加氫裝置氫氣耗量預(yù)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

涂陽(yáng)勤，李 沾，李正平，張健生

（1.浙江中控軟件技術(shù)有限公司，杭州310053；2.中韓（武漢）石油化工有限公司，武漢430082）

隨著原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化以及環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，加氫裝置在現(xiàn)代煉化企業(yè)生產(chǎn)清潔油品過(guò)程中變得越來(lái)越重要，加氫裝置的氫氣耗量也越來(lái)越大，氫氣成本已成為煉油企業(yè)除原料成本以外的第二大成本支出[1]。如何降低生產(chǎn)成本支出，減少氫氣耗量，提高氫氣資源的利用率，已成為煉化企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。煉化企業(yè)的生產(chǎn)方案通常隨著原料油的硫、氮含量、密度等性質(zhì)參數(shù)的變化而調(diào)整，企業(yè)對(duì)氫氣的需求也在變化，對(duì)氫氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度成為煉廠節(jié)能降耗、減排增效的重要途徑[3]。調(diào)度人員在制定氫氣調(diào)度方案前，需要確定加氫裝置在不同加工負(fù)荷條件下的氫氣耗量，調(diào)度人員通常使用加氫裝置的氫氣單耗和加工量估算裝置的氫氣耗量，但這種方法比較粗略，未考慮加工原料性質(zhì)、操作條件變化對(duì)氫耗的影響。目前煉廠常規(guī)氫耗計(jì)算方法是Nelson 估算方法，雖然此方法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，但是對(duì)于石腦油、柴油的加氫過(guò)程氫氣耗量計(jì)算誤差較大[4-6]。通過(guò)構(gòu)建裝置產(chǎn)品收率模型和原料、產(chǎn)品氫含量的計(jì)算模型，基于氫氣平衡核算，可以計(jì)算出加氫裝置氫氣耗量[7]。但是此方法的準(zhǔn)確性依賴于產(chǎn)品收率模型的準(zhǔn)確性，為保證模型的即時(shí)性和有效性，需要對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。本文提出的加氫裝置耗氫預(yù)測(cè)系統(tǒng)即是以該方法為基礎(chǔ)，通過(guò)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)加氫裝置的氣體產(chǎn)品、液體產(chǎn)品的收率，在滿足氫氣平衡的前提下，推算裝置的氫氣耗量，實(shí)時(shí)在線更新模型參數(shù)，保證了氫氣耗量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 加氫裝置物料流量校正

加氫裝置既有氣體產(chǎn)品，也有液體產(chǎn)品，流量計(jì)一般采用的是孔板流量計(jì)。孔板流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確性與介質(zhì)的密度相關(guān)，體積流量的計(jì)量公式如式（1）所示：

簡(jiǎn)化后：

設(shè)計(jì)工況下的體積流量為

式（2）與式（3）相除：

由理想氣體狀態(tài)方程：

綜合式（4）與式（5）有：

對(duì)于M 的計(jì)算，可以根據(jù)LIMS 化驗(yàn)分析的組成和各組成的相對(duì)分子質(zhì)量加和得到：

式（1）～式（7）中：Qd為設(shè)計(jì)工況下氣體的流量；Q 為實(shí)際工況下氣體的流量；Pd與Td為設(shè)計(jì)工況下的壓力與溫度；P 與T 為實(shí)際工況下的壓力與溫度；Md為設(shè)計(jì)工況下的氣體的相對(duì)分子質(zhì)量；M 為實(shí)際工況下的相對(duì)分子質(zhì)量；Mi為L(zhǎng)IMS 化驗(yàn)分析組分i的相對(duì)分子質(zhì)量；xi為組分i 的含量。

對(duì)于加氫單元出裝置的氣體，其體積流量可以采用式（6）進(jìn)行校正，但是無(wú)法用式（6）對(duì)液體的質(zhì)量進(jìn)行校正，因?yàn)闋顟B(tài)方程無(wú)法適用液體。液體密度受溫度影響較大，可用式（8）、式（9）對(duì)液體密度進(jìn)行校正：

