煉油廠(chǎng)氫氣分配系統(tǒng)超結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究進(jìn)展

劉君建

摘要：很早之前，就已經(jīng)開(kāi)始針對(duì)煉油廠(chǎng)的氫氣分配體系超結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，這是一種具有高效節(jié)能，節(jié)約成本的方法，因此得到不斷發(fā)展，在本次研究中，主要對(duì)煉油廠(chǎng)氫氣分配系統(tǒng)超結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究進(jìn)展進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：煉油廠(chǎng);氫氣分配系統(tǒng);超結(jié)構(gòu);優(yōu)化方法

現(xiàn)階段，加工原油出現(xiàn)了劣質(zhì)化的現(xiàn)象，加之，社會(huì)對(duì)于油品質(zhì)量提高的要求，逐漸降低的重質(zhì)燃料油的價(jià)值，加氫工藝得到了廣泛的應(yīng)用，有助于產(chǎn)品硫化物和氮化物的降低。然而因?yàn)榧託涔に嚨囊蚬黾恿藲錃庑枨?，使得氫氣?lái)源越來(lái)越少，所以，需要優(yōu)化氫氣系統(tǒng)研究，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。

一、煉油廠(chǎng)氫氣分配系統(tǒng)超結(jié)構(gòu)方法分析

對(duì)于超結(jié)構(gòu)方法來(lái)說(shuō)，這是過(guò)程系統(tǒng)當(dāng)中非常重要的研究方法，并且獲得了非常廣泛的應(yīng)用，研究人員Hallale是最初提出通過(guò)超結(jié)構(gòu)方法達(dá)到氫氣系統(tǒng)優(yōu)化的人員，對(duì)系統(tǒng)超結(jié)構(gòu)進(jìn)行建立的過(guò)程中，必須建立初始化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，之后再利用優(yōu)化算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的尋找過(guò)程中，必須對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建立以及優(yōu)化。數(shù)學(xué)模型主要是在目標(biāo)函數(shù)以及約束條件的作用下所構(gòu)成的。這一方法的應(yīng)用能夠在優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中對(duì)約束條件進(jìn)行添加，并對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，還能夠達(dá)到較好的目標(biāo)函數(shù)值以及優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。

在這一問(wèn)題上，張毅等研究人員通過(guò)超結(jié)構(gòu)的方法優(yōu)化分析了鎮(zhèn)海煉化的氫氣系統(tǒng)，將目標(biāo)確定為總氫氣費(fèi)用與氫氣壓縮機(jī)的電費(fèi)和，通過(guò)序貫二次的規(guī)劃算法得到最優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（一）分析二步的優(yōu)化模型

氫網(wǎng)絡(luò)流股間匹配比較簡(jiǎn)單的方法就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)改造投資進(jìn)行降低，與此同時(shí)，能夠讓系統(tǒng)操作更加地平穩(wěn)，不容易受到其他類(lèi)型的裝置操作的波動(dòng)影響。在該問(wèn)題上，劉永忠等研究人員通過(guò)最小氫氣的工程消耗量以及最小匹配數(shù)制定二步優(yōu)化的模型，按照原始?xì)錃獾姆峙渚W(wǎng)絡(luò)氫源以及氫阱流股的數(shù)據(jù)，對(duì)流量和濃度以及壓力限制性的非線(xiàn)性的規(guī)劃模型進(jìn)行制定，并對(duì)原始性的氫氣分配的網(wǎng)絡(luò)最小氫氣的公用工程的消耗量進(jìn)行確定;對(duì)該優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行參考，選擇一個(gè)比較合適的松弛率，并對(duì)系統(tǒng)最小化的網(wǎng)絡(luò)匹配數(shù)進(jìn)行確定。在這一過(guò)程中，能夠通過(guò)松弛率的改變，得到一個(gè)和氫氣公用的工程消耗量網(wǎng)絡(luò)匹配之間相符合，對(duì)比各種類(lèi)型的方案，能夠選擇不同類(lèi)型的能夠?qū)嵤┑钠ヅ浞桨?。從相關(guān)研究中可以看出，網(wǎng)絡(luò)匹配數(shù)和氫氣公用的工程消耗量的松弛率關(guān)系是反曲類(lèi)型的函數(shù)關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)性的節(jié)氫量要求進(jìn)行降低，有助于網(wǎng)絡(luò)匹配的結(jié)構(gòu)得以獲得。

