炼厂燃料气系统平衡技术

屈 威，刘亚贤

（1.中国石油天然气集团公司广西石化公司储运中心，广西 钦州 535008；2.中国石油华南化工销售公司钦州调运分公司，广西 钦州 535000）

1 概述

炼厂气（或称瓦斯气）是炼油厂副产的气态烃，主要来源于原油蒸馏、催化裂化、热裂化、延迟焦化、加氢裂化、催化重整、加氢精制等过程。不同来源的炼厂气其组成各异（见表1），组要成分为C4 以下的烷烃、烯烃以及氢气和少量的氮气、二氧化碳等气体。炼厂气的产率随原油加工深度的不同而不同，深度加工的炼厂气一般为原油加工量的6%（质量）左右。可以说炼厂各加工装置都得到一些常温下是气体的产物，这些总称为炼厂气[1]。

表1 各种来源的炼厂气的典型组成 /%

1.1 炼厂气使用现状及解决方案

炼厂气解决的方法基本上是进行气体分离，剩余部分或作为燃料气。作为燃料气部分的炼厂气一般的流程为：装置排放气体至全厂燃料气放空管网，由此进入气柜回收，再经压缩机压缩进入燃料气管网供装置作燃料气。

总体看全国炼厂由于装置排放燃料气，为各装置单元控制，不能有效监控异常排放，部分高价值组分作为燃料烧掉造成环境污染和资源浪费。对于燃料气管网系统来讲，产耗不平衡的现象时有发生，瓦斯产大于耗，气柜超限时，需要通过瓦斯放火炬燃放来平衡；瓦斯产小于耗，瓦斯管网压力不够时，需要通过气化重整C5、液化气、天然气等补烃来平衡，不可避免地造成了大量资源的浪费和对环境的污染，造成操作成本增加和安全隐患。

如何解决这一问题，关键在于通过对各装置排放炼厂气的研究，找出其生成、组成、排放等规律，进入燃料气系统混合状态，实现对燃料气系统的统一指挥，从而消除炼厂气的无序排放，达到彻底消除炼厂气的排放，降低损耗，减少环境污染，实现节能减排目标。

2 方法

2.1 分析

排放炼厂气由各生产装置产生，由于装置各异，排放压力、气体组分、流量各异，在管路中混合情况、流态都需详细分析，确定连续介质作为可压缩气体在可压缩性呈显著作用时的流动规律以及气体和物体之间的相互作用规律，才能很好地对管网内混合气体的状态有明确的了解，进一步对气体进行管控[2 3]。

如催化装置产出的干气产率占新鲜原料的3% 6%,干气中有乙烷、乙烯、甲烷及氢气，少量的丙烷、丙烯和少量的轻重烃类。一般甲烷小于碳二[4]。加氢裂化产生的气体为低分子烃类（碳四以下）、非烃化合物（硫化氢等）、氢气带入的一氧化碳、氮气等[5]。两者流速、温度、压强、密度都不相同，为此，需对排放气体在管网中的状态加以分析，确定多相流在固定管路中的状态可否能模拟，从而确定管网内气体可控，进一步采取手段达到炼厂气平衡调控。

管网计算与动态模拟技术应用于瓦斯管网模拟计算包含两方面的内容，即多相流水力学计算和管网计算。

多相流技术的核心内容是水力学计算，一个完整的多相流水力学模型应包括流型判断、持液率和压降计算。多相流水力学研究是进行复杂管网模拟的基础。

瓦斯管网的模拟涉及到流体力学、热力学、传热学以及描述网络拓扑结构的一些计算数学(如网络图论、非线性网络等)。瓦斯管网系统一般由管道、压缩机、调压阀、气柜等元件组成，瓦斯气体在流经这些元件时，应满足质量守恒、能量守恒、动量守恒、相平衡以及热力学方面的有关基本方程。管网系统模拟就是利用这些基本方程式，建立系列数学模型来模拟流体在管网系统内的运行，从而进行一系列的分析、判断等。

管网计算主要分成3 个步骤来实现：(1)管段计算：对管段中的压降－流量关系列出正确的方程组，选择合适的模型；(2)管网分析：对管道网络中的节点和成环情况进行分析，得到相应的管道流动连续性方程和环形方程，为进一步联立方程进行求解；

(3)计算方法的选择：选择合适的非线性方程组的求解方法以达到稳健求解。

管段计算得到的是压降和流量的关系：

在气液混合输送的情况下，可以选择Beggsffamp; Brill、DUNS ffamp; ROSS、Hagedorn ffamp; Brown、Angel-Welchon-Ross、Gray、Flannigan、Lockhart ffamp;Martinelli、Eaton、Dukler、Mukhergee ffamp; Brill 等多种方法，但要注意方程具体的适用条件，持液率的计算通过物性计算获得。

