不同乙烯產品外送方案對乙烯裝置能耗和經濟性的影響

白宇辰

（中國石化工程建設有限公司，北京 100101）

乙烯裝置中，乙烯冷劑處于“壓縮-冷凝-節流-蒸發”的壓縮制冷循環中，由于受乙烯臨界點的限制，乙烯冷劑不可能在環境溫度下冷凝，其冷凝溫度必須低于其臨界溫度（9.9℃），需要用丙烯冷劑對其進行逐級冷卻和冷凝，構成了乙烯-丙烯復迭制冷循環[1]。乙烯裝置通常包括乙烯制冷單元和丙烯制冷單元。其中，乙烯制冷系統用于提供裂解氣低溫分離系統所需-101～-40℃各溫度級位的冷量，主要冷量用戶為裂解氣進入冷箱和脫甲烷系統的預冷以及脫甲烷塔頂冷凝（高壓脫甲烷工藝流程）。丙烯制冷系統為裂解氣分離系統提供-40℃以上的各溫度級位的冷量，主要冷量用戶為裂解氣的預冷、乙烯冷劑冷凝、乙烯精餾塔、脫乙烷塔、脫丙烷塔頂冷凝等。乙烯制冷壓縮機出口的乙烯冷劑用不同溫位的丙烯進行冷卻和冷凝。

某100萬噸/年的乙烯裝置采用前脫丙烷前加氫流程進行低壓乙烯精餾，塔頂操作壓力約0.6 MPa。乙烯制冷系統與乙烯精餾塔組成開式熱泵系統。乙烯精餾塔頂乙烯氣相送入乙烯制冷壓縮機三段吸入罐，壓縮機的三段抽出氣相作為乙烯精餾塔中沸器的熱源，四段出口氣相作為乙烯精餾塔再沸器的熱源，兩股熱媒完成換熱并冷凝后，合并作為乙烯精餾塔的回流。此時乙烯精餾塔成為乙烯制冷壓縮機的一個吸入罐，提高乙烯精餾過程的熱效率，但會相應增加乙烯制冷壓縮機的的功耗。相對閉式熱泵系統，總體大幅降低了低壓乙烯精餾的能耗[2]。

乙烯產品外送流程是乙烯裝置的重要組成部分，是連接乙烯裝置和下游生產裝置的紐帶，外送流程的穩定性決定著下游裝置的整體穩定[3]。該乙烯裝置的乙烯產品由乙烯制冷系統提供，與乙烯裝置配套的2套下游生產裝置，分別需要70萬噸/年氣相乙烯產品（3.5 MPa，30℃）和30萬噸/年氣相乙烯產品（2.1 MPa，30℃）。

文章采用PRO Ⅱ計算軟件，對乙烯制冷系統和丙烯制冷系統進行流程模擬，研究3個不同乙烯產品的外送方案對2個制冷機功率、裝置能耗、投資以及操作運行成本的影響，根據具體的對比情況確定了最優化的乙烯產品外送方案。乙烯制冷系統的低溫乙烯冷劑有3個溫度等級，壓縮機有五段，乙烯產品可由五段氣相直接采出或在四段出口冷凝，經乙烯產品泵增壓后加熱、汽化并過熱后送出界區，流程見圖1。丙烯制冷系統是一個閉路循環，低溫丙烯冷劑有4個溫度等級，壓縮機有四段，流程見圖2。

圖1 乙烯制冷系統

圖2 丙烯制冷系統

1 乙烯產品外送方案設計

1）方案一，70萬噸/年的乙烯產品由乙烯制冷壓縮機五段氣相外送，送出裝置的界區壓力約為3.5 MPa；30萬噸/年的乙烯產品經乙烯制冷壓縮機四段出口被丙烯冷劑冷卻并液化，由乙烯產品泵增壓后，再被不同級位的丙烯冷劑經乙烯產品脫過冷器、汽化器和過熱器加熱、汽化并過熱至30℃后送出界區，界區壓力約為2.1 MPa。

