上海石化氫氣系統(tǒng)優(yōu)化的研究

顧興平

(中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部， 200540)

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上海石化氫氣系統(tǒng)優(yōu)化的研究

顧興平

(中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部， 200540)

文章針對煉油企業(yè)環(huán)保要求越來越嚴(yán)，世界范圍內(nèi)的煉油廠對氫氣的需求不斷增加的趨勢，介紹了氫氣網(wǎng)絡(luò)夾點分析技術(shù)優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)運行的方法。利用氫源氫阱復(fù)合曲線和氫氣剩余曲線以及夾點匹配原則，對中國石化上海石油化工股份有限公司氫氣網(wǎng)絡(luò)進行了分析和優(yōu)化處理。通過優(yōu)化改造后可增加公用工程氫氣產(chǎn)量285 m3/min，年經(jīng)濟效益可達8 618萬元。

氫氣系統(tǒng) 夾點技術(shù) 優(yōu)化

根據(jù)美國《油氣雜志》調(diào)查，至2009年底全球煉油總能力達到4 361 Mt/a，連續(xù)8年創(chuàng)新高。進入21世紀(jì)后，傳統(tǒng)油田的采油進入末期和新采油技術(shù)的應(yīng)用，使得中質(zhì)和重質(zhì)原油產(chǎn)量逐年上升，輕質(zhì)原油的產(chǎn)量逐年下降［1］。而市場對石油產(chǎn)品特別是燃料的環(huán)保要求愈來愈高，標(biāo)準(zhǔn)愈來愈嚴(yán)，因此各煉廠必須配備足夠的深度加工能力和加氫能力才能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。中國的煉油產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在近幾年一直在不斷調(diào)整，隨著對燃料質(zhì)量要求的不斷提高，煉油的加氫精制能力占原油加工能力的比例從2005年的22.45%提升到2008 年的 30.87%［2］。

煉廠在產(chǎn)品精制方面通常采用加氫工藝來滿足成品油的質(zhì)量要求。現(xiàn)在煉油廠對氫氣的需求正以每年5% ～7%的速度增長［3］，有50% ～70%的煉油廠出現(xiàn)了氫氣缺乏的狀況［4－6］。目前世界氫氣總產(chǎn)量約為50 Mt，而煉油廠氫氣的消耗需求就占其總量的50%左右［7］。

原油質(zhì)量的下降和燃料油質(zhì)量的升級，使煉油廠的氫氣資源相對不足。但同時，煉油廠普遍存在氫氣高質(zhì)低用的情況，而且加氫裝置的弛放氣也往往直接排入燃料氣系統(tǒng)作鍋爐燃料，浪費了寶貴的氫氣資源。

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)作為一家大型煉化一體化企業(yè)，各煉化加工裝置的氫氣需求量較大，同時其低分氣資源也十分豐富。氫氣網(wǎng)絡(luò)貫穿于煉油廠內(nèi)的每種物料和每個生產(chǎn)裝置，研究煉油廠產(chǎn)氫裝置和耗氫裝置間的氫氣產(chǎn)耗平衡，分配使用各類氫氣資源并使生產(chǎn)成本最小成為企業(yè)的迫切需求。上世紀(jì)70年代末，由Linnhoff［8］提出的在水系統(tǒng)和換熱網(wǎng)絡(luò)取得顯著效果的夾點技術(shù)，通過近30年的發(fā)展，形成了完善的理論體系并建立了簡單實用的使用方法，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的氫氣網(wǎng)絡(luò)夾點分析法可以很好地對煉油廠氫氣資源進行優(yōu)化分配。