2 加氫裝置物料含量計(jì)算

加氫裝置的加氫過(guò)程其實(shí)就是產(chǎn)品相對(duì)原料油氫碳比提高的過(guò)程。因此，確定加氫反應(yīng)前后原料油的氫含量和產(chǎn)品的氫含量后，通過(guò)氫氣平衡即可反算出加氫過(guò)程的氫氣耗量。

2.1 氣體物料氫含量的計(jì)算

為了判斷裝置產(chǎn)品質(zhì)量是否合格，企業(yè)對(duì)出加氫裝置的產(chǎn)品通常都會(huì)進(jìn)行化驗(yàn)分析。對(duì)于出加氫裝置的氣體（包括干氣、酸性氣、低分氣和液化氣等），由于有各組分的化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，可以較方便地計(jì)算出氣體的碳?xì)滟|(zhì)量比和氣體氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

式（11）～式（12）中：xi是化驗(yàn)分析中組分i 的含量；Hi是組分i 的氫原子個(gè)數(shù)；Ci是組分i 的碳原子個(gè)數(shù)；CH 為碳?xì)滟|(zhì)量比；xj為非烴類組分j（比如硫化氫、二氧化碳等）的含量；ωH%為氣體氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

需要注意的是化驗(yàn)分析在采樣的過(guò)程中不可避免的會(huì)帶入空氣，因此在計(jì)算氣體的氫含量的過(guò)程中，需要先對(duì)化驗(yàn)分析組成數(shù)據(jù)在扣除空氣的含量后進(jìn)行歸一化處理。

2.2 液體物料的氫含量計(jì)算

加氫裝置的液體產(chǎn)品通常有石腦油、航煤、柴油、蠟油、渣油等，不同產(chǎn)品的碳?xì)浔炔煌瑲浜恳膊灰粯印Ｓ推返臍浜坎捎迷胤治鲅b置可以直接測(cè)定，但是直接測(cè)定相對(duì)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。但是通過(guò)關(guān)聯(lián)油品的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)密度、中平均沸點(diǎn)等基本性質(zhì)數(shù)據(jù)，使用相關(guān)關(guān)聯(lián)式可計(jì)算獲得油品的氫含量，其計(jì)算過(guò)程如圖1所示。

圖1 油品氫含量計(jì)算過(guò)程Fig.1 Calculation process of the oil hydrogen content

在計(jì)算油品的體積平均沸點(diǎn)時(shí)，在化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)中有關(guān)餾程的數(shù)據(jù)可能并不全面，比如：有的油品ASTM D86 餾程數(shù)據(jù)只有初餾點(diǎn)、50%、90%和終餾點(diǎn)數(shù)據(jù)，缺少30%、70%餾出溫度數(shù)據(jù)，此時(shí)需要使用插值擬合的方法獲得缺少的餾出溫度數(shù)據(jù)，也可以使用羅雄麟提出的蒸餾曲線關(guān)聯(lián)式[8]：

式中：t0為初餾點(diǎn)溫度，℃；V 為餾出體積，%；a 與b為模型參數(shù)，使用化驗(yàn)分析中已有的50%、90%餾出溫度數(shù)據(jù)代入式（13），聯(lián)立方程求解出參數(shù)a 與b。由上述模型可以計(jì)算獲得30%與70%餾出溫度數(shù)據(jù)。由餾程數(shù)據(jù)可以獲得油品的體積平均沸點(diǎn)：

式中：t10、t30、t50、t70、t90是恩氏蒸餾的餾出體積為10%、30%、50%、70%、90%氣相溫度，油品的其他平均沸點(diǎn)可以借助體積平均沸點(diǎn)與恩氏蒸餾曲線的斜率，采用王洛春平均沸點(diǎn)校正值關(guān)聯(lián)式[9]即可計(jì)算獲得。

