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摘要：化工装置作为工业领域重要的装备组成部分之一，也是典型的耗能大户。在“能耗双控”甚至未来“碳双控”背景下，化工行业面临着极大能效提升压力。因此，基于化工装置能耗特点和现状，挖掘节能潜力，采取有效措施降低能耗是化工行业可持续发展的有效途径之一。
关键词：化工装置；节能降耗；低温热；能源管理
0引言
随着国家持续推动绿色低碳发展，影响化工行业的众多能效约束性政策相继出台。发改委最新发布的《工业重点领域能效标杆水平和基准水平(2023年版)》中，对乙烯、对二甲苯、乙二醇、合成氨等领域提出了明确的能效要求，限定时间内相关领域无法达到基准水平的会面临强制关停退出。因此部分老旧企业需要加快化工装置节能改造力度，提升整体能效水平。化工装置生产过程一般会进行复杂的化学反应和物质转化，需要大量的能量输入。同时在许多生产工艺过程中需要高温高压条件，产品分离单元也相对复杂，造成能耗普遍偏高。部分老化工装置还面临生产规模、生产工艺、生产过程等多重因素影响，能源配置利用不合理，使得降低能耗更加困难。
本文根据节能技术发展应用情况，结合某企业装置现状和改造调整案例，从稳定装置运行、单元过程优化、低温热综合利用、设备改造等方面进行分析，提出节能措施，实现降低能耗目标。
1节能存在的问题
1.1装置运行不稳定
化工生产装置因其产品种类的多样性、生产工艺的复杂性以及原料来源的广泛性而呈现出高度的复杂性，同时，其生产过程还涉及高温、高压等多种潜在的危险因素。对设备运行效率和操作人员技能都有很高的要求。特别对于老旧装置，因运行时间较长，存在机械部件磨损、密封失效、管道设备腐蚀等问题，因此带来机械或电气故障、管线跑冒滴漏等诸多潜在隐患。这些隐患带来的运行不稳定，会导致设备运行效率下降，生产过程中出现暂停、断续等问题，又进一步降低生产效率，造成能源利用率下降和能耗上升。以某企业乙烯装置为例，该企业2022年分别因电气故障、人员误操作发生两次临时停工，月度能耗环比增加近10%。
1.2装置节能潜力未充分释放
1.2.1加热炉热效率低
由于该企业大部分化工装置建成时间较早，长期使用后加热炉内管道容易在内壁积累污垢，导致管道内径变小，流通阻力增大。换热器受高温和腐蚀等因素影响，会造成设备材质老化、换热面积减小。部分加热炉燃烧控制系统存在不足，造成燃烧不充分，排烟温度高，烟气余热未充分回收。同时，还存在加热炉保温材料老化磨损问题，进一步加剧了热损失。这些因素造成部分加热炉热效率偏低，多在89.0%～92.5%之间，还有较大提升空间。
1.2.2设备运行效率低
该企业在对部分动力设备检查时发现：机泵长期使用导致叶轮和泵壳磨损，由于生产工况与负荷的变化，机泵实际流量偏离了泵选型时的额定工况点，导致通过出口调节阀卡量或增加回流量方式维持机泵运行。这些问题严重影响机泵的运行效率，增加了电耗。针对这些问题，需要采取相应的措施进行维护和改进，以提高机泵的效率和降低电耗。如表1所示，统计了该企业部分装置机泵运行效率情况，可以看到存在较大能效提升潜力。
1.2.3单元操作还有优化空间
该企业部分装置单元操作自动化程度低，需要依赖人工频繁干预调整操作，做不到实时监测和精确控制，生产过程粗放不平稳会额外造成能耗上升。与同行业内其他同类装置对比，该企业部分装置在合理选择和调整操作参数，如温度、压力、流量等，以及优化操作流程方面存在一定差距。如发现部分分离塔操作压力偏高，导致釜温提高，加热蒸汽消耗量较大。
1.3低温热资源未充分利用
化工装置生产过程中，会产生大量低温位余热(70～150℃)，新建装置会通过换热流程优化和新技术应用，充分利用这些余热来替代蒸汽或者其他高品位能源，降低装置和全厂能耗。但在老装置中，受原设计和技术条件限制，大量低温余热被冷却排掉，造成能量的巨大损失。如该企业芳烃装置，抽出液塔、抽余液塔和甲苯塔等精馏塔塔顶存在充裕的低温热资源，但大部分通过空气冷却器冷却，经折算余热回收潜力达130 MW。
1.4蒸汽系统存在问题