1 氫氣網(wǎng)絡(luò)夾點分析

Gavin Towler于1996年［9］最早提出了氫氣網(wǎng)絡(luò)的集成研究問題，提出了類似于換熱網(wǎng)絡(luò)夾點分析法來研究氫氣網(wǎng)絡(luò)。1999年Alves［10］提出了氫氣夾點分析方法，其推動力為氫氣體積分?jǐn)?shù)。氫氣的參數(shù)包括氫氣流量和氫氣體積分?jǐn)?shù)，參考換熱網(wǎng)絡(luò)中溫度和焓值的關(guān)系作出氫氣體積分?jǐn)?shù)和流量的關(guān)系，得到氫氣的氫源復(fù)合曲線和氫阱復(fù)合曲線。通過氫源和氫阱復(fù)合曲線就可得到氫氣剩余曲線。如果氫氣的剩余量是正的，說明過程中存在過多的氫氣公用工程，可逐漸減少過多的氫氣公用工程消耗，直到零的位置，這就得到氫氣系統(tǒng)的氫氣夾點。Hallale于2001年［11］提出了超結(jié)構(gòu)優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)的方法，建立一條氫氣產(chǎn)耗過程，將所有的流程方案組合在一起，然后從中找出一個最優(yōu)的流程系統(tǒng)。張毅等人進一步提出了提純裝置集成優(yōu)化的概念，同時提出了油－氫網(wǎng)絡(luò)靈敏度分析的概念，考慮同時對油網(wǎng)絡(luò)和氫氣網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化，進一步提升煉油廠的經(jīng)濟效益。

氫氣網(wǎng)絡(luò)夾點法，首先確定與氫氣相關(guān)裝置的性質(zhì)，是屬于氫源還是氫阱。通常煉油廠內(nèi)氫阱指消耗氫氣的加氫裂化和加氫精制等煉油裝置，氫源則指提供氫氣的催化重整、乙烯裝置、制氫、尾氫提純裝置等。在實際生產(chǎn)過程中，加氫裝置消耗氫氣的同時，它的弛放氣外送至其他加氫裝置或直接送尾氫提純裝置。在這里，加氫裝置是氫源;如果制氫裝置的原料中還包括加氫弛放氣，那么它就是氫阱。

耗氫裝置邊界氫氣主要是消耗的新氫和裝置排放的廢氫，裝置內(nèi)部還有1股加氫循環(huán)氫，3股氫氣資源對于耗氫反應(yīng)器，從不同的角度來分析，就會得出不同結(jié)果。圖1中給出簡化的耗氫裝置模型，以中壓加氫裝置為例。循環(huán)氫為裝置高分氣相經(jīng)循環(huán)氫脫硫后，經(jīng)循環(huán)氫壓縮機升壓后與新氫混合后進入反應(yīng)器;低分氣送脫硫裝置凈化后作為燃料氣。

圖1 裝置耗氫模型

圖1中只考慮了邊界氫氣，對于反應(yīng)器來講，在實際運行中的氫源，是新氫和加氫循環(huán)氫的混合氫，我們分析的耗氫裝置實際是耗氫反應(yīng)器。不考慮循環(huán)氫后，模型數(shù)據(jù)就如圖2所示的新氫和低分氫氣。

圖2 循環(huán)氫包含在裝置內(nèi)的耗氫模型

通常煉油廠對于耗氫裝置的操作是按圖2的模式進行操作，根據(jù)耗氫裝置的新氫體積分?jǐn)?shù)和消耗量來組織生產(chǎn)。在煉油廠內(nèi)氫源裝置一般是固定的，其提供的氫氣體積分?jǐn)?shù)通常是一定的，所以常用的氫氣匹配方法就是按照氫源的氫氣體積分?jǐn)?shù)把耗氫裝置分成若干個等級，然后將各個等級不同的氫阱所消耗新氫的總量相加就是每一體積分?jǐn)?shù)氫源的氫氣供應(yīng)量，前提是只要保證氫源的氫氣體積分?jǐn)?shù)高于或等于氫阱所需的氫氣體積分?jǐn)?shù)。從新氫這個角度來看，煉油廠中耗氫裝置的氫氣使用量就沒有減少的可能了，從物料平衡考慮供應(yīng)和消耗的氫氣量是一樣的，只是氫源的氫氣體積分?jǐn)?shù)稍高一些，如果降低氫源氫氣的體積分?jǐn)?shù)來增加產(chǎn)氫率，在經(jīng)濟上不見得會增加多少效益。

