孫 鵬，房 ，郭錦標(biāo)，楊明詩

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

基于煉油廠計劃優(yōu)化模型的氫氣系統(tǒng)優(yōu)化研究

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

采用氫氣夾點分析方法，得到煉油廠氫氣流股基本分配方案，然后與計劃優(yōu)化模型聯(lián)合進行優(yōu)化，確定優(yōu)化的氫氣管網(wǎng)方案，并對方案的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)進行分析，評價方案的有效性。以國內(nèi)某煉油廠為例，采用上述方案對氫氣系統(tǒng)進行優(yōu)化。結(jié)果表明：采用夾點分析技術(shù)可以使氫氣純度滿足煉油廠加工工藝要求，結(jié)合計劃優(yōu)化模型可以有效地根據(jù)煉油廠生產(chǎn)狀況優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，達到節(jié)氫及優(yōu)化煉油廠原油加工方案的目的；氫氣系統(tǒng)優(yōu)化后可節(jié)約氫氣16.6%，并可加工劣質(zhì)原油、降低原油采購成本，提高煉油廠經(jīng)濟效益。

氫氣系統(tǒng) 夾點技術(shù) 計劃優(yōu)化模型 線性規(guī)劃

近年來，由于全球原油劣質(zhì)化程度日趨嚴(yán)重，原油 °API逐年下降，煉油企業(yè)為了提高重質(zhì)油轉(zhuǎn)化率，耗氫量不斷增加。同時，隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，2016年我國全面實行國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，汽油標(biāo)準(zhǔn)中要求硫含量大幅下降，導(dǎo)致煉油廠耗氫量大幅上升。石油煉制中的氫氣成本逐年上升，已經(jīng)成為除原油外的第一大煉油成本。日益增長的氫氣需求已經(jīng)成為石化行業(yè)發(fā)展的主要問題，氫氣系統(tǒng)優(yōu)化也隨之成為煉油廠優(yōu)化的關(guān)鍵部分。

1984年，Simpson[1]首先提出煉油廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化管理的概念。在過去的20年中，煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法的研究取得了較大的進步。氫氣優(yōu)化方法可以分為兩種，即數(shù)學(xué)規(guī)劃法和圖形法。2001年Hallale等[2]在超結(jié)構(gòu)法的基礎(chǔ)上，將氫氣系統(tǒng)中的設(shè)備實際操作參數(shù)與約束條件連接起來，建立了不同目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，比如運行成本預(yù)算、利潤最大化模型等，通過優(yōu)化算法找到滿足所有約束條件、達到最優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Fonseca等[3]利用線性規(guī)劃方法對氫氣系統(tǒng)進行優(yōu)化。Liu 等[4]提出了NLP氫氣網(wǎng)絡(luò)模型，充分考慮氫氣系統(tǒng)中壓力、雜質(zhì)等因素，并引入提純系統(tǒng)，利用序列二次規(guī)劃法進行求解。圖形法以夾點分析為主要方法，Alves等[5]根據(jù)Linnhoff[6]提出的氫氣夾點分析方法，利用圖形法提高氫氣利用率。Bandyopadhyay[7]以雜質(zhì)負(fù)荷為橫坐標(biāo)、氫氣流量為縱坐標(biāo)，提出了包含單雜質(zhì)的源組合曲線。Zhao等[8-10]提出了各種適用于多雜質(zhì)氫氣的圖解法，在考慮多種雜質(zhì)濃度的同時確定氫氣網(wǎng)絡(luò)的最佳匹配。

