煉油廠單裝置氫氣優化研究

馬永林，孫 鵬，房

(1.中國石油化工集團公司信息化管理部，北京 100728；2.中國石化北京燕山分公司； 3.中國石化石油化工科學研究院)

煉油廠單裝置氫氣優化研究

(1.中國石油化工集團公司信息化管理部，北京 100728；2.中國石化北京燕山分公司； 3.中國石化石油化工科學研究院)

采用夾點分析與煉油廠計劃優化模型相結合，利用夾點分析所得出的節氫量變化曲線、氫源變化曲線與計劃優化模型繪制的利潤曲線，分析加氫裝置氫氣的最優純度。通過以5個月為周期實例計算，分析節氫量、氫源曲線與利潤曲線的關系，可確定加氫裝置最優氫氣質量分數為0.28，日節氫量為46.3 t，利潤為15 988萬元。此方法在保證裝置平穩運行的情況下，可優化單裝置氫氣質量分數，節氫量與煉油廠利潤達到最優。

夾點分析 計劃優化模型 氫氣 純度

成品油的需求量與質量不斷提高，煉油廠油品質量升級刻不容緩，所以增加加氫工藝裝置成為煉油廠升級的必由之路，隨之氫氣資源的缺乏也逐漸變成煉油廠的重要問題。氫氣是石油化工行業不可或缺的生產原料，氫氣通入加氫裝置中，在催化劑的作用下降低油品中氧、硫、氮等雜質含量，將重質燃料油轉化為清潔燃料油。由于近年來嚴格環境法規，汽油指標升級(汽油硫質量分數由50 μgg下降至10 μgg)，原油的劣質化、高硫重質原油的增加，導致加氫裝置的耗氫量穩步攀升，煉油廠需不斷購進氫氣以保證裝置的平穩運行。氫氣成為制約煉油廠發展的重要因素。煉油廠氫氣的不合理利用導致氫氣資源浪費，氫氣網絡集成優化[1]可挖掘最大節氫潛力。氫氣網絡集成優化可分為兩種方法：夾點分析法和數學規劃法。夾點分析法主要利用煉油廠耗氫與供氫數據繪制剩余氫氣曲線，采取圖像法優化氫氣網絡；數學規劃法主要采用線性與非線性方程建立數學模型[2]，通過模型求解最優化方案，此方法要考慮操作參數、操作費用、公共工程費用等因素。

夾點分析早期廣泛應用在換熱網絡[3]與水網絡[4]中，Alves 等[5]利用夾點原理對氫氣網絡進行分析，在直角坐標系上繪制氫源-氫阱復合曲線，計算得到氫剩余量，并轉化為氫剩余曲線，調整新氫量迭代計算繼而得到最小公用工程耗氫量和夾點，此方法利用直觀的圖形，較少的數據，可迅速找出優化的關鍵部位，是夾點分析中常用的經典方法。Halwagi等[6]提出了另外一種確定最小氫耗量的作圖方法，繪制氫氣流量-雜質負荷曲線，通過移動氫源曲線與氫阱曲線只相交于一點，此點為夾點，同時可以確定最小新氫消耗量和最大回收量，該圖示法減少了經典方法中繁瑣復雜的迭代計算，但是氫股數據相似會導致曲線重合，須精確繪制確保夾點位置準確。

隨著國Ⅴ排放標準的實行，汽油質量也隨之升級，從滿足國Ⅳ排放標準升至滿足國Ⅴ排放標準，應新建新加氫精制裝置，用來保證油品的質量。新加氫裝置的耗氫取最低限制，可達到最大節氫量，但考慮裝置平穩生產、催化劑失活等因素，會導致煉油廠經濟效益下降；當新加氫裝置投產，會形成新的氫氣網絡，氫氣網絡應重新進行優化。本課題利用夾點分析技術計算節氫量與新裝置氫氣純度的關系，并采用計劃優化模型，在考慮煉油廠經濟技術因素下，提出一種單裝置的氫氣優化方法，確定單裝置最優氫氣純度[7]。

