乙烯装置三元制冷系统影响因素及优化研究

乙烯装置三元制冷系统影响因素及优化研究

杨忠梅1，2，张 剑2，冯丙坤2，楚庆岩1

(1.山东理工大学；2.中国石化齐鲁分公司)

摘 要：制冷系统的良好运行是保证乙烯装置乙烯回收率的关键因素。当乙烯装置负荷较高时,三元制冷系统容易存在冷剂分配不合理、系统操作稳定性差的问题,进而导致脱甲烷塔塔顶温度高、乙烯损失严重等问题。采用过程模拟软件建立三元制冷系统模型,利用稳态模拟和动态模拟分析了裂解气量及其组成变化对三元制冷系统运行的影响,找到了影响该系统稳定运行的关键参数,提出了冷箱及脱甲烷塔针对多种工况的调整方法、三元制冷压缩机三段出口温改方案及脱甲烷塔塔顶跨线调整策略等优化建议,对乙烯装置三元制冷系统的优化操作具有一定的理论指导意义。

关键词：三元制冷系统 冷箱 脱甲烷塔 动态模拟 乙烯装置

乙烯装置传统的制冷方式是采用乙烯、丙烯、甲烷等冷剂的单组分制冷。由于甲烷、乙烯的临界温度低于冷却水温度,所以需要采用复迭制冷。某乙烯装置建成初期产能为0.3 Mt/a,第一期改扩建后产能为0.45 Mt/a,二期改扩建后产能为0.72 Mt/a。二期改扩建新增加一套世界首套(应用于炼化装置)三元制冷系统及配套冷箱系统,该三元制冷系统是将甲烷、乙烯、丙烯3种冷剂按一定的比例混合(该乙烯装置三元冷剂的设计摩尔组成为0.11%氢气、8.99%甲烷、8.30%乙烯、82.60%丙烯)。在1台制冷压缩机中通过压缩、水冷以及逐级冷却后,形成重、中、轻3种不同级别的冷剂,这样由1台压缩机就可完成3台传统压缩机的工作,大大节省了现场空间,这在装置改扩建、现场建设空间不足的情况下非常实用。

三元制冷技术较传统的单组分复迭制冷技术有以下优点:①节省设备布置面积、降低投资。一套三元制冷系统可以提供传统的丙烯制冷、乙烯制冷、甲烷制冷3套系统所能提供的冷剂,减少了设备数量,节省了占地空间,使设备投资有所降低,特别适用于装置改造。②能量利用效率高。三元冷剂冷却曲线是连续平滑的,而单组分冷剂冷却曲线则是非连续、级跃式的[1]。

级跃式制冷由于只以一定级位冷剂向工艺流体供冷量,故平均传热温差较大,传热系统的熵增较大,即能量的利用效率不高。而连续式制冷采用的是混合冷剂,其蒸发曲线与工艺流体的冷却曲线十分接近,大大缩小了传热平均温差,从而提高了冷量利用效率,降低了制冷压缩机的功耗。正是基于三元制冷技术的优点,某企业将三元制冷系统引入乙烯装置,替代了传统的乙烯-丙烯复迭制冷系统[1-8]。

乙烯装置三元制冷系统是与冷箱、脱甲烷塔深度集成的一个系统,当裂解气负荷或组成发生变化时,整个三元制冷系统会发生较大的生产波动,装置恢复到平稳运行的调整周期较长。技术人员一般会先参考设计数据来指导装置的调整,但三元制冷系统工艺条件通常偏离设计工况较大,无法通过设计数据来准确指导装置的操作调整。正常操作过程中,冷剂比例的分配和系统操作的稳定性对三元制冷系统来说非常重要,因此通过建立模型并开展优化分析,可以使三元制冷系统得到快速稳定的调整,为实际生产操作的优化提供理论指导[9-12]。

