乙烯生產過程能效優化及評估方法探討

劉 勇

(浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 324000)

當前，我國石油化工行業存在生產系統復雜，無法實現細粒度監控并系統改善、能源管理控制水平低下、時常發生大型生產事故等問題。運行能耗高而且效率低下，并且污染物大量排放，對我國石化行業的發展造成了限制。對比其他國家，從我國當前石油化工行業的工藝設計層面來講，生產設備大部分從國外引進，能效優化與評估管理方面還存在較大差別。所以，對石化生產過程中的能耗優化與評估進行研究，進一步增強系統處理能力，可有效提高石化生產運行的安穩性，并減低操作人員的工作強度與運行支出，降低污染物排放，有效化解限制石化行業發展的重點問題。

1 工況分類下的乙烯生產能效評估

了解能效水平與進行節能工作都需要能效評估提供保證。但是，當前根據數據驅動模型對乙烯生產能效進行評估的方式還存在限制性，最主要體現在工藝技術結合比較少，對原材料、負載以及操作參數這些要素變化從而導致的能效與收率變化缺乏考慮。實際上，乙烯生產能效和生產工況有重大聯系，對工況因素缺乏考慮時很難獲取合理的評估結果。

數據包絡分析模型是獲得廣泛應用的一種非參數生產效率評估方法，在實際應用中往往將時間間隔作為決策單元的選擇依據。但是，在時間間隔基礎上進行的乙烯生產能效評估難以更進一步聯系生產工藝與有關參數，使得一些能效評估結果不能獲得更加合理的解釋，也就無法進一步提高乙烯生產能效。采用數據包絡分析模型的決策單元也就是明確“同類型”的評估數據集合(DMU)。通常來說，DMU的選擇需要達到幾種最基礎的屬性特征需求，也就是相同生產規模、技術及目標。對單個乙烯生產設備來說，通常以上三種基本屬性是不變的。為加強提升同類型決策單元，再和乙烯生產技術相結合，可把生產工況當做一個DMU選擇的規則，構建多工況能效評估模型，以此更加科學的進行能效評估工作。另外，乙烯生產當中需要多種能源介質種類，輸入過多的指標將使數據包絡分析模型得出的相對效率存在分辨率不良的問題。所以應先選取一定的輸入指標，才能開展能效評估工作。

1.1 乙烯生產典型工況的確定

乙烯生產工況評估前要先對其典型工況進行明確，因為進行工況分類能效評估的主要前提就是明確工況。工況是一個乙烯生產能效的關鍵影響要素，下面針對工況這個關鍵影響要素為主要根據，明確乙烯生產的典型工況。

1.2 典型工況對照因素

在確定典型工況技術上，對采集的生產數據以聚類算法加以工況辨識。由于乙烯的生產設備能效受包括原材料、負荷、設備規模、生產方法、操作條件、產量、能量損耗、綜合能效、公用工程等在內的要素影響。而太多數據屬性會對計算結果的合理性造成極大影響。所以假如不采用K-Means聚類算法加以確定，除了會對算法的速度與精度造成影響，工況分類的合理性無法保證。因此，應該根據加工技術選擇數據屬性，選擇具有象征意義的數據屬性當做典型工況的明確對照因素。

乙烯生產技術非常繁雜，同時伴有錯綜復雜的能量流與物質流。這一生產過程是連續化工過程，牽涉到較多環節的對接，包括設備的操控、工藝參數優化配置等多方面問題。同時，生產操作參數與能耗、能效間具有極為密切的關聯性。前面提到乙烯生產能效受多方面因素影響，當中的生產技術與設備規模對于已經投入生產的乙烯生產設備大致是相同的；操作要求屬于系列工藝參數的綜合，涉及到的變量極多，必須要把握住關鍵性參數；綜合能效則是對各項原材料輸入采取線性加權法，并且評估模型的輸入指標包含各種介質材料；原材料與產品是乙烯生產的兩大要點，和能效水平具有直接關系。