由于四段出口的乙烯冷劑收集罐的壓力僅為1.645 MPa，因此四段出口的液相乙烯產品需要先進行增壓至外送壓力。乙烯產品泵需要2臺，一開一備，經計算，其功率約為20 kW。

2）方案二，30萬噸/年的乙烯產品由乙烯制冷壓縮機五段氣相外送，70萬噸/年的乙烯產品經乙烯制冷壓縮機四段出口外送，除乙烯產品產能不同外，其余外送條件及界區壓力均與方案一一致。

同樣，四段出口的液相乙烯產品也需要先進行增壓至外送壓力。乙烯產品泵需要2臺，一開一備。因外送乙烯的產品量不同，所以其功率也不同。方案二中乙烯產品泵的功率約為47 kW。

3）方案三，100萬噸/年的乙烯產品由乙烯制冷壓縮機五段氣相外送，送出裝置的界區壓力約為3.5 MPa。其中70萬噸/年的乙烯產品直接送往下游裝置，30萬噸/年的乙烯產品經調節閥減壓至2.1 MPa后再送往下游裝置。

由于100萬噸/年的乙烯產品都由乙烯制冷壓縮機五段外送，因此，不需要從四段抽出液相乙烯增壓和汽化送往下游裝置。乙烯產品脫過冷器、乙烯產品汽化器和乙烯產品過熱器的熱負荷均為0。此時不需要額外的乙烯產品泵。

2 3個乙烯產品外送方案的具體比較與分析

2.1 對乙烯裝置制冷機功率和能耗的影響

3個方案的乙烯制冷壓縮機功率比較見表1。對乙烯制冷壓縮機而言，方案三的功率最大，分別比方案一、二增加713 kW和1 672 kW，其功率由大到小的依次為方案三＞方案一＞方案二。主要原因是方案三中的全部乙烯產品都由壓縮機五段采出，造成壓縮機的五段負荷增加。

3個方案的丙烯制冷壓縮機的功率比較見表2。對丙烯制冷壓縮機而言，方案二的功率最大，比方案一增加1 314 kW，比方案三增加2 643 kW。其功率由大到小的依次為方案二＞方案一＞方案三。方案三雖然沒有利用丙烯冷劑回收其他2個方案中四段出口低溫液相乙烯的冷量，但是其總功率仍然是下降的。因為乙烯制冷壓縮機五段出口的外送量的增加會大幅減小壓縮機四段出口的丙烯冷劑用戶的熱負荷，導致丙烯制冷壓縮機的負荷降低，因此乙烯外送量的大小對丙烯制冷壓縮機的運行參數影響很大[4]。

表2 丙烯制冷壓縮機的各段功率 kW

乙烯制冷壓縮機的透平采用高壓蒸汽驅動，而丙烯制冷壓縮機的透平采用超高壓蒸汽驅動。從能耗角度出發，由于方案三的丙烯制冷壓縮機的功率最小，因此所節省的超高壓蒸汽最多；雖然乙烯制冷壓縮機透平消耗的高壓蒸汽用量最多，但總體來說能耗得到降低。

乙烯制冷壓縮機四段出口的脫過熱器和冷凝器的負荷情況見表3。從表3可以看出，采用方案三時，四段出口換熱器的熱負荷最低。這是因為當采用全部乙烯產品由五段出口外送時，大幅降低了壓縮機四段用于冷卻和冷凝的乙烯流量，導致換熱器的熱負荷降低。

表3 四段出口脫過熱器/冷凝器的熱負荷 mW

乙烯制冷壓縮機四段出口液相乙烯產品的脫過冷器、汽化器和過熱器的熱負荷情況見表4。從表4可以看出，采用方案三時，由于乙烯產品都從五段送出，因此不需要換熱器。方案二的熱負荷明顯大于方案一，主要是因為方案二需要將70萬噸/年的乙烯產品汽化和過熱，而方案一僅需汽化和過熱30萬噸/年的乙烯產品。