（二）選擇提純的方式以及集成化的策略

就氫氣提純來(lái)說(shuō)，主要是指變壓吸附和膜分離與深冷等不同方式，在很多范圍中的應(yīng)用也是存在差異的。選擇氫氣提純的方式是在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，不具備定量方面的對(duì)比，也不需要考慮提純方式的集成，不能提供提純工藝參數(shù)。對(duì)于該問(wèn)題來(lái)說(shuō)，相關(guān)研究中已經(jīng)確定了選擇氫氣提純的方式以及系統(tǒng)方法，對(duì)氫氣的節(jié)約量和資本的投資以及壓縮機(jī)的成本關(guān)系進(jìn)行確定。這一方法的構(gòu)架是指在提純期間的氫系統(tǒng)的超結(jié)構(gòu)，并且對(duì)提純單元的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行制定，將年總成本作為目標(biāo)函數(shù)，變量則是提純方式的選擇與集成等，并對(duì)混合整數(shù)的非線(xiàn)性的規(guī)劃模型進(jìn)行確定，并對(duì)這一模式得提純方案進(jìn)行確定。

（三）氫氣管網(wǎng)等級(jí)的設(shè)置以及優(yōu)化

煉油廠(chǎng)主要是按照制氫裝置產(chǎn)能進(jìn)行設(shè)置，只需要考慮氫阱對(duì)于氫氣純度所提出的需求，或是按照壓力等級(jí)對(duì)中間的壓力等級(jí)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，但是，氫氣系統(tǒng)的等級(jí)設(shè)置必須同時(shí)考慮到壓力以及純度要求。研究人員張亮提出適配氫阱的需求優(yōu)化方法，還對(duì)超結(jié)構(gòu)的模型以及數(shù)學(xué)化的優(yōu)化模型進(jìn)行了建立，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃法對(duì)氫氣分配的管網(wǎng)等級(jí)級(jí)數(shù)進(jìn)行確定。

（四）優(yōu)化隨機(jī)規(guī)劃的氫系統(tǒng)

煉油廠(chǎng)氫氣的產(chǎn)耗量備受原油的供應(yīng)以及產(chǎn)品需求改變所帶來(lái)的影響，因此使得以往的確定性模型難以對(duì)氫網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行描述。研究人員宣吉等人提出從設(shè)計(jì)以及調(diào)度的角度上對(duì)集成化的優(yōu)化模型進(jìn)行建立，選擇在場(chǎng)景基礎(chǔ)上的二階段的隨機(jī)規(guī)劃法對(duì)氫網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過(guò)程中的不確定因素進(jìn)行確定，將決策變量劃分成一階與二階的決策變量，將一階段的決策成本以及二階段的決策成本和劃分成最小的目標(biāo)函數(shù)，并且得到氫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一階的決策變量主要是指管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和提純裝置的選擇情況，二階決策的變量是指各個(gè)管道的流量狀態(tài)變量。

二、煉油廠(chǎng)氫氣分配系統(tǒng)超結(jié)構(gòu)方法的研究進(jìn)展

（一）在求解算法和軟件方面的研究

對(duì)于優(yōu)化算法而言，其在復(fù)雜化的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，逐漸改變了對(duì)應(yīng)的算法。氫氣網(wǎng)絡(luò)模型存在很大的差異，因?yàn)轭?lèi)型不同，求解算法也是存在差異的。能夠單獨(dú)地選擇相應(yīng)算法求解模型，或者是根據(jù)所求模型本身的特性改進(jìn)算法，有效統(tǒng)合不同算法，繼而使得新算法得以形成。通過(guò)求解算法的運(yùn)用將其劃分成確定性以及隨機(jī)性的算法。這兩者之間的區(qū)別是指，在同一輸入條件的影響下產(chǎn)生不同的輸出。對(duì)于確定性算法來(lái)說(shuō)，主要是通過(guò)問(wèn)題解析的性質(zhì)，確定性無(wú)限以及有限點(diǎn)序列，最優(yōu)化收斂全局。

