基于熱負荷自動調節的延遲焦化加熱爐三點注汽量智能優化

樊亞明，盧秋旭，吳振華，馬守貴

(中國石化塔河煉化有限責任公司，新疆 庫車 842000)

延遲焦化是煉油廠處理重質油的重要技術之一，其渣油轉化率高、原料適應性強、生產成本低，是煉油廠提高輕質油收率、生產石油焦的主要手段，也可以生產化工基礎料石腦油[1-3]。相比催化裂化、加氫裂化等重油加工裝置，延遲焦化的原料適應性更好，不需要催化劑，可以加工處理各類油品。焦化過程可以簡單概括為：常壓渣油、減壓渣油、焦炭塔塔頂油氣進入分餾塔，分餾塔塔底油進入加熱爐加熱，最終在焦炭塔進行生焦反應[4]。焦化加熱爐作為延遲焦化的核心設備，其作用是將爐內迅速流動的原料油加熱至500 ℃左右的高溫[5]，因此爐內需要有較高的傳熱速率以保證在短時間內給原料油提供足夠的熱量，同時要求提供均勻的熱負荷和流動，以防局部過熱引起爐管結焦。

延遲焦化裝置的主要目的是使原料油在焦炭塔中發生結焦，同時盡可能避免其在加熱爐、轉油線等其他位置結焦。尤其是在加熱爐中，由于爐中原料油溫度快速升高，一旦出現結焦問題，將會導致裝置停工，煅燒爐管。加熱爐結焦問題解決了，焦化裝置就可以平穩操作，進而延長運轉周期[6]。為了降低加熱爐爐管的結焦程度，通常會在原料油進加熱爐爐管的同時注入蒸汽或水，以加大原料油在爐管中的流速，縮短原料油在爐管內的停留時間。

國內某煉油廠采用了先進的三點注汽的方式，在加熱爐爐管中的3個不同位置注入過熱蒸汽來提高原料油流速、防止加熱爐結焦。本研究針對該煉油廠加熱爐三點注汽量優化問題，采用熱負荷自動校正的計算方法，考察三點注汽量對加熱爐熱負荷和爐管結焦程度的影響，對不同原料油加工負荷下的加熱爐熱負荷和結焦程度進行優化。

1 計算方法

延遲焦化加熱爐結構示意見圖1。根據加熱爐結構和三點注汽的位置，本研究在模擬計算時將延遲焦化加熱爐劃分為4個主要部分：對流段(8根爐管)、輻射段1(6根爐管)、輻射段2(24根爐管)和輻射段3(4根爐管)。第1個注汽點位于對流段入口，第2個注汽點位于輻射段2入口，第3個注汽點位于輻射段3入口。

圖1 延遲焦化加熱爐結構示意

依據設計工況下的瓦斯消耗量Wp和實際工況下的瓦斯消耗量Ws計算實際工況下的加熱爐熱負荷Q，其計算式見式(1)。

Q=WsWp×100%

(1)

通過定義結焦系數Kj來表征整個加熱爐的爐管總體結焦程度，其計算式見式(2)。

Kj=∑(ki×dti)

(2)

式中：ki為原料油在各段加熱爐爐管中的結焦反應速率，s-1；ti為原料油在各段加熱爐爐管中的停留時間，s；i為加熱爐段編號，i=1～4。Kj的值越大，表明加熱爐爐管結焦越嚴重。

結焦反應速率ki采用式(3)計算[7]。

ki=A×e(-EaRT)

(3)

式中：A為指前因子，s-1；Ea為表觀活化能，kJmol；T為溫度，K；當T<179 K時，Ea=74.94 kJmol，A=2.03×102s-1；當T>179 K時，Ea=227.2 kJmol，A=1.99×1012s-1。

本研究采用熱負荷自動校正模塊進行計算，計算流程如圖2所示。在計算中，通過同時輸入熱負荷Q的范圍和三點注汽量(第1點、第2點、第3點的注汽量分別記作qh1，qh2，qh3)的范圍，實現結焦系數Kj和熱負荷Q的同時優化。共有兩種計算模式：一種是基于結焦優化的方案，主要目的是要尋找最小結焦系數Kj對應的注汽方案；另一種是基于能耗優化的方案，主要是給定某一個可接受的結焦系數Kjc，然后尋找滿足結焦條件的注汽方案。

圖2 計算流程

2 結果與討論

2.1 加熱爐熱負荷、原料油加工負荷對各段爐管出口溫度和結焦系數的影響

在三點注汽量及其他條件不變的理想情況下，加熱爐熱負荷和原料油加工負荷的變化均會影響爐管出口溫度和結焦系數(未采用熱負荷自動校正)。加熱爐熱負荷對爐管出口溫度和結焦系數的影響如圖3所示，原料油加工負荷對爐管出口溫度和結焦系數的影響如圖4所示。其中，裝置的額定工況對應于100%加熱爐熱負荷、100%原料油加工負荷。

