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1、精炼厂氢气供应、分配和消耗的实时优化的制作方法专利名称：精炼厂氢气供应、分配和消耗的实时优化的制作方法精炼厂氢气供应、分配和消耗的实时优化背景技术：领域 本发明涉及氢气供应(例如获得)的优化和在精炼厂中用于实现目标函数。更特别地，本发明涉及俘获关键约束条件、过程动力学和控制结构使得可模拟宽范围的氢气和伴生轻气使用的数学模型，以及使用所述模型的实时优化(RTO)，在精炼厂中使用所述RTO 使氢气供应和分配优化的方法和含所述RTO的精炼操作。相关技术描述精炼厂，尤其是炼油厂通常包含在各个速率、纯度和压力下消耗氢气的大量加氢处理反应器。运行这些加氢处理反应器的氢气由多种来源获得，其各自以各个速率、纯
2、度、 压力和成本提供氢气。复数组管道将氢气从各种供应源分配给各个消耗点。结合在该复数组管道中的是尤其改变氢气流率、纯度和/或压力的控制器。现代集中型炼油厂被迫符合日益提高的更严厉的生产约束条件和技术条件。例如，柴油燃料的允许硫含量已由500ppm降至lOppm。另外，高质量原油的上涨价格和较低可得性正导致炼油厂选择较低质量的原料。这些因素产生氢气消耗操作的角色越来越重要且用于这些操作的氢气成本和可用性为商业上关键的环境。工业上已成功地开发了使各个精炼厂装置的性能和收益性最佳的基于计算机应用程序的数学模型。然而，至今工业上未成功开发出可使整个精炼厂的复杂氢气网络优化以控制总氢气供应和分配和因此消
3、耗的基于计算机应用程序的数学模型。附图简述提供附图仅用于说明目的。附图不意欲以任何方式限制本教导的范围。图1为显示轻气移动通过说明性精炼厂的流程图。图2为显示轻气和油产物移动通过说明性加氢处理装置的流程图。图3显示说明性H2装置中反应器和反应的顺序。图4显示H2气体移动通过说明性H2气体集管。图5显示进料流入以及渗透物和保留物流出说明性H2分离膜。图6为变量罚函数的说明图。图7描述了本发明方法。发明概述氢气获取成本或通过过量消耗或燃料气损失的“废物”减少中的小的改善可以对精炼厂利润具有基本影响。本发明能俘获这种改善。本发明一个实施方案为表征精炼厂如炼油厂中氢气供应、分配和消耗系统(氢气系统)的
4、全系统模型(吐系统模型)。氢气系统可以仅用于特殊操作窗口，但优选氢气系统用于整个精炼厂并包括精炼厂中所有氢气生产者和氢气用户，以及用于将氢气和伴生轻气由生产者输送至用户的集管和控制器。氢气系统包含一个或多个，优选多个以各个速率、 纯度、压力和成本提供氢气的供应源，以各个速率、纯度和压力消耗氢气的多个消耗点和互连氢气分配网络。H2系统模型为氢气系统中影响氢气移动和消耗的各个组件的非线性动力学模型的集合。在一些情况下，还包括氢气系统中影响氢气供应的组件的非线性动力学模型(例如如果H2装置存在于精炼厂中的话)。H2系统模型在给定操作条件下跟踪氢气， 优选还跟踪伴生轻气，包括CrC5烃、H2、H2O,
5、 CO、CO2, H2S和NH3。H2系统模型作为分立组分 (discrete component)代表轻气料流中的各个分子类型。优选，H2系统模型还跟踪未使用或消耗的氢气和伴生轻气在用于驱动精炼厂的燃料气系统(即炉)中的处理。本发明另一实施方案为一种包含用于精炼厂，优选炼油厂中氢气系统的RTO计算机应用程序(H2系统RT0)的设备。RTO应用程序储存在计算机可读的程序存储装置上 。H2 系统RTO监控并使氢气系统中氢气的供应(例如获取)和分配和因此消耗优化。优选氢气系统如前所述，因此包含一个或多个，优选多个以各个速率、纯度、压力和成本提供氢气的供应源，以各个速率、纯度和压力消耗氢气的多个消耗
6、点和互连氢气分配网络。H2系统RTO 含有H2系统模型。优选H2系统模型如前所述，因此包含表征氢气系统中氢气的移动和消耗 (在一些情况下供应，例如如果存在H2装置)的连接非线性动力学模型。H2系统RTO加载当前的操作数据并使用所述操作数据填充并校准模型。H2系统RTO还加载氢气系统的操作约束条件。H2系统RTO然后以反复方式操纵模型变量以确定满足操作约束条件的氢气系统操作目标的适宜解。最后，H2系统RTO输出操作目标的推荐解，这将使氢气系统的操作移向性能相关的目标函数。优选，推荐解为目标函数的最优解。H2系统RTO在常规Windows/ Unix/VMS基服务器或台式计算机上被加载并运行。本发
