氫氣平衡與優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用

王海龍（中國(guó)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(guó)石化齊魯分公司）

針對(duì)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(wèn)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(duì)氫氣生產(chǎn)、輸送及消耗過(guò)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(guò)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(xiàn)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(cè)量?；谏鲜鰲l件，結(jié)合氫夾點(diǎn)理論分析開(kāi)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(guó)家對(duì)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(chǎng)的氫氣消耗增長(zhǎng)將超過(guò)40%。如何降低煉油過(guò)程中的用氫成本一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。特別是近年來(lái)，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(duì)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(jiǎn)稱(chēng)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(xiāo)售成品油630×104t，擁有各類(lèi)加氫裝置20余套，年用氫量約15×104t。近年來(lái)，齊魯石化不斷推進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合，開(kāi)發(fā)建設(shè)氫氣平衡與優(yōu)化系統(tǒng)，對(duì)氫氣生產(chǎn)、輸送及消耗過(guò)程進(jìn)行全面管控。通過(guò)集成原料成本、輔助消耗等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)計(jì)算出產(chǎn)氫、耗氫成本，結(jié)合氫夾點(diǎn)理論分析開(kāi)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(chǎng)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(chǎng)煤氣化裝置，以及乙烯裝置和氯堿廠(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)的C2/C3加氫、汽油加氫、歧化異構(gòu)化等5套；塑料廠(chǎng)的聚乙烯、聚丙烯等2套；第二化肥廠(chǎng)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(guò)幾年的努力，通過(guò)采取建立高低壓氫氣管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分級(jí)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(lái)看，在對(duì)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(wèn)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(dòng)改，沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化和響應(yīng)，對(duì)整個(gè)產(chǎn)用氫的合理性并未進(jìn)行評(píng)價(jià)和指導(dǎo)。

2）對(duì)于產(chǎn)用氫成本的核算，還是由公司財(cái)務(wù)部門(mén)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(zhǎng)，對(duì)氫氣日常調(diào)度沒(méi)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(jí)不同，調(diào)度人員日常對(duì)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(duì)量的平衡來(lái)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(jí)利用，從而達(dá)到系統(tǒng)節(jié)約用氫的目的[3]。

針對(duì)齊魯石化氫氣系統(tǒng)氫源多樣、用氫裝置對(duì)氫源要求不一、氫氣網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、氫氣系統(tǒng)波動(dòng)性較大等特點(diǎn)，利用氫夾點(diǎn)分析技術(shù)對(duì)氫氣系統(tǒng)進(jìn)行分析，獲得氫氣流量-純度曲線(xiàn)與氫氣剩余曲線(xiàn)（圖1、圖2）。圖1中粉色線(xiàn)表示氫源，黑色線(xiàn)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(guò)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(xiàn)。在流量-濃度復(fù)合曲線(xiàn)圖上，每一股氫源和氫阱分別可以用一條水平的線(xiàn)段表示，線(xiàn)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(xiàn)段首尾相接為一折線(xiàn)，即氫源的流量-濃度復(fù)合曲線(xiàn)。氫源復(fù)合線(xiàn)以下的面積代表氫源可提供的氫量；氫阱復(fù)合線(xiàn)以下的面積代表氫阱需要的氫量；氫源復(fù)合線(xiàn)位于氫阱復(fù)合線(xiàn)上方，表示該區(qū)域氫量過(guò)剩，可以補(bǔ)償給虧缺區(qū)域。氫源復(fù)合線(xiàn)位于氫阱復(fù)合線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)向右方延長(zhǎng)，其長(zhǎng)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(lái)取值。假設(shè)最高濃度氫源的流率，即公用工程用氫量，通過(guò)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）?？梢?jiàn)，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(duì)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(wèn)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(guò)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(duì)低品質(zhì)氫源進(jìn)行提純使裝置長(zhǎng)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(huì)在提純過(guò)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(xiàn)

圖2 氫氣剩余曲線(xiàn)

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?？紤]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(dòng)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(duì)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(chǎng)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(dòng)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(wàn)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(wàn)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(wàn)元/t計(jì)算，經(jīng)濟(jì)效益1150萬(wàn)元/a。綜上，通過(guò)氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，預(yù)計(jì)可產(chǎn)生1571萬(wàn)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(duì)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(dòng)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(píng)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(shì)的點(diǎn)擊查詢(xún)及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的顏色、聲音報(bào)警等功能。通過(guò)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(wèn)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(chē)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(duì)產(chǎn)氫成本的影響。通過(guò)報(bào)表形式全面反應(yīng)出原料、輔材、燃料、動(dòng)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(shì)（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(duì)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(guò)大、損失大量動(dòng)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(duì)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(chǎng)氫氣管網(wǎng)模擬系統(tǒng)界面如圖6所示，底層是根據(jù)車(chē)間分布情況繪制的平面圖，管網(wǎng)分布和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致，鼠標(biāo)移動(dòng)至任意管段將自動(dòng)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(huì)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(guò)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(xiàn)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(duì)氫氣系統(tǒng)的應(yīng)急管理、專(zhuān)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(guò)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(jiàn)，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(guò)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(mǎn)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(lái)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(kāi)發(fā)建設(shè)了氫氣平衡與優(yōu)化系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對(duì)公司產(chǎn)用氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估，給出了氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化意見(jiàn)和建議，實(shí)施后可產(chǎn)生1571萬(wàn)元/a的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)上線(xiàn)運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣生產(chǎn)、輸送及消耗過(guò)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(guò)系統(tǒng)給出的實(shí)時(shí)調(diào)度方案來(lái)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(cè)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(chǎng)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(zhuān)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(hào)，255400。