由圖3可以看出：在不考慮加熱爐熱負荷自動調節的情況下，不改變注汽量時，熱負荷升高或降低都會影響各段爐管的出口溫度和管內結焦程度；當熱負荷小于100%時，輻射段3出口溫度(即加熱爐出口溫度)無法滿足原料油進焦炭塔的溫度要求(485 ℃)；當熱負荷為60%時，爐出口溫度為431.1 ℃，此時需要降低注汽量(降低原料油流速)或者提高熱負荷，以保證原料油在爐管內的充分受熱，進而保證加熱爐出口的原料油溫度滿足要求；而當熱負荷大于100%時，結焦系數大于額定工況下的結焦系數(0.029)，并且隨著熱負荷的增大而急劇增大，爐管非常容易結焦，比如在熱負荷為140%時，結焦系數高達0.266，是額定工況對應的結焦系數的9.17倍，結焦風險非常大。此時需要降低熱負荷或者提高注汽量，提高原料油在爐管內的流速，進而保證出口溫度不超溫、爐管不結焦。

圖3 加熱爐熱負荷對爐管溫度和結焦系數的影響■—爐入口溫度； ●—對流段出口溫度； ▲—輻射段1出口溫度； 輻射段2出口溫度； 輻射段3出口溫度。圖4同

圖4 原料油加工負荷對爐管溫度和結焦系數的影響

由圖4可以看出：在加熱爐熱負荷不變的情況下，隨著原料油加工負荷不斷增大，各段爐管出口溫度不斷降低；當原料油加工負荷分別為105%，120%，140%時，加熱爐出口溫度分別為480.7，469.2，456.4 ℃，無法滿足原料油進焦化塔的的溫度要求(485 ℃)，需要提高熱負荷或者降低注汽量(提高原料油在爐管停留時間)，以提高原料油在加熱爐內的吸熱量，進而保證加熱爐出口的原料油溫度滿足要求；當原料油加工負荷小于100%時，原料油溫度過高，比如當原料加工負荷為60%時，出口溫度高達530.1 ℃，遠高于485 ℃，爐管結焦系數為0.264，為設計工況對應結焦系數的9.10倍。此時爐管易超溫、易結焦，需要降低加熱爐熱負荷、提高注汽量，以降低結焦系數及加熱爐出口的原料油溫度。

在煉油廠實際生產中，當原料油加工負荷波動時，為保證原料油出口溫度達到要求值(485 ℃)，加熱爐熱負荷也會發生變化，需要根據實際情況進行調整。因此在后面計算中增加熱負荷自動調節模塊，通過選擇合適的加熱爐熱負荷，可以確保加熱爐出口溫度達到要求，在此基礎上，對注汽量進行進一步優化，保證爐管結焦系數在合理范圍。

2.2 注汽量對加熱爐熱負荷、結焦系數的影響

在煉油廠實際操作過程中，主要通過DCS系統調整加熱爐熱負荷，使出口原料油溫度達到設定值，但對注汽量的調整缺乏明確方向，調整較少。因此在不改變原料油加工負荷的情況下，基于目前某煉油廠采用的三點注汽量(qh1，qh2，qh3分別為56，205，250 kgh)，采用熱負荷自動調節計算，在其他點注汽量不變的情況下，通過變化某一點注汽量的數值，分析各點注汽量對加熱爐熱負荷、結焦系數的影響，結果如圖5和圖6所示。

圖5 三點注汽量對加熱爐熱負荷的影響■—第1點； ●—第2點； ▲—第3點。圖6同

圖6 三點注汽量對結焦系數的影響

2.3 三點注汽量的優化

為了更好地優化延遲焦化加熱爐的結焦問題，在實際操作中，加熱爐中的原料油結焦程度既不能太強也不能弱。將結焦系數控制在一個合理范圍，能夠保證正常開工周期里爐管不結焦，也能保證加熱爐熱負荷、三點注汽量等參數的合理分配。本研究通過采用加熱爐長期運行工況條件下對應的結焦系數0.029，對不同原料油加工負荷下的熱負荷進行能耗優化計算。優化前加熱爐熱負荷、結焦系數與原料油加工負荷的關系如圖7所示。

