原油儲運節能優化研究

1儲存系統能耗及用量分析原油倉儲主要包括原油、中間原油、中間產品、油、各種化學品、燃料和燃料的儲存和運輸，以滿足原料接收、設備建設、成品外輸和事故處理的需要，確保公司安全穩定。這是主要的輔助系統。儲運能耗占煉油總能耗的2%~8%,節能潛力巨大。但在迄今的煉油節能努力中,多半局限于儲運維溫伴熱利用低溫熱的措施,較少從系統全局的高度,全面深入地研究儲運本身的節能規律。圖1是一個典型的大型煉油企業儲運系統耗能分布圖。將各罐區按溫位排序后,對應能耗呈“兩頭多,中間少”的特點。與生產裝置相比,儲運系統總體溫位較低,受季節、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。從儲運系統本身分析,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。油品儲運是煉油企業原油采購—生產加工—產品銷售供應鏈中的重要環節,隨著煉油節能的不斷深入,以及裝置間熱出料、原油管輸化、成品油在線調合等技術的發展,原油、中間物流和成品油的儲運需求都大大減少,儲運工藝和用能策略也應隨之改變。因此,有必要抓住新一輪煉油節能的機遇,在全局大系統能量優化規劃中,以儲運工藝自身優化為基礎,與全局能量優化相結合,進一步大幅度降低儲運能耗,實現煉油企業全局能量優化利用。2存在的問題和潛力近年來國際能源價格大幅波動,國家政策強制企業節能降耗,國內新一輪的節能高潮已經開始。隨著各種新技術、新設備、新工藝的出現和經濟發展,節能工作的技術經濟條件已經改變,具體到煉油企業儲運系統,呈現出以下特點:(1)隨著大批原油中轉站的投用,原油大部分由管線運輸至廠區,能夠按計劃到廠,原油穩定供應得以保障。且原油大多在中轉站脫水,到廠的原油含水量合格。(2)以裝置間熱出料為契機的全廠能量優化,上游裝置產品不經冷卻直接進入下游裝置,使中間產品儲運量大幅度減少。中間產品的儲運功能改變為提供運營儲備和平衡上下游裝置生產波動,因而可停用大部分中間罐。(3)在線調合系統節省了成品油調合倒罐操作,并可大大減少成品油組分罐的數量和容積。(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(進罐溫度大于100℃的儲罐)儲存技術成熟,高溫物流的儲存安全得以保障。(6)廠區地塊面積越來越珍貴,節省大量儲罐占地,可給新擴建裝置的緊湊、優化布置創造條件。迄今為止,仍有部分煉油企業對儲運節能重視不夠,對儲運用能的規律和潛力很少進行仔細分析;儲量、進出罐溫度等工藝參數,按照老的技術經濟條件設置;操作人員已經習慣了傳統的冷罐、盤管蒸汽維溫伴熱老工藝;企業按照傳統習慣和規范設定油品儲量,積壓大量流動資金;儲運系統與裝置之間只有物流關系,沒有能流集成。這些都是現有儲運系統的問題和節能潛力所在。上述技術經濟條件的變化,給煉油企業儲運系統用能優化帶來巨大的機會,儲運節能經濟效益越來越明顯。3儲存用能系統近年來煉油裝置日益大型化,生產周期越來越長,儀表、控制技術越來越先進,裝置平面布置更加緊湊,為熱出料創造了有利條件。熱出料可避免物流的重復冷卻和再加熱,減少兩個換熱網絡的兩次傳熱損,是煉油企業以全局系統綜合優化為主,深入節能的重要切入點。儲運系統是生產工藝的重要組成部分,儲運用能與蒸汽動力系統和低溫熱系統密切相關。煉油廠改造時,應將儲運系統作為重要的組成部分,納入節能規劃。按照過程用能的三環節理論,儲運用能也存在利用、回收、轉換3個子系統。結合儲運用能的特點,可凝煉出3個儲運節能的基本原則:儲量最小化、儲存工藝參數最優化(利用環節)和選擇適宜的加熱方式(回收環節)。儲運的能量轉換環節主要是通用的泵的節能技術,這里不再贅述。3.1節省資源在保障生產的情況下盡可能減少儲量,不但可以減少大量罐內維溫和管線伴熱的能耗,而且也為企業節省了儲運設施投資、儲油占用流動資金需付出的利息,同時可節省大量儲罐占地,為新裝置、擴建裝置的優化布置創造條件。3.1.1部分自主采購權企業隨著大量原油中轉庫基地建成投用,主要依賴車船運油改為主要依靠管道輸入,原油按計劃供應和含水量均能得到保障,傳統的原油儲量規范(見表1)顯得偏于保守。除了擁有部分自主采購權的企業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個原油罐罐底死區不能利用的油,實際原油儲備1~2d。僅節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,節約利息1260萬元/a,總經濟效益1415萬元/a。能耗降低0.26kg標油/t。若減少運行罐數,減少罐底死區存油,還有進一步的節能潛力。3.1.2中間罐+熱罐以往供料流程是,上游裝置產品出裝置前先經空冷、水冷降溫,然后進中間罐維溫,在進下游裝置前,要再加熱到工藝要求溫度,以至出現同一股物流溫度反復升降。而熱出料是將上游產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品經過中間罐,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,使少量經過中間罐的油品也不必經冷卻器。