高压低密度聚乙烯装置能耗分析及优化

王 文

(中国石化上海石油化工股份有限公司塑料部，上海 200540)

高压低密度聚乙烯装置能耗分析及优化

王 文

(中国石化上海石油化工股份有限公司塑料部，上海 200540)

分析了中国石化上海石油化工股份有限公司塑料部两套高压低密度聚乙烯装置能耗的构成，针对影响装置能耗的主要因素，采用调整反应压力、调整压缩比、技术改造、合理控制和充分利用反应热等方法，有效地降低了高压低密度聚乙烯装置的能耗。

高压低密度聚乙烯 能耗 蒸汽 水 电

中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)塑料部共有两套高压低密度聚乙烯(LDPE)装置：第一套LDPE装置(以下简称1PE装置)设计生产能力为60 kt/a，共两条生产线，设计年开工时间为7 464 h，1976年9月7日投产，装置采用日本三菱油化—联邦德国巴斯夫超高压管式E法高压聚乙烯技术专利，经过多次改造，现装置生产能力达90 kt/a；第二套LDPE装置(简称2PE装置)设计生产能力为80 kt/a，系引进日本三菱油化公司超高压管式法专利，设计年开工时间为8 000 h，经过工艺优化，现生产能力达110 kt/a。

由于上海石化两套LDPE装置生产规模较小，投产时间早等原因，装置能耗一直高于中国石油化工集团内同类装置。文章就1PE和2PE装置的能耗组成进行分析，找出影响装置能耗的主要因素，并针对分析提出降低装置能耗的措施。

1 LDPE装置能耗构成分析

1PE和2PE装置的月能耗构成数据见表1。

表1 1PE和2PE装置的月能耗构成

由表1可知：1PE装置电消耗占装置总能耗的92.11%,高压蒸汽消耗占总能耗的4.23%，低压蒸气消耗所占比例为1.74%；2PE装置的电消耗占装置总能耗的91.65%，高压蒸汽消耗占装置总能耗的6.20%，低压蒸气消耗占装置总能耗的0.17%。从月能耗构成可以看出：影响高压装置能耗的因素主要是电和蒸汽，二者之和为装置能耗的98%。由于1PE和2PE为同类装置，以下讨论时将两者合称为LDPE装置。

1.1 装置电耗分析

LDPE是由乙烯在高压、高温和使用引发剂作用下形成的，生产LDPE的乙烯聚合反应服从自由基聚合方程，包括链引发、链增长、链转移和链终止等基本反应。乙烯在进入反应器聚合反应之前，需要经过一次压缩机和二次超高压压缩机压缩，一次压缩机进行五段压缩，二次超高压压缩机有两段压缩。经过多次压缩将乙烯从0.3 MPa压缩到280 MPa，需要对其做大量功以降低活化能。一次压缩机和二次压缩机都是耗电大户，均由6 kV高压供电，一次压缩机功率1.73 MW，二次压缩机功率8.50 MW，电耗主要构成见表2。

表2 LDPE装置的电耗构成

从表2可以看出：电耗在LDPE装置的能耗中所占比例最大，而二次超高压压缩机又是聚乙烯装置最大的耗电设备，占电耗的62%左右，因而降低能耗应从压缩机节电入手。

LDPE装置的乙烯压缩机为柱塞往复式压缩机，均由电机驱动[1]。电机消耗的功包括以下几个方面：

(1)传动损失(电机与压缩机联轴器)；

(2)内部功率，即指示功率(压缩机压缩气体的功)、热传递和泄漏损失的功率；

(3)摩擦损失，即用来克服活塞与气缸、活塞杆与填料函、十字头与滑道、连杆与十字头销及曲柄销、主轴与轴承等摩擦副的机械摩擦损失。

减小压缩机的电耗就必须从减小这3个方面的功耗着手：选择合适的电机提高传动效率；加强机组润滑，减小摩擦副的摩擦；降低指示功率。

由热力学计算可知，柱塞往复式压缩机每一级的指示功率计算公式如下：

Ni=KT/(KT-1)PSλvVN〔(Pd/PS)(KT-1)/KT-1〕(Z1+Z2)/2Z1

式中，Ni为压缩机指示功率；KT为气体温度绝热指数；λv为压缩机容积因子；V为压缩机气缸体积；N为压缩机转速；PS为为吸入压力；Pd为排出压力；Z1、Z2为吸入、排出状态时气体的压缩因子。

通过上式可以看出：①减小压缩比(Pd/PS)可以减小指示功，实际压缩过程中由于存在各种阻力导致压缩比增大从而增加了压缩机功耗。如装置高压循环系统阻力大导致二次压缩机入口压力低于设计值，压缩比提高增加了部分功耗；②由于等温压缩时KT为1，所以指示功最小，因此提高气缸传热也是降低压缩机功率的重要手段；③KT、λv、V、N、PS、Pd、Z1、Z2均可求得，因此可以编制计算机程序计算出压缩机的最佳操作点。

