淺析從管理方面降低企業氮氣消耗

王 家 劉敬釗 李 浩

(中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南洛陽，471012)

1 研究背景

煉廠常使用氮氣對機泵密封進行保護，或作為罐體覆蓋氣，或作為設備吹掃介質使用。氮氣是煉廠生產必不可少的公用介質，相較于燃料、蒸汽等，因其單位價格偏低，管控時往往未受到一些企業的重視。為此，某公司通過組織專業人員摸排全廠氮氣用量情況，按照“必用減量，能停必?！钡脑瓌t，提升操作水平，有效減少氮氣消耗。同時，針對氮氣流量計安裝不規范、計量不精準等問題，制定措施，限期整改。

2020年12月，該公司氮氣總消耗量為789.7萬 Nm3，外購量為542.1萬 Nm3。同時，2021年部分新建單元投用，氮氣消耗量進一步增加。2020年12月，氮氣總消耗量如表1所示。

表1 優化前該公司氮氣消耗情況

2 模擬計算

針對煉廠氮氣的泄漏及計量不準情況，提出“管線泄漏計算”和“計量模塊偏差計算”兩個重點問題進行計算。

2.1 管線泄漏計算

煉廠中氮氣服務站、VOCs補壓處，易存在閥門未關閉或失靈的情況，造成氮氣大量外排，為精確計算氮氣外排量，特提出此項計算說明。

對于該種情況，將閥門處簡化為限流孔板進行計算，依據HG-T20570.15-95 《管道限流孔板的設置》，有“氣體、蒸汽的單孔板計算公式(3.0.1-1)”[1]，如公式1。

(公式1)

公式1中，W：流體的重量流量，kg/h；D：管道內徑，m(煉廠中常用氮氣服務站管徑為0.02m)；d0：孔板孔徑，m(設定孔板孔徑為0.01m，則有d0/D=0.5)；C：孔板流量系數，由Re和d0/D值查HG-T20570.15-95《管道限流孔板的設置》標準中圖6.0.1所得(近似取C=0.62)；P1：孔板前壓力，Pa(煉廠管網壓力約為6×105Pa)；P2：孔板后壓力或臨界限流壓力，取其大者，Pa(對于空氣及雙原子氣體，臨界限流壓力的推薦值Pc=0.53P1=3.2×105Pa)；M：分子量(氮氣分子量為28)；Z：壓縮系數(取1)；T：孔板前流體溫度，K(以常溫300K計算)；k：絕熱指數，k(氮氣為1.4)。

將以上數據代入公式1可得：

即：

W=235.85kg/h=188.79Nm3/h

由此可知，如果一根直徑20mm的氮氣管線閥門未關嚴的話，每小時泄漏量可達約200 Nm3/h。

利用此公式進行計算，若管線全開，則氮氣泄漏量可達943 Nm3/h。

2.2 計量模塊偏差計算

企業的物料衡算過程主要利用的是計量器具，該器具的計量準確度直接影響到計量數據的偏差，同時對企業的數據統計、經濟核算等方面帶來影響。因此，計量器具的精確性是企業進行生產決策、數據統計的基礎。在工業生產中氣體的計量，環境溫度、壓力是計量器具計算模塊的基礎條件數據，為保證計算的準確性，往往需要通過溫壓補償的手段進行維護[2]。

常用溫壓補償公式為[3]：

(公式2)

公式2中：F：流量；C1：設計溫度，K；C2：設計壓力，kPa；P1：實際壓力，kPa；P2：實際溫度，℃；P3：未補償前流量。

為提高氮氣管網運行效率，企業常使用降低管網壓力的措施，單對于各計量點，若未及時調整溫壓補償模塊參數，將會造成計量偏差。

設定原氮氣管網壓力為0.7MPa，優化后管網壓力降低至0.6MPa。

利用公式2進行計算可知，對于此項工況變化，對于一處標況流量為200 Nm3/h、工作壓力為0.7MPa的流量計點，若工作壓力降低為0.6MPa，則流量降低至175 Nm3/h，降低量為25 Nm3/h。

因此，對于管網壓力變化的計量點，要及時校準溫壓補償模塊，防止存在計量缺失。

3 對策實施

為降低全廠氮氣消耗量及管網不平衡量，該公司主要采取了以下節能措施：

3.1 減少儲罐VOCs系統氮封用量

儲罐VOCs治理主要針對油品儲運罐區按相關規范或規定需要治理的儲罐無組織排放的罐頂油氣進行集中收集并治理[4]，該公司主要使用氮氣進行密封保護。經過估算，每月儲罐VOCs氮封用量約為195萬 Nm3(約2600 Nm3/h)，占該公司氮氣用量的25.4%。圖1為該公司某罐區氮封VOCs治理簡圖。

