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文档简介

炼化企业系统节能技术

华贲强化传热与过程节能教育部重点实验室华南理工大学天然气利用研究中心2007年4月25日.杭州节能技术与节能标准培训班讲座2/5/2023\[filename].ppt主要内容一、中国能源和油气资源的严峻形势

二、炼油企业资源和能源利用战略问题三、工艺装置热联合的节能原理和潜力四、炼油厂低温热利用的潜力和途径五、炼化企业蒸汽动力系统的优化运营和设计六、炼化企业资源和能源的协同优化

2/5/2023\[filename].ppt一、中国能源和油气资源的严峻形势

2/5/2023\[filename].ppt1、中国的能源形势严峻:

(1)、资源紧缺,不敷需要我国能源资源人均拥有量只有世界平均水平的一半Comparisonofenergyresourcespercapita7%50%2/5/202331、中国能源形势严峻:

(2)、能源利用效率低下能源利用效率33.4%(世均43%,发达国52-55%)占工业能耗73%的8个行业33种产品单位能耗平均比世界先进水平高47%(比先进水平多耗用能2.3亿吨标煤/年)建筑物单位面积能耗比发达国家高2-3倍。交通能耗比发达国家低20%以上。2/5/20234中国与世界先进水平单位产品能耗之比050100150200炼钢乙烯建材发达国家中国100173.9150148.81001002/5/202351、中国能源形势严峻:

(3)、能源环境问题突出以煤为主的一次能源结构造成了严重的环境污染。

酸雨率全国40%、广东70%,343个城市中仅1/3达二级空气质量标准;世界污染严重的20城市中国占16个SO2排放量的90%,NOx排放量的60%都来自于燃煤。全国SO2排放总量超过环境承载能力的70%左右。生态破坏造成的经济损失已占GDP的8%。

已严重威胁经济和社会的可持续发展!2/5/202361、中国能源形势严峻:

(3)、能源环境问题突出

单位:百万吨*百万吨CO2当量温室气体二氧化碳甲烷*氧化亚氮*沙尘黑碳二氧化硫中国30519595388001.1919.95世界总量231726340357030006.63105中国位次211111(引自孙鸿烈院士报告2004年9月北京,中国科技论坛)2/5/20237

1、中国能源形势严峻:

(3)、能源环境问题突出UnitedStatesChinaProjected(Millionmetrictonscarbon)Source:LBNL2/5/20238中国与世界一次能源消费结构比较(2004年)(美国数据为2001年)1、中国能源形势严峻:

(3)、能源环境问题突出2/5/20239

1、中国能源形势严峻:

(4)、资源对外依存度增长过快2006:47%2/5/202310中国能源形势2004

1980年以来能源消耗年增长4.6%,是世界增长率3倍。2001年能源消费1.25万亿元,占GDP的13.5%,美国7%GDP为世界4%,能源消费19.7亿吨标煤,占世界11%。钢铁、煤炭、水泥年消费占世界的25%、30%和50%电力装机4.4亿kW,世界第二。14%/年增。仍缺0.3亿kW事关国家战略安全,经济社会可持续发展!2/5/202311中国能源2005--2006

总能耗煤原油天然气水电核电200522.221.43.05004010520200624.623.73.25364167534单位亿吨标煤亿吨亿吨亿m3亿kWh亿kWh增长%9.39.67.119.952.4万元GDP能耗1.21tec,降低1.23%,未完成降4%的任务。

2/5/202312能源低效消耗燃煤为主依赖外界环境生态破坏环境污染资源耗竭经济着重GDP结构失衡

粗放性经济:高能耗、高消耗、高污染、低效率无以为继不可持续2/5/2023\[filename].ppt能源能源结构利用效率环境生态循环生存条件经济社会发展产业结构

平衡、协调科学发展观,可持续发展,新型工业化道路,循环经济2/5/2023\[filename].ppt2、中国的能源战略节能优先,效率为本;(科学用能)煤为基础,多元发展;(油、气、再生能源)立足国内,开拓海外;(经济全球化)统筹城乡,合理布局;(城市化40%--70%)依靠科技,创新体制;(高科技、体制创新)保护环境,保障安全.(改善生态,战略安全)2/5/202315二、中国炼油企业资源和能源利用战略问题2/5/2023\[filename].ppt中国炼油企业资源和能源的严峻形势中国炼油企业能源和资源形势

2006年我国原油消耗已超过3亿吨,对外依存度达47%2020年我国原油需求估计(低方案)4.5亿吨/年自产1.8亿吨/年(高估2亿吨/年),缺口2.5--2.7亿吨/年

2004年,石化工业耗能2.5亿吨,占全国总能耗16%。包括加工能耗和资源消耗的节油节能任重道远!

