運(yùn)用多氫源匹配法設(shè)計(jì)多雜質(zhì)氫分配網(wǎng)絡(luò)

潘春暉，王煥云

（1. 滄州師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)系，河北 滄州 061001；2. 滄州師范學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 滄州 061001）

石油煉化企業(yè)的加氫工藝過(guò)程需要使用大量的氫氣。隨著原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化及日益嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)立法的實(shí)施，加氫工藝的應(yīng)用更加廣泛，氫氣的需求量急劇增加。而石油煉化企業(yè)副產(chǎn)的氫氣已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求，節(jié)約氫氣已成當(dāng)務(wù)之急。氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)是通過(guò)全面考慮用氫過(guò)程出口物流的再利用、凈化再利用從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約氫氣的目的，該項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為石油煉化企業(yè)高效、合理地利用現(xiàn)有氫氣資源的重要手段。

對(duì)于氫網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化問(wèn)題，人們已提出氫夾點(diǎn)分析法［1-8］、數(shù)學(xué)規(guī)劃法［9-14］。對(duì)于考慮雜質(zhì)濃度約束的氫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，Hallale等［15］提出一種適用于多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的超結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。Zhao等［16］提出一種雜質(zhì)赤字率夾點(diǎn)法用于確定最小氫消耗目標(biāo)值， 但該方法需要迭代計(jì)算，且不能求取最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。劉桂蓮等［17］提出一種基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的設(shè)計(jì)方法，建立包括雜質(zhì)濃度約束和流量約束的數(shù)學(xué)模型，確定了氫網(wǎng)絡(luò)中源阱間的最優(yōu)匹配關(guān)系，能同時(shí)得到最小氫消耗目標(biāo)值和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。丁曄等［18］提出一種排列源阱順序的新方法，通過(guò)構(gòu)建雜質(zhì)赤字率曲線(xiàn)來(lái)得到夾點(diǎn)位置，不需迭代即可得到最小氫消耗目標(biāo)值。在此基礎(chǔ)上，丁曄等［19］又提出一種不同雜質(zhì)源阱間匹配的混合規(guī)則用于多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。劉桂蓮等［20］利用演化法對(duì)煉油廠多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)建立矩陣得到較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

最近，潘春暉等［21］提出一種濃度勢(shì)綜合設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)。他們采用濃度勢(shì)方法［22］來(lái)確定過(guò)程的執(zhí)行順序，在分配源物流時(shí)，通過(guò)比較源物流的最大虛擬回用率來(lái)確定源物流的優(yōu)化回用順序，并由該順序確定互補(bǔ)源物流［23］來(lái)滿(mǎn)足用氫過(guò)程。該方法對(duì)較簡(jiǎn)單的多雜質(zhì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)快速有效，但對(duì)于較復(fù)雜的多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)則不能保證都得到滿(mǎn)意的結(jié)果。

本工作對(duì)確定互補(bǔ)源物流的方法［23］進(jìn)行改進(jìn)，借鑒單雜質(zhì)多氫源匹配法［24］的設(shè)計(jì)思想，研究一種源物流選擇和分配的新方法，使?jié)舛葎?shì)綜合設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)方法能適用于各種復(fù)雜的多雜質(zhì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1 對(duì)氫網(wǎng)絡(luò)的描述

石油煉化企業(yè)氫網(wǎng)絡(luò)中的過(guò)程通常分為產(chǎn)氫過(guò)程和耗氫過(guò)程。產(chǎn)氫過(guò)程主要包括重整裝置、制氫裝置等。耗氫過(guò)程主要包括加氫精制、加氫催化裂化、潤(rùn)滑油加氫、異構(gòu)化過(guò)程等。為了敘述方便，將耗氫過(guò)程（Pj）的入口物流稱(chēng)為需求物流（Dj），將其出口物流和產(chǎn)氫過(guò)程產(chǎn)生的含氫物流稱(chēng)為源物流，其中需額外耗資制備和購(gòu)買(mǎi)的源物流（制氫裝置生產(chǎn)的氫及購(gòu)買(mǎi)的氫）稱(chēng)為外部源物流（Sexternal），將其他源物流稱(chēng)為內(nèi)部源物流（Si）。氫網(wǎng)絡(luò)中氫濃度較低不能回用的內(nèi)部源物流通常作為燃料氣。

