引言

　　燃氣瓦斯作為煉化生產的副產品，是煉化企業最主要的燃料源。煉化企業的瓦斯資源通過燃氣瓦斯系統進行調度調配，生產所需 90% 以上的燃料都來自瓦斯系統 [1 - 5]。近年來，隨著企業對生產安全的日益重視以及對 “雙碳” 目標的響應，保證煉油廠燃氣瓦斯系統運行的穩定、降低安全隱患、實現資源最大化利用、減少排放、減少補燒燃料并降低系統運行成本已成為企業關注的熱點問題。

　　目前，針對煉油廠的優化調度問題，國內外學者已經進行了大量研究，但針對燃氣瓦斯系統方面的優化調度研究工作較少 [6 - 9]。Frangopoulos 等 [10] 在建立煉油企業熱電聯產系統計劃優化模型時考慮了煉油廠蒸汽和瓦斯等多種能量介質的相互關系;Zhang 等 [11] 在做煉油企業全廠計劃研究時將瓦斯的物料平衡和能量平衡約束集成到模型中實現全廠資源優化分配;Zhang 等 [11 - 14] 先后建立了煉油廠能量系統的優化調度模型和模糊優化模型并針對燃氣瓦斯管網進行了建模;Zhou 等 [15] 基于燃氣瓦斯管網的結構建立了瓦斯管網的操作優化模型，實現在調度過程保證管網壓力的穩定;梅運誼等 [16] 利用遺傳算法求解煉油廠瓦斯生產調度的問題，論證了遺傳算法在求解瓦斯系統優化調度問題的有效性;周衛峰 [1] 以實時數據為基礎，建立瓦斯系統的優化調度模型，同時考慮了瓦斯系統調度的物料守恒和熱量平衡，其模型可以有效降低瓦斯系統的調度成本;王寬心等 [17] 根據熱值平衡關系建立了瓦斯系統的調度模型，并利用加熱爐的最佳熱值需求和燃料的熱值進行夾點匹配，從而實現燃料的最大化利用;蘇宏業等 [18] 建立的瓦斯系統調度平臺，考慮了多個周期的調度問題，并且考慮補燒燃料種類對燃氣瓦斯系統的影響，填補了國內瓦斯調度系統信息化的空白。但是這些研究只針對燃氣瓦斯系統某幾個影響因素進行優化調度，難以應對燃氣瓦斯系統的復雜工況。

　　筆者從煉油廠生產實際出發，綜合考慮生產裝置的熱量需求、瓦斯系統物料守恒、裝置操作約束、燃氣瓦斯管網工藝流程、氣柜緩沖、壓縮機、脫硫裝置、補充燃料決策和瓦斯放空等多項因素，建立了煉油廠燃氣瓦斯系統的多周期優化調度模型。針對煉油廠實際的燃氣瓦斯系統進行了調度優化計算，模型求解得到的調度方案與生產現場的適配性高并可以降低系統補燒燃料量和減少瓦斯泄放量，對企業瓦斯調度問題具有參考意義。

　　1 燃氣瓦斯系統優化調度模型

　　1.1 燃氣瓦斯系統調度存在的問題及其優化方案

　　典型的煉油廠燃氣瓦斯系統主要包括生產裝置、瓦斯管網、加熱爐、氣柜、壓縮機和火炬等部分 [19]。瓦斯系統管網分為壓力低于 0.1MPa 的低壓瓦斯管網和壓力為 0.45 - 0.65MPa 的高壓瓦斯管網 [20]。低壓瓦斯管網和裝置的低壓放空系統相連，輸送生產裝置的低壓瓦斯。高壓瓦斯管網輸送生產裝置的高壓瓦斯，并負責為加熱爐提供燃料氣，以滿足生產裝置的熱量需求。低壓瓦斯一般硫含量較高難以被加熱爐直接使用，通常先儲存在氣柜中，經過壓縮機加壓和脫硫后，再送入高壓瓦斯管網;高壓瓦斯經管網輸送到加熱爐中燃燒，為生產裝置提供熱量。此外，當高壓瓦斯管網提供的燃料不足或者燃料熱值較低時，需要補燒燃料來滿足生產裝置的熱量需求;當瓦斯產量過剩或者瓦斯熱值較低難以利用造成局部壓力過高時，需要通過火炬泄放 [19 - 23]。

