石油学报·石油加工杂志投稿格式参考范文：炼油厂燃气瓦斯系统优化调度及应用

　　引言

　　燃气瓦斯作为炼化生产的副产品，是炼化企业最主要的燃料源。炼化企业的瓦斯资源通过燃气瓦斯系统进行调度调配，生产所需 90% 以上的燃料都来自瓦斯系统 [1 - 5]。近年来，随着企业对生产安全的日益重视以及对 “双碳” 目标的响应，保证炼油厂燃气瓦斯系统运行的稳定、降低安全隐患、实现资源最大化利用、减少排放、减少补烧燃料并降低系统运行成本已成为企业关注的热点问题。

　　目前，针对炼油厂的优化调度问题，国内外学者已经进行了大量研究，但针对燃气瓦斯系统方面的优化调度研究工作较少 [6 - 9]。Frangopoulos 等 [10] 在建立炼油企业热电联产系统计划优化模型时考虑了炼油厂蒸汽和瓦斯等多种能量介质的相互关系;Zhang 等 [11] 在做炼油企业全厂计划研究时将瓦斯的物料平衡和能量平衡约束集成到模型中实现全厂资源优化分配;Zhang 等 [11 - 14] 先后建立了炼油厂能量系统的优化调度模型和模糊优化模型并针对燃气瓦斯管网进行了建模;Zhou 等 [15] 基于燃气瓦斯管网的结构建立了瓦斯管网的操作优化模型，实现在调度过程保证管网压力的稳定;梅运谊等 [16] 利用遗传算法求解炼油厂瓦斯生产调度的问题，论证了遗传算法在求解瓦斯系统优化调度问题的有效性;周卫峰 [1] 以实时数据为基础，建立瓦斯系统的优化调度模型，同时考虑了瓦斯系统调度的物料守恒和热量平衡，其模型可以有效降低瓦斯系统的调度成本;王宽心等 [17] 根据热值平衡关系建立了瓦斯系统的调度模型，并利用加热炉的最佳热值需求和燃料的热值进行夹点匹配，从而实现燃料的最大化利用;苏宏业等 [18] 建立的瓦斯系统调度平台，考虑了多个周期的调度问题，并且考虑补烧燃料种类对燃气瓦斯系统的影响，填补了国内瓦斯调度系统信息化的空白。但是这些研究只针对燃气瓦斯系统某几个影响因素进行优化调度，难以应对燃气瓦斯系统的复杂工况。

　　笔者从炼油厂生产实际出发，综合考虑生产装置的热量需求、瓦斯系统物料守恒、装置操作约束、燃气瓦斯管网工艺流程、气柜缓冲、压缩机、脱硫装置、补充燃料决策和瓦斯放空等多项因素，建立了炼油厂燃气瓦斯系统的多周期优化调度模型。针对炼油厂实际的燃气瓦斯系统进行了调度优化计算，模型求解得到的调度方案与生产现场的适配性高并可以降低系统补烧燃料量和减少瓦斯泄放量，对企业瓦斯调度问题具有参考意义。

　　1 燃气瓦斯系统优化调度模型

　　1.1 燃气瓦斯系统调度存在的问题及其优化方案

　　典型的炼油厂燃气瓦斯系统主要包括生产装置、瓦斯管网、加热炉、气柜、压缩机和火炬等部分 [19]。瓦斯系统管网分为压力低于 0.1MPa 的低压瓦斯管网和压力为 0.45 - 0.65MPa 的高压瓦斯管网 [20]。低压瓦斯管网和装置的低压放空系统相连，输送生产装置的低压瓦斯。高压瓦斯管网输送生产装置的高压瓦斯，并负责为加热炉提供燃料气，以满足生产装置的热量需求。低压瓦斯一般硫含量较高难以被加热炉直接使用，通常先储存在气柜中，经过压缩机加压和脱硫后，再送入高压瓦斯管网;高压瓦斯经管网输送到加热炉中燃烧，为生产装置提供热量。此外，当高压瓦斯管网提供的燃料不足或者燃料热值较低时，需要补烧燃料来满足生产装置的热量需求;当瓦斯产量过剩或者瓦斯热值较低难以利用造成局部压力过高时，需要通过火炬泄放 [19 - 23]。

