氫氣平衡與優化系統的應用

王海龍（中國石化齊魯分公司）

氫氣平衡與優化系統的應用

王海龍（中國石化齊魯分公司）

針對齊魯石化氫氣系統運行現狀，采用氫夾點技術深入分析氫氣系統存在的問題并進行氫氣供用網絡優化，在此基礎上構建以產耗平衡監控、成本核算、管網模擬、調度優化為核心的氫氣平衡與優化系統。應用表明：該系統實現對氫氣生產、輸送及消耗過程的全面管控，能及時發現氫氣系統產耗不平衡、異常排放等情況；通過集成裝置工藝參數、物耗能耗以及相關物料價格，在線計算出產氫、耗氫成本；同時利用管網模擬技術實現氫氣管網任意管段氫氣流量、流速、壓降等指標的軟測量。基于上述條件，結合氫夾點理論分析開展供用網絡優化，以用氫成本最低為目標給出優化調度方案，實現以耗定產，有效降低氫氣運行成本。

氫氣系統；夾點分析；成本核算；管網模擬；調度優化

引言

隨著國家對環境保護要求的提高，汽油、柴油的相關標準也日益嚴格。采用加氫技術降低硫含量在煉油企業中得到廣泛應用，氫氣資源的需求量逐年增大，已經成為煉油原料成本中僅次于原油的第二成本要素，并且今后5年煉廠的氫氣消耗增長將超過40%。如何降低煉油過程中的用氫成本一直是國內外關注的焦點[1]。特別是近年來，信息技術在制造業的應用得到一定的發展，如何利用信息技術對氫氣產用進行系統優化，降低用氫成本，成為各大煉化企業研究的重點。

中石化齊魯分公司（簡稱齊魯石化）是大型的煉化一體化企業，年加工原油1150×104t，生產銷售成品油630×104t，擁有各類加氫裝置20余套，年用氫量約15×104t。近年來，齊魯石化不斷推進信息化和工業化深度融合，開發建設氫氣平衡與優化系統，對氫氣生產、輸送及消耗過程進行全面管控。通過集成原料成本、輔助消耗等數據，實現在線計算出產氫、耗氫成本，結合氫夾點理論分析開展供用網絡優化，以用氫成本最低為目標給出實時優化調度方案，為降低產氫、耗氫成本提供決策依據，從而有效降低氫氣運行成本。

1 氫氣系統現狀

齊魯石化產氫裝置主要包括煉油廠的2套制氫裝置、連續重整裝置、2套變壓吸附（PSA）裝置，第二化肥廠煤氣化裝置，以及乙烯裝置和氯堿廠離子膜裝置，每小時最大供氫量可達26.55×104m3。耗氫裝置包括煉油廠的2套汽油吸附脫硫醇、2套柴油加氫、重油加氫、加氫裂化、蠟油加氫、航煤加氫、4套硫磺等15套；烯烴廠的C2/C3加氫、汽油加氫、歧化異構化等5套；塑料廠的聚乙烯、聚丙烯等2套；第二化肥廠的丁醛加氫、辛烯醛加氫等2套。全公司共計24套，目前每小時耗氫約21.23×104m3。

齊魯石化經過幾年的努力，通過采取建立高低壓氫氣管網實現分級利用、增產化工副產氫、增加排放氣中氫氣的回收利用等手段，不斷降低氫氣運行成本[2]，并取得了一定的效果。但是從煉化一體化角度來看，在對氫氣系統的管理和優化調度等方面仍然存在一些問題，主要表現在以下幾點：

1）新建裝置投產和部分裝置擴能改造后，氫氣管網只是做了局部動改，沒有進行系統性的優化和響應，對整個產用氫的合理性并未進行評價和指導。

2）對于產用氫成本的核算，還是由公司財務部門每個月結合產氫裝置的能耗、物耗、原料等因素，人工計算得出。這種方式周期較長，對氫氣日常調度沒有起到指導作用。

3）公司氫氣管網復雜、產用氫裝置較多且等級不同，調度人員日常對氫氣系統的調度平衡多數靠人工經驗，而且僅僅是對量的平衡來維持氫氣系統和裝置的平穩運行，很難做到用氫成本的最低化。

2 氫網絡分析與優化

2.1氫夾點分析

氫夾點分析及優化的主要思路為：從整個氫氣網絡系統的氫氣利用入手， 分析氫氣網絡的瓶頸，以最小公用工程氫氣用量為目標，實現氫氣濃度、流量的梯級利用，從而達到系統節約用氫的目的[3]。

