煉油廠氫氣系統全局優化技術及應用

王寬心，吳玉成，韓曉春，婁海川，許 彤，侯衛鋒

(浙江中控軟件技術有限公司，浙江 杭州 310053)

0 引言

隨著原油重質化、劣質化程度的加深，石化產品向著深度精制、無害化的方向不斷發展，氫氣作為煉油廠僅次于原油的第二大原料投入，其消耗量大幅度增長[1-2]。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[3-4]。近年來，發達國家已形成了以Towler的氫夾點分析[5]、Hallale的MINLP氫網絡優化模型[6]、Energia公司開發的氫網絡管理軟件[7]等為代表的氫氣系統優化方法，實現了煉油廠氫氣資源優化配置，有效提升了氫氣系統操作及管理水平。然而，國內煉化企業氫氣資源高質低用、氫網絡設計不合理、操作管理相對粗放等問題仍然較為突出[8-10]。相關優化技術及方法[11-15]雖然在煉化企業有所應用，但大多局限在氫氣生產、輸送或消耗的某個方面，缺乏有機結合與集成，難以最大程度發揮各類技術優勢，無法全面提升氫氣系統的操作及管理水平。如果能將臨氫裝置操作優化、氫網絡優化改造、運行過程調度優化相結合進行氫氣系統全局優化，將有效降低氫氣成本、提升企業效益。

1 臨氫裝置操作優化

1.1 評價指標構建

耗氫裝置按氫耗過程，可分為化學氫耗、物理氫耗兩種類型。化學氫耗是參與化學反應而消耗的氫氣，可將其進一步分為脫硫、脫氮、脫氧、脫氯等還原氫耗、烯烴飽和與芳烴飽和氫耗、裂化氫耗等類型。物理氫耗主要為未參與化學反應的氫耗、有高壓環境下溶解于生成油中的氫耗、維持循環氫純度而放空的氫耗、壓縮機及管道泄漏而產生的氫耗等。由于正常情況下泄漏損失可以忽略，臨氫裝置氫耗過程可表示為：

FS,T=∑Fj,i=∑FR,i+∑FD,i+∑FV,i

(1)

式中：FS,T為加氫過程總氫耗；FR,i為化學氫耗；FD,i為油溶氫耗；FV,i為放空氫耗。

針對臨氫裝置氫耗過程的特點，可建立如下評價指標，對氫耗過程進行分析與評價。氫單耗：裝置單位加工負荷下消耗的純氫量。氫油比：參與反應的純氫量(包含新氫與循環氫兩部分)與原料油進料量之比。氫損耗：未參與反應的純氫量與原料油進料量之比，包含排放的高分氣、低分氣、汽提塔塔頂氣、分餾塔塔頂氣中的純氫量。氫單耗主要反映了加氫過程整體的氫耗情況，氫油比進一步反映了加氫過程的氫分壓環境，氫損耗綜合反映了加氫過程中的氫損失。針對不同加氫裝置類型，還可以進一步建立單位脫硫氫耗、單位脫氮氫耗、單位辛烷值損失氫耗、單位十六烷值增加氫耗等化學氫耗評價指標類型。在加氫過程中，用氫量過高，將增大氫分壓和油溶性氫耗量，造成氫氣資源浪費，以及烯烴飽和、辛烷值損失過大等問題。因此，在滿足產品質量要求的前提下，科學控制氫單耗、氫油比、循環氫純度等關鍵指標，對降低反應過程中不必要的化學氫耗、減少油溶性氫耗損失至關重要。

1.2 臨氫裝置操作優化

臨氫裝置可分為產氫裝置和耗氫裝置兩種類型。氫耗裝置操作優化主要通過對耗氫過程關鍵指標的關聯分析，獲取裝置氫單耗、氫油比、氫損耗等指標與原料性質、產品質量要求、操作參數及脫硫率、脫氮率等指標間的內在聯系，從而在滿足產品質量要求的前提下優化新氫量、新氫純度、循環氫純度等操作參數，降低不必要的化學氫耗及溶解氫耗，達到節約氫氣資源的目的。對于連續重整等副產氫裝置，可以通過數據分析獲取再接觸罐的操作溫度、壓力等與新氫產量、新氫純度等變量之間的關聯關系，獲得最佳操作條件，指導產氫裝置進行操作優化。取某石化廠200萬t/年直柴加氫裝置一個月的操作數據、化驗分析數據進行計算，獲得加氫裝置氫單耗及氫損耗的變化趨勢如圖1所示。

