王 家 刘敬钊 李 浩
(中国石油化工股份有限公司洛阳分公司，河南洛阳，471012)
炼厂常使用氮气对机泵密封进行保护，或作为罐体覆盖气，或作为设备吹扫介质使用。氮气是炼厂生产必不可少的公用介质，相较于燃料、蒸汽等，因其单位价格偏低，管控时往往未受到一些企业的重视。为此，某公司通过组织专业人员摸排全厂氮气用量情况，按照“必用减量，能停必停”的原则，提升操作水平，有效减少氮气消耗。同时，针对氮气流量计安装不规范、计量不精准等问题，制定措施，限期整改。
2020年12月，该公司氮气总消耗量为789.7万 Nm3，外购量为542.1万 Nm3。同时，2021年部分新建单元投用，氮气消耗量进一步增加。2020年12月，氮气总消耗量如表1所示。
表1 优化前该公司氮气消耗情况
针对炼厂氮气的泄漏及计量不准情况，提出“管线泄漏计算”和“计量模块偏差计算”两个重点问题进行计算。
2.1 管线泄漏计算
炼厂中氮气服务站、VOCs补压处，易存在阀门未关闭或失灵的情况，造成氮气大量外排，为精确计算氮气外排量，特提出此项计算说明。
对于该种情况，将阀门处简化为限流孔板进行计算，依据HG-T20570.15-95 《管道限流孔板的设置》，有“气体、蒸汽的单孔板计算公式(3.0.1-1)”[1]，如公式1。
(公式1)
公式1中，W：流体的重量流量，kg/h；
D：管道内径，m(炼厂中常用氮气服务站管径为0.02m)；
d0：孔板孔径，m(设定孔板孔径为0.01m，则有d0/D=0.5)；
C：孔板流量系数，由Re和d0/D值查HG-T20570.15-95《管道限流孔板的设置》标准中图6.0.1所得(近似取C=0.62)；
P1：孔板前压力，Pa(炼厂管网压力约为6×105Pa)；
P2：孔板后压力或临界限流压力，取其大者，Pa(对于空气及双原子气体，临界限流压力的推荐值Pc=0.53P1=3.2×105Pa)；
M：分子量(氮气分子量为28)；
Z：压缩系数(取1)；
T：孔板前流体温度，K(以常温300K计算)；
k：绝热指数，k(氮气为1.4)。
将以上数据代入公式1可得：
即：
W=235.85kg/h=188.79Nm3/h
由此可知，如果一根直径20mm的氮气管线阀门未关严的话，每小时泄漏量可达约200 Nm3/h。
利用此公式进行计算，若管线全开，则氮气泄漏量可达943 Nm3/h。
2.2 计量模块偏差计算
企业的物料衡算过程主要利用的是计量器具，该器具的计量准确度直接影响到计量数据的偏差，同时对企业的数据统计、经济核算等方面带来影响。因此，计量器具的精确性是企业进行生产决策、数据统计的基础。在工业生产中气体的计量，环境温度、压力是计量器具计算模块的基础条件数据，为保证计算的准确性，往往需要通过温压补偿的手段进行维护[2]。
常用温压补偿公式为[3]：
(公式2)
公式2中：F：流量；
C1：设计温度，K；
C2：设计压力，kPa；
P1：实际压力，kPa；
P2：实际温度，℃；
P3：未补偿前流量。
为提高氮气管网运行效率，企业常使用降低管网压力的措施，单对于各计量点，若未及时调整温压补偿模块参数，将会造成计量偏差。
设定原氮气管网压力为0.7MPa，优化后管网压力降低至0.6MPa。
利用公式2进行计算可知，对于此项工况变化，对于一处标况流量为200 Nm3/h、工作压力为0.7MPa的流量计点，若工作压力降低为0.6MPa，则流量降低至175 Nm3/h，降低量为25 Nm3/h。
因此，对于管网压力变化的计量点，要及时校准温压补偿模块，防止存在计量缺失。
为降低全厂氮气消耗量及管网不平衡量，该公司主要采取了以下节能措施：
3.1 减少储罐VOCs系统氮封用量
储罐VOCs治理主要针对油品储运罐区按相关规范或规定需要治理的储罐无组织排放的罐顶油气进行集中收集并治理[4]，该公司主要使用氮气进行密封保护。经过估算，每月储罐VOCs氮封用量约为195万 Nm3(约2600 Nm3/h)，占该公司氮气用量的25.4%。图1为该公司某罐区氮封VOCs治理简图。
