炼油厂燃料气系统的优化方法与应用

王宽心，吴玉成，涂阳勤，郭廉洁，娄海川，侯卫锋

(浙江中控软件技术有限公司，浙江 杭州 310053)

0 引言

燃料气系统是石化企业较为庞大和复杂的公用工程，几乎涉及炼厂所有的生产装置，其运行状况的好坏直接决定了炼厂安全、环保及经济效益。多年来，由于缺乏有效的分析方法及优化工具，管理人员对炼厂燃料气系统运行状态、优化方向等认识不清，难以应对燃料气管网频繁波动的问题，无法及时响应燃料组成及操作工况的变化，不但影响加热炉的热效率及运行稳定、造成不必要的燃料损耗，而且还会引发安全事故[1-3]。提升燃料气系统的运行平稳性、实现炼厂副产燃料气中有效成分的最大化回收利用，是石化企业实现节能降耗、降低环境污染的关键，也是国内外关注的热点问题[4-8]。目前，相关技术仅考虑了燃料气系统产耗“量”的平衡，未考虑不同种类燃料资源 “质”的差异，更没有考虑高附加值组分的回收过程。该过程对稳定瓦斯管网的运行可以起到一定作用，但无法实现燃料气系统运行效益的最大化。

本文在充分分析炼厂燃料气系统运行特征的基础上，构建基于热值平衡的燃料气系统分析及优化方法。引入夹点分析技术指导炼厂燃料气管网优化改造，充分考虑高附加值组分回收过程，构建调度优化模型，进而优化操作、优化调度。相关技术可为炼油厂燃料气系统的运行状态分析和优化提供借鉴。

1 燃料系统运行过程分析与优化策略

1.1 燃料系统运行过程分析

燃料气是炼化企业主要的能源介质，占常减压、焦化、重整等装置能源消耗的80%以上，主要来源于各装置副产干气及补充的液化气、天然气等。燃料气管网一般分为高压瓦斯系统和低压瓦斯系统两个部分。低压瓦斯系统与各装置火炬气排放管道相连，负责将收集的、各装置排放的低压瓦斯，经过气柜、压缩机等设备打入高压瓦斯管网。高压瓦斯系统由瓦斯副产装置、有效成分回收装置、瓦斯管网和各瓦斯消耗装置等构成。炼油厂燃料气系统流程简图如图1所示。

图1 系统流程简图

炼厂副产燃料气包括焦化干气、催化干气、加氢干气、气柜回收气、脱附气等。由于不同类型瓦斯间的组成差别很大且不断波动，造成各类瓦斯的热值差别较大。各类燃料气供至加热炉燃烧时，在各类燃料组分、混合比例双重因素的影响下，产生的较大波动将直接影响加热炉的平稳运行，造成燃料资源的浪费[9]。例如，当燃料气热值过大时易造成燃烧不充分，使排放烟气中的CO、残碳含量超标，浪费燃料且污染环境。当瓦斯热值过低时，易造成排烟温度过高、燃烧炉热效率下降，甚至无法满足工艺物料的热量需求。当燃料气热值频繁剧烈波动时，甚至会引发加热炉熄火等事故，影响炼油装置的正常运行。另外，燃料气中含有大量的氢气、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯等多种高附加值组分。因此，根据各加热炉的运行状态及使用需求、合理分配燃料资源、并对高附加值组分进行回收利用，是提升燃料气利用率、管网运行平稳率和燃料气系统运行经济性的关键。

近年来，国内大中型炼厂通过控制瓦斯排放、增设气柜存储设备等方式，基本杜绝了瓦斯通过火炬随意燃放，但对瓦斯中有用成分的回收利用力度仍然不够，燃料气系统加热炉热效率低、高附加值组分直接燃料的现象仍然普遍存在[10-11]。因此，做好瓦斯系统的优化工作是保障各装置安全生产、节约燃料成本的关键。在此基础上，对燃料实现优化分配、对瓦斯中的有效成分进行充分回收利用，将极大地挖掘炼油企业的生产潜力，达到节能降耗、降本增效的目标。

