炼油厂单装置氢气优化研究

马永林，孙 鹏，房

(1.中国石油化工集团公司信息化管理部，北京 100728；2.中国石化北京燕山分公司； 3.中国石化石油化工科学研究院)

炼油厂单装置氢气优化研究

(1.中国石油化工集团公司信息化管理部，北京 100728；2.中国石化北京燕山分公司； 3.中国石化石油化工科学研究院)

采用夹点分析与炼油厂计划优化模型相结合，利用夹点分析所得出的节氢量变化曲线、氢源变化曲线与计划优化模型绘制的利润曲线，分析加氢装置氢气的最优纯度。通过以5个月为周期实例计算，分析节氢量、氢源曲线与利润曲线的关系，可确定加氢装置最优氢气质量分数为0.28，日节氢量为46.3 t，利润为15 988万元。此方法在保证装置平稳运行的情况下，可优化单装置氢气质量分数，节氢量与炼油厂利润达到最优。

夹点分析 计划优化模型 氢气 纯度

成品油的需求量与质量不断提高，炼油厂油品质量升级刻不容缓，所以增加加氢工艺装置成为炼油厂升级的必由之路，随之氢气资源的缺乏也逐渐变成炼油厂的重要问题。氢气是石油化工行业不可或缺的生产原料，氢气通入加氢装置中，在催化剂的作用下降低油品中氧、硫、氮等杂质含量，将重质燃料油转化为清洁燃料油。由于近年来严格环境法规，汽油指标升级(汽油硫质量分数由50 μgg下降至10 μgg)，原油的劣质化、高硫重质原油的增加，导致加氢装置的耗氢量稳步攀升，炼油厂需不断购进氢气以保证装置的平稳运行。氢气成为制约炼油厂发展的重要因素。炼油厂氢气的不合理利用导致氢气资源浪费，氢气网络集成优化[1]可挖掘最大节氢潜力。氢气网络集成优化可分为两种方法：夹点分析法和数学规划法。夹点分析法主要利用炼油厂耗氢与供氢数据绘制剩余氢气曲线，采取图像法优化氢气网络；数学规划法主要采用线性与非线性方程建立数学模型[2]，通过模型求解最优化方案，此方法要考虑操作参数、操作费用、公共工程费用等因素。

夹点分析早期广泛应用在换热网络[3]与水网络[4]中，Alves 等[5]利用夹点原理对氢气网络进行分析，在直角坐标系上绘制氢源-氢阱复合曲线，计算得到氢剩余量，并转化为氢剩余曲线，调整新氢量迭代计算继而得到最小公用工程耗氢量和夹点，此方法利用直观的图形，较少的数据，可迅速找出优化的关键部位，是夹点分析中常用的经典方法。Halwagi等[6]提出了另外一种确定最小氢耗量的作图方法，绘制氢气流量-杂质负荷曲线，通过移动氢源曲线与氢阱曲线只相交于一点，此点为夹点，同时可以确定最小新氢消耗量和最大回收量，该图示法减少了经典方法中繁琐复杂的迭代计算，但是氢股数据相似会导致曲线重合，须精确绘制确保夹点位置准确。

随着国Ⅴ排放标准的实行，汽油质量也随之升级，从满足国Ⅳ排放标准升至满足国Ⅴ排放标准，应新建新加氢精制装置，用来保证油品的质量。新加氢装置的耗氢取最低限制，可达到最大节氢量，但考虑装置平稳生产、催化剂失活等因素，会导致炼油厂经济效益下降；当新加氢装置投产，会形成新的氢气网络，氢气网络应重新进行优化。本课题利用夹点分析技术计算节氢量与新装置氢气纯度的关系，并采用计划优化模型，在考虑炼油厂经济技术因素下，提出一种单装置的氢气优化方法，确定单装置最优氢气纯度[7]。