這就需要我們轉(zhuǎn)變思考的角度來看氫氣的優(yōu)化。需要我們從另一個方面進行分析:經(jīng)過觀察，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器入口的氫氣是新氫和循環(huán)氫的混合氫氣，并不是完全的氫源新氫，因此，參與反應(yīng)器反應(yīng)的氫氣體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于新氫。在加氫反應(yīng)中，新氫的體積分?jǐn)?shù)是一個因素，更重要的是確保進入反應(yīng)器氫氣的流量和混合氫氣體積分?jǐn)?shù)不變。圖3就是耗氫裝置按照這種思維方式得到的簡化流程。

圖3 反應(yīng)器消耗混合氫的流程

而在多套耗氫裝置間也可以進行組合優(yōu)化，以中壓加氫和航煤加氫2套裝置為例:通過對中壓加氫裝置反應(yīng)器入口氫氣體積分?jǐn)?shù)的分析，航煤加氫裝置的氫氣體積分?jǐn)?shù)93%的低分氫氣完全可作中壓加氫裝置的新氫。經(jīng)過計算，把航煤加氫裝置的低分氫氣全部供給中壓加氫，可以減少供給中壓加氫體積分?jǐn)?shù)為96%的新氫562 m3/h，按照比例是中壓加氫新氫需求的1.45%。按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的價格0.6元/m3計，每年可節(jié)省成本283.25萬元。優(yōu)化前中壓加氫和航煤加氫裝置的氫氣流程見圖4，優(yōu)化后中壓加氫和航煤加氫裝置的氫氣流程見圖5。

圖4 2套裝置消耗新鮮氫氣的運行流程

圖5 2套裝置優(yōu)化后混合氫的運行流程

氫氣系統(tǒng)夾點圖以氫氣體積分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)，氫氣的流量為橫坐標(biāo)，先畫出每一流股氫氣的流量和體積分?jǐn)?shù)關(guān)系，然后按照氫氣體積分?jǐn)?shù)從高到低的順序，按氫源和氫阱分別組合所有氫源流股分別作出氫源和氫阱的流量－體積分?jǐn)?shù)復(fù)合曲線，在流量－體積分?jǐn)?shù)復(fù)合曲線圖上，一條水平的線段表示該股氫源或氫阱的流量，縱坐標(biāo)表示其體積分?jǐn)?shù)。

將氫源復(fù)合曲線和氫阱復(fù)合曲線組合在同一張圖中，如果氫源與氫阱包圍重合的部分面積為正值(通常氫源復(fù)合曲線在上，氫阱復(fù)合曲線在下)，那么這一區(qū)域的氫源過剩，則剩余氫曲線上的橫線向右方延長，其長度乘以氫阱的氫氣體積分?jǐn)?shù)就等于氫源與氫阱包圍重合的部分的面積，反之橫線向左方延長。如公用工程氫源體積分?jǐn)?shù)作為基準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)，通過多次迭代，使得公用工程氫氣的剩余量為0時，就得到氫氣網(wǎng)絡(luò)的氫夾點氫氣體積分?jǐn)?shù)。

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的氫氣節(jié)約，實現(xiàn)整個氫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最小用氫量。在氫源和氫阱的匹配過程中，通常按照以下順序與原則進行優(yōu)化匹配。

優(yōu)化匹配的主要順序為:(1)優(yōu)先考慮自身系統(tǒng)的循環(huán)氫與氫阱的匹配，目的在于避免雜質(zhì)對加氫的影響;(2)優(yōu)先考慮同一區(qū)域內(nèi)氫源與氫阱的匹配，盡量減少管路連接費用;(3)最后考慮不同類型裝置間氫源與氫阱的匹配。優(yōu)化匹配的主要原則為:(1)氫氣資源梯級使用，合理利用;(2)不能存在氫源跨越氫夾點氫氣體積分?jǐn)?shù)供應(yīng)氫阱的匹配;(3)氫源對應(yīng)氫阱盡量滿足一對一的關(guān)系;(4)考慮不同氫阱對氫氣雜質(zhì)不同的質(zhì)量要求;(5)考慮氫源與氫阱之間的壓力供應(yīng)相互匹配，在優(yōu)化中僅壓力約束不滿足時，可以通過增加氫氣壓縮機來升壓，滿足氫阱的壓力需要;(6)盡量使用原有的氫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2 上海石化氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究

