馬永林，孫 鵬，房

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

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

夾點(diǎn)分析 計(jì)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(jí)刻不容緩，所以增加加氫工藝裝置成為煉油廠升級(jí)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(yán)格環(huán)境法規(guī)，汽油指標(biāo)升級(jí)(汽油硫質(zhì)量分?jǐn)?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(gòu)進(jìn)氫氣以保證裝置的平穩(wěn)運(yùn)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(fèi)，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(diǎn)分析法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法。夾點(diǎn)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(fèi)用、公共工程費(fèi)用等因素。

夾點(diǎn)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(diǎn)原理對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，在直角坐標(biāo)系上繪制氫源-氫阱復(fù)合曲線，計(jì)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(jì)算繼而得到最小公用工程耗氫量和夾點(diǎn)，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(diǎn)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(fù)荷曲線，通過移動(dòng)氫源曲線與氫阱曲線只相交于一點(diǎn)，此點(diǎn)為夾點(diǎn)，同時(shí)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(jì)算，但是氫股數(shù)據(jù)相似會(huì)導(dǎo)致曲線重合，須精確繪制確保夾點(diǎn)位置準(zhǔn)確。

隨著國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)行，汽油質(zhì)量也隨之升級(jí)，從滿足國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)升至滿足國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，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(dá)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(huì)導(dǎo)致煉油廠經(jīng)濟(jì)效益下降；當(dāng)新加氫裝置投產(chǎn)，會(huì)形成新的氫氣網(wǎng)絡(luò)，氫氣網(wǎng)絡(luò)應(yīng)重新進(jìn)行優(yōu)化。本課題利用夾點(diǎn)分析技術(shù)計(jì)算節(jié)氫量與新裝置氫氣純度的關(guān)系，并采用計(jì)劃優(yōu)化模型，在考慮煉油廠經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(biāo)軸為質(zhì)量、縱坐標(biāo)軸為純度的直角坐標(biāo)系，將氫阱與氫源數(shù)據(jù)分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小在坐標(biāo)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(zhǎng)度與縱坐標(biāo)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(duì)應(yīng)最高純度氫源，第二段對(duì)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(biāo)0為端點(diǎn)，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(biāo)上的投影代表氫氣質(zhì)量。氫氣網(wǎng)絡(luò)第一個(gè)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(zhǎng)，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(gè)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(dāng)剩余氫量為正值時(shí)，由于在此區(qū)間內(nèi)氫源量是過量的，所以剩余氫量可補(bǔ)償給低質(zhì)量分?jǐn)?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(fù)值，該氫氣赤字應(yīng)由高質(zhì)量分?jǐn)?shù)氫源提供。該赤字的物理意義是指：氫阱需要從與之相對(duì)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(dá)到該赤字氫阱氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通入足量氫氣補(bǔ)償該剩余氫量(H′)。

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

每一個(gè)氫剩余量H′可用一段線段表示，橫坐標(biāo)為剩余氫質(zhì)量、縱坐標(biāo)為氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從橫坐標(biāo)0開始繪制氫剩余曲線，當(dāng)H′大于0時(shí)，H′曲線沿橫坐標(biāo)軸向右繪制，當(dāng)H′小于0時(shí)，H′曲線沿橫坐標(biāo)向左繪制。通過調(diào)整原始新氫量，當(dāng)H′等于0，出現(xiàn)夾點(diǎn)，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(duì)其進(jìn)行夾點(diǎn)分析，迭代計(jì)算每個(gè)氫氣質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)的下降，節(jié)氫量也隨之下降，當(dāng)氫阱氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值后，出現(xiàn)拐點(diǎn)，節(jié)氫量變化曲線斜率也隨之發(fā)生變化；當(dāng)氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.24時(shí)，曲線斜率增大，節(jié)氫量下降加快；氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.24時(shí)，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(diǎn)即為節(jié)氫效果最好時(shí)的氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，該點(diǎn)的值可認(rèn)為是氫阱的最佳氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖3 節(jié)氫量變化曲線

