炼油厂氢气系统全局优化技术及应用

王宽心，吴玉成，韩晓春，娄海川，许 彤，侯卫锋

(浙江中控软件技术有限公司，浙江 杭州 310053)

0 引言

随着原油重质化、劣质化程度的加深，石化产品向着深度精制、无害化的方向不断发展，氢气作为炼油厂仅次于原油的第二大原料投入，其消耗量大幅度增长[1-2]。如何降低炼油过程中的用氢成本一直是国内外关注的焦点[3-4]。近年来，发达国家已形成了以Towler的氢夹点分析[5]、Hallale的MINLP氢网络优化模型[6]、Energia公司开发的氢网络管理软件[7]等为代表的氢气系统优化方法，实现了炼油厂氢气资源优化配置，有效提升了氢气系统操作及管理水平。然而，国内炼化企业氢气资源高质低用、氢网络设计不合理、操作管理相对粗放等问题仍然较为突出[8-10]。相关优化技术及方法[11-15]虽然在炼化企业有所应用，但大多局限在氢气生产、输送或消耗的某个方面，缺乏有机结合与集成，难以最大程度发挥各类技术优势，无法全面提升氢气系统的操作及管理水平。如果能将临氢装置操作优化、氢网络优化改造、运行过程调度优化相结合进行氢气系统全局优化，将有效降低氢气成本、提升企业效益。

1 临氢装置操作优化

1.1 评价指标构建

耗氢装置按氢耗过程，可分为化学氢耗、物理氢耗两种类型。化学氢耗是参与化学反应而消耗的氢气，可将其进一步分为脱硫、脱氮、脱氧、脱氯等还原氢耗、烯烃饱和与芳烃饱和氢耗、裂化氢耗等类型。物理氢耗主要为未参与化学反应的氢耗、有高压环境下溶解于生成油中的氢耗、维持循环氢纯度而放空的氢耗、压缩机及管道泄漏而产生的氢耗等。由于正常情况下泄漏损失可以忽略，临氢装置氢耗过程可表示为：

FS,T=∑Fj,i=∑FR,i+∑FD,i+∑FV,i

(1)

式中：FS,T为加氢过程总氢耗；FR,i为化学氢耗；FD,i为油溶氢耗；FV,i为放空氢耗。

针对临氢装置氢耗过程的特点，可建立如下评价指标，对氢耗过程进行分析与评价。氢单耗：装置单位加工负荷下消耗的纯氢量。氢油比：参与反应的纯氢量(包含新氢与循环氢两部分)与原料油进料量之比。氢损耗：未参与反应的纯氢量与原料油进料量之比，包含排放的高分气、低分气、汽提塔塔顶气、分馏塔塔顶气中的纯氢量。氢单耗主要反映了加氢过程整体的氢耗情况，氢油比进一步反映了加氢过程的氢分压环境，氢损耗综合反映了加氢过程中的氢损失。针对不同加氢装置类型，还可以进一步建立单位脱硫氢耗、单位脱氮氢耗、单位辛烷值损失氢耗、单位十六烷值增加氢耗等化学氢耗评价指标类型。在加氢过程中，用氢量过高，将增大氢分压和油溶性氢耗量，造成氢气资源浪费，以及烯烃饱和、辛烷值损失过大等问题。因此，在满足产品质量要求的前提下，科学控制氢单耗、氢油比、循环氢纯度等关键指标，对降低反应过程中不必要的化学氢耗、减少油溶性氢耗损失至关重要。

1.2 临氢装置操作优化

临氢装置可分为产氢装置和耗氢装置两种类型。氢耗装置操作优化主要通过对耗氢过程关键指标的关联分析，获取装置氢单耗、氢油比、氢损耗等指标与原料性质、产品质量要求、操作参数及脱硫率、脱氮率等指标间的内在联系，从而在满足产品质量要求的前提下优化新氢量、新氢纯度、循环氢纯度等操作参数，降低不必要的化学氢耗及溶解氢耗，达到节约氢气资源的目的。对于连续重整等副产氢装置，可以通过数据分析获取再接触罐的操作温度、压力等与新氢产量、新氢纯度等变量之间的关联关系，获得最佳操作条件，指导产氢装置进行操作优化。取某石化厂200万t/年直柴加氢装置一个月的操作数据、化验分析数据进行计算，获得加氢装置氢单耗及氢损耗的变化趋势如图1所示。

