碳減排背景下煉油廠公用工程系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

周建輝(中海油東方石化責(zé)任有限公司，海南 東方 572600)

0 引言

文章基于普通煉油廠公用工程基本模型，對(duì)二氧化碳減排問題展開分析，從而有效減少運(yùn)用成分，并能夠借助價(jià)格轉(zhuǎn)換機(jī)制，促使二氧化碳對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響切實(shí)轉(zhuǎn)換形成環(huán)境成本，使得環(huán)境問題都能夠內(nèi)化成為系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，切實(shí)帶動(dòng)煉油企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

1 公用工程系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型的建立

1.1 模型搭建

燃油廠作為石油制品生產(chǎn)的主要方法，作為原油利用的主要環(huán)節(jié)，需要充分考量環(huán)境因素、經(jīng)濟(jì)因素、安全因素。煉油廠公用工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行工作，整體費(fèi)用支出將會(huì)沿著公用工程系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境性目標(biāo)之和的最小值作為整體的目標(biāo)函數(shù)。通常而言，煉油廠公用工程系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)主要包含以下幾點(diǎn)因素，分別是系統(tǒng)本身的運(yùn)行成本、轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用成本以及設(shè)備折舊費(fèi)用等，而煉油廠公用工程系統(tǒng)環(huán)境性目標(biāo)也將會(huì)轉(zhuǎn)化形成環(huán)境成本。

設(shè)備模型將會(huì)沿著鍋爐能量平衡模型展開，鍋爐效率和鍋爐蒸發(fā)量分別用ηn,boi、Mn,boi表示，二者之間的關(guān)系模型可以表現(xiàn)為在此過程中，鍋爐模型系數(shù)分別用字母a、b、d指代[1]。對(duì)于二氧化碳排放情況，則可以按照以下模型進(jìn)行，用i指代燃料，應(yīng)用MFC,i指代燃料中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大量，在此過程中通過CONCO2表示二氧化碳的實(shí)際轉(zhuǎn)化率大小。

公用工程系統(tǒng)的蒸汽需求模型則可以按照以下模型進(jìn)行，在蒸汽需求模型中分別用Dr,t、Fn,red,in,t、Fn,red,out,t指代蒸汽需求量、不同周期時(shí)間流入或者流出減溫減壓器時(shí)的蒸汽量大小。

1.2 粒子群算法

粒子群算法是一種應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)類別，主要借助粒子力量，從而實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)解的更新和優(yōu)化工作，粒子群優(yōu)化算法在實(shí)際應(yīng)用過程中很容易出現(xiàn)全局收斂性能較差的情況。想要切實(shí)解決問題，可以將粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，促使粒子速度進(jìn)行優(yōu)化，切實(shí)帶動(dòng)粒子群算法收斂速度能力能夠不斷提升。

通過改進(jìn)和優(yōu)化粒子群算法，主要按照以下步驟進(jìn)行：第一，采用隨機(jī)初始化的方式，對(duì)所有粒子進(jìn)行初始化作用，并能夠初始化不同搜索點(diǎn)的原有位置和本身運(yùn)作速度；第二，基于適應(yīng)度函數(shù)，將不同粒子自身的適應(yīng)度值進(jìn)行計(jì)算，從而得出粒子自身的個(gè)體最優(yōu)解，并能夠按照不同粒子本身的個(gè)體極值個(gè)體最優(yōu)解，展開全面分析，進(jìn)而尋求出全局極值的全局最優(yōu)解；第三，在個(gè)體最優(yōu)解和全局最優(yōu)解計(jì)算完成后，需要及時(shí)更新粒子速度、位置、適應(yīng)度值，需要注意的是，對(duì)于不同的粒子，如果粒子本身的適應(yīng)度值相比粒子個(gè)體極值個(gè)體最優(yōu)解更好，則需要優(yōu)先將現(xiàn)階段適應(yīng)度值進(jìn)行合理設(shè)置，促使其與個(gè)體極值個(gè)體最優(yōu)解相符；第四，完成計(jì)算工作后，分析發(fā)現(xiàn)，如果計(jì)算、更新后的粒子適應(yīng)度值與整個(gè)粒子群的全局最優(yōu)解相比，均優(yōu)于原有全局最優(yōu)解，則需要及時(shí)將全局最優(yōu)解進(jìn)行更新設(shè)計(jì)工作；第五，在完成上述環(huán)節(jié)后，如果出現(xiàn)并未達(dá)成精度要求、最大迭代次數(shù)的情況，則需要重復(fù)進(jìn)行粒子速度計(jì)算，直到整個(gè)處理能夠達(dá)成最大迭代次數(shù)、精度要求[2]。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

