煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

李聞杰 江洪波 鄒瀅

(華東理工大學(xué)石油加工研究所，上海 200237)

曹文磊 周新娣

(中國石油化工股份有限公司上海高橋分公司，200137)

煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

李聞杰 江洪波 鄒瀅

(華東理工大學(xué)石油加工研究所，上海 200237)

曹文磊 周新娣

(中國石油化工股份有限公司上海高橋分公司，200137)

隨著煉油廠油品生產(chǎn)要求的提高，氫氣的需求量越來越大，有必要優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)以降低生產(chǎn)成本。采用線性目標(biāo)規(guī)劃法，選取國內(nèi)某煉油廠作為實(shí)例，考慮氫氣純度、流量和生產(chǎn)成本等因素，分析煉油廠生產(chǎn)的不同工況，編程優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)分配。

煉油廠 氫氣 網(wǎng)絡(luò) 優(yōu)化 線性目標(biāo)規(guī)劃

低成本戰(zhàn)略是21世紀(jì)煉油廠提高競爭力的最重要發(fā)展戰(zhàn)略之一，氫氣成本管理是煉油廠低成本戰(zhàn)略的重要組成部分。目前全球氫氣年產(chǎn)量約為50 Mt，并且以每年6% ～7%的速度增長，96%的商用氫氣是通過煤、石油和天然氣等化石燃料來制備的。煉油廠通過提高制氫裝置的氫氣產(chǎn)量、新建制氫裝置、從外部供應(yīng)商采購氫氣或新增氫氣提純能力以提高氫氣回收率，以滿足日益增長的氫氣需求。煉油廠副產(chǎn)氫氣的回收工藝包括深冷法、變壓吸附法(以下簡稱PSA)和膜分離法［1］。

國內(nèi)外研究人員對于氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的問題進(jìn)行了多方位的研究，大部分煉油廠包括國外的一些煉油廠采用的是夾點(diǎn)分析的方法(也稱窄點(diǎn)法)。2002年浙江大學(xué)［2］通過對中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司的氫氣網(wǎng)絡(luò)分配深入調(diào)查研究，采用超結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的方法，運(yùn)用模糊線性規(guī)劃方法運(yùn)算，降低了氫氣生產(chǎn)的成本。2004年張毅等［3］綜合分析煉油廠氫源、氫阱的氫氣流股的流量、純度、壓力和有害雜質(zhì)等因素后，運(yùn)用序貫二次規(guī)劃算法(SQP)求得最優(yōu)氫氣供應(yīng)方式。張勁松［4］提出一種基于受控混雜Petri網(wǎng)(CHPN)的分層優(yōu)化建模結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用于煉油廠的氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化管理中，可以根據(jù)工廠的實(shí)際生產(chǎn)條件的改變在計(jì)劃期內(nèi)及時(shí)調(diào)整安排，保證經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的最優(yōu)性。劉燕［5］通過對氫氣網(wǎng)絡(luò)建立雙目標(biāo)規(guī)劃模型，運(yùn)用CPLEX優(yōu)化工具進(jìn)行求解，得出模型的最優(yōu)解。在氫氣分配網(wǎng)絡(luò)中，最主要的能耗是壓縮氣體時(shí)消耗的功，于澤淼和馮霄［6］基于這個(gè)現(xiàn)實(shí)提出以“基準(zhǔn)”為基礎(chǔ)對氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，通過有效減少壓縮機(jī)的數(shù)目，保證系統(tǒng)的能量性能和經(jīng)濟(jì)效益。在此采用線性目標(biāo)規(guī)劃方法，不同氫源輸給不同氫阱的流量都通過簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算得到，并考慮到氫氣成本的因素，使優(yōu)化更有針對性。以國內(nèi)某煉油廠為例具體介紹氫氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。

1 煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)概況

國內(nèi)某煉油廠的氫氣運(yùn)行主要包括兩個(gè)方面，即產(chǎn)氫和供氫。對于油品的加工精制、二次加工，以及石油副產(chǎn)品的加工都需要?dú)錃獾淖⑷?而這些氫氣一部分來源于相關(guān)副產(chǎn)氫氣的裝置，通過提純等操作用于再生產(chǎn)，另外一部分則來源于煉油廠自制氫氣，原料有天然氣、石腦油、裝置高低分氣體等。

統(tǒng)計(jì)該煉油廠供氫和耗氫裝置，氫氣網(wǎng)絡(luò)包括4套產(chǎn)氫裝置和13套耗氫裝置，其中1#、2#硫磺加氫和1#、2#石蠟加氫裝置用氫量少，不計(jì)入運(yùn)算;提純裝置除產(chǎn)氫裝置后續(xù)的PSA裝置外，還有1套膜分離裝置;2#連續(xù)重整裝置在建。各產(chǎn)氫裝置及耗氫裝置數(shù)據(jù)見表1和2，其中各產(chǎn)氫裝置得到的氫氣通入氫氣管網(wǎng)中，管網(wǎng)氫氣壓力均為2.00 MPa。

