基于随机规划的炼厂氢网络改造设计

氢气是炼油企业重要的战略资源。越来越多的炼油企业开始改造其氢网络以应对日趋严格的环保标准和产品质量。炼厂的氢气产耗量受原油供应和产品需求的变化而随机波动,这使得传统的确定性模型无法有效描述氢网络设计问题。本文针对氢网络的改造设计问题,建立了同时考虑设计和调度问题的集成优化模型。采用基于场景的二阶段随机规划方法表达氢网络运行中的不确定因素,通过将决策变量分为一阶和二阶决策变量,优化计算使第一阶段决策成本与第二阶段决策的期望成本之和最小。算例表明了本文所提方法的有效性和与传统的确定性方法相比的优越性。

炼厂多杂质氢网络的集成

利用演化法对某炼厂多杂质氢网络进行优化。在考虑源阱之间的各种匹配可能和氢源之间的互补可能基础上,依次求取最大匹配流量矩阵(M矩阵)、潜在匹配流量矩阵(P矩阵)和最优匹配流量矩阵(O矩阵),确定系统的最小公用工程消耗量为1495.83m3.h-1,其节约量为1004.17m3.h-1,占现行新氢消耗量的40.2%。此外,根据O矩阵确定了相应的最优氢分配网络。

利用氢夹点图解法分析某炼厂的氢网络

应用El-Halwagi等人提出的氢夹点图解法对某炼厂的氢网络进行了夹点分析,找出了现行氢网络的不合理之处,并提出了相应的优化改造方案。在改造匹配中,同时考虑了氢阱对H2S的浓度要求;改造后,可使氢网络对新氢消耗量达到最小,比现行氢网络少消耗21.21%的新氢。

氢网络的夹点分析与优化

通过分析炼厂不同氢源、氢阱、氢气净化提浓单元等氢气网络的组成特点,采用夹点分析法对某企业的氢源、氢阱进行分析与计算,以氢气纯度、流量为约束条件,同时考虑压力、杂质的影响。通过耦合、调整氢源-氢阱网络等措施,优化后的氢气网络PSA负荷降低39.14%,制氢单元负荷降低27.11%,氢气压缩机减少2台,实现了增加氢气来源,降低氢气成本的目的。

多杂质氢网络的优化

针对炼油厂多杂质氢网络,建立了以新氢消耗量最小为目标的多杂质氢网络数学模型,约束条件包括杂质浓度约束和流量约束。数学模型根据氢气和杂质浓度来确定氢网络中的最优回用顺序,优于仅根据氢气或某一种杂质的浓度确定最优回用顺序的方法。目标函数和约束条件都是一次项的,为线性规划问题。这种方法不仅能确定多杂质氢网络的最小新氢消耗量,同时还能确定氢源和氢阱之间的匹配关系并设计出最优的氢网络。对某炼油厂的氢网络进行分析,分析结果表明,对氢网络优化后,新氢的消耗量可减少15.6%。

具有净化单元氢网络的迭代设计方法

提出一种具有净化单元氢网络的迭代设计方法。首先假设净化后源物流的量足够大,将之看作系统的新增源物流即可构成具有净化单元的初始氢网络。运用多氢源匹配方法来设计氢网络,从而得到净化后源物流的用量Freg和所有未回用的内部源物流合并计算出的净化后源物流的量Ftroetgal。比较Freg和Ftroetgal的大小,当Ftroetgal<Freg时,将Ftroetgal作为下一次迭代净化后源物流的量的初值,只需几次迭代即可得到最终设计;当Ftroetgal≥Freg时,将Freg的值作为最终设计的净化后源物流的用量,按照由Freg值确定出的净化前源物流的量选取杂质浓度较低的未回用的内部源物流用于净化,对此种情况,不需后续迭代即可得到最终设计。对文献中几个实例的研究表明,该方法设计步骤简单可行,不仅能得到氢消耗目标值,而且还能得到氢网络的具体设计。

数学规划法优化氢网络的应用研究

为实现不同目标函数与超结构网络氢系统稳定性、可靠性与柔性的统一,从超结构网络、目标函数、约束条件3个方面对国内外氢网络优化的研究进展进行综合分析,阐述了数学规划法在氢网络优化设计进程中的发展变迁,指出充分把握加氢、提纯、压缩等渉氢单元的物料、能量、相平衡特点及相互关系,建立有效的超结构网络,结合不同的目标函数选取不同的约束条件,将随机变量的约束转化为联合机会约束,可提高合成网络的工程可行性、改善网络的柔性。

考虑热量和压力功影响的氢网络扩展矩阵法

氢网络中氢气、热量和压力功的传递同时进行,氢网络的优化需同时考虑三者的影响。热量和压力功对多杂质氢网络集成的影响相对氢气较小。基于此,首次提出考虑热量、压力功的多杂质氢网络集成的扩展矩阵法。在该方法中,优先考虑氢的匹配,其次考虑热量和压力功的传递,并用该方法对某石化公司的氢网络系统进行了优化分析,提出了相应的优化调整方案。