图1 氢单耗及氢损耗变化趋势图

由图1可见，该装置氢单耗与氢损耗的变化趋势基本保持一致，随着装置氢单耗的增加，氢损耗迅速增加。其主要原因在于，随着氢分压的增加，溶解在生成油中的氢气量增加，造成低分气、汽提塔塔顶气、分馏塔塔顶气排放量及氢含量的增加。大量低分气、汽提塔塔顶气进入脱硫及变压吸附(pressure swing adsorption,PSA)装置分离提纯氢气，增加了产氢成本；分馏塔塔顶气直接排入低压瓦斯管网，造成了氢气资源的浪费。此外，当氢单耗维持在0.9%以下时，氢损耗量基本维持在0.1%；氢单耗增加后，氢损耗量迅速增加到0.125%以上。因此，在生产过程中应尽量将氢单耗控制在0.9%以下，以降低不必要的氢损耗。通过操作优化，将柴油加氢装置的氢单耗由平均值0.98%降低到了0.95%左右，装置氢单耗降低了0.03%，平均节约氢气资源消耗约为750 Nm3/h。

2 氢气供用网络优化

2.1 氢气系统夹点分析

基于临氢装置操作优化分析，可获得各临氢装置最佳操作工况。在此基础上，可进一步开展氢夹点分析与氢网络优化。根据某石化厂临氢装置优化数据，绘制出氢气流量-纯度曲线、氢气剩余流量曲线，分别如图2和图3所示。由图2可见，目前该厂氢气消耗总量在180 000 Nm3/h左右，氢源主要为99.9%的高纯氢、95%的重整氢、80%左右的排放氢等不同类型。目前运行状况下，该氢气系统夹点的氢气纯度为84%。一般而言，夹点之上的氢源与夹点之上的氢阱进行匹配，夹点之下的氢源与夹点之下的氢阱进行匹配。对氢气进行提纯时，只有穿越氢夹点，才能使氢气资源的整体利用率最大化。结合生产实际发现，该企业氢气系统存在的主要问题是氢气资源高质低用。两套S-zorb装置、四套硫磺装置对新氢纯度要求较低而使用高纯度氢气，造成了不必要的氢损耗。采用PSA装置，对纯度相对较高的重整氢等氢源进行提纯，将造成提纯成本的上升，并且在提纯过程中损失了10%左右的氢气资源。

图2 氢气流量-纯度曲线

图3 氢气剩余流量曲线

2.2 氢网络优化分析与改造

基于氢夹点分析结果并结合氢气管网的实际分布情况，对该石化厂氢网络进行优化匹配，确保在不增加较大投资的情况下，通过局部优化提升氢气资源的利用率。结果表明，氢网络优化后可将原进入PSA装置进行提纯的加氢裂化、柴油加氢、蜡油加氢干气，直接供S-zorb装置、一加氢装置、二加氢装置使用，将重整装置副产的氢气直接供给三加氢装置使用，而没必要全部引入PSA装置进行提纯。

结合现场生产实际制定氢网络优化改造方案：新增氢气管线，将蜡油加氢装置副产的低分气直接供给S-zorb装置使用，并关停用于提纯蜡油加氢装置副产低分气的PSA装置。增设重整装置供三加氢装置的氢气管线，将重整装置副产的氢气直接引入三加氢装置利用，降低PSA装置的负荷，以减少氢气资源损耗和提纯成本。在企业停工检修期间，基于上述方案对全厂氢气管网进行了改造。改造后，关停提纯蜡油加氢低分气的PSA装置。按装置平均负荷2 500 Nm3/h、PSA装置提纯效率90%计算，装置关停后，PSA装置的氢气损失降低了250 Nm3/h。优化改造后，增加了重整装置至三加氢装置的供氢管线，PSA装置的负荷降低了6 000 Nm3/h。按PSA装置提纯效率90%计算，降低氢气提纯过程损失量约为600 Nm3/h。综上可知，通过氢网络优化，降低氢气资源损失约850 Nm3/h。另外，通过关停或降低提纯装置负荷，有效降低了提纯过程中的电耗、水耗及人力成本。

