煉油廠單裝置氫氣優(yōu)化研究

馬永林，孫 鵬，房

(1.中國石油化工集團公司信息化管理部，北京 100728；2.中國石化北京燕山分公司； 3.中國石化石油化工科學(xué)研究院)

煉油廠單裝置氫氣優(yōu)化研究

(1.中國石油化工集團公司信息化管理部，北京 100728；2.中國石化北京燕山分公司； 3.中國石化石油化工科學(xué)研究院)

采用夾點分析與煉油廠計劃優(yōu)化模型相結(jié)合，利用夾點分析所得出的節(jié)氫量變化曲線、氫源變化曲線與計劃優(yōu)化模型繪制的利潤曲線，分析加氫裝置氫氣的最優(yōu)純度。通過以5個月為周期實例計算，分析節(jié)氫量、氫源曲線與利潤曲線的關(guān)系，可確定加氫裝置最優(yōu)氫氣質(zhì)量分數(shù)為0.28，日節(jié)氫量為46.3 t，利潤為15 988萬元。此方法在保證裝置平穩(wěn)運行的情況下，可優(yōu)化單裝置氫氣質(zhì)量分數(shù)，節(jié)氫量與煉油廠利潤達到最優(yōu)。

夾點分析 計劃優(yōu)化模型 氫氣 純度

成品油的需求量與質(zhì)量不斷提高，煉油廠油品質(zhì)量升級刻不容緩，所以增加加氫工藝裝置成為煉油廠升級的必由之路，隨之氫氣資源的缺乏也逐漸變成煉油廠的重要問題。氫氣是石油化工行業(yè)不可或缺的生產(chǎn)原料，氫氣通入加氫裝置中，在催化劑的作用下降低油品中氧、硫、氮等雜質(zhì)含量，將重質(zhì)燃料油轉(zhuǎn)化為清潔燃料油。由于近年來嚴格環(huán)境法規(guī)，汽油指標升級(汽油硫質(zhì)量分數(shù)由50 μgg下降至10 μgg)，原油的劣質(zhì)化、高硫重質(zhì)原油的增加，導(dǎo)致加氫裝置的耗氫量穩(wěn)步攀升，煉油廠需不斷購進氫氣以保證裝置的平穩(wěn)運行。氫氣成為制約煉油廠發(fā)展的重要因素。煉油廠氫氣的不合理利用導(dǎo)致氫氣資源浪費，氫氣網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化[1]可挖掘最大節(jié)氫潛力。氫氣網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化可分為兩種方法：夾點分析法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法。夾點分析法主要利用煉油廠耗氫與供氫數(shù)據(jù)繪制剩余氫氣曲線，采取圖像法優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)；數(shù)學(xué)規(guī)劃法主要采用線性與非線性方程建立數(shù)學(xué)模型[2]，通過模型求解最優(yōu)化方案，此方法要考慮操作參數(shù)、操作費用、公共工程費用等因素。

夾點分析早期廣泛應(yīng)用在換熱網(wǎng)絡(luò)[3]與水網(wǎng)絡(luò)[4]中，Alves 等[5]利用夾點原理對氫氣網(wǎng)絡(luò)進行分析，在直角坐標系上繪制氫源-氫阱復(fù)合曲線，計算得到氫剩余量，并轉(zhuǎn)化為氫剩余曲線，調(diào)整新氫量迭代計算繼而得到最小公用工程耗氫量和夾點，此方法利用直觀的圖形，較少的數(shù)據(jù)，可迅速找出優(yōu)化的關(guān)鍵部位，是夾點分析中常用的經(jīng)典方法。Halwagi等[6]提出了另外一種確定最小氫耗量的作圖方法，繪制氫氣流量-雜質(zhì)負荷曲線，通過移動氫源曲線與氫阱曲線只相交于一點，此點為夾點，同時可以確定最小新氫消耗量和最大回收量，該圖示法減少了經(jīng)典方法中繁瑣復(fù)雜的迭代計算，但是氫股數(shù)據(jù)相似會導(dǎo)致曲線重合，須精確繪制確保夾點位置準確。

