瓦斯平衡与优化系统在炼油厂的应用_先控室耿晓黎

瓦斯平衡与优化系统在炼油厂的应用
齐鲁分公司信息网络中心先进控制室耿晓黎
摘要：介绍了齐鲁石化炼油厂瓦斯平衡与优化系统的构架；针对齐鲁石化炼油厂瓦斯的产耗现状，构建以实时监控、异常报警、管网模拟、产耗预测及调度优化为主要功能模块的信息化系统，实现对瓦斯排放、存储、消耗及回收等全过程的精细化管控。

能够及时发现低压瓦斯的异常排放，对各装置燃料消耗情况进行跟踪统计，并通过基于软测量，数据驱动方法实现未来多周期内瓦斯产耗情况的预测，在保证各加热炉瓦斯热值基本平衡的情况下，确定天然气的最佳补入位置及补入量，实现瓦斯中乙烷、乙烯等有效成分的最大化回收利用，从而提高炼厂的整体效益。

关键词：炼油厂，瓦斯系统，实时监控，优化调度
瓦斯是国内炼化企业能源消耗的重要部分，占炼厂总能耗的50%以上。

一般分为高压瓦斯和低压瓦斯两个等级，高压瓦斯负责给各生产装置及动力锅炉提供燃料，低压瓦斯系统与各装置火炬气排放管道相连，负责收集各装置排放的低压火炬气并经过气柜、压缩机等设备打入高压瓦斯管网供各燃料消耗装置使用。

近年来，国内大中型炼厂通过控制瓦斯排放、增设气柜等存储设备等基本上杜绝了瓦斯随意放火炬燃烧，但由于瓦斯系统波动较大，对瓦斯中有用成分的回收利用力度仍然不够，大量C2以上的组分燃烧不但浪费了宝贵的化工原料而且容易因燃烧不充分污染环境好。

因此，做好瓦斯系统的平衡是保障各装置安全生产、节约燃料成本的关键，对瓦斯系统的操作进行优化将极大地挖掘炼油企业降本增效的潜力。

瓦斯系统是齐鲁石化炼油厂最为庞大、复杂的公用工程系统，仅炼厂的低压瓦斯排放点就有500余处，高压瓦斯燃烧炉20余套，以催化裂化干气、焦化干气、各加氢装置脱硫净化气、气柜回收气为主要气源。

近年来，齐鲁石化通过加强焦化等装置的低压瓦斯排放监控，加强瓦斯回收并增设天然气补充管线，有效降低了瓦斯系统的整体波动。

然而，由于缺乏有力的分析及管理工具，瓦斯系统的平衡与优化仍然有一定的提升空间。

为满足加热炉的瓦斯热值需求，炼厂南区催化干气补管网、瓦斯热值南高北低的情况长期存在。

瓦斯平衡与优化系统是齐鲁石化智能工厂建设的重要组成部分，系统以提高瓦斯系统的平稳率、实现瓦斯中有用组分的最大化回收利用为目标，构建出以实时监控、统计分析、管网模拟、产耗预测及调度优化为主要功能模块的信息化系统，可对瓦斯排放、存储、消耗及回收等全过程的精细化管控。

本文结合齐鲁石化瓦斯平衡与优化系统的建设经验，总结各功能模块的主要特征、技术方法，介绍系统建设所取得的主要成果，以期为相关人员更好地理解、使用该系统提供参考。

一、系统整体架构
瓦斯平衡与优化系统采用两个集成平台（瓦斯系统信息集成和实时监控平台、瓦斯系统模拟计算与优化调度平台）、五个应用模块（实时监控模块、异
常报警模块、管网在线模拟模块、产耗预测模块、瓦斯系统调度优化模块）的总体架构。

整个系统的基础数据主要来源于现场的仪表数据、LIMS 化验数据以及部分MES 录入数据，开发Inforplus 数据库接口、LIMS 及MES 数据接口，通过信息集成平台实现现场相关数据的获取。

瓦斯、天然气管网的结构参数及气柜、压缩机、加热炉等负荷及操作条件约束主要通过人工录入的方式进行集成。

模拟与优化调度平台主要集成了瓦斯管网传热、流动等机理模型，人工神经网络、多元线性回归、非线性规划等预测及优化算法，进行瓦斯系统的模拟计算、优化等功能。

公用工程（瓦斯系统、蒸汽系统、氢气系统、电系
统、风系统、水系统等）
公用工程信息集成
和实时监控平台公用工程测量仪表瓦斯系统辅助决策与优化调度平台
瓦斯系统新增监测仪表
综合监控
系统产耗预测系统管网模拟系统调度优化系统
异常报警系统
图1 瓦斯平衡与优化系统整体架构 二、主要功能模块介绍
（一）实时监控模块
实时监控模块利用过程监控软件iWeb 进行监控组态，实现高压瓦斯系统的产耗平衡监控、低压瓦斯排放情况的动态监控等功能，如图2所示。

高压瓦斯产耗平衡监控根据瓦斯的不同用途将其划分成瓦斯管网、催化干气管网、焦化干气管网、制氢原料管网等类型，其中焦化干气主要作为轻烃回收装置原料，催化干气主要作为干气制乙烯装原料，膜分离尾气及部分天然气主要作为二制氢装置原料。

将整个瓦斯系统按不同管网进行划分更有利于及时发现管网产耗不平衡情况、分析各类瓦斯的回收及利用情况，便于瓦斯系统的精细化管理。

低压瓦斯系统监控主要是对各低压瓦斯的排放情况进行监控，将各排放点的计量仪表、温度及压力表的数据进行集成，并设定超标报警条件，当瓦斯异常排放时通过颜色、声音等形式提示操作管理人员及时进行处理。