圖1 氫單耗及氫損耗變化趨勢圖

由圖1可見，該裝置氫單耗與氫損耗的變化趨勢基本保持一致，隨著裝置氫單耗的增加，氫損耗迅速增加。其主要原因在于，隨著氫分壓的增加，溶解在生成油中的氫氣量增加，造成低分氣、汽提塔塔頂氣、分餾塔塔頂氣排放量及氫含量的增加。大量低分氣、汽提塔塔頂氣進入脫硫及變壓吸附(pressure swing adsorption,PSA)裝置分離提純氫氣，增加了產氫成本；分餾塔塔頂氣直接排入低壓瓦斯管網，造成了氫氣資源的浪費。此外，當氫單耗維持在0.9%以下時，氫損耗量基本維持在0.1%；氫單耗增加后，氫損耗量迅速增加到0.125%以上。因此，在生產過程中應盡量將氫單耗控制在0.9%以下，以降低不必要的氫損耗。通過操作優化，將柴油加氫裝置的氫單耗由平均值0.98%降低到了0.95%左右，裝置氫單耗降低了0.03%，平均節約氫氣資源消耗約為750 Nm3/h。

2 氫氣供用網絡優化

2.1 氫氣系統夾點分析

基于臨氫裝置操作優化分析，可獲得各臨氫裝置最佳操作工況。在此基礎上，可進一步開展氫夾點分析與氫網絡優化。根據某石化廠臨氫裝置優化數據，繪制出氫氣流量-純度曲線、氫氣剩余流量曲線，分別如圖2和圖3所示。由圖2可見，目前該廠氫氣消耗總量在180 000 Nm3/h左右，氫源主要為99.9%的高純氫、95%的重整氫、80%左右的排放氫等不同類型。目前運行狀況下，該氫氣系統夾點的氫氣純度為84%。一般而言，夾點之上的氫源與夾點之上的氫阱進行匹配，夾點之下的氫源與夾點之下的氫阱進行匹配。對氫氣進行提純時，只有穿越氫夾點，才能使氫氣資源的整體利用率最大化。結合生產實際發現，該企業氫氣系統存在的主要問題是氫氣資源高質低用。兩套S-zorb裝置、四套硫磺裝置對新氫純度要求較低而使用高純度氫氣，造成了不必要的氫損耗。采用PSA裝置，對純度相對較高的重整氫等氫源進行提純，將造成提純成本的上升，并且在提純過程中損失了10%左右的氫氣資源。

圖2 氫氣流量-純度曲線

圖3 氫氣剩余流量曲線

2.2 氫網絡優化分析與改造

基于氫夾點分析結果并結合氫氣管網的實際分布情況，對該石化廠氫網絡進行優化匹配，確保在不增加較大投資的情況下，通過局部優化提升氫氣資源的利用率。結果表明，氫網絡優化后可將原進入PSA裝置進行提純的加氫裂化、柴油加氫、蠟油加氫干氣，直接供S-zorb裝置、一加氫裝置、二加氫裝置使用，將重整裝置副產的氫氣直接供給三加氫裝置使用，而沒必要全部引入PSA裝置進行提純。

結合現場生產實際制定氫網絡優化改造方案：新增氫氣管線，將蠟油加氫裝置副產的低分氣直接供給S-zorb裝置使用，并關停用于提純蠟油加氫裝置副產低分氣的PSA裝置。增設重整裝置供三加氫裝置的氫氣管線，將重整裝置副產的氫氣直接引入三加氫裝置利用，降低PSA裝置的負荷，以減少氫氣資源損耗和提純成本。在企業停工檢修期間，基于上述方案對全廠氫氣管網進行了改造。改造后，關停提純蠟油加氫低分氣的PSA裝置。按裝置平均負荷2 500 Nm3/h、PSA裝置提純效率90%計算，裝置關停后，PSA裝置的氫氣損失降低了250 Nm3/h。優化改造后，增加了重整裝置至三加氫裝置的供氫管線，PSA裝置的負荷降低了6 000 Nm3/h。按PSA裝置提純效率90%計算，降低氫氣提純過程損失量約為600 Nm3/h。綜上可知，通過氫網絡優化，降低氫氣資源損失約850 Nm3/h。另外，通過關停或降低提純裝置負荷，有效降低了提純過程中的電耗、水耗及人力成本。