1.2 燃料系统优化策略

根据国内炼油厂燃料气系统的运行特点，制定了燃料气系统的优化策略。系统优化策略框图如图2所示。

图2 系统优化策略框图

通过燃料气系统优化改造与操作优化方式，可实现燃料资源的按质优化分配、保障燃料气系统的平稳运行、提高燃料的综合利用率、实现瓦斯中有效成分的最大化回收利用。首先，以加热炉热效率为评价指标，通过数据关联分析获取各加热炉的最佳燃料热值需求。在此基础上，引入夹点分析方法，开展燃料气系统夹点分析，获取燃料气最佳供用匹配网络，并进行燃料气管网优化改造，增强燃料气系统操作调节的灵活性。以燃料气系统运行效益为目标，以各加热炉燃料热值需求、燃料用量为约束，构建燃料气系统的调度优化模型，并设计燃料气系统调度优化平台，在线给出瓦斯中有效组分的回收方案、燃料补充方案及燃料优化分配方案等，实现燃料气系统的运行过程优化。燃料气管网优化改造、燃料气系统运行优化技术实现了炼厂燃料气系统的全面优化，有效提升了企业燃料气系统运行的经济性。

2 燃料气系统的热值夹点分析

2.1 加热炉最佳燃料热值需求的获取

合理确定各加热炉的最佳热值需求，是进行燃料气系统夹点分析、网络优化及调度优化的关键。加热炉的热值需求与加热炉设备结构、装置负荷、被加热炉原料性质、加热炉空气过剩系数等因素有关。以节约燃料、提高加热炉效率为目标，可以通过燃料热值与加热炉效率间的关联分析，找出在燃料气热值波动的范围内，加热炉效率最大时对应的燃料气热值。其即为该加热炉的最佳热值需求。对于同一台加热炉而言，除燃料气热值外，进料负荷、空气过剩系数、环境温度等是影响加热炉效率的关键因素。由于空气过剩系数往往根据排烟温度自动调节，可以假设其对加热炉效率的影响为定值。选择装置负荷、环境温度相对平稳的运行区间，通过获取运行过程的历史数据，计算加热炉效率：

(1)

式中：Fu,i、Fc,i分别为同一时刻加热炉燃料消耗量及加热炉工艺介质流量；qu,i、qw,i、qt,i分别为单位质量燃料的低位热值、外界加热单位燃料或空气热量及单位燃料的物理热量；H(T,P)为工艺物料进加热炉前后的焓值，由相应的压力P与温度T计算获得。

2.2 燃料气系统热值夹点分析

夹点分析是一种在热量集成、氢气系统优化、水系统优化等领域有着广泛应用的技术[12]。本文引入夹点分析方法，用于燃料气系统的分析与优化。首先，选择燃料气系统的典型运行工况，根据瓦斯副产装置的瓦斯气产量及热值、各加热炉的燃料气需求量及最佳热值进行夹点分析，获得燃料气系统的热值夹点。夹点分析方法如下。

①对燃料气系统中各燃料源及消耗装置进行产耗平衡，并确定各类燃料对应的热值或热值需求情况。

②将各燃料供耗装置的相关数据按热值进行降序排列。

③以燃料气的热值为纵坐标，燃料流量为横坐标，分别给出供耗装置的燃料流量-热值复合曲线。在流量-热值复合曲线图上，每一股燃料源或需求用一条水平的线段表示，线段两端点横坐标之差表示该股燃料供/耗的流量，纵坐标表示其对应的热值。将所有表示燃料供应流股直线段首尾相接为一折线，即燃料源的流量-热值复合曲线，如图3所示。同理，可得到燃料消耗装置的流量-热值复合曲线。

图3 流量-热值复合曲线

④计算热值夹点，将流量-热值复合曲线图转化为剩余燃料曲线。两曲线纵坐标相同，而剩余燃料曲线的横坐标为剩余燃料流量。如果燃料源与燃料消耗曲线包围的某部分面积为正值，则剩余燃料流量横线向右方延长，其长度等于燃料供耗燃料气包围的部分的面积；反之向左。剩余的燃料曲线均按供耗两者中低品质的热值来取值。假设最热值最高的燃料供量，通过迭代计算作出燃料剩余量图，直到出现燃料剩余量为0时，即得到系统的热值夹点。以此为基础，可对燃料气系统进行运行状态分析，获取燃料系统的优化匹配网络。