终端产品:1、交通燃料

2、化工产品

3、炼油、石化工业自用燃料和其他工业燃料2/5/202317中国炼油企业资源和能源的严峻形势中国炼油企业高效利用能源的历史责任(1)美国能源部报告:美国工业第一耗能大户是炼油厂,要求炼油厂进一步提高能源利用效率:大联合装置能量集成优化利用;热电联供;加强节能控制;用新型和强化换热器、基本消灭污垢;大型设备节能等。目标:炼油能耗降低10%,高耗能装置降低20%,原油利用率接近100%(2)国家十一五节能规划要求:工业热电联产节能:1100万kW,节能2200万吨标煤/年能量系统优化技术运用:降低能耗10—15%;单位GDP能耗降低20%;

炼油工业单位能耗降低20%;2/5/202318中国炼油企业资源和能源利用策略1、优化调整能耗结构:■在能量优化前提下,最高效、最洁净地利用氢转移加工过程中形成的焦炭,使其有与天然气和煤相同的使用价值可能性:FCC焦碳燃烧特殊工艺,CFB炉……■其它的“一、二次”加工产物(包括炼厂气、油浆、渣油)都尽可能最经济地转化为车用燃料和化学品■改变一切自给自足观点,在所在地区规划能量大系统联合优化:汽、电、热与邻近企业联合(包括买入和售出);■发挥炼油厂热电比的优势,高效利用便宜的煤和天然气2/5/202319天然气在中国一次能源格局中的地位基本思路

国家能源结构调整,大力发展天然气的战略不可动摇这是环境状况和可持续发展的要求天然气在能源构成中的比例增加,是必定的今后的世界能源格局下,天然气总比石油价格低天然气的下游市场在替代石油及其产品的项目(大城市内的燃气锅炉、城市燃气、LPG、车用汽柴油)用天然气直接替代煤的项目在中国经济性较差

2/5/202320”油气化一体化”

:深圳某LNG生态化工园区LNG接受站LNG气化冷能利用天然气DES/CCHP能源站分离轻烃裂解制乙烯合成装置合成装置合成装置化工厂精细化工厂精细化工厂化工厂化工厂冷公用工程汽、电冷原油或加工产品

2/5/202321某生态化工园区DES/CCHP规划

----”油气化一体化”之例以天然气为主要原料和能源,兼用石油或加工产品120万吨/年乙烯为龙头的化工园区约300MW燃气轮机—蒸汽轮机冷热电联产系统高、中、低压蒸汽,热水,冷水管网集中供应能源利用效率高,环境友好,生产成本降低2/5/2023222、氢元素的平衡优化:能源与资源协调优化炼油加工实质是氢转移过程焦碳的生成是碳富集和氢转移过程的必然结果加氢工艺是生产发动机燃料的必由之路煤高效、洁净转化制氢是中国的优化选择之一天然气与石油加工的集成优化(油气化一体化)2/5/202323一些国家1998年底的加氢能力

2/5/202324中国能源资源形势决定炼油厂能源结构的大趋势必须认识到,炼油加工是氢元素重组过程。除非有大量外来氢源,要获得含氢更多的轻质产品,必定同时产生含碳更多的副产品。焦碳是在现有技术下高含碳副产的一种选择。应当力求产生含氢尽量少的焦炭。把焦炭作为炼油过程的一次能源,同炼厂气和渣油一样地高效利用,应当是一种合理的选择。2/5/2023253、扩大装置规模和建设联合装置改变新、扩建炼厂规划指导思想,深化前期工作在具备一定对市场适应性前提下,加深装置热联合降低工艺总用能、提高回收率、减少供入能

集中布置和先进控制技术为此奠定了基础,实例:

美国蒸馏—加氢裂化联合装置日本减压蒸馏---润滑油联合装置,FCC与焦化联合装置2/5/202326装置名称 1990年,加工能力,万t/a 1999年,加工能力,万t/a原油蒸馏 美国加里维尔炼厂1275 美国贝汤炼厂1250

沙特腊斯塔努拉炼厂1250

西班牙索莫罗斯罗特1200

日本出光兴产千叶厂1050 美国贝汤炼厂 新加坡裕廊炼厂1000 减压蒸馏能力 600FCC 蜡油 美国贝汤炼厂 600 美国贝汤炼厂600

美国林登炼厂560 美国林登炼厂600 FCC 渣油 美国科帕克里斯蒂炼厂325印尼巴隆炼厂425

韩国蔚山炼厂345

印尼巴隆炼厂425

世界大型炼油装置举例(引自李志强)2/5/202327世界大型炼油装置举例装置名称 加工能力,万t/a 1999年,加工能力,万t/a连续再生催化重整美国马尔卡斯湾炼厂230

美国Citgo石油公司 科珀斯克里斯蒂炼厂223

美国Koch炼制公司科珀斯克里斯蒂炼厂215延迟焦化 美国帕斯卡戈拉炼厂310

美国泛美公司路易斯安那炼厂412

印度Reliance公司炼厂1998建成)450

委内瑞拉Sincor公司(设计中)7702/5/202328世界大型炼油装置举例装置名称

1999年,加工能力,万t/a加氢裂化 科威特舍巴炼厂306

加拿大阿尔伯塔(设计中,沸腾床)440加氢精制 美国贝汤炼厂335 加氢脱硫,蜡油 美国贝汤炼厂500 RDS 美国帕斯卡戈拉炼厂480 VRDS 日本室兰炼厂125

韩国蔚山炼厂192烷基化 美国阿莫科公司 美国阿莫科公司 德克萨斯城炼厂 105 德克萨斯城炼厂150

2/5/2023294、热电联产和能量综合优化技术应用能量转换设施大型化,新技术成熟,天然气的到来为热电联产创造条件(GTCC,IGCC、CFB…..)