本研究采用AspenTech公司相关软件开展流程模拟。其中,稳态模型涵盖三元制冷系统的机组、冷箱系统和脱甲烷系统的全工艺流程,主要分析裂解气负荷和组成变化对系统的影响,找出影响该系统稳定运行的关键参数,提出三元制冷系统、冷箱及脱甲烷塔的快速调整方法。动态模型包括三元制冷系统的部分冷箱和脱甲烷系统,主要考察脱甲烷塔塔顶冷凝器跨线流量对系统的影响,提出塔顶冷凝器的跨线调整思路。本研究不仅通过优化三元制冷系统的操作条件,挖掘装置节能增效的潜力,而且考察上述系统生产过程中的瞬态操作问题,为实际操作指明调整方向。利用流程模拟稳态优化和动态优化相结合的技术手段来解决装置运行瓶颈,调整优化思路、缩短调整周期、降低乙烯损失,并实现节能增效,对实际生产运行有一定的指导意义。

1 流程简介

三元制冷压缩机系统工艺侧进料为乙烯装置原料经过裂解、油洗、水洗、压缩、干燥后的裂解气,通过三元冷箱逐级深冷脱除氢气和甲烷,再经过脱甲烷塔、乙烯精馏塔进一步分离[13-15]。裂解气在本系统的压力范围为0～3.5 MPa,温度范围为-170～16 ℃(以最终产出氢气产品为基准)。三元冷剂由甲烷、乙烯、丙烯及少量氢气等混合物组成,分为重、中、轻3种,分别提供14.4,-50,-66,-79,-102,-136 ℃温度级别的冷剂。三元冷剂在本系统的压力范围为0～3.1 MPa,温度范围为-143～15 ℃。系统流程示意见图1。

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图1 三元制冷系统流程示意

1—重冷剂罐; 2—中冷剂罐; 3—第一气液分离罐; 4—第二气液分离罐; 5—第三气液分离罐; 6—甲烷/氢分离罐; 7—轻冷剂收集罐; 8—脱甲烷塔塔顶冷凝器; 9—脱甲烷塔

2 三元制冷系统多工况稳态优化

三元制冷系统的平稳操作受裂解气量或组成的影响较大,且调整周期长,有必要通过建立模型并开展优化分析,以达到快速调整三元制冷系统操作的目的。

2.1 脱甲烷塔高负荷运行时的优化分析

保持脱甲烷塔塔顶冷凝负荷和塔釜热负荷不变,通过模型计算脱甲烷塔进料负荷变化时脱甲烷塔塔顶温度的变化,结果见图2。从图2可以看出,随着进料负荷增加,脱甲烷塔塔顶温度升高,会导致塔顶甲烷产品中乙烯含量升高,乙烯损失增加。

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图2 脱甲烷塔进料负荷变化对塔顶温度的影响

调整模型的目的是为了保证脱甲烷塔塔顶温度和产品质量。经过模型计算,发现可以通过提高三元冷剂冷量和调整脱甲烷塔冷热负荷来实现,结果见表1。从表1可以看出,当裂解气量增加时,适当提高三元冷剂总量,调整脱甲烷塔冷热负荷,可保证裂解气出冷箱温度基本不变,进而满足脱甲烷塔产品质量,但是乙烯损失随之增加。

表1 脱甲烷塔负荷变化时的多工况计算结果

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2.2 裂解气组成变化时的优化分析

在乙烯装置的生产运行过程中,裂解炉会被周期性地切出进行检修,其中,乙烷炉的清焦和投用对装置生产的稳定性影响较大,因为在该过程中裂解气组成变化较大。本方案将通过高乙烷工况(乙烷炉投用)和低乙烷工况(乙烷炉清焦)考察裂解气组成对装置运行的影响。

2.2.1 操作分析

以脱甲烷塔产品质量合格(其中塔顶乙烯体积分数小于1.4%,塔釜甲烷体积分数小于600 μL/L)为前提,经模型分析,裂解气组成发生变化时的调整与裂解气进料跨线、压缩机三段出口冷却温度以及冷剂组成密切相关。

模型调整过程中,发现如下规律:

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(1)裂解气进料走跨线量越大,裂解气去后路冷箱的热量就越多,因此,冷箱最后一级分离罐(第三气液分离罐)的温度就越高;反之,第三气液分离罐温度就越低。

