炼油过程能量优化

炼油过程能量优化系统方法和实践长岭石化2011.8.23石化工业是典型的过程工业ProcessIndustry构成：单元操作与单元设备原理：三传一反（质量、热量、动量传递，化学反应）行业：石化、钢铁、医药、造纸、食品等过程系统构成反应分离换热网络全厂热电系统化学合成过程开发热回收加热冷却公用工程泵/压缩机洋葱模型三环节模型过程工业能量优化方法－过程能量综合（ProcessIntegration）•过程能量综合（PI）属于过程系统工程PSE（ProcessSystemEngineering）研究范畴；•继上世纪20年代单元操作、60年代传递现象研究之后化学工程的第三次突破；•PI是“选择优化的单元设备及其间的联结关系组成一个化工过程系统，从给定的原料生产一定的产品，在最小总费用和最小环境污染条件下安全地生产，并在运行中采取和保持最优的操作条件”（Westeberg）；1、过程系统技术由系统设计、系统操作和系统控制三部分组成，PI属于系统设计；2、属交叉科学，涉及系统工程、化学工程、控制理论、计算机、经济、环境等学科。3、应用于设计、改造、扩产、消瓶颈、生产过程调优等多层次；4、有数学规划法(MathematicalProgramming)和试探法（HeuristicMethod)两类主要研究方法；过程能量综合（PI）过程能量综合（PI）()X()0CX()0EXMins.t.数学规划法（LP、NLP、MINLP）可能的匹配热物流NH热公用工程NS冷物流NC冷公用工程NW•可能的匹配数P=（NH+NS）×（NC+NW）－（NS×NW）•若网络中有N台换热器，则可能的方案数=P!/(N!×（P-N）!)N是变数：N∈（Nmax,Nmin）Nmax=PNmin=NH＋NC•可能的总方案数＝∑P!/(N!×（P-N）!)•总费用最小的方案是最优合成方案如换热网络合成过程能量综合（PI）数学规划法（LP、NLP、MINLP）例：2股热流、2股冷流的换热网络（转运模型超结构）数学规划法（LP、NLP、MINLP）2股热流、2股冷流换热网络转运模型超结构优化求解,,,,,,,1111111111,,,111111minhckhckhckhkckhkcNNNNNNNNNNcucuihuhujijkijkikijkijkijkiNNNNNNjkikjkkjkikjCqCqPSMMSPSP,,,,,,,,min,,,,,,,,min,,,,min,,,,min,,,,min,,,,minhinijkcoutijkhoutijkcinijkhinicucuouthouticucuincinjhuhuoutcoutjhuhuinTTTTTTTTTTTTTTTTTT,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,0,0,00,0,0,00,0,0,0,0hinijkhoutijkcinijkcoutijkhinicuhouticucinihucoutihucuouthuoutijijkTTTTTTTTTTQQq目标函数约束条件2股热流、2股冷流换热网络转运模型超结构优化解13532152647200℃141.13℃46.3℃110.54℃150℃57.21℃60℃30℃20℃80℃135℃140℃135℃131.13℃92.23℃换热网络其它信息:换热器热负荷/KW换热面积/m2其它参数11932.744.52能耗费用:40766$21371101.77面积费用:58185$3467.314.98固定费用:60200$4509.610.83分离器费用:800$5375.872.88混合器费用:800$61424.323.58总费用:160751$753.51.04最小传热温差:10℃数学规划法（LP、NLP、MINLP）过程能量综合（PI）试探法：如“夹点”技术（PinchTechnology)1、温差是推动力；2、热量逐级利用、垂直匹配；3、给出7个重要参数（夹点温差、夹点温度、最小热公用工程、最小冷公用工程、有效热负荷、最大冷物流换热终温、最小热物流换热终温）；4、夹点处按夹点原则匹配，非夹点处自由匹配；T△HTpinch△Tmin△Hh,min△Hc,minQ复合曲线（compositecurve）过程能量综合（PI）•数学规划法基于超结构寻优，不会丢失最优解，但不能解决复杂问题；•试探法利用热力学、化学工程原理，基于工程经验和约束，从众多可行结构中确定最终结构，可能丢失最优解，但能解决复杂问题（例下图）；•目前呈两者融合发展之势；CP290℃60℃70℃70℃2.53112(105)(135)Q60125135Qh-Qc=4090℃4.560℃20℃25℃1053.5135222(20)C(40)CP290℃60℃70℃70℃2.53331(125)(75)Q60125135Qh-Qc=4090℃560℃20℃25℃3122(60)C(40)65℃CP290℃60℃70℃70℃2.53113(125)(115)Q60125135Qh-Qc=4090℃4.1760℃20℃25℃1253.83115322(20)C(40)还可能有其他可行方案方案1和3换热器大小不均匀，宜选2。方案1方案3方案2•原油加工综合能耗比国际先进水平高约10kg标油；•2008年我国原油一次加工能力4.38亿吨；•2008年我国消耗原油3.8965亿吨，其中进口1.9985亿吨，对外依存51.3％；我国炼油工业节能潜力巨大我国炼油能耗不断降低No.年份中石化能耗（kg标油/t原油加工）1199887.142199985.403200079.344200178.255200278.326200376.067200473.528200566.8992007（上半年）66.5910200863.7811200961.18估计中国炼油平均能耗65kgEO/t；节能促进减排No.