煉廠氫氣管網(wǎng)建模與優(yōu)化分析

王陽峰 張英 陳春鳳 蘇建海

摘 ?????要： 氫氣管網(wǎng)是煉廠連接供氫單元、用氫單元的重要橋梁。企業(yè)依靠局部單點(diǎn)信息對氫氣管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)管，對管道內(nèi)部流動變化狀態(tài)處于“黑箱”認(rèn)識水平。在整理流速模型、壓降模型、管線積液識別模型、節(jié)點(diǎn)氫氣流向判斷模型等基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)程序計(jì)算框圖，開發(fā)氫氣管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型。以氫管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，可以進(jìn)行煉廠氫氣管線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、關(guān)鍵信息報(bào)警及生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化等研究，為技術(shù)管理人員優(yōu)化決策提供理論指導(dǎo)。

關(guān) ?鍵 ?詞：氫氣;管線;模型;優(yōu)化

中圖分類號：TU276.7 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）03-0725-05

Simulation and Optimization of?Hydrogen Pipeline Network in Refineries

WANG Yang-feng¹， ZHANG Ying¹， CHEN Chun-feng²， SU Jian-hai²

（1. Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Liaoning Dalian 116041， China;

2. Sinopec Shijiazhuang Refining & Chemical Company， Hebei Shijiazhuang 050099， China）

Abstract： Hydrogen pipeline network is an important bridge connecting hydrogen supply unit and hydrogen consumption unit in refineries. The enterprise relies on local single point information to supervise the hydrogen pipeline network， and has a "black box" understanding of the internal flow change of the pipeline. The program calculation block diagram was?designed and the mathematical model of hydrogen pipe network was?developed on the basis of flow rate model， pressure drop model， identification model of pipeline liquid accumulation， flow direction model of node hydrogen.?The mathematical model of hydrogen pipeline?network can be used to monitor the operation status， alarm and optimize production scheduling of hydrogen pipeline network?in refineries， providing theoretical guidance for the optimization decision-making of managers.

Key words： ?hydrogen; ?pipeline; ?simulation; ?optimization

隨著加工原油劣質(zhì)化趨勢加劇，國家油品質(zhì)量升級加快及環(huán)保要求加強(qiáng)，各煉廠提高了加氫處理深度，氫氣消耗量逐年增加^[1，2]，另外，許多企業(yè)調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構(gòu)適應(yīng)當(dāng)前市場對汽柴油、航空煤油、化工料等的需求變化^[3，4]，這些因素導(dǎo)致煉油廠氫氣系統(tǒng)供需狀況發(fā)生較大變化。氫氣管網(wǎng)是連接供氫單元、耗氫單元的橋梁，自裝置建成后一般較少優(yōu)化調(diào)整，難以滿足當(dāng)前氫氣系統(tǒng)優(yōu)化生產(chǎn)的需求。企業(yè)僅依靠關(guān)鍵點(diǎn)壓力測試、流量測試、溫度測試等信息對氫氣管網(wǎng)進(jìn)行管理，而對管網(wǎng)內(nèi)部信息卻處于“黑箱”認(rèn)識狀態(tài)，不能從本質(zhì)上進(jìn)行氫氣管網(wǎng)的監(jiān)管及優(yōu)化。

開發(fā)氫氣管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，揭示管道內(nèi)部流體流動變化機(jī)理，有助于企業(yè)生產(chǎn)管線數(shù)字化、可視化監(jiān)管，為技術(shù)人員優(yōu)化調(diào)整提供理論指導(dǎo)。

1 ?氫氣管網(wǎng)簡介

按壓力分類，煉廠氫氣管網(wǎng)主要可分為2.0、1.0 MPa氫管網(wǎng);按氫氣純度分，主要可分為高純氫管網(wǎng)（氫氣純度>99.9%）、低純氫管網(wǎng)（氫氣純度<99.9%）;按氫氣類別分，可分為制氫氫管網(wǎng)、重整氫管網(wǎng)或化工氫管網(wǎng)。

管道內(nèi)氫氣流速主要分為經(jīng)濟(jì)流速和安全流速，氫氣是可燃性氣體，因此生產(chǎn)實(shí)際中更應(yīng)關(guān)注其安全流速。氫氣具有著火溫度低、爆炸極限寬、燃燒速度快等特點(diǎn)，因此在氫氣長距離輸送過程中的泄露、燃燒、爆炸問題需要特別引起重視。

基于成本等因素考慮，當(dāng)前煉油廠主要采用碳鋼管輸送氫氣，由于施工后清理、吹掃不完全或管道年久腐蝕等原因，在管道內(nèi)極易殘留微量鐵銹等雜質(zhì)。若管道內(nèi)氫氣流速過大，氣流與管壁鐵銹等雜質(zhì)摩擦增強(qiáng)，極易產(chǎn)生靜電火花，進(jìn)而引起氫氣爆炸等事故。《GB50177-2005氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》對管道內(nèi)氫氣最大流速作出規(guī)定^[5]，如表1所示，煉廠氫氣管線主要是在2.0或1.0 MPa壓力下輸送氫氣，因此從安全角度出發(fā)，管線內(nèi)氫氣流速需控制在15 m/s以下。

