炼厂氢气网络系统集成与优化

化工活动家 2021年5月24日浏览：1517

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编辑 | 化工活动家

来源 | FRIPP 炼油技术与工程

作者 | 王阳峰等

关键词 | 炼厂氢气网络系统集成优化

共 2433 字 | 建议阅读时间 11 分钟

导读

随着原油重质化劣质化趋势加剧、油品质量升级步伐加快及产品结构调整变化，各炼油厂对氢气的需求量不断增加，氢气已成为炼油厂原料成本中仅次于原油的第二大成本。

炼厂氢气网络系统集成与优化的图1

某炼厂氢气系统现状

某炼化公司氢气系统主要由供氢单元、耗氢单元、氢回收单元及氢气管网构成：

供氢单元包括1号天然气制氢装置(1号装置)、2号天然气制氢装置(2号装置)、1.2Mt/a连续重整装置及外购氢；

耗氢单元包括1.0Mt/a柴油加氢装置、600kt/a航煤(喷气燃料)加氢装置、2.6Mt/a柴油加氢装置、1.5Mt/a渣油加氢装置、1.8Mt/a蜡油加氢装置、1.5Mt/aSZorb装置、硫磺回收装置及聚丙烯装置；

氢回收单元包括1套变压吸附提浓装置(简称PSA)；

氢气管网为2.0MPa氢管网及1.0MPa氢管网。氢气平衡见下表。

炼厂氢气网络系统集成与优化的图2

由上表可以看出，全厂氢气需求量74050m3/h，其中需要外购氢20000m3/h才能满足氢气供需平衡。

耗氢装置用氢情况如下表所示。

炼厂氢气网络系统集成与优化的图3

1.0Mt/a柴油加氢装置、航煤加氢及蜡油加氢装置氢油比、循环氢纯度等均高于控制指标，存在节氢、节能优化潜力；

2.6Mt/a柴油加氢装置反应器入口氢纯度小于要求指标。从确保装置长周期运转、产品质量角度来看，该装置存在优化空间；

从延长催化剂运转周期、高分外排氢梯级利用角度来看，渣油加氢装置还存在优化节氢、确保装置长周期运转的潜力。排氢流股信息见下表。

炼厂氢气网络系统集成与优化的图4

从上表可以看出，炼油厂排放至燃料气(瓦斯)系统的含氢流股中含有大量氢气资源；催化裂化(FCC)干气氢含量相对较低，但总量大；轻烃回收装置脱硫后干气、加氢装置排放气、PSA解吸气的氢体积分数均超过50%。

氢气系统模型开发

模型建立

氢气系统模型主要涉及供氢装置模型、耗氢装置模型、氢回收装置模型及其他装置模型。不同于单元装置模拟优化研究，氢气系统数学模型侧重于数据平衡、变化预测、优化求解等，不必过多考虑单元装置内部工艺过程机理，因此对氢气系统数学模型进行特殊处理。供氢装置模型主要包括制氢装置模型、副产氢模型。制氢装置模型可描述天然气水蒸气重整制氢、煤制氢等主要制氢工艺，模型是由实际装置不同工况下运行数据分别拟合得来；副产氢模型可以描述重整产氢、乙烯装置产氢等，模型则是人为输入指定的氢气流量、压力、组成等信息。耗氢装置模型如下图所示。

炼厂氢气网络系统集成与优化的图6

原料油、补充氢及循环氢经过反应器后，再经高压及低压分离器分离成高分气、低分气及油相。高压及低压分离器采用PR模型，反应器模型参数是利用装置不同工况实际运行数据，通过逻辑计算框图迭代计算求得。

炼厂氢气网络系统集成与优化的图7

获得不同工况下反应器模型参数后，即能以此预测相近工况下的反应产物分布变化。氢回收装置模型主要包括膜分离模型、PSA模型。

膜分离装置模型有两种构建方法：一是采用各气体组分通过膜材料的渗透系数进行建模计算；另一种方法是根据实际装置运行数据拟合求得各组分回收率进而构建模型。PSA模型则根据装置实际运行数据拟合求得各组分回收率进行建模。根据装置实际关联，将各基础模型通过流股连接构建全厂氢气系统数学模型。

