炼油厂氢气网络的优化

李闻杰 江洪波 邹滢

(华东理工大学石油加工研究所，上海 200237)

曹文磊 周新娣

(中国石油化工股份有限公司上海高桥分公司，200137)

炼油厂氢气网络的优化

李闻杰 江洪波 邹滢

(华东理工大学石油加工研究所，上海 200237)

曹文磊 周新娣

(中国石油化工股份有限公司上海高桥分公司，200137)

随着炼油厂油品生产要求的提高，氢气的需求量越来越大，有必要优化氢气网络以降低生产成本。采用线性目标规划法，选取国内某炼油厂作为实例，考虑氢气纯度、流量和生产成本等因素，分析炼油厂生产的不同工况，编程优化氢气网络分配。

炼油厂 氢气 网络 优化 线性目标规划

低成本战略是21世纪炼油厂提高竞争力的最重要发展战略之一，氢气成本管理是炼油厂低成本战略的重要组成部分。目前全球氢气年产量约为50 Mt，并且以每年6% ～7%的速度增长，96%的商用氢气是通过煤、石油和天然气等化石燃料来制备的。炼油厂通过提高制氢装置的氢气产量、新建制氢装置、从外部供应商采购氢气或新增氢气提纯能力以提高氢气回收率，以满足日益增长的氢气需求。炼油厂副产氢气的回收工艺包括深冷法、变压吸附法(以下简称PSA)和膜分离法［1］。

国内外研究人员对于氢气网络优化的问题进行了多方位的研究，大部分炼油厂包括国外的一些炼油厂采用的是夹点分析的方法(也称窄点法)。2002年浙江大学［2］通过对中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司的氢气网络分配深入调查研究，采用超结构网络优化的方法，运用模糊线性规划方法运算，降低了氢气生产的成本。2004年张毅等［3］综合分析炼油厂氢源、氢阱的氢气流股的流量、纯度、压力和有害杂质等因素后，运用序贯二次规划算法(SQP)求得最优氢气供应方式。张劲松［4］提出一种基于受控混杂Petri网(CHPN)的分层优化建模结构，将其应用于炼油厂的氢气网络优化管理中，可以根据工厂的实际生产条件的改变在计划期内及时调整安排，保证经济指标的最优性。刘燕［5］通过对氢气网络建立双目标规划模型，运用CPLEX优化工具进行求解，得出模型的最优解。在氢气分配网络中，最主要的能耗是压缩气体时消耗的功，于泽淼和冯霄［6］基于这个现实提出以“基准”为基础对氢气网络进行优化，通过有效减少压缩机的数目，保证系统的能量性能和经济效益。在此采用线性目标规划方法，不同氢源输给不同氢阱的流量都通过简单的数学运算得到，并考虑到氢气成本的因素，使优化更有针对性。以国内某炼油厂为例具体介绍氢气网络的优化。

1 炼油厂氢气网络概况

国内某炼油厂的氢气运行主要包括两个方面，即产氢和供氢。对于油品的加工精制、二次加工，以及石油副产品的加工都需要氢气的注入;而这些氢气一部分来源于相关副产氢气的装置，通过提纯等操作用于再生产，另外一部分则来源于炼油厂自制氢气，原料有天然气、石脑油、装置高低分气体等。

统计该炼油厂供氢和耗氢装置，氢气网络包括4套产氢装置和13套耗氢装置，其中1#、2#硫磺加氢和1#、2#石蜡加氢装置用氢量少，不计入运算;提纯装置除产氢装置后续的PSA装置外，还有1套膜分离装置;2#连续重整装置在建。各产氢装置及耗氢装置数据见表1和2，其中各产氢装置得到的氢气通入氢气管网中，管网氢气压力均为2.00 MPa。

表1 炼油厂产氢装置数据汇总

表2 炼油厂耗氢装置数据汇总

2 优化计算

2.1 目标函数

氢气网络优化的目的是用最合理的分配满足各用氢装置的生产需要，使生产氢气的成本最小化。目标函数可以写成如下形式:

2.2 约束条件

(1)供氢装置氢分流平衡约束

式中，Fi，j是氢源 i(流量为 Fsource，i) 分配到氢阱 j的氢气流量。

(2)耗氢装置物料平衡

式中，yi是各氢源的氢气纯度，ySINK，j是各氢阱要求的氢气纯度，FSINK，j是各氢阱的流量。

(3)压缩机物料平衡

(4)供氢装置氢量约束。供氢装置产量不能高于生产的设计值FL，也不能低于后续生产的最低要求值FU:

(5)氢纯度变量范围约束。氢源的氢气纯度有固定的值，氢阱的氢气纯度满足约束条件，要达到耗氢装置生产的最低标准:

式中，yL，i是氢气纯度的最高值，yu，i是氢气纯度的最高值。

通过对炼油厂产氢装置物料平衡、公用工程耗量及剂耗的衡算，2#制氢成本是14 264元/t，3#制氢成本是15 612 元/t，1#重整氢成本是9 976 元/t，2#重整氢成本是9 136元/t，膜分离制氢成本5 000元/t。供氢成本费包括了制氢的原料成本(通常是天然气、石脑油等)、装置的操作费用以及PSA的提纯费用。

压缩机的操作费用与压缩机功率、进出口温差、电费和流量有关，在计算过程中成本变化不大。管网费用则主要涉及管网的长度和管内流量，对于给定的公用工程管道，假设相同纯度和流量的气体流股对管网的损耗是相同的，成本变化不大。因此，在优化过程中将这两部分成本看作固定成本。