1 單裝置氫氣優化

首先確定煉油廠中的涉氫單元，包括加氫裝置、制氫裝置、氫氣提純裝置，進一步確定氫氣網絡，通入氫氣網絡的氫股是氫源，從氫氣網絡輸出的氫股是氫阱，提取氫氣網絡中穩定周期內氫源與氫阱的氫氣純度和質量。其次建立橫坐標軸為質量、縱坐標軸為純度的直角坐標系，將氫阱與氫源數據分別按質量分數大小在坐標系中表示出來，并繪制成氫源與氫阱的氫氣質量-純度曲線，如圖1所示。氫源與氫阱由多條線段組成，每條線段的長度與縱坐標都分別代表該氫股的氫氣質量和純度。氫源曲線第一段對應最高純度氫源，第二段對應次高純度氫源，以此類推直至最低純度氫源，第一條線段以橫坐標0為端點，并將每條線段首尾連接，氫阱曲線也依照此方法繪制。

圖1 氫源與氫阱的質量-純度曲線

在氫源-氫阱曲線中，兩條曲線在橫坐標上的投影代表氫氣質量。氫氣網絡第一個必要條件是氫源質量大于等于氫阱質量，如果氫源質量大于氫阱質量，即氫源曲線比氫阱曲線長，其剩余氫量則通入了火炬系統或尾氣排放；若氫源質量小于氫阱質量，即氫源曲線短于氫阱曲線，氫氣供應不足，應通入更多的新氫或減少加氫裝置耗氫量。氫源量大于氫阱量并不是氫氣網絡的充分條件，每股氫阱必須滿足其純度限制。

在復合曲線某段區間內，氫源曲線高于氫阱曲線，氫源提供的氫氣量大于氫阱需求量。引入一個新的變量氫剩余量H′，氫剩余量描述氫在不同純度的可用量。在這段區間內，氫源曲線與氫阱曲線之間相差的面積是剩余氫量H′，當剩余氫量為正值時，由于在此區間內氫源量是過量的，所以剩余氫量可補償給低質量分數氫阱。如果在某段區間內，氫阱曲線高于氫源曲線，氫源無法提供足夠的氫氣，在此區間內形成氫氣赤字，剩余氫氣量為負值，該氫氣赤字應由高質量分數氫源提供。該赤字的物理意義是指：氫阱需要從與之相對應的更高含量的氫源提供。如果可獲取高含量的剩余氫量，可與低含量氫源混合達到該赤字氫阱氫氣質量分數，通入足量氫氣補償該剩余氫量(H′)。

式中：ySR為氫源氫氣質量分數；ySK為氫阱氫氣質量分數；F為氫氣質量。

每一個氫剩余量H′可用一段線段表示，橫坐標為剩余氫質量、縱坐標為氫氣質量分數，從橫坐標0開始繪制氫剩余曲線，當H′大于0時，H′曲線沿橫坐標軸向右繪制，當H′小于0時，H′曲線沿橫坐標向左繪制。通過調整原始新氫量，當H′等于0，出現夾點，如圖2所示。

圖2 氫剩余曲線

收集不同純度下氫氣網絡數據，并對其進行夾點分析，迭代計算每個氫氣質量分數下的節氫量和氫源量，并繪制數據圖，如圖3、圖4所示。從圖3可以看出：隨著氫阱氫氣質量分數的下降，節氫量也隨之下降，當氫阱氫氣質量分數達到一定值后，出現拐點，節氫量變化曲線斜率也隨之發生變化；當氫氣質量分數小于0.24時，曲線斜率增大，節氫量下降加快；氫氣質量分數大于0.24時，節氫效果變化不明顯。從圖4可以看出，氫源總量最小的點即為節氫效果最好時的氫氣質量分數，該點的值可認為是氫阱的最佳氫氣質量分數。

圖3 節氫量變化曲線

圖4 氫源變化曲線

夾點以上的氫源供給夾點以上的氫阱；夾點以下的氫源供給夾點以下的氫阱。將通過夾點分析的氫氣網絡分配初始方案導入全廠計劃優化模型，以新加氫裝置氫氣質量分數為變量建立多個方案，在同一價格體系下，對方案進行經濟技術評估，建立橫坐標為氫阱氫氣質量分數，縱坐標為煉油廠利潤的坐標系，如圖5所示，找出煉油廠利潤與氫氣質量分數的關系，通過夾點計算與計劃模型優化分析可得出氫阱氫氣最佳純度。