2 多氫源匹配法

2.1 確定過(guò)程的執(zhí)行順序

對(duì)于多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)，采用濃度勢(shì)方法［22］來(lái)確定過(guò)程的執(zhí)行順序。當(dāng)Si滿(mǎn)足Dj時(shí)，為了提高Si的回用量，應(yīng)使Dj中至少一種雜質(zhì)的質(zhì)量濃度達(dá)到上限質(zhì)量濃度首先達(dá)到上限的雜質(zhì)將決定Si的用量，將該雜質(zhì)稱(chēng)為Si回用的關(guān)鍵雜質(zhì)。對(duì)于單位流量（如1 m3/h）的Dj，其關(guān)鍵雜質(zhì)負(fù)荷上限與Si分配過(guò)來(lái)的雜質(zhì)負(fù)荷相等：

式中，Rijk為Si滿(mǎn)足Dj時(shí)k雜質(zhì)的虛擬回用率；RijRKC為Si滿(mǎn)足Dj時(shí)的最大虛擬回用率，其物理意義是滿(mǎn)足單位流量的Dj需回用Si的流量。當(dāng)然，被回用的Si的可用流量可能不足以滿(mǎn)足Dj的需要，這正是“虛擬回用”的意義所在。

Dj的濃度勢(shì)（CPD）是Dj回用各源物流的總體可能性的量度，用式（3）來(lái)表示：

式（3）為Dj的濃度勢(shì)的計(jì)算式，其物理意義是所有內(nèi)部源物流虛擬滿(mǎn)足單位流量的Dj的流量之和。

設(shè)計(jì)氫網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先由式（3）分別計(jì)算出各需求物流的CPD，CPD最低的過(guò)程首先執(zhí)行；當(dāng)一個(gè)過(guò)程執(zhí)行完成后，由當(dāng)前可利用的源物流計(jì)算出各待執(zhí)行過(guò)程的CPD，CPD最低的過(guò)程接續(xù)執(zhí)行。

2.2 源物流選擇和分配的新方法

為了使過(guò)程的外部源物流消耗量降至最低，對(duì)文獻(xiàn)［21，23］提出的互補(bǔ)源物流的概念進(jìn)行擴(kuò)展，通過(guò)借鑒單雜質(zhì)源物流匹配法［24］的設(shè)計(jì)思想，得到如下適用于多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的源物流分配規(guī)則。當(dāng)滿(mǎn)足Dj時(shí)，可按以下規(guī)則的優(yōu)先順序分配源物流。

規(guī)則1：若存在RijRKC=1的內(nèi)部源物流Si，即ρSiRKC=ρDjRKC，優(yōu)先由其來(lái)滿(mǎn)足Dj，此時(shí)可不需補(bǔ)充外部源物流。

規(guī)則2：若存在RijRKC＞1的內(nèi)部源物流（如S1），可優(yōu)先回用；或?qū)⑵渑cRijRKC＜1的內(nèi)部源物流（如S2）組成互補(bǔ)源物流來(lái)滿(mǎn)足Dj時(shí)，S1的分配系數(shù)γS1可取其下限值（由式（6）確定）。

規(guī)則3：若所有內(nèi)部源物流的RijRKC均小于1，為了減少外部源物流用量，優(yōu)先選擇使外部源物流用量最少的互補(bǔ)內(nèi)部源物流來(lái)滿(mǎn)足Dj；若不存在互補(bǔ)的內(nèi)部源物流，可選擇RijRKC最大的內(nèi)部源物流來(lái)滿(mǎn)足Dj，此時(shí)需補(bǔ)充外部源物流。

文獻(xiàn)［24］中提出的單雜質(zhì)多氫源匹配法是選用質(zhì)量濃度剛好低于和剛好高于需求物流質(zhì)量濃度的兩個(gè)源物流來(lái)滿(mǎn)足需求水流，并提出了計(jì)算源物流分配流量的計(jì)算方法。而對(duì)于多雜質(zhì)系統(tǒng)針對(duì)不同雜質(zhì)按照該方法選取的兩個(gè)源物流很難一致，因此，用互補(bǔ)的兩個(gè)源物流來(lái)代替該方法中的兩個(gè)源物流，即可將該方法運(yùn)用于多雜質(zhì)系統(tǒng)。

由互補(bǔ)的兩個(gè)源物流S1和S2滿(mǎn)足Dj時(shí)，可得［24］：

由式（4）可得到式（5）：

由式（5）可看出，ρS1k和ρS2k越小，則γS1k也越小。因此，可由式（6）得到γS1的下限：

當(dāng)式（8）成立，且γS1取區(qū)間內(nèi)的值時(shí)，由S1和S2滿(mǎn)足Dj可不需補(bǔ)充外部源物流，用量可由式（9）和式（10）計(jì)算得到。