图1 该公司某罐区氮封VOCs治理简图
3.1.1 做好储罐VOCs系统密封排查
储罐VOCs系统中，各储罐氮气管线常用管径为40mm，根据上述2.1节计算可知，若存在氮气补压点泄漏，将会造成大量氮气浪费。图2为该公司某储油罐VOCs密封点治理前后罐顶压力变化趋势，从图2中可以看出，2022年9月30日治理前，该罐顶压力波动十分频繁，通过判断，确认存在VOCs密封点泄漏的可能。经过治理，2022年9月30日后，极大降低了该罐的罐顶压力波动次数，同时降低了补氮量约800 Nm3/h。
图2 该公司某储油罐VOCs密封点治理前后罐顶压力变化趋势
3.1.2 优化储罐VOCs系统氮封压力
在《中国石化炼发函〔2016〕127号》文件中，提出，为避免储油罐发生因负压导致空气由呼吸阀进入内部的情况，需要保证罐顶压力为微正压。该文件同时给出氮封阀的压力设定建议值范围为0.2kPa至0.5kPa。若储罐内罐顶压力较氮封阀设定压力较低时，阀门打开，氮气由氮封阀进入罐内；
反之阀门关闭，停止氮气进入。
正常情况下使用氮封阀组维持罐内气相空间压力在0.3kPa左右，当气相空间压力高于0.5kPa时，氮封阀关闭，停止氮气供应；
当气相空间压力低于0.2kPa时，氮封阀开启，开始补充氮气。
若设定压力偏高，将会造成补氮量的极大增加。
3.2 泄漏点排查
运行时间较长的炼厂经历的改造次数较多，存在较多分支管线，管理难度较大，易造成疏漏。为降低非生产消耗，该公司分公司级、运行部级对全厂管网进行排查，对氮气系统管线进行分级处理：(1)若该管线已停用，则进行盲板隔离。(2)若该管线间断使用，根据使用频次，可对阀门进行关闭，加装铅封，做好使用期间用量台账。(3)对于长期使用的管线，做好流量对比维护。
3.3 计量点排查
由上述2.2节叙述可知，在氮气系统管网压力变化后，要及时校准温压补偿等模块参数。通过对氮气管网流量计进行排查，不仅发现部分计量点存在温压补偿参数偏差较大的情况，还发现部分计量器具安装不规范的情况。例如部分流量计安装位置与管线弯头过近，流量计安装存在倾斜角等情况，对于该种情况，已提报检修项目进行处理。
3.4 优化氮气保护压力
根据生产调整，炼厂存在部分装置、储罐等停用的情况，为减少设备腐蚀，常利用氮气充压的方式。
因大型装置或设备的法兰、阀门等密封部位易存在泄漏情况，为减少氮气补充量，应降低设备保护压力。
3.5 更改密封介质
为提高管网运行效率，应合理选用密封介质。例如，部分设备通过氮气密封，介质后路排放至低压瓦斯管网，易造成瓦斯管网氮气组分增加，降低瓦斯热值，最终导致各加热炉瓦斯消耗量增加，影响装置能耗。
因此，该部分设备密封介质，可选用炼厂干气等进行密封，减少瓦斯管网中氮气占比。同时，部分加热炉流量计使用氮气密封，后路排放至进炉瓦斯线，为保护设备，可更改为工业风进行密封，不仅能降低密封成本，还可提高瓦斯热值。
4.1 优化储罐VOCs系统
通过3.1节对策实施，排查系统漏点，更换呼吸阀垫片，该公司罐区氮气消耗量合计降低近800 Nm3/h。
4.2 泄漏点、计量点排查
通过对氮气管网进行排查，管网实时不平衡量由4230 Nm3/h，降低至2500 Nm3/h(降低了1730 Nm3/h)。
4.3 优化氮气保护压力、更改密封介质
1#重整、焦化通过调整设备保护压力、机组氮气使用方式等，氮气流量分别由原来的623 Nm3/h、170 Nm3/h，降低至200 Nm3/h、104 Nm3/h。
经过优化攻关，近期氮气每月外购费用由365万元降低至266万元，全年增效近1200万元。
通过针对炼化企业常见的管线泄漏、计量模块偏差等工况进行分析计算，对氮气优化提供数据支持。经过一系列对策分析实施，该公司针对氮气管网优化取得了较大成效。
但仍存在一些遗留问题，例如：(1)部分装置氮气流量计存在安装不规范、故障等问题，无法在线切除整改；
(2)部分装置大型机组氮气消耗量仍较高；
(3)管网不平衡量仍较高等。针对以上问题，还需进一步精细化处理，以使外购氮气量降低到最优水平。