乙烯生產(chǎn)過程能效優(yōu)化及評估方法探討

劉 勇

(浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 324000)

當(dāng)前，我國石油化工行業(yè)存在生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，無法實現(xiàn)細(xì)粒度監(jiān)控并系統(tǒng)改善、能源管理控制水平低下、時常發(fā)生大型生產(chǎn)事故等問題。運行能耗高而且效率低下，并且污染物大量排放，對我國石化行業(yè)的發(fā)展造成了限制。對比其他國家，從我國當(dāng)前石油化工行業(yè)的工藝設(shè)計層面來講，生產(chǎn)設(shè)備大部分從國外引進，能效優(yōu)化與評估管理方面還存在較大差別。所以，對石化生產(chǎn)過程中的能耗優(yōu)化與評估進行研究，進一步增強系統(tǒng)處理能力，可有效提高石化生產(chǎn)運行的安穩(wěn)性，并減低操作人員的工作強度與運行支出，降低污染物排放，有效化解限制石化行業(yè)發(fā)展的重點問題。

1 工況分類下的乙烯生產(chǎn)能效評估

了解能效水平與進行節(jié)能工作都需要能效評估提供保證。但是，當(dāng)前根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動模型對乙烯生產(chǎn)能效進行評估的方式還存在限制性，最主要體現(xiàn)在工藝技術(shù)結(jié)合比較少，對原材料、負(fù)載以及操作參數(shù)這些要素變化從而導(dǎo)致的能效與收率變化缺乏考慮。實際上，乙烯生產(chǎn)能效和生產(chǎn)工況有重大聯(lián)系，對工況因素缺乏考慮時很難獲取合理的評估結(jié)果。

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型是獲得廣泛應(yīng)用的一種非參數(shù)生產(chǎn)效率評估方法，在實際應(yīng)用中往往將時間間隔作為決策單元的選擇依據(jù)。但是，在時間間隔基礎(chǔ)上進行的乙烯生產(chǎn)能效評估難以更進一步聯(lián)系生產(chǎn)工藝與有關(guān)參數(shù)，使得一些能效評估結(jié)果不能獲得更加合理的解釋，也就無法進一步提高乙烯生產(chǎn)能效。采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型的決策單元也就是明確“同類型”的評估數(shù)據(jù)集合(DMU)。通常來說，DMU的選擇需要達到幾種最基礎(chǔ)的屬性特征需求，也就是相同生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)及目標(biāo)。對單個乙烯生產(chǎn)設(shè)備來說，通常以上三種基本屬性是不變的。為加強提升同類型決策單元，再和乙烯生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合，可把生產(chǎn)工況當(dāng)做一個DMU選擇的規(guī)則，構(gòu)建多工況能效評估模型，以此更加科學(xué)的進行能效評估工作。另外，乙烯生產(chǎn)當(dāng)中需要多種能源介質(zhì)種類，輸入過多的指標(biāo)將使數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型得出的相對效率存在分辨率不良的問題。所以應(yīng)先選取一定的輸入指標(biāo)，才能開展能效評估工作。

1.1 乙烯生產(chǎn)典型工況的確定

乙烯生產(chǎn)工況評估前要先對其典型工況進行明確，因為進行工況分類能效評估的主要前提就是明確工況。工況是一個乙烯生產(chǎn)能效的關(guān)鍵影響要素，下面針對工況這個關(guān)鍵影響要素為主要根據(jù)，明確乙烯生產(chǎn)的典型工況。

1.2 典型工況對照因素

在確定典型工況技術(shù)上，對采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以聚類算法加以工況辨識。由于乙烯的生產(chǎn)設(shè)備能效受包括原材料、負(fù)荷、設(shè)備規(guī)模、生產(chǎn)方法、操作條件、產(chǎn)量、能量損耗、綜合能效、公用工程等在內(nèi)的要素影響。而太多數(shù)據(jù)屬性會對計算結(jié)果的合理性造成極大影響。所以假如不采用K-Means聚類算法加以確定，除了會對算法的速度與精度造成影響，工況分類的合理性無法保證。因此，應(yīng)該根據(jù)加工技術(shù)選擇數(shù)據(jù)屬性，選擇具有象征意義的數(shù)據(jù)屬性當(dāng)做典型工況的明確對照因素。

