2.4　能量利用集約化

2.4.1　能量利用集約化目標和方法

石化企業在生產能源的同時，也在大量消耗能源。隨著節能技術的不斷成熟和工程設計的優化，石化企業能耗水平與傳統相比明顯下降，但油品質量不斷升級，需要增加額外的生產裝置、處理工藝和能源，必然增加石化企業能耗，在一定程度上減緩能耗數值的降低趨勢^［11］。

（1）目標^［12］

面對全新的節能減排形勢和石化企業能源消耗現狀，推進石化企業能量全局優化，無疑是解決當前石化企業節能降耗工作瓶頸的有效方法，可以進一步合理降低石化企業能源消耗水平，提高能量利用效率，為開展能量全局優化工作提供方法和技術支持。

熱集成是石化生產過程能量系統優化研究的重要組成部分。近年來，研究者對石化生產過程熱集成問題進行了較深入的研究，主要涉及工藝裝置或子系統集成優化、整廠分析、全局集成等，方法主要包括基于熱力學的分析方法和數學規劃方法，或二者的綜合運用。其中，夾點技術是以熱力學原理為基礎，以最小能耗為主要目標的換熱網絡綜合方法，是熱集成的基礎。目前，針對石化生產過程熱集成的研究已經取得了豐碩的成果，但如何將豐富的成果整合成為系統、易操作的熱集成方法和策略，用于指導石化生產過程工程設計、技術改進再設計等應用過程，值得深入分析。

基于夾點技術，在分析、整合工藝裝置物流熱輸出、熱輸入原則，凝煉熱集成物流溫度與熱量確定方法的基礎上，借鑒集約化管理理論知識，提出適用于工程設計、技術改進再設計過程的石化企業多裝置熱集成策略，給出相對清晰的多裝置熱集成實施步驟，并結合應用實例分析，驗證策略的實用性，為石化企業過程熱集成優化設計、生產提供理論和實證支持。

（2）方法

面對全新的節能減排形勢和產業發展現狀，要做好石化工程項目能量利用的集約化，需要從全局出發，做好能量優化的頂層設計，以能量深度集成優化為抓手，深入推進全流程綜合節能技術的應用，提升石化企業的節能水平^［3］。

如圖2-23所示，能量深度集成優化以全廠能耗為考核及優化目標，建立總流程規劃集約化平臺、工藝設計集成化平臺、能量集成設計平臺之間的相互關系。總加工流程的原料性質、產品分布直接影響全廠能耗水平；工藝裝置的流程模擬能具體到裝置級別、設備級別的能耗數據；能量集成設計平臺包括熱集成平臺、蒸汽動力優化模型、氫氣系統模型、水系統模型、物料輸送壓力能系統模型等，涵蓋了能源的制備、轉換、存儲、分配及輸送環節。

能量深度集成優化系統的具體措施是^［3］：

①以PIMS等線性規劃軟件為工具，建立節能與總加工流程模型之間的函數關系，實現同步優化和雙向提升。

②將原料性質、工藝流程、產品結構、質量要求、裝置參數等作為輸入條件，建立從全局到裝置再從裝置到單元的梯級系統能源規劃體系，實現不同層級的能量最優化利用。

③結合總平面布置綜合考慮水、電、蒸汽、風等公用工程及輔助設施的合理配置，實現系統的最優化配置。

④充分利用石化企業低溫、余壓資源“集成回收”，通過設置全廠性的利用系統，實現低階資源的“分布式利用”。

⑤梳理研究季節性溫差對燃動系統的影響規律，實施復雜工況燃動系統優化，降低波動。

2.4.2　能量利用集約化的過程實施

開展石化企業節能工作首先需要面對的問題是：石化企業能源消耗與哪些因素相關？一般認為，影響新建石化企業能源消耗水平的因素主要包括：原油性質、總加工工藝流程、產品結構和產品質量，對于已經投產運行的石化企業，還要關注裝置負荷率等影響因素。其中，工藝總加工流程不僅可以影響石化企業能源消耗，而且對石化企業的產品結構、產品質量也具有重要影響。石化企業總加工工藝流程是綜合權衡資源、能源、環境、效益等因素后，多目標協同優化確定的。因此，以降低石化企業能源消耗為目標的總加工工藝流程優化（裝置規模與裝置結構優化）是開展石化企業能量利用集約化的重要步驟。

