常减压装置中段取热优化的碳排放驱动效果分析

王子健，，刘烜辰，杨川京，杜永鑫，姜冠伦，叶剑云

（1.中国石油大学（北京）理学院，北京 102249；2.中石化节能技术服务有限公司，北京 100013）

随着人口压力和能源需求的逐渐增大，环境问题越来越成为限制经济发展的主要因素。为此我国签订了诸如《京都协定书》[1]和《哥本哈根协议》等与各国合作共同实现减排目标的条约。石化行业是我国工业部门中能源消耗占比最大的行业之一[2]，常减压工艺作为原油分馏过程的重要环节，因处理量和能耗占比较大而成为学者们广泛研究的课题。Aspen PIMS[3]和GIOPIMS[4-5]作为装置集成优化的软件被广泛应用，王如强[6]等在生产规划基础上引入了企业利润的因素使其更符合企业生产运行的需要；董晓杨等[7]建立了实沸点切割非线性模型进行常减压装置的集成优化；郝亚苹[8]等分析了中段取热对侧线产品收率的影响，但在优化的过程中并未对利润以及产品碳排放等因素进行分析。文章基于Aspen Plus流程模拟软件及其相关组件，分析了不同中段取热条件对装置净利润以及碳排放量变化的影响，为企业在保证经济效益的同时限制碳排放提供理论基础。

1 工艺生产简介及模型建立

以某炼化企业3#常减压装置为例，初馏塔塔顶、常压塔塔顶以及减压塔塔顶都会产出少量轻烃，初馏塔和常压塔塔顶产品为石脑油；常一线、常二线和常三线产品分别为航空煤油、轻柴油和重柴油；减一线、减二线、减三线以及减底产品分别为重柴油、轻蜡油、重蜡油以及减压渣油。工艺流程如图1所示。

1.1 装置净利润核算标准的建立

假设侧线产品与原油价格差为w，由于企业缺乏相关的核算数据，该部分经济核算采用More R.K.[9]等人采用的数值。支出费用主要包括换热器维护和折旧费用的变化，由Aspen Energy Analysis计算，如式（1）、（2）和（3）所示[10]，装置净利润计算可简化为式（4）；公用工程费用的变化仍然采用More R.K.等人使用的数值以保证核算标准的一致性，具体数值如表1所示。其中美元汇率按1∶7折算；式（1）中a，b，c分别取1 500，5 000，0.83[11]；式（2）中收益率ROR取10%，设备使用年限PL取15年[12]。

图1 常减压装置工艺流程

表1 产品及公用工程价格估算[11]

式中：Ki—换热设备费用，元/a；Ai—换热设备换热面积，m2；Si—换热设备壳程数，无量纲；AF—年因子，无量纲；ki—换热设备维护及折旧费用，元/年；p—装置净利润，元/a。

1.2 装置碳排放核算标准的建立

温室气体排放的计量方法主要包含两大类[13]：1）基于计算的排放因子法和物料平衡法；2）基于测量的方法。针对全套装置进行排放统计时应用“测量法”统计相对困难，因此统一采用排放因子法进行计算。碳排放核算标准遵循SH/T 5000－2011《石油化工生产企业CO2排放量计算方法》[14]和GB/T 50441－2016《石油化工设计能耗计算标准》[15]进行核算。其中低位热值参照GB/T 2589－2008《综合能耗计算通则》[16]，根据上述核算标准计算常减压装置CO2排放系数，结果如表2所示。

根据表2数据，结合企业能耗统计数据得知，该企业3#常减压装置按照年开工8 400 h计算CO2排放量为225 292 t CO2/a，其中燃料气、电以及蒸汽碳排放居于主导地位。以上分析结论为下文进行中段取热优化对净利润和碳排放的影响分析提供了理论基础。

2 中段取热优化分析

采用PetroFrac石油精馏模型以及适用于低压体系的BK-10方程对常减压装置进行模拟，模拟过程基于以下4点假设：①原油由各侧线产品混合而成进行模拟；②电脱盐工艺前后原油热容保持不变；③中段取热优化对循环水和燃料气使用量变化的影响最为明显，其他因素暂不计入；④换热网络流程优化前后保持不变。

表2 常减压装置CO2排放计算依据

2.1 常压塔中段取热优化分析

在优化初馏塔进料温度、蒸汽汽提量以及初馏塔侧线抽出量等工艺参数的基础上，分析常压塔高温位中段取热比例对装置的净利润和碳排放的影响，如图2所示，其中美元汇率按照1∶7进行核算。