隨著國Ⅴ排放標準的實行，汽油質(zhì)量也隨之升級，從滿足國Ⅳ排放標準升至滿足國Ⅴ排放標準，應(yīng)新建新加氫精制裝置，用來保證油品的質(zhì)量。新加氫裝置的耗氫取最低限制，可達到最大節(jié)氫量，但考慮裝置平穩(wěn)生產(chǎn)、催化劑失活等因素，會導(dǎo)致煉油廠經(jīng)濟效益下降；當新加氫裝置投產(chǎn)，會形成新的氫氣網(wǎng)絡(luò)，氫氣網(wǎng)絡(luò)應(yīng)重新進行優(yōu)化。本課題利用夾點分析技術(shù)計算節(jié)氫量與新裝置氫氣純度的關(guān)系，并采用計劃優(yōu)化模型，在考慮煉油廠經(jīng)濟技術(shù)因素下，提出一種單裝置的氫氣優(yōu)化方法，確定單裝置最優(yōu)氫氣純度[7]。

1 單裝置氫氣優(yōu)化

首先確定煉油廠中的涉氫單元，包括加氫裝置、制氫裝置、氫氣提純裝置，進一步確定氫氣網(wǎng)絡(luò)，通入氫氣網(wǎng)絡(luò)的氫股是氫源，從氫氣網(wǎng)絡(luò)輸出的氫股是氫阱，提取氫氣網(wǎng)絡(luò)中穩(wěn)定周期內(nèi)氫源與氫阱的氫氣純度和質(zhì)量。其次建立橫坐標軸為質(zhì)量、縱坐標軸為純度的直角坐標系，將氫阱與氫源數(shù)據(jù)分別按質(zhì)量分數(shù)大小在坐標系中表示出來，并繪制成氫源與氫阱的氫氣質(zhì)量-純度曲線，如圖1所示。氫源與氫阱由多條線段組成，每條線段的長度與縱坐標都分別代表該氫股的氫氣質(zhì)量和純度。氫源曲線第一段對應(yīng)最高純度氫源，第二段對應(yīng)次高純度氫源，以此類推直至最低純度氫源，第一條線段以橫坐標0為端點，并將每條線段首尾連接，氫阱曲線也依照此方法繪制。

圖1 氫源與氫阱的質(zhì)量-純度曲線

在氫源-氫阱曲線中，兩條曲線在橫坐標上的投影代表氫氣質(zhì)量。氫氣網(wǎng)絡(luò)第一個必要條件是氫源質(zhì)量大于等于氫阱質(zhì)量，如果氫源質(zhì)量大于氫阱質(zhì)量，即氫源曲線比氫阱曲線長，其剩余氫量則通入了火炬系統(tǒng)或尾氣排放；若氫源質(zhì)量小于氫阱質(zhì)量，即氫源曲線短于氫阱曲線，氫氣供應(yīng)不足，應(yīng)通入更多的新氫或減少加氫裝置耗氫量。氫源量大于氫阱量并不是氫氣網(wǎng)絡(luò)的充分條件，每股氫阱必須滿足其純度限制。

在復(fù)合曲線某段區(qū)間內(nèi)，氫源曲線高于氫阱曲線，氫源提供的氫氣量大于氫阱需求量。引入一個新的變量氫剩余量H′，氫剩余量描述氫在不同純度的可用量。在這段區(qū)間內(nèi)，氫源曲線與氫阱曲線之間相差的面積是剩余氫量H′，當剩余氫量為正值時，由于在此區(qū)間內(nèi)氫源量是過量的，所以剩余氫量可補償給低質(zhì)量分數(shù)氫阱。如果在某段區(qū)間內(nèi)，氫阱曲線高于氫源曲線，氫源無法提供足夠的氫氣，在此區(qū)間內(nèi)形成氫氣赤字，剩余氫氣量為負值，該氫氣赤字應(yīng)由高質(zhì)量分數(shù)氫源提供。該赤字的物理意義是指：氫阱需要從與之相對應(yīng)的更高含量的氫源提供。如果可獲取高含量的剩余氫量，可與低含量氫源混合達到該赤字氫阱氫氣質(zhì)量分數(shù)，通入足量氫氣補償該剩余氫量(H′)。