燃气轮机与大型加热炉联合煤气化—联产动力系统;天然气的优化利用低温热在装置与公用工程系统间的集成优化利用某些外国公司:装置用能,公用工程供能---观点的片面性

2/5/202330中国大型工业分布式冷热电联供的潜力炼油和石油化学工业是天然气最大的工业燃料市场.中国炼油量近期3--4亿吨/年,沿海和油气田附近的炼油厂用天然气部分替代目前烧掉的重油和炼厂气中可用的乙烷、乙烯和制氢原料,约需1500--2000万吨/年天然气;并可使能源效率大大提高(天然气是极好的燃气轮机燃料)!2/5/2023315、中国炼油企业一次能源构成的优化决策中国炼油企业能源构成的演变80年代前,副产渣油和外部供电为主要一次能源60年代的典型配置:3台120t/h中压锅炉,2×12MW抽凝机组,背压机组带压缩机。部分炼厂还有1.3MPa低压锅炉。二次加工装置快速发展,炼厂气和焦碳在能耗构成中的比例大大增加。但不少还是用中压锅炉烧部分渣油来发电产蒸汽,总的能源的转换效率提高不大渣油能卖3700元/吨的时候,还烧吗?2/5/202332中国炼油企业能源构成的演变同期国外炼厂能源构成趋于清洁化、转换技术长足进展。国外许多炼油厂以天然气作为一次能源并采用高效的燃气轮机与锅炉或加热炉热电联产技术。燃机效率大幅度提高,一次发电效率已达33%-45%,总佣效率可以达到70%!中国炼油厂未能采用,一个原因是管理体制和机制问题,另一个是天然气资源没有开发。2002年中国一次能源构成中煤占62%,天然气只占2.7%。中国沿海部分炼油厂采用这项技术的时机已经到来!2/5/202333■在能量优化前提下,最高效、最洁净地利用氢转移加工过程中形成的焦炭,使其有与天然气和煤相同的使用价值■炼厂气、油浆、渣油等一、二次加工产物尽可能最经济地转化为车用燃料和化学品■与所在地区规划能量大系统联合优化,汽、电、热与邻近企业联合(包括买入和售出);■发挥炼油厂热电比的优势,高效利用便宜的煤和天然气.

考虑制氢原料

优化调整炼油厂一次能源结构2/5/202334炼油企业能源构成的超结构模型和计算机辅助决策系统2/5/202335三、工艺装置热联合的原理和节能潜力2/5/2023362/5/2023372/5/202338上、下游装置热出料参数和热集成方案的优化辅助平台从装置内部完全换热网络匹配到完全t-延续安排;多产品、多原料组合条件下的边界匹配;装置内换热网络匹配优先原则指导下的“松弛”;建立数学模型和求解的可能性探索;离散可行方案情况下的方案制订和评价比较。2/5/202339某炼厂的上、下游装置的T-H图2/5/202340某炼油厂上、下游装置ε-Q分析图2/5/202341提高热出料温度后两个HEN优化重组

方向和效益的选择装置内部换热网络重新匹配:减少发生低压蒸汽,进一步优化传热温差,达到同样的热回收效果:余出的下游装置高温热流用于热联合,节省加热炉燃料,或发高压蒸汽;或用于大系统低温热利用;进一步降低能耗;进一步节省换热器投资;

2/5/202342渣油与原油换热网络3个出料温度选择:164C,220C,252C渣油2/5/202343加深热联合的改进某1000万吨/年大型炼油厂主要工艺装置集中布置、集中控制蒸馏装置产品热出料到下游:

重整、催化裂化、加氢裂化、延迟焦化催化裂化、加氢裂化部分工艺物流余热同初底油换热2/5/202344减二减三换热流程(与加氢处理进料的关系)此二换热器用于脱前换热120℃左右,可用其他热源取代减二减三A常减压加氢处理缓冲罐(哈尔滨SEI设计62℃)2/5/2023\[filename].ppt加氢处理装置换热流程362C自分馏塔来减二减三进料预热进缓冲罐分馏塔进料预热进缓冲罐A置换出来279--170℃热流,何用?2/5/202346四、炼油厂低温热回收利用潜力和途径2/5/202347I、大量的低温热是因能量匹配不合理而产生1、扩建或新建装置项目审批时间长,设计时间短,“来不及”考虑与原有装置和系统的能量集成优化;2、委托设计的炼油厂对问题和后果的严重性缺乏认识3、设计院任务重、时间紧;两方面因素导致脱离全厂能量优化目标,孤立考虑设计范围内的用能。4、结果:多用燃料、电、蒸汽、水,较多低温热排放2/5/2023\[filename].ppt这就造成每上一个新装置,增加一批公用工程,低温热也增加一笔的现象。