该企业有从超高压蒸汽(11.8 MPa)到低压蒸汽(0.3 MPa)7个压力等级蒸汽管网，蒸汽来源有热电锅炉、乙烯裂解炉和少量外采。多压力等级、多流向的复杂系统难以满足不同的用气工况，局部蒸汽不平衡导致存在大量蒸汽减温减压使用现象[1]。同时部分蒸汽输送管线，保温老化破损严重，外表面温度高达70～80℃,热损严重，雨天情况下耗汽量明显增加，疏水器失效内漏等也会进一步增加蒸汽消耗。
1.5能源管理系统落后
该企业能源监测系统不够完善，不能实时监测能源的使用情况，部分能源数据采集依赖人工记录，效率较低，而且容易出现漏读、误读等问题，导致能源数据的准确性和完整性受到影响。这些也会导致能源消耗数据分析能力不足，无法对能耗情况进行实时跟踪掌握，能源管理十分被动，无法采取积极措施改进能耗现状。
2节能降耗措施
2.1稳定装置运行
装置稳定运行是节能工作的基础。维持装置稳定运行，离不开企业在工艺、设备、仪表、电气、信息等方面跨专业协作。在设备维护、仪表监控等方面，要掌握其运行状态和薄弱环节，实时监控，提前预警，及时维修调整。在作业管理方面，重大操作调整前要识别风险，制定防范措施，落实好现场作业交底，避免错误指挥和误操作。在人员管理方面，要注重岗位能力提升和开展针对性培训，增加装置运行情况考核奖励。化工装置工艺流程、设备选型、外部公用工程条件不尽相同，持续提升装置运行稳定性，必须结合实际持续做好生产管理经验总结，以专业管理到位来夯实平稳生产根基。
2.2装置能效提升
2.2.1提高加热炉热效率
提高加热炉热效率减少燃料气用量是降低装置能耗的重要手段。结合影响加热炉热效率因素对该企业现状进行分析，有针对性采取提效措施。以乙烯装置为例，为缓解炉管结焦堵塞，应尽量降低原料中芳烃和烯烃含量，生产操作中要保持炉温稳定，避免频繁切换原料成分、调整负荷，同时连续注入一定的抑焦剂。对因燃料较差造成对流段盘管结垢，除常规氮气或者蒸汽吹灰操作外，可以利用检修时间进行化学清洗。为充分回收烟气余热，可以增设热媒水系统，回收烟气中热量给进炉空气加热。同时该企业推广应用自动快速烧焦技术，通过大数据分析，调整空气进量、烧焦温度等参数，优化烧焦程序每个步骤的时长和时间节点，使裂解炉因烧焦、热备切出系统的时间由原来的48 h缩减至24 h，单台裂解炉烧焦一次可节省98 t标准煤。
为保证进入加热炉燃料气充分燃烧，进入炉膛空气量会大于充分燃烧所需理论空气量，这些过剩空气会携带大量热量进入大气，造成热量损失。该企业应用低氧燃烧技术，在部分加热炉烟道处增加CO分析仪，通过对烟气中CO含量进行在线测量，优化控制燃烧效果，实现燃料和空气的最佳配比，降低烟气中的氧含量。改造完成并投用后，加热炉氧含量由之前的2%降低至1%左右。
此外，对外壁温度偏高加热炉炉衬结构进行改造优化，选用纳米板、整体模块等新型材料，可以使裂解炉外壁温度≤75℃、芳烃装置加热炉外壁温度≤60℃甚至更低。该企业已完成炉衬更换的裂解炉，炉壁温度由85℃下降到45℃。其他诸如加强日常管理，优化操作，保证监控仪表完好准确也能进一步提升加热炉热效率。
2.2.2设备能效提升
通过核对大功率机泵现场出口压力、电流值，收集泵运行中的流量、介质密度、出口阀开度等参数信息，对其运行状态进行评估，根据存在问题发掘具有较大节能潜力的机泵进行改造。部分机泵受介质等因素影响长期使用后通流部分出现腐蚀和磨损，增加流动阻力，通过对通流部件进行节能改造，如对腐蚀部位进行修补并涂刷高分子复合材料涂层，降低阻力损失。部分机泵工况发生变化，介质流量长期低于设计流量，造成输出功率低的，可以通过改变叶轮形状、调整叶片角度、优化叶轮结构等方式提高泵的效率。部分机泵受工艺影响介质流量波动较大的，可以增加变频器实现机泵调速控制，避免机泵长期低效率运行。
2.2.3单元操作持续优化
稳定操作方面，该企业在乙烯等装置推广全流程智能控制技术(IPC)，通过实时监测和调整，操作稳定性和精准性极大提高，减少波动造成损失。优化操作方面，以优化精馏塔操作为例，该企业在乙烯装置脱丁烷塔开展降压操作攻关，操作压力逐步由0.38 MPa降至0.35 MPa，塔釜温度由113.7℃降至110.2℃,再沸器蒸汽流量由8.5 t/h降至7.4 t/h，能耗下降，产品指标也未发生变化。如表2所示，为优化前后脱丁烷塔操作条件变化情况。
以循环水系统调整为例，通过对比分析各循环水场运行流量、供回水压力和温差等，发现动力站3台汽轮发电机循环水温差仅为3.5℃左右，存在优化空间。结合汽轮机运行负荷，调整循环水量，控制汽轮机凝汽器循环水进出水温差为6～10℃,停运部分循环水泵，实现节能降耗的目的。