若存在多組互補(bǔ)的內(nèi)部源物流且各自均不能滿(mǎn)足式（8），可選擇ΔγS1絕對(duì)值最小的互補(bǔ)內(nèi)部源物流來(lái)滿(mǎn)足Dj，回用量可通過(guò)Excel表的計(jì)算模型確定。這是因?yàn)榛パa(bǔ)內(nèi)部源物流的ΔγS1絕對(duì)值越小，滿(mǎn)足Dj時(shí)外部源物流用量一般情況下越小。

對(duì)于不存在互補(bǔ)的內(nèi)部源物流的情況，可選擇RijRKC最大的內(nèi)部源物流（如S2）和與之互補(bǔ)的外部源物流Sexternal來(lái)滿(mǎn)足Dj。

規(guī)則4：若所選用的源物流現(xiàn)有流量不能滿(mǎn)足Dj時(shí)，可將其全部回用，并按照前面的規(guī)則接著選擇其他源物流，直到能滿(mǎn)足Dj為止。

對(duì)于該種情況，可先將Dj拆分成兩股需求物流來(lái)分別滿(mǎn)足，其中一股需求物流由流量不足的源物流（如S1）來(lái)滿(mǎn)足，該股需求物流的流量和雜質(zhì)質(zhì)量濃度即為分配過(guò)來(lái)的源物流S1的流量FS1和雜質(zhì)質(zhì)量濃度ρS1k。由流量衡算和雜質(zhì)負(fù)荷衡算關(guān)系可得到式（11）和式（12），由此計(jì)算出另一股需求物流的流量和雜質(zhì)質(zhì)量濃度按照前面的規(guī)則選擇其他源物流來(lái)滿(mǎn)足，直到能完全滿(mǎn)足Dj為止。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，可使Dj的盡可能多的雜質(zhì)的質(zhì)量濃度達(dá)到或接近其上限。

2.3 整體設(shè)計(jì)過(guò)程

多氫源匹配法的具體設(shè)計(jì)過(guò)程是采用濃度勢(shì)方法［22］確定出首先執(zhí)行的過(guò)程，按照以上規(guī)則的優(yōu)先順序來(lái)選擇和分配源物流，直到該過(guò)程滿(mǎn)足為止。接著按照相同的方法依次確定和執(zhí)行后續(xù)過(guò)程，直到所有過(guò)程都執(zhí)行完成為止。多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)圖1。

3 實(shí)例研究

以某煉廠的氫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，含氫物流中有4種雜質(zhì)，需求物流和源物流的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。運(yùn)用多氫源匹配法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

運(yùn)用式（3）分別求出各需求物流的濃度勢(shì)CPD并按大小排序（見(jiàn)表2），首先滿(mǎn)足CPD最小的需求物流D1。對(duì)于D1，由式（2）分別計(jì)算出各內(nèi)部源物流的Ri1RKC值，其中R11RKC=1，按照規(guī)則1優(yōu)先回用S1，用量為1 400 m3/h。此時(shí)S1的剩余流量為12 600 m3/h。

接著，由剩余的S1及其他內(nèi)部源物流和式（3）分別計(jì)算出其他需求物流D2，D3，D4，D5，D6的CPD，其中D2的CPD最小，所以接著滿(mǎn)足D2。與滿(mǎn)足D1的情況類(lèi)似，優(yōu)先回用的源物流為S6，用量為4 000 m3/h。此時(shí)S6的剩余流量為22 500 m3/h。

由CPD確定出下一需滿(mǎn)足的需求物流為D3。對(duì)于D3，由式（2）分別計(jì)算出各內(nèi)部源物流的Ri3RKC值，其中R63RKC=1，按照規(guī)則1優(yōu)先回用S6，因S6不能完全滿(mǎn)足D3，此時(shí)，按照規(guī)則4可將D3拆分成兩股需求物流來(lái)分別滿(mǎn)足，其中一股需求物流回用全部的S6，則該股需求物流的流量和雜質(zhì)質(zhì)量濃度，即為S6的可用流量22 500 m3/h，雜質(zhì)質(zhì)量濃度分別為1 990.00，2.00，0.01，50.00 mg/L。

圖1 多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.1 Design procedure for hydrogen networks with multiple impurities.