石化企業原油性質、總加工工藝流程確定后，產品結構、產品質量、裝置負荷率等可以確定，石化企業的能源消耗結構和能源消耗水平也隨之確定。此時，石化企業能源消耗存在工程極限值，工程極限值主要受當前經濟技術條件約束。針對特定的石化企業能源消耗結構，可以合理規劃企業的能源配置系統；而明確的能源消耗工程極限值有助于合理制定節能目標，進而應用各種節能技術提高石化企業能量利用效率，進一步降低其能源消耗水平，使石化企業能源消耗趨近于工程極限值^［11］。

本書所闡述的石化工程項目能量利用集約化方法將石化企業能量利用工作劃分為能源規劃、能量集成、單元強化三個層次，如圖2-24所示。

2.4.2.1　對于全局能量實施能源規劃層次的集約化利用

無論是新建、改擴建，還是已經投產運行的石化企業，開展節能工作的首要步驟是優化調整石化企業總加工工藝流程。能源規劃的具體步驟有以下幾點。

①以石化企業原油性質與產品信息為基礎，以資源、能源、環境、效益等要素協同優化為目標，通過綜合權衡和多目標優化，確定石化企業總加工工藝流程。

②以總加工工藝流程為基礎，分析石化企業能源消耗結構，測算石化企業能源消耗工程極限值與燃料、電、蒸汽、水、氫氣的需求數據。

③對比分析能源消耗工程極限值與運行（設計）能源消耗值，制定節能目標，提供能源配置規劃建議。能源規劃建議主要涉及：燃料需求、熱工鍋爐設置、電力需求、蒸汽平衡、循環水場設置、制氫規模設置、氫氣管網設置、熱集成等方面。

④結合節能目標和能源規劃建議，將能源消耗指標分解至各石化生產裝置、公用工程與輔助系統，作為指導和約束能量集成與單元強化層次開展工作的指標。

2.4.2.2　對于裝置實施能量集成層次的集約化利用

能量集成主要完成石化生產裝置、公用工程、輔助系統的用能優化，是落實石化企業能源規劃的關鍵組成部分。圖2-25為石化企業能量全局優化策略示意圖，該策略提供了實施石化企業能量全局優化的邏輯關聯關系。

①進行工藝裝置的用能優化，包括反應、分離等核心過程工藝改進和參數優化。

②在此基礎上，一方面開展氫氣系統的優化，另一方面建立裝置間熱聯合和優化換熱網絡等。

③隨后開展罐區和輔助系統的用能優化，按照溫位匹配、梯級利用的原則，通過優質熱阱的挖掘與應用降低不必要的蒸汽或其他高品位能量的消耗，然后對全廠的低溫熱綜合回收利用，按照“長期、穩定、就近”利用的原則，結合全廠平面布置，設計合理的低溫熱系統，同時開展循環水系統的用能優化。

④優化蒸汽動力、燃料系統，包括蒸汽管網和凝結水系統等，結合全廠蒸汽需求、動力需求和燃料平衡狀況，對蒸汽動力與燃料系統提出優化的改造和運行策略。

2.4.2.3　對于元件實施單元強化層次的集約化利用

單元強化是實現石化企業能量全局優化的重要基礎條件，主要涉及關鍵耗能設備的強化、優化利用。通常石化企業關鍵耗能設備包括：工藝裝置反應設備；工藝裝置余熱與余壓回收系統設備設施；功率不低于10MW的加熱爐；軸功率不低于1000 kW的容積式壓縮機；軸功率不低于2000 kW的離心式壓縮機；軸功率不低于200 kW的機泵等。單元強化的主要實現方式是對單個過程、單元或設備開展節能專項技術改造或應用。

