煉廠燃料氣系統(tǒng)平衡技術(shù)

屈 威，劉亞賢

（1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司廣西石化公司儲(chǔ)運(yùn)中心，廣西 欽州 535008；2.中國(guó)石油華南化工銷售公司欽州調(diào)運(yùn)分公司，廣西 欽州 535000）

1 概述

煉廠氣（或稱瓦斯氣）是煉油廠副產(chǎn)的氣態(tài)烴，主要來源于原油蒸餾、催化裂化、熱裂化、延遲焦化、加氫裂化、催化重整、加氫精制等過程。不同來源的煉廠氣其組成各異（見表1），組要成分為C4 以下的烷烴、烯烴以及氫氣和少量的氮?dú)?、二氧化碳等氣體。煉廠氣的產(chǎn)率隨原油加工深度的不同而不同，深度加工的煉廠氣一般為原油加工量的6%（質(zhì)量）左右?？梢哉f煉廠各加工裝置都得到一些常溫下是氣體的產(chǎn)物，這些總稱為煉廠氣[1]。

表1 各種來源的煉廠氣的典型組成 /%

1.1 煉廠氣使用現(xiàn)狀及解決方案

煉廠氣解決的方法基本上是進(jìn)行氣體分離，剩余部分或作為燃料氣。作為燃料氣部分的煉廠氣一般的流程為：裝置排放氣體至全廠燃料氣放空管網(wǎng)，由此進(jìn)入氣柜回收，再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮進(jìn)入燃料氣管網(wǎng)供裝置作燃料氣。

總體看全國(guó)煉廠由于裝置排放燃料氣，為各裝置單元控制，不能有效監(jiān)控異常排放，部分高價(jià)值組分作為燃料燒掉造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。對(duì)于燃料氣管網(wǎng)系統(tǒng)來講，產(chǎn)耗不平衡的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，瓦斯產(chǎn)大于耗，氣柜超限時(shí)，需要通過瓦斯放火炬燃放來平衡；瓦斯產(chǎn)小于耗，瓦斯管網(wǎng)壓力不夠時(shí)，需要通過氣化重整C5、液化氣、天然氣等補(bǔ)烴來平衡，不可避免地造成了大量資源的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染，造成操作成本增加和安全隱患。

如何解決這一問題，關(guān)鍵在于通過對(duì)各裝置排放煉廠氣的研究，找出其生成、組成、排放等規(guī)律，進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)混合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料氣系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮，從而消除煉廠氣的無序排放，達(dá)到徹底消除煉廠氣的排放，降低損耗，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

2 方法

2.1 分析

排放煉廠氣由各生產(chǎn)裝置產(chǎn)生，由于裝置各異，排放壓力、氣體組分、流量各異，在管路中混合情況、流態(tài)都需詳細(xì)分析，確定連續(xù)介質(zhì)作為可壓縮氣體在可壓縮性呈顯著作用時(shí)的流動(dòng)規(guī)律以及氣體和物體之間的相互作用規(guī)律，才能很好地對(duì)管網(wǎng)內(nèi)混合氣體的狀態(tài)有明確的了解，進(jìn)一步對(duì)氣體進(jìn)行管控[2 3]。

如催化裝置產(chǎn)出的干氣產(chǎn)率占新鮮原料的3% 6%,干氣中有乙烷、乙烯、甲烷及氫氣，少量的丙烷、丙烯和少量的輕重?zé)N類。一般甲烷小于碳二[4]。加氫裂化產(chǎn)生的氣體為低分子烴類（碳四以下）、非烴化合物（硫化氫等）、氫氣帶入的一氧化碳、氮?dú)獾萚5]。兩者流速、溫度、壓強(qiáng)、密度都不相同，為此，需對(duì)排放氣體在管網(wǎng)中的狀態(tài)加以分析，確定多相流在固定管路中的狀態(tài)可否能模擬，從而確定管網(wǎng)內(nèi)氣體可控，進(jìn)一步采取手段達(dá)到煉廠氣平衡調(diào)控。

管網(wǎng)計(jì)算與動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)應(yīng)用于瓦斯管網(wǎng)模擬計(jì)算包含兩方面的內(nèi)容，即多相流水力學(xué)計(jì)算和管網(wǎng)計(jì)算。