表1 煉油廠產(chǎn)氫裝置數(shù)據(jù)匯總

表2 煉油廠耗氫裝置數(shù)據(jù)匯總

2 優(yōu)化計(jì)算

2.1 目標(biāo)函數(shù)

氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目的是用最合理的分配滿足各用氫裝置的生產(chǎn)需要，使生產(chǎn)氫氣的成本最小化。目標(biāo)函數(shù)可以寫成如下形式:

2.2 約束條件

(1)供氫裝置氫分流平衡約束

式中，F(xiàn)i，j是氫源 i(流量為 Fsource，i) 分配到氫阱 j的氫氣流量。

(2)耗氫裝置物料平衡

式中，yi是各氫源的氫氣純度，ySINK，j是各氫阱要求的氫氣純度，F(xiàn)SINK，j是各氫阱的流量。

(3)壓縮機(jī)物料平衡

(4)供氫裝置氫量約束。供氫裝置產(chǎn)量不能高于生產(chǎn)的設(shè)計(jì)值FL，也不能低于后續(xù)生產(chǎn)的最低要求值FU:

(5)氫純度變量范圍約束。氫源的氫氣純度有固定的值，氫阱的氫氣純度滿足約束條件，要達(dá)到耗氫裝置生產(chǎn)的最低標(biāo)準(zhǔn):

式中，yL，i是氫氣純度的最高值，yu，i是氫氣純度的最高值。

通過對煉油廠產(chǎn)氫裝置物料平衡、公用工程耗量及劑耗的衡算，2#制氫成本是14 264元/t，3#制氫成本是15 612 元/t，1#重整氫成本是9 976 元/t，2#重整氫成本是9 136元/t，膜分離制氫成本5 000元/t。供氫成本費(fèi)包括了制氫的原料成本(通常是天然氣、石腦油等)、裝置的操作費(fèi)用以及PSA的提純費(fèi)用。

壓縮機(jī)的操作費(fèi)用與壓縮機(jī)功率、進(jìn)出口溫差、電費(fèi)和流量有關(guān)，在計(jì)算過程中成本變化不大。管網(wǎng)費(fèi)用則主要涉及管網(wǎng)的長度和管內(nèi)流量，對于給定的公用工程管道，假設(shè)相同純度和流量的氣體流股對管網(wǎng)的損耗是相同的，成本變化不大。因此，在優(yōu)化過程中將這兩部分成本看作固定成本。

經(jīng)過上述的分析對比，優(yōu)化過程變成簡單的氫源氫阱匹配過程，即

總費(fèi)用=供氫裝置成本費(fèi)+X (9)式中，X為定值，包含了管網(wǎng)的費(fèi)用、壓縮機(jī)的操作費(fèi)用等。

2.3 選定工況優(yōu)化計(jì)算

優(yōu)化的目的是求解從不同氫源流向不同氫阱的氫氣流量，以氫氣純度作為劃分氫源、氫阱的依據(jù)?？紤]到優(yōu)化成本最小的要求，整理結(jié)果時(shí)，把相同純度氫氣的流量優(yōu)先分配給氫氣成本較低的裝置。

研究煉油廠氫阱的數(shù)據(jù)，氫氣的純度要求集中在99.9%(S－Zorb和潤滑油加氫)、97%(加氫裂化和4#柴油加氫)、90%(重整預(yù)加氫、苯抽提、航煤加氫和蠟油加氫)和85%(3#柴油加氫)4個(gè)基本點(diǎn)。

根據(jù)現(xiàn)有的煉油廠生產(chǎn)現(xiàn)狀，主要考慮以下4種情況的氫氣網(wǎng)絡(luò)分配。

(1)工況1:考慮成本的因素，對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，可將氫源分成4股，分別為99.90%(2#、3#制氫)、92.00%(1#重整和膜分離)、67.20%(潤滑油加氫干氣)和30.29%(3#催化干氣)。

(2)工況2:膜分離的運(yùn)行負(fù)荷較低，其原料氣純度較高，具體見表3。可將氫源分成5股，分別為 99.90%(2#、3#制氫)、94.00%(潤滑油廢氫)、92.00%(1#重整)、89.00%(加氫裂化低分氣)和70.81%(4#加氫低分氣)。

(3)工況3:新建的2#連續(xù)重整裝置投入使用，經(jīng)過PSA提純裝置，產(chǎn)出高純度的氫氣?？蓪湓捶殖? 股，分別為 99.90%(2#、3#制氫)、99.90%(2#重整，過 PSA)、92%(1#重整、膜分離)、67.20%(潤滑油加氫干氣)和30.29%(3#催化干氣)。

