǒng)習(xí)慣和規(guī)范設(shè)定油品儲量,積壓大量流動資金;儲運(yùn)系統(tǒng)與裝置之間只有物流關(guān)系,沒有能流集成。這些都是現(xiàn)有儲運(yùn)系統(tǒng)的問題和節(jié)能潛力所在。上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的變化,給煉油企業(yè)儲運(yùn)系統(tǒng)用能優(yōu)化帶來巨大的機(jī)會,儲運(yùn)節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益越來越明顯。3儲存用能系統(tǒng)近年來煉油裝置日益大型化,生產(chǎn)周期越來越長,儀表、控制技術(shù)越來越先進(jìn),裝置平面布置更加緊湊,為熱出料創(chuàng)造了有利條件。熱出料可避免物流的重復(fù)冷卻和再加熱,減少兩個換熱網(wǎng)絡(luò)的兩次傳熱損,是煉油企業(yè)以全局系統(tǒng)綜合優(yōu)化為主,深入節(jié)能的重要切入點。儲運(yùn)系統(tǒng)是生產(chǎn)工藝的重要組成部分,儲運(yùn)用能與蒸汽動力系統(tǒng)和低溫?zé)嵯到y(tǒng)密切相關(guān)。煉油廠改造時,應(yīng)將儲運(yùn)系統(tǒng)作為重要的組成部分,納入節(jié)能規(guī)劃。按照過程用能的三環(huán)節(jié)理論,儲運(yùn)用能也存在利用、回收、轉(zhuǎn)換3個子系統(tǒng)。結(jié)合儲運(yùn)用能的特點,可凝煉出3個儲運(yùn)節(jié)能的基本原則:儲量最小化、儲存工藝參數(shù)最優(yōu)化(利用環(huán)節(jié))和選擇適宜的加熱方式(回收環(huán)節(jié))。儲運(yùn)的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)主要是通用的泵的節(jié)能技術(shù),這里不再贅述。3.1節(jié)省資源在保障生產(chǎn)的情況下盡可能減少儲量,不但可以減少大量罐內(nèi)維溫和管線伴熱的能耗,而且也為企業(yè)節(jié)省了儲運(yùn)設(shè)施投資、儲油占用流動資金需付出的利息,同時可節(jié)省大量儲罐占地,為新裝置、擴(kuò)建裝置的優(yōu)化布置創(chuàng)造條件。3.1.1部分自主采購權(quán)企業(yè)隨著大量原油中轉(zhuǎn)庫基地建成投用,主要依賴車船運(yùn)油改為主要依靠管道輸入,原油按計劃供應(yīng)和含水量均能得到保障,傳統(tǒng)的原油儲量規(guī)范(見表1)顯得偏于保守。除了擁有部分自主采購權(quán)的企業(yè)可利用國際原油市場價格波動低價存油之外,宜把原油儲量保持在防備管輸意外的最小限度。某500×104t/a級煉油企業(yè)為從ERP尋求效益,原油儲量已低至6×104t,其中5×104t是6個原油罐罐底死區(qū)不能利用的油,實際原油儲備1~2d。僅節(jié)省維溫蒸汽的效益就有155萬元/a,減少流動資金占用1.8億元/a,節(jié)約利息1260萬元/a,總經(jīng)濟(jì)效益1415萬元/a。能耗降低0.26kg標(biāo)油/t。若減少運(yùn)行罐數(shù),減少罐底死區(qū)存油,還有進(jìn)一步的節(jié)能潛力。3.1.2中間罐+熱罐以往供料流程是,上游裝置產(chǎn)品出裝置前先經(jīng)空冷、水冷降溫,然后進(jìn)中間罐維溫,在進(jìn)下游裝置前,要再加熱到工藝要求溫度,以至出現(xiàn)同一股物流溫度反復(fù)升降。