乙烯生產(chǎn)技術(shù)非常繁雜，同時伴有錯綜復(fù)雜的能量流與物質(zhì)流。這一生產(chǎn)過程是連續(xù)化工過程，牽涉到較多環(huán)節(jié)的對接，包括設(shè)備的操控、工藝參數(shù)優(yōu)化配置等多方面問題。同時，生產(chǎn)操作參數(shù)與能耗、能效間具有極為密切的關(guān)聯(lián)性。前面提到乙烯生產(chǎn)能效受多方面因素影響，當(dāng)中的生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備規(guī)模對于已經(jīng)投入生產(chǎn)的乙烯生產(chǎn)設(shè)備大致是相同的；操作要求屬于系列工藝參數(shù)的綜合，涉及到的變量極多，必須要把握住關(guān)鍵性參數(shù)；綜合能效則是對各項原材料輸入采取線性加權(quán)法，并且評估模型的輸入指標(biāo)包含各種介質(zhì)材料；原材料與產(chǎn)品是乙烯生產(chǎn)的兩大要點，和能效水平具有直接關(guān)系。

1.2.1 能耗與產(chǎn)出

乙烯生產(chǎn)能效水平主要受能源總消耗量與產(chǎn)出量的直接影響。由指標(biāo)的計算公式可知，當(dāng)生產(chǎn)同等量的乙烯產(chǎn)品，能源消耗量大則表示能效水平不高，反之，消耗相同量的能源介質(zhì)，可得到越多的產(chǎn)量，能效水平也就越高。乙烯生產(chǎn)過程中涉及到水、電、燃料、蒸汽、壓縮空氣等能源介質(zhì)，當(dāng)中，消耗超出80%的是燃料與蒸汽；除C2H4與C3H6之外，CH4、H2、裂解燃料油這類副產(chǎn)品也是乙烯生產(chǎn)的重要經(jīng)濟產(chǎn)品。所以，需要對乙烯生產(chǎn)能源與產(chǎn)品進行合理管理，以此提高乙烯生產(chǎn)能效水平。

1.2.2 原材料

結(jié)合生產(chǎn)運行情況可以知道，生產(chǎn)裝置的裂解原材料主要有輕烴、石腦油、加氫碳五這幾類輕質(zhì)原材料與加氫裂化尾油、減頂油這幾類重質(zhì)原材料。不同原材料性質(zhì)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有直接影響，對生產(chǎn)能耗同樣具有不同影響，原材料配比不同的組合對于能效及產(chǎn)品構(gòu)造會形成一定影響。輕質(zhì)原材料比重質(zhì)原材料的乙烯收率相對要更高。

另外，依照乙烯具體生產(chǎn)情況，生產(chǎn)裝置原材料有三種組合形式：第一種原材料是加氫裂化尾油、減頂油、石腦油組合；第二種原材料是加氫裂化尾油、減頂油、石腦油、加氫碳五組合；第三種原材料是加氫裂化尾油、減頂油、石腦油、加氫碳五、輕烴組合。

在確保其他運行條件大致不變動的情況下，綜合能耗、企業(yè)乙烯綜合能耗及乙烯收率容易由于原材料的不同組合而出現(xiàn)顯著不同。當(dāng)中，能耗最高且收率最低的是第一種組合，能耗最低且收率最高的是第三種組合。這就表示原材料分組不同的情況下，由于乙烯原材料化學(xué)性質(zhì)存在區(qū)別，所以生產(chǎn)過程中的能耗、能效水平以及收率都具有一定變化。