多杂质氢网络的浓度势综合设计方法

通过借鉴多杂质水网络设计方法,提出了一种用于多杂质氢网络的优化新方法——浓度势综合设计方法。该方法的求解方法是用氢过程的执行顺序由需求物流浓度势的大小来确定,需求物流浓度势最低的过程首先执行;在满足一个用氢过程时,优先回用虚拟回用率最大的可用内部源物流;为了减少外部氢源用量,优先选择互补的两个内部源物流共同来满足需求物流。实例计算表明,浓度势综合设计方法所得结果可与文献中采用计算机优化方法所得结果相吻合,该方法计算简捷有效。

简捷法确定提纯回用氢网络目标值

与只考虑直接回用的氢网络相比,具有提纯单元的氢网络能显著减少新鲜氢气的消耗量,但其设计及求解提纯目标值过程均更为复杂。对于单杂质、提纯单元采用固定浓度模型的提纯回用氢网络,结合此类网络的特点,提出了一种简捷法确定网络目标值。首先假设提纯后氢物流量足够大,由此得出初始提纯夹点。当初始夹点估算正确时,由夹点之下的需求物流和源物流的流量与杂质质量衡算即可得出提纯回用氢网络的目标值;当初始夹点估算不正确时,可以第一次计算结果为基础判断得出正确夹点,再增加一步简单计算,也可得到提纯回用目标值。计算实例表明本文方法计算简单且有效。

多工况氢网络压缩机配置和运行优化

炼油厂在实际运行过程中,加氢装置处理的原料油性质发生变化以及生产负荷调整,都会导致加氢单元耗氢量的变化。构建了具有中间管网的定结构氢网络优化模型,该模型包括供氢单元、氢气公用工程管网/中间管网、压缩机、加氢单元、燃料系统以及它们之间的固定连接关系。在常规氢网络中引入压力为1600 psi(1 psi=6.895 k Pa)的中间管网,可以减少一台加氢装置的新氢备用压缩机,设计阶段可少投资一台压缩机,即实现了新氢压缩机的优化配置。针对加氢单元正常/高/低负荷3种工况,对具有中间管网的氢网络进行了优化,得到了不同工况下流股的流量分配和压缩机的启停策略,从而实现多工况氢网络的运行优化。

炼油厂氢网络超结构优化方法的改进及应用

在用超结构建模方法优化废氢流股回收网络时,往往会遇到模型求解难度大,甚至无法得到最优解的情况。将废氢流股中组分表征为氢气、可凝轻烃和燃料气3种资源,建立三角坐标表征,探讨资源回收优化方法,由此形成物料平衡及流股走向的相应约束,并结合数学建模方法建立了一种改进的超结构优化模型。用某炼油厂案例对该模型进行验证,结果表明:同等计算条件下,常规建模方法和改进建模方法分别运算5.3 s和1.6 s后获得计算结果;前者对部分流股的去向优化并未达到最优,获得了次优解,而改进方法计算速度更快,并获得最佳匹配网络;两者的经济效益分别为1063,2144万元/a,后者较前者获得了1081万元/a的超额收益。

多杂质氢网络矩阵优化法的改进

针对多杂质氢网络矩阵优化法,采用浓度势的概念对其进行分析。分析结果表明,该方法中根据最大匹配流量准则确定的潜在匹配氢源和相应的潜在匹配流量,将会造成较大的浓度势损失,从而使匹配结果达不到最优。基于此采用接近流量匹配准则代替最大流量匹配准则,提出了改进的矩阵优化法,以避免浓度势排序靠前的氢源匹配给浓度势排序靠后的氢阱、减小匹配过程的浓度势损失,最终降低新氢消耗量。以改进的矩阵优化法对某石化企业的氢网络进行优化,优化结果表明,新氢消耗量比矩阵优化法的结果减少了28.11%,且所得具体匹配与数学规划法所得结果相同。

储氢提纯和氢网络的耦合优化

基于氢网络的集成以及AB5型储氢材料LaNi4.75Fe0.25及LaNi4.85Al0.15的特性,对储氢提纯在氢网络中的应用进行研究。综合考虑LaNi4.75Fe0.25及LaNi4.85Al0.15储氢/放氢动力学,建立了储氢提纯氢网络的优化方法,根据单位质量储氢材料提纯的节氢能力和公用工程节省量与提纯参数的关系,确定最优提纯氢源浓度、最大公用工程节省量、储氢材料量和吸氢时间。用该方法对某炼厂氢网络和储氢提纯单元进行优化,结果表明,最优提纯氢源浓度为70%,提纯后公用工程可节省23.72%;LaNi4.85Al0.15作为储氢提纯材料优于LaNi4.75Fe0.25,其消耗量为991.26kg。