多相流技術(shù)的核心內(nèi)容是水力學(xué)計(jì)算，一個(gè)完整的多相流水力學(xué)模型應(yīng)包括流型判斷、持液率和壓降計(jì)算。多相流水力學(xué)研究是進(jìn)行復(fù)雜管網(wǎng)模擬的基礎(chǔ)。

瓦斯管網(wǎng)的模擬涉及到流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)以及描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一些計(jì)算數(shù)學(xué)(如網(wǎng)絡(luò)圖論、非線性網(wǎng)絡(luò)等)。瓦斯管網(wǎng)系統(tǒng)一般由管道、壓縮機(jī)、調(diào)壓閥、氣柜等元件組成，瓦斯氣體在流經(jīng)這些元件時(shí)，應(yīng)滿足質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒、相平衡以及熱力學(xué)方面的有關(guān)基本方程。管網(wǎng)系統(tǒng)模擬就是利用這些基本方程式，建立系列數(shù)學(xué)模型來模擬流體在管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)行，從而進(jìn)行一系列的分析、判斷等。

管網(wǎng)計(jì)算主要分成3 個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)：(1)管段計(jì)算：對(duì)管段中的壓降－流量關(guān)系列出正確的方程組，選擇合適的模型；(2)管網(wǎng)分析：對(duì)管道網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和成環(huán)情況進(jìn)行分析，得到相應(yīng)的管道流動(dòng)連續(xù)性方程和環(huán)形方程，為進(jìn)一步聯(lián)立方程進(jìn)行求解；

(3)計(jì)算方法的選擇：選擇合適的非線性方程組的求解方法以達(dá)到穩(wěn)健求解。

管段計(jì)算得到的是壓降和流量的關(guān)系：

在氣液混合輸送的情況下，可以選擇Beggsffamp; Brill、DUNS ffamp; ROSS、Hagedorn ffamp; Brown、Angel-Welchon-Ross、Gray、Flannigan、Lockhart ffamp;Martinelli、Eaton、Dukler、Mukhergee ffamp; Brill 等多種方法，但要注意方程具體的適用條件，持液率的計(jì)算通過物性計(jì)算獲得。

通過對(duì)管網(wǎng)的分析可以得出以下結(jié)論：

(1)管網(wǎng)中除了入口和出口的節(jié)點(diǎn)外，所有的節(jié)點(diǎn)的自由度都為0，不能指定任何變量，只有入口和出口才能夠指定變量；

(2)如果管網(wǎng)中有I 個(gè)入口，O 個(gè)出口，那么管網(wǎng)中需要指定的變量個(gè)數(shù)為3*I+O，也就是說，只要指定I 個(gè)入口的壓力（或流量）、溫度、組成，以及O個(gè)出口的壓力（或流量、溫度、組成），就可以計(jì)算整個(gè)管網(wǎng)的任何節(jié)點(diǎn)（包括外部節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)）的任何信息（如溫度、壓力、流量、組成、熱值等）以及管網(wǎng)中任意管段的信息（如壓降、流向等）。

并不是所有的滿足指定變量個(gè)數(shù)的情況都能夠求解，管網(wǎng)入口的溫度和組成必須給定，壓力與流量可以自由選擇，但在穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)不能夠全部設(shè)定流量，必須要有至少一個(gè)邊界條件為壓力，否則會(huì)引起方程組的奇異。

2.2 方案

國(guó)內(nèi)已有鎮(zhèn)江煉廠率先采用浙大中控技術(shù)軟件公司的“瓦斯系統(tǒng)平衡與優(yōu)化調(diào)度項(xiàng)目”技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全廠瓦斯的平衡，效益顯著。