（二）注重不確定因素的優(yōu)化方法

很多研究中都是假設(shè)氫氣供需量處于固定性的，然而具體的生產(chǎn)方案是在原油氮含量和硫含量等基礎(chǔ)上進(jìn)行的，系統(tǒng)性耗氫量與產(chǎn)氫量隨之發(fā)生一定的改變，宣吉等研究人員很早就是考慮設(shè)計(jì)以及調(diào)度的問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要通過(guò)環(huán)境二階段的規(guī)劃方法對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在的不確定因素進(jìn)行確定，氫氣網(wǎng)絡(luò)和煉油的生產(chǎn)系統(tǒng)之間非常緊密，氫氣網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的變化，會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，并且使得操作成本出現(xiàn)改變。想要更好地管理煉油廠(chǎng)，研究人員Liao有效結(jié)合了氫氣網(wǎng)絡(luò)和石油的加工網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)靈敏度的模型進(jìn)行了建立，提出新的具有靈敏性的分析方案;對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的石油加工的裝置進(jìn)行確定，之后全面分析裝置的靈敏度，并且優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)條件。在這一模型中能夠獲得石油加工的網(wǎng)絡(luò)以及氫氣網(wǎng)絡(luò)?？梢詮膶?shí)例中看出，這是一種靈敏性比較高的處理煉油廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)之間的決策的優(yōu)化問(wèn)題。研究人員Jiao在機(jī)會(huì)約束的規(guī)劃基礎(chǔ)上對(duì)新煉油廠(chǎng)內(nèi)的氫氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，還結(jié)合了產(chǎn)氫量和耗氫量與馳放氣的供應(yīng)量等進(jìn)行研究，考慮到很多不確定因素隨機(jī)的分布，構(gòu)建了不同的模型，還通過(guò)分支定界的方法實(shí)現(xiàn)求解。從案例當(dāng)中可以看出，這一方法可以對(duì)煉油廠(chǎng)內(nèi)的氫氣網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的波動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行解決，與此同時(shí)，和以往的確定性方之間的比較具有優(yōu)越性。之后發(fā)展的幾年，研究人員又建立了新的模型，制定了新的目的，即最小年度的成本以及最小的期望誤差，實(shí)現(xiàn)加權(quán)求和，通過(guò)GAMS達(dá)到求解的目的。將決策人員的承受風(fēng)險(xiǎn)融入其中，可以從實(shí)例分析中看出年度成本和期望誤差之間處于反比的關(guān)系。研究人員還缺鼎了優(yōu)化的結(jié)果，展示了魯棒優(yōu)化能夠很好地解決問(wèn)題。降低能源消耗早已不是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過(guò)程中的主要目標(biāo)，很多性能都得到了干擾和關(guān)注。也就是因?yàn)檫@些研究，使得我國(guó)煉油廠(chǎng)的技術(shù)和工藝發(fā)展到了新的階段，并且解決了很多實(shí)際性的問(wèn)題，推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，優(yōu)化氫氣分配的系統(tǒng)問(wèn)題在上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)了，并且將新的概念和方法應(yīng)用在改造舊廠(chǎng)以及建造新廠(chǎng)的過(guò)程中，獲得了非常高的經(jīng)濟(jì)效益。然而在很多理論方法上一直都是初創(chuàng)階段，還不能完善，超結(jié)構(gòu)法能夠?qū)s束條件下的氫網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題進(jìn)行描述，然而還為得到成熟的發(fā)展。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，需要強(qiáng)化理論方面的研究，不但需要善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，還需要促進(jìn)氫氣分配的優(yōu)化理論的運(yùn)用，讓其更加地完善。

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