乙烯生产过程能效优化及评估方法探讨

刘 勇

(浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 324000)

当前，我国石油化工行业存在生产系统复杂，无法实现细粒度监控并系统改善、能源管理控制水平低下、时常发生大型生产事故等问题。运行能耗高而且效率低下，并且污染物大量排放，对我国石化行业的发展造成了限制。对比其他国家，从我国当前石油化工行业的工艺设计层面来讲，生产设备大部分从国外引进，能效优化与评估管理方面还存在较大差别。所以，对石化生产过程中的能耗优化与评估进行研究，进一步增强系统处理能力，可有效提高石化生产运行的安稳性，并减低操作人员的工作强度与运行支出，降低污染物排放，有效化解限制石化行业发展的重点问题。

1 工况分类下的乙烯生产能效评估

了解能效水平与进行节能工作都需要能效评估提供保证。但是，当前根据数据驱动模型对乙烯生产能效进行评估的方式还存在限制性，最主要体现在工艺技术结合比较少，对原材料、负载以及操作参数这些要素变化从而导致的能效与收率变化缺乏考虑。实际上，乙烯生产能效和生产工况有重大联系，对工况因素缺乏考虑时很难获取合理的评估结果。

数据包络分析模型是获得广泛应用的一种非参数生产效率评估方法，在实际应用中往往将时间间隔作为决策单元的选择依据。但是，在时间间隔基础上进行的乙烯生产能效评估难以更进一步联系生产工艺与有关参数，使得一些能效评估结果不能获得更加合理的解释，也就无法进一步提高乙烯生产能效。采用数据包络分析模型的决策单元也就是明确“同类型”的评估数据集合(DMU)。通常来说，DMU的选择需要达到几种最基础的属性特征需求，也就是相同生产规模、技术及目标。对单个乙烯生产设备来说，通常以上三种基本属性是不变的。为加强提升同类型决策单元，再和乙烯生产技术相结合，可把生产工况当做一个DMU选择的规则，构建多工况能效评估模型，以此更加科学的进行能效评估工作。另外，乙烯生产当中需要多种能源介质种类，输入过多的指标将使数据包络分析模型得出的相对效率存在分辨率不良的问题。所以应先选取一定的输入指标，才能开展能效评估工作。

1.1 乙烯生产典型工况的确定

乙烯生产工况评估前要先对其典型工况进行明确，因为进行工况分类能效评估的主要前提就是明确工况。工况是一个乙烯生产能效的关键影响要素，下面针对工况这个关键影响要素为主要根据，明确乙烯生产的典型工况。

1.2 典型工况对照因素

在确定典型工况技术上，对采集的生产数据以聚类算法加以工况辨识。由于乙烯的生产设备能效受包括原材料、负荷、设备规模、生产方法、操作条件、产量、能量损耗、综合能效、公用工程等在内的要素影响。而太多数据属性会对计算结果的合理性造成极大影响。所以假如不采用K-Means聚类算法加以确定，除了会对算法的速度与精度造成影响，工况分类的合理性无法保证。因此，应该根据加工技术选择数据属性，选择具有象征意义的数据属性当做典型工况的明确对照因素。

乙烯生产技术非常繁杂，同时伴有错综复杂的能量流与物质流。这一生产过程是连续化工过程，牵涉到较多环节的对接，包括设备的操控、工艺参数优化配置等多方面问题。同时，生产操作参数与能耗、能效间具有极为密切的关联性。前面提到乙烯生产能效受多方面因素影响，当中的生产技术与设备规模对于已经投入生产的乙烯生产设备大致是相同的；操作要求属于系列工艺参数的综合，涉及到的变量极多，必须要把握住关键性参数；综合能效则是对各项原材料输入采取线性加权法，并且评估模型的输入指标包含各种介质材料；原材料与产品是乙烯生产的两大要点，和能效水平具有直接关系。

