基于煉油廠計劃優化模型的氫氣系統優化研究

孫 鵬，房 ，郭錦標，楊明詩

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

基于煉油廠計劃優化模型的氫氣系統優化研究

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

采用氫氣夾點分析方法，得到煉油廠氫氣流股基本分配方案，然后與計劃優化模型聯合進行優化，確定優化的氫氣管網方案，并對方案的經濟技術指標進行分析，評價方案的有效性。以國內某煉油廠為例，采用上述方案對氫氣系統進行優化。結果表明：采用夾點分析技術可以使氫氣純度滿足煉油廠加工工藝要求，結合計劃優化模型可以有效地根據煉油廠生產狀況優化氫氣網絡結構，達到節氫及優化煉油廠原油加工方案的目的；氫氣系統優化后可節約氫氣16.6%，并可加工劣質原油、降低原油采購成本，提高煉油廠經濟效益。

氫氣系統 夾點技術 計劃優化模型 線性規劃

近年來，由于全球原油劣質化程度日趨嚴重，原油 °API逐年下降，煉油企業為了提高重質油轉化率，耗氫量不斷增加。同時，隨著環保法規的日益嚴格，2016年我國全面實行國Ⅴ排放標準，汽油標準中要求硫含量大幅下降，導致煉油廠耗氫量大幅上升。石油煉制中的氫氣成本逐年上升，已經成為除原油外的第一大煉油成本。日益增長的氫氣需求已經成為石化行業發展的主要問題，氫氣系統優化也隨之成為煉油廠優化的關鍵部分。

1984年，Simpson[1]首先提出煉油廠氫氣系統優化管理的概念。在過去的20年中，煉油廠氫氣網絡優化方法的研究取得了較大的進步。氫氣優化方法可以分為兩種，即數學規劃法和圖形法。2001年Hallale等[2]在超結構法的基礎上，將氫氣系統中的設備實際操作參數與約束條件連接起來，建立了不同目標函數的數學規劃模型，比如運行成本預算、利潤最大化模型等，通過優化算法找到滿足所有約束條件、達到最優化的網絡結構。Fonseca等[3]利用線性規劃方法對氫氣系統進行優化。Liu 等[4]提出了NLP氫氣網絡模型，充分考慮氫氣系統中壓力、雜質等因素，并引入提純系統，利用序列二次規劃法進行求解。圖形法以夾點分析為主要方法，Alves等[5]根據Linnhoff[6]提出的氫氣夾點分析方法，利用圖形法提高氫氣利用率。Bandyopadhyay[7]以雜質負荷為橫坐標、氫氣流量為縱坐標，提出了包含單雜質的源組合曲線。Zhao等[8-10]提出了各種適用于多雜質氫氣的圖解法，在考慮多種雜質濃度的同時確定氫氣網絡的最佳匹配。

數學規劃法主要是運用超結構方法，將裝置運行變量導入約束條件中，導致所建模型的物理意義模糊，模型求解困難，無法得到全局最優解。圖形法以夾點技術為主，主要對氫氣網絡進行優化，雖然考慮了雜質的影響，但是不能與全煉油廠流程相結合。國內外對氫氣網絡的優化主要是在氫氣供應量一定的情況下進行優化，而在實際生產過程中，產氫量與耗氫量會隨著原料性質、工藝參數及產品需求量等的變化而變化。為充分考慮實際生產狀況，需將氫氣網絡與各加工裝置模型組合，實現全煉油廠生產的優化。因此，本課題利用夾點分析技術得出煉油廠氫氣夾點，通過合理分配各股氫氣得到一次優化方案，將所得方案導入計劃優化模型中，對全煉油廠加工方案進行優化，得出二次優化方案并計算全廠經濟效益，對煉油廠進行經濟技術分析，評價方案的優化效果。

1 氫氣夾點分析

夾點分析技術又稱窄點分析技術，是基于英國Bodo Linmhoff等提出的換熱網絡優化方法而形成的適用于公用工程與全局過程的能量集成分析方法[11]，廣泛應用于換熱網絡、水系統、氫氣系統的操作方案優化。