圖1 該公司某罐區氮封VOCs治理簡圖

3.1.1 做好儲罐VOCs系統密封排查

儲罐VOCs系統中，各儲罐氮氣管線常用管徑為40mm，根據上述2.1節計算可知，若存在氮氣補壓點泄漏，將會造成大量氮氣浪費。圖2為該公司某儲油罐VOCs密封點治理前后罐頂壓力變化趨勢，從圖2中可以看出，2022年9月30日治理前，該罐頂壓力波動十分頻繁，通過判斷，確認存在VOCs密封點泄漏的可能。經過治理，2022年9月30日后，極大降低了該罐的罐頂壓力波動次數，同時降低了補氮量約800 Nm3/h。

圖2 該公司某儲油罐VOCs密封點治理前后罐頂壓力變化趨勢

3.1.2 優化儲罐VOCs系統氮封壓力

在《中國石化煉發函〔2016〕127號》文件中，提出，為避免儲油罐發生因負壓導致空氣由呼吸閥進入內部的情況，需要保證罐頂壓力為微正壓。該文件同時給出氮封閥的壓力設定建議值范圍為0.2kPa至0.5kPa。若儲罐內罐頂壓力較氮封閥設定壓力較低時，閥門打開，氮氣由氮封閥進入罐內；反之閥門關閉，停止氮氣進入。

正常情況下使用氮封閥組維持罐內氣相空間壓力在0.3kPa左右，當氣相空間壓力高于0.5kPa時，氮封閥關閉，停止氮氣供應；當氣相空間壓力低于0.2kPa時，氮封閥開啟，開始補充氮氣。

若設定壓力偏高，將會造成補氮量的極大增加。

3.2 泄漏點排查

運行時間較長的煉廠經歷的改造次數較多，存在較多分支管線，管理難度較大，易造成疏漏。為降低非生產消耗，該公司分公司級、運行部級對全廠管網進行排查，對氮氣系統管線進行分級處理：(1)若該管線已停用，則進行盲板隔離。(2)若該管線間斷使用，根據使用頻次，可對閥門進行關閉，加裝鉛封，做好使用期間用量臺賬。(3)對于長期使用的管線，做好流量對比維護。

3.3 計量點排查

由上述2.2節敘述可知，在氮氣系統管網壓力變化后，要及時校準溫壓補償等模塊參數。通過對氮氣管網流量計進行排查，不僅發現部分計量點存在溫壓補償參數偏差較大的情況，還發現部分計量器具安裝不規范的情況。例如部分流量計安裝位置與管線彎頭過近，流量計安裝存在傾斜角等情況，對于該種情況，已提報檢修項目進行處理。

3.4 優化氮氣保護壓力

根據生產調整，煉廠存在部分裝置、儲罐等停用的情況，為減少設備腐蝕，常利用氮氣充壓的方式。

因大型裝置或設備的法蘭、閥門等密封部位易存在泄漏情況，為減少氮氣補充量，應降低設備保護壓力。

3.5 更改密封介質

為提高管網運行效率，應合理選用密封介質。例如，部分設備通過氮氣密封，介質后路排放至低壓瓦斯管網，易造成瓦斯管網氮氣組分增加，降低瓦斯熱值，最終導致各加熱爐瓦斯消耗量增加，影響裝置能耗。

因此，該部分設備密封介質，可選用煉廠干氣等進行密封，減少瓦斯管網中氮氣占比。同時，部分加熱爐流量計使用氮氣密封，后路排放至進爐瓦斯線，為保護設備，可更改為工業風進行密封，不僅能降低密封成本，還可提高瓦斯熱值。

4 實施效果

4.1 優化儲罐VOCs系統

通過3.1節對策實施，排查系統漏點，更換呼吸閥墊片，該公司罐區氮氣消耗量合計降低近800 Nm3/h。

4.2 泄漏點、計量點排查

通過對氮氣管網進行排查，管網實時不平衡量由4230 Nm3/h，降低至2500 Nm3/h(降低了1730 Nm3/h)。

4.3 優化氮氣保護壓力、更改密封介質

1#重整、焦化通過調整設備保護壓力、機組氮氣使用方式等，氮氣流量分別由原來的623 Nm3/h、170 Nm3/h，降低至200 Nm3/h、104 Nm3/h。

經過優化攻關，近期氮氣每月外購費用由365萬元降低至266萬元，全年增效近1200萬元。

5 總結

通過針對煉化企業常見的管線泄漏、計量模塊偏差等工況進行分析計算，對氮氣優化提供數據支持。經過一系列對策分析實施，該公司針對氮氣管網優化取得了較大成效。

但仍存在一些遺留問題，例如：(1)部分裝置氮氣流量計存在安裝不規范、故障等問題，無法在線切除整改；(2)部分裝置大型機組氮氣消耗量仍較高；(3)管網不平衡量仍較高等。針對以上問題，還需進一步精細化處理，以使外購氮氣量降低到最優水平。