剩余燃料曲线如图4所示。

图4 剩余燃料曲线

3 基于热值平衡的调度优化模型

燃料气系统优化的目标是在保证各加热炉热值稳定及满足用量需求的情况下，在燃料气中高附加值组分回收与外界燃料补充之间进行平衡，使系统运行的效益最大化。目标函数为：

(2)

式中：FR,i,j、CR,i,j分别为第i个瓦斯回收装置的第j种组分的回收量及其对应的市场单价；SR,i为第i个瓦斯回收装置的运行成本；FN,i、CN,i分别为瓦斯系统第i个燃料补充点的燃料补充量及燃料市场价格；FP,i、CP,i分别为第i个瓦斯排放火炬点的瓦斯排放量及其价格。

①物料平衡约束。

对于整个燃料气系统：

(3)

对于有效成分回收装置：

(4)

②能量平衡约束。

对于整个燃料气系统：

(5)

对于有效成分回收装置：

(6)

③装置约束。

对于有效成分回收装置，其进料量及进料压力必须维持在装置正常运行的范围内、且有效成分的回收量不大于进料中组分的最大含量。

FR_I,imin≤FR_I,j≤FR_I,imax

(7)

PR_I,imin≤PR_I,j≤PR_I,imax

(8)

FR,i,j≤FR_Icj

(9)

对于耗瓦斯装置(加热炉)，瓦斯进料量、压力不超过正常范围，各加热炉进料热值需要维持在合理范围。同时，加热炉燃料燃烧后转化的能量不小于工艺介质所需要的能量。

FU,i,min≤FU,i≤FU,i,max

(10)

PU,i,min≤PU,i≤PU,i,max

(11)

qu,i best-Δq≤qu,i≤qu,i best-Δq

(12)

FU,iqU,iηi≥FC,i[H(P2,T2)-H(P1,T1)]

(13)

式中：FC,i为燃烧炉i所加热的工艺物料；ηi为加热炉i的热效率；H为工艺物料进加热炉前后的焓值，由响应的压力P与温度T计算获得。装置进料量上下限主要根据进料管线规格、燃烧炉结构等设计参数确定。

对于瓦斯副产装置，其排入管网的瓦斯量Fp,i、瓦斯压力Pp,io为现场仪表获取的实时值，瓦斯热值qp,i为通过在线仪表或采样分析获取的当前副产瓦斯的热值。燃料补充点的补充量、燃料压力不超过其正常运行范围。

FN,i min≤FN,i≤FN,i max

(14)

PN,i min≤PN,i≤PN,i max

(15)

对于气柜这类瓦斯存储装置，首先计算气柜存储气量的理论供应时间：

(16)

式中：h为气柜瓦斯的可供应时间；To、Po分别为标准状况下的温度和压力；T1、P1为气柜压缩机出口温度、压力；S为气柜横截面积；F为气柜气供高压瓦斯管网量，当其小于产耗平衡差值时，取产耗平衡差值，当大于产耗平衡差值时，取气柜压缩机最大输送量；H、Hmin分别为瓦斯气柜高度和瓦斯气柜最低允许高度。设定压缩机最短允许启停时间为hmin时，瓦斯气柜供应量取F参与优化计算。当理论供应时间h>hmin时，取瓦斯气柜当前供气量实时值参与优化计算。

4 典型案例研究及应用

4.1 加热炉热值夹点分析

以某石化企业的80万t/年连续重整装置加热炉为研究对象，通过采集加热炉燃料的化验分析数据计算获得燃料热值，通过被加热介质的物性、进加热炉前后温度及压力的变化、原料获取的热量，计算获得加热炉的热效率。效率与燃料值变化趋势如图5所示。