如果新建装置能与原有装置和系统能量集成匹配,那么很多新增高温热源便可以不用,许多排弃的低温热也便可以在原有装置中匹配利用了.大量的低温热是因能量匹配不合理而产生2/5/2023\[filename].ppt1、对“低温热资源”认识的片面性

调查现有冷却器负荷,取某个温度为界限,列出“现有低温热资源一览表”。按此考虑和制定利用计划。问题(点评):“现有低温热资源”不是确定的。其中很大一部分将随能量系统优化而消失,即作为有效利用工艺热流而回收利用。II、当前炼油厂低温热利用现状和问题2/5/2023\[filename].ppt

2、“低温热利用”对策:分散、随机随机选用某个“低温热源”,随机决定低温热阱。没有系统全局考虑,没有年度规划,没有技术经济核算,好比“拉郎配”,“乱点鸳鸯”。实例:许多炼厂有7、8个低温热换系统,每个系统1-2个热源,3-4个热阱

。物流温位高低不等。问题:分散、随机的匹配,很难做到合理,更不用说优化。

2/5/2023\[filename].ppt3、低温热降质利用例1、催化主分馏塔一中回流(170℃),用于加热60℃热媒水例2、催化顶循(150—90℃

)加热70℃采暖热水例3、100℃热媒水用于60℃再沸器供热

例4、100℃回收凝结水与10℃新鲜水混合问题:高热低用,必然导致低热无用。某厂利用低温热仅占可用量1/3。2/5/2023\[filename].ppt佣耗是过程进行的推动力1、认识过程用能的本质和原理2/5/2023534、热媒水系统耗功费热多系统、多网络造成水量大,泵功耗高;热媒水温降小,回水温度高;取不出工艺物流的低温热,往往需要补充蒸汽加热。问题:这是分散随机的必然结果。最低温的热阱得不到充分利用,难以降低回水温度。2/5/2023545、对变化条件适应性差

低温热阱需求随季节变化很大,同一季节负荷随气象变化大。系统缺乏柔性调节手段和策略考虑,用热多时蒸汽补充加热---回水温度升高---取热减少---用汽增加;形成恶性循环。(越低温越取不出低温热)。问题:热媒水系统水量----温降优化柔性设计和可调节特性是系统优化的关键之一。用好低温热阱可以构成自适应的低温热回收系统。2/5/202355哈尔滨石化目前低温热利用状况:

1200t/h热媒水,61---74℃

多路并联取热,塔顶,顶循,一中多路并联供热,

热量不足,蒸汽补,

冷不下来加大冷却水。

实际利用不到1/3。

2/5/202356图1典型的当前低温热利用系统图2/5/202357当前低温热利用系统的佣分析图2/5/2023581、不理解科学用能的原理(1)、科学用能的要义:温度对口、梯级利用(2)、能量的品位和质量概念(3)、能量利用的本质:用其品质,而非用其数量(4)、能量的降质是最大的损失2、缺乏技术经济优化的观念和手段温差---佣损耗---能量降质---回收率换热设备---传热系数---投资单台换热器的优化HEN优化III、问题的根源和深层次的理论缺失2/5/202359同样4GJ/h的热量的不同质量在360-320ºC时:(Ex)t=2.121GJ/h;ε=0.530在130-90ºC时(Ex)t=0.992GJ/h;ε=0.2481、认识过程用能的本质和原理2/5/202360热佣的图示:由(Ex)t=∫Qdε作图:360-320ºC2/5/202361佣耗是过程进行的推动力1、认识过程用能的本质和原理2/5/202362佣耗是过程进行的推动力1、认识过程用能的本质和原理2/5/202363FCC主分馏塔热利用佣分析图2/5/202364分馏塔:回流比~板数优化

换热网络:传热温差~换热面积优化

油品管线:泵功耗~管线及保温设施投资费用OOdOeOminRoptRmin回流比R

局部最优化:二维参数求极小值2/5/202365管径和保温厚度的优化设计

5内径,mm100费用元/年米50150200020406041231—管线保温费用;2—管线费用;3—散热佣损费用;4—摩擦损失费用;5—总费用某热油品输送年费用与管径的关系的佣经济优化曲线2/5/2023663、缺乏系统工程观念和技术手段1、大系统优化匹配,相应的工程、技术问题2、