2 ?模型建立

2.1 ?模型簡化

氫氣出供氫裝置后，從管線一端流向各耗氫裝置。模型計(jì)算處理時，沿管線軸向方向劃分微元段，微元段入口數(shù)據(jù)通過管線模型計(jì)算得到微元段出口數(shù)據(jù)，再將該微元段出口數(shù)據(jù)作為下一微元段入口計(jì)算初值，按此思路依次從供氫裝置一端管線入口計(jì)算至管線出口，進(jìn)而獲得管線不同位置的氫氣流速、壓力等參數(shù)值（圖1）。

2.2 ?基礎(chǔ)模型

（1）流速計(jì)算模型

????????????????（1）

?????????????（2）

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式中：—流速，m/s;

—體積流量，m³/s;

—管道橫截面積，m²;

—標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101 325 Pa;

—273.15 K;

—標(biāo)準(zhǔn)體積流量，Nm³/s;

—溫度，K;

—壓力，Pa;

—管內(nèi)徑，m。

（2）流動狀態(tài)判定模型

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式中：—雷諾系數(shù);

—流速，m/s;

—流體密度，kg/m³;

—流體動力黏度，cp;

—壓力，Pa;

—溫度，K;

—8.314 J/（mol.K）;

——混合摩爾質(zhì)量，g/mol;

—組分i的體積分?jǐn)?shù);

——組分i的摩爾質(zhì)量，g/mol。

（3）壓降計(jì)算模型

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??????（9）

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式中：—管段壓降，Pa;

—直管壓力降，Pa;

—局部阻力壓降，Pa;

—摩察系數(shù);

—管線長度，m;

—管內(nèi)徑，m;

—密度，kg/m³;

—流速，m/s;

—管件、閥門等阻力系數(shù)。

（4）氫管網(wǎng)積液判斷模型

根據(jù)相平衡公式計(jì)算氣相量、液相量、氣液相組成等數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出微元段是否有積液的判斷（氣液相平衡計(jì)算后L的量是否大于某一設(shè)定值作為判斷是否有積液，如當(dāng)L>0.001 kmol時表明有積液）。

????????（11）

??????（12）

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?????????????（14）

（15）

（16）

式中：e—汽化分率;

c—組分;

—組分i的氣液相平衡常數(shù);

—汽化分率函數(shù)的表達(dá)式;

—汽化分率函數(shù)求導(dǎo)后的表達(dá)式;

—進(jìn)料組分濃度，mol;

—液相組分濃度，?mol;

—?dú)庀嘟M分濃度，mol;

F、V、L—進(jìn)料、氣相、液相量，?mol。

2.3 ?模型計(jì)算流程

如圖2所示，按照程序設(shè)計(jì)流程，通過模型計(jì)算，得到流速、壓降（或壓力）沿管線的變化分布情況，并能判斷當(dāng)氫氣組成變化、溫度變化時，在某些微元段是否有積液產(chǎn)生。主要步驟如下：

（1）首先進(jìn)行氫氣系統(tǒng)平衡核算，確定計(jì)算路徑，確定節(jié)點(diǎn)氫氣流向;

（2）按照設(shè)定的微元段劃分規(guī)則進(jìn)行微元段劃分，并輸入第一微元段流量、溫度、壓力等信息;

（3）利用基礎(chǔ)模型進(jìn)行汽化分率、組成、積液判斷、壓降、流速等計(jì)算，將微元段出口氣相量、組成等信息傳遞至下一微元段，作為下一微元段計(jì)算入口初值;

（4）按照上述方法一次計(jì)算至氫管線最后一微元段。

2.4 ?管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)氫氣流向判斷

煉廠氫氣管網(wǎng)是由氫氣主管線及分支管線構(gòu)成，管網(wǎng)上游連接一個或多個供氫裝置，管網(wǎng)下游連接各用氫裝置。主管線與分支管線連接點(diǎn)的氫氣流向判斷是開展氫氣管網(wǎng)計(jì)算機(jī)自主計(jì)算的前提及基礎(chǔ)，如圖3所示節(jié)點(diǎn)流向判斷方法如下：

（1）定義氫源、氫阱及節(jié)點(diǎn)，規(guī)定氫源只有流量流出，氫阱只有流量流入，即氫源①通過節(jié)點(diǎn)⑤、⑥分別送至氫阱②、③及④;

（2）規(guī)定流入節(jié)點(diǎn)為“+”，流出節(jié)點(diǎn)為“-”，且節(jié)點(diǎn)累積流量為0，以節(jié)點(diǎn)⑤為例，i₁+i₅+i₂=0;

