煉油廠燃料氣系統的優化方法與應用

王寬心，吳玉成，涂陽勤，郭廉潔，婁海川，侯衛鋒

(浙江中控軟件技術有限公司，浙江 杭州 310053)

0 引言

燃料氣系統是石化企業較為龐大和復雜的公用工程，幾乎涉及煉廠所有的生產裝置，其運行狀況的好壞直接決定了煉廠安全、環保及經濟效益。多年來，由于缺乏有效的分析方法及優化工具，管理人員對煉廠燃料氣系統運行狀態、優化方向等認識不清，難以應對燃料氣管網頻繁波動的問題，無法及時響應燃料組成及操作工況的變化，不但影響加熱爐的熱效率及運行穩定、造成不必要的燃料損耗，而且還會引發安全事故[1-3]。提升燃料氣系統的運行平穩性、實現煉廠副產燃料氣中有效成分的最大化回收利用，是石化企業實現節能降耗、降低環境污染的關鍵，也是國內外關注的熱點問題[4-8]。目前，相關技術僅考慮了燃料氣系統產耗“量”的平衡，未考慮不同種類燃料資源 “質”的差異，更沒有考慮高附加值組分的回收過程。該過程對穩定瓦斯管網的運行可以起到一定作用，但無法實現燃料氣系統運行效益的最大化。

本文在充分分析煉廠燃料氣系統運行特征的基礎上，構建基于熱值平衡的燃料氣系統分析及優化方法。引入夾點分析技術指導煉廠燃料氣管網優化改造，充分考慮高附加值組分回收過程，構建調度優化模型，進而優化操作、優化調度。相關技術可為煉油廠燃料氣系統的運行狀態分析和優化提供借鑒。

1 燃料系統運行過程分析與優化策略

1.1 燃料系統運行過程分析

燃料氣是煉化企業主要的能源介質，占常減壓、焦化、重整等裝置能源消耗的80%以上，主要來源于各裝置副產干氣及補充的液化氣、天然氣等。燃料氣管網一般分為高壓瓦斯系統和低壓瓦斯系統兩個部分。低壓瓦斯系統與各裝置火炬氣排放管道相連，負責將收集的、各裝置排放的低壓瓦斯，經過氣柜、壓縮機等設備打入高壓瓦斯管網。高壓瓦斯系統由瓦斯副產裝置、有效成分回收裝置、瓦斯管網和各瓦斯消耗裝置等構成。煉油廠燃料氣系統流程簡圖如圖1所示。

圖1 系統流程簡圖

煉廠副產燃料氣包括焦化干氣、催化干氣、加氫干氣、氣柜回收氣、脫附氣等。由于不同類型瓦斯間的組成差別很大且不斷波動，造成各類瓦斯的熱值差別較大。各類燃料氣供至加熱爐燃燒時，在各類燃料組分、混合比例雙重因素的影響下，產生的較大波動將直接影響加熱爐的平穩運行，造成燃料資源的浪費[9]。例如，當燃料氣熱值過大時易造成燃燒不充分，使排放煙氣中的CO、殘碳含量超標，浪費燃料且污染環境。當瓦斯熱值過低時，易造成排煙溫度過高、燃燒爐熱效率下降，甚至無法滿足工藝物料的熱量需求。當燃料氣熱值頻繁劇烈波動時，甚至會引發加熱爐熄火等事故，影響煉油裝置的正常運行。另外，燃料氣中含有大量的氫氣、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯等多種高附加值組分。因此，根據各加熱爐的運行狀態及使用需求、合理分配燃料資源、并對高附加值組分進行回收利用，是提升燃料氣利用率、管網運行平穩率和燃料氣系統運行經濟性的關鍵。

近年來，國內大中型煉廠通過控制瓦斯排放、增設氣柜存儲設備等方式，基本杜絕了瓦斯通過火炬隨意燃放，但對瓦斯中有用成分的回收利用力度仍然不夠，燃料氣系統加熱爐熱效率低、高附加值組分直接燃料的現象仍然普遍存在[10-11]。因此，做好瓦斯系統的優化工作是保障各裝置安全生產、節約燃料成本的關鍵。在此基礎上，對燃料實現優化分配、對瓦斯中的有效成分進行充分回收利用，將極大地挖掘煉油企業的生產潛力，達到節能降耗、降本增效的目標。