图5 效率与燃料热值变化趋势图

由图5可知，在燃料气热值变化的范围内，加热炉效率并没有随着燃料气热值的升高而升高，反而呈现逐渐下降的趋势。因此，该装置燃料气的热值应控制在50 000 kJ/kg左右。同样，对其他加热炉进行类似的分析，确定了各加热炉的最佳燃料热值需求。各加热炉的热值及燃料消耗量确定后，进一步开展夹点分析。分析结果表明：该厂燃料气管网设计不合理，无法实现燃料气资源的优化分配利用，导致常减压、重整等装置的加热炉效率长期偏低。为维持装置平稳运行，部分催化干气、焦化干气直接补入燃料气管网，大量高附加值组分无法充分回收利用。

基于夹点分析，制定了燃料气系统的优化方案：通过管网优化改造将原脱硫后直接补管网的气柜瓦斯引入轻烃回收装置，并增设天然气补充点。提升干气制乙烯装置压缩机的负荷，实现催化、焦化干气中有效组分的回收利用。改造后，催化、焦化干气的回收量平均提升了2 500 N·m3/h。按其中乙烷、乙烯组分含量25%、回收率80%进行计算，增加富乙烯气产量500 N·m3/h，剩余组分仍然可以补入瓦斯管网；同时，需要增加天然气补入量500 N·m3/h。按催化、焦化干气回收并裂解制成乙烯的成本价约3 000元/t，乙烯销售价格约5 500 元/t，天然气的价格约2 800 元/t。按乙烯密度1.264 kg/(N·m3)、天然气密度0.717 kg/N·m3、装置年运行8 400 h进行计算，优化改造后经济效益为487.5万元/年。

4.2 调度优化技术的应用

基于调度优化模型开发燃料气系统调度优化平台，集成现场DCS数据、化验分析数据等进行计算，在线给出燃料气系统优化分配、高附加值组分的回收、天然气补充等定量优化措施，指导调度人员进行优化操作，实现燃料气管网的优化高效运行。某石化企业燃料气有催化干气、焦化干气、加氢干气等多种类型，有轻烃回收、干气制乙烯两套装置，分别回收催化、焦化干气中的高附加值组分。消耗单元主要为常减压、加氢裂化、蜡油加氢等装置。

通过模型在线计算，给出了如下优化方向：应降低三催化干气直接补管网量，将更多的催化干气引入干气制乙烯装置，回收乙烷、乙烯等组分高附加值组分，提升燃料气系统运行的经济性。同时，需要进一步增加二常位置天然气补入点的补充量，降低四常、二制氢处天然气补入点的补充量，以确保燃料气系统热值的平稳性、提升各燃料消耗装置的加热炉热效率。基于此，对燃料气系统进行优化，有效降低了燃料气管网的波动、增加了乙烯等高附加值组分的产量，提升了常减压等装置的加热炉效率，降低了天然气的消耗。通过对比优化操作前后的历史数据，可以发现，优化后瓦斯管网补天然气量平均降低约400 N·m3/h，按天然气2.2元/N·m3、装置年运行8 400 h进行计算，通过调度优化产生的经济效益为739.2万元/年。

5 结束语

本文在对炼化企业燃料气系统进行深入分析的基础上，提出了基于热值平衡的燃料气系统优化思路。构建了热值夹点分析方法，指导燃料气系统管网进行优化改造。在充分考虑瓦斯燃料高附加值组分回收过程的基础上，构建了以燃料气系统运行效益最大化为目标的调度优化模型，并开发调度优化平台，实现燃料气系统的优化高效运行。针对某石化企业案例，通过燃料热值-加热炉效率关联分析，确定了加热炉的最佳热值需求，支撑燃料气系统进行网络优化及调度优化。基于调度优化模型及燃料气系统调度优化平台，找到了燃料气系统运行过程中存在的问题，给出了优化调整方向。相关技术在某石化企业应用表明，基于热值平衡的燃料气系统优化方法，可有效降低燃料系统的波动、提升燃料气资源的利用效率、增加燃料气系统运行的经济性，最终获得显著的节能减排效果。