从以上原理可知：压缩机多级压缩时，各级吸入温度相同、压力比相等时最省功，因此通过调节最佳压力比、提高段间冷却效果是降低压缩机电耗的有效方法[2]。

1.2 装置蒸汽分析

从装置月能耗消耗看，蒸汽消耗在LDPE装置总能耗中占据第二位。上海石化LDPE装置蒸汽系统的现状为接入3.3 MPa高压蒸汽和0.7 MPa低压蒸汽供用户使用。正常运转时高压蒸汽用户有反应预热段，放出阀-放出塔管线夹套，放出阀阀门夹套及出料口夹套，ME401筒体接头、滤网、模头、模板等的加热，高压蒸汽消耗量为5～6 t/h。低压蒸汽用户有新鲜乙烯接受管线、各类盘管等，低压蒸汽消耗量为2～3 t/h。

LDPE装置聚合反应产生大量热量，反应热用热水槽由蒸汽加热到150～170 ℃，再由各热水泵送到反应器，低温热水从各反应段带走热量，温度升高，然后返回低温热水槽，使该槽中的压力和温度升高，产生0.5 MPa副产蒸汽。高温热水从各反应段带走热量，温度升高后返回高温热水槽，其结果使该槽中压力和温度升高，产生1.3 MPa副产中压蒸汽。

此反应热产生的部分中压、低压副产蒸汽进行综合利用，部分副产蒸汽有时放空至大气。

2 降低能耗措施

2.1 降低电消耗

(1)调整反应压力和压缩比

根据热力学计算可知：压缩机多级压缩时，各级吸入温度相同、压力比相等时最省功，因此通过计算每级的最佳压力比、提高段间冷却效果是优化压缩机运行的科学方法[3]。

根据实践经验，将反应压力控制在27.5 MPa，对二次压缩机一、二段进出口压力进行调整。原一段进口压力为23 MPa，出口为90 MPa，一段压缩比为3.9；二段进口压力为10 MPa，出口压力为27.5 MPa，二段压缩比为2.75。运行中通过对各冷却器温度的调节和压力控制，调整后一段压缩比为3.8，二段压缩比为2.72。调整后压缩机的运行电流下降30 A，折合功率650 kW，每月可下降电耗2%左右。

(2)技术改进

采用往复式压缩机的气量控制系统，其主要功能是降低往复式压缩机的功耗，LDPE装置一次压缩机的压力控制主要使用回流方式。在入口压力和温度恒定的情况下，LDPE装置的一次压缩机打气量是恒定的。由于不同牌号的产品产量不相同，造成高压装置的一次压缩机打气量有1/4～1/5通过回流控制阀返回到一次压缩机的入口，造成压缩机的功率被浪费，导致装置的能耗上升，增加了装置的操作成本。应用气量控制系统，可以使一次压缩机的回流控制阀基本处于关闭状态。一次压缩机的打气量随不同牌号的产品而变化，基本做到一次压缩机不浪费电耗，一次压缩机使用气量控制系统每小时可节省电耗200 kW。

(3)优化操作

加强工艺管理，优化工艺操作，停运不必要的运转设备。例如：根据脱气料仓情况脱气结束及时停止风机；根据停车时间的长短来安排好机泵停运时间等；根据气温变化来决定溴化锂冷冻机是否停运；加强对高压系统操作的运行监护，控制好系统气量，确保装置长周期运行。

2.2 降低蒸汽消耗

(1)对装置聚合的蒸汽系统进行改造

在2.5 MPa(外界进来的3.3 MPa蒸汽压力调节至2.5 MPa)蒸汽管线上加装一截止阀，其阀后开口与相邻的1.3 MPa蒸汽管相接，通过阀门切换，装置正常运转时，聚合2.5 MPa供汽部分由1.3 MPa副产蒸汽代替，停车时仍恢复原状。改造项目投产至今，运行正常，无异常情况出现，节能效果显著， 原装置聚合副产的富余1.3 MPa蒸汽经改造后全部利用，此措施可节约高压蒸汽量2 t/h。

(2)降低高压蒸汽总管压力

上海地区气候环境较暖，蒸汽的热耗用相对较低，在保持装置热量足够的情况及保持正常运转的条件下，将高压蒸汽总管压力从设计值3.3 MPa合理降低至2.5 MPa。降低高压蒸汽压力，可减少不必要的蒸汽损失，从目前运转数据看，外界高压蒸汽压力可以降低至2.5 MPa，蒸汽耗量下降0.5 t/h。