通过对管网的分析可以得出以下结论：

(1)管网中除了入口和出口的节点外，所有的节点的自由度都为0，不能指定任何变量，只有入口和出口才能够指定变量；

(2)如果管网中有I 个入口，O 个出口，那么管网中需要指定的变量个数为3*I+O，也就是说，只要指定I 个入口的压力（或流量）、温度、组成，以及O个出口的压力（或流量、温度、组成），就可以计算整个管网的任何节点（包括外部节点和内部节点）的任何信息（如温度、压力、流量、组成、热值等）以及管网中任意管段的信息（如压降、流向等）。

并不是所有的满足指定变量个数的情况都能够求解，管网入口的温度和组成必须给定，压力与流量可以自由选择，但在稳态计算时不能够全部设定流量，必须要有至少一个边界条件为压力，否则会引起方程组的奇异。

2.2 方案

国内已有镇江炼厂率先采用浙大中控技术软件公司的“瓦斯系统平衡与优化调度项目”技术实现了全厂瓦斯的平衡，效益显著。

对于其他炼厂要实现全厂瓦斯平衡，减少直至消灭瓦斯放空，可以利用该技术进行实施，具体为：

建立瓦斯预测模型，借鉴软测量的思想，即用与瓦斯生成量紧密相关的辅助变量（如装置的加工量、装置原料性质、装置操作条件等）来预测瓦斯生成量。所不同的是，在瓦斯预测模型中，是用当前时刻和过去一段时间的辅助变量数据来预测各生产装置在未来一段时间内的瓦斯生成量。同时，在瓦斯预测模型中，也借鉴了时间序列建模的思想，即用当前时刻和过去一段时间内的瓦斯生成量本身的数据预测各生产装置未来一段时间内的瓦斯生成量。

硬件部分主要包括新增瓦斯检测仪表及相关辅助材料、服务器、计算机等。

低压放空管网压力相对较低，只能采用超声波流量计或热式质量流量计，而燃料气管网和高压放空管网压力较高，可以采用阿钮巴流量计或涡街流量计。

在增加瓦斯排放检测仪表的基础上，使用“瓦斯系统平衡与优化调度”技术在火炬燃料气平衡与优化管理系统建设两个集成平台——信息集成和实时监控平台与瓦斯系统辅助决策与优化调度平台，包含综合监控模块、异常报警模块、产耗预测模块、管网模拟模块和优化调度模块等5个功能模块，如图1。

图1 燃料气平衡与优化管理系统总体架构图

3 结论

该技术的实施可以实现：

(1)实时监控平台：实现了企业整个公用工程的实时监控、异常诊断和综合管理，提高了公用工程的操作安全和平稳性。

(2)调度优化平台：基于预测模型和优化模型，预知未来，掌握现在，实现了“定量调度”和“事前调度”。

(3)系统投用，可减少瓦斯排放，优化燃料配置，节约轻烃资源，能够取得显著的节能减排效果。

(4)可以提高瓦斯系统调度水平，提高装置操作安全和平稳率，提高公用工程异常诊断和综合管理水平，降低调度人员工作强度。

(5)实现节能减排目标，社会效益不可估量。

(6)实现了数据监控、异常报警、历史趋势查询、监控界面修改与下载、统计分析等功能。

后续还可以开发各公用工程介质实时监控界面以及与各介质平衡相关的主装置子界面，并与炼厂现有主装置监控系统进行无缝集成，解决了公用工程和主装置相互独立的现状，做到了使用一个平台集成所有监控内容，避免在多个平台间来回切换的问题，提高了工作效率 。

各介质实时监控界面，以调度人员的调度逻辑和思维习惯为指导，采用逻辑流程的方式进行展示，在保证单幅界面信息量丰富的基础上，保持了调度逻辑清晰、简单明了等特点。

[1] 华东石油学院炼油工程教研室.石油炼制工程(第2 版)[M].北京：石油工业出版社，1982.

[2] 张兆顺，崔桂香.流体力学[M].北京：清华大学出版社，1998.318-339.

[3] 林兆福.气体动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，1988.1-45.

[4] 陈俊武.催化裂化工艺与工程(第2 版)[M].北京：中国石化出版社，2005.

[5] 韩崇仁.加氢裂化工艺与工程[M].北京：中国石化出版社，2006.