圖4 氫源變化曲線

夾點(diǎn)以上的氫源供給夾點(diǎn)以上的氫阱；夾點(diǎn)以下的氫源供給夾點(diǎn)以下的氫阱。將通過夾點(diǎn)分析的氫氣網(wǎng)絡(luò)分配初始方案導(dǎo)入全廠計(jì)劃優(yōu)化模型，以新加氫裝置氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為變量建立多個(gè)方案，在同一價(jià)格體系下，對(duì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)估，建立橫坐標(biāo)為氫阱氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，縱坐標(biāo)為煉油廠利潤(rùn)的坐標(biāo)系，如圖5所示，找出煉油廠利潤(rùn)與氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，通過夾點(diǎn)計(jì)算與計(jì)劃模型優(yōu)化分析可得出氫阱氫氣最佳純度。

圖5 利潤(rùn)-質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

2 實(shí)例計(jì)算

國(guó)內(nèi)某煉油廠為油品升級(jí)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(jì)條件，新加氫裝置原料氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)需大于0.24。利用夾點(diǎn)分析計(jì)算新加氫裝置(HP6)不同氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的節(jié)氫量(表2)，經(jīng)過計(jì)算可得每個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)方案的夾點(diǎn)與節(jié)氫量，繪制夾點(diǎn)-質(zhì)量分?jǐn)?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(dāng)單裝置氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.28后，夾點(diǎn)氫氣質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)曲線斜率變小，改變單位氫氣質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)達(dá)到0.35后，夾點(diǎn)氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.6下降至0.18，節(jié)氫量隨著氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加變化不大。表明單裝置氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.35，夾點(diǎn)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?jǐn)?shù)無關(guān)。

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

圖6 夾點(diǎn)氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)-單裝置氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

圖7 日節(jié)氫量-單裝置氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

從圖8可以看出，當(dāng)單裝置氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.28時(shí)，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?jǐn)?shù)，日節(jié)氫量可達(dá)46.3 t。

圖8 總氫源量-單裝置氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

建立煉油廠計(jì)劃優(yōu)化模型，根據(jù)2016年原油、化工產(chǎn)品、原油產(chǎn)品價(jià)格統(tǒng)計(jì)，以煉油廠5個(gè)月為周期建模，根據(jù)新加氫裝置建立氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.24～0.36的 13個(gè)方案，每個(gè)方案聯(lián)合夾點(diǎn)氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析后的初始?xì)錃夥桨?，然后以煉油廠利潤(rùn)為目標(biāo)進(jìn)行深度優(yōu)化計(jì)算，可得利潤(rùn)-氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線，如圖9所示。由于氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)，加氫裝置耗純氫量增加，煉油廠的利潤(rùn)隨著氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高呈直線下降，當(dāng)新加氫裝置最優(yōu)氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.28時(shí)，煉油廠利潤(rùn)為15 988萬元。煉油廠經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如表3所示。從表3可以看出，隨著氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，輕油收率、綜合商品率遞減，其它指標(biāo)無明顯變化。根據(jù)煉油廠利潤(rùn)和節(jié)氫量的分析，為取得煉油廠最大利潤(rùn)，應(yīng)降低氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖9 利潤(rùn)-氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

項(xiàng) 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(diǎn)分析與計(jì)劃優(yōu)化模型相結(jié)合的方法，通過夾點(diǎn)技術(shù)分析氫氣網(wǎng)絡(luò)節(jié)氫量的變化趨勢(shì)，然后結(jié)合煉油廠計(jì)劃優(yōu)化模型，分析各氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，在尋求利益最大化的情況下，得到最優(yōu)氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時(shí)達(dá)到最優(yōu)節(jié)氫效果。通過實(shí)例，0.28為最優(yōu)氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，日節(jié)氫量為46.3 t，5個(gè)月的利潤(rùn)可達(dá)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(dá)到節(jié)能和利潤(rùn)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(jí)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。