對(duì)于其他煉廠要實(shí)現(xiàn)全廠瓦斯平衡，減少直至消滅瓦斯放空，可以利用該技術(shù)進(jìn)行實(shí)施，具體為：

建立瓦斯預(yù)測(cè)模型，借鑒軟測(cè)量的思想，即用與瓦斯生成量緊密相關(guān)的輔助變量（如裝置的加工量、裝置原料性質(zhì)、裝置操作條件等）來預(yù)測(cè)瓦斯生成量。所不同的是，在瓦斯預(yù)測(cè)模型中，是用當(dāng)前時(shí)刻和過去一段時(shí)間的輔助變量數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)各生產(chǎn)裝置在未來一段時(shí)間內(nèi)的瓦斯生成量。同時(shí)，在瓦斯預(yù)測(cè)模型中，也借鑒了時(shí)間序列建模的思想，即用當(dāng)前時(shí)刻和過去一段時(shí)間內(nèi)的瓦斯生成量本身的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)各生產(chǎn)裝置未來一段時(shí)間內(nèi)的瓦斯生成量。

硬件部分主要包括新增瓦斯檢測(cè)儀表及相關(guān)輔助材料、服務(wù)器、計(jì)算機(jī)等。

低壓放空管網(wǎng)壓力相對(duì)較低，只能采用超聲波流量計(jì)或熱式質(zhì)量流量計(jì)，而燃料氣管網(wǎng)和高壓放空管網(wǎng)壓力較高，可以采用阿鈕巴流量計(jì)或渦街流量計(jì)。

在增加瓦斯排放檢測(cè)儀表的基礎(chǔ)上，使用“瓦斯系統(tǒng)平衡與優(yōu)化調(diào)度”技術(shù)在火炬燃料氣平衡與優(yōu)化管理系統(tǒng)建設(shè)兩個(gè)集成平臺(tái)——信息集成和實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)與瓦斯系統(tǒng)輔助決策與優(yōu)化調(diào)度平臺(tái)，包含綜合監(jiān)控模塊、異常報(bào)警模塊、產(chǎn)耗預(yù)測(cè)模塊、管網(wǎng)模擬模塊和優(yōu)化調(diào)度模塊等5個(gè)功能模塊，如圖1。

圖1 燃料氣平衡與優(yōu)化管理系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3 結(jié)論

該技術(shù)的實(shí)施可以實(shí)現(xiàn)：

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)：實(shí)現(xiàn)了企業(yè)整個(gè)公用工程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常診斷和綜合管理，提高了公用工程的操作安全和平穩(wěn)性。

(2)調(diào)度優(yōu)化平臺(tái)：基于預(yù)測(cè)模型和優(yōu)化模型，預(yù)知未來，掌握現(xiàn)在，實(shí)現(xiàn)了“定量調(diào)度”和“事前調(diào)度”。

(3)系統(tǒng)投用，可減少瓦斯排放，優(yōu)化燃料配置，節(jié)約輕烴資源，能夠取得顯著的節(jié)能減排效果。

(4)可以提高瓦斯系統(tǒng)調(diào)度水平，提高裝置操作安全和平穩(wěn)率，提高公用工程異常診斷和綜合管理水平，降低調(diào)度人員工作強(qiáng)度。

(5)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，社會(huì)效益不可估量。

(6)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)控、異常報(bào)警、歷史趨勢(shì)查詢、監(jiān)控界面修改與下載、統(tǒng)計(jì)分析等功能。

后續(xù)還可以開發(fā)各公用工程介質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面以及與各介質(zhì)平衡相關(guān)的主裝置子界面，并與煉廠現(xiàn)有主裝置監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行無縫集成，解決了公用工程和主裝置相互獨(dú)立的現(xiàn)狀，做到了使用一個(gè)平臺(tái)集成所有監(jiān)控內(nèi)容，避免在多個(gè)平臺(tái)間來回切換的問題，提高了工作效率 。

各介質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，以調(diào)度人員的調(diào)度邏輯和思維習(xí)慣為指導(dǎo)，采用邏輯流程的方式進(jìn)行展示，在保證單幅界面信息量豐富的基礎(chǔ)上，保持了調(diào)度邏輯清晰、簡(jiǎn)單明了等特點(diǎn)。

[1] 華東石油學(xué)院煉油工程教研室.石油煉制工程(第2 版)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1982.

[2] 張兆順，崔桂香.流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.318-339.

[3] 林兆福.氣體動(dòng)力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1988.1-45.

[4] 陳俊武.催化裂化工藝與工程(第2 版)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2005.

[5] 韓崇仁.加氫裂化工藝與工程[M].北京：中國(guó)石化出版社，2006.