針對齊魯石化氫氣系統氫源多樣、用氫裝置對氫源要求不一、氫氣網絡復雜、氫氣系統波動性較大等特點，利用氫夾點分析技術對氫氣系統進行分析，獲得氫氣流量-純度曲線與氫氣剩余曲線（圖1、圖2）。圖1中粉色線表示氫源，黑色線表示氫阱。氫源是指在氫網絡中可以給網絡提供氫氣的流股，主要為產氫裝置。氫阱是指在氫網絡中耗氫過程流股，主要為加氫裝置。首先將氫源和氫阱的氫氣濃度分別按降序排列。以氫氣濃度為縱坐標，流股的流量為橫坐標，分別做出氫源和氫阱的流量-濃度復合曲線。在流量-濃度復合曲線圖上，每一股氫源和氫阱分別可以用一條水平的線段表示，線段兩端點橫坐標之差表示該股氫源或氫阱的流量，縱坐標表示其濃度。將所有表示氫源的直線段首尾相接為一折線，即氫源的流量-濃度復合曲線。氫源復合線以下的面積代表氫源可提供的氫量；氫阱復合線以下的面積代表氫阱需要的氫量；氫源復合線位于氫阱復合線上方，表示該區域氫量過剩，可以補償給虧缺區域。氫源復合線位于氫阱復合線下方，代表該區域氫量虧缺，必須有氫量補充。在氫氣網絡中，氫源提供的氫氣總量必須大于或等于氫阱所消耗的氫量，這時的氫氣網絡才可能優化。兩曲線縱坐標相同，而剩余氫量圖的橫坐標為剩余氫量。如果氫源與氫阱包圍的某部分面積為正值，則剩余氫量圖上橫線向右方延長，其長度等于氫源與氫阱包圍的部分的面積，反之向左。剩余的氫氣均按氫源和氫阱兩者中低品質的濃度來取值。假設最高濃度氫源的流率，即公用工程用氫量，通過迭代計算做出氫剩余量圖，直到公用工程氫的剩余量為0時，即得到系統的氫夾點（圖2）。可見，目前運行狀況下氫氣系統的夾點為84%，夾點之上的氫源必須與夾點之上的氫阱進行匹配，同樣夾點之下的氫源也必須與夾點之下的氫阱進行匹配，PSA等裝置對氫氣進行提純時，應當穿越氫夾點才能使氫氣資源的整體利用率最大化。

由結果可以看出，目前齊魯石化氫氣系統存在的主要問題是氫氣資源高質低用。2套S-zorb裝置、4套硫磺裝置氫氣需求量較低而過分使用高純度氫氣造成了不必要的氫損耗及氫氣資源浪費。而加裂PSA等裝置穿越氫夾點對低品質氫源進行提純使裝置長期處于高負荷的狀態下運行，造成提純成本的進一步上升并且會在提純過程中損失一定的氫氣資源。

2.2 氫氣供用網絡匹配

圖1 氫氣流量-純度曲線

圖2 氫氣剩余曲線

圖3 基于現有管網的氫氣網絡優化匹配結果

獲得氫夾點之后，可將氫氣系統分為夾點之上、夾點之下兩部分分別進行優化匹配。考慮到氫管網的改造成本，需要在現行氫氣系統不做較大改動的前提下進行優化，以最小的改造成本獲得最大的經濟效益。優化匹配結果如圖3所示。相對于目前氫氣網絡優化后的變化主要體現在：加氫裂化PSA進料部分直接供1#S-zorb、一加氫、二加氫等裝置使用，蠟油加氫低分氫直接供2#S-zorb裝置使用，重整氫大部分供三加氫裝置使用。氫網絡優化后可將南區PSA裝置關停，北區加裂PSA裝置負荷降低，同時使二制氫裝置的產氫量降低1600 m3/h左右。優化后氫氣系統的產氫成本及提純成本將大幅度降低。

2.3 優化方案及效益分析

基于氫氣網絡優化進行改造，煉油廠北區將重整氫或低分氣直接供硫磺、S-zorb、一二加氫裝置使用，可減少加裂PSA氫氣提純量約5000 m3/h。根據財務成本核算數據，PSA氫氣提純成本約為1300元/t，其中動力消耗約650元/t。按裝置年運行8000 h計算，氫網絡優化后重整氫直接利用產生的經濟效益234萬元/a。將南區蠟加PSA低分氣直接供2#S-zorb使用，將蠟加PSA裝置關停后，可降低PSA氫氣提純量2000Nm3/h（Nm3=m3（0℃，101.325kPa））。同樣按裝置年運行8000 h計算，優化后產生的經濟效益187萬元/a。優化后二制氫裝置的產氫量將減少1600 m3/h，按氫氣價格為1萬元/t計算，經濟效益1150萬元/a。綜上，通過氫網絡優化，預計可產生1571萬元/a的經濟效益。

3 氫氣平衡與優化系統建設

3.1 氫氣產耗平衡監控

氫氣產耗平衡模塊主要是對產耗實時數據、化驗分析數據等進行采集，形成氫氣系統的動態平衡圖（圖4）。主要包括各產氫裝置負荷、產氫量、氫純度，各耗氫裝置負荷、氫耗量、氫純度、氫單耗等情況，各氫氣提純裝置的進料、產氫及排放情況等。綜合分析氫氣系統的產耗情況，給出產氫總量、耗氫總量、產耗差值及產耗平衡率等實時評價指標。監控模塊同時提供氫氣產耗平衡整體情況的歷史回放、各參數歷史趨勢的點擊查詢及監控數據的顏色、聲音報警等功能。通過產耗平衡監控模塊，調度及管理人員能及時全面了解氫氣的產耗狀況，迅速發現氫氣系統的異常情況及存在的主要問題，并迅速做出響應。