(2)压缩机三段出口冷却温度越低,则重冷剂罐中的重冷剂量就越多,第三气液分离罐温度就越高;反之,第三气液分离罐温度就越低。

(3)三元冷剂中甲烷含量越高,说明轻冷剂量越多,第三气液分离罐温度就越低;反之,三元冷剂中甲烷含量越低,说明轻冷剂量越少,第三气液分离罐温度就越高。

因此,在模型调整过程中,首先要稳定制冷压缩机三段出口冷却温度,使轻、中、重冷剂量进行平稳分配;然后依据裂解气组成中乙烷含量的不同,调整裂解气进料走跨线的流量;最后,适当调整三元冷剂组成,或调整制冷压缩机转速,可以保证三元制冷系统在裂解气组成变化后平稳运行。

2.2.2 优化分析

通过模拟优化,发现影响三元制冷系统冷剂配比的主要因素为压缩机三段出口冷却温度,该温度波动会直接影响下游重冷剂罐、中冷剂罐和轻冷剂罐的闪蒸情况,进而导致三元冷剂的配比需要重新调整。当乙烷炉清焦或投用时,裂解气组成将发生较大变化,因此对三元制冷系统的影响较大。考察裂解气组成变化和压缩机三段出口冷却温度变化对系统的影响,结果见表2。

表2 裂解气组成变化和压缩机三段出口冷却温度变化时不同工况下系统主要运行参数

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从表2可以看出,当制冷压缩机三段出口冷剂温度一定时,在保证脱甲烷塔塔顶产品质量和第三气液分离罐温度的前提下,从工况1至工况3,随着裂解气中乙烷含量的降低,重冷剂量应适当调低,同时增加中冷剂和轻冷剂用量,裂解气进料走跨线的流量将会增加,压缩机转速上升,脱甲烷塔塔顶温度出现下降。此外,对比工况1和工况4发现,裂解气组成一定时,压缩机出口温度上升1 ℃,裂解气走跨线的流量增量非常大,整个系统的热量平衡被打破,将导致工艺调整的周期较长。这说明压缩机三段出口冷却温度的重要性,其会严重影响三元制冷系统的冷量分配。因此,要严格控制三段出口冷却温度的稳定。

基于表2对三元制冷系统的调整思路,组合考察了裂解气组成发生变化或者压缩机三段出口冷却温度发生变化时的优化调整思路,目的在于确保脱甲烷塔塔顶乙烯损失不超标(塔顶乙烯体积分数小于1.4%)。具体的优化思路及运行数据见表3。其中:优化1,仅裂解气组成发生变化,优化跨线流量、调整冷剂甲烷含量;优化2,仅裂解气组成发生变化,优化跨线流量和压缩机转速以及调整冷剂甲烷含量;优化3,仅裂解气组成发生变化,优化跨线流量与压缩机转速;优化4,裂解气组成和压缩机三段出口冷剂的冷却温度同时发生变化,优化跨线流量与压缩机转速。

表3 不同工况下的系统优化运行数据

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三元制冷系统的裂解气组成发生变化后,若不及时进行工艺调整,脱甲烷塔塔顶乙烯损失无法满足控制指标要求。从表3可以看出,通过多种调整手段进行优化,在稳定制冷压缩机三段出口冷却温度后,确定合理的裂解气走跨线流量,三元制冷系统达到平稳运行的优化调整思路可以有多种,比如微调三元冷剂的配比或者压缩机转速能达到工艺参数的控制指标要求。通过合适的调整手段可以有效缩短调整时间,以达到降低乙烯损失和稳定生产的目的。

3 三元冷剂组成预测模型

三元制冷系统运行一段时间后,各种冷剂量会有不同程度的损耗,需要不定期进行补充,通过开发三元冷剂组成预测模型,设定重冷剂罐和中冷剂罐的温度、压力以及各种冷剂的流量,可以计算出三元冷剂的配比,为装置的稳定操作提供数据支持。图3为三元冷剂预测模型示意。