　　燃气瓦斯系统调度过程中存在的问题是，由于企业装置改扩建导致瓦斯系统管线混乱，管网内瓦斯流向不清晰;系统涉及生产装置多，不同装置瓦斯间产耗耦合性强;燃气瓦斯系统一直缺乏较为有效的调度优化工具，调度人员只能依靠经验来进行瓦斯的调度分配 [1]。但是依靠经验的调度，无法及时响应瓦斯组成以及操作工况的变化，并且难以对瓦斯产耗进行综合调度，在炼化生产过程中经常出现阶段性补烧燃料或瓦斯泄放火炬，造成成本升高、资源浪费和环境污染。甚至由于瓦斯产耗不平衡引发安全事故 [24 - 26]。

　　燃气瓦斯系统调度优化的解决思路为：依据生产计划中装置的热量需求和系统管线的物料守恒计算出整个系统瓦斯的分配方案;利用分配方案和装置的操作负荷调整各个装置的瓦斯产量;依据瓦斯产量和分配方案计算出系统可以提供给装置的热量和装置的热量需求对比，如果满足就输出调度方案，否则再次寻优，通过负反馈的思路建立燃气瓦斯系统的优化调度模型。与以往学者 [9 - 18] 建立的调度模型不同的是，本研究中优化调度模型不再仅依赖改变生产装置的瓦斯产量和需求量来进行燃气瓦斯系统的调度优化，而是结合系统管线走向，通过结合调整分配方案和变动生产装置的瓦斯产耗量实现系统的优化调度，从而减少装置操作负荷的变动。

　　1.2 多周期优化调度模型

　　1.2.1模型假设

　　以燃气瓦斯系统运行稳定和调度操作费用最低为目标，以燃气瓦斯系统的物料守恒、热量需求满足和操作规程等为约束条件，建立炼油厂燃料气系统的优化调度模型，模型的建立基于以下前提：

　　(1)瓦斯管线与生产装置、加热炉、气柜和火炬等装置的连接处不存在漏气;

　　(2)生产装置产生的瓦斯气全部进入瓦斯管网，不考虑管线排凝;

　　(3)进入加热炉的燃料完全燃烧，且同周期内加热炉效率恒定;

　　(4)只考虑管线的输送作用，不考虑系统管线气体累积。

　　1.2.2 约束条件

　　模型的约束条件主要包括物料守恒约束、热量需求约束和操作规程约束。对于燃气瓦斯系统的物料守恒，在以往的研究中很多学者只考虑整个管网系统的物料守恒，未考虑分配管线的物料守恒，虽然燃气管网整体满足了产 - 耗平衡，但是仍然会存在部分生产管线进出不平衡造成局部压力过高或过低，需要补烧燃料或放空瓦斯，从而造成资源浪费。本研究中不仅考虑低压和高压管网整体的物料守恒，还考虑了瓦斯分配管线、气柜脱硫系统和进入加热炉燃料的物料守恒。

　　燃气瓦斯系统的调度需要保证生产装置的正常运行，加热炉产生的热量要满足耗瓦斯装置的热量需求，这不仅保证生产装置正常运转的关键，也是燃气瓦斯系统调度的目的之一。

　　受处理能力影响，生产装置的瓦斯产量、耗量有上下限，在调度过程中不能超过该范围。气柜作为燃气瓦斯系统中最重要的缓冲装置，气柜要留出足够的调度容积，气位需要尽量维持在 1/3 部分。夜晚气温低时管网内瓦斯中重组分冷凝容易造成燃料气短缺，白天气温升高后冷凝组分蒸发会造成瓦斯过剩，因此傍晚时气柜的气位需要调高用气柜内瓦斯补充燃料气，同理黎明时气位需要调低用气柜内空间缓冲蒸发的瓦斯 [26]。进入加热炉的燃料热值过高或者过低除了会影响加热炉的效率外，低热值的燃料需要更高的流量才能满足装置热量需求，而高热值的燃料则需要更低的流量，流量的变化势必会造成管网压力波动影响管网的稳定。

