集中式提純器的設(shè)置與具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

梁肖強(qiáng)，劉永忠，2，張亮

（1西安交通大學(xué)化工學(xué)院化工系，陜西 西安 710049；2熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

隨著原油重質(zhì)化和劣質(zhì)化程度的加劇以及環(huán)保法規(guī)的加強(qiáng)，加氫處理、加氫裂化等原油深度加工技術(shù)在煉廠得到了廣泛應(yīng)用。另一方面，汽油辛烷值要求的提高減少了可利用的重整裝置副產(chǎn)氫氣的產(chǎn)量。氫氣缺乏的問題制約了煉廠油品品質(zhì)升級(jí)和產(chǎn)量[1]。高效合理地利用氫氣資源，降低用氫成本，優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)，對(duì)提高煉廠的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

氫氣網(wǎng)絡(luò)集成方法可分為基于夾點(diǎn)技術(shù)的圖形法和基于超結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法。Alves等[2]首先將夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用于氫氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，提出了根據(jù)剩余氫圖確定氫夾點(diǎn)和最小氫氣公用工程用量的方法。El-Halwagi等[3]基于質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)分析提出了一種適用于確定氫氣網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)的雜質(zhì)負(fù)荷-流量圖法。Zhao等[4-5]提出了確定氫氣網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析的純氫負(fù)荷-流量圖和多雜質(zhì)氫氣網(wǎng)絡(luò)的赤字率方法。針對(duì)氫阱濃度降低至最低限制濃度導(dǎo)致氫氣網(wǎng)絡(luò)缺乏操作彈性的問題，靳皎等[6]提出了確定關(guān)鍵氫阱最優(yōu)濃度的方法。在數(shù)學(xué)規(guī)劃法方面，Hallale等[7]首先提出了氫氣網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)模型。Liu等[8]提出了選擇最合適提純器的系統(tǒng)方法。Kumar等[9]針對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，對(duì)比了所建立的線性規(guī)劃（LP）模型、非線性規(guī)劃（NLP）模型和混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）模型的特點(diǎn)和優(yōu)化結(jié)果。

針對(duì)煉廠氫氣系統(tǒng)不斷變化的工況和氫氣需求的動(dòng)態(tài)變化，劉永忠等[10]提出了基于氫氣系統(tǒng)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)分割綜合的優(yōu)化方法。宣吉等[11]提出了考慮設(shè)計(jì)和調(diào)度問題的集成優(yōu)化模型，采用基于場(chǎng)景的二階段隨機(jī)規(guī)劃方法處理氫氣系統(tǒng)運(yùn)行中的不確定因素。焦云強(qiáng)等[1，12]提出了煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)柔性優(yōu)化策略，建立了多工況下的氫氣網(wǎng)絡(luò)柔性優(yōu)化混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）模型和多目標(biāo)優(yōu)化模型。Liao等[13]提出了同時(shí)考慮氫氣網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性和溫室氣體排放對(duì)環(huán)境影響的可持續(xù)性氫氣網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)模型。

為了提高氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的操作彈性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，張亮等[14]在綜合考慮氫氣系統(tǒng)中氫阱需求的基礎(chǔ)上，提出了適配氫阱需求氫氣網(wǎng)絡(luò)中間等級(jí)的概念，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，但是該方法僅考慮了氫氣系統(tǒng)中氫氣的回用，而未考慮氫氣提純裝置的設(shè)置以提高氫氣利用率。

針對(duì)上述問題，本文提出了具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)耦合集中式提純器的氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題的分步優(yōu)化方法，重點(diǎn)研究了具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置集中式提純器對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的影響，并通過實(shí)例的定量分析闡明了集中式提純器的合理設(shè)置方法及具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)的分步優(yōu)化方法。