(4)工況4:當(dāng)1#重整裝置檢修停工期間，2#連續(xù)重整副產(chǎn)93.1%的氫氣;可將氫源分成5股，分別為 99.90%(2#、3#制氫)、93.10%(2#重整)、92%(膜分離)、67.20%(潤滑油加氫干氣)和30.29%(3#催化干氣)。

表3 膜分離原料氣來源

同時(shí)各氫源氫阱滿足氫氣流量和純度的限制見表1和2。假設(shè)膜分離原料氣除雜的成本需1 000元/t，2#連續(xù)重整的 PSA提純的成本為1 000元/t。將數(shù)據(jù)代入編好的LINGO程序中，運(yùn)算得到xij的值，計(jì)算∑Xij的值即為第一個(gè)氫源流向j個(gè)氫阱的氫氣流量，同理∑Xij是第i個(gè)氫源流向j個(gè)氫阱的氫氣流量。將膜分離原料氣和煉油廠干氣的流量結(jié)果加和輸出，得到的優(yōu)化結(jié)果見表4。

表4 計(jì)算結(jié)果匯總

深入考慮影響氫氣成本的因素，得到在現(xiàn)有裝置情況下，氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可節(jié)約成本93.8元/h;直接使用膜分離原料氣，成本再降低5 185.52元/h;2#連續(xù)重整裝置投入使用后，高成本的3#制氫接近停工，氫氣成本與現(xiàn)工況相比可降低20 000元/h左右;在1#連續(xù)重整停工的情況下，2#連續(xù)重整的副產(chǎn)氫氣可以有效的供應(yīng)后續(xù)的生產(chǎn)，并且成本相差不大。

對于現(xiàn)有的煉油廠，大都?xì)v經(jīng)新建、擴(kuò)建、新增和改造等不同的歷史發(fā)展時(shí)期，同時(shí)各氫源的氫氣純度，無論新裝置還是老裝置往往都是一一對應(yīng)的。因此，針對不同工況優(yōu)化計(jì)算得到的氫氣分配方案，有時(shí)受到煉油廠實(shí)際情況的限制難以直接采用，需要重新設(shè)置氫氣管網(wǎng);或者在現(xiàn)有條件下應(yīng)盡可能充分利用低成本氫氣。而對于新建煉油廠，則應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就對氫氣網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同生產(chǎn)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便充分利用各種氫氣資源，降低投產(chǎn)后的氫氣使用成本。

3 結(jié)論

針對煉油廠的各種生產(chǎn)計(jì)劃，選用線性目標(biāo)規(guī)劃法靈活安排氫氣的生產(chǎn)，合理配置氫氣網(wǎng)絡(luò)，以充分利用低成本氫氣資源并降低生產(chǎn)成本。

與窄點(diǎn)法相比線性目標(biāo)規(guī)劃法，考慮問題更全面;與其他的數(shù)學(xué)優(yōu)化法相比，更通俗易懂，操作性強(qiáng)。通過使用LINGO編程軟件，可全面考慮煉油廠氫氣流量、純度和成本因素，是一種簡便快捷的計(jì)算方法。

［1］ Paul Allen．Managing Hydrogen Recovery［J］．Hydrocarbon Engineering，1999，4(4):71 －75．

［2］ 林海波．煉油廠生產(chǎn)計(jì)劃及氫網(wǎng)絡(luò)研究［D］．杭州:浙江大學(xué)，2002．

［3］ 張毅，陽永榮，劉軍，等．煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)集成管理［J］．石油學(xué)報(bào)(石油加工)，2004，20(1):58 －62．

［4］ 張勁松，王朝霞，李歧強(qiáng)．基于受控混雜Petri網(wǎng)(CHPN)的分層優(yōu)化模型及其在煉油廠氫氣管理中的應(yīng)用［J］．高技術(shù)通訊，2008，18(8):817 －822．

［5］ 劉燕．煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)度方法研究［D］．沈陽:東北大學(xué)，2008．

Optimization of Hydrogen Network in Petroleum Refining Plant

Li Wenjie，Jiang Hongbo，Zou Ying
(Research Institute of Petroleum Processing，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237)Cao Wenlei，Zhou Xindi
(SINOPEC Shanghai Gaoqiao Company，200137)

With the increasing of production requirements on oil products in petroleum refining plant，the demand of hydrogen is increasingly high，so it is necessary to optimize hydrogen network to reduce production cost．This paper selected a domestic refining plant for case study，adopted linear objective planning，analyzed the different operation conditions of refining plant with consideration of hydrogen purity，flow and production cost，optimized the hydrogen network allocation through programming．

petroleum refining plant，hydrogen，network，optimization，linear objective planning

1674－1099 (2012)02－0050－04

TQ021.8

A

2012-02-23。

李聞杰，女，1987年出生，化學(xué)工程專業(yè)全日制工程碩士研究生在讀，研究方向?yàn)闊捰蛷S氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。