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,全面節省泵送功耗、重油維溫熱負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中心,在新一輪以熱出料為契機的改造規劃中,如果能夠顯著減少中間罐的數量,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合方案的制訂。3.1.3分罐與分罐工藝的發展隨著原油的深度加工,重質產品比例減少,汽柴油產率增加。質量儀表和在線調合技術的進步,使得越來越多的企業不再采用分罐儲各種半成品油、按調度要求倒罐操作的離線調合工藝。這不但節省功耗,也減少了半成品油罐和調合罐的數量以及油品占用流動資金的時間,經濟效益顯著。3.2減少油罐存儲的壓力和效率儲存工藝參數優化的原理和實質可以表述為:合理提高進罐油品溫度指標ti,降低允許儲存溫度tS,同時優化儲罐的保溫設施,使得在最小儲量對應的最短必要儲存時間τ內,油品由進罐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,使必須由外部補充的維溫熱負荷減到最小。3.2.1罐區的水壓降作用決定最短必要儲存時間τ的因素有:保障連續生產、原油脫水、上下游裝置銜接、外運裝載要求等。通過前述儲量的優化,各罐區儲量減少,因此儲存時間相應減少,散熱降溫時間縮短、散熱損失減少,從而減少維溫熱負荷。管輸原油在中轉庫已脫水,含水率小于0.5%時,盡量不在罐區脫水,直接供入常減壓裝置,縮短原油罐內停留時間,不使水沉降分層,或采用“活罐”邊進邊出,避免電脫鹽跳閘。這在許多煉廠已經有成功經驗。3.2.2顯熱cp與儲罐熱耗的相關性允許儲存溫度tS影響油品黏度,從而與輸送泵的功耗呈負相關。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為環境溫度)越大,從而與儲罐的維溫熱耗正相關。運用數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濟儲存溫度tSmin。3.2.3罐表面余熱損失的影響提高進罐溫度ti,在儲存時間τ內,油品由進罐溫度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荷,有時甚至可以不用維溫加熱。提高進罐溫度ti還可降低油品出裝置的公用工程冷負荷。為了利用重質油品出裝置的顯熱,可采用“熱罐”。熱罐的材質耐溫要求高,罐底經過耐溫處理,并設有必要的防護措施,避免掃線蒸汽進罐,把水帶入罐中產生突沸,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最優厚度的確定保溫設施的優化目標是,與上述τ、ti和tS的優化相協同,通過保溫材料品種優選和厚度的優化,達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于絕熱材料厚度的目標函數,求得使目標函數取最小值的厚度,即為最優厚度。特別是進罐溫度ti高的重質油品罐,罐內溫度較高,應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傳統的罐底蒸汽盤管加熱維溫設施,管外油品自然對流膜傳熱系數只有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℃來維持熱強度,是高能低用。但是簡單地用90℃左右的低溫熱媒水替代蒸汽卻不行,因總傳熱溫差ΔT大幅度降低,傳熱量Q會成倍下降。不過在上述儲運參數優化的條件下,由于τ的縮短和油品攜入顯熱cp(ti-tS)的大幅度增加,維溫熱負荷也恰好成倍減少。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的其他加熱方式來實現能量梯級利用。例如,在進(出)罐油品管線上,采用高5~6倍的傳熱系數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,便于調整操作參數以適應變化。3.3.3罐區主被動性差還可以在罐出口/泵入口設置抽吸式加熱器,只加熱抽出部分的油品,保證泵送油黏度要求。重質油品,如瀝青,低溫黏度較大、流動性差,若在罐區儲存時維持高的tS,將耗費很多的維溫熱能。此時可采取平時維持較低的tS,只在需要外送時加熱的策略。為保證送油時達到黏度要求,可在罐內底部靠近泵入口處增設抽吸式加熱器。它是類似管殼式的換熱器,但遠端無封頭,熱流走管程,油品走殼程,以蒸汽或熱媒水作熱源。低溫油品從遠端吸入,從近端出換熱器進泵時已被加熱升溫,黏度達到要求,確保物料正常出罐。4儲存系統節能優化,使其明確生產設備及設備在工藝裝置以熱出料為契機,在全廠大系統范圍內進行換熱網絡的重新匹配,促進裝置間的熱聯合,構建全廠低溫熱系統和蒸汽動力系統,是煉油廠節能的新突破。作為最重要的輔助系統,儲運系統在確保工藝裝置能量綜合優化的同時,自身優化用能可以節省大量的罐容、維溫熱量和泵送功耗,并且降低了維溫熱負荷的品位,可為工藝裝置的低溫熱提供大量的