（3）對于任意節(jié)點(diǎn)只要知道兩股物流信息，根據(jù)節(jié)點(diǎn)累積流量為零原則，即可求得第三流股流量及方向。

3 ?模型應(yīng)用

利用已開發(fā)的氫氣管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型可以進(jìn)行煉廠氫氣管線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、關(guān)鍵信息報(bào)警及生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化等研究。

3.1 ?在線監(jiān)測系統(tǒng)

以氫氣產(chǎn)耗實(shí)時數(shù)據(jù)、管道結(jié)構(gòu)參數(shù)、裝置物理布局位置等為基礎(chǔ)，利用已開發(fā)的數(shù)學(xué)模型，借助信息化手段，構(gòu)建全廠氫氣管線實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。以某煉廠氫氣管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)為例，可實(shí)現(xiàn)如下功能：對無法用儀表監(jiān)測的管線參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，在線查看流速、流量、壓力、壓降等信息;具備歷史數(shù)據(jù)存儲功能，可以查看管線某位置關(guān)鍵參數(shù)歷史變化趨勢;以報(bào)表形式導(dǎo)出相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

3.2 ?管網(wǎng)報(bào)警

利用管網(wǎng)模型開展氫氣管線核算，以氫氣流速滿足國標(biāo)規(guī)范要求為限，超過設(shè)定值則提示管線報(bào)警信息，進(jìn)而指導(dǎo)技術(shù)人員開展優(yōu)化方案研究。

某煉廠化肥合成氣通過DN250管線一路送至2#PSA，另一路送至4#PSA，其中在去4#PSA的管線上有一段管線（約6 m）由DN250變徑至DN100，經(jīng)一流量計(jì)測量后再擴(kuò)徑至DN250，最后送至4#PSA。如表2所示，日常生產(chǎn)中，管線內(nèi)流通氫氣流量在

20 000～50 000 Nm³/h區(qū)間變化，經(jīng)過氫管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型核算，這段DN100管道內(nèi)氫氣流速大、壓降高，存在安全隱患。因此建議企業(yè)對這部分管線進(jìn)行改造，在化肥氫至4#PSA管線上流量計(jì)DN100管線處，新建一條DN250氫管線跨線，使化肥氫不經(jīng)過DN100管線而是直接并入氫氣主管線，送至4#PSA，如圖4所示。

3.3 ?調(diào)度優(yōu)化

某煉廠^[6]氫氣管網(wǎng)布局如圖5所示。

化工氫與重整氫混合，從北至南貫穿煉廠，分別送至1 Mt/a柴油加氫裝置及1.85?Mt/a蠟油加氫裝置、航煤加氫裝置、烷基化裝置、新三廢、中壓加氫裂化裝置、1#S zorb及高壓加氫裂化裝置;高純氫管線分別連接蠟油加氫裝置、2#S zorb、潤滑油加氫裝置、高壓加氫裂化裝置及2#三廢。企業(yè)生產(chǎn)人員反映貫穿南北的重整氫管線壓降大，造成煉廠南部壓縮機(jī)入口壓力降低，不利于裝置節(jié)能高效運(yùn)行。

通過對管網(wǎng)分析，發(fā)現(xiàn)煉廠南北氫管線流通氫氣量大是導(dǎo)致壓降高的主要原因，因此再新建一條連接煉廠南北的氫管線，如圖6所示，從100萬柴油加氫裝置界區(qū)外新建一條DN250管線至煉廠南區(qū)蠟油加氫裝置附近，可以實(shí)現(xiàn)化工氫與重整氫分流，進(jìn)而緩解煉廠南北重整氫管線的輸送壓力。利用開發(fā)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行煉廠氫氣調(diào)度優(yōu)化研究，可以根據(jù)管道特性更好分配兩條貫穿南北管線的氫氣流量，滿足安全用氫、高效用氫需求。

優(yōu)化目標(biāo)：min△P =△P₁ +△P₂

式中：ΔP₁ —化工氫管線壓降;

ΔP₂ —1#連續(xù)重整氫管線壓降。

約束條件如表3所示。

優(yōu)化結(jié)果如表4所示，可看出當(dāng)調(diào)整部分化工氫至1#連續(xù)重整氫管線后，能顯著降低管網(wǎng)系統(tǒng)壓降，且氫氣處于安全流速范圍內(nèi)。

4 ?結(jié) 論

（1）在氫氣管線流速模型、壓降模型、積液判斷模型、節(jié)點(diǎn)物流流向確定模型等基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)程序計(jì)算框圖，開發(fā)了煉廠氫氣管線數(shù)學(xué)模型;

（2）應(yīng)用管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，開發(fā)煉廠氫氣管線在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管線內(nèi)部可視化、數(shù)字化監(jiān)管;

（3）應(yīng)用管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行管道流速超標(biāo)等不正常運(yùn)行狀態(tài)報(bào)警，提示技術(shù)人員進(jìn)行操作調(diào)整或改造優(yōu)化;

（4）以管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建氫管網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，減少系統(tǒng)壓降，節(jié)省操作費(fèi)用。

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