1 具有中間等級(jí)氫氣分配網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置集中式提純器的分析

1.1 集中式提純器的設(shè)置

集中式氫氣提純是目前煉化企業(yè)普遍采用的提純方式之一，在工程實(shí)際中具有一定的優(yōu)勢(shì)。采用廢氫集中提純可以降低提純器的投資費(fèi)用，在整個(gè)氫氣分配網(wǎng)絡(luò)中一般僅設(shè)置一套提純器，雖然一套提純裝置投資費(fèi)用很高，但相比于多臺(tái)小提純裝置需要經(jīng)常考慮定期的更換來說（特別是膜分離提純器），集中提純具有一定的優(yōu)勢(shì)。其次，采用集中提純可以實(shí)現(xiàn)提純處理的集中操作，相比于多臺(tái)小提純裝置都要配置單獨(dú)的控制、管理、操作輔助系統(tǒng)以及人員的安排而言，集中提純可將各類用于提純處理的資源集中并高效利用。然而，集中提純也具有占用空間大、提純器進(jìn)口狀況復(fù)雜以及解吸氣濃度過高等問題。但目前大多數(shù)煉廠的廢氫仍采用集中提純方式。

在氫氣分配網(wǎng)絡(luò)中，集中式提純器的設(shè)置首先要考慮的問題是提純器放置的位置。一般地，提純器設(shè)置在提供氫氣的流股與接受氫氣的裝置之間。然而，對(duì)于具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)而言，提純器既可以設(shè)置在氫源與中間等級(jí)之間，也可以設(shè)置在中間等級(jí)與氫阱之間。對(duì)于這種氫氣網(wǎng)絡(luò)而言，如何放置集中式提純器需要進(jìn)一步分析確定。

1.2 具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)中集中式提純器設(shè)置位置的夾點(diǎn)分析

在具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)模型中[14]，中間等級(jí)是按照氫阱需求設(shè)置的，具有中間等級(jí)的氫氣網(wǎng)絡(luò)具有層次性。因此，中間等級(jí)與氫阱的匹配是一種自然的匹配，即高壓到低壓、高濃度到低濃度或者等壓、等濃度的匹配。另外，中間等級(jí)的狀態(tài)是僅考慮氫氣回用確定的。

下面通過實(shí)例分析闡明具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)中集中式提純器的設(shè)置。

某煉廠氫氣系統(tǒng)的氫源和氫阱數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)文獻(xiàn)[14]中已經(jīng)確定的 4級(jí)中間管網(wǎng) IL1（99%，10MPa）、IL2（97%，15MPa）、IL3（95%，7MPa）和 IL4（92.7%，7MPa），分別對(duì)氫源與中間等級(jí)、中間等級(jí)與氫阱做氫氣純度-流量復(fù)合曲線。

圖1表示氫源與中間等級(jí)匹配的氫氣純度-流量復(fù)合曲線，相應(yīng)的剩余氫量圖如圖2所示。

由圖2可見，通過對(duì)剩余氫量曲線向負(fù)方向平移，可以找到氫源與中間等級(jí)匹配供應(yīng)關(guān)系中的夾點(diǎn)。由于集中式提純器的設(shè)置一定要跨越夾點(diǎn)[8]，因而在氫源與中間等級(jí)之間有設(shè)置提純器的可能性，提純器可以設(shè)置在這一位置。

圖3表示中間等級(jí)與氫阱匹配的氫氣純度-流量復(fù)合曲線，相應(yīng)的剩余氫量圖如圖4所示。由于中間等級(jí)的氫氣純度和流率必須滿足對(duì)應(yīng)氫阱的要求，因此純度-流量復(fù)合曲線上只能有純氫剩余的區(qū)域，不可能出現(xiàn)虧缺的區(qū)域。

表1 某煉廠氫氣系統(tǒng)的氫源與氫阱數(shù)據(jù)

圖1 氫源與中間等級(jí)匹配的流量-氫氣純度復(fù)合曲線

圖2 氫源與中間等級(jí)匹配的剩余氫量圖

由圖4可見，無論怎樣平移氫剩余曲線，都無法找到中間等級(jí)與氫阱匹配供應(yīng)關(guān)系中的夾點(diǎn)。由于提純器的設(shè)置一定要跨越夾點(diǎn)，因此在中間等級(jí)與氫阱之間不能設(shè)置提純器。綜上所述，在帶有中間等級(jí)的氫氣分配網(wǎng)絡(luò)中，提純器只能設(shè)置在氫源與中間等級(jí)之間的區(qū)域內(nèi)。

圖3 中間等級(jí)與氫阱匹配的流量-氫氣純度復(fù)合曲線

圖4 中間等級(jí)與氫阱匹配的的剩余氫量圖

2 具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)耦合集中式提純器的分步優(yōu)化方法

2.1 具有中間等級(jí)耦合集中式提純器的氫氣網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)模型

