王海龍（中國石化齊魯分公司）

氫氣平衡與優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用

王海龍（中國石化齊魯分公司）

針對齊魯石化氫氣系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，采用氫夾點(diǎn)技術(shù)深入分析氫氣系統(tǒng)存在的問題并進(jìn)行氫氣供用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建以產(chǎn)耗平衡監(jiān)控、成本核算、管網(wǎng)模擬、調(diào)度優(yōu)化為核心的氫氣平衡與優(yōu)化系統(tǒng)。應(yīng)用表明：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對氫氣生產(chǎn)、輸送及消耗過程的全面管控，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)氫氣系統(tǒng)產(chǎn)耗不平衡、異常排放等情況；通過集成裝置工藝參數(shù)、物耗能耗以及相關(guān)物料價(jià)格，在線計(jì)算出產(chǎn)氫、耗氫成本；同時(shí)利用管網(wǎng)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)氫氣管網(wǎng)任意管段氫氣流量、流速、壓降等指標(biāo)的軟測量。基于上述條件，結(jié)合氫夾點(diǎn)理論分析開展供用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，以用氫成本最低為目標(biāo)給出優(yōu)化調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)以耗定產(chǎn)，有效降低氫氣運(yùn)行成本。

氫氣系統(tǒng)；夾點(diǎn)分析；成本核算；管網(wǎng)模擬；調(diào)度優(yōu)化

引言

隨著國家對環(huán)境保護(hù)要求的提高，汽油、柴油的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也日益嚴(yán)格。采用加氫技術(shù)降低硫含量在煉油企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，氫氣資源的需求量逐年增大，已經(jīng)成為煉油原料成本中僅次于原油的第二成本要素，并且今后5年煉廠的氫氣消耗增長將超過40%。如何降低煉油過程中的用氫成本一直是國內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。特別是近年來，信息技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用得到一定的發(fā)展，如何利用信息技術(shù)對氫氣產(chǎn)用進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，降低用氫成本，成為各大煉化企業(yè)研究的重點(diǎn)。

中石化齊魯分公司（簡稱齊魯石化）是大型的煉化一體化企業(yè)，年加工原油1150×104t，生產(chǎn)銷售成品油630×104t，擁有各類加氫裝置20余套，年用氫量約15×104t。近年來，齊魯石化不斷推進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合，開發(fā)建設(shè)氫氣平衡與優(yōu)化系統(tǒng)，對氫氣生產(chǎn)、輸送及消耗過程進(jìn)行全面管控。通過集成原料成本、輔助消耗等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在線計(jì)算出產(chǎn)氫、耗氫成本，結(jié)合氫夾點(diǎn)理論分析開展供用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，以用氫成本最低為目標(biāo)給出實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度方案，為降低產(chǎn)氫、耗氫成本提供決策依據(jù)，從而有效降低氫氣運(yùn)行成本。

1 氫氣系統(tǒng)現(xiàn)狀

齊魯石化產(chǎn)氫裝置主要包括煉油廠的2套制氫裝置、連續(xù)重整裝置、2套變壓吸附（PSA）裝置，第二化肥廠煤氣化裝置，以及乙烯裝置和氯堿廠離子膜裝置，每小時(shí)最大供氫量可達(dá)26.55×104m3。耗氫裝置包括煉油廠的2套汽油吸附脫硫醇、2套柴油加氫、重油加氫、加氫裂化、蠟油加氫、航煤加氫、4套硫磺等15套；烯烴廠的C2/C3加氫、汽油加氫、歧化異構(gòu)化等5套；塑料廠的聚乙烯、聚丙烯等2套；第二化肥廠的丁醛加氫、辛烯醛加氫等2套。全公司共計(jì)24套，目前每小時(shí)耗氫約21.23×104m3。