1 单装置氢气优化

首先确定炼油厂中的涉氢单元，包括加氢装置、制氢装置、氢气提纯装置，进一步确定氢气网络，通入氢气网络的氢股是氢源，从氢气网络输出的氢股是氢阱，提取氢气网络中稳定周期内氢源与氢阱的氢气纯度和质量。其次建立横坐标轴为质量、纵坐标轴为纯度的直角坐标系，将氢阱与氢源数据分别按质量分数大小在坐标系中表示出来，并绘制成氢源与氢阱的氢气质量-纯度曲线，如图1所示。氢源与氢阱由多条线段组成，每条线段的长度与纵坐标都分别代表该氢股的氢气质量和纯度。氢源曲线第一段对应最高纯度氢源，第二段对应次高纯度氢源，以此类推直至最低纯度氢源，第一条线段以横坐标0为端点，并将每条线段首尾连接，氢阱曲线也依照此方法绘制。

图1 氢源与氢阱的质量-纯度曲线

在氢源-氢阱曲线中，两条曲线在横坐标上的投影代表氢气质量。氢气网络第一个必要条件是氢源质量大于等于氢阱质量，如果氢源质量大于氢阱质量，即氢源曲线比氢阱曲线长，其剩余氢量则通入了火炬系统或尾气排放；若氢源质量小于氢阱质量，即氢源曲线短于氢阱曲线，氢气供应不足，应通入更多的新氢或减少加氢装置耗氢量。氢源量大于氢阱量并不是氢气网络的充分条件，每股氢阱必须满足其纯度限制。

在复合曲线某段区间内，氢源曲线高于氢阱曲线，氢源提供的氢气量大于氢阱需求量。引入一个新的变量氢剩余量H′，氢剩余量描述氢在不同纯度的可用量。在这段区间内，氢源曲线与氢阱曲线之间相差的面积是剩余氢量H′，当剩余氢量为正值时，由于在此区间内氢源量是过量的，所以剩余氢量可补偿给低质量分数氢阱。如果在某段区间内，氢阱曲线高于氢源曲线，氢源无法提供足够的氢气，在此区间内形成氢气赤字，剩余氢气量为负值，该氢气赤字应由高质量分数氢源提供。该赤字的物理意义是指：氢阱需要从与之相对应的更高含量的氢源提供。如果可获取高含量的剩余氢量，可与低含量氢源混合达到该赤字氢阱氢气质量分数，通入足量氢气补偿该剩余氢量(H′)。

式中：ySR为氢源氢气质量分数；ySK为氢阱氢气质量分数；F为氢气质量。

每一个氢剩余量H′可用一段线段表示，横坐标为剩余氢质量、纵坐标为氢气质量分数，从横坐标0开始绘制氢剩余曲线，当H′大于0时，H′曲线沿横坐标轴向右绘制，当H′小于0时，H′曲线沿横坐标向左绘制。通过调整原始新氢量，当H′等于0，出现夹点，如图2所示。

图2 氢剩余曲线

收集不同纯度下氢气网络数据，并对其进行夹点分析，迭代计算每个氢气质量分数下的节氢量和氢源量，并绘制数据图，如图3、图4所示。从图3可以看出：随着氢阱氢气质量分数的下降，节氢量也随之下降，当氢阱氢气质量分数达到一定值后，出现拐点，节氢量变化曲线斜率也随之发生变化；当氢气质量分数小于0.24时，曲线斜率增大，节氢量下降加快；氢气质量分数大于0.24时，节氢效果变化不明显。从图4可以看出，氢源总量最小的点即为节氢效果最好时的氢气质量分数，该点的值可认为是氢阱的最佳氢气质量分数。