本文在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出考慮集中式提純器的具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)的分步優(yōu)化方法，即是先確定具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)的中間等級(jí)純度和壓力狀態(tài)，然后考慮加入集中式提純器進(jìn)一步回收利用各中間濃度氫源，進(jìn)而進(jìn)一步減少氫氣網(wǎng)絡(luò)的氫氣公用工程用量。在本文方法中，確定具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)中間等級(jí)狀態(tài)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型可參見文獻(xiàn)[14]。所建立的超結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

以年均用氫費(fèi)用IH2，年均壓縮電費(fèi)Ielec，設(shè)備（壓縮機(jī)和提純器）的投資費(fèi)用Icomp和Ipuri以及管道一次性投資費(fèi)用Ipipe之和最小為目標(biāo)函數(shù)，如式（1）。

圖5 具有中間等級(jí)耦合集中式提純器的氫氣網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)模型

式中，Af為年度化因子，符號(hào)意義與文獻(xiàn)[14]中相同。

變壓吸附氫氣提純（PSA）裝置的投資費(fèi)用可表示為式（2）。

膜分離氫氣提純裝置（MEM）的投資費(fèi)用[8]可表示為式（3）。

2.3 約束條件

在本文的超結(jié)構(gòu)模型中，與僅考慮氫氣回用的具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)類似，約束條件包括氫阱約束、壓縮機(jī)選型約束、壓縮機(jī)內(nèi)部約束、壓力約束、壓力混合規(guī)則約束、匹配關(guān)系0/1整數(shù)變量約束、總連接數(shù)約束和氫阱匹配約束等，與文獻(xiàn)[14]中數(shù)學(xué)優(yōu)化模型相同。此外，該模型還需滿足與提純器有關(guān)的約束條件，本文選用變壓吸附裝置（PSA）作為氫氣提純裝置。與PSA裝置有關(guān)的約束條件如式（4）～式（8）。

式中，R為提純氫的回收率；下角標(biāo)i，PSAf，PSAp，PSAr分別為氫源、PSA進(jìn)料和PSA提純氣以及PSA的解吸氣。

PSA的入口氫氣純度應(yīng)介于提純氫和解吸氫純度之間，即如式（9）。

PSA的入口壓力不應(yīng)小于 PSA設(shè)計(jì)的最小入口壓力，即如式（10）。

經(jīng)由PSA的流股壓降較小，可假設(shè)入口壓力等于產(chǎn)品的出口壓力，即如式（11）。

PSA入口流量不超過設(shè)備本身的設(shè)計(jì)流量，即如式（12）。

3 實(shí)例計(jì)算與分析

針對(duì)上述數(shù)學(xué)規(guī)劃模型和表1所示煉廠氫氣網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，本文采用LINGO8.0軟件中的分支定界法求解，所得優(yōu)化后的氫氣網(wǎng)絡(luò)匹配如圖6所示。

由圖6可見，氫源SC3、SC6的全部和氫源SC7的剩余部分進(jìn)入PSA進(jìn)行提純操作。PSA的處理量為345 mol/s，產(chǎn)品氫氣的流量256.3 mol/s，解吸氣的流量為88.7 mol/s，解吸氣濃度為72%。

實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明，所得氫氣網(wǎng)絡(luò)的總費(fèi)用為每年35 365.4萬元，其中用氫費(fèi)用每年32 999.8萬元，占總費(fèi)用的比例高達(dá) 93.3%。年度總費(fèi)用與文獻(xiàn)[14]案例中的具有 4級(jí)中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)的年度總費(fèi)用相比減少了1061.6 萬元。

通過在系統(tǒng)中設(shè)置集中式提純器，公用工程氫氣SC1的使用量從僅考慮氫氣回用的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中的498.6 mol/s減少到242.7 mol/s，減少了255.9 mol/s。與僅考慮氫氣回用的氫氣網(wǎng)絡(luò)相比，進(jìn)一步降低了氫氣費(fèi)用。同時(shí)，其他中等濃度氫源也完全得到了有效利用，相比于不考慮氫氣提純下氫源SC3，SC6完全剩余，SC7部分剩余的情況，氫氣回用的效果更高，達(dá)到了100%，從而使文獻(xiàn)[14]案例中沒有回用的剩余氫氣通過集中提純得到有效利用。