蒸餾曲線的斜率：

中平均沸點(diǎn)：

式（15）～式（17）中：Δme 為中平均沸點(diǎn)的校正值；S為恩氏蒸餾曲線的斜率；tme為油品的中平均沸點(diǎn)，℃；tv為油品的體積平均沸點(diǎn)，℃。

通常化驗(yàn)分析（LIMS）中測(cè)定的是20 ℃的密度，與4 ℃水的密度（1000 kg/m3）之比是20 ℃的標(biāo)準(zhǔn)密度。通過(guò)密度換算校正可以轉(zhuǎn)換成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)密度，使用楊朝合校正公式[10]可獲得相對(duì)密度換算校正值。

式（18）～式（20）中：d 為20 ℃油品實(shí)際測(cè)定的密度，kg/m3；為油品在20 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度；為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度。

采用Riazzi 計(jì)算油品碳?xì)滟|(zhì)量比的改進(jìn)方法[11]可獲得更為準(zhǔn)確的油品碳?xì)滟|(zhì)量比。對(duì)于平均相對(duì)分子質(zhì)量為70～300，中平均沸點(diǎn)為300～616 K 的石油餾分，油品碳?xì)滟|(zhì)量比為

對(duì)于平均相對(duì)分子質(zhì)量為300～600，中平均沸點(diǎn)為616～811 K 的石油餾分，油品碳?xì)滟|(zhì)量比為

式中：I 為huang 特性參數(shù)；Tme為油品的中平均沸點(diǎn)，K；CH 為油品的碳?xì)滟|(zhì)量比。

3 加氫裝置產(chǎn)品收率預(yù)測(cè)

加氫裝置產(chǎn)品收率的影響因素除了原料油的性質(zhì)以外，還有反應(yīng)過(guò)程、分離過(guò)程的操作條件參數(shù)。原料的性質(zhì)參數(shù)包括原料的密度、平均沸點(diǎn)、90%餾出溫度、碳?xì)滟|(zhì)量比等，反應(yīng)過(guò)程的操作條件主要是反應(yīng)的平均溫度、氫分壓、空速、氫油比等，分離過(guò)程的工藝參數(shù)主要是熱高壓分離器溫度、冷高壓分離器溫度以及分餾塔的塔底操作溫度。選取的工藝操作參數(shù)以裝置的實(shí)際情況為準(zhǔn)，有的加氫裝置可能有好幾臺(tái)反應(yīng)器（比如，加氫裂化裝置有加氫精制反應(yīng)器和裂化反應(yīng)器），可能有好幾個(gè)床層反應(yīng)平均溫度，有的加氫裝置可能就只有1 個(gè)分離器，因此也就只存在1 個(gè)分離操作溫度，因此對(duì)于具體的裝置需要具體分析，選擇相關(guān)的參數(shù)。

以加氫裂化裝置為例，選取原料密度ρ（kg/m3）、中平均沸點(diǎn)Tme（K）、90%餾出溫度T90（K）、碳?xì)滟|(zhì)量比CH、精制反應(yīng)平均溫度Tave（K）、裂化反應(yīng)平均溫度（K）、氫分壓PH2（MPa）、空速WHSV（h-1）、氫油比HOR、分餾塔塔底溫度Tboil（K）共10 個(gè)關(guān)聯(lián)因素，采用二次多項(xiàng)式擬合的方法構(gòu)建加氫裝置液體產(chǎn)品收率與這10 個(gè)因素的關(guān)聯(lián)模型。由此預(yù)測(cè)出加氫裂化裝置輕石腦油、重石腦油、航煤、柴油、尾油等產(chǎn)品的液體收率。