數(shù)學(xué)規(guī)劃法主要是運用超結(jié)構(gòu)方法，將裝置運行變量導(dǎo)入約束條件中，導(dǎo)致所建模型的物理意義模糊，模型求解困難，無法得到全局最優(yōu)解。圖形法以夾點技術(shù)為主，主要對氫氣網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，雖然考慮了雜質(zhì)的影響，但是不能與全煉油廠流程相結(jié)合。國內(nèi)外對氫氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化主要是在氫氣供應(yīng)量一定的情況下進行優(yōu)化，而在實際生產(chǎn)過程中，產(chǎn)氫量與耗氫量會隨著原料性質(zhì)、工藝參數(shù)及產(chǎn)品需求量等的變化而變化。為充分考慮實際生產(chǎn)狀況，需將氫氣網(wǎng)絡(luò)與各加工裝置模型組合，實現(xiàn)全煉油廠生產(chǎn)的優(yōu)化。因此，本課題利用夾點分析技術(shù)得出煉油廠氫氣夾點，通過合理分配各股氫氣得到一次優(yōu)化方案，將所得方案導(dǎo)入計劃優(yōu)化模型中，對全煉油廠加工方案進行優(yōu)化，得出二次優(yōu)化方案并計算全廠經(jīng)濟效益，對煉油廠進行經(jīng)濟技術(shù)分析，評價方案的優(yōu)化效果。

1 氫氣夾點分析

夾點分析技術(shù)又稱窄點分析技術(shù)，是基于英國Bodo Linmhoff等提出的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法而形成的適用于公用工程與全局過程的能量集成分析方法[11]，廣泛應(yīng)用于換熱網(wǎng)絡(luò)、水系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)的操作方案優(yōu)化。

氫氣夾點分析中將煉油廠氫氣流股分為氫阱和氫源兩類，氫阱是耗氫裝置的入口氫氣流股，氫源是為氫氣系統(tǒng)提供氫氣的流股[12]。通常將純度最高的氫源稱為公用工程氫氣[13]。根據(jù)氫股的氫純度及消耗量數(shù)據(jù)可求出夾點，即氫氣網(wǎng)絡(luò)最小公用工程氫量。氫氣夾點分析的步驟為：

(1)獲取氫源與氫阱的消耗量與氫純度數(shù)據(jù)。

(2)分別將氫源與氫阱按照氫純度從大到小進行排列。

(3)將每股氫源與氫阱在橫坐標(biāo)為質(zhì)量、縱坐標(biāo)為純度的直角坐標(biāo)系中用線段的方式繪制出來，每條線段首尾端點橫坐標(biāo)的差值即為該氫股的質(zhì)量。從氫氣純度最高的氫股開始繪制，橫坐標(biāo)從零開始，按流股中氫氣純度由高到低的順序繪制線段，后面氫股的起始端橫坐標(biāo)與前面氫股的末端橫坐標(biāo)相同，分別將氫源與氫阱的每股氫氣線段依次首尾連接，即可得氫源與氫阱的質(zhì)量-純度曲線，如圖1所示。圖1中氫源曲線與橫坐標(biāo)軸之間的面積代表供給氫氣的量，氫阱曲線與橫坐標(biāo)軸之間的面積代表耗氫裝置所需氫氣量。當(dāng)氫源曲線高于氫阱曲線時，表明該區(qū)域的氫氣過剩；當(dāng)氫源曲線低于氫阱曲線時，表明該區(qū)域氫氣供應(yīng)不足。按下式計算圖1中曲線區(qū)域的面積差：

(1)

式中：yd為氫源b中氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ys為氫阱a中氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；F為氫氣質(zhì)量；H為yd與ys中較小氫氣純度流股的剩余氫量。

圖1 氫源與氫阱的質(zhì)量-純度曲線 —氫源; —氫阱

根據(jù)式(1)求出各段剩余氫量，繪制剩余氫量與氫氣純度的關(guān)系曲線(氫剩余曲線)，如圖2所示。繪制方法為：若剩余氫量為正值，則線段向右延伸；若剩余氫量為負(fù)值，則線段向左延伸。經(jīng)過迭代，調(diào)節(jié)氫氣純度最高的氫源(公共工程用氫)用量，重新繪制氫剩余曲線，當(dāng)氫剩余量為0且曲線上所有點都大于或者等于0時，即可求出氫氣夾點。