实时监控模块还提供对参数数据的历史趋势分析功能，实现按装置、位号名等条件查询目标参数数据的历史数据曲线图、多个位号对比分析图，满足日常使用的需求。

另外，实时监控模块还提供了对主要装置瓦斯产耗情况的统计分析功能，如图3所示。

操作及管理人员可根据统计情况分析瓦斯产耗与装置负荷的相互关系，及时作出操作调整，避免因过量燃烧造成的环境污染等问题。

图2 高压瓦斯产耗平衡监控界面
图3 燃料气消耗情况跟踪统计界面
（二）管网模拟模块
瓦斯产耗装置之间主要通过管道进行互供，多套产耗装置相互连接在同一根主管线上就形成了复杂的瓦斯管网系统，再加上天然气管网与瓦斯管网相互串联，使得瓦斯管网的结构更加复杂化，而不同装置所产的瓦斯热值差别较大，就使得进入各加热炉的瓦斯热值存在不确定性。

由于缺乏热值等关键状态参数的监控，调度过程中局部流速过大导致管网压力下降、热值太低导致加热炉熄火等情况时有发生。

瓦斯管网模拟主要是为了解决这一难题而开发的，它以瓦斯管网的拓扑结构及管道参数为基础，实时采集管网供用端的操作参数及瓦斯组成的化验分析数据，通过流程、传热等机理模型进行瓦斯管网的在线模拟，实现常规测量仪表无法获得的关键状态的软测量。

目前，管网模拟系统已实现了瓦斯管网中任意管段内的瓦斯热值、流速、压降等重要状态参数实时计算，通过展示界面用户可以通过移动鼠标的方式随意查看各管段的操作参数，如图4所示。

展示界面中各状态参数可根据设计及操作经验设定报警条件，当状态参数超标时，参数和管段会出现相同颜色的变化，提示操作及管理人员进行调整，避免因管网不适应操作工况而产生的各种风险。

然而，由于缺少瓦斯成分的在
线分析仪表，目前相关组成数据只能从LIMS获取，使得瓦斯热值等参数的计算存在一定的滞后性，后续可视情况增加关键在线分析仪表，以进一步发挥管网模拟系统的应用价值。

图4 瓦斯管网模拟系统界面
（三）产耗预测模块
瓦斯产耗预测模块主要是针对瓦斯产耗装置，充分考虑瓦斯产耗与装置负荷、原料性质、产品分布、产品质量要求之间的关系，采用人工神经网络、多元线性回归等数据驱动的方法，基于相关变量的大量历史数据实现对未来多个周期内瓦斯掺和的预测（如图5所示）。

同时，在线预测模型采用在线滚动模型校正和偏差校正的在线双重校正技术，确保模型精度控制在合理的范围内（如图6所示）。

操作及管理人员可基于瓦斯产耗的预测结果进行预判，提前对天然气补管网量、气柜压缩机负荷等进行调整，避免瓦斯系统产生较大的压力波动。

图5 瓦斯需求量预测界面图6 预测结果的准确性分析
（四）调度优化模块
瓦斯系统调度优化模块以提高系统平稳率和实现瓦斯中有效成分的最大化回收利用为目标，以加热炉的瓦斯用量及热值要求为约束条件，采用非线性规划、遗传算法等进行优化计算，确定瓦斯系统的最佳天然气补充方式、补充量
及催化、焦化干气的最大回收量。

另外，基于瓦斯产耗预测，可计算出未来多周期内的优化数据，实现“事前调度”。

瓦斯系统的实时优化界面如图7所示。

从优化结果可以看出，要保持各加热炉瓦斯的热值基本平衡，需要进一步增加二常天然气补入点的瓦斯量，降低四常、二制氢处天然气补入点的补充量，这样可减少炼厂南区催化干气的补入量，将更多的催化干气引入干气制乙烯装置回收C2组分。

图7 瓦斯系统调度优化界面
三、系统效益分析
基于瓦斯系统优化调度结果调整天然气在各补入点的分配比例，保证各加热炉热值稳定，在此基础上将更多的焦化干气、催化干气引入干气制乙烯、轻烃回收装置回收C2组分，作为乙烯裂解及下游产品原料。

实时优化结果表明，可进一步将约2500m3/h的催化、焦化干气中的C2组分进行回收，按C2组分含量40%、回收率80%进行计算，可增加富C2气产量800m3/h，剩余组分仍然可以补入瓦斯管网，同时需要增加天然气补入量800m3/h。

根据财务提供的相关数据，催化、焦化干气回收并裂解制成乙烯的成本价约3000元/吨，乙烯销售价格约5500元/吨，天然气的价格约2800元/吨。

按乙烯密度1.264kg/Nm3，天然气的密度0.717kg/Nm3计算，瓦斯系统优化调度后的经济效益为：800×1.264×(5500-3000)×0.001-800×0.714×2800×0.001=929元/h，约743万元/年。

四、总结
瓦斯平衡与优化系统紧密结合齐鲁石化的生产实际，建立了包含实时监控、异常报警、管网模拟、产耗预测、调度优化等模块在内的信息化系统，实现了瓦斯产耗、存储、输送等过程的全面管控，为提升瓦斯管网的平稳率、提高瓦斯系统运行的经济性提供了有力的支撑。

后续需要进一步加强系统的使用和维护，以最大地发挥该系统的价值，提升相关人员的调度及管理水平，为公司的效益提升贡献力量。