　　燃氣瓦斯系統調度過程中存在的問題是，由于企業裝置改擴建導致瓦斯系統管線混亂，管網內瓦斯流向不清晰;系統涉及生產裝置多，不同裝置瓦斯間產耗耦合性強;燃氣瓦斯系統一直缺乏較為有效的調度優化工具，調度人員只能依靠經驗來進行瓦斯的調度分配 [1]。但是依靠經驗的調度，無法及時響應瓦斯組成以及操作工況的變化，并且難以對瓦斯產耗進行綜合調度，在煉化生產過程中經常出現階段性補燒燃料或瓦斯泄放火炬，造成成本升高、資源浪費和環境污染。甚至由于瓦斯產耗不平衡引發安全事故 [24 - 26]。

　　燃氣瓦斯系統調度優化的解決思路為：依據生產計劃中裝置的熱量需求和系統管線的物料守恒計算出整個系統瓦斯的分配方案;利用分配方案和裝置的操作負荷調整各個裝置的瓦斯產量;依據瓦斯產量和分配方案計算出系統可以提供給裝置的熱量和裝置的熱量需求對比，如果滿足就輸出調度方案，否則再次尋優，通過負反饋的思路建立燃氣瓦斯系統的優化調度模型。與以往學者 [9 - 18] 建立的調度模型不同的是，本研究中優化調度模型不再僅依賴改變生產裝置的瓦斯產量和需求量來進行燃氣瓦斯系統的調度優化，而是結合系統管線走向，通過結合調整分配方案和變動生產裝置的瓦斯產耗量實現系統的優化調度，從而減少裝置操作負荷的變動。

　　1.2 多周期優化調度模型

　　1.2.1模型假設

　　以燃氣瓦斯系統運行穩定和調度操作費用最低為目標，以燃氣瓦斯系統的物料守恒、熱量需求滿足和操作規程等為約束條件，建立煉油廠燃料氣系統的優化調度模型，模型的建立基于以下前提：

　　(1)瓦斯管線與生產裝置、加熱爐、氣柜和火炬等裝置的連接處不存在漏氣;

　　(2)生產裝置產生的瓦斯氣全部進入瓦斯管網，不考慮管線排凝;

　　(3)進入加熱爐的燃料完全燃燒，且同周期內加熱爐效率恒定;

　　(4)只考慮管線的輸送作用，不考慮系統管線氣體累積。

　　1.2.2 約束條件

　　模型的約束條件主要包括物料守恒約束、熱量需求約束和操作規程約束。對于燃氣瓦斯系統的物料守恒，在以往的研究中很多學者只考慮整個管網系統的物料守恒，未考慮分配管線的物料守恒，雖然燃氣管網整體滿足了產 - 耗平衡，但是仍然會存在部分生產管線進出不平衡造成局部壓力過高或過低，需要補燒燃料或放空瓦斯，從而造成資源浪費。本研究中不僅考慮低壓和高壓管網整體的物料守恒，還考慮了瓦斯分配管線、氣柜脫硫系統和進入加熱爐燃料的物料守恒。

　　燃氣瓦斯系統的調度需要保證生產裝置的正常運行，加熱爐產生的熱量要滿足耗瓦斯裝置的熱量需求，這不僅保證生產裝置正常運轉的關鍵，也是燃氣瓦斯系統調度的目的之一。

　　受處理能力影響，生產裝置的瓦斯產量、耗量有上下限，在調度過程中不能超過該范圍。氣柜作為燃氣瓦斯系統中最重要的緩沖裝置，氣柜要留出足夠的調度容積，氣位需要盡量維持在 1/3 部分。夜晚氣溫低時管網內瓦斯中重組分冷凝容易造成燃料氣短缺，白天氣溫升高后冷凝組分蒸發會造成瓦斯過剩，因此傍晚時氣柜的氣位需要調高用氣柜內瓦斯補充燃料氣，同理黎明時氣位需要調低用氣柜內空間緩沖蒸發的瓦斯 [26]。進入加熱爐的燃料熱值過高或者過低除了會影響加熱爐的效率外，低熱值的燃料需要更高的流量才能滿足裝置熱量需求，而高熱值的燃料則需要更低的流量，流量的變化勢必會造成管網壓力波動影響管網的穩定。