齊魯石化經(jīng)過幾年的努力，通過采取建立高低壓氫氣管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分級利用、增產(chǎn)化工副產(chǎn)氫、增加排放氣中氫氣的回收利用等手段，不斷降低氫氣運(yùn)行成本[2]，并取得了一定的效果。但是從煉化一體化角度來看，在對氫氣系統(tǒng)的管理和優(yōu)化調(diào)度等方面仍然存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）新建裝置投產(chǎn)和部分裝置擴(kuò)能改造后，氫氣管網(wǎng)只是做了局部動改，沒有進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化和響應(yīng)，對整個(gè)產(chǎn)用氫的合理性并未進(jìn)行評價(jià)和指導(dǎo)。

2）對于產(chǎn)用氫成本的核算，還是由公司財(cái)務(wù)部門每個(gè)月結(jié)合產(chǎn)氫裝置的能耗、物耗、原料等因素，人工計(jì)算得出。這種方式周期較長，對氫氣日常調(diào)度沒有起到指導(dǎo)作用。

3）公司氫氣管網(wǎng)復(fù)雜、產(chǎn)用氫裝置較多且等級不同，調(diào)度人員日常對氫氣系統(tǒng)的調(diào)度平衡多數(shù)靠人工經(jīng)驗(yàn)，而且僅僅是對量的平衡來維持氫氣系統(tǒng)和裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，很難做到用氫成本的最低化。

2 氫網(wǎng)絡(luò)分析與優(yōu)化

2.1氫夾點(diǎn)分析

氫夾點(diǎn)分析及優(yōu)化的主要思路為：從整個(gè)氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的氫氣利用入手， 分析氫氣網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，以最小公用工程氫氣用量為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)氫氣濃度、流量的梯級利用，從而達(dá)到系統(tǒng)節(jié)約用氫的目的[3]。

針對齊魯石化氫氣系統(tǒng)氫源多樣、用氫裝置對氫源要求不一、氫氣網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、氫氣系統(tǒng)波動性較大等特點(diǎn)，利用氫夾點(diǎn)分析技術(shù)對氫氣系統(tǒng)進(jìn)行分析，獲得氫氣流量-純度曲線與氫氣剩余曲線（圖1、圖2）。圖1中粉色線表示氫源，黑色線表示氫阱。氫源是指在氫網(wǎng)絡(luò)中可以給網(wǎng)絡(luò)提供氫氣的流股，主要為產(chǎn)氫裝置。氫阱是指在氫網(wǎng)絡(luò)中耗氫過程流股，主要為加氫裝置。首先將氫源和氫阱的氫氣濃度分別按降序排列。以氫氣濃度為縱坐標(biāo)，流股的流量為橫坐標(biāo)，分別做出氫源和氫阱的流量-濃度復(fù)合曲線。在流量-濃度復(fù)合曲線圖上，每一股氫源和氫阱分別可以用一條水平的線段表示，線段兩端點(diǎn)橫坐標(biāo)之差表示該股氫源或氫阱的流量，縱坐標(biāo)表示其濃度。將所有表示氫源的直線段首尾相接為一折線，即氫源的流量-濃度復(fù)合曲線。氫源復(fù)合線以下的面積代表氫源可提供的氫量；氫阱復(fù)合線以下的面積代表氫阱需要的氫量；氫源復(fù)合線位于氫阱復(fù)合線上方，表示該區(qū)域氫量過剩，可以補(bǔ)償給虧缺區(qū)域。氫源復(fù)合線位于氫阱復(fù)合線下方，代表該區(qū)域氫量虧缺，必須有氫量補(bǔ)充。在氫氣網(wǎng)絡(luò)中，氫源提供的氫氣總量必須大于或等于氫阱所消耗的氫量，這時(shí)的氫氣網(wǎng)絡(luò)才可能優(yōu)化。兩曲線縱坐標(biāo)相同，而剩余氫量圖的橫坐標(biāo)為剩余氫量。如果氫源與氫阱包圍的某部分面積為正值，則剩余氫量圖上橫線向右方延長，其長度等于氫源與氫阱包圍的部分的面積，反之向左。剩余的氫氣均按氫源和氫阱兩者中低品質(zhì)的濃度來取值。假設(shè)最高濃度氫源的流率，即公用工程用氫量，通過迭代計(jì)算做出氫剩余量圖，直到公用工程氫的剩余量為0時(shí)，即得到系統(tǒng)的氫夾點(diǎn)（圖2）。可見，目前運(yùn)行狀況下氫氣系統(tǒng)的夾點(diǎn)為84%，夾點(diǎn)之上的氫源必須與夾點(diǎn)之上的氫阱進(jìn)行匹配，同樣夾點(diǎn)之下的氫源也必須與夾點(diǎn)之下的氫阱進(jìn)行匹配，PSA等裝置對氫氣進(jìn)行提純時(shí)，應(yīng)當(dāng)穿越氫夾點(diǎn)才能使氫氣資源的整體利用率最大化。