以某煉油廠公用工程系統(tǒng)為例展開分析，在該煉油廠公用工程系統(tǒng)中，主要包含三種不同等級(jí)的蒸汽系統(tǒng)，分別是高壓、中壓、低壓，在煉油廠鍋爐的實(shí)際運(yùn)行過程中，不同鍋爐的運(yùn)行情況存在一定差異，鍋爐B1-B2安全運(yùn)行負(fù)荷范圍在60～130 t/h范圍內(nèi)，鍋爐B3-B4安全運(yùn)行負(fù)荷范圍在30～65 t/h范圍內(nèi)，兩種鍋爐安裝運(yùn)行的轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用也會(huì)存在差別，鍋爐B1-B2的轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用、折舊費(fèi)用較高。在該煉油廠公用工程系統(tǒng)中，可以用作鍋爐使用的燃料一共有三種，本身的性能參數(shù)存在一定不同，燃料1、燃料2、燃料3的C質(zhì)量分?jǐn)?shù)是50. 1、57、70，熱值分別是22 410、25 160、27 375。應(yīng)用的減溫減壓器V1-V2本身容量規(guī)格則為60 t/h。

在燃油廠公用工程系統(tǒng)運(yùn)行過程中，將會(huì)以公共工程系統(tǒng)本身經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境性最小值作為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的目標(biāo)函數(shù)，從而對(duì)鍋爐產(chǎn)汽量、汽輪進(jìn)汽量、高壓蒸汽本身購買量等變量進(jìn)行全面優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)不同周期范圍內(nèi)設(shè)備配置的二元變量工作[3]。

2.2 算法優(yōu)化

基于經(jīng)過改進(jìn)優(yōu)化的粒子群算法，對(duì)公用工程系統(tǒng)粒子進(jìn)行優(yōu)化、計(jì)算、求解，在計(jì)算階段，將粒子數(shù)設(shè)置為50，而迭代次數(shù)設(shè)置為7 500，通過一系列計(jì)算發(fā)下，采用燃料2的運(yùn)行成本最低。

在整個(gè)算法優(yōu)化計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，在煉油廠公用工程系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化過程中，既有的汽輪機(jī)BT1、BT4在大部分運(yùn)行時(shí)間范圍內(nèi)，都處于接近滿負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，甚至出現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行的情況。而鍋爐 B1、B2，汽輪機(jī) BT1、BT2、BT3，三種設(shè)備設(shè)施的型號(hào)都處于一致狀態(tài)，自身的運(yùn)作效率存在明顯差別，但是本身的負(fù)荷卻并未保持平均分配狀態(tài)。在不同的運(yùn)行周期，也將會(huì)呈現(xiàn)截然不同的效果。在煉油廠公用工程系統(tǒng)運(yùn)行的第一周期，當(dāng)汽輪機(jī)滿足基本發(fā)電需求后，向外輸出3 995 kW·h的電力；在煉油廠公用工程系統(tǒng)運(yùn)行的第六周期，當(dāng)汽輪機(jī)滿足基本發(fā)電需求后，向外輸出4 271 kW·h的電力；在煉油廠公用工程系統(tǒng)運(yùn)行的第三周期，燃油廠將會(huì)出現(xiàn)MP蒸汽，這些MP蒸汽是由HP蒸汽在減溫減壓作用下形成。應(yīng)用三種不同燃煤時(shí)，將二氧化碳排放情況考慮在內(nèi)的專用模型和普通模型，即并未考量二氧化碳排放情況的模型進(jìn)行對(duì)比分析(如表1所示)。

表1 公用工程系統(tǒng)模型費(fèi)用分析

通過上表可以發(fā)現(xiàn)，是否考量二氧化碳因素，將會(huì)直接影響到燃油廠公用工程系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。在不考慮二氧化碳因素的情況下，應(yīng)用燃料3的總運(yùn)行費(fèi)用最低，費(fèi)用數(shù)值為20 300萬元，而采用燃料1的總運(yùn)行費(fèi)用最高，費(fèi)用數(shù)值為20 426萬元。在考慮二氧化碳因素的情況下，采用燃料2的總運(yùn)行費(fèi)用最低，費(fèi)用數(shù)值為20 600萬元，而采用燃料1的總運(yùn)行費(fèi)用最高，費(fèi)用數(shù)值為20 788萬元?；谏鲜鰧?duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在煉油廠公用工程系統(tǒng)運(yùn)行過程中，應(yīng)用不同的燃料，將會(huì)直接影響到工程系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