换热网络优化合成技术3、低温热子系统与全局(装置、辅助系统、全厂)4、相应的软件(模拟、优化)2/5/2023671单元过程和设备的优化和强化设备的能量综合优化---换热器的优化选型软件界面2/5/202368局部子系统的能量综合优化2/5/202369局部子系统的能量综合优化---HEN的图形匹配界面2/5/202370IV、炼油厂低温热利用系统优化技术简介2/5/2023712、充分利用好低温热源和变化的低温热阱热阱:原水、干燥空气、空调新风、采暖水、低温油

夏季:25—30

冬季:低于10℃、-10--20℃、(50-70℃)热源

工艺物流产品冷却~100℃---60-40℃

凝汽透平低温冷凝潜热~40--70℃负荷:相差2—3倍2/5/2023723、全面利用炼厂低温热的系统技术以脱氧软水为循环热媒体:通过改变流量和温差,调节取(携)热量关键:冬季与低温热阱充分换热,降低回水温度理想的回水温度:夏季:60-90℃⊿T30℃

冬季:30-90℃⊿T60℃

冬季增加的低温热阱需要更低温热源愈低回水温度,愈多取工艺热2/5/2023733、自适应的低温热利用系统流程图缓冲罐(密闭)补水泵1补水加热器回水冷却器泵2装置(热源)热阱2/5/2023744、设计关键:两个换热网络与CSW系统协调各装置工艺余热用于加热循环软水(CSW)热源网络工艺余热温度:60-100℃,180℃,230℃(烟气)

CSW温度:30-90℃,140℃,204℃CSW与低温热阱间的换热网络----热阱网络按温位高低,流程顺畅,串联--梯级利用换热网络优化设计的关键:

1、变化条件的适应性和可调性

2、与循环软水网络参数的迭代协调

2/5/202375设计关键:循环热媒水管网优化设计主干管网流速和管径(变流量考虑)热源/热阱侧串/并联安排

温度对口,梯级利用,避免差温混合冬、夏不同工况时系统的适应性柔性优化设计:变化条件的可调性

2/5/2023765、操作调节:

两个换热网络之间的集成模拟和协调优化调节手段:蒸汽补加热器回水冷却器流量调节控制参数控制策略(用变化流量调节回水温度)各种变工况的应对策略演练计算机辅助的可视化优化操作模拟系统2/5/202377用例:林源炼油厂FCCII低温热利用系统2/5/202378用例:大庆炼化低温热利用系统变化热阱:罐区维温伴热(冬多夏少)厂房采暖(冬有夏无)干燥空气预热(冬-30℃夏+30℃)流程安排策略:按温位串联实际运行:冬季回水30-40℃投资5千万元,约3年回节约燃料油2-3t/h及蒸汽2/5/202379用例:XX炼化低温热利用系统不停工改进,2007

改串联,温度对口,梯级利用热源、热阱两个网络优化(大部分只能改管线)关键:如何提高换热器的能力?目标:扩大1.5倍----3400万大卡/时能耗降低5个单位十一五改造目标(2010):低温热+热出料为契机的热联合,15单位2/5/202380XX石化2007年低温热梯级利用系统流程图(部分)2/5/202381XX石化2007年低温热梯级利用系统佣分析图

2/5/202382当前低温热利用系统的佣分析图2/5/2023834)储运节能三原则:原则一:储量最小化(原油、中间罐、成品罐)1、热联合创造条件砍掉大部分中间罐;留运营储备,正常缓冲。2、原油最小储量——省流动资金,免维温3、在线调和节省成品油调和倒罐2/5/202384原则二:储运参数最优化-----最小维热温负荷:(1)必要储存时间;(2)适当提高进罐温度t1;(3)最低容许储存温度t2;(4)合理的良好保温1、例1:大庆原油哈尔滨管输末站,46℃,冷滤点33℃,冬季散热温降1℃。10天之内无须维温加热。2、黄岛油管输末站25--26℃,冷滤点0℃,临盘油末站45-℃,冷滤点35℃;400万吨/年厂耗汽10t/h多3、运行策略:死罐与活罐4、抚顺外输柴油的故事。条件:温度监控,操作规定。

2/5/202385原则三:选择适宜的加热方式1、盘管—改热媒水(一厂例)2、进罐管线上:热媒水/管壳式HE

(兰州例)3、出罐口、泵入口:抽吸式加热器(蒸汽或热媒水)储运节能潜力巨大1、降低工艺总用能2、回收大量低温热(很好的热阱)3、节省泵功耗2/5/2023862、与蒸汽动力系统密切配合:1)、低温热利用降低蒸汽用量需求,改变系统格局