3.2 氫氣產耗成本核算

氫氣產耗成本核算模塊改變了傳統的車間報量、公司按月核算的傳統模式，集成生產實時數據、MES數據及物料價格數據，使制氫成本及時考慮物料價格、加工方案變化對產氫成本的影響。通過報表形式全面反應出原料、輔材、燃料、動力、工資及福利、制造費用等成本構成信息，并展示出制氫成本的變化趨勢（圖5）。耗氫成本核算主要分新氫消耗和新氫壓縮電耗兩部分進行核算。相關數據可為分析產耗成本、降低系統成本提供決策依據。

圖4 氫氣產耗平衡監控

圖5 制氫裝置氫氣成本分析

3.3 氫氣管網模擬

傳統的氫氣系統監控僅停留在供耗端的溫度、壓力、流量等操作參數階段，對于氫氣管網本身缺乏監控，難以準確獲知管網自身的運行狀態，易造成局部壓損過大、損失大量動能、局部流速超限威脅管網運行安全等。管網模擬模塊以氫氣管網的分布情況及結構參數為基礎，實時采集氫氣供耗端流量、溫度、壓力及氫氣化驗分析數據，基于氫氣物性、流體水力學與熱力學耦合計算，對管網進行精確模型，實現管網中任意管段氫氣流量、氫純度、壓降、流速等重要狀態的實時計算，實現氫氣管網的精細化與智能化管理，同時為調度優化模塊提供依據。煉油廠氫氣管網模擬系統界面如圖6所示，底層是根據車間分布情況繪制的平面圖，管網分布和現場實際情況一致，鼠標移動至任意管段將自動彈出該管段中的氫氣流量、氫純度、流速及壓降等信息。各狀態參數可根據設計及操作經驗設定報警條件，當狀態參數超標時，參數和管段會出現顏色變化，提示操作及管理人員及時進行調整，避免因管網不適應操作工況而產生的各種風險。

圖6 氫管網模擬系統界面

3.4 氫氣系統調度優化

圖7 氫系統優化調度界面

氫氣系統優化調度模塊改變了過去主要依靠調度人員的經驗傳統模式，實現“事前調度”、“優化調度”。調度優化模塊主要是根據耗氫及副產氫裝置的產耗數據，以最小公用工程氫耗為目標，以耗氫裝置的氫純度、氫用量、新氫壓縮機負荷及管網運行狀態為約束條件，采用非線性規劃、遺傳算法等進行優化計算，確定最優供氫方式，給出各產氫裝置的調度決策，實現“以耗定產”，降低氫氣系統的運行成本。同時實現對氫氣系統的應急管理、專家經驗調度等功能。氫氣系統優化調度界面如圖7所示，基于各耗氫裝置的耗氫數據，通過優化計算主要給出了二化高壓氫、二化低壓氫、二制氫等裝置的產氫量及分配比例的優化結果，另外還給出了重整氫供三加氫量及加氫裂化PSA產氫量的優化結果。由調度優化結果可見，可進一步增加二化低壓氫供量、降低二化高壓氫產量避免因低壓氫與裂解轉供氫混合后純度過低影響加裂化等耗氫裝置的正常運行。另外，在保證三加氫氫純度滿足工藝要求的情況下，可進一步增加連續重整供三加氫量，降低重整氫進加氫裂化PSA的量、降低提純成本，重整氫供三加氫量增加后可進一步降低二制氫裝置的制氫量，從而使氫氣系統的運行成本降低。

4 結論

煉化企業氫氣資源的優化利用是一項復雜的系統工程，利用信息技術來降低煉化企業的用氫成本是一項值得各大煉化企業和高校研究的課題。齊魯石化以降低氫氣系統的運行成本、提高系統的平穩率為目標，開發建設了氫氣平衡與優化系統。利用該系統對公司產用氫網絡進行評估，給出了氫網絡優化意見和建議，實施后可產生1571萬元/a的經濟效益。該系統上線運行后，實現對氫氣生產、輸送及消耗過程的全面管控，能及時發現氫氣系統產耗不平衡、異常排放等情況，并通過系統給出的實時調度方案來優化氫氣管網運行，實現了以耗定產，有效降低氫氣運行成本的目標。

[1]邸雪梅，焦云強.煉化企業氫氣系統監測與調度優化[J].中外能源，2016，21（7）：68-72．

[2]王海龍.齊魯石化氫氣資源系統優化[J].山東化工，2016，45（5）：93-96．

[3]康永波，曹萃文，于騰.煉油廠氫氣網絡優化方法研究現狀及展望[J].石油學報（石油加工），2016，32（3）：645-658．

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.08.001

2017-03-27

（編輯 李珊梅）

王海龍，碩士研究生，2008年畢業于青島大學（材料學專業），主要從事生產調度工作，E-mail：wanghailong_1982@163. com，地址：山東省淄博市臨淄區桓公路15號，255400。