(3)采用热泵技术回收利用副产蒸汽

因LDPE装置在运行过程中的副产蒸汽可以通过热泵技术进行回收利用，不仅避免了蒸汽直接排入大气所造成的能源浪费，而且也改善了环境。这种蒸汽喷射热泵为供应聚丙烯装置所需要的蒸汽(压力)提供了保证。蒸汽喷射热泵利用蒸汽喷射器对高品位蒸汽进行引射式减压替代传统的阀门节流减压，向热力系统提供所需要品位和数量的蒸汽，既可以实现蒸汽无损耗减压，又可以高品位蒸汽减压前后的压力差为动力，回收工业余热蒸汽,从而实现热力系统用汽数量和质量的双平衡，达到优化工业生产用热结构，实现能源梯级利用的目的。采用这一技术，能有效提升2PE装置产生的副产蒸汽的质量，目前可连续、稳定地满足聚丙烯装置工艺之所需。

目前2PE装置产生的副产蒸汽已经充分利用，一部分中压副产蒸汽用于装置的聚合保温，一部分低压副产蒸汽(3～4 t/h)送至热泵用于聚丙烯保温，还有2～3 t/h的副产蒸汽用于聚烯烃的保温。LDPE装置副产蒸汽综合利用后使蒸汽单耗下降了2～3 kg/t。

(4)做好日常维护与管理工作

定期检查蒸汽阀和疏水器，及时更换工作不正常的阀门和疏水器，减少跑冒滴漏造成的损失；选用新型节能型疏水器，降低蒸汽消耗；做好设备管线保温的施工管理和日常维护，对不合格的保温及时进行更换，减少热量损失；LDPE装置停车期间动力消耗较大，故应保持装置长周期运转，减少非计划停车，提高装置开工率来降低各项动力消耗。

3 结果与讨论

通过采取以上措施，在保证生产正常运行的前提下，与2010年相比，2014年上海石化LDPE装置的电和蒸汽消耗有了显著的降低。表3列出了2014年和2010年月度单位产品电和蒸汽消耗量对比情况。

表3 2010年和2014年月度电和蒸汽消耗量对比

由于影响高压装置能耗主要因素电和蒸汽消耗下降，使上海石化LDPE装置能耗近几年也有了较大幅度的下降(见表4)。

表4 2010—2014年装置能耗对比

4 结语

通过对LDPE装置能耗分析，对制约装置长周期稳定运行的设备进行技术改造；同时借助30多年积累的实践经验及LDPE工艺特点，采取合理有效及互补的科学管理方法，解决生产中遇到问题，降低装置的能耗。近年来上海石化LDPE装置能耗逐年降低，目前1PE装置能耗为236 kg/t，2PE装置能耗为206 kg/t，2PE装置的能耗在中国石化同类装置中排名第三，1PE装置的能耗排名也有所提高。

[1] 洪定一主编.塑料工业手册 聚烯烃[M] 北京：化学工业出版社，1998.

[2] Cornelia Vasile 主编.聚烯烃手册 [M] .2版.北京：中国石化出版社，2005.

[3] 徐跃华.化工装置节能技术与实例分析[M] 北京：中国石化出版社，2009.

Sabic将关闭英国环己烷生产装置

沙特基础工业公司(Sabic)位于英国Wilton的一套195 kt/a环己烷生产装置将在2017年初关闭，主要原因是相关的一套乙烯裂解装置的原料改变将结束该工厂的苯抽提业务。

2014年，Sabic跟随Ineos和北欧化工宣布，计划利用从美国进口的乙烷作为裂解原料对位于Wilton的一套865 kt/a的乙烯裂解装置进行升级改造。由于该裂解装置的原料将趋于轻质化，裂解汽油的产量将减少。这将大大削减公司在当地苯抽提装置的原料供应，届时该苯抽提装置也将关闭,而苯抽提装置主要是为环己烷装置提供原料。

据悉，Wilton环己烷装置产能占据西欧市场约20%的份额，随着该装置的关闭，欧洲环己烷市场将留下显著的供应缺口。欧洲当前的环己烷进口量已经占到需求的25%，随着该装置的关闭，进口量占需求的比例将升至35%～40%。

(中国石化有机原料科技情报中心站供稿)

Energy Consumption Analysis and Optimization of High Pressure Low Density Polyethylene Unit

Wang Wen

(PlasticsDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

Based on analysis of the energy consumption structure of two high pressure Low Density Polyethylene (LDPE) units in Plastics Division of SINOPEC Shanghai Petrochemical Co., Ltd., it was concluded that the main factors affecting energy consumption of units were consumption of electricity and steam. Through adjustment of reaction pressure and compression ratio, technological innovation, rational control, and full use of the reaction heat, the energy consumption of high pressure LDPE units was reduced effectively.

high pressure LDPE, energy consumption, steam, water, electricity

2015-11-18。

王文，女，1967年出生, 1988年毕业于上海石油化工高等专科学校，高级工程师，现从事合成树脂工艺技术管理工作。

1674-1099 (2015)06-0041-04

TP202+.1

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