　　2 模型應用研究

　　2.1 煉油廠燃氣瓦斯系統狀況

　　某煉油廠低壓瓦斯根據裝置地理位置通過 3 條放空管線匯集進入氣柜脫硫系統，該企業的氣柜脫硫系統包含 2 套氣柜。高壓瓦斯來源共有 12 個，其中主要的瓦斯來源為氣柜脫硫系統(GDPS)、1# 干氣提濃(1#SEDG)和干氣回收富乙烷(REDG)這 3 套裝置還有來自化工裝置的干氣(DGCU)，產生的瓦斯占系統內瓦斯總量的 80% 以上。該企業的瓦斯消耗裝置共 31 套，其中瓦斯消耗量大的幾套裝置為 1# 連續重整(1#CCR)、2# 連續重整(2#CCR)、1# 常減壓蒸餾(1#CDU&VDU)、4# 半常減壓蒸餾(4#CDU&VDU)和 5# 常減壓蒸餾(5#CDU&VDU)，加熱爐需要處理系統內 50% 以上的瓦斯。

　　2.2 模型求解

　　根據該煉油廠的生產輪班情況以 8h 作為調度時間尺度，每個調度周期的時間長度為 1h，8h 相當于 8 個調度周期，建立該企業燃氣瓦斯系統優化調度的數學模型。對比 SLSQP 算法、差分進化算法、粒子群算法和遺傳算法求解模型問題的效率，其中 SLSQP 算法對優化變量的初值依賴較大;差分進化算法求解效率過低，且容易陷入局部最優解;粒子群算法容易陷入局部最優解;而遺傳算法對初值依賴性低，求解效率高且能夠跳出局部最優解。綜合考慮算法的求解效率和穩定性決定采用遺傳算法 [30] 進行求解。

　　2.3 優化結果

　　燃氣瓦斯系統的優化模型建立完畢后，模型中涉及到 609 個待優化參數，主要為生產裝置的瓦斯產量、氣柜的氣位、加熱爐的瓦斯消耗量、系統的瓦斯排放量、燃料補充量以及每條生產管線中瓦斯的來源和分配情況。采用遺傳算法對模型涉及到的 609 個待優化參數進行優化求解得到各個裝置在不同周期的產、耗情況。系統內瓦斯的產、耗略有波動，但總體未產生大幅變動，保證了燃氣瓦斯系統的穩定性。

　　根據各裝置瓦斯的產量和進入加熱爐燃料量，計算出各周期燃氣瓦斯系統的物料守恒情況，各調度周期瓦斯的總產量、消耗量變化平穩，裝置產生的瓦斯被加熱爐利用的比例較高，保證了系統內瓦斯的產 - 耗平衡，使系統瓦斯資源有較高的利用效率，同時避免了因瓦斯管線進、出瓦斯量不平衡引起壓力不穩定，從而保證瓦斯系統的穩定運行。

　　加熱爐提供的熱量大于裝置需求的熱量，在滿足裝置熱量需求的同時未造成熱量資源的浪費，使企業熱量資源有較高的利用效率。

　　各個調度周期氣柜氣位變化不大，2 個氣柜都留出足夠的容積，氣柜氣位變化平穩，調度過程中避免了氣位大幅變化造成瓦斯管網壓力波動的現象。

　　與原調度方案相比，優化后可以減少燃料補充量，完全采用企業自產的異丁烷作為補燒燃料，避免了外購天然氣，為企業減少了購買燃料的費用，并且可以減少過剩瓦斯排放量，有效減少了瓦斯排放造成的資源浪費。

　　將優化前企業的調度數據和優化后的優化調度數據帶入目標函數中，依據生產企業提供的費用系數計算優化前后燃氣瓦斯系統的運行費用。優化后可為企業減少調度操作費用 38.6%。

　　3 結論

　　(1)以燃氣瓦斯系統運行穩定和操作費用最低為原則，建立了煉油廠燃氣瓦斯系統多周期優化調度模型，在考慮了燃氣瓦斯系統調度的多種影響因素的前提下，結合瓦斯管網分配方案和裝置瓦斯產、耗進行調節，減少裝置生產負荷的變動，從而保證裝置的平穩生產。

　　(2)以國內某煉油廠瓦斯系統的運行狀況為例，建立優化調度模型，求解得到各周期最優調度方案。模型給出的優化方案可行性高，可為現場調度提供參考。優化方案比原調度方案減少燃料補充 60.3%，減少過剩瓦斯排放 75.2%，可為企業節省近 38.6% 的調度操作費用。

魏世強;江洪波;雙秀芝;侯立新,華東理工大學化工學院;石油加工研究所;石化盈科信息技術有限責任公司,202502