1.2.3 裂解深度

裂解深度是與乙烯能耗及產(chǎn)量有關(guān)的一個重要參數(shù)。這項參數(shù)是乙烯生產(chǎn)當(dāng)中的裂解反應(yīng)程度，對乙烯產(chǎn)量與丙烯產(chǎn)量具有直接性影響，不同的裂解深度下，乙烯生產(chǎn)產(chǎn)品組成也有區(qū)別。結(jié)合文獻資料與具體情況，裂解深度具有多種表達方式，此處通過C2H4與C3H6產(chǎn)量比值體現(xiàn)。這種表現(xiàn)形式能夠直接體現(xiàn)產(chǎn)品組成。在裂解深度加劇之后，C3H6產(chǎn)率也會提高，C2H4產(chǎn)率則會降低。更為要緊的是，因為原材料化學(xué)性質(zhì)存在區(qū)別，其裂解深度必定有所不同。生產(chǎn)過程中，假如裂解深度應(yīng)生產(chǎn)工藝有所改變，產(chǎn)品產(chǎn)量與能效水平也會有所變化。所以，生產(chǎn)當(dāng)中，科學(xué)的裂解深度指標(biāo)就是獲取最大化經(jīng)濟效益的關(guān)鍵保證。雖然當(dāng)裂解深度不斷增加，乙烯整個綜合能耗指標(biāo)會呈現(xiàn)提升情況，但乙烯產(chǎn)量或呈現(xiàn)減少趨勢。

1.2.4 小結(jié)

乙烯收率更多地受裂解原材料化學(xué)性質(zhì)的影響，各種裂解原材料的綜合能耗具有一定差異，能效水平也有著顯著差異。生產(chǎn)負(fù)荷也對能效具有顯著影響，通常來說，負(fù)荷高則能效水平高。另外，裂解深度這類操作參數(shù)也在較大程度上影響著乙烯生產(chǎn)能耗與能效。

2 乙烯生產(chǎn)裂解時的能源物料優(yōu)化

乙烯生產(chǎn)的重點設(shè)備要屬裂解爐。其在高溫加熱作用下，讓原材料裂解成為小分子烴化物，此過程中有極大的能源消耗，所以運行效率對乙烯生產(chǎn)設(shè)備整體能效水平具有極大影響。在乙烯工業(yè)能源形勢不斷惡化與提高能效、降低能耗的趨勢下，裂解時對裂解爐有關(guān)參數(shù)進行改進與把控，是乙烯生產(chǎn)有效實現(xiàn)節(jié)能減排、增強能效的重中之重。原材料性質(zhì)與配比存在區(qū)別，也會致使裂解操作出現(xiàn)差異，最終導(dǎo)致乙烯產(chǎn)出率及能耗出現(xiàn)變化。調(diào)整裂解原材料組成，進一步提升乙烯收率是改進乙烯設(shè)備能耗最根本的要求。但是當(dāng)前原材料的改進大部分處于乙烯成分輕質(zhì)化的選用上面，并不是一定要調(diào)整輕重組分原材料比例。并且裂解當(dāng)中的能源管理，大部分是通過節(jié)流的方式來降低能耗，沒有重視能源的投入和配比調(diào)整改動所起的作用。依照乙烯生產(chǎn)能效分析結(jié)果，裂解原材料進料配比情況對乙烯生產(chǎn)能耗水平具有極大影響。通過分析乙烯產(chǎn)品需求因素，對裂解原材料配比進行合理改動，同時改進能源介質(zhì)，改善原材料的同時加強能源管控，可以有效提高乙烯產(chǎn)品收率，并同時實現(xiàn)節(jié)能降耗。

要想化解乙烯生產(chǎn)裂解時存在的低能效、高能耗問題，應(yīng)合理考慮原材料配比調(diào)整及能源管控方式，采用可以整體改進乙烯生產(chǎn)裂解中能源物料的措施，分步驟的優(yōu)化原材料并調(diào)整能源。這一方面需要構(gòu)建乙烯生產(chǎn)原材料配比改良模型，對不同需求條件下的原材料最優(yōu)配比進行明確；另一方面要構(gòu)建裂解爐燃料與原材料比改良模式，根據(jù)最佳原材料比約束，對裂解爐燃料與原材料進行綜合改進，以此有效提高裂解當(dāng)中的能效，實現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。