考虑新氢纯度的氢网络夹点分析

基于夹点法,对考虑新氢纯度的氢网络集成进行了研究。利用Aspen Plus建立了天然气蒸气转化制氢过程的模拟模型。在考虑原料气、除氧水、冷却水、副产蒸气、变压吸附、压缩机用电等主要能耗的前提下,计算出系统总费用,对整个过程进行了能耗分析。通过改变产氢摩尔分数,得到相应的单位产氢量费用,进一步拟合出了新氢生产成本随产氢摩尔分数变化的定量关系式。在此基础上,对某炼厂的氢网络案例进行优化,作出不同氢源线下的节氢费用-新氢摩尔分数关系图、新氢消耗费用-新氢摩尔分数图。通过分析夹点位置随新氢摩尔分数改变的变化趋势可知,在满足氢网络要求下,节省费用随新氢摩尔分数的增大而增大,新氢消耗费用随摩尔分数的增大而减少。因此,在该氢网络中,高纯度的新氢有利于系统节能。

考虑多对耦合源阱的氢网络优化方法及其应用

在氢网络中,氢源氢阱通常连接于同一个耗氢反应器,为耦合源阱;反应器操作参数的改变影响该耦合源阱参数。在同一个氢网络中可能存在多对耦合源阱,考虑多对耦合源阱的氢网络优化能够进一步为炼厂降低氢耗,提高经济效益。通过分析氢网络的公用工程与多对耦合源阱的关系,推导确定了公用工程迁量与反应器耗氢以及耦合源阱之间的方程。据此建立了耗氢反应器参数和氢网络图像集成优化方法。案例研究表明,该方法简单、容易理解,能够直观给出公用工程迁量与反应器进口温度之间的关系。

多杂质氢网络矩阵法的混合互补规律研究

针对现行的矩阵法在利用混合互补规则求取潜在匹配流量矩阵时,未能考虑混合互补后关键杂质发生变化的情况,而使得某些可行的匹配不能进行的问题,提出了一套严谨的规则来进行混合互补的判别和混合互补匹配流量大小的判断。利用氢源与氢阱的浓度比矩阵代替现行矩阵法的最大可能匹配流量矩阵,在此基础上提出了用参数f的正负来判断混合互补后关键杂质是否改变的规则和用参数g的大小来比较各组混合互补的氢源与氢阱的匹配流量的大小并选择最佳匹配氢源的规则。应用这两个参数,可改善矩阵法的优化结果。案例分析证明了所提出的参数和改进的混合互补判定规则的有效性。

运用合理的过程执行顺序优化具有净化单元的多杂质氢网络

运用综合设计方法设计多杂质氢网络,满足过程的执行顺序不同,所得设计的外部源物流用量不同。需求物流的极限杂质浓度越小,外部源物流用量和净化后源物流用量一般越大。因此,按照需求物流的极限杂质浓度由小到大的顺序满足执行及按照外部源物流用量和净化后源物流用量由大到小的顺序满足执行都是合理的,而后者满足需求物流的排序方法目前还没有报道。为此,对于多杂质氢网络,为了降低外部源物流用量,提出该种确定合理的过程执行顺序的方法。满足一过程时,提出了浓度差率的概念,由互补源物流来满足,并由杂质负荷平衡和流量平衡计算出源物流的用量。首先运用该分配方法将当前源物流分别来满足各个未执行过程,依次优先按外部源物流用量和净化后源物流用量最大的过程首先执行的原则来确定过程的执行顺序。将之与设计给定杂质移除率模型(模型 1)和固定净化后氢浓度模型(模型 2)氢网络的迭代法分别设计 2 种模型的多杂质氢网络。对某一氢网络实例进行研究,该种方法的设计与文献相比,对于模型 1,在净化后源物流杂质浓度略低的情况下,外部源物流用量、净化后源物流用量和燃料气排放量分别降低了 4.05%、0.43%和 4.94%;对于模型 2,分别降低了 1.60%、3.71%和 2.00%。说明提出的方法是有效的和可行的。

具有两个净化单元的氢网络设计研究

运用多氢源匹配法和迭代法进行了具有两个净化单元的氢网络设计研究.从理论上来讲,可得到外部源物流消耗目标值.固定净化后氢浓度模型的实例研究结果表明,虽然净化后源物流用量增加了5%,但外部源物流用量和燃料气排放量分别降低了2%和11%,说明在具有一个净化单元的氢网络中再加入第二个净化单元后,节能减排的成效是很显著的.此外,对给定杂质移除率模型的氢网络也进行了实例研究,外部源物流、净化后源物流S reg,1和S reg,2的用量及燃料气排放量分别为193.55 mol/s,67.62 mol/s,7.67 mol/s和27.24 mol/s.

基于压缩机选型的炼厂氢网络集成

随着原油劣质化趋势加重,炼厂的氢气(H_(2))需求日益增加,通过氢网络集成提高氢气的利用效率变得至关重要。压缩机费用是炼厂氢网络中除新氢外的第二大费用,往复式压缩机和离心式压缩机被广泛用于氢气输送网络。该文提出了一种考虑多级离心式压缩机和多级往复式压缩机选型的超结构,约束条件包括压缩机的流量和出口压力;基于此超结构建立了一个混合整数非线性规划模型,以最小总年化成本为目标函数,其中综合考虑了新氢的成本、压缩机的投资费用和操作费用;并通过案例分析证明了模型的实用性。