氢气平衡与优化技术在齐鲁分公司的应用分析_先控室徐钢博

氢气平衡与优化技术在齐鲁分公司的应用分析

中国石化齐鲁分公司信息网络中心先进控制室徐钢博

摘要：针对齐鲁石化氢气系统运行现状，采用氢夹点技术深入分析氢气系统存在的主要问题并进行氢气供用网络优化，在此基础上构建以产耗平衡监控、成本核算、管网模拟、调度优化为核心的氢气平衡与优化系统，实现对氢气生产、输送及消耗过程的全面管控，为降低氢气系统的运营成本提供有力支撑。结果表明：基于氢夹点分析开展供用网络优化，可有效降低炼油厂PSA系统的提纯负荷，减少耗氢装置不必要的氢损耗，获得显著的经济效益；通过产耗监控能及时发现氢气系统产耗不平衡、异常排放等情况，产耗成本核算可在线计算出产氢、耗氢成本，管网模拟可实现氢气管网任意管段氢气流量、流速、压降等指标的软测量，调度优化模块以用氢成本最低为目标给出优化调度方案，实现以耗定产、有效降低氢气运行的运行成本。

关键词：氢气系统，夹点分析，成本核算，管网模拟，调度优化

石油炼制主要是将原油的不同成分进行有效分离并通过加氢工艺转化成不同油品的过程。因此，在石油炼制和石油化工过程中，氢气一直扮演着一个重要的角色。近年来，随着原油重质化、劣质化，石油石化产品向深度精制、无害化的趋势发展，氢气作为一种原料消耗大幅度增长，同时由于增加制氢装置和氢气回收装置势在必行，造成氢气的生产成本也呈上升趋势[1]。SRI咨询公司指出，炼油厂加工重质原油增多，使得氢气消费增多，今后5年世界炼厂的氢气消耗增长将超过40％，如何降低炼油过程中的用氢成本一直是国内外关注的焦点问题[2]。多年来，齐鲁石化各级领导十分重视氢气系统的运行优化，先后通过增产煤制氢、裂解氢、重整氢及关停一制氢等举措，优化各装置的产氢比例及结构，有效降低了齐鲁石化的产氢成本。通过铺设高压氢气管线、增设新氢压缩机无级调节装置等有效降低了氢气的输送及压缩成本，有效降低了氢气系统的运营成本[3]。然而，目前我公司的氢气系统管理仍然相对粗放，氢气资源高质低用、异常排放等问题仍然存在。当前，以信息化和工业化深度融合为主要特征的智能工厂建设正在兴起，如何在公司前期良好工作的基础上，以公司智能工厂建设为契机，通过氢气平衡与优化系统进一步提升调度及管理人员的技术水平、降低系统的运行成本，保障油品升级、装置扩建等公司战略发展中的用氢安全，是公司面临的重要课题。本文以齐鲁石化氢气平衡与优化项目实施现状为基础，介绍各功能模块的主要特征、总结相关模块的主要技术方法，为相关人员更好地理解、使用和维护该系统提供参考。

1 氢网络分析与优化

1.1 氢夹点分析

20世纪90年代末，英国UMIST首次提出了炼厂氢气夹点概念后，这种类似于换热网络夹点分析的方法开始在水系统、氢气系统等领域进行了大范围的应用。氢夹点分析及优化的主要思路为：从整个氢气网络系统的氢气利用入手，分