由結(jié)果可以看出，目前齊魯石化氫氣系統(tǒng)存在的主要問題是氫氣資源高質(zhì)低用。2套S-zorb裝置、4套硫磺裝置氫氣需求量較低而過分使用高純度氫氣造成了不必要的氫損耗及氫氣資源浪費(fèi)。而加裂PSA等裝置穿越氫夾點(diǎn)對低品質(zhì)氫源進(jìn)行提純使裝置長期處于高負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)行，造成提純成本的進(jìn)一步上升并且會在提純過程中損失一定的氫氣資源。

2.2 氫氣供用網(wǎng)絡(luò)匹配

圖1 氫氣流量-純度曲線

圖2 氫氣剩余曲線

圖3 基于現(xiàn)有管網(wǎng)的氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化匹配結(jié)果

獲得氫夾點(diǎn)之后，可將氫氣系統(tǒng)分為夾點(diǎn)之上、夾點(diǎn)之下兩部分分別進(jìn)行優(yōu)化匹配。考慮到氫管網(wǎng)的改造成本，需要在現(xiàn)行氫氣系統(tǒng)不做較大改動的前提下進(jìn)行優(yōu)化，以最小的改造成本獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)化匹配結(jié)果如圖3所示。相對于目前氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后的變化主要體現(xiàn)在：加氫裂化PSA進(jìn)料部分直接供1#S-zorb、一加氫、二加氫等裝置使用，蠟油加氫低分氫直接供2#S-zorb裝置使用，重整氫大部分供三加氫裝置使用。氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后可將南區(qū)PSA裝置關(guān)停，北區(qū)加裂PSA裝置負(fù)荷降低，同時(shí)使二制氫裝置的產(chǎn)氫量降低1600 m3/h左右。優(yōu)化后氫氣系統(tǒng)的產(chǎn)氫成本及提純成本將大幅度降低。

2.3 優(yōu)化方案及效益分析

基于氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化進(jìn)行改造，煉油廠北區(qū)將重整氫或低分氣直接供硫磺、S-zorb、一二加氫裝置使用，可減少加裂PSA氫氣提純量約5000 m3/h。根據(jù)財(cái)務(wù)成本核算數(shù)據(jù)，PSA氫氣提純成本約為1300元/t，其中動力消耗約650元/t。按裝置年運(yùn)行8000 h計(jì)算，氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后重整氫直接利用產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益234萬元/a。將南區(qū)蠟加PSA低分氣直接供2#S-zorb使用，將蠟加PSA裝置關(guān)停后，可降低PSA氫氣提純量2000Nm3/h（Nm3=m3（0℃，101.325kPa））。同樣按裝置年運(yùn)行8000 h計(jì)算，優(yōu)化后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益187萬元/a。優(yōu)化后二制氫裝置的產(chǎn)氫量將減少1600 m3/h，按氫氣價(jià)格為1萬元/t計(jì)算，經(jīng)濟(jì)效益1150萬元/a。綜上，通過氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，預(yù)計(jì)可產(chǎn)生1571萬元/a的經(jīng)濟(jì)效益。

3 氫氣平衡與優(yōu)化系統(tǒng)建設(shè)