3 氢气系统调度优化

3.1 氢气系统调度优化模型

炼化企业氢气产耗量受装置负荷、油品品质等方面的影响较大，生产过程中氢气系统始终处于波动状态。氢气资源的利用率和氢气生产、输送、消耗、回收等过程均密切相关，按传统方式进行平衡与调度，难以应对加工方案多变、氢气组成多变、用氢装置对品质要求不一等因素的影响，难以确保氢气系统长期运行在最优状态，将不可避免地造成氢气资源的浪费。因此，需要在临氢装置操作优化、氢网络优化改造的基础上，构建氢气系统调度优化模型，实现运行过程的调度优化，以全面提升氢气系统的运行效率。

以氢气系统运行总成本最低为目标，以临氢装置操作参数及氢管网运行状态为约束，构建氢气系统调度优化模型。将氢气系统的运行成本定义为产氢成本、提纯成本、压缩成本、氢气放散的损失之和，可建立如下目标函数：

(2)

该模型需满足装置的物料平衡约束：产氢总量等于耗氢总量与排放总量之和、产氢纯氢量等于耗纯氢量与排放纯氢量之和，如式(3)所示。同时，该模型需满足装置约束：各产氢装置、提纯装置、耗氢装置的负荷不能超过正常范围，如式(4)所示。另外，该模型还需满足氢纯度、氢用量约束：提纯装置的进料氢纯度不能低于最低纯度要求、耗氢装置用氢量不小于临氢装置操作优化给出的最低氢用量、氢纯度不小于优化获得的最低氢纯度，如式(5)所示。

(3)

(4)

(5)

采用多元非线性规划、遗传算法等方法对调度优化模型进行求解，可获得产氢装置最佳产氢量、提纯装置最佳负荷和氢气资源的最佳分配方式等优化结果，进而优化氢气分配和新氢机操作策略、优化耗氢装置用氢策略，实现氢气系统的动态优化与高效运行。

3.2 调度优化平台的设计与实现

以石化企业现有信息化系统为基础，以氢气系统调度优化模型为支撑，开发调度优化平台，指导氢气系统进行优化操作，能为调度优化过程提供定量决策依据。该调度优化平台以大型实时数据为支撑，同时集成炼化企业分布式控制系统(distributed control system,DCS)、实验室信息管理系统(library information management system,LIMS)化验分析、制造执行系统(manufacturing execution system,MES)及企业资源计划(enterprise resource planning,ERP)管理等相关数据，通过Web方式实现人机交互，支撑调度优化模型在线计算，给出定量调度优化数据，指导氢气系统的优化操作及优化调度，并进行优化效益评估与核算。氢气系统调度优化平台，可同时集成临氢装置实时监控、氢气产耗平衡在线统计、氢管网模拟、氢气产耗定量预测等功能及专家知识库等，实现对氢气系统的全面精细化管控与优化高效运行，提升氢气系统管理过程的信息化、智能化程度。在某石化厂的应用表明，氢气系统调度优化平台能显著提升氢气系统的调度及管理水平，使氢气系统始终保持在良好的运行状态，实现了氢气资源的优化配置。将其与临氢装置操作优化、氢气网络优化等技术相结合，可将该石化厂的氢气资源总体利用率提升到95%以上。

4 结束语

氢气系统的运行状况直接决定着炼油企业的经济效益。针对炼化企业的生产实际情况及特点，本文将临氢装置操作优化、氢网络优化、氢气系统调度优化等技术相结合，构建氢气系统全局优化方法，进行氢气系统全面优化，可有效减少耗氢装置氢气资源的过度损耗、降低氢气提纯成本、提升氢气资源利用率，达到降本增效的目标。本文开发的氢气系统调度优化平台，能显著提升企业氢气系统管理的信息化、智能化水平，实现氢气系统精细化管理、优化高效运行，并获得显著的经济效益。