析氢气网络的瓶颈，以最小公用工程氢气用量为目标，实现氢气浓度、流量的梯级利用，从而达到系统节约用氢的目的[4]。针对齐鲁石化氢气系统氢源多样、用氢装置对氢源要求不一、氢气网络复杂、氢气系统波动性较大等特点，利用氢夹点分析技术对氢气系统进行分析，获得流量-纯度曲线与氢气剩余曲线如图1-2所示。图1中粉色表示氢源，黑色表示氢阱。氢源是指在氢网络中可以给网络提供氢气的流股，主要为产氢装置。氢阱是指在氢网络中耗氢过程流股，主要为加氢装置。首先将氢源和氢阱的氢气浓度分别按降序排列。以氢气浓度为纵坐标，流股的流量为横坐标，分别作出氢源和氢阱的流量-浓度复合曲线。在流量-浓度复合曲线图上，每一股氢源和氢阱分别可以用一条水平的线段表示，线段两端点横坐标之差表示该股氢源或氢阱的流量，纵坐标表示其浓度。将所有表示氢源的直线段首尾相接为一折线，即氢源的流量-浓度复合曲线。氢源复合线以下的面积代表氢源可提供的氢量；氢阱复合线以下的面积代表氢阱需要的氢量；氢源复合线位于氢阱复合线上方，表示这个区域氢量过剩，可以补偿给亏缺区域。氢源复合线位于氢阱复合线下方，代表这个区域氢量亏缺，必须有氢量补充。在氢气网络中，氢源提供的氢气总量必须大于或等于氢阱所消耗的氢量，这时的氢气网络才可能优化。两曲线纵坐标相同，而剩余氢量图的横坐标为剩余氢量。如果氢源与氢阱包围的某部分面积为正值，则剩余氢量图上横线向右方延长，其长度等于氢源与氢阱包围的部分的面积，反之向左。剩余的氢气均按氢源和氢阱两者中低品质的浓度来取值。假设最高浓度氢源的流率，即公用工程用氢量，通过迭代计算作出氢剩余量图，直到公用工程氢的剩余量为0时，即得到系统的氢夹点，如图2所示。可见，目前运行状况下氢气系统的夹点为84%，夹点之上的氢源必须与夹点之上的氢阱进行匹配，同样夹点之下的氢源也必须与夹点之下的氢阱进行匹配，PSA等装置对氢气进行提纯时，应当穿越氢夹点才能使氢气资源的整体利用率最大化。

图1 氢气流量—浓度曲线图2 剩余氢气曲线由结果可以看出，目前齐鲁石化氢气系统存在的主要问题是氢气资源高质低用。两套S-zorb装置、四套硫磺装置氢气需求量较低而过分使用高纯度氢气

造成了不必要的氢损耗及氢气资源浪费。而加裂PSA 等装置穿越氢夹点对低品质氢源进行提纯使装置长期处于高负荷的状态下运行，造成提纯成本的进一步上升并且会在提纯过程中损失一定的氢气资源。

1.2 氢气供用网络匹配

氢夹点获得之后，可将氢气系统分为夹点之上、夹点之下两部分分别进行优化匹配。考虑到氢管网的改造成本，需要在现行氢气系统不做较大改动的前提下进行优化，以最小的改造成本获得最大的经济效益。优化匹配结果如图3所示，相对于目前氢气网络优化后的变化主要体现在：加氢裂化PSA 进料部分直接供1#S-zorb 、一加氢、二加氢等装置使用，蜡油加氢低分氢直接供2#S-zorb 装置使用，重整氢大部分供三加氢装置使用。氢网络优化后可将南区PSA 装置关停，北区加裂PSA 装置负荷降低，同时使二制氢装置的产氢量降低1600 m3/h 左右。优化后氢气系统的产氢成本及提纯成本将大幅度降低。

二制氢炼厂PSA 电解氢塑料厂PSA 二化氢齐翔氢连续重整99.9%

99.9%99.9%99.9%99.5%99.2%

95%

SSOT

VRDS 加氢裂化一加氢脱蜡蜡油加氢二加氢A 系列三加氢一加氢石脑油加氢二三四硫磺五硫磺航煤加氢1#汽油脱硫2#汽油脱硫

99.5%99.5%99.5%99.5%99%95%95%92%90%90%80%75%75%1700033000510001000240008000320007000700500700800250053000

15000

6500

1023018000

35000

34327PSA 进料气84.4%

6643

102305221117799630233701419

650015000178511000

6800

172005535

2465320003522

3478700500700蜡加低分气800250085.3%

250099.9%99.6%99.7%

99.9%

99.4%

95.1%

95%92.2%99.9%99.9%99.2%84.4%85.3%170003300051000

1000

24000

80003200070007005007008002500

图3 基于现有管网的氢气网络优化匹配结果

1.3 优化方案及效益分析

基于氢气网络优化进行改造，将炼油厂北区将重整氢或低分气直接供硫磺、S-zorb 、一二加氢装置使用，可减少加裂PSA 氢气提纯量约5000 m3/h 。根据财务成本核算数据，PSA 氢气提纯成本约为1300元/吨，其中动力消耗约650元/吨。按装置年运行8000h 计算，氢网络优化后重整氢直接利用产生的经济效益为：5000×0.08988×0.001×650×8000=234万元/年。将南区蜡加PSA 低分气直接供2#S-zorb 使用，将蜡加PSA 装置关停后，可降低PSA 氢气提纯量