圖5 利潤-質量分數曲線

2 實例計算

國內某煉油廠為油品升級新建加氫精制裝置，煉油廠加入新加氫裝置(HP6)后各裝置的氫氣純度見表1。

表1 氫源-氫阱的氫氣純度

根據加氫裝置設計條件，新加氫裝置原料氫氣的質量分數需大于0.24。利用夾點分析計算新加氫裝置(HP6)不同氫氣質量分數下的節氫量(表2)，經過計算可得每個質量分數方案的夾點與節氫量，繪制夾點-質量分數曲線、節氫量變化曲線、氫源變化曲線，如圖6～圖8所示。從圖6和圖7可以看出：①當單裝置氫氣質量分數達到0.28后，夾點氫氣質量分數發生變化，升高至0.60，日節氫量-單裝置氫氣質量分數曲線斜率變小，改變單位氫氣質量分數的節氫量變化率明顯減小，節氫效果變化不明顯；②單裝置氫氣質量分數達到0.35后，夾點氫氣質量分數從0.6下降至0.18，節氫量隨著氫氣質量分數的增加變化不大。表明單裝置氫氣質量分數大于0.35，夾點氫氣質量數下降至新加氫裝置以下水平，氫氣網絡優化與新加氫裝置氫氣質量分數無關。

表2 HP6裝置不同氫氣質量分數下的節氫量 t

圖6 夾點氫氣質量分數-單裝置氫氣質量分數曲線

圖7 日節氫量-單裝置氫氣質量分數曲線

從圖8可以看出，當單裝置氫氣質量分數為0.28時，煉油廠總氫源量最低，為保證煉油廠節氫效果，可確定0.28為新加氫裝置最優氫氣質量分數，日節氫量可達46.3 t。

圖8 總氫源量-單裝置氫氣質量分數曲線

建立煉油廠計劃優化模型，根據2016年原油、化工產品、原油產品價格統計，以煉油廠5個月為周期建模，根據新加氫裝置建立氫氣質量分數為0.24～0.36的 13個方案，每個方案聯合夾點氫氣質量分數分析后的初始氫氣方案，然后以煉油廠利潤為目標進行深度優化計算，可得利潤-氫氣質量分數曲線，如圖9所示。由于氫氣質量分數的增長，加氫裝置耗純氫量增加，煉油廠的利潤隨著氫氣質量分數的升高呈直線下降，當新加氫裝置最優氫氣質量分數為0.28時，煉油廠利潤為15 988萬元。煉油廠經濟技術指標如表3所示。從表3可以看出，隨著氫氣質量分數的增加，輕油收率、綜合商品率遞減，其它指標無明顯變化。根據煉油廠利潤和節氫量的分析，為取得煉油廠最大利潤，應降低氫氣質量分數。

圖9 利潤-氫氣質量分數曲線

項 目w(氫氣)027028029034035036原油加工總量∕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 輕油收率，%038038038038038038綜合商品率，%928269282592823928219281592814輕油收率，%369736963696369436933693損失率，%052052052052052052自用率，%370137023703371037113713

3 結 論

提出了夾點分析與計劃優化模型相結合的方法，通過夾點技術分析氫氣網絡節氫量的變化趨勢，然后結合煉油廠計劃優化模型，分析各氫氣質量分數方案的經濟技術指標，在尋求利益最大化的情況下，得到最優氫氣質量分數，同時達到最優節氫效果。通過實例，0.28為最優氫氣質量分數，日節氫量為46.3 t，5個月的利潤可達15 988萬元，此方法能夠有效地確定新加氫裝置的最優純度，降低煉油廠耗氫量，達到節能和利潤的平衡。

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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。

馬永林，高級工程師，主要從事信息技術與優化研究工作。

孫鵬，E-mail：sunpeng242000@163.com。