1.2.1 能耗与产出

乙烯生产能效水平主要受能源总消耗量与产出量的直接影响。由指标的计算公式可知，当生产同等量的乙烯产品，能源消耗量大则表示能效水平不高，反之，消耗相同量的能源介质，可得到越多的产量，能效水平也就越高。乙烯生产过程中涉及到水、电、燃料、蒸汽、压缩空气等能源介质，当中，消耗超出80%的是燃料与蒸汽；除C2H4与C3H6之外，CH4、H2、裂解燃料油这类副产品也是乙烯生产的重要经济产品。所以，需要对乙烯生产能源与产品进行合理管理，以此提高乙烯生产能效水平。

1.2.2 原材料

结合生产运行情况可以知道，生产装置的裂解原材料主要有轻烃、石脑油、加氢碳五这几类轻质原材料与加氢裂化尾油、减顶油这几类重质原材料。不同原材料性质对产品结构具有直接影响，对生产能耗同样具有不同影响，原材料配比不同的组合对于能效及产品构造会形成一定影响。轻质原材料比重质原材料的乙烯收率相对要更高。

另外，依照乙烯具体生产情况，生产装置原材料有三种组合形式：第一种原材料是加氢裂化尾油、减顶油、石脑油组合；第二种原材料是加氢裂化尾油、减顶油、石脑油、加氢碳五组合；第三种原材料是加氢裂化尾油、减顶油、石脑油、加氢碳五、轻烃组合。

在确保其他运行条件大致不变动的情况下，综合能耗、企业乙烯综合能耗及乙烯收率容易由于原材料的不同组合而出现显著不同。当中，能耗最高且收率最低的是第一种组合，能耗最低且收率最高的是第三种组合。这就表示原材料分组不同的情况下，由于乙烯原材料化学性质存在区别，所以生产过程中的能耗、能效水平以及收率都具有一定变化。

1.2.3 裂解深度

裂解深度是与乙烯能耗及产量有关的一个重要参数。这项参数是乙烯生产当中的裂解反应程度，对乙烯产量与丙烯产量具有直接性影响，不同的裂解深度下，乙烯生产产品组成也有区别。结合文献资料与具体情况，裂解深度具有多种表达方式，此处通过C2H4与C3H6产量比值体现。这种表现形式能够直接体现产品组成。在裂解深度加剧之后，C3H6产率也会提高，C2H4产率则会降低。更为要紧的是，因为原材料化学性质存在区别，其裂解深度必定有所不同。生产过程中，假如裂解深度应生产工艺有所改变，产品产量与能效水平也会有所变化。所以，生产当中，科学的裂解深度指标就是获取最大化经济效益的关键保证。虽然当裂解深度不断增加，乙烯整个综合能耗指标会呈现提升情况，但乙烯产量或呈现减少趋势。

1.2.4 小结

乙烯收率更多地受裂解原材料化学性质的影响，各种裂解原材料的综合能耗具有一定差异，能效水平也有着显著差异。生产负荷也对能效具有显著影响，通常来说，负荷高则能效水平高。另外，裂解深度这类操作参数也在较大程度上影响着乙烯生产能耗与能效。

2 乙烯生产裂解时的能源物料优化

乙烯生产的重点设备要属裂解炉。其在高温加热作用下，让原材料裂解成为小分子烃化物，此过程中有极大的能源消耗，所以运行效率对乙烯生产设备整体能效水平具有极大影响。在乙烯工业能源形势不断恶化与提高能效、降低能耗的趋势下，裂解时对裂解炉有关参数进行改进与把控，是乙烯生产有效实现节能减排、增强能效的重中之重。原材料性质与配比存在区别，也会致使裂解操作出现差异，最终导致乙烯产出率及能耗出现变化。调整裂解原材料组成，进一步提升乙烯收率是改进乙烯设备能耗最根本的要求。但是当前原材料的改进大部分处于乙烯成分轻质化的选用上面，并不是一定要调整轻重组分原材料比例。并且裂解当中的能源管理，大部分是通过节流的方式来降低能耗，没有重视能源的投入和配比调整改动所起的作用。依照乙烯生产能效分析结果，裂解原材料进料配比情况对乙烯生产能耗水平具有极大影响。通过分析乙烯产品需求因素，对裂解原材料配比进行合理改动，同时改进能源介质，改善原材料的同时加强能源管控，可以有效提高乙烯产品收率，并同时实现节能降耗。