式中：ySR為氫源氫氣質(zhì)量分數(shù)；ySK為氫阱氫氣質(zhì)量分數(shù)；F為氫氣質(zhì)量。

每一個氫剩余量H′可用一段線段表示，橫坐標為剩余氫質(zhì)量、縱坐標為氫氣質(zhì)量分數(shù)，從橫坐標0開始繪制氫剩余曲線，當H′大于0時，H′曲線沿橫坐標軸向右繪制，當H′小于0時，H′曲線沿橫坐標向左繪制。通過調(diào)整原始新氫量，當H′等于0，出現(xiàn)夾點，如圖2所示。

圖2 氫剩余曲線

收集不同純度下氫氣網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并對其進行夾點分析，迭代計算每個氫氣質(zhì)量分數(shù)下的節(jié)氫量和氫源量，并繪制數(shù)據(jù)圖，如圖3、圖4所示。從圖3可以看出：隨著氫阱氫氣質(zhì)量分數(shù)的下降，節(jié)氫量也隨之下降，當氫阱氫氣質(zhì)量分數(shù)達到一定值后，出現(xiàn)拐點，節(jié)氫量變化曲線斜率也隨之發(fā)生變化；當氫氣質(zhì)量分數(shù)小于0.24時，曲線斜率增大，節(jié)氫量下降加快；氫氣質(zhì)量分數(shù)大于0.24時，節(jié)氫效果變化不明顯。從圖4可以看出，氫源總量最小的點即為節(jié)氫效果最好時的氫氣質(zhì)量分數(shù)，該點的值可認為是氫阱的最佳氫氣質(zhì)量分數(shù)。

圖3 節(jié)氫量變化曲線

圖4 氫源變化曲線

夾點以上的氫源供給夾點以上的氫阱；夾點以下的氫源供給夾點以下的氫阱。將通過夾點分析的氫氣網(wǎng)絡(luò)分配初始方案導(dǎo)入全廠計劃優(yōu)化模型，以新加氫裝置氫氣質(zhì)量分數(shù)為變量建立多個方案，在同一價格體系下，對方案進行經(jīng)濟技術(shù)評估，建立橫坐標為氫阱氫氣質(zhì)量分數(shù)，縱坐標為煉油廠利潤的坐標系，如圖5所示，找出煉油廠利潤與氫氣質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系，通過夾點計算與計劃模型優(yōu)化分析可得出氫阱氫氣最佳純度。

圖5 利潤-質(zhì)量分數(shù)曲線

2 實例計算

國內(nèi)某煉油廠為油品升級新建加氫精制裝置，煉油廠加入新加氫裝置(HP6)后各裝置的氫氣純度見表1。

表1 氫源-氫阱的氫氣純度

根據(jù)加氫裝置設(shè)計條件，新加氫裝置原料氫氣的質(zhì)量分數(shù)需大于0.24。利用夾點分析計算新加氫裝置(HP6)不同氫氣質(zhì)量分數(shù)下的節(jié)氫量(表2)，經(jīng)過計算可得每個質(zhì)量分數(shù)方案的夾點與節(jié)氫量，繪制夾點-質(zhì)量分數(shù)曲線、節(jié)氫量變化曲線、氫源變化曲線，如圖6～圖8所示。從圖6和圖7可以看出：①當單裝置氫氣質(zhì)量分數(shù)達到0.28后，夾點氫氣質(zhì)量分數(shù)發(fā)生變化，升高至0.60，日節(jié)氫量-單裝置氫氣質(zhì)量分數(shù)曲線斜率變小，改變單位氫氣質(zhì)量分數(shù)的節(jié)氫量變化率明顯減小，節(jié)氫效果變化不明顯；②單裝置氫氣質(zhì)量分數(shù)達到0.35后，夾點氫氣質(zhì)量分數(shù)從0.6下降至0.18，節(jié)氫量隨著氫氣質(zhì)量分數(shù)的增加變化不大。表明單裝置氫氣質(zhì)量分數(shù)大于0.35，夾點氫氣質(zhì)量數(shù)下降至新加氫裝置以下水平，氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與新加氫裝置氫氣質(zhì)量分數(shù)無關(guān)。