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图3 三元冷剂预测模型示意

指定操作条件如下:重冷剂罐进料量154 000 m3/h,重冷剂罐压力2.87 MPa,中冷剂罐压力2.75 MPa,中冷剂罐温度17.5 ℃。

由于三元制冷压缩机出口压力相对稳定,在组成和压力相对恒定的情况下,一定的温度就对应着一定的冷凝量,通过温度反映冷剂量是通用的方法。本研究只通过重冷剂罐温度的变化反映三股冷剂量的变化,具体见表4。

表4 重冷剂罐温度的变化对3股冷剂流量的影响

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从表4可以看出,随着重冷剂罐温度的升高,重冷剂量逐步减少,中冷剂量和轻冷剂量逐渐增加。通过该预测模型,可以快速计算出3种冷剂的流量,在实际操作中可以确保各级冷剂能够为用户提供稳定且充足的冷量,为装置补充冷剂提供数据支持,有助于生产过程的快速调整。

4 三元制冷系统温控改造方案

脱甲烷塔负荷较大或者冷却水换热器能力不足会导致三元冷剂在制冷压缩机三段出口冷却温度较高,进而打乱轻、中、重3种冷剂在闪蒸罐中的平衡分配,尤其是轻冷剂的冷量会明显不足,导致脱甲烷塔塔顶温度升高,塔顶乙烯损失较大,产品质量不合格。因此,考虑新增1台换热器,用于降低三元制冷压缩机三段出口的冷却温度,并保持该温度的稳定,解决因三元冷剂配比频繁波动导致三元制冷系统稳定性较差的问题。

4.1 优化方案

图4为脱甲烷塔塔釜物料流向示意,塔釜物料经冷箱降温后降至-1 ℃,分为两路,第一路直接作为脱乙烷塔上部进料,第二路换热到6 ℃后进入脱乙烷塔下部作为下部进料。

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图4 脱甲烷塔塔釜物料流向示意

考虑将脱甲烷塔塔釜物料在经过裂解气冷却器换热后,与压缩机三段换热器出口物料换热,以稳定三元冷剂三段出口温度,保证轻、中、重3种冷剂的分配平衡,减少系统波动,具体方案如图5所示。

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图5 三元制冷压缩机三段出口冷剂温控改造方案示意

从图5可以看出,在三元制冷压缩机三段出口换热器后新增一台换热器,将降温后的三元冷剂(约35 ℃)引50%进入新增换热器,控制三元冷剂三段出口温度为33 ℃,而换热后的裂解气则升温至约12 ℃后进入脱乙烷塔下部。

4.2 热平衡

新增换热器换热后的脱乙烷塔下部进料热量增加约985.9 kW。对脱乙烷塔冷热负荷进行核算,结果见表5。从表5可以看出,冷凝器负荷增加124 kW,再沸器热负荷减少876 kW。塔顶冷负荷由-23 ℃的丙烯冷剂提供,塔釜热负荷由急冷水提供,通过提高塔顶冷剂用量和降低塔釜热媒用量可以保证该塔的热量平衡。

表5 脱乙烷塔冷热负荷计算结果

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注:变化量为正值代表增加,变化量为负值代表减少。

脱乙烷塔的塔釜再沸器热源为乙烯装置自产的急冷水,多余的热负荷最终将被冷却水带走。该换热器冷却水的设计负荷为10 078 t/h,若脱乙烷塔热负荷减少876 kW,在循环水上水与回水温差为3 ℃的前提下,需要增加冷却水用量约250 t/h。该部分热量消耗的冷却水用量占比较小,对装置的循环冷却水系统影响不大。因此通过此优化调整,脱甲烷塔运行效果可以得到保障,塔顶的乙烯损失可以满足控制指标要求。

5 脱甲烷塔塔顶冷凝器跨线流量动态分析

三元制冷系统中,轻冷剂为脱甲烷塔塔顶物料提供冷量,轻冷剂的制冷效果对脱甲烷塔的操作有着很大的影响。考察轻冷剂进入脱甲烷塔塔顶冷凝器跨线的流量范围,找出合理的跨线流量,使得轻冷剂冷量得到最大化利用,进而提高脱甲烷塔的操作弹性。图6为脱甲烷塔塔顶跨线示意。