3 氫氣系統調度優化

3.1 氫氣系統調度優化模型

煉化企業氫氣產耗量受裝置負荷、油品品質等方面的影響較大，生產過程中氫氣系統始終處于波動狀態。氫氣資源的利用率和氫氣生產、輸送、消耗、回收等過程均密切相關，按傳統方式進行平衡與調度，難以應對加工方案多變、氫氣組成多變、用氫裝置對品質要求不一等因素的影響，難以確保氫氣系統長期運行在最優狀態，將不可避免地造成氫氣資源的浪費。因此，需要在臨氫裝置操作優化、氫網絡優化改造的基礎上，構建氫氣系統調度優化模型，實現運行過程的調度優化，以全面提升氫氣系統的運行效率。

以氫氣系統運行總成本最低為目標，以臨氫裝置操作參數及氫管網運行狀態為約束，構建氫氣系統調度優化模型。將氫氣系統的運行成本定義為產氫成本、提純成本、壓縮成本、氫氣放散的損失之和，可建立如下目標函數：

(2)

該模型需滿足裝置的物料平衡約束：產氫總量等于耗氫總量與排放總量之和、產氫純氫量等于耗純氫量與排放純氫量之和，如式(3)所示。同時，該模型需滿足裝置約束：各產氫裝置、提純裝置、耗氫裝置的負荷不能超過正常范圍，如式(4)所示。另外，該模型還需滿足氫純度、氫用量約束：提純裝置的進料氫純度不能低于最低純度要求、耗氫裝置用氫量不小于臨氫裝置操作優化給出的最低氫用量、氫純度不小于優化獲得的最低氫純度，如式(5)所示。

(3)

(4)

(5)

采用多元非線性規劃、遺傳算法等方法對調度優化模型進行求解，可獲得產氫裝置最佳產氫量、提純裝置最佳負荷和氫氣資源的最佳分配方式等優化結果，進而優化氫氣分配和新氫機操作策略、優化耗氫裝置用氫策略，實現氫氣系統的動態優化與高效運行。

3.2 調度優化平臺的設計與實現

以石化企業現有信息化系統為基礎，以氫氣系統調度優化模型為支撐，開發調度優化平臺，指導氫氣系統進行優化操作，能為調度優化過程提供定量決策依據。該調度優化平臺以大型實時數據為支撐，同時集成煉化企業分布式控制系統(distributed control system,DCS)、實驗室信息管理系統(library information management system,LIMS)化驗分析、制造執行系統(manufacturing execution system,MES)及企業資源計劃(enterprise resource planning,ERP)管理等相關數據，通過Web方式實現人機交互，支撐調度優化模型在線計算，給出定量調度優化數據，指導氫氣系統的優化操作及優化調度，并進行優化效益評估與核算。氫氣系統調度優化平臺，可同時集成臨氫裝置實時監控、氫氣產耗平衡在線統計、氫管網模擬、氫氣產耗定量預測等功能及專家知識庫等，實現對氫氣系統的全面精細化管控與優化高效運行，提升氫氣系統管理過程的信息化、智能化程度。在某石化廠的應用表明，氫氣系統調度優化平臺能顯著提升氫氣系統的調度及管理水平，使氫氣系統始終保持在良好的運行狀態，實現了氫氣資源的優化配置。將其與臨氫裝置操作優化、氫氣網絡優化等技術相結合，可將該石化廠的氫氣資源總體利用率提升到95%以上。

4 結束語

氫氣系統的運行狀況直接決定著煉油企業的經濟效益。針對煉化企業的生產實際情況及特點，本文將臨氫裝置操作優化、氫網絡優化、氫氣系統調度優化等技術相結合，構建氫氣系統全局優化方法，進行氫氣系統全面優化，可有效減少耗氫裝置氫氣資源的過度損耗、降低氫氣提純成本、提升氫氣資源利用率，達到降本增效的目標。本文開發的氫氣系統調度優化平臺，能顯著提升企業氫氣系統管理的信息化、智能化水平，實現氫氣系統精細化管理、優化高效運行，并獲得顯著的經濟效益。