关键:反复调整系统方案,考虑冬夏不同,密切配合2)、蒸汽生产过程两段(原水、除盐水予热)是难得热阱

注意:热负荷随汽量和季节条件变化(特别是原水温)3)、锅炉烟气低温段用于提高热媒水终温

注意:控制露点腐蚀,系统优化匹配2/5/202387

3、按照热阱负荷变化分开为两个系统1)高温----低温两类工艺装置之间的热联合系统特点:热负荷、温度参数均较稳定,控制要求高2)用于储运、维温伴热、采暖的变负荷系统热负荷及温度均随季节变化较大,控制要求不高3)蒸汽动力系统用的低温热阱,可以置于两者中的任何一个系统依据情况而定。2/5/202388五、炼化企业蒸汽动力系统的优化运营和设计2/5/202389运行营销(“供应链管理”)运行汽电需求变化、设备开停及负荷调整、离线优化营销外部能源采购、外输销售、贮存

优化策略集成的ERP定常生产(“管控一体化”)控制DCS、APC

监控仿真

故障诊断

安全环保管理成本核算、人事、设备质量、

安全、环保

集成信息系统再生产(“生命周期”)设计扩产

设备更新热电联产

能量集成决策市场预测分析

投资效益评估需求变化预测集成的设计硬件技术系统软件技术系统蒸汽动力系统集成建模2/5/2023901)、分散的多用户、多产汽点,多燃料来源,多压力等级2)、多工况变化(季节、加工量、生产方案、市场价格)3)、保证工艺系统需求,对能耗、加工费有较大影响蒸汽动力系统的综合优化

(1)石化企业蒸汽动力系统的特点2/5/202391炼油厂蒸汽动力存在的问题和潜力:1)、锅炉、汽轮机容量小、参数低且陈旧;2)、配合全厂扩产而陆续增建,缺乏全面规划3)、按照固定工况设计,不能适应在变化工况下保持功热联产效率要求表现:夏季低压蒸汽放空冬季中压蒸汽减温减压潜力:目前我国炼油厂节能潜力的1/3以上2/5/2023922/5/202393蒸汽的生产和利用系统与工艺装置的集成和优化

余热大量发汽并入管网,看起来合理,但隐含着问题一个从280℃降温到250℃工艺物流的温度,只能发生1.1Mpa级的饱和蒸汽,相当于起了一台低压锅炉的作用。如果用来做临近某工艺装置分馏塔220℃到250℃之间的再沸器供热热源,那么节省下来的原来用于再沸炉的燃料,当然不会去烧低压锅炉,而会通过燃气轮机先发电再生产高压蒸汽,并逐级背压作功、供热。能源利用效率大大提高!2/5/202394柔性的蒸汽动力系统目前系统按照给定的工况设计的。然而市场要求生产方案调整,导致装置的负荷率和开工率改变,相应地会改变汽、电需求。缺乏柔性的系统为了满足汽、电量的需求,往往不得不牺牲能质的效率(1)蒸汽的减温减压----能量并没有损失,但品质降低,即损失了本来可以在背压透平中获得的功;(2)低压蒸汽放空。柔性设计的系统则可以通过设置抽汽—凝汽机组、不同能源的备用机组等多种应变手段使得在满足汽、电量的需求的同时,仍最大限度地保持高的佣效率。2/5/202395蒸汽动力系统优化运行软件SPSOpti2005年由SCUT开发自动建模集模拟、核算、优化于一体采用面向对象技术统一建模语言进行建模,C#环境软件集成思想(pp,gams)2/5/2023961、图形界面及数据显示功能模块2/5/202397蒸汽动力系统优化运行软件功能系统运行状态监测和模拟分析系统的设备、管道及仪表的故障诊断适应蒸汽动力需求变化的优化运行计划系统运行的优化调度满足工艺装置改扩建蒸汽需求变化的蒸汽动力系统改造优化设计2/5/202398蒸汽动力系统优化运营软件SPSOpti界面2/5/202399某工况下优化结果对比运行锅炉负荷t/h运行汽轮机进汽量t/h发电量kW减温器进汽t/h总费用¥/h当前运行5#901#62380017153276#922#643900次优解运行余量50t/h1#551#90578410146903#162#4225835#110最优解1#511#90578410129295#1302#423444当前方案中两台锅炉均在非经济负荷附近运行,费用最高.次优方案考虑了50t/h的调节余量,费用较高,但柔性较大;最优方案使锅炉产汽和汽轮机进汽分配最优,减温减压器进汽量减少,降低了费用。

2/5/2023100应用于某千万吨/年炼油厂蒸汽动力系统设计方案结果与原方案的经济性对比

改进要点:1、充分热电联产,2、提高系统柔性

原方案SCUT方案燃料量(t/h)11.97711.976发电量(kW)62804100473总费用(万$/a)7619.16849.4增加投资843万$,回收期:769.7/(3223-2380)=0.913年