上海石化作為一家大型煉化一體化企業(yè)，各類煉化加工裝置的氫氣需求量較大，同時其低分氫氣資源也十分豐富。其中氫阱包括3套裂解汽油加氫(GH)、2套加氫裂化(HC)、2套甲苯歧化及烷基轉(zhuǎn)移(IX＆TA)、2套異構(gòu)化(ISO)、10套加氫精制(HT)和2套硫磺(SR)。氫源包括2套連續(xù)重整(CCR)，2套乙烯(EU)、2套制氫(HG)，和既是氫源又是氫阱的2套變壓吸附提純(PSA)。當(dāng)前上海石化的裝置產(chǎn)氫情況見表1、裝置耗氫情況見表2，氫氣網(wǎng)絡(luò)運行結(jié)構(gòu)如圖6所示。

將上海石化運行的氫氣網(wǎng)絡(luò)按照夾點法可畫出復(fù)合曲線(圖7)和氫氣剩余曲線(圖8)。從曲線中可以看出，耗氫裝置的氫氣體積分?jǐn)?shù)比加氫反應(yīng)器的入口氫氣體積分?jǐn)?shù)高，存在氫氣的質(zhì)量過剩問題，而在個別耗氫裝置如加氫裝置(HT4)，需要氫氣體積分?jǐn)?shù)為86%，而實際氫源為體積分?jǐn)?shù)99%的PSA氫氣，這表明目前的氫氣網(wǎng)絡(luò)沒有在最優(yōu)的狀態(tài)下運行，還有很大的優(yōu)化改進余地。

對于氫氣網(wǎng)絡(luò)，最關(guān)心的是耗氫裝置的氫氣消耗量及氫公用工程的產(chǎn)氫量，在滿足生產(chǎn)運行的同時，盡量使氫公用工程的產(chǎn)氫量最小，達到氫氣成本最低的目的。

表1 上海石化產(chǎn)氫裝置

續(xù)表1

表2 上海石化耗氫裝置

圖6 上海石化氫氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖7 氫氣復(fù)合曲線

圖8 氫氣剩余曲線

夾點法比較直觀的將氫源復(fù)合曲線和氫阱復(fù)合曲線組合在同一張圖中進行對比，如果氫源與氫阱包圍重合的部分面積為正值(通常氫源復(fù)合曲線在上，氫阱復(fù)合曲線在下)，那么這一區(qū)域的氫源過剩，則剩余氫曲線上的橫線向右方延長，其長度乘以氫阱的氫氣體積分?jǐn)?shù)就等于氫源與氫阱包圍重合的部分的面積，反之橫線向左方延長。如公用工程氫源氫氣體積分?jǐn)?shù)作為基準(zhǔn)氫氣體積分?jǐn)?shù)，通過多次迭代，使得公用工程氫氣的剩余量為0時，就得到氫氣網(wǎng)絡(luò)的氫夾點氫氣體積分?jǐn)?shù)。在求出氫夾點的同時，也求出了系統(tǒng)所需要的最小公用工程的氫氣用量。從圖8可知氫氣夾點在氫氣體積分?jǐn)?shù)86%處，夾點的左邊136 m3/min的氫氣流量就是目前運行系統(tǒng)優(yōu)化前后的氫氣節(jié)約量。

根據(jù)氫氣優(yōu)化匹配的主要原則，上海石化應(yīng)從以下幾個方面優(yōu)化改造氫氣網(wǎng)絡(luò):

(1)單獨增加1套PSA裝置

由于煉油加氫裝置與HT8及HT10等共用氫氣管網(wǎng)，為了保證化工裝置的高體積分?jǐn)?shù)氫的需求，整個氫氣管網(wǎng)產(chǎn)品氫的體積分?jǐn)?shù)為99.99%，其中CO+CO2體積分?jǐn)?shù)小于20×10－6，導(dǎo)致煉油裝置氫氣質(zhì)量過剩，產(chǎn)氫裝置的氫氣收率偏低。單獨增加一套PSA裝置用來滿足高體積分?jǐn)?shù)氫氣得需求，可以降低氫公用工程產(chǎn)品氫的體積分?jǐn)?shù)，提高氫氣收率，解決氫氣高質(zhì)低用問題。