图3 节氢量变化曲线

图4 氢源变化曲线

夹点以上的氢源供给夹点以上的氢阱；夹点以下的氢源供给夹点以下的氢阱。将通过夹点分析的氢气网络分配初始方案导入全厂计划优化模型，以新加氢装置氢气质量分数为变量建立多个方案，在同一价格体系下，对方案进行经济技术评估，建立横坐标为氢阱氢气质量分数，纵坐标为炼油厂利润的坐标系，如图5所示，找出炼油厂利润与氢气质量分数的关系，通过夹点计算与计划模型优化分析可得出氢阱氢气最佳纯度。

图5 利润-质量分数曲线

2 实例计算

国内某炼油厂为油品升级新建加氢精制装置，炼油厂加入新加氢装置(HP6)后各装置的氢气纯度见表1。

表1 氢源-氢阱的氢气纯度

根据加氢装置设计条件，新加氢装置原料氢气的质量分数需大于0.24。利用夹点分析计算新加氢装置(HP6)不同氢气质量分数下的节氢量(表2)，经过计算可得每个质量分数方案的夹点与节氢量，绘制夹点-质量分数曲线、节氢量变化曲线、氢源变化曲线，如图6～图8所示。从图6和图7可以看出：①当单装置氢气质量分数达到0.28后，夹点氢气质量分数发生变化，升高至0.60，日节氢量-单装置氢气质量分数曲线斜率变小，改变单位氢气质量分数的节氢量变化率明显减小，节氢效果变化不明显；②单装置氢气质量分数达到0.35后，夹点氢气质量分数从0.6下降至0.18，节氢量随着氢气质量分数的增加变化不大。表明单装置氢气质量分数大于0.35，夹点氢气质量数下降至新加氢装置以下水平，氢气网络优化与新加氢装置氢气质量分数无关。

表2 HP6装置不同氢气质量分数下的节氢量 t

图6 夹点氢气质量分数-单装置氢气质量分数曲线

图7 日节氢量-单装置氢气质量分数曲线

从图8可以看出，当单装置氢气质量分数为0.28时，炼油厂总氢源量最低，为保证炼油厂节氢效果，可确定0.28为新加氢装置最优氢气质量分数，日节氢量可达46.3 t。

图8 总氢源量-单装置氢气质量分数曲线

建立炼油厂计划优化模型，根据2016年原油、化工产品、原油产品价格统计，以炼油厂5个月为周期建模，根据新加氢装置建立氢气质量分数为0.24～0.36的 13个方案，每个方案联合夹点氢气质量分数分析后的初始氢气方案，然后以炼油厂利润为目标进行深度优化计算，可得利润-氢气质量分数曲线，如图9所示。由于氢气质量分数的增长，加氢装置耗纯氢量增加，炼油厂的利润随着氢气质量分数的升高呈直线下降，当新加氢装置最优氢气质量分数为0.28时，炼油厂利润为15 988万元。炼油厂经济技术指标如表3所示。从表3可以看出，随着氢气质量分数的增加，轻油收率、综合商品率递减，其它指标无明显变化。根据炼油厂利润和节氢量的分析，为取得炼油厂最大利润，应降低氢气质量分数。

图9 利润-氢气质量分数曲线

项 目w(氢气)027028029034035036原油加工总量∕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 轻油收率，%038038038038038038综合商品率，%928269282592823928219281592814轻油收率，%369736963696369436933693损失率，%052052052052052052自用率，%370137023703371037113713

3 结 论

提出了夹点分析与计划优化模型相结合的方法，通过夹点技术分析氢气网络节氢量的变化趋势，然后结合炼油厂计划优化模型，分析各氢气质量分数方案的经济技术指标，在寻求利益最大化的情况下，得到最优氢气质量分数，同时达到最优节氢效果。通过实例，0.28为最优氢气质量分数，日节氢量为46.3 t，5个月的利润可达15 988万元，此方法能够有效地确定新加氢装置的最优纯度，降低炼油厂耗氢量，达到节能和利润的平衡。

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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。

马永林，高级工程师，主要从事信息技术与优化研究工作。

孙鹏，E-mail：sunpeng242000@163.com。