表2 HP6裝置不同氫氣質(zhì)量分數(shù)下的節(jié)氫量 t

圖6 夾點氫氣質(zhì)量分數(shù)-單裝置氫氣質(zhì)量分數(shù)曲線

圖7 日節(jié)氫量-單裝置氫氣質(zhì)量分數(shù)曲線

從圖8可以看出，當單裝置氫氣質(zhì)量分數(shù)為0.28時，煉油廠總氫源量最低，為保證煉油廠節(jié)氫效果，可確定0.28為新加氫裝置最優(yōu)氫氣質(zhì)量分數(shù)，日節(jié)氫量可達46.3 t。

圖8 總氫源量-單裝置氫氣質(zhì)量分數(shù)曲線

建立煉油廠計劃優(yōu)化模型，根據(jù)2016年原油、化工產(chǎn)品、原油產(chǎn)品價格統(tǒng)計，以煉油廠5個月為周期建模，根據(jù)新加氫裝置建立氫氣質(zhì)量分數(shù)為0.24～0.36的 13個方案，每個方案聯(lián)合夾點氫氣質(zhì)量分數(shù)分析后的初始氫氣方案，然后以煉油廠利潤為目標進行深度優(yōu)化計算，可得利潤-氫氣質(zhì)量分數(shù)曲線，如圖9所示。由于氫氣質(zhì)量分數(shù)的增長，加氫裝置耗純氫量增加，煉油廠的利潤隨著氫氣質(zhì)量分數(shù)的升高呈直線下降，當新加氫裝置最優(yōu)氫氣質(zhì)量分數(shù)為0.28時，煉油廠利潤為15 988萬元。煉油廠經(jīng)濟技術(shù)指標如表3所示。從表3可以看出，隨著氫氣質(zhì)量分數(shù)的增加，輕油收率、綜合商品率遞減，其它指標無明顯變化。根據(jù)煉油廠利潤和節(jié)氫量的分析，為取得煉油廠最大利潤，應(yīng)降低氫氣質(zhì)量分數(shù)。

圖9 利潤-氫氣質(zhì)量分數(shù)曲線

項 目w(氫氣)027028029034035036原油加工總量∕Mt515515515515515515原油平均硫含量 (w)，%169169169169169169原油平均酸值∕ (mgKOH·g-1)048048048048048048原油平均°API281281281281281281原油一次加工 輕油收率，%038038038038038038綜合商品率，%928269282592823928219281592814輕油收率，%369736963696369436933693損失率，%052052052052052052自用率，%370137023703371037113713

3 結(jié) 論

提出了夾點分析與計劃優(yōu)化模型相結(jié)合的方法，通過夾點技術(shù)分析氫氣網(wǎng)絡(luò)節(jié)氫量的變化趨勢，然后結(jié)合煉油廠計劃優(yōu)化模型，分析各氫氣質(zhì)量分數(shù)方案的經(jīng)濟技術(shù)指標，在尋求利益最大化的情況下，得到最優(yōu)氫氣質(zhì)量分數(shù)，同時達到最優(yōu)節(jié)氫效果。通過實例，0.28為最優(yōu)氫氣質(zhì)量分數(shù)，日節(jié)氫量為46.3 t，5個月的利潤可達15 988萬元，此方法能夠有效地確定新加氫裝置的最優(yōu)純度，降低煉油廠耗氫量，達到節(jié)能和利潤的平衡。

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OPTIMIZATIONOFHYDROGENUTILIZATIONINSINGLEUNITOFREFINERYWTBZ

Ma Yonglin1， Sun Peng2，3， Fang Wei3

(1.SINOPECInformationSystemsManagementDepartment,Beijing100728； 2.SINOPECBeijingYanshanCompany； 3.SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing)

Combination of pinch analysis and refinery plan optimization model was used to optimize the hydrogen purity for hydrogenation unit using the curves of H2saving and the hydrogen source by pinch analysis and the profile curve from the plan optimization model.Through the calculation of operation data within 5 months，it is determined that the optimal hydrogen mass concentration for the unit is 0.28，the daily saving of hydrogen consumption is 46.3 t/d and the profit is 159.88 million RMB.This method can optimize the single unit hydrogen utilization.The H2saving and refinery profit can reach the optimal value at stable operation.

pinch analysis； plan optimization model； hydrogen； purity

2017-07-11；修改稿收到日期2017-08-28。

馬永林，高級工程師，主要從事信息技術(shù)與優(yōu)化研究工作。

孫鵬，E-mail：sunpeng242000@163.com。