4 結(jié) 論

圖1 具有集中式提純器和氫氣回用的4級(jí)中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化匹配

本文在已有的具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上，考慮加入集中式提純器進(jìn)一步優(yōu)化煉廠氫氣資源的利用，建立了考慮集中式提純器的具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)分步優(yōu)化方法。在本文的分步優(yōu)化方法中，先確定具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)的中間等級(jí)狀態(tài)，再對(duì)具有集中式提純器的氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化。

對(duì)于適配氫阱的具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)，集中式提純器的設(shè)置位置對(duì)于氫氣系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要作用。通過實(shí)例，本文闡明了集中式提純器設(shè)置的位置應(yīng)設(shè)置在氫源與中間等級(jí)之間，并采用夾點(diǎn)分析方法闡述了該設(shè)置的合理性。

基于所建立的分步優(yōu)化模型，本文對(duì)某煉廠氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明：考慮集中式提純器帶有中間等級(jí)的氫氣網(wǎng)絡(luò)不僅能體現(xiàn)出其在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的層次性等優(yōu)勢(shì)，集中式提純器的設(shè)置將更利于氫氣網(wǎng)絡(luò)氫氣資源合理利用，進(jìn)一步有效地降低公用工程氫氣的使用量，減少用氫費(fèi)用。

本文僅討論了具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)耦合集中式提純器的分步優(yōu)化方法和合理的設(shè)置位置，而具有中間等級(jí)氫氣網(wǎng)絡(luò)的中間等級(jí)和集中式提純器的同步優(yōu)化以及集中式提純器的合理位置設(shè)置需開展進(jìn)一步的研究工作。

[1]焦云強(qiáng)，蘇宏業(yè)，侯衛(wèi)鋒.煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)柔性優(yōu)化[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63（9）：2739-2748.

[2]Alves J J，Towler G P.Analysis of refinery hydrogen distribution systems[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2002，41（23）：5759-5769.

[3]El-Halwagi M M，Gabriel F，Harell D.Rigorous graphical targeting for resource conservationviamaterial recycle/reuse networks[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2003，42（19）：4319-4328.

[4]Zhao Z，Liu G，F(xiàn)eng X.New graphical method for the integration of hydrogen distribution systems[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2006，45（19）：6512-6517.

[5]Zhao Z，Liu G，F(xiàn)eng X.The integration of the hydrogen distribution system with multiple impurities[J].Chemical Engineering Research and Design，2007，85（9）：1295-1304.

[6]靳皎，馮霄.氫系統(tǒng)關(guān)鍵氫阱最優(yōu)氫濃度的確定[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63（12）：3937-3942.

[7]Hallale N，Liu F.Refinery hydrogen management for clean fuels production[J].Advances in Environmental Research，2001，6（1）：81-98.

[8]Liu F，Zhang N.Strategy of purifier selection and integration in hydrogen networks[J].Chemical Engineering Research and Design，2004，82（10）：1315-1330.

[9]Kumar A，Gautami G，Khanam S.Hydrogen distribution in the refinery using mathematical modeling[J].Energy，2010，35（9）：3763-3772.

[10]劉永忠，閆哲，梁肖強(qiáng).動(dòng)態(tài)氫氣系統(tǒng)的靜態(tài)分割綜合與系統(tǒng)優(yōu)化[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，52（3）：293-297，302.

[11]宣吉，廖祖維，榮岡，等.基于隨機(jī)規(guī)劃的煉廠氫網(wǎng)絡(luò)改造設(shè)計(jì)[J].化工學(xué)報(bào)，2010，61（2）：398-404.

[12]Jiao Y，Su H，Liao Z，et al.Modeling and multi-objective optimization of refinery hydrogen network[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2011，19（6）：990-998.

[13]Zhou L，Liao Z，Wang J，et al.Optimal design of sustainable hydrogen networks[J].International Journal of Hydrogen Energy，2013，38（7）：2937-2950.

[14]張亮，劉永忠，閆哲.煉化企業(yè)中氫氣管網(wǎng)的中間等級(jí)設(shè)置與優(yōu)化分析[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2010，27（10）：1361-1364.