圖2 氫剩余曲線

2 煉油廠氫氣系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)煉油廠參數(shù)建立全廠計劃優(yōu)化模型，將氫氣網(wǎng)絡(luò)嵌入到每個耗氫與產(chǎn)氫單元中，把氫氣作為單獨原料加入模型中，將不同純度的氫氣作為不同的物料，按照各加工裝置需求對氫氣流股進行分配，氫氣系統(tǒng)的物料平衡方程為：

(2)

(3)

wj≤wi

(4)

式中：N為原料性質(zhì)變化值；D為原料性質(zhì)單位變化量引起的耗氫率變化值；i為氫氣流股編號；j為裝置編號；B為原料性質(zhì)對應(yīng)的基礎(chǔ)耗氫率；F為裝置進料量，t；A是通入各裝置0，1變量；wi為氫源中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wj為氫阱中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。式(2)表示全煉油廠的純氫氣量必須大于或等于裝置耗氫量；式(3)表示通入某裝置的氫氣量必須大于或等于該裝置的耗氫量；式(4)表示通入某裝置氫氣的純度必須大于或等于該裝置所需氫氣的最低限制純度。

采用式(2)～式(4)建立全廠氫氣系統(tǒng)模型。根據(jù)夾點分析技術(shù)所得夾點，對氫氣系統(tǒng)進行優(yōu)化初始分配，分配原則為：①夾點以上的氫源只能通入夾點以上的氫阱；②夾點以下的氫源只能通入夾點以下的氫阱；③夾點氫源可以通入所有氫阱；④夾點以上的氫源不能通入火炬管網(wǎng)。

將初始分配方案導(dǎo)入計劃優(yōu)化模型中，以煉油廠效益最佳為目標(biāo)進行全廠優(yōu)化，得到原油加工優(yōu)化方案，最終得出氫氣系統(tǒng)優(yōu)化方案。

3 實例計算與分析

以國內(nèi)某煉油廠為例對氫氣系統(tǒng)進行優(yōu)化，表1為該煉油廠5個月的氫氣分析數(shù)據(jù)。由表1中數(shù)據(jù)計算可知，氫源總量大于氫阱總量，氫剩余量大于0，因此該煉油廠氫氣系統(tǒng)具有優(yōu)化潛力。

表1 某煉油廠5個月的氫股質(zhì)量與純度數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)進行氫氣夾點分析，氫源與氫阱的質(zhì)量-純度曲線如圖3所示。調(diào)整公用工程用氫的氫氣量，并經(jīng)迭代計算后可得到氫剩余曲線，如圖4所示，氫氣夾點為0.4。通過夾點計算可得到最新公用工程用氫量，迭代后的氫阱與氫源數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，該煉油廠5個月的公用工程理論節(jié)氫量為6 787.5 t，占總氫量的23.19%，節(jié)氫潛力較大。

圖3 某煉油廠氫源與氫阱的質(zhì)量-純度曲線

圖4 某煉油廠的氫剩余曲線

表2 迭代后的氫股質(zhì)量與純度數(shù)據(jù)

該煉油廠的氫氣管網(wǎng)如圖5所示。根據(jù)夾點分析結(jié)果可知：①加氫裂化裝置干氣HCG沒有合理利用，造成氫氣資源浪費，HCG流股可以直接用于加氫裝置；②低氫含量流股HPT由高氫含量流股PH2供給，造成氫氣資源浪費。按照“高質(zhì)高用，低質(zhì)優(yōu)用”的原則，可利用不同流股按一定比例混合以滿足不同耗氫裝置的需求，例如將高質(zhì)氫與低質(zhì)氫混合，提高高質(zhì)氫的利用率。