7、明又一实施方案为控制精炼厂，优选炼油厂氢气系统中氢气的供应(例如获取)和分配和因此消耗的方法。优选氢气系统如前所述，因此包含一个或多个，优选多个以各个速率、纯度、压力和成本提供氢气的供应源，以各个速率、纯度和压力消耗氢气的多个消耗点和互连氢气分配网络。该方法包括至少五个执行步骤。第一步是启动H2系统RTO 应用程序。优选H2系统RTO应用程序如前所述，因此包含表征氢气系统中氢气的移动和消耗(在一些情况下供应，例如如果存在H2装置)的连接非线性动力学模型。第二步是将当前精炼厂操作数据载入应用程序并使用所述操作数据填充并校准模型。第三步是以反复方式操纵模型变量以确定满足操作约束条件的氢气系统操作目
8、标的适宜解。第四步是确定操作目标的推荐解，这使氢气系统移向性能相关的目标函数。第五步是使用至少一个过程控制系统执行操作目标的推荐解。优选，推荐解为目标函数的最优解。然而，它也可为近最优解。最后，本发明另一实施方案为一种精炼厂，优选炼油厂。该精炼厂包含至少三种组件。第一组件为氢气系统。优选氢气系统如前所述，因此包含一个或多个，优选多个以各个速率、纯度、压力和成本提供氢气的供应源，以各个速率、纯度和压力消耗氢气的多个消耗点和互连氢气分配网络。第二组件为至少一个控制氢气系统的过程控制系统。第三组件为使氢气系统中氢气的供应和分配和因此消耗优化的H2系统RTO应用程序。优选H2系统RTO 应用程序如前所
9、述，因此包含表征氢气系统中氢气的移动和消耗(在一些情况下供应，例如如果存在H2装置)的连接非线性动力学模型。H2系统RTO加载当前的操作数据并使用所述操作数据填充并校准模型。H2系统RTO还加载氢气系统的操作约束条件。H2系统RTO然后以反复方式操纵模型变量以确定满足操作约束条件的氢气系统操作目标的适宜解。H2系统RTO然后输出操作目标的推荐解以使氢气系统的操作移向性能相关的目标函数。最后， H2系统RTO将操作目标的推荐解传达至过程控制系统。优选推荐解为目标函数的最优解。下面更详细地阐明本发明这些和其他特征。发明详述定义除非另有明确规定，本文所用所有技术和科学术语具有本领域技术人员通常理解的
10、含义。以下词语和短语具有以下含义“轻气”意指分子量小于或等于戊烷(即小于或等于75)的任何气态或半气态分子。精炼厂中典型的轻气包括C1-C5烃，例如甲烷(C1H4K乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷 (C4H10)和戊烷(C5H12)，以及氢气(H2)、氮气(N2)、水(H2O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、 硫化氢(H2S)和氨(NH3)。“模型”包括单模型或多组件模型结构。“操作目标”意指控制变量(例如温度、压力、流率、气体纯度、阀位置或压缩机速度)的设定值。如本文所用，“实时”相对于氢气供应、分配和消耗系统中过程瞬变的速度。实时意指以等于或快于当一个或多个其操作变量改变时
11、氢气系统达到稳态所需的响应时间的速度。因此，如果不是秒的话，实时通常是几分钟的问题。“实时优化”或“RT0”意指在常规Windows/Unix/VMS基服务器或台式计算机上实时进行全优化循环(数据收集、调节和优化)的基于计算机程序的模型。在氢供应至精炼厂的上下文中“供应”包括但不限于氢气从非精炼厂来源(不论是免费或购买的)流入精炼厂和精炼厂生产的氢气。“联机”意指与过程控制系统通信。例如联机调谐的精炼厂模型变量通常用由精炼厂过程控制系统采集的精炼厂数据自动调谐。相反，脱机调谐的精炼厂模型变量通常用由其他来源手动输入的数据(例如历史工厂数据和/或实验室数据)调谐。模拟操作本发明一个实施方案为精炼