此外，在公用工程系統(tǒng)運(yùn)行作用中，無論是否考慮二氧化碳因素，本身采用的運(yùn)行方案都會(huì)存在明顯差別。在燃油廠公用工程系統(tǒng)處于第六周期的運(yùn)行工作中，如果不考慮二氧化碳因素，直接進(jìn)行模型應(yīng)用，一般只需要三臺(tái)鍋爐和四臺(tái)汽輪機(jī)，模型運(yùn)行需要滿足基本的對(duì)外輸出電力需求，即2 814 kW·h的最低對(duì)外輸出電力需求；如果考量二氧化碳因素，直接應(yīng)用二氧化碳排放模型，整個(gè)運(yùn)行工作需要應(yīng)用到兩臺(tái)鍋爐、五臺(tái)汽輪機(jī)，模型運(yùn)行的對(duì)外電力輸出達(dá)到4 271 kW·h，還需要工作人員外購HP 蒸汽。

基于以上分析發(fā)現(xiàn)，在燃油廠公用工程系統(tǒng)模型運(yùn)行和優(yōu)化過程中，是否考量二氧化碳因素，將會(huì)直接影響到模型運(yùn)行效果，將二氧化碳因素考慮在內(nèi)，也對(duì)煉油廠的技術(shù)應(yīng)用和管理效能提出了更高的技術(shù)要求，對(duì)今后煉油廠公用工程系統(tǒng)優(yōu)化作業(yè)也提出了重要的參考依據(jù)?；谔紲p排的系統(tǒng)運(yùn)行模型能夠廣泛應(yīng)用于各種改造項(xiàng)目工程中，幫助工作人員進(jìn)行方案設(shè)計(jì)工作，從而基于最低成本，完成模型搭建工作。需要注意的是，將二氧化碳因素考慮在內(nèi)，能夠促使煉油廠公用工程系統(tǒng)環(huán)境性目標(biāo)開始朝向成本性目標(biāo)轉(zhuǎn)化，在一定程度上煉油廠的系統(tǒng)運(yùn)行成本有所增加，但是卻能夠更好地拉動(dòng)環(huán)境因素和經(jīng)濟(jì)效益之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

3 煉油廠公用工程系統(tǒng)安全防護(hù)

伴隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)于日常生活的品質(zhì)要求不斷提高，石油產(chǎn)品的實(shí)際需求也在相應(yīng)增加，煉油廠作為石油加工的主要場(chǎng)所，在日常生產(chǎn)加工過程中極易出現(xiàn)諸多風(fēng)險(xiǎn)性因素，任何一個(gè)環(huán)節(jié)操作不當(dāng)、系統(tǒng)設(shè)置錯(cuò)誤，或者是生產(chǎn)工藝出現(xiàn)問題，都將會(huì)造成安全事故的發(fā)生，損害企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和人員生命安全。這就需要煉油企業(yè)在加強(qiáng)碳排放、優(yōu)化公用工程系統(tǒng)的同時(shí)，能夠加強(qiáng)安全防護(hù)工作。首先，應(yīng)當(dāng)對(duì)工藝生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化，在煉油廠實(shí)際生產(chǎn)過程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)操作不當(dāng)，將會(huì)直接滋生安全隱患，煉油廠的日常工作中需要對(duì)職工職責(zé)、日常工作、工藝流程進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定和具體分析，促使企業(yè)職工能夠嚴(yán)格按照操作規(guī)范進(jìn)行，切實(shí)保證公用工程系統(tǒng)運(yùn)行效果，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。其次，應(yīng)當(dāng)加大回收治理力度，避免油氣泄漏情況。在煉油生產(chǎn)過程中，將會(huì)出現(xiàn)大量的油氣揮發(fā)情況，為了保證回收環(huán)境安全，主要運(yùn)用油氣回收系統(tǒng)完成回收作業(yè)。工作人員需要在油氣裝車區(qū)預(yù)先安裝設(shè)置好相應(yīng)的油氣回收系統(tǒng)，從而將裝卸車中殘余的油氣進(jìn)行全面回收，并構(gòu)建 VOCs 處理裝置，從而將油品儲(chǔ)罐中殘余的油氣進(jìn)行充分回收，盡可能減少大氣污染，如果出現(xiàn)裝置泄漏情況，需要工作人員妥善處置。

4 結(jié)語

綜上所述，對(duì)基于考慮碳減排的煉油廠公用工程系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化展開分析具有十分重要的意義?；趦?yōu)化改進(jìn)的粒子群算法，能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行情況、外購蒸汽等信息進(jìn)行優(yōu)化，促使系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠，實(shí)現(xiàn)煉油企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。