2.3低温热综合利用
对芳烃装置精馏塔顶产生的低温液体或气体中存在的大量低温热资源，该企业新建热媒水系统，将来自动力中心的95℃的热媒水先与歧化甲苯塔顶换热器换热，水温升温至113℃,再与抽出液塔顶换热器换热，进一步升温至145℃。热媒水经压控阀后分成两路，一路经乙烯装置除盐水换热器，将82℃的除盐水加热到约117℃送至除氧器，达到节约除氧器加热蒸汽的目的；另一路送至动力中心除盐水换热器将80℃的除盐水加热到114℃,减少预热用的0.4 MPa蒸汽消耗和除氧器汽提用的1.6 MPa蒸汽消耗。
对缺乏合适热阱无法回收的低温热资源，可以考虑设置蒸汽发生器，回收分馏塔顶冷凝热用于发生蒸汽，替代原有的塔顶空冷器，并根据企业蒸汽用户需求，通过螺杆式蒸汽升压机组将所发出的蒸汽升温升压至需要的条件，使蒸汽品位得到提升。该企业通过改造，将低温热产生的0.2 MPa蒸汽升压至1.2 MPa并送至蒸汽系统管网，极大降低了对外部高温能源的需求。除此之外，溴化锂制冷、低温发电等余热利用技术应用也较为广泛。
2.4蒸汽系统优化
开展蒸汽系统优化，要定期做好各级蒸汽产耗平衡、各装置蒸汽产耗平衡等信息监控分析，进而从蒸汽产生、分配、利用、回收等角度优化提升蒸汽系统能源效率，实现蒸汽梯级利用。分析发现该企业部分装置，由于蒸汽系统偏离设计点较多，高压低用现象较为突出，通过优化调整压缩机等主要用汽设备进气量及抽气量，利用周边装置富裕低等级蒸汽，可显著降低蒸汽减温减压损失。该企业通过调整裂解气压缩机抽气口位置，排气压力由-65 kPa下降至-91 kPa，降低3.5 MPa蒸汽用量22 t/h，通过引制氢装置富余0.4 MPa蒸汽至聚烯烃装置，降低1.0 MPa蒸汽用量10 t/h。
除工艺优化降低蒸汽消耗外，也应强化辅助设施管理。对蒸汽管线保温要定期检查检测，老化破损部位要及时修补更换，同时逐步推广使用气凝胶保温等新技术替代传统岩棉等保温材料，进一步降低管输热损。对疏水器管理要建立清单，根据使用寿命和性能变化，定期更换升级，也要定期检测疏水器运行情况，内漏严重的也要及时更换[2]。
2.5能源管理智能化
目前，以数据为核心生产要素，通过数字化、模型化推进能源管理提效成为很多企业未来节能工作的方向。智能化能源管理系统通过采集全厂装置蒸汽、电、燃料等实时数据，建设集能效智能监控、能效智能统计、设备智能管理、异常智能报警等功能于一体的能源监控管理平台，建立公司、装置、用能设备三个层面的能耗数据监控网络，满足精细化管理需求[3]。以蒸汽消耗监控为例，搭建蒸汽系统平衡模型，开发包含各等级、各装置蒸汽产耗实时信息监控界面，对装置波动、重点用汽设备调整等工况影响蒸汽平衡情况实时统计分析，可以为人员及时调整优化操作提供报警和决策支撑。
3结语
本文旨在探讨化工装置节能优化的方向，通过已有技术和应用案例，提出一些节能措施。随着技术进步，企业在稳定装置运行、工艺过程优化、设备能效提升、余热综合利用、蒸汽系统优化、能源管理信息化提升等方面有了更多选择。预计未来还有更多突破性技术出现，能够进一步降低能源消耗，提高生产效率和经济社会效益，推动化工行业持续绿色发展。
参考文献：
[1]曹晓红，刁俊武，程嘉旭，等.石化企业蒸汽系统优化研究及应用[J].工业控制计算机，2022，35(11)：73-77.
[2]杨淼.新时期石油化工节能设计思路[J].化学工程与装备，2022(10)：176-177.
[3]王岩.化工节能技术现状及发展趋势[J].石油石化节能，2019(6)：30-32.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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老旧化工装置节能措施分析论文
人参与 2024-12-16 11:27:39 分类 : 管理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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