1.2 燃料系統優化策略

根據國內煉油廠燃料氣系統的運行特點，制定了燃料氣系統的優化策略。系統優化策略框圖如圖2所示。

圖2 系統優化策略框圖

通過燃料氣系統優化改造與操作優化方式，可實現燃料資源的按質優化分配、保障燃料氣系統的平穩運行、提高燃料的綜合利用率、實現瓦斯中有效成分的最大化回收利用。首先，以加熱爐熱效率為評價指標，通過數據關聯分析獲取各加熱爐的最佳燃料熱值需求。在此基礎上，引入夾點分析方法，開展燃料氣系統夾點分析，獲取燃料氣最佳供用匹配網絡，并進行燃料氣管網優化改造，增強燃料氣系統操作調節的靈活性。以燃料氣系統運行效益為目標，以各加熱爐燃料熱值需求、燃料用量為約束，構建燃料氣系統的調度優化模型，并設計燃料氣系統調度優化平臺，在線給出瓦斯中有效組分的回收方案、燃料補充方案及燃料優化分配方案等，實現燃料氣系統的運行過程優化。燃料氣管網優化改造、燃料氣系統運行優化技術實現了煉廠燃料氣系統的全面優化，有效提升了企業燃料氣系統運行的經濟性。

2 燃料氣系統的熱值夾點分析

2.1 加熱爐最佳燃料熱值需求的獲取

合理確定各加熱爐的最佳熱值需求，是進行燃料氣系統夾點分析、網絡優化及調度優化的關鍵。加熱爐的熱值需求與加熱爐設備結構、裝置負荷、被加熱爐原料性質、加熱爐空氣過剩系數等因素有關。以節約燃料、提高加熱爐效率為目標，可以通過燃料熱值與加熱爐效率間的關聯分析，找出在燃料氣熱值波動的范圍內，加熱爐效率最大時對應的燃料氣熱值。其即為該加熱爐的最佳熱值需求。對于同一臺加熱爐而言，除燃料氣熱值外，進料負荷、空氣過剩系數、環境溫度等是影響加熱爐效率的關鍵因素。由于空氣過剩系數往往根據排煙溫度自動調節，可以假設其對加熱爐效率的影響為定值。選擇裝置負荷、環境溫度相對平穩的運行區間，通過獲取運行過程的歷史數據，計算加熱爐效率：

(1)

式中：Fu,i、Fc,i分別為同一時刻加熱爐燃料消耗量及加熱爐工藝介質流量；qu,i、qw,i、qt,i分別為單位質量燃料的低位熱值、外界加熱單位燃料或空氣熱量及單位燃料的物理熱量；H(T,P)為工藝物料進加熱爐前后的焓值，由相應的壓力P與溫度T計算獲得。

2.2 燃料氣系統熱值夾點分析

夾點分析是一種在熱量集成、氫氣系統優化、水系統優化等領域有著廣泛應用的技術[12]。本文引入夾點分析方法，用于燃料氣系統的分析與優化。首先，選擇燃料氣系統的典型運行工況，根據瓦斯副產裝置的瓦斯氣產量及熱值、各加熱爐的燃料氣需求量及最佳熱值進行夾點分析，獲得燃料氣系統的熱值夾點。夾點分析方法如下。

①對燃料氣系統中各燃料源及消耗裝置進行產耗平衡，并確定各類燃料對應的熱值或熱值需求情況。

②將各燃料供耗裝置的相關數據按熱值進行降序排列。

③以燃料氣的熱值為縱坐標，燃料流量為橫坐標，分別給出供耗裝置的燃料流量-熱值復合曲線。在流量-熱值復合曲線圖上，每一股燃料源或需求用一條水平的線段表示，線段兩端點橫坐標之差表示該股燃料供/耗的流量，縱坐標表示其對應的熱值。將所有表示燃料供應流股直線段首尾相接為一折線，即燃料源的流量-熱值復合曲線，如圖3所示。同理，可得到燃料消耗裝置的流量-熱值復合曲線。