而熱出料是將上游產(chǎn)品在較高溫位下直接供給下游裝置。正常操作時,只有很少部分上游產(chǎn)品經(jīng)過中間罐,用中間罐液位平衡兩個裝置加工量的波動。對于蠟油等較重油品,還可以把儲罐改為熱罐,使少量經(jīng)過中間罐的油品也不必經(jīng)冷卻器。只在非正常停工時需臨時儲存較大量的油品。這就大大減少了中間罐需要的罐容,全面節(jié)省泵送功耗、重油維溫?zé)嶝?fù)荷和輕油罐的呼吸損失。此外,中間儲罐一般都位于裝置附近的廠區(qū)中心,在新一輪以熱出料為契機(jī)的改造規(guī)劃中,如果能夠顯著減少中間罐的數(shù)量,空出極寶貴的用地,重新安排裝置布局,將更有利于熱出料和熱聯(lián)合方案的制訂。3.1.3分罐與分罐工藝的發(fā)展隨著原油的深度加工,重質(zhì)產(chǎn)品比例減少,汽柴油產(chǎn)率增加。質(zhì)量儀表和在線調(diào)合技術(shù)的進(jìn)步,使得越來越多的企業(yè)不再采用分罐儲各種半成品油、按調(diào)度要求倒罐操作的離線調(diào)合工藝。這不但節(jié)省功耗,也減少了半成品油罐和調(diào)合罐的數(shù)量以及油品占用流動資金的時間,經(jīng)濟(jì)效益顯著。3.2減少油罐存儲的壓力和效率儲存工藝參數(shù)優(yōu)化的原理和實質(zhì)可以表述為:合理提高進(jìn)罐油品溫度指標(biāo)ti,降低允許儲存溫度tS,同時優(yōu)化儲罐的保溫設(shè)施,使得在最小儲量對應(yīng)的最短必要儲存時間τ內(nèi),油品由進(jìn)罐ti降溫到tS所釋放出的顯熱cp(ti-tS),能夠平衡油罐在此期間的大部分散熱損失,使必須由外部補(bǔ)充的維溫?zé)嶝?fù)荷減到最小。3.2.1罐區(qū)的水壓降作用決定最短必要儲存時間τ的因素有:保障連續(xù)生產(chǎn)、原油脫水、上下游裝置銜接、外運(yùn)裝載要求等。通過前述儲量的優(yōu)化,各罐區(qū)儲量減少,因此儲存時間相應(yīng)減少,散熱降溫時間縮短、散熱損失減少,從而減少維溫?zé)嶝?fù)荷。管輸原油在中轉(zhuǎn)庫已脫水,含水率小于0.5%時,盡量不在罐區(qū)脫水,直接供入常減壓裝置,縮短原油罐內(nèi)停留時間,不使水沉降分層,或采用“活罐”邊進(jìn)邊出,避免電脫鹽跳閘。這在許多煉廠已經(jīng)有成功經(jīng)驗。3.2.2顯熱cp與儲罐熱耗的相關(guān)性允許儲存溫度tS影響油品黏度,從而與輸送泵的功耗呈負(fù)相關(guān)。但tS越高,能夠利用的油品顯熱cp(ti-tS)就越少,散熱推動力tS-t0(t0為環(huán)境溫度)越大,從而與儲罐的維溫?zé)岷恼嚓P(guān)。運(yùn)用數(shù)值計算法可得到使泵輸送功耗與年散熱損失費用之和最小的經(jīng)濟(jì)儲存溫度tSmin。3.2.3罐表面余熱損失的影響提高進(jìn)罐溫度ti,在儲存時間τ內(nèi),油品由進(jìn)罐溫度ti自然降溫到tS所釋放出的顯熱cp(ti-tS)就更多,就能夠平衡更多的通過罐表面的散熱損失,從而減少用于維溫的公用工程熱負(fù)荷,有時甚至可以不用維溫加熱。提高進(jìn)罐溫度ti還可降低油品出裝置的公用工程冷負(fù)荷。為了利用重質(zhì)油品出裝置的顯熱,可采用“熱罐”。熱罐的材質(zhì)耐溫要求高,罐底經(jīng)過耐溫處理,并設(shè)有必要的防護(hù)措施,避免掃線蒸汽進(jìn)罐,把水帶入罐中產(chǎn)生突沸,因此允許儲存溫度高于100℃。