表4 四段出口脫過冷器/汽化器/過熱器的熱負荷 mW

丙烯制冷壓縮機出口溫度約70℃，需要利用循環冷卻水為冷媒將其冷凝。3個方案中，丙烯制冷壓縮機功率不同，因此其出口冷凝器的熱負荷也不同，造成了所消耗的循環冷卻水的流量也不同。以方案三作為基準，方案一的循環冷卻水用量增量為414噸/小時，方案二的循環冷卻水增量為823噸/小時。

此外，不同的乙烯產品外送方案對應不同的低溫乙烯產品輸送泵的功率。方案三中由于全部由五段氣相外送，因此不需要低溫乙烯產品輸送泵。以方案三為基準，方案一的乙烯產品輸送泵電力消耗增量為20 kW，方案二電力消耗增量為47 kW。

綜合以上影響因素，3個方案的水、電、氣消耗量和能耗的具體比較見表5。

表5 3個方案水、電、氣消耗量和能耗比較

從表5可以看出，3個方案中，方案三的能耗是最低的，比方案一的低3.8千克標油/噸乙烯，比方案二的低5.9千克標油/噸乙烯。因此采用方案三的乙烯產品外送方案的經濟性最佳。

2.2 對設備臺數的影響

上述3個方案中，方案三所需的設備臺數最少。由于采用了全部五段氣相外送，壓縮機四段出口不需要設置脫過冷器、汽化器和過熱器，而且也不需要設置乙烯產品輸送泵。因此采用方案三節省了3臺換熱器（其中2臺為板翅式換熱器、1臺為釜式換熱器）和2臺低溫乙烯產品泵。設備臺數的減少同樣可以相應減少裝置的占地面積。

而在方案一和方案二中，都有不同流量的乙烯產品在乙烯制冷壓縮機四段出口被冷凝，然后經泵加壓再汽化、過熱后送出裝置，因此2臺低溫乙烯產品輸送泵、脫過冷器、汽化器和過熱器都不能減少。

2.3 對裝置投資的影響

上述3個方案中，乙烯產品脫過冷器、汽化器和過熱器的熱負荷不同，同時乙烯冷劑1#脫過熱器、2#脫過熱器和冷凝器的熱負荷也不盡相同。因此這些換熱器熱負荷的差異造成了它們的換熱面積不同，直接將會影響到裝置投資的差異。此外，是否需要低溫乙烯產品輸送泵以及該泵功率的不同也會造成投資差異。3個方案的具體投資比較見表6。

表6 3個方案裝置投資比較 萬元

從表6可以看出，在3個方案中，方案三的投資最少，比方案一節省288萬元，比方案二節省475萬元，投資有著明顯差異。采用方案三的乙烯產品外送方案最節省投資成本。

2.4 對操作運行費用的影響

3個方案中，壓縮機的功率不同，因此公用工程的消耗也不同，造成操作費用差異。具體操作運行費用的比較見表7。

表7 3個方案操作運行費用比較 萬元/年

從表7可以看出，在3個方案中，方案三的年操作運行費用最少，分別比方案一、二節省約2 057萬元、3 432萬元，每噸乙烯產品的操作運行費用分別節省20.57元、34.32元。因此采用方案三的經濟效益最為明顯，提高了乙烯裝置的市場競爭力。

3 結論

1）乙烯產品采用全部從乙烯制冷壓縮機五段出口直接外送的方案，能耗最低。3個方案中能耗由低到高的依次是方案三＜方案一＜方案二。

2）乙烯產品采用全部從乙烯制冷壓縮機五段出口直接外送的方案，設備臺數最少，投資最低。3個方案中投資由低到高的依次是方案三＜方案一＜方案二。

3）乙烯產品采用全部從乙烯制冷壓縮機五段出口直接外送的方案，年操作運行費用最少。3個方案的年操作運行費用由低到高的依次是方案三＜方案一＜方案二。

4）由3個方案的對比可知，乙烯產品外送方案影響著裝置的能耗、投資和年操作運行費用。應首選方案三的乙烯產品外送方式，可以顯著降低裝置的能耗、投資和操作費用，經濟效益明顯。