由于熱高分、冷高分的操作溫度會(huì)影響氫氣在反應(yīng)生成油中的溶解度，而這直接關(guān)系到加氫裝置含硫干氣和含硫低分氣中的氫含量，對(duì)加氫裝置氣體產(chǎn)品流量有較大影響，因此在構(gòu)建加氫裝置氣體產(chǎn)品收率預(yù)測(cè)模型時(shí)，除了關(guān)聯(lián)上述的10個(gè)變量外，還關(guān)聯(lián)了熱高壓分離器的溫度THS（K）、冷高壓分離器溫度TLS（K）。構(gòu)建的氣體產(chǎn)品收率模型可預(yù)測(cè)出含硫低分氣、含硫液化氣、含硫干氣的收率。

預(yù)測(cè)模型的目標(biāo)不是氣體產(chǎn)品的預(yù)測(cè)收率Yn與實(shí)際收率Yn′的偏差最小，也不是液體產(chǎn)品的預(yù)測(cè)收率ym與實(shí)際收率ym′偏差最小，而是所有產(chǎn)品預(yù)測(cè)收率和實(shí)際收率偏差平方和最小，所以建模的目標(biāo)函數(shù)是：

約束條件是：所有產(chǎn)品預(yù)測(cè)的收率加和等于1。

將多項(xiàng)式擬合求解擬合參數(shù)的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成帶有等式約束的非線性目標(biāo)函數(shù)求最小值的問(wèn)題，求解擬合模型的參數(shù)。求解的模型參數(shù)以變量的形式存儲(chǔ)在i-sys 數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)更新建模訓(xùn)練的樣本數(shù)據(jù)，尋找目標(biāo)函數(shù)的最小值，不斷更新擬合模型的參數(shù)，從而保證產(chǎn)品產(chǎn)率模型的即時(shí)性與有效性。

4 加氫裝置氫氣平衡計(jì)算

在完成加氫裝置出料物流的氫含量計(jì)算和加氫裝置產(chǎn)品收率的預(yù)測(cè)之后，計(jì)算加工原料油的氫量和加氫裝置各產(chǎn)品氫量，對(duì)加氫裝置整體進(jìn)行氫氣平衡動(dòng)態(tài)核算，可計(jì)算出裝置的氫氣耗量。以某煉化企業(yè)的加氫裂化裝置為例，氫氣平衡核算如表1所示。表1中所示的加氫裂化裝置加工原料油201.13 t/h，出裝置的產(chǎn)品主要是含硫干氣、含硫低分氣、液化氣、輕石腦油、重石腦油、航煤、柴油和尾油，通過(guò)氫氣平衡核算分析獲得加氫裂化裝置的耗氫量為4755.92 kg/h，由于裝置所耗的氫氣是99.9%的高純氫，將氫氣換算成標(biāo)準(zhǔn)體積流量為53200 Nm3/h，與實(shí)際新氫耗量52960 Nm3/h 接近。

表1 加氫裂化裝置氫氣核算表Tab.1 Hydrogen balance calculation of hydrocracking unit

5 氫耗預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

5.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

加氫裝置的氫氣耗量預(yù)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。氫耗預(yù)測(cè)系統(tǒng)從某煉化企業(yè)的化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)庫(kù)采集最近3 個(gè)月（2021年1月15日至2021年4月15日）關(guān)于原料油、循環(huán)氫、各裝置產(chǎn)品密度、餾程及組成的歷史數(shù)據(jù)，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中采集對(duì)應(yīng)時(shí)間的工藝操作參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)（包括溫度、壓力、加工量、冷高分溫度、熱高分溫度、分餾塔塔底溫度、氫油比等）以及進(jìn)出裝置物料的流量數(shù)據(jù)（包括進(jìn)料流量、干氣流量、低分氣流量和其他液體產(chǎn)品的流量等）。在剔除異常數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊處理后，對(duì)進(jìn)出裝置物料流股進(jìn)行流量校正，并計(jì)算出各產(chǎn)品的收率、原料的平均沸點(diǎn)、氫分壓、反應(yīng)平均溫度等數(shù)據(jù)。構(gòu)建原料性質(zhì)、操作條件與產(chǎn)品收率的關(guān)聯(lián)模型，而且隨著時(shí)間的推移，不斷更新模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，在線更新關(guān)聯(lián)模型參數(shù)，保持關(guān)聯(lián)模型的即時(shí)性和有效性。系統(tǒng)為用戶配置有相關(guān)數(shù)據(jù)輸入界面如圖3所示。由此，系統(tǒng)可以計(jì)算出在輸入工況下加氫裝置的原料和產(chǎn)品的密度、平均沸點(diǎn)、碳?xì)滟|(zhì)量比等基本性質(zhì)參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算進(jìn)出裝置各物料的氫含量。由關(guān)聯(lián)的最新收率模型和各物料的氫含量即可進(jìn)行氫氣平衡核算，進(jìn)而預(yù)測(cè)出此時(shí)加氫裝置的氫氣耗量。