经过上述的分析对比，优化过程变成简单的氢源氢阱匹配过程，即

总费用=供氢装置成本费+X (9)式中，X为定值，包含了管网的费用、压缩机的操作费用等。

2.3 选定工况优化计算

优化的目的是求解从不同氢源流向不同氢阱的氢气流量，以氢气纯度作为划分氢源、氢阱的依据。考虑到优化成本最小的要求，整理结果时，把相同纯度氢气的流量优先分配给氢气成本较低的装置。

研究炼油厂氢阱的数据，氢气的纯度要求集中在99.9%(S－Zorb和润滑油加氢)、97%(加氢裂化和4#柴油加氢)、90%(重整预加氢、苯抽提、航煤加氢和蜡油加氢)和85%(3#柴油加氢)4个基本点。

根据现有的炼油厂生产现状，主要考虑以下4种情况的氢气网络分配。

(1)工况1:考虑成本的因素，对现有的网络进行优化，可将氢源分成4股，分别为99.90%(2#、3#制氢)、92.00%(1#重整和膜分离)、67.20%(润滑油加氢干气)和30.29%(3#催化干气)。

(2)工况2:膜分离的运行负荷较低，其原料气纯度较高，具体见表3。可将氢源分成5股，分别为 99.90%(2#、3#制氢)、94.00%(润滑油废氢)、92.00%(1#重整)、89.00%(加氢裂化低分气)和70.81%(4#加氢低分气)。

(3)工况3:新建的2#连续重整装置投入使用，经过PSA提纯装置，产出高纯度的氢气。可将氢源分成5 股，分别为 99.90%(2#、3#制氢)、99.90%(2#重整，过 PSA)、92%(1#重整、膜分离)、67.20%(润滑油加氢干气)和30.29%(3#催化干气)。

(4)工况4:当1#重整装置检修停工期间，2#连续重整副产93.1%的氢气;可将氢源分成5股，分别为 99.90%(2#、3#制氢)、93.10%(2#重整)、92%(膜分离)、67.20%(润滑油加氢干气)和30.29%(3#催化干气)。

表3 膜分离原料气来源

同时各氢源氢阱满足氢气流量和纯度的限制见表1和2。假设膜分离原料气除杂的成本需1 000元/t，2#连续重整的 PSA提纯的成本为1 000元/t。将数据代入编好的LINGO程序中，运算得到xij的值，计算∑Xij的值即为第一个氢源流向j个氢阱的氢气流量，同理∑Xij是第i个氢源流向j个氢阱的氢气流量。将膜分离原料气和炼油厂干气的流量结果加和输出，得到的优化结果见表4。

表4 计算结果汇总

深入考虑影响氢气成本的因素，得到在现有装置情况下，氢气网络优化可节约成本93.8元/h;直接使用膜分离原料气，成本再降低5 185.52元/h;2#连续重整装置投入使用后，高成本的3#制氢接近停工，氢气成本与现工况相比可降低20 000元/h左右;在1#连续重整停工的情况下，2#连续重整的副产氢气可以有效的供应后续的生产，并且成本相差不大。

对于现有的炼油厂，大都历经新建、扩建、新增和改造等不同的历史发展时期，同时各氢源的氢气纯度，无论新装置还是老装置往往都是一一对应的。因此，针对不同工况优化计算得到的氢气分配方案，有时受到炼油厂实际情况的限制难以直接采用，需要重新设置氢气管网;或者在现有条件下应尽可能充分利用低成本氢气。而对于新建炼油厂，则应在设计阶段就对氢气网络根据不同生产方案进行优化设计，以便充分利用各种氢气资源，降低投产后的氢气使用成本。

3 结论

针对炼油厂的各种生产计划，选用线性目标规划法灵活安排氢气的生产，合理配置氢气网络，以充分利用低成本氢气资源并降低生产成本。

与窄点法相比线性目标规划法，考虑问题更全面;与其他的数学优化法相比，更通俗易懂，操作性强。通过使用LINGO编程软件，可全面考虑炼油厂氢气流量、纯度和成本因素，是一种简便快捷的计算方法。

［1］ Paul Allen．Managing Hydrogen Recovery［J］．Hydrocarbon Engineering，1999，4(4):71 －75．

［2］ 林海波．炼油厂生产计划及氢网络研究［D］．杭州:浙江大学，2002．

［3］ 张毅，阳永荣，刘军，等．炼油厂氢气网络集成管理［J］．石油学报(石油加工)，2004，20(1):58 －62．

［4］ 张劲松，王朝霞，李歧强．基于受控混杂Petri网(CHPN)的分层优化模型及其在炼油厂氢气管理中的应用［J］．高技术通讯，2008，18(8):817 －822．

［5］ 刘燕．炼油厂氢气网络系统调度方法研究［D］．沈阳:东北大学，2008．

Optimization of Hydrogen Network in Petroleum Refining Plant

Li Wenjie，Jiang Hongbo，Zou Ying
(Research Institute of Petroleum Processing，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237)Cao Wenlei，Zhou Xindi
(SINOPEC Shanghai Gaoqiao Company，200137)

With the increasing of production requirements on oil products in petroleum refining plant，the demand of hydrogen is increasingly high，so it is necessary to optimize hydrogen network to reduce production cost．This paper selected a domestic refining plant for case study，adopted linear objective planning，analyzed the different operation conditions of refining plant with consideration of hydrogen purity，flow and production cost，optimized the hydrogen network allocation through programming．

petroleum refining plant，hydrogen，network，optimization，linear objective planning

1674－1099 (2012)02－0050－04

TQ021.8

A

2012-02-23。

李闻杰，女，1987年出生，化学工程专业全日制工程硕士研究生在读，研究方向为炼油厂氢气网络优化。