要想化解乙烯生产裂解时存在的低能效、高能耗问题，应合理考虑原材料配比调整及能源管控方式，采用可以整体改进乙烯生产裂解中能源物料的措施，分步骤的优化原材料并调整能源。这一方面需要构建乙烯生产原材料配比改良模型，对不同需求条件下的原材料最优配比进行明确；另一方面要构建裂解炉燃料与原材料比改良模式，根据最佳原材料比约束，对裂解炉燃料与原材料进行综合改进，以此有效提高裂解当中的能效，实现节能降耗目标。

3 乙烯生产技术指标要求和裂解过程工艺

3.1 乙烯生产技术指标要求

乙烯生产技术水平重点通过乙烯产量、丙烯产量及企业乙烯综合能耗这三项指标来体现。

3.2 乙烯生产裂解过程工艺流程

前文提到，我国当前乙烯生产装置的裂解原材料主要有轻质原材料与重质原材料两种，原材料组分轻的情况下，出率高，但成本也越高。生产当中为让乙烯产出率与成本相平衡，主要是采取轻重原材料并用的方法，各组分原材料分炉加以裂解。裂解过程中采取多种原材料单独裂解方法，裂解气在裂解气管道汇集之后再一起进入分离流程，所以各种原材料的进料配比对乙烯产出率与能耗量都有较大影响。乙烯收率很大程度上受裂解原材料化学性质影响，各种裂解原材料的综合能耗有极大差距。相对轻质原材料，裂解重质原材料的能耗量要更高。但是，因为乙烯生产存在滞后性，各原材料的质量与化学组不能及时进行优化。所以要想增强乙烯生产综合能效水平，重点在于怎样优化裂解原材料的进料配比，同时基于此对能源进行优化管理。应根据原材料配比，构建乙烯生产技术指标改良模型，获取最合理的原材料进料配比，从而为操作人员提供最为科学的原材料进料方案。另外，生产当中要确保进料负荷与能源负荷的协调性，需要在获得最佳原料配比基础上，构建裂解燃料与原材料协调改良模型，提高裂解过程中的能耗水平。

3.3 优化方案的选定

为让乙烯生产原材料配比与裂解时的能源得到改良，原材料配比改进与能源物料协调改进需要分步骤进行，同时综合考虑产品的市场需求，从而让生产优化效果更加符合实际需求。

首先是对原材料配比进行优化。裂解原材料配比直接性影响着产品出率与能耗。应根据原材料配比的乙烯产量、丙烯产量、企业乙烯综合能耗三项生产技术指标，进行软测量建模，并基于此构建有着梯级优先权重的原材料配比优化模型，从而达到根据市场需求调整优化产品的原材料配比。其次是对能源物料进行协调优化。裂解炉能耗介质主要是燃料气，可以通过加强管控燃料气这种直接方式，让裂解达到节能减排目标。对于裂解炉提出燃料与原材料比指标，进行裂解炉燃料与原材料比优化建模，同时根据最合理的原材料配比，采用精英教学优化算法计算出最佳燃料与原材料的进料量，促使裂解过程达到节能降耗的目的。

4 结语

综上，石化行业是能源消耗大且污染排放量高的行业，乙烯工业正好是石化行业最基础和最主要的一个工业。因此对乙烯生产过程中能效优化及评估方法加以探究，有助于推进乙烯工业发展并实现节能减排。对乙烯生产工艺来说，节能降耗和能耗评估是一个立体的系统工程，两者具有密切联系。为符合国家节能减排的发展要求，促使我国绿色、长远发展，必须进一步对乙烯生产工业能源节能控制与能耗评估的立体系统工程加以研究，对存在的不足深化探究。