3.1 氫氣產(chǎn)耗平衡監(jiān)控

氫氣產(chǎn)耗平衡模塊主要是對產(chǎn)耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集，形成氫氣系統(tǒng)的動態(tài)平衡圖（圖4）。主要包括各產(chǎn)氫裝置負(fù)荷、產(chǎn)氫量、氫純度，各耗氫裝置負(fù)荷、氫耗量、氫純度、氫單耗等情況，各氫氣提純裝置的進(jìn)料、產(chǎn)氫及排放情況等。綜合分析氫氣系統(tǒng)的產(chǎn)耗情況，給出產(chǎn)氫總量、耗氫總量、產(chǎn)耗差值及產(chǎn)耗平衡率等實(shí)時(shí)評價(jià)指標(biāo)。監(jiān)控模塊同時(shí)提供氫氣產(chǎn)耗平衡整體情況的歷史回放、各參數(shù)歷史趨勢的點(diǎn)擊查詢及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的顏色、聲音報(bào)警等功能。通過產(chǎn)耗平衡監(jiān)控模塊，調(diào)度及管理人員能及時(shí)全面了解氫氣的產(chǎn)耗狀況，迅速發(fā)現(xiàn)氫氣系統(tǒng)的異常情況及存在的主要問題，并迅速做出響應(yīng)。

3.2 氫氣產(chǎn)耗成本核算

氫氣產(chǎn)耗成本核算模塊改變了傳統(tǒng)的車間報(bào)量、公司按月核算的傳統(tǒng)模式，集成生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、MES數(shù)據(jù)及物料價(jià)格數(shù)據(jù)，使制氫成本及時(shí)考慮物料價(jià)格、加工方案變化對產(chǎn)氫成本的影響。通過報(bào)表形式全面反應(yīng)出原料、輔材、燃料、動力、工資及福利、制造費(fèi)用等成本構(gòu)成信息，并展示出制氫成本的變化趨勢（圖5）。耗氫成本核算主要分新氫消耗和新氫壓縮電耗兩部分進(jìn)行核算。相關(guān)數(shù)據(jù)可為分析產(chǎn)耗成本、降低系統(tǒng)成本提供決策依據(jù)。

圖4 氫氣產(chǎn)耗平衡監(jiān)控

圖5 制氫裝置氫氣成本分析

3.3 氫氣管網(wǎng)模擬

傳統(tǒng)的氫氣系統(tǒng)監(jiān)控僅停留在供耗端的溫度、壓力、流量等操作參數(shù)階段，對于氫氣管網(wǎng)本身缺乏監(jiān)控，難以準(zhǔn)確獲知管網(wǎng)自身的運(yùn)行狀態(tài)，易造成局部壓損過大、損失大量動能、局部流速超限威脅管網(wǎng)運(yùn)行安全等。管網(wǎng)模擬模塊以氫氣管網(wǎng)的分布情況及結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)采集氫氣供耗端流量、溫度、壓力及氫氣化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，基于氫氣物性、流體水力學(xué)與熱力學(xué)耦合計(jì)算，對管網(wǎng)進(jìn)行精確模型，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)中任意管段氫氣流量、氫純度、壓降、流速等重要狀態(tài)的實(shí)時(shí)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)氫氣管網(wǎng)的精細(xì)化與智能化管理，同時(shí)為調(diào)度優(yōu)化模塊提供依據(jù)。煉油廠氫氣管網(wǎng)模擬系統(tǒng)界面如圖6所示，底層是根據(jù)車間分布情況繪制的平面圖，管網(wǎng)分布和現(xiàn)場實(shí)際情況一致，鼠標(biāo)移動至任意管段將自動彈出該管段中的氫氣流量、氫純度、流速及壓降等信息。各狀態(tài)參數(shù)可根據(jù)設(shè)計(jì)及操作經(jīng)驗(yàn)設(shè)定報(bào)警條件，當(dāng)狀態(tài)參數(shù)超標(biāo)時(shí)，參數(shù)和管段會出現(xiàn)顏色變化，提示操作及管理人員及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，避免因管網(wǎng)不適應(yīng)操作工況而產(chǎn)生的各種風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 氫管網(wǎng)模擬系統(tǒng)界面