圖3 流量-熱值復合曲線

④計算熱值夾點，將流量-熱值復合曲線圖轉化為剩余燃料曲線。兩曲線縱坐標相同，而剩余燃料曲線的橫坐標為剩余燃料流量。如果燃料源與燃料消耗曲線包圍的某部分面積為正值，則剩余燃料流量橫線向右方延長，其長度等于燃料供耗燃料氣包圍的部分的面積；反之向左。剩余的燃料曲線均按供耗兩者中低品質的熱值來取值。假設最熱值最高的燃料供量，通過迭代計算作出燃料剩余量圖，直到出現燃料剩余量為0時，即得到系統的熱值夾點。以此為基礎，可對燃料氣系統進行運行狀態分析，獲取燃料系統的優化匹配網絡。

剩余燃料曲線如圖4所示。

圖4 剩余燃料曲線

3 基于熱值平衡的調度優化模型

燃料氣系統優化的目標是在保證各加熱爐熱值穩定及滿足用量需求的情況下，在燃料氣中高附加值組分回收與外界燃料補充之間進行平衡，使系統運行的效益最大化。目標函數為：

(2)

式中：FR,i,j、CR,i,j分別為第i個瓦斯回收裝置的第j種組分的回收量及其對應的市場單價；SR,i為第i個瓦斯回收裝置的運行成本；FN,i、CN,i分別為瓦斯系統第i個燃料補充點的燃料補充量及燃料市場價格；FP,i、CP,i分別為第i個瓦斯排放火炬點的瓦斯排放量及其價格。

①物料平衡約束。

對于整個燃料氣系統：

(3)

對于有效成分回收裝置：

(4)

②能量平衡約束。

對于整個燃料氣系統：

(5)

對于有效成分回收裝置：

(6)

③裝置約束。

對于有效成分回收裝置，其進料量及進料壓力必須維持在裝置正常運行的范圍內、且有效成分的回收量不大于進料中組分的最大含量。

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)

對于耗瓦斯裝置(加熱爐)，瓦斯進料量、壓力不超過正常范圍，各加熱爐進料熱值需要維持在合理范圍。同時，加熱爐燃料燃燒后轉化的能量不小于工藝介質所需要的能量。

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為燃燒爐i所加熱的工藝物料；ηi為加熱爐i的熱效率；H為工藝物料進加熱爐前后的焓值，由響應的壓力P與溫度T計算獲得。裝置進料量上下限主要根據進料管線規格、燃燒爐結構等設計參數確定。

對于瓦斯副產裝置，其排入管網的瓦斯量Fp,i、瓦斯壓力Pp,io為現場儀表獲取的實時值，瓦斯熱值qp,i為通過在線儀表或采樣分析獲取的當前副產瓦斯的熱值。燃料補充點的補充量、燃料壓力不超過其正常運行范圍。

FN,i min≤FN,i≤FN,i max

(14)

PN,i min≤PN,i≤PN,i max

(15)

對于氣柜這類瓦斯存儲裝置，首先計算氣柜存儲氣量的理論供應時間：

(16)

式中：h為氣柜瓦斯的可供應時間；To、Po分別為標準狀況下的溫度和壓力；T1、P1為氣柜壓縮機出口溫度、壓力；S為氣柜橫截面積；F為氣柜氣供高壓瓦斯管網量，當其小于產耗平衡差值時，取產耗平衡差值，當大于產耗平衡差值時，取氣柜壓縮機最大輸送量；H、Hmin分別為瓦斯氣柜高度和瓦斯氣柜最低允許高度。設定壓縮機最短允許啟停時間為hmin時，瓦斯氣柜供應量取F參與優化計算。當理論供應時間h>hmin時，取瓦斯氣柜當前供氣量實時值參與優化計算。

4 典型案例研究及應用

4.1 加熱爐熱值夾點分析

以某石化企業的80萬t/年連續重整裝置加熱爐為研究對象，通過采集加熱爐燃料的化驗分析數據計算獲得燃料熱值，通過被加熱介質的物性、進加熱爐前后溫度及壓力的變化、原料獲取的熱量，計算獲得加熱爐的熱效率。效率與燃料值變化趨勢如圖5所示。