排弃物数量（亿吨）1CO21.275**2SO214.023NOX14.454H2S26.255TSP3.536烃类28.18我国2009年炼油排放估算值**占2009年世界CO2总排放量的～2％；*2009年加工原油3.75亿吨炼油过程能量优化系统方法特点：1、系统性；2、分解协调；3、火用经济优化；4、开放结构；总能规划装置/单元间热供料和热联合装置/单元内部能量优化全厂低温余热大系统优化利用全厂蒸汽动力系统运行优化开始结束1、总流程和总生产方案优化2、确定合理的能源消费3、将周边地区纳入炼厂能源供销范围4、确定节能减排的重点5、能量系统集成初步规划一、总能规划能耗权重1、总流程和总生产方案优化（分设计、改造等不同层次）1）多套相同和同类装置开停（如常减压、催化、气分、加氢）；2）主流程（如渣油走焦化/溶脱/减粘/加氢精制/加氢裂化方向？；如炼化一体化走乙烯/芳烃/乙烯＋芳烃/小化工方向？；如汽油和石脑油产量平衡？如轻烃深加工等）；3）物料（如原油调和；主要生产装置原料优化；制氢原料选择；回收轻烃和氢气；深度互供料的炼化一体化；石脑油、芳烃、汽油收率平衡；原料（油）分储分炼（乙烯原料分储分裂）等；4）流程组合和停开某些装置的局部流程（如不同装置但相同功能流程的合并；如改变操作条件或补充某些措施以停开某些装置的局部流程；如关停一些已经没有必要或重复的流程；如通过转移一些功能给其他装置从而关停某些装置的局部流程等）；5）总图布置（不但关注工艺装置，也要关注低温余热回收利用、热联合和热供料等）；6）针对实际运行与设计差异的流程和操作调整；改决这类问题的主要方法：“桌面”或“智能”炼油厂一、总能规划能耗权重例1：某厂蜡油加氢装置停开汽提塔后分馏部分流程E5103A-CE5101A-CF5101R5101P5106ABE5106E5106E5105A-DE5105A-DE5110(1.0MPa)E5104(0.5MPa)175℃去催化E5109(0.5MPa)A510460℃出装置T5103T5102E5112(0.5MPa)石脑油出装置去燃料气系统0.08MPaF5102325℃385℃215℃T51010.8MPa去脱硫系统高低分系统248℃1.0MPa汽2.8t/h400℃1.0MPa汽5.2t/h400℃400℃335℃310℃氢气原料蜡油157℃去E5103A-C（常关）蜡油E5103回P5101ABP5105AB去催化临时措施改造措施装置能耗估计降低一半以上，即～12.96×60％＝7.8个单位；全厂贡献：-7.8×220/800＝-2.15个单位；4）流程组合和停开某些装置的局部流程例2：某厂重整装置停苯塔后的流程脱戊烷油C6～C8去抽提E003T001脱辛烷塔V301AB白土塔T301苯塔E305ABE308ABT302甲苯塔甲苯出苯出694.2二甲苯塔底油抽提单元混合芳烃非芳烃二甲苯塔顶油气二甲苯塔顶油气F301T303二甲苯塔混合二甲苯热量：E319产汽去E308ABE305AB3949做E313E317E003E119热源E313T304邻二甲苯塔邻二甲苯二甲苯塔底油E317T305重芳烃塔C9芳烃出调汽油二甲苯塔底油C10出调柴油C9+C10E3023.5MPa汽200℃3065实际不出OX全塔停红：实际值；兰色：设计值方案：一、停苯塔后流程、抽提系统不变；二、脱辛烷塔改为脱C6塔，改芳烃抽提为苯抽提且停苯塔及苯塔后流程；三、脱辛烷塔改为脱C7塔，改芳烃抽提为苯抽提且开苯塔但停苯塔后流程；建议：采用方案一；但C10组分进汽油？柴油？即开不开重芳烃塔T305？建议重整原料轻点，适当降低重整反应苛刻度，又全厂氢气平衡问题？4）流程组合和停开某些装置的局部流程4）流程组合和停开某些装置的局部流程例3：某厂加氢裂化装置停吸收塔和脱硫塔流程F3402脱丁烷塔T3401297℃去分馏塔T3403冷低分油146℃74.5t/h热低分油264℃160t/h2227A3402E3415V3411E3412脱乙烷塔T3402LPG去脱硫3t/h8E3416V3413航煤一次E34181.25MPa76℃1.43MPa60℃无吹汽375℃计150034t/h3.16t/h40计8.4去T3401吸收塔T3406E3402低分油E3403石脑油去再生富氢气体脱硫塔T3408冷低分气外装置来富氢气体（停）富氢气体去制氢装置贫溶剂V3427来石脑油分馏塔T3407T3403柴油航煤粗石去重整轻石外卖、调和重石1、气体少；2、邻近催化吸收稳定有富余；3、低分气进膜分离；?例4：某厂重整装置停预加氢反应产物蒸发脱水塔冷回流流程4）流程组合和停开某些装置的局部流程C102汽提塔A10329精制石脑油D104120E107燃料气82.8kg/hP110P109H103AB1.35MPaG预加氢反应产物62.4t/h35.1℃62.4t/h35.1℃E106163.4℃177.3℃116.4℃1.41MPaG111.5℃406kg/h25.6℃25.6℃7.5t/h300kg/h227.8℃225.9℃233.1℃140t/h104.4℃130℃～62t/h62.3t/h88.523.3kg/h331.5燃料量342nm3/h234.3℃125.2t/ha=56%12.4t/h50t/h原5.64416.3370.1原模拟值例5：某厂常压塔新增侧线停重整原料切尾塔4）流程组合和停开某些装置的局部流程轻石出重石出H101H104H102C101拔头塔C103切尾塔R101ABC102汽提塔H2石脑油常一线煤油初底原油常压塔预加氢E101热载体加氢精制分子筛≤C9外送nC10～nC13和nC10～nC14轻蜡拔头塔C101新增停切尾塔169~269℃馏分不得不开切尾塔例6：某厂配合燃料调整和工艺用汽方案调整及全厂低温余热回收停开锅炉和发电机组例7：某厂