【案例2-3】　煉油廠能量集約化規劃和應用

（1）能源規劃

某煉油企業設計主要產品包括：液化氣、航煤、汽油、柴油、硫磺和聚丙烯等，產品質量執行國Ⅴ標準，總加工工藝流程見圖2-26，設計能耗數據見表2-5。

基于上述基礎數據，應用REMS系統進行測算，測算結果匯總于表2-6。

工程極限值為節能目標的確立奠定了基礎，設計燃料氣、電消耗量與測算工程極限燃料氣、電消耗量存在一定差值是導致設計能耗與工程極限能耗數值不同的主要原因。結合表2-5與表2-6的數據分析，提供能源與耗能工質的規劃建議：

①燃料氣與熱集成。適當強化熱集成，合理提升進入加熱爐、分餾塔工藝物流的換熱終溫，適當降低燃料氣、分餾塔熱源蒸汽消耗量。

②蒸汽優化。企業3.5MPa蒸汽與1.0MPa蒸汽過剩，0.4MPa蒸汽不足。根據蒸汽系統類型，建議3.5MPa、1.0MPa、0.4MPa蒸汽滿足工藝需求后，工藝過程發生的3.5MPa、1.0MPa蒸汽的熱量可適當調整為直接熱集成。

③電力使用。合理利用工藝余壓發電，適當以蒸汽為動力源驅動動設備，降低電消耗量。

（2）能量集成

根據企業能源消耗特點，采取如下能量集成措施。

①優選節能工藝、催化劑，合理降低反應苛刻度，從源頭降低工藝總用能。

②結合裝置布局，重點考慮原油蒸餾-渣油加氫-催化裂化裝置間的熱量集成，考慮加氫精制裝置間的熱量集成。

③按照“溫度對口、梯級利用”原則，優化蒸汽動力系統，避免蒸汽降質使用。

④結合裝置布局，設置局部、全廠性的低溫熱回收管網，全局回收、利用低溫熱資源。

⑤優化循環水系統，適當考慮循環水的梯級利用。

⑥理順裝置間工藝物流壓力等級，避免裝置間壓力的重復升、降，合理節約耗電量。

能量集成層次中，原油蒸餾-渣油加氫-催化裂化裝置間的熱集成與全廠低溫余熱資源利用是兩項關鍵節能措施。其中，原油蒸餾-渣油加氫-催化裂化等主要耗能裝置之間的熱聯合主要包括裝置內熱量集成、熱供/出料及其溫度優化，以及不同裝置物料間的直接換熱等。集約化改造思路如圖2-27所示。

熱集成實施后，初底油換熱終溫可達290℃，將290℃的原油與335℃左右的油漿換熱，原油溫度升至約310℃后返回進常壓爐，預計節約燃料氣1.5t/h，減產3.5MPa蒸汽約24t/h。

對于低溫熱資源，在設計工況的基礎上，全廠設置低溫余熱回收系統，回收80～120℃熱媒水，設置的兩個系統為：

①罐區維溫與管線伴熱低溫熱利用系統：回收低溫余熱供罐區維溫與管線伴熱，預計每小時回收低溫熱1.2MW。

②低溫熱發電系統：回收熱媒水約1000t/h，集中發電，熱電效率以6.0%計，預計每小時發電2.5MW。

（3）單元強化

單元強化措施如下：

①采用強化燃燒及煙氣余熱回收技術，合理提升工藝加熱爐熱效率。

②合理提升列入關鍵耗能設備的壓縮機效率。

③合理提升列入關鍵耗能設備的機泵效率等。

該煉油企業大型工藝加熱爐設計熱效率為91.0%，重整四合一爐熱效率為92.0%，結合燃燒強化技術與煙氣余熱回收技術應用，優化提升大型工藝加熱爐熱效率至93.0%，提升重整四合一爐熱效率為94.0%，預計節約燃料氣約1.0t/h。主要涉及的加熱爐如表2-7所示。

（4）節能效果

采用集約化的能量系統優化方法后，節能優化工作取得了突出成效：按照能源規劃、能量集成、單元強化建議，并結合關鍵節能措施實施，優化后設計能耗數據見表2-8。優化后，該企業設計煉油能耗及設計煉油單位因數能耗相對于優化前的設計數據降低約5.0%。