增加的一套PSA裝置在滿足下游HT8、HT9、HT10裝置的氫氣用量后，氫公用工程氫氣中的CO+CO2體積分?jǐn)?shù)按50×10－6控制，從而可提高氫氣收率5個百分點，按2套制氫裝置目前的運行負(fù)荷計算，可增加產(chǎn)品氫氣流量117 m3/min。

(2)高純氫直接利用，PSA提純加氫弛放氣

目前PSA提純的重整氫、乙烯氫和賽科粗氫的體積分?jǐn)?shù)分別為93%、94%和92%，氫氣體積分?jǐn)?shù)在夾點之上，按優(yōu)化匹配的原則，這部分氫氣可直接利用供給到氫氣網(wǎng)絡(luò)，可結(jié)余體積分?jǐn)?shù)93%的氫氣流量136 m3/min。

PSA應(yīng)提純目前作燃料氣的柴油加氫和中壓加氫裂化2套裝置的弛放氣，降低制氫負(fù)荷。煉油裝置弛放氣見表3。

表3 加氫裝置弛放氣一覽表

其中航煤脫硫醇的低分氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)高于氫夾點，可直接優(yōu)化利用。而柴油加氫和中壓加氫裂化的弛放氣則予以回收，回收的弛放氣中的氫氣折合純氫流量約為42 m3/min。

(3)停用1套制氫裝置

從氫氣剩余曲線圖8可以看出，體積分?jǐn)?shù)93%的氫氣剩余流量為136 m3/min，折合氫公用工程氫氣流量126 m3/min;增上1套PSA裝置后，由于氫公用工程氫氣體積分?jǐn)?shù)降低，可多增加117 m3/min的氫氣產(chǎn)量;PSA回收加氫弛放氣增加42 m3/min的純氫量，3項共計可增加285 m3/min的氫氣流量。優(yōu)化前2套制氫裝置都保持低負(fù)荷運行，在優(yōu)化氫公用工程生產(chǎn)運行后，運行1套制氫裝置就能滿足氫氣的供應(yīng)。

氫氣系統(tǒng)優(yōu)化運行后，可增加285 m3/min的公用工程氫氣，按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的價格0.6元/m3計，每年可節(jié)省8 618.4萬元。同時，停用的1套制氫裝置也可作為今后煉油改擴建工程的產(chǎn)氫能力儲備。

3 結(jié)語

氫氣系統(tǒng)是整個煉油企業(yè)生產(chǎn)運行的一部分，氫氣系統(tǒng)的優(yōu)化運行與計劃、生產(chǎn)等緊密相關(guān)，科學(xué)的計劃和生產(chǎn)的穩(wěn)定運行是氫氣系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)。氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化運行還涉及如何提高氫公用工程制氫的轉(zhuǎn)化率和降低PSA尾氣中的氫氣體積分?jǐn)?shù)來提高產(chǎn)氫收率。這些工作就是今后在氫系統(tǒng)優(yōu)化中研究和攻關(guān)的主要內(nèi)容之一。

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Study on Optimization of Hydrogen Gas System in SINOPEC Shanghai Petrochemical Company Limited

Gu Xingping
(Petroleum Refining Division，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540)

In view of the increasingly strict requirements of environmental protection for petroleum refining enterprises，and the continuous expansion of hydrogen gas demand from petroleum refining plants throughout the world，the method for optimization of hydrogen gas network with hydrogen network pinch analyzing technique was introduced．The hydrogen gas network of SINOPEC Shanghai Petrochemical Company Limited was analyzed and optimized with hydrogen source－h(huán)ydrogen trap compound curve and hydrogen gas residue curve and pinch matching principle．After such optimization and reformation，the Company could add hydrogen gas output for public utilities by 285m3/min，which realized annual economic profit of RMB 86，180，000 Yuan．

hydrogen gas network，pinch technology，optimization

1674－1099 (2012)05－0012－06

TK91

A

2012-07-10。

顧興平，男，1972年4月出生，畢業(yè)于江蘇石油化工學(xué)院石油加工專業(yè)，目前從事煉油工藝、節(jié)能技術(shù)管理工作。