氫氣夾點分析中將煉油廠氫氣流股分為氫阱和氫源兩類，氫阱是耗氫裝置的入口氫氣流股，氫源是為氫氣系統提供氫氣的流股[12]。通常將純度最高的氫源稱為公用工程氫氣[13]。根據氫股的氫純度及消耗量數據可求出夾點，即氫氣網絡最小公用工程氫量。氫氣夾點分析的步驟為：

(1)獲取氫源與氫阱的消耗量與氫純度數據。

(2)分別將氫源與氫阱按照氫純度從大到小進行排列。

(3)將每股氫源與氫阱在橫坐標為質量、縱坐標為純度的直角坐標系中用線段的方式繪制出來，每條線段首尾端點橫坐標的差值即為該氫股的質量。從氫氣純度最高的氫股開始繪制，橫坐標從零開始，按流股中氫氣純度由高到低的順序繪制線段，后面氫股的起始端橫坐標與前面氫股的末端橫坐標相同，分別將氫源與氫阱的每股氫氣線段依次首尾連接，即可得氫源與氫阱的質量-純度曲線，如圖1所示。圖1中氫源曲線與橫坐標軸之間的面積代表供給氫氣的量，氫阱曲線與橫坐標軸之間的面積代表耗氫裝置所需氫氣量。當氫源曲線高于氫阱曲線時，表明該區域的氫氣過剩；當氫源曲線低于氫阱曲線時，表明該區域氫氣供應不足。按下式計算圖1中曲線區域的面積差：

(1)

式中：yd為氫源b中氫氣的質量分數；ys為氫阱a中氫氣的質量分數；F為氫氣質量；H為yd與ys中較小氫氣純度流股的剩余氫量。

圖1 氫源與氫阱的質量-純度曲線 —氫源; —氫阱

根據式(1)求出各段剩余氫量，繪制剩余氫量與氫氣純度的關系曲線(氫剩余曲線)，如圖2所示。繪制方法為：若剩余氫量為正值，則線段向右延伸；若剩余氫量為負值，則線段向左延伸。經過迭代，調節氫氣純度最高的氫源(公共工程用氫)用量，重新繪制氫剩余曲線，當氫剩余量為0且曲線上所有點都大于或者等于0時，即可求出氫氣夾點。

圖2 氫剩余曲線

2 煉油廠氫氣系統模型的建立

根據煉油廠參數建立全廠計劃優化模型，將氫氣網絡嵌入到每個耗氫與產氫單元中，把氫氣作為單獨原料加入模型中，將不同純度的氫氣作為不同的物料，按照各加工裝置需求對氫氣流股進行分配，氫氣系統的物料平衡方程為：

(2)

(3)

wj≤wi

(4)

式中：N為原料性質變化值；D為原料性質單位變化量引起的耗氫率變化值；i為氫氣流股編號；j為裝置編號；B為原料性質對應的基礎耗氫率；F為裝置進料量，t；A是通入各裝置0，1變量；wi為氫源中氫的質量分數；wj為氫阱中氫的質量分數。式(2)表示全煉油廠的純氫氣量必須大于或等于裝置耗氫量；式(3)表示通入某裝置的氫氣量必須大于或等于該裝置的耗氫量；式(4)表示通入某裝置氫氣的純度必須大于或等于該裝置所需氫氣的最低限制純度。

采用式(2)～式(4)建立全廠氫氣系統模型。根據夾點分析技術所得夾點，對氫氣系統進行優化初始分配，分配原則為：①夾點以上的氫源只能通入夾點以上的氫阱；②夾點以下的氫源只能通入夾點以下的氫阱；③夾點氫源可以通入所有氫阱；④夾點以上的氫源不能通入火炬管網。

將初始分配方案導入計劃優化模型中，以煉油廠效益最佳為目標進行全廠優化，得到原油加工優化方案，最終得出氫氣系統優化方案。

3 實例計算與分析

以國內某煉油廠為例對氫氣系統進行優化，表1為該煉油廠5個月的氫氣分析數據。由表1中數據計算可知，氫源總量大于氫阱總量，氫剩余量大于0，因此該煉油廠氫氣系統具有優化潛力。