武漢石油化工廠僅油漿高溫儲存一項措施,年增效211萬元。3.2.4最優(yōu)厚度的確定保溫設(shè)施的優(yōu)化目標(biāo)是,與上述τ、ti和tS的優(yōu)化相協(xié)同,通過保溫材料品種優(yōu)選和厚度的優(yōu)化,達(dá)到保溫投資與散熱損失總費用之和為最小。引入價,建立投資費用與年散熱損失費用之和關(guān)于絕熱材料厚度的目標(biāo)函數(shù),求得使目標(biāo)函數(shù)取最小值的厚度,即為最優(yōu)厚度。特別是進(jìn)罐溫度ti高的重質(zhì)油品罐,罐內(nèi)溫度較高,應(yīng)選擇合適的保溫材料對罐壁和罐頂保溫,以減少散熱。3.3選擇合適的加熱類型3.3.1熱傳熱量q傳統(tǒng)的罐底蒸汽盤管加熱維溫設(shè)施,管外油品自然對流膜傳熱系數(shù)只有40~60W/(m2·K),依靠1MPa蒸汽(飽和溫度180℃)與油品之間的大傳熱溫差ΔT≥100℃來維持熱強(qiáng)度,是高能低用。但是簡單地用90℃左右的低溫?zé)崦剿娲羝麉s不行,因總傳熱溫差ΔT大幅度降低,傳熱量Q會成倍下降。不過在上述儲運(yùn)參數(shù)優(yōu)化的條件下,由于τ的縮短和油品攜入顯熱cp(ti-tS)的大幅度增加,維溫?zé)嶝?fù)荷也恰好成倍減少。這就有可能以熱媒水替代蒸汽,通過盤管維溫,實現(xiàn)能量的梯級利用。3.3.2管殼式換熱器在盤管傳熱面積不夠的情況下,可以采用提高傳熱系數(shù)的其他加熱方式來實現(xiàn)能量梯級利用。例如,在進(jìn)(出)罐油品管線上,采用高5~6倍的傳熱系數(shù)K=300W/(m2·K)以上的管殼式換熱器,便可以用80~90℃的熱媒水,在ΔT≈20℃下使油品升溫。并且管殼式換熱器在物料流量波動時,便于調(diào)整操作參數(shù)以適應(yīng)變化。3.3.3罐區(qū)主被動性差還可以在罐出口/泵入口設(shè)置抽吸式加熱器,只加熱抽出部分的油品,保證泵送油黏度要求。重質(zhì)油品,如瀝青,低溫黏度較大、流動性差,若在罐區(qū)儲存時維持高的tS,將耗費很多的維溫?zé)崮堋４藭r可采取平時維持較低的tS,只在需要外送時加熱的策略。為保證送油時達(dá)到黏度要求,可在罐內(nèi)底部靠近泵入口處增設(shè)抽吸式加熱器。它是類似管殼式的換熱器,但遠(yuǎn)端無封頭,熱流走管程,油品走殼程,以蒸汽或熱媒水作熱源。低溫油品從遠(yuǎn)端吸入,從近端出換熱器進(jìn)泵時已被加熱升溫,黏度達(dá)到要求,確保物料正常出罐。4儲存系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化,使其明確生產(chǎn)設(shè)備及設(shè)備在工藝裝置以熱出料為契機(jī),在全廠大系統(tǒng)范圍內(nèi)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的重新匹配,促進(jìn)裝置間的熱聯(lián)合,構(gòu)建全廠低溫?zé)嵯到y(tǒng)和蒸汽動力系統(tǒng),是煉油廠節(jié)能的新突破。作為最重要的輔助系統(tǒng),儲運(yùn)系統(tǒng)在確保工藝裝置能量綜合優(yōu)化的同時,自身優(yōu)化用能可以節(jié)省大量的罐容、維溫?zé)崃亢捅盟凸?并且降低了維溫?zé)嶝?fù)荷的品位,可為工藝裝置的低溫?zé)崽峁┐罅康?/p>