1.2.1 能耗與產出

乙烯生產能效水平主要受能源總消耗量與產出量的直接影響。由指標的計算公式可知，當生產同等量的乙烯產品，能源消耗量大則表示能效水平不高，反之，消耗相同量的能源介質，可得到越多的產量，能效水平也就越高。乙烯生產過程中涉及到水、電、燃料、蒸汽、壓縮空氣等能源介質，當中，消耗超出80%的是燃料與蒸汽；除C2H4與C3H6之外，CH4、H2、裂解燃料油這類副產品也是乙烯生產的重要經濟產品。所以，需要對乙烯生產能源與產品進行合理管理，以此提高乙烯生產能效水平。

1.2.2 原材料

結合生產運行情況可以知道，生產裝置的裂解原材料主要有輕烴、石腦油、加氫碳五這幾類輕質原材料與加氫裂化尾油、減頂油這幾類重質原材料。不同原材料性質對產品結構具有直接影響，對生產能耗同樣具有不同影響，原材料配比不同的組合對于能效及產品構造會形成一定影響。輕質原材料比重質原材料的乙烯收率相對要更高。

另外，依照乙烯具體生產情況，生產裝置原材料有三種組合形式：第一種原材料是加氫裂化尾油、減頂油、石腦油組合；第二種原材料是加氫裂化尾油、減頂油、石腦油、加氫碳五組合；第三種原材料是加氫裂化尾油、減頂油、石腦油、加氫碳五、輕烴組合。

在確保其他運行條件大致不變動的情況下，綜合能耗、企業乙烯綜合能耗及乙烯收率容易由于原材料的不同組合而出現顯著不同。當中，能耗最高且收率最低的是第一種組合，能耗最低且收率最高的是第三種組合。這就表示原材料分組不同的情況下，由于乙烯原材料化學性質存在區別，所以生產過程中的能耗、能效水平以及收率都具有一定變化。

1.2.3 裂解深度

裂解深度是與乙烯能耗及產量有關的一個重要參數。這項參數是乙烯生產當中的裂解反應程度，對乙烯產量與丙烯產量具有直接性影響，不同的裂解深度下，乙烯生產產品組成也有區別。結合文獻資料與具體情況，裂解深度具有多種表達方式，此處通過C2H4與C3H6產量比值體現。這種表現形式能夠直接體現產品組成。在裂解深度加劇之后，C3H6產率也會提高，C2H4產率則會降低。更為要緊的是，因為原材料化學性質存在區別，其裂解深度必定有所不同。生產過程中，假如裂解深度應生產工藝有所改變，產品產量與能效水平也會有所變化。所以，生產當中，科學的裂解深度指標就是獲取最大化經濟效益的關鍵保證。雖然當裂解深度不斷增加，乙烯整個綜合能耗指標會呈現提升情況，但乙烯產量或呈現減少趨勢。

1.2.4 小結

乙烯收率更多地受裂解原材料化學性質的影響，各種裂解原材料的綜合能耗具有一定差異，能效水平也有著顯著差異。生產負荷也對能效具有顯著影響，通常來說，負荷高則能效水平高。另外，裂解深度這類操作參數也在較大程度上影響著乙烯生產能耗與能效。

2 乙烯生產裂解時的能源物料優化

乙烯生產的重點設備要屬裂解爐。其在高溫加熱作用下，讓原材料裂解成為小分子烴化物，此過程中有極大的能源消耗，所以運行效率對乙烯生產設備整體能效水平具有極大影響。在乙烯工業能源形勢不斷惡化與提高能效、降低能耗的趨勢下，裂解時對裂解爐有關參數進行改進與把控，是乙烯生產有效實現節能減排、增強能效的重中之重。原材料性質與配比存在區別，也會致使裂解操作出現差異，最終導致乙烯產出率及能耗出現變化。調整裂解原材料組成，進一步提升乙烯收率是改進乙烯設備能耗最根本的要求。但是當前原材料的改進大部分處于乙烯成分輕質化的選用上面，并不是一定要調整輕重組分原材料比例。并且裂解當中的能源管理，大部分是通過節流的方式來降低能耗，沒有重視能源的投入和配比調整改動所起的作用。依照乙烯生產能效分析結果，裂解原材料進料配比情況對乙烯生產能耗水平具有極大影響。通過分析乙烯產品需求因素，對裂解原材料配比進行合理改動，同時改進能源介質，改善原材料的同時加強能源管控，可以有效提高乙烯產品收率，并同時實現節能降耗。