圖5 某煉油廠的氫氣管網(wǎng)示意

根據(jù)氫氣夾點分配原則對氫股進行分配，將氫股分配方案導(dǎo)入煉油廠計劃優(yōu)化模型中，利用線性規(guī)劃法列出煉油廠的物料平衡方程，以經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，通過PIMS軟件求最優(yōu)解，優(yōu)化后的氫股質(zhì)量和純度數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)2016年原油、化工產(chǎn)品、成品油價格進行計算，優(yōu)化前后該煉油廠5個月的經(jīng)濟技術(shù)數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知：優(yōu)化后原油硫含量、綜合商品率、利潤均有所增加，而原油一次加工輕油收率、總輕油收率、原油°API明顯下降；5個月的節(jié)氫量達到4 860 t，占原公用工程氫氣量的16.60%，因考慮煉油廠其它因素如加工原料性質(zhì)、利潤最大化、產(chǎn)率等的限制約束，導(dǎo)致氫氣系統(tǒng)優(yōu)化后不能達到理論節(jié)氫量。優(yōu)化后的加工方案中，原油品質(zhì)下降，將節(jié)省的氫氣用來加工硫含量更高、 °API更小的劣質(zhì)原油，可使原油采購成本降低、煉油廠利潤增長。

表3 優(yōu)化后的氫股質(zhì)量和純度數(shù)據(jù)

采用優(yōu)化后的氫股質(zhì)量和純度數(shù)據(jù)進行夾點分析，所得氫剩余曲線如圖6所示。由圖6可知，優(yōu)化后夾點為0，無跨夾點匹配的氫股，表明優(yōu)化后氫氣網(wǎng)絡(luò)已達到最優(yōu)化效果。

優(yōu)化后的氫氣網(wǎng)絡(luò)如圖7所示，紅線是氫氣流股變更部分。經(jīng)優(yōu)化改造后，氫氣網(wǎng)絡(luò)在滿足耗氫裝置需求的同時，未出現(xiàn)跨夾點耗氫的狀況，可充分合理地利用氫氣資源。

表4 優(yōu)化前后煉油廠的經(jīng)濟技術(shù)數(shù)據(jù)

圖6 優(yōu)化后的氫氣剩余曲線

圖7 優(yōu)化改造后的氫氣網(wǎng)絡(luò)

4 結(jié) 論

采用將氫氣夾點分析技術(shù)與計劃優(yōu)化模型相結(jié)合的方法可對煉油廠氫氣管網(wǎng)進行優(yōu)化研究。對國內(nèi)某煉油廠氫氣系統(tǒng)進行優(yōu)化的結(jié)果表明：采用夾點分析技術(shù)可以使氫氣純度滿足煉油廠加工工藝要求，結(jié)合計劃優(yōu)化模型可以有效地根據(jù)煉油廠生產(chǎn)狀況優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，達到節(jié)氫及優(yōu)化煉油廠原油加工方案的目的；氫氣系統(tǒng)優(yōu)化后可節(jié)約氫氣16.60%，并可加工劣質(zhì)原油、降低原油采購成本，提高煉油廠經(jīng)濟效益。

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OPTIMIZATIONOFHYDROGENSYSTEMBASEDONPLANOPTIMIZATIONMODEL

Sun Peng， Fang Wei， Guo Jinbiao， Yang Mingshi

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

In this paper，the refinery hydrogen system was reallocated by means of a combination method of hydrogen pinch analysis technology and refinery operation planning optimization model to obtain optimization scheme of hydrogen system.Taking a domestic refinery as an example，the hydrogen reallocated scheme were calculated and analyzed by the pinch theory to meet the hydrogen purity required and to optimize the hydrogen network effectively by the combination method.It is shown by the results that this method can not only save the hydrogen 16.6% but also reduce the crude oil cost，while improves the ability of the refinery for processing lower quality freedstock.

hydrogen system； pinch technology； plan optimization model； linear programming

2017-02-24；修改稿收到日期：2017-03-22。

孫鵬，碩士研究生，主要從事煉油企業(yè)計劃與調(diào)度優(yōu)化研究工作。

郭錦標(biāo)，E-mail：guojinbiao.ripp@sinopec.com。