3.4 氫氣系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化

圖7 氫系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度界面

氫氣系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模塊改變了過去主要依靠調(diào)度人員的經(jīng)驗(yàn)傳統(tǒng)模式，實(shí)現(xiàn)“事前調(diào)度”、“優(yōu)化調(diào)度”。調(diào)度優(yōu)化模塊主要是根據(jù)耗氫及副產(chǎn)氫裝置的產(chǎn)耗數(shù)據(jù)，以最小公用工程氫耗為目標(biāo)，以耗氫裝置的氫純度、氫用量、新氫壓縮機(jī)負(fù)荷及管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)為約束條件，采用非線性規(guī)劃、遺傳算法等進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，確定最優(yōu)供氫方式，給出各產(chǎn)氫裝置的調(diào)度決策，實(shí)現(xiàn)“以耗定產(chǎn)”，降低氫氣系統(tǒng)的運(yùn)行成本。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對氫氣系統(tǒng)的應(yīng)急管理、專家經(jīng)驗(yàn)調(diào)度等功能。氫氣系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度界面如圖7所示，基于各耗氫裝置的耗氫數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化計(jì)算主要給出了二化高壓氫、二化低壓氫、二制氫等裝置的產(chǎn)氫量及分配比例的優(yōu)化結(jié)果，另外還給出了重整氫供三加氫量及加氫裂化PSA產(chǎn)氫量的優(yōu)化結(jié)果。由調(diào)度優(yōu)化結(jié)果可見，可進(jìn)一步增加二化低壓氫供量、降低二化高壓氫產(chǎn)量避免因低壓氫與裂解轉(zhuǎn)供氫混合后純度過低影響加裂化等耗氫裝置的正常運(yùn)行。另外，在保證三加氫氫純度滿足工藝要求的情況下，可進(jìn)一步增加連續(xù)重整供三加氫量，降低重整氫進(jìn)加氫裂化PSA的量、降低提純成本，重整氫供三加氫量增加后可進(jìn)一步降低二制氫裝置的制氫量，從而使氫氣系統(tǒng)的運(yùn)行成本降低。

4 結(jié)論

煉化企業(yè)氫氣資源的優(yōu)化利用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，利用信息技術(shù)來降低煉化企業(yè)的用氫成本是一項(xiàng)值得各大煉化企業(yè)和高校研究的課題。齊魯石化以降低氫氣系統(tǒng)的運(yùn)行成本、提高系統(tǒng)的平穩(wěn)率為目標(biāo)，開發(fā)建設(shè)了氫氣平衡與優(yōu)化系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對公司產(chǎn)用氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評估，給出了氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化意見和建議，實(shí)施后可產(chǎn)生1571萬元/a的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)上線運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)對氫氣生產(chǎn)、輸送及消耗過程的全面管控，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)氫氣系統(tǒng)產(chǎn)耗不平衡、異常排放等情況，并通過系統(tǒng)給出的實(shí)時(shí)調(diào)度方案來優(yōu)化氫氣管網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了以耗定產(chǎn)，有效降低氫氣運(yùn)行成本的目標(biāo)。

[1]邸雪梅，焦云強(qiáng).煉化企業(yè)氫氣系統(tǒng)監(jiān)測與調(diào)度優(yōu)化[J].中外能源，2016，21（7）：68-72．

[2]王海龍.齊魯石化氫氣資源系統(tǒng)優(yōu)化[J].山東化工，2016，45（5）：93-96．

[3]康永波，曹萃文，于騰.煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法研究現(xiàn)狀及展望[J].石油學(xué)報(bào)（石油加工），2016，32（3）：645-658．

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.08.001

2017-03-27

（編輯 李珊梅）

王海龍，碩士研究生，2008年畢業(yè)于青島大學(xué)（材料學(xué)專業(yè)），主要從事生產(chǎn)調(diào)度工作，E-mail：wanghailong_1982@163. com，地址：山東省淄博市臨淄區(qū)桓公路15號，255400。