炼厂氢气网络系统集成与优化的图8

1号制氢装置、2号制氢装置采用详细制氢模型，重整氢采用副产氢模型，描述供氢装置向氢气系统供氢；

1.0Mt/a柴油加氢、航煤加氢、2.6Mt/a柴油加氢、渣油加氢、蜡油加氢、SZorb采用详细耗氢装置模型，干气、低分气、高分外排氢分别送至相应下游装置模型，硫磺回收装置耗氢采用简易耗氢装置模型描述，仅需指定耗氢量等信息即可。

PSA装置采用以回收率为基础的PSA模型描述，产品氢送至氢管网，解吸气增压后送至瓦斯系统。

优化模型开发

氢气系统涉及面广、数据量大，难以依靠经验或试差求得方案的最优解，因而以GAMS软件为基础开发氢气系统通用优化数学模型，针对不同优化方案，仅需微调目标函数或约束条件即可。目标函数为

炼厂氢气网络系统集成与优化的图9

约束条件汇总见下表。

炼厂氢气网络系统集成与优化的图10

优化方案研究

外购氢成本高、不稳定是企业氢气系统当前最大问题，如何设计优化方案减小外购氢对企业用氢安全性影响是研究重点。

制氢装置运行负荷优化

1号装置产氢压力1.0MPa，主要供该公司化工部相关装置及1.0Mt/a柴油加氢。当该公司化工部装置停工时，1号装置仅维持低负荷运转。针对上述问题，拟新建1台压缩机将1号装置产品氢升压至2.0MPa后并入高压氢管网。以供氢成本最低为目标，除表4设定约束条件外，增加固定重整产氢、固定PSA提纯能力约束条件，利用优化模型开展方案核算，优化结果如下表所示。

炼厂氢气网络系统集成与优化的图12

H2梯级利用优化

一方面1.0Mt/a柴油加氢、航煤加氢及蜡油加氢装置用氢条件富余，存在优化用氢空间；另一方面，大部分连续重整氢送至PSA装置进一步提浓，造成部分氢气随解吸气而损失。针对上述问题，利旧已有管线，将部分重整氢分别送至1.0Mt/a柴油加氢、航煤加氢及蜡油加氢装置，实现连续重整氢的梯级利用。

以供氢成本最低为目标，利用优化模型开展方案核算，在当前价格体系下，通过重整氢直供、减少外购氢420m3/h，年节省成本387.58万元。采用重整氢直供1.0Mt/a柴油加氢、航煤加氢及蜡油加氢装置后装置用氢情况如下表所示。

炼厂氢气网络系统集成与优化的图13

与当前生产工况及装置设计要求相比，用氢条件略微发生变化，但均满足设计工艺要求，不会对产品分布及质量产生不良影响。

H2-轻烃综合回收优化

1.0Mt/a柴油加氢及航煤加氢装置排放气、催化裂化干气、轻烃回收脱硫后干气已通过轻烃回收装置或吸收稳定装置等进行了轻烃回收，干气中氢气得以富集；蜡油加氢装置PSA，SZorb排放气中除大量氢气外，还含有较多轻烃资源。

上述富含氢气、轻烃的干气均排放至瓦斯系统，高附加值资源未得到有效回收利用。针对上述问题，拟新建一套油吸收装置、PSA装置，对全厂的H2-轻烃进行综合回收，流程示意如下图所示。

炼厂氢气网络系统集成与优化的图14

以供氢成本最低为目标，增加油吸收装置、新建PSA装置能力约束条件，利用优化模型开展方案核算，优化结果如表7所示。由表7可以看出，在当前价格体系下，通过氢气优化回收，能减少外购氢12014m3/h，扣除增加的压缩成本、燃料热值补充成本外，经济效益为9738.21万元/a，测算装置投资17866.92万元，投资回收期1.83a。

集成优化方案

实施“制氢装置负荷优化+H2梯级利用+H2-轻烃综合回收优化”，以供氢成本最低为目标，利用优化模型开展全厂氢气系统测算。在当前价格体系下，通过释放制氢装置负荷产能、氢气梯级利用、氢气资源回收等措施，当1号制氢装置满负荷运行、2号制氢装置负荷提高至87.05%时，无需外购氢就能满足系统用氢需求，从根本上保障了氢气系统的安全、稳定运行。

素材来源&作者简介：王阳峰，工程师，硕士研究生，2012 年毕业于中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院化学工艺专业，目前主要从事石化企业节能技术相关研究。

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