　　2 模型应用研究

　　2.1 炼油厂燃气瓦斯系统状况

　　某炼油厂低压瓦斯根据装置地理位置通过 3 条放空管线汇集进入气柜脱硫系统，该企业的气柜脱硫系统包含 2 套气柜。高压瓦斯来源共有 12 个，其中主要的瓦斯来源为气柜脱硫系统(GDPS)、1# 干气提浓(1#SEDG)和干气回收富乙烷(REDG)这 3 套装置还有来自化工装置的干气(DGCU)，产生的瓦斯占系统内瓦斯总量的 80% 以上。该企业的瓦斯消耗装置共 31 套，其中瓦斯消耗量大的几套装置为 1# 连续重整(1#CCR)、2# 连续重整(2#CCR)、1# 常减压蒸馏(1#CDU&VDU)、4# 半常减压蒸馏(4#CDU&VDU)和 5# 常减压蒸馏(5#CDU&VDU)，加热炉需要处理系统内 50% 以上的瓦斯。

　　2.2 模型求解

　　根据该炼油厂的生产轮班情况以 8h 作为调度时间尺度，每个调度周期的时间长度为 1h，8h 相当于 8 个调度周期，建立该企业燃气瓦斯系统优化调度的数学模型。对比 SLSQP 算法、差分进化算法、粒子群算法和遗传算法求解模型问题的效率，其中 SLSQP 算法对优化变量的初值依赖较大;差分进化算法求解效率过低，且容易陷入局部最优解;粒子群算法容易陷入局部最优解;而遗传算法对初值依赖性低，求解效率高且能够跳出局部最优解。综合考虑算法的求解效率和稳定性决定采用遗传算法 [30] 进行求解。

　　2.3 优化结果

　　燃气瓦斯系统的优化模型建立完毕后，模型中涉及到 609 个待优化参数，主要为生产装置的瓦斯产量、气柜的气位、加热炉的瓦斯消耗量、系统的瓦斯排放量、燃料补充量以及每条生产管线中瓦斯的来源和分配情况。采用遗传算法对模型涉及到的 609 个待优化参数进行优化求解得到各个装置在不同周期的产、耗情况。系统内瓦斯的产、耗略有波动，但总体未产生大幅变动，保证了燃气瓦斯系统的稳定性。

　　根据各装置瓦斯的产量和进入加热炉燃料量，计算出各周期燃气瓦斯系统的物料守恒情况，各调度周期瓦斯的总产量、消耗量变化平稳，装置产生的瓦斯被加热炉利用的比例较高，保证了系统内瓦斯的产 - 耗平衡，使系统瓦斯资源有较高的利用效率，同时避免了因瓦斯管线进、出瓦斯量不平衡引起压力不稳定，从而保证瓦斯系统的稳定运行。

　　加热炉提供的热量大于装置需求的热量，在满足装置热量需求的同时未造成热量资源的浪费，使企业热量资源有较高的利用效率。

　　各个调度周期气柜气位变化不大，2 个气柜都留出足够的容积，气柜气位变化平稳，调度过程中避免了气位大幅变化造成瓦斯管网压力波动的现象。

　　与原调度方案相比，优化后可以减少燃料补充量，完全采用企业自产的异丁烷作为补烧燃料，避免了外购天然气，为企业减少了购买燃料的费用，并且可以减少过剩瓦斯排放量，有效减少了瓦斯排放造成的资源浪费。

　　将优化前企业的调度数据和优化后的优化调度数据带入目标函数中，依据生产企业提供的费用系数计算优化前后燃气瓦斯系统的运行费用。优化后可为企业减少调度操作费用 38.6%。

　　3 结论

　　(1)以燃气瓦斯系统运行稳定和操作费用最低为原则，建立了炼油厂燃气瓦斯系统多周期优化调度模型，在考虑了燃气瓦斯系统调度的多种影响因素的前提下，结合瓦斯管网分配方案和装置瓦斯产、耗进行调节，减少装置生产负荷的变动，从而保证装置的平稳生产。

　　(2)以国内某炼油厂瓦斯系统的运行状况为例，建立优化调度模型，求解得到各周期最优调度方案。模型给出的优化方案可行性高，可为现场调度提供参考。优化方案比原调度方案减少燃料补充 60.3%，减少过剩瓦斯排放 75.2%，可为企业节省近 38.6% 的调度操作费用。

魏世强;江洪波;双秀芝;侯立新,华东理工大学化工学院;石油加工研究所;石化盈科信息技术有限责任公司,202502