圖7 優化前加熱爐熱負荷、結焦系數與原料油加工負荷的關系■—熱負荷； ●—結焦系數。圖8同

由圖7可以看出：優化前，在不改變注汽量且加熱爐出口溫度不變的情況下，原料油加工負荷對加熱爐熱負荷的影響作用明顯；當原料油加工負荷在60%～140%的范圍內變化時，熱負荷在設計工況熱負荷的75%～127%范圍內波動；當原料油加工負荷低于額定工況的情況下，爐管中原料油流速較小，隨著加工負荷不斷降低，結焦系數也不斷增加，比如在60%的加工負荷時，結焦系數可以提高到0.041，為額定原料油加工負荷下結焦系數的1.41倍，此時爐管容易結焦，應適當提高注汽量，降低結焦系數；在原料油加工負荷高于額定工況的情況下，爐管中原料油流速較大，結焦系數明顯低于額定工況下的結焦系數，在原料油加工負荷為140%的工況下，結焦系數為0.023，降至額定工況下結焦系數的0.79倍，爐管不容易結焦，此時可適當降低注汽量，使得結焦系數適當提升，同時加熱爐瓦斯消耗量也會下降，起到節能降耗的作用。

裝置實際運行中，加熱爐爐管的結焦程度既不能太強也不能太弱，合理的結焦系數范圍能夠保證爐管不結焦，也能夠保證瓦斯消耗量、注汽量等參數的合理分配。本注汽模型的核心在于將各工況下的加熱爐結焦系數(也就是爐管結焦程度)穩定在一個相對固定的范圍內。如果當前工況下爐管非常不易結焦，說明爐管內原料油注汽量過大，爐管內原料油的流速過大，原料油停留時間短，瓦斯量消耗量過大。這時應該智能調節注汽量、熱負荷(瓦斯量)，使得結焦系數適當提高。如果當前工況下爐管很容易結焦，說明注汽量過小，爐管內原料油的流速過小，這時應該提高注汽量，使得結焦系數適當降低。

在現有注汽量的情況下(qh1，qh2，qh3分別為56，205，250 kgh)，裝置在開工周期內沒有出現結焦問題，說明對應的結焦系數0.029是可以接受的。因此根據現有注汽方案對應的結焦系數，同時優化熱負荷和注汽量，進行了基于能耗的再次優化，使各工況下的結焦系數在目前結焦系數的±3%范圍內變化，優化后加熱爐熱負荷、結焦系數如圖8所示，優化后各點注汽量如圖9所示。

圖8 優化前后加熱爐熱負荷、結焦系數與原料油加工負荷的關系

圖9 優化后不同原料油加工負荷下的3點注汽量■—第1點； ■—第2點； ■—第3點

從圖8可以看出：通過優化，在各工況下的結焦系數與已有工況下的額定結焦系數0.029基本一致，說明此時爐管不易結焦；相比圖7，加熱爐熱負荷也有了一定優化，在原料油加工負荷為90%～140%的條件下，優化后的額定工況熱負荷較優化前下降了4.0%～20.0%，在原料油加工負荷低于90%的條件下，為了保證不結焦，加熱爐額定工況熱負荷有了一定提高，較優化前的數值增加了2.0%～12.0%。

從圖9可以看出：優化后，在不同原料油加工負荷下，三點注汽量相比現有注汽量(56，205，250 kgh)也有了一定的調整；在各原料油加工負荷條件下，第3點注汽量均降低至50 kgh，主要原因是第3點注汽在加熱爐爐管末端，對原料油在爐管內的受熱和結焦影響較弱；當原料油加工負荷較低時(小于100%)，主要調節了第2點注汽量，比如在原料油加工負荷為60%的工況下，第2點注汽量提高至327 kgh，主要原因是第2點注汽對于加熱爐熱負荷和結焦程度的影響較大；在原料油加工負荷較高時(大于100%)，主要降低了第1點和第2點注汽總量，主要原因是此時原料油流速較高，不再需要注入過多蒸汽以提高原料油流速。通過智能優化計算，各原料油加工負荷下的三點注汽量也有了一定的下降，總注汽量降低84～360 kgh。

3 結 論

(1)基于熱負荷自動調節的模型，對國內某煉油廠延遲焦化加熱爐三點注汽問題進行了分析，發現第1點和第2點注汽量對加熱爐熱負荷和結焦程度的調節較為敏感，第3點注汽量對加熱爐熱負荷和結焦程度的影響相對較弱。

(2)在原料油加工負荷低于額定工況的情況下，原料油在爐管內的流速較小，加熱爐結焦系數高于額定工況下的結焦系數，加熱爐爐管容易結焦，此時應適當提高注汽量，使結焦系數降低。

(3)在原料油加工負荷高于額定工況的情況下，原料油在爐管內的流速較大，加熱爐結焦系數低于額定工況下的結焦系數，加熱爐爐管不容易結焦，此時可適當降低注汽量，使結焦系數適當提升，同時使瓦斯消耗量下降，起到節能降耗的作用。

(4)加熱爐爐管的結焦程度既不能太強也不能太弱，合適的結焦系數既能保證爐管不結焦，也能保證瓦斯量、注汽量等參數的合理分配。