3 乙烯生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)要求和裂解過程工藝

3.1 乙烯生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)要求

乙烯生產(chǎn)技術(shù)水平重點通過乙烯產(chǎn)量、丙烯產(chǎn)量及企業(yè)乙烯綜合能耗這三項指標(biāo)來體現(xiàn)。

3.2 乙烯生產(chǎn)裂解過程工藝流程

前文提到，我國當(dāng)前乙烯生產(chǎn)裝置的裂解原材料主要有輕質(zhì)原材料與重質(zhì)原材料兩種，原材料組分輕的情況下，出率高，但成本也越高。生產(chǎn)當(dāng)中為讓乙烯產(chǎn)出率與成本相平衡，主要是采取輕重原材料并用的方法，各組分原材料分爐加以裂解。裂解過程中采取多種原材料單獨裂解方法，裂解氣在裂解氣管道匯集之后再一起進入分離流程，所以各種原材料的進料配比對乙烯產(chǎn)出率與能耗量都有較大影響。乙烯收率很大程度上受裂解原材料化學(xué)性質(zhì)影響，各種裂解原材料的綜合能耗有極大差距。相對輕質(zhì)原材料，裂解重質(zhì)原材料的能耗量要更高。但是，因為乙烯生產(chǎn)存在滯后性，各原材料的質(zhì)量與化學(xué)組不能及時進行優(yōu)化。所以要想增強乙烯生產(chǎn)綜合能效水平，重點在于怎樣優(yōu)化裂解原材料的進料配比，同時基于此對能源進行優(yōu)化管理。應(yīng)根據(jù)原材料配比，構(gòu)建乙烯生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)改良模型，獲取最合理的原材料進料配比，從而為操作人員提供最為科學(xué)的原材料進料方案。另外，生產(chǎn)當(dāng)中要確保進料負(fù)荷與能源負(fù)荷的協(xié)調(diào)性，需要在獲得最佳原料配比基礎(chǔ)上，構(gòu)建裂解燃料與原材料協(xié)調(diào)改良模型，提高裂解過程中的能耗水平。

3.3 優(yōu)化方案的選定

為讓乙烯生產(chǎn)原材料配比與裂解時的能源得到改良，原材料配比改進與能源物料協(xié)調(diào)改進需要分步驟進行，同時綜合考慮產(chǎn)品的市場需求，從而讓生產(chǎn)優(yōu)化效果更加符合實際需求。

首先是對原材料配比進行優(yōu)化。裂解原材料配比直接性影響著產(chǎn)品出率與能耗。應(yīng)根據(jù)原材料配比的乙烯產(chǎn)量、丙烯產(chǎn)量、企業(yè)乙烯綜合能耗三項生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，進行軟測量建模，并基于此構(gòu)建有著梯級優(yōu)先權(quán)重的原材料配比優(yōu)化模型，從而達到根據(jù)市場需求調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)品的原材料配比。其次是對能源物料進行協(xié)調(diào)優(yōu)化。裂解爐能耗介質(zhì)主要是燃料氣，可以通過加強管控燃料氣這種直接方式，讓裂解達到節(jié)能減排目標(biāo)。對于裂解爐提出燃料與原材料比指標(biāo)，進行裂解爐燃料與原材料比優(yōu)化建模，同時根據(jù)最合理的原材料配比，采用精英教學(xué)優(yōu)化算法計算出最佳燃料與原材料的進料量，促使裂解過程達到節(jié)能降耗的目的。

4 結(jié)語

綜上，石化行業(yè)是能源消耗大且污染排放量高的行業(yè)，乙烯工業(yè)正好是石化行業(yè)最基礎(chǔ)和最主要的一個工業(yè)。因此對乙烯生產(chǎn)過程中能效優(yōu)化及評估方法加以探究，有助于推進乙烯工業(yè)發(fā)展并實現(xiàn)節(jié)能減排。對乙烯生產(chǎn)工藝來說，節(jié)能降耗和能耗評估是一個立體的系統(tǒng)工程，兩者具有密切聯(lián)系。為符合國家節(jié)能減排的發(fā)展要求，促使我國綠色、長遠(yuǎn)發(fā)展，必須進一步對乙烯生產(chǎn)工業(yè)能源節(jié)能控制與能耗評估的立體系統(tǒng)工程加以研究，對存在的不足深化探究。