圖2 氫耗預(yù)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.2 Overall frame of hydrogen consumption prediction system

圖3 供用戶輸入?yún)?shù)的界面Fig.3 User interface for parameter input

5.2 氫耗預(yù)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

利用加氫裝置氫氣耗量預(yù)測(cè)系統(tǒng)在裝置加工原料、工藝操作條件發(fā)生變化時(shí)能方便地預(yù)測(cè)出裝置的氫氣耗量，可為氫氣的應(yīng)急調(diào)度，維持氫管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定提供數(shù)據(jù)支撐。氫氣耗量預(yù)測(cè)系統(tǒng)可在線校正由介質(zhì)密度變化引起的流量偏差，補(bǔ)充油品化驗(yàn)分析缺少的餾程數(shù)據(jù)，在線計(jì)算油品的標(biāo)準(zhǔn)密度、平均沸點(diǎn)、碳?xì)滟|(zhì)量比、氫含量等性質(zhì)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算各產(chǎn)品的收率以及工藝操作參數(shù)（如氫分壓、氫油比、反應(yīng)平均溫度、空速等）。通過(guò)構(gòu)建原料性質(zhì)數(shù)據(jù)、工藝操作參數(shù)與產(chǎn)品收率的關(guān)聯(lián)模型，確定原料性質(zhì)、工藝條件對(duì)產(chǎn)品收率的定量影響。在輸入加氫裝置的加工處理量、原料性質(zhì)數(shù)據(jù)和操作參數(shù)后，通過(guò)氫氣平衡的核算，計(jì)算出裝置的氫氣耗量。圖4給出了2021年4月16日至2021年4月30日加氫裂化氫氣耗量的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比，最大絕對(duì)偏差不超過(guò)1500 Nm3/h，相對(duì)偏差不超過(guò)2.3%。

圖4 加氫裂化氫氣耗量預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比Fig.4 Comparison between prediction and practical value of hydrogen consumption for hydrocracking unit

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出的加氫裝置氫氣耗量預(yù)測(cè)系統(tǒng)是基于裝置氫氣平衡核算和產(chǎn)品收率預(yù)測(cè)所開發(fā)的，預(yù)測(cè)氫氣耗量數(shù)據(jù)可為氫氣的優(yōu)化調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)加氫裝置氫氣耗量預(yù)測(cè)系統(tǒng)可即時(shí)計(jì)算出油品標(biāo)準(zhǔn)密度，補(bǔ)充化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)中缺少的餾程數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定油品較難直接測(cè)定的性質(zhì)參數(shù)（如中平均沸點(diǎn)、碳?xì)滟|(zhì)量比、氫含量等）。構(gòu)建的產(chǎn)品收率模型，關(guān)聯(lián)了原料性質(zhì)數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)，涵蓋的變量數(shù)據(jù)廣泛、全面，而且產(chǎn)品收率模型參數(shù)在線更新，保證了加氫裝置產(chǎn)品收率預(yù)測(cè)的即時(shí)性與有效性，進(jìn)而保證了裝置氫氣耗量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。