12、厂如炼油厂氢气供应、分配和消耗系统(氢气系统) 中各个组件非线性动力学模型的集合，其通过逻辑流程表连接以产生总体模型(H2系统模型)并跟踪氢气的分配和消耗和在一些情况下供应。优选H2系统模型还跟踪伴生轻气分子 (例如C1-C5烃、H2、H2O, CO、CO2, H2S和NH3)的移动和供应。H2系统模型代表轻气料流中作为分立组分的各个分子类型。理想地，H2系统模型跟踪未使用或消耗的氢气和伴生轻气在用于驱动精炼厂的燃料气系统(即炉)中的处理。在炼油厂中，模拟的精炼厂操作窗口将通常包括一个或多个从烃料流中除去杂质如硫(即加氢脱硫)和氮(即加氢脱氮)和/或通过在氢气存在下进行的催化方法导致烃料流饱和
13、(即氢化)的加氢处理装置。各个加氢处理装置以各个速率、纯度和压力消耗氢气，以生产多种具有设定的规格要求的产品，和以不同程度再循环未消耗氢气。因此，各个加氢处理装置应独立地模拟。在炼油厂中，模拟的精炼厂操作窗口还将通常包括一个或多个通过在氢气存在下进行的催化方法将重质复杂有机分子转化成相对较轻的饱和烃的加氢裂化装置。各个加氢裂化装置以各个速率、纯度和压力消耗氢气，以生产多种具有设定的规格要求的产品，和以不同程度再循环未消耗氢气。因此，各个加氢裂化装置应独立地模拟。优选加氢处理反应器(即加氢处理器和加氢裂化器)所用的氢气来自各自以各个速率、纯度、压力和成本提供氢气的多个供应源。炼油厂中一个共同的氢
14、气来源是催化重整器。催化重整装置化学重排烃分子以生产更高的辛烷重整产品并在方法中产生轻气副产物。来自催化重整塔的轻气通常含高的H2与轻烃比。然后将该轻馏分料流脱乙烷/脱丙烷以得到高浓度H2料流。然而，在许多情况下，重整器不能满足精炼厂的所有H2要求。例如如果一个或多个加氢裂化器在操作中的话，这通常为真实的。在这种情况下，其他H2可在公开市场上购得或从关联的石油化工厂或一些其他来源泵入。其他氢气也可在H2装置中生产，其中将烃进料(通常为C1-C6烃)转化成H2和C02。模拟过程中重要的决定是是否应将给定的氢气供应者优化。如果优化氢气供应者是不可能或不需要的话，则可将来自生产者的氢气产物作为恒定流
15、量和组成的固定来源处理且不需要氢气供应者模型。例如，在公开市场上购得或从精炼厂外部来源泵入的氢气通常不在精炼厂的直接控制下，但是可以以已知速率、纯度和成本基于恒量(或基于有限操作窗口内的要求)可得。由于详细优化或控制的不可能性，不需要模拟这种供应源。另外， 如果氢气供应者装置的整体商业目标是重要的且改变装置操作以调整氢气水平与该商业目标不一致，则基于该装置的优化是不理想的且不需要模型。这通常是对于催化重整器的情况，这是由于制备动力汽油是显著有利可图的，并且因此改变重整器操作以改善氢气使用但减少动力汽油是不理想的。在所有这些情况下，必须使用或可由各个来源得到(例如在合同条款下)的最小和最大H2,
16、及其成本和组成在H2系统模型中可通过直接数据输入表征为操作约束条件。然而，在许多情况下，理想的是在过程模拟范围内包括一些供应者优化。例如，通常应模拟H2装置的操作，这是由于H2装置的唯一目的是提供网络使用的氢气且H2装置的操作通常在精炼厂的完全控制下。一排复杂管道和控制器将氢气从各个氢气供应源分配至各个氢气消耗点。结合在该排管道中的是改变氢气流量、速率、纯度和/或压力的控制器。这些控制器可尤其包括阀、压缩机、分离膜、涤气器(其通常将CO2和其他杂质吸在溶液中)和变压吸收器(“PSA”) 装置(其通常使用催化剂吸收CO、CO2和其他杂质)。应模拟氢气集管和各个这些控制点。另外，它优选包括一些精炼厂燃料气系统的模拟作为H2系统模型的部分，这是由于在大多数情况下这是废轻气的最终目的地。这些模型将代表至其中的放油阀的操作和不同的炉要求。因此，典型H2系统模型可表征一个或多个，优选多个以各个速率、纯度、压力和成本提供氢气的供应源，以各个速率、纯度和压力消耗氢气的多个消耗点和互连氢气分配网络。优选，对于炼油厂，供应源包含选自购买的氢气、现场氢气生产装置、由氢气消耗点再循