表1 某煉油廠5個月的氫股質量與純度數據

根據表1中數據進行氫氣夾點分析，氫源與氫阱的質量-純度曲線如圖3所示。調整公用工程用氫的氫氣量，并經迭代計算后可得到氫剩余曲線，如圖4所示，氫氣夾點為0.4。通過夾點計算可得到最新公用工程用氫量，迭代后的氫阱與氫源數據如表2所示。由表2可知，該煉油廠5個月的公用工程理論節氫量為6 787.5 t，占總氫量的23.19%，節氫潛力較大。

圖3 某煉油廠氫源與氫阱的質量-純度曲線

圖4 某煉油廠的氫剩余曲線

表2 迭代后的氫股質量與純度數據

該煉油廠的氫氣管網如圖5所示。根據夾點分析結果可知：①加氫裂化裝置干氣HCG沒有合理利用，造成氫氣資源浪費，HCG流股可以直接用于加氫裝置；②低氫含量流股HPT由高氫含量流股PH2供給，造成氫氣資源浪費。按照“高質高用，低質優用”的原則，可利用不同流股按一定比例混合以滿足不同耗氫裝置的需求，例如將高質氫與低質氫混合，提高高質氫的利用率。

圖5 某煉油廠的氫氣管網示意

根據氫氣夾點分配原則對氫股進行分配，將氫股分配方案導入煉油廠計劃優化模型中，利用線性規劃法列出煉油廠的物料平衡方程，以經濟技術指標為優化目標，通過PIMS軟件求最優解，優化后的氫股質量和純度數據如表3所示。根據2016年原油、化工產品、成品油價格進行計算，優化前后該煉油廠5個月的經濟技術數據如表4所示。由表4可知：優化后原油硫含量、綜合商品率、利潤均有所增加，而原油一次加工輕油收率、總輕油收率、原油°API明顯下降；5個月的節氫量達到4 860 t，占原公用工程氫氣量的16.60%，因考慮煉油廠其它因素如加工原料性質、利潤最大化、產率等的限制約束，導致氫氣系統優化后不能達到理論節氫量。優化后的加工方案中，原油品質下降，將節省的氫氣用來加工硫含量更高、 °API更小的劣質原油，可使原油采購成本降低、煉油廠利潤增長。

表3 優化后的氫股質量和純度數據

采用優化后的氫股質量和純度數據進行夾點分析，所得氫剩余曲線如圖6所示。由圖6可知，優化后夾點為0，無跨夾點匹配的氫股，表明優化后氫氣網絡已達到最優化效果。

優化后的氫氣網絡如圖7所示，紅線是氫氣流股變更部分。經優化改造后，氫氣網絡在滿足耗氫裝置需求的同時，未出現跨夾點耗氫的狀況，可充分合理地利用氫氣資源。

表4 優化前后煉油廠的經濟技術數據

圖6 優化后的氫氣剩余曲線

圖7 優化改造后的氫氣網絡

4 結 論

采用將氫氣夾點分析技術與計劃優化模型相結合的方法可對煉油廠氫氣管網進行優化研究。對國內某煉油廠氫氣系統進行優化的結果表明：采用夾點分析技術可以使氫氣純度滿足煉油廠加工工藝要求，結合計劃優化模型可以有效地根據煉油廠生產狀況優化氫氣網絡結構，達到節氫及優化煉油廠原油加工方案的目的；氫氣系統優化后可節約氫氣16.60%，并可加工劣質原油、降低原油采購成本，提高煉油廠經濟效益。

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OPTIMIZATIONOFHYDROGENSYSTEMBASEDONPLANOPTIMIZATIONMODEL

Sun Peng， Fang Wei， Guo Jinbiao， Yang Mingshi

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

In this paper，the refinery hydrogen system was reallocated by means of a combination method of hydrogen pinch analysis technology and refinery operation planning optimization model to obtain optimization scheme of hydrogen system.Taking a domestic refinery as an example，the hydrogen reallocated scheme were calculated and analyzed by the pinch theory to meet the hydrogen purity required and to optimize the hydrogen network effectively by the combination method.It is shown by the results that this method can not only save the hydrogen 16.6% but also reduce the crude oil cost，while improves the ability of the refinery for processing lower quality freedstock.

hydrogen system； pinch technology； plan optimization model； linear programming

2017-02-24；修改稿收到日期：2017-03-22。

孫鵬，碩士研究生，主要從事煉油企業計劃與調度優化研究工作。

郭錦標，E-mail：guojinbiao.ripp@sinopec.com。