2/5/2023101SCUT方案22/5/2023102

六、炼化企业能源和资源的协同优化2/5/2023103中国炼油企业能源和资源的协同优化产品和环境保护的约束对炼油厂的影响(1)大气污染日趋严重,使得政府对油品质量提出了新的要求:汽油要在2006年达到欧洲3号的标准;作为北京2008年承办奥运会还要达到欧洲4号的标准。要求进一步提高加氢装置的比例,从而提高氢气的生产能力,并导致能源构成中催化焦炭和催化干气的比例降低。2/5/20231046、中国炼油企业能源和资源的协同优化(2)为了改善环境质量,我国能源结构调整重要内容之一大力发展天然气,2020年达到全国消耗能源的10%-12%,即2.5亿吨油当量左右;其中一半以上是依靠国产,其余依靠进口,包括陆上的管道进口和海上液化天然气(LNG)。沿海8个LNG接收站都在计划、建设中。对于占我国炼油加工比例很大的、多在大城市附近的沿海炼油厂来说,如何通过高效利用天然气来提高能源利用效率,又是一个重大的挑战。

2/5/20231056、中国炼油企业能源和资源的协同优化(3)中国油气资源十分珍贵。一切可以比煤和天然气更容易转化为发动机燃料和化工原料的炼油加工中间中间产物,例如渣油和轻烃,都不该烧。(正在投资的煤液化项目已达2000亿元!)炼油厂可以高效地燃用煤、焦、天然气。(4)这种资源和能源在企业内部和企业与外部社会间的优化配置是现代节约型、循环型的经济所要求的必然趋势。2/5/20231066、中国炼油企业能源和资源的协同优化(1)炼油企业的副产渣油尽量不作为锅炉燃料烧掉。新规划的炼油厂只烧催化油浆和重芳烃;催化油浆燃烧过程中含有催化剂颗粒的沉积会产生对流段炉管结焦沉积的问题。能否为他们找到出路(如做为焦化的燃料)而不作为锅炉的燃料?2/5/2023107轻烃资源没有得到合理利用

中国石化工业龙头企业乙烯工业90%原料是石脑油、煤油、柴油、加氢尾油,乙烯的成本560美元/吨。而与此同时,炼厂气中大量的乙烷、乙烯在炼油厂被烧掉。众所周知,用轻烃裂解乙烯的乙烯收率要比用重组分高一倍以上。美国乙烯的70%用轻烃原料,成本只有我国的一半。6、中国炼油企业能源和资源的协同优化2/5/20231086、中国炼油企业能源和资源的协同优化(2)炼厂气资源必须优化利用。炼厂气约占原油加工量5%,主要成分为氢气,甲烷,乙烷,乙烯和少量C3。

目前通过变压吸附、吸收、精馏、膜分离等成熟技术,已经可以从这些气体当中以经济的代价把H2和C2烃分离出来,提供加氢用氢气和乙烯裂解的原料。这比用石脑油制氢和裂解经济得多。用炼厂气中的C2、C3制氢也不如用它们做乙烯裂解的原料、而用天然气来制氢合算。2/5/2023109表炼油厂排气的含氢浓度典型的氢气来源压力/Mpa含氢体积浓度/%催化重整富气1.3~3.080~90加氢裂化高压弛放气4.0~14.060~85加氢精制高压弛放气1.5~5.065~85加氢低压弛放气-0.745.5催化裂化干气0.730.65催化裂化/延迟焦化0.5~1.515~30中变气2.470(一)传统观念和机制导致的资源配置问题2/5/20231106、中国炼油企业能源和资源的协同优化

:烃类化工原料商品化问题从FCC干气分离H2和C2、C3烃工业化已经成功。装置建设投资半年可回收。全国FCC装置回收乙烯和C2+烷烃,可以替代乙烯原料用石油上千万吨/年除FCC干气外,其它炼厂气(3亿吨的5%约1500万吨/年)大部分可分离出H2和做乙烯原料;减少进口石油更多。

2/5/20231116、中国炼油企业能源和资源的协同优化烃类化工原料商品化问题乙烯、乙烷能否作为商品?以什么方式运送、交易?价格如何定位?经济输送距离如何?中东已经形成乙烯国际市场,国内油田已经把轻烃作为商品销售。天然气管道上千公里;LNG罐箱运输距离也已达4000公里。只要油价高企,就有几润空间。