圖5 效率與燃料熱值變化趨勢圖

由圖5可知，在燃料氣熱值變化的范圍內，加熱爐效率并沒有隨著燃料氣熱值的升高而升高，反而呈現逐漸下降的趨勢。因此，該裝置燃料氣的熱值應控制在50 000 kJ/kg左右。同樣，對其他加熱爐進行類似的分析，確定了各加熱爐的最佳燃料熱值需求。各加熱爐的熱值及燃料消耗量確定后，進一步開展夾點分析。分析結果表明：該廠燃料氣管網設計不合理，無法實現燃料氣資源的優化分配利用，導致常減壓、重整等裝置的加熱爐效率長期偏低。為維持裝置平穩運行，部分催化干氣、焦化干氣直接補入燃料氣管網，大量高附加值組分無法充分回收利用。

基于夾點分析，制定了燃料氣系統的優化方案：通過管網優化改造將原脫硫后直接補管網的氣柜瓦斯引入輕烴回收裝置，并增設天然氣補充點。提升干氣制乙烯裝置壓縮機的負荷，實現催化、焦化干氣中有效組分的回收利用。改造后，催化、焦化干氣的回收量平均提升了2 500 N·m3/h。按其中乙烷、乙烯組分含量25%、回收率80%進行計算，增加富乙烯氣產量500 N·m3/h，剩余組分仍然可以補入瓦斯管網；同時，需要增加天然氣補入量500 N·m3/h。按催化、焦化干氣回收并裂解制成乙烯的成本價約3 000元/t，乙烯銷售價格約5 500 元/t，天然氣的價格約2 800 元/t。按乙烯密度1.264 kg/(N·m3)、天然氣密度0.717 kg/N·m3、裝置年運行8 400 h進行計算，優化改造后經濟效益為487.5萬元/年。

4.2 調度優化技術的應用

基于調度優化模型開發燃料氣系統調度優化平臺，集成現場DCS數據、化驗分析數據等進行計算，在線給出燃料氣系統優化分配、高附加值組分的回收、天然氣補充等定量優化措施，指導調度人員進行優化操作，實現燃料氣管網的優化高效運行。某石化企業燃料氣有催化干氣、焦化干氣、加氫干氣等多種類型，有輕烴回收、干氣制乙烯兩套裝置，分別回收催化、焦化干氣中的高附加值組分。消耗單元主要為常減壓、加氫裂化、蠟油加氫等裝置。

通過模型在線計算，給出了如下優化方向：應降低三催化干氣直接補管網量，將更多的催化干氣引入干氣制乙烯裝置，回收乙烷、乙烯等組分高附加值組分，提升燃料氣系統運行的經濟性。同時，需要進一步增加二常位置天然氣補入點的補充量，降低四常、二制氫處天然氣補入點的補充量，以確保燃料氣系統熱值的平穩性、提升各燃料消耗裝置的加熱爐熱效率。基于此，對燃料氣系統進行優化，有效降低了燃料氣管網的波動、增加了乙烯等高附加值組分的產量，提升了常減壓等裝置的加熱爐效率，降低了天然氣的消耗。通過對比優化操作前后的歷史數據，可以發現，優化后瓦斯管網補天然氣量平均降低約400 N·m3/h，按天然氣2.2元/N·m3、裝置年運行8 400 h進行計算，通過調度優化產生的經濟效益為739.2萬元/年。

5 結束語

本文在對煉化企業燃料氣系統進行深入分析的基礎上，提出了基于熱值平衡的燃料氣系統優化思路。構建了熱值夾點分析方法，指導燃料氣系統管網進行優化改造。在充分考慮瓦斯燃料高附加值組分回收過程的基礎上，構建了以燃料氣系統運行效益最大化為目標的調度優化模型，并開發調度優化平臺，實現燃料氣系統的優化高效運行。針對某石化企業案例，通過燃料熱值-加熱爐效率關聯分析，確定了加熱爐的最佳熱值需求，支撐燃料氣系統進行網絡優化及調度優化。基于調度優化模型及燃料氣系統調度優化平臺，找到了燃料氣系統運行過程中存在的問題，給出了優化調整方向。相關技術在某石化企業應用表明，基于熱值平衡的燃料氣系統優化方法，可有效降低燃料系統的波動、提升燃料氣資源的利用效率、增加燃料氣系統運行的經濟性，最終獲得顯著的節能減排效果。