要想化解乙烯生產裂解時存在的低能效、高能耗問題，應合理考慮原材料配比調整及能源管控方式，采用可以整體改進乙烯生產裂解中能源物料的措施，分步驟的優化原材料并調整能源。這一方面需要構建乙烯生產原材料配比改良模型，對不同需求條件下的原材料最優配比進行明確；另一方面要構建裂解爐燃料與原材料比改良模式，根據最佳原材料比約束，對裂解爐燃料與原材料進行綜合改進，以此有效提高裂解當中的能效，實現節能降耗目標。

3 乙烯生產技術指標要求和裂解過程工藝

3.1 乙烯生產技術指標要求

乙烯生產技術水平重點通過乙烯產量、丙烯產量及企業乙烯綜合能耗這三項指標來體現。

3.2 乙烯生產裂解過程工藝流程

前文提到，我國當前乙烯生產裝置的裂解原材料主要有輕質原材料與重質原材料兩種，原材料組分輕的情況下，出率高，但成本也越高。生產當中為讓乙烯產出率與成本相平衡，主要是采取輕重原材料并用的方法，各組分原材料分爐加以裂解。裂解過程中采取多種原材料單獨裂解方法，裂解氣在裂解氣管道匯集之后再一起進入分離流程，所以各種原材料的進料配比對乙烯產出率與能耗量都有較大影響。乙烯收率很大程度上受裂解原材料化學性質影響，各種裂解原材料的綜合能耗有極大差距。相對輕質原材料，裂解重質原材料的能耗量要更高。但是，因為乙烯生產存在滯后性，各原材料的質量與化學組不能及時進行優化。所以要想增強乙烯生產綜合能效水平，重點在于怎樣優化裂解原材料的進料配比，同時基于此對能源進行優化管理。應根據原材料配比，構建乙烯生產技術指標改良模型，獲取最合理的原材料進料配比，從而為操作人員提供最為科學的原材料進料方案。另外，生產當中要確保進料負荷與能源負荷的協調性，需要在獲得最佳原料配比基礎上，構建裂解燃料與原材料協調改良模型，提高裂解過程中的能耗水平。

3.3 優化方案的選定

為讓乙烯生產原材料配比與裂解時的能源得到改良，原材料配比改進與能源物料協調改進需要分步驟進行，同時綜合考慮產品的市場需求，從而讓生產優化效果更加符合實際需求。

首先是對原材料配比進行優化。裂解原材料配比直接性影響著產品出率與能耗。應根據原材料配比的乙烯產量、丙烯產量、企業乙烯綜合能耗三項生產技術指標，進行軟測量建模，并基于此構建有著梯級優先權重的原材料配比優化模型，從而達到根據市場需求調整優化產品的原材料配比。其次是對能源物料進行協調優化。裂解爐能耗介質主要是燃料氣，可以通過加強管控燃料氣這種直接方式，讓裂解達到節能減排目標。對于裂解爐提出燃料與原材料比指標，進行裂解爐燃料與原材料比優化建模，同時根據最合理的原材料配比，采用精英教學優化算法計算出最佳燃料與原材料的進料量，促使裂解過程達到節能降耗的目的。

4 結語

綜上，石化行業是能源消耗大且污染排放量高的行業，乙烯工業正好是石化行業最基礎和最主要的一個工業。因此對乙烯生產過程中能效優化及評估方法加以探究，有助于推進乙烯工業發展并實現節能減排。對乙烯生產工藝來說，節能降耗和能耗評估是一個立體的系統工程，兩者具有密切聯系。為符合國家節能減排的發展要求，促使我國綠色、長遠發展，必須進一步對乙烯生產工業能源節能控制與能耗評估的立體系統工程加以研究，對存在的不足深化探究。