全方位评价模型求解,可以给出准确的答案。

2/5/20231126、中国炼油企业能源和资源的协同优化2/5/20231136、中国炼油企业能源和资源的协同优化

循环流化床和水煤浆技术的应用。对于煤和延迟焦化焦炭等固体燃料,通过引进实现国产化的与150MW和300MW电站配套的480t/h和960t/hCFB锅炉技术和我国自行开发的水煤浆技术都已经成功实现工业化,。对于炼油厂来说,用这些技术来联产电和高压蒸汽,比用普通的煤粉炉改善环境污染和经济效益都会好的多。CFB锅炉和水煤浆的灰渣可以作为建筑材料,实现废物的循环利用,起到了减排和清洁的作用。2/5/2023114中国能源资源形势决定炼油厂能源结构的大趋势中国的炼油企业不能停留消耗自己的炼油产品的思维定势中。炼油加工的副产品,包括氢气,乙烷,渣油甚至油浆,都可以通过进一步加工提供化工原料;只有催化焦炭等必须在本装置内烧掉,不足的一次能源必须依靠外部的能源(煤、天然气、附近发电厂的中低压抽汽)。在循环经济的思想指导下进行能源利用大系统集成和优化,这是中国炼油企业能源结构变化的大趋势。一切由计划经济、部门分割、行政干预所造成的低效、孤立地使用和浪费资源和能源的传统机制和习惯,都将不能阻碍这一趋势的发展!2/5/2023115中国能源资源形势决定炼油厂能源结构的大趋势循环经济思想指导下的能源利用大系统集成优化与邻近燃煤电站的联合:输入1MPa蒸汽,输出故意低温热用于锅炉给水预热----双赢的能量梯级利用!与邻近燃煤IGCC项目的联合:输入电力、蒸汽、氢气;过程能量大系统集成优化。与邻近LNG接受站的联合:利用天然气替代石油加工产品作为一次能源,通过CCHP高效利用;LNG冷量利用2/5/2023116中国能源资源形势决定炼油厂能源结构的大趋势基于中国资源条件的炼、化原料---燃料路线

中石化与壳牌合资巴陵化肥改造工程日处理煤2000吨,产煤气318.63Nm3,替代化肥原、燃料。粗煤气0.5元/Nm3。尿素成本由1400元/吨下降为800元/吨。装置将扭亏为盈。总投资17亿元,预计总产值5.36亿元/年,销售收入2.84亿元/年,利润1.56亿元/年。中石化自主开发的循环流化床富氧煤气化试验装置将于4月中旬在太原投运。2/5/2023117实施上述资源与能源量优化利用策略的关键转变观念,充分运用市场机制,摈弃行政机制高层领导重视,纳入决策议题,制订规划建立规范的运作机制、管理机构改变项目审批机制,加深前期工作力度改革设计管理体制,制订节能设计标准2/5/2023118(三)用GSA方法配置石化工业的资源与能源:1、“炼化一体化”还是“油气化一体化”“炼化一体化”蕴涵了资源与能源优化配置的内涵。实际执行中主要只体现为“化工型炼油厂”生产乙烯裂解原料,即“油头化尾”。典型的配置是1000万吨/年炼油厂提供石脑油、部分煤油、柴油和加氢尾油给一个80--100万吨/年的乙烯厂做裂解料;80~90%是重质原料。导致中国乙烯成本和能耗最高,缺乏竞争力。

2/5/2023119某大型炼油厂资源/能源结构优化课题1200万吨/年,全加氢型炼油厂现有方案:1、炼厂饱和轻烃+天然气制氢14万吨/年;2、28万吨/年渣油+数十万吨/年炼厂气----加热炉、燃气轮机、锅炉燃料目前形势变化:1、国际原油价格攀升进近3倍,天然气的价格提高近2倍。天然气/煤比价超过2.—3.0;2、煤炭供应有合同保障,天然气供应也可以;3、邻近地区有热电联供投资—运营商

2/5/2023120某大型炼油厂资源/能源结构优化课题在上述条件下的优化配置改进原则在石油/煤比价为2.5--3的条件下,用煤产蒸汽,年经济效益数亿元。用煤作为炼厂所需氢气的原料,比用天然气制14万t/a氢计,年费用节省超过10亿元。在有便宜的、逐级产功的蒸汽条件下,工艺装置余热,应当尽可能通过加深换热,顶替出更多的加热炉燃料。原油加工产物尽可能作为进一步加工成为油品或化学品的原料。仅FCC焦炭,和分离出H2、C2烃以后的炼厂尾气(CH4、CO,N2等)作为加热炉燃料。大约用200多万t/a煤,顶替出100多万t/a炼厂轻烃和重油和天然气,前者用作乙烯裂解、焦化等原料,年经济效益应在15亿元以上。2/5/2023121某大型炼油厂资源/能源结构优化课题------技术路线采用煤制氢联产汽、电的POX方案:投资约25亿,产H214万t/a;热值2750kcal/kg合成气100万t/a(热值相当于25万t/a天然气)热值1400kcal/kgPSA尾气100万t/a(热值相当于12万t/a天然气)根据天然气市场供应情况和价格决定补充加热炉燃料是用天然气还是用合成气。PSA尾气用于燃机CC联产电、汽;加热炉可以再设置前置燃机联产电。除FCC、重整、硫磺装置外,其余装置尽可能不发汽。FCC油浆热量以预热初底油为主,提高热出料温度。工艺余下的低温热用于储运、蒸汽系统,节约辅助系统用的低压蒸汽。节省下来的原用做燃料的中间产品进一步加工。炼厂气中分离出H2,C2后的CH4和CO等用做燃料渣油、油浆用于焦化装置加工。2/5/2023122(三)用GSA方法配置

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