由图2中信息结合常压塔换热流程可知，常二中参与初底油换热，随着常二中取热比例的增加，原油进入常压炉的温度提高，从而导致常压炉负荷的降低，降低了燃料气的使用量，因此燃料气的减排量逐渐增加；同时常顶循和常一中只参与脱前和脱后原油换热，随着取热比例的降低，为了在原换热网络的基础上保持脱前原油和脱后原油的换热终温不变，需要更大的换热面积，因此换热设备的投资总额逐渐增加；与此同时减少了低温热的产生，降低了循环水的使用量，所以循环水的减排量逐渐增加[17]。常压塔轻油拔出率随常二中取热比例变化基本不变。综上所述，装置取热比例与装置减排量和净利润均呈正相关，因此当常二中取热比例从33.1%提高到38.1%时，可增加约1 300万元/年净利润的同时，减小约4 117 t CO2/a碳排放。

2.2 减压塔中段取热优化分析

对其他参数优化后的减压塔进行中段取热分析如图3所示。

由图3中信息结合减压塔换热流程可知，减二中、减三中以及减渣参与初底油换热，随着减三中取热比例的增加，原油进入减压炉的温度提高，从而导致减压炉负荷的降低，降低了燃料气的使用量，因此燃料气的减排量逐渐增加；同时减一中和减二中取热比例会降低，为了在原换热网络的基础上保持脱前原油和脱后原油的换热终温不变，需要更大的换热面积，因此换热设备的投资总额逐渐增加；与此同时减少了低温热的产生，降低了循环水的使用量，所以循环水的减排量逐渐增加。与常压塔不同的是，减压塔过气化率相对较低，减三中取热的增加会降低减压塔的轻油拔出率，经核算净利润逐渐降低。综上所述，装置取热比例与装置减排量呈正相关，而与净利润呈负相关。优化原则为限制碳排放在合理范围内的同时尽可能地提高企业利润，因此可将减三中取热比例由40.0%降低到35.4%时，虽增加约644 t CO2/a排放，但增加约1.33亿元/年净利润。对优化前后工况进行工艺指标和操作弹性分析，如表3所示。

图2 常压塔中段取热分析

图3 减压塔中段取热分析

表3 优化前后参数对比[17]

由表3可知，在其他工艺参数优化的基础上，通过中段取热优化调整后产品的工艺指标符合生产要求，产品产率也在下游装置操作弹性范围内，因此该优化存在实施的可行性。

3 结论与展望

在传统的成本利润核算的基础上，结合国标和行标的相关标准，综合考虑碳排放因素得到以下结论。

1）由于常压塔过气化率相对较高，在一定操作范围内，随着常二中取热比例的增加，燃料气碳排放量逐渐降低，循环水碳排放量逐渐降低，因此总排放量逐渐降低；轻油拔出率基本不变，经核算净利润逐渐升高。因此当常二中取热比例从33.1%提高到38.1%时，可增加约1 300万/a净利润的同时，减小约4 117 t CO2/a的装置排放。

2）由于减压塔过气化率相对较低，在一定操作范围内，随着减三中取热比例的增加，燃料气碳排放量逐渐降低，循环水碳排放量逐渐降低，因此总排放量逐渐降低；但轻油拔出率逐渐下降，经核算净利润逐渐降低。通过对减压塔净利润和装置排放进一步分析，确定当减三中取热比例由40.0%降低到35.4%时，虽然增加约644 t CO2/a装置排放，但增加约1.33亿元/a净利润。

通过调整常压塔和减压塔中段高温位取热比例，共可减少3 473 t CO2/a装置排放，约占装置总排放量的1.5%，合计可以增加约1.46亿元/a净利润。

3）通过对比常压塔和减压塔不同中段取热比例的净利润与碳排放关系可知，高温位取热量的增加有利于提高原油换热终温从而提高装置减排量，但高温位取热量的增加不利于提高轻油的拔出率从而降低装置净利润，企业可根据生产规划和国家政策规定进行相应调整。

4）因更改固定换热器来承担中段取热变化带来的影响存在一定局限性，且侧线产品及公用工程价格也仅供参考，但整体变化趋势可为企业进行相关优化提供理论基础。