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图6 脱甲烷塔塔顶跨线示意

5.1 动态模型分析

在动态模型中,逐渐关闭旁路阀门,随着跨线流量的降低,虽然脱甲烷塔塔顶冷凝器的负荷保持恒定,但轻冷剂温度会有所降低,相对应的轻冷剂所提供的冷量将会增大,原因在于主线阀门的节流制冷作用。

5.2 动态模拟优化1(主线阀后压力下降)

逐步关闭脱甲烷塔塔顶冷凝器旁路阀门,使轻冷剂最终全部走主线,在主线调节阀开度恒定的情况下,关闭旁路阀使主线调节阀压降增加,导致节流效果得到明显改善,轻冷剂将能提供更多冷量,因此脱甲烷塔塔顶温度下降更多;同时轻冷剂在三元冷箱闭式循环过程中,第三气液分离罐温度也会随之降低,罐底冷剂的流量增加,形成良性循环。表6为动态模拟优化1过程的工艺参数变化。

表6 动态模拟优化1脱甲烷塔塔顶冷凝器轻冷剂旁路跨线流量分配计算结果

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从表6可以看出,关闭小旁路阀门,脱甲烷塔塔顶温度从-126.1 ℃降低至-130.4 ℃,第三气液分离罐罐底流量从1.51 t/h增加至1.68 t/h。因此,适当关闭脱甲烷塔旁路阀门,在裂解气量增加时,通过此措施可以有效提高脱甲烷塔的操作弹性,稳定冷箱的运行效果。

5.3 动态模拟优化2(主线阀后压力不变)

参考动态模拟优化1,轻冷剂优化调整为以主线调节阀后压力不变为基准(动态模拟优化2)。逐步关闭轻冷剂用户旁路阀门,并逐渐开大主线调节阀、保持阀后压力不变,发现节流效果并不理想。表7为动态模拟优化2过程的工艺参数变化。从表6和表7可以看出,在基本相同的旁路流量下,优化2的脱甲烷塔塔顶温度高于优化1的脱甲烷塔塔顶温度。

表7 动态模拟优化2脱甲烷塔塔顶冷凝器轻冷剂旁路跨线流量分配计算结果

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从表7可以看出,若通过调整主线阀门开度控制其阀后压力不变,则在逐步关闭旁路阀门的过程中,主线阀门开度会逐渐增加,第三气液分离罐温度和罐底流量变化均不明显。说明主线阀门开度增加时,系统节流制冷效果并不明显。

综上分析,建议实际操作中控制主线阀门开度相对恒定,然后尽可能关小旁路阀门开度(从70%关至0),如此可使轻冷剂达到好的节流制冷效果,进一步提高脱甲烷塔的运行效果,以及更好地控制产品质量。同时,轻冷剂冷量的增加最终也使三元制冷系统形成良性循环,反过来也有利于操作的稳定。

6 结 论

(1)采用稳态模型分析了裂解气量及其组成变化对三元制冷系统的影响,考察了在不同工况条件下提高三元制冷系统快速稳定操作的关键参数和优化方向,对降低脱甲烷塔塔顶乙烯损失和提高系统操作稳定性提出了优化建议。

(2)通过建立三元冷剂预测模型,考察了在压力和组成一定的情况下,温度对冷剂分配的影响,并将冷剂的用量进行量化,通过预测模型进而总结规律,有助于生产过程的快速调整。

(3)控制制冷压缩机三段出口温度尽量保持稳定,以提高整个三元制冷系统的操作稳定性,同时减少轻、中、重3种冷剂量的配比发生波动,进而保证脱甲烷塔塔顶温度稳定,控制塔顶的乙烯损失。

(4)采用动态模型分析了脱甲烷塔塔顶冷凝器跨线流量与制冷效果的关系。优化结果表明,通过尽量关闭跨线流量并尽可能降低主线阀后压力,可以明显提升轻冷剂的制冷效果,进而提高脱甲烷塔的运行效果,同时可以更好地控制分离效果和产品质量。此措施同样也使三元制冷系统形成良性循环,更利于装置操作保持稳定。