表1 氫網(wǎng)絡(luò)中需求物流和源物流的數(shù)據(jù)Table 1 Data of hydrogen demand and source streams in the hydrogen networks

表2 氫網(wǎng)絡(luò)中各需求物流的濃度勢(shì)Table 2 CPDs of the demands in the hydrogen networks

由式（11）和式（12）分別計(jì)算出D3的另一股需求物流的流量為2 500 m3/h以及雜質(zhì)質(zhì)量濃度為623 440.00，82.00，49.91，50.00 mg/L，隨后選擇其他源物流來(lái)滿(mǎn)足。此時(shí)S6已用盡，由該股需求物流的質(zhì)量濃度和式（2）分別計(jì)算當(dāng)前可用內(nèi)部源物流的Ri3RKC，由大到小排出順序?yàn)椋篟43RKC= 9.59 ＞ R53RKC=8.91 ＞ R33RKC= 0.89 ＞ R13RKC= 0.61 ＞ R23RKC= 0.56 ＞R73RKC= 0.55 ＞ R83RKC= 0.25，因S4和S5的RijRKC均大于1，按照規(guī)則2可選擇互補(bǔ)的S5與S3來(lái)滿(mǎn)足該股需求物流，分配流量分別為277.1，2 222.9 m3/h。至此經(jīng)過(guò)兩次源物流的分配已滿(mǎn)足D3。

接著，要滿(mǎn)足的需求物流為D4，當(dāng)前可用內(nèi)部源物流有S5，S1，S4，S3，S2，S7，S8，流量分別為22 522.9，12 600.0，640.0，477.1.0，1 000.0，500.0，54 500.0 m3/h。與滿(mǎn)足D3的情況類(lèi)似，只不過(guò)按照相應(yīng)的規(guī)則需經(jīng)6次源物流的分配來(lái)完成，分配的源物流有S5，S4，S7，S3，S2，S1，S8，流量分別為22 522.9，640.0，500.0，477.1，1 000.0，2 739.6，120.4 m3/h。

接著，要滿(mǎn)足的需求物流為D6，當(dāng)前S5，S4，S7，S3，S2已用盡，可用的內(nèi)部源物流有S8和S1，流量分別為54 379.6，9 860.4 m3/h。由式（2）計(jì)算出的Ri6RKC分別為R86RKC= 0.97和R16RKC= 0.61，均小于1，且S8和S1是互補(bǔ)的，可將其回用。由式（6）和式（7）分別計(jì)算出S8的和分別為0.61和0.97，則ΔγS8= 0.36 ＞ 0，說(shuō)明回用S8和S1來(lái)滿(mǎn)足D6可不需要補(bǔ)充外部源物流。S8和S1的分配流量分別為54 379.6，1 620.4 m3/h。

最后，滿(mǎn)足的需求物流為D5，當(dāng)前S8已用盡，可用的內(nèi)部源物流只有S1，流量為8 240 m3/h，將其全部回用，并補(bǔ)充流量為860 m3/h的外部源物流。

至此所有需求物流均已得到滿(mǎn)足。所得設(shè)計(jì)的外部源物流用量為860 m3/h，管路連接數(shù)為16個(gè)。最終設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。所得設(shè)計(jì)中所有的內(nèi)部源物流將全部回用，說(shuō)明該設(shè)計(jì)已達(dá)到最優(yōu)?，F(xiàn)行生產(chǎn)的外部源物流用量為1 495.83 m3/h，管路連接數(shù)為19個(gè)。本方法所得設(shè)計(jì)與現(xiàn)行生產(chǎn)相比，外部源物流消耗量減少了635.83 m3/h，即降低了42.5%，而且減少了3個(gè)管路連接數(shù)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖2 氫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of the hydrogen networks.

4 結(jié)論

1）對(duì)確定互補(bǔ)源物流的方法進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)借鑒單雜質(zhì)多氫源匹配法的設(shè)計(jì)思想，提出了源物流選擇和分配的新方法。該方法可使?jié)M足過(guò)程的外部源物流消耗量降至最低。

2）將源物流選擇和分配的新方法與濃度勢(shì)方法相結(jié)合得到設(shè)計(jì)多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)的多氫源匹配法。該方法設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)捷，并能求取最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3）對(duì)某煉廠的氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，所得外部源物流消耗量降低了42.5%，而且減少了3個(gè)管路連接數(shù)。

符號(hào)說(shuō)明

CPD 需求物流的濃度勢(shì)

FSiSi的分配流量，m3/h

FSikSi滿(mǎn)足Dj時(shí)針對(duì)k雜質(zhì)的分配流量，m3/h

RKC Dj回用Si時(shí)的關(guān)鍵雜質(zhì)

RijkSi滿(mǎn)足Dj時(shí)k雜質(zhì)的虛擬回用率

RijRKCSi滿(mǎn)足Dj時(shí)的最大虛擬回用率

Sexternal外部源物流

下角標(biāo)

i 內(nèi)部源物流，i=1，2，…，Ns

j 需求物流，j=1，2，…，Nd

k 雜質(zhì)，k=1，2，…，Nc

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