基于煉油廠計(jì)劃優(yōu)化模型的氫氣系統(tǒng)優(yōu)化研究

張會兵 蘇燕飛

摘要：煉油廠在進(jìn)行生產(chǎn)過程中對于氫氣資源的利用率比較低，所消耗的煉化成本較高，因此需要結(jié)合煉油廠的實(shí)際生產(chǎn)情況，對氫氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可以有效提高氫氣資源的利用率。氫氣系統(tǒng)優(yōu)化裝置包括兩種方法：夾點(diǎn)分析法和超結(jié)構(gòu)優(yōu)化法。利用不同的優(yōu)化方法可以有效降低氫氣系統(tǒng)的運(yùn)行成本，進(jìn)而提高煉油廠企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：氫氣系統(tǒng);優(yōu)化研究;煉油廠

隨著煉油廠生產(chǎn)工作的不斷擴(kuò)大，需要生產(chǎn)高質(zhì)量的成品油，因此在生產(chǎn)過程中對氫氣工藝進(jìn)行優(yōu)化，已經(jīng)成為很多煉油廠企業(yè)所研究的重點(diǎn)內(nèi)容。煉油廠生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對氫氣資源的需求量不斷提高，因此在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，選擇低成本的氫源、降低氫氣使用程度、提高氫氣管理水平，已經(jīng)成為煉油廠提高市場競爭力的重要策略。

1前言

氫氣能源是一種非常寶貴的能量資源，在煉油生產(chǎn)過程中是非常重要的原料來源，隨著社會各界對成品油質(zhì)量的不斷提高，煉油廠對氫氣的需求量越來越大，氫氣系統(tǒng)在煉油廠中的地位越來越重要。隨著煉油廠行業(yè)的重質(zhì)原油比例增加，原油重質(zhì)化和劣質(zhì)化的趨勢越來越明顯，因此利用氫氣提高油品質(zhì)量就顯得尤為重要，加氫工藝在煉油廠生產(chǎn)過程中得到了非常廣泛的作用，但是很多煉油廠的加氫工藝所消耗的成本比較高，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，對氫氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化具有非常重要的意義。

煉油廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化主要采取兩種方法：夾點(diǎn)分析法和超結(jié)構(gòu)優(yōu)化法。

（1）夾點(diǎn)分析法主要是利用圖形法為基礎(chǔ)，能夠?qū)錃獾纳a(chǎn)程度和數(shù)量進(jìn)行明確觀察，利用夾點(diǎn)分析法可以直接得出氫氣的最小需求量。夾點(diǎn)分析法在氫氣系統(tǒng)優(yōu)化過程中有著非常重要的作用，并且已經(jīng)取得了巨大成就。但是夾點(diǎn)分析法在使用過程中會面臨壓力約束、運(yùn)行成本、投資成本等問題。

（2）超結(jié)構(gòu)優(yōu)化法是氫氣系統(tǒng)工程中一種重要的研究方法，超結(jié)構(gòu)優(yōu)化法的主要工作原理就是將所有的氫源、氫阱進(jìn)行連接，并結(jié)合限制條件，得出最優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。建立超結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式需要建立連接的初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過優(yōu)化算法確定最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在該過程中需要結(jié)合有相關(guān)的數(shù)據(jù)模型以及優(yōu)化算法，才能夠得出超結(jié)構(gòu)優(yōu)化法中最為優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。超結(jié)構(gòu)優(yōu)化法中的數(shù)學(xué)模型是由目標(biāo)函數(shù)和約束條件所構(gòu)成，超結(jié)構(gòu)模型中的限制包括所有最基本的限制，即氫源流量限制，氫阱流量限制和濃度限制，接近實(shí)際生產(chǎn)的限制還包括壓力約束，雜質(zhì)約束，清潔設(shè)備約束，壓縮機(jī)設(shè)備約束等。超結(jié)構(gòu)優(yōu)化法的主要特點(diǎn)就是可以使氫源和氫阱之間實(shí)現(xiàn)連接，利用優(yōu)化模型可以確定最佳的供氫路線和供氫量，并且在進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算過程中可以直接添加約束條件，不斷改變相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，可以獲得最佳的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2氫氣系統(tǒng)建模

對氫氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化需要依靠實(shí)時數(shù)據(jù)，在進(jìn)行優(yōu)化過程中包括壓縮機(jī)約束、氫氣供求約束以及物料平衡約束等約束條件，在滿足經(jīng)濟(jì)需求的前提下，需要對制氫裝置、氫氣回收裝置以及耗氫裝置進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在不同的操作條件的氫氣系統(tǒng)優(yōu)化，根據(jù)數(shù)據(jù)模型能夠及時計(jì)算出最佳的供氫方式和氫氣調(diào)度方案，為操作人員制定優(yōu)化策略，從而有效減少能源的消耗，降低氫氣消耗成本，對煉油廠的氫氣系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化管理。

氫氣系統(tǒng)進(jìn)行模型優(yōu)化的主要目標(biāo)是結(jié)合工藝約束條件以及設(shè)備約束條件為基礎(chǔ)，建立不同的群體優(yōu)化模型，以氫氣系統(tǒng)運(yùn)行成本的最小值為目標(biāo)，結(jié)合優(yōu)化算法得出優(yōu)化方案。氫網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模型分為線性模型和非線性模型，相比之下，MINLP模型包含當(dāng)前的氫氣網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜約束使優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)更簡單。但是，MINLP模型中不包括對等設(shè)備或清潔方法的選擇。煉油廠氫網(wǎng)絡(luò)上部結(jié)構(gòu)的五個模型，它們是基本的NLP模型和改進(jìn)的NLP模型，其中考慮了再循環(huán)和壓力約束以及所有MINLP模型約束，以及兩個改進(jìn)的MINLP模型增加了一個新的壓縮機(jī)，另一個考慮了增加新的壓縮機(jī)。

3氫氣系統(tǒng)優(yōu)化

煉油廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化策略可以分為三個部分：加氫裝置優(yōu)化;制氫裝置優(yōu)化;制氫過程中的反應(yīng)優(yōu)化;

3.1加氫裝置優(yōu)化

在確保最小氫油比和最小氫氣純度下，并確保加氫裝置能夠穩(wěn)定運(yùn)行，可以采用減少氫量來降低加氫裝置的氫油比，節(jié)省加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)的能量消耗，采用中壓蒸汽驅(qū)動可以有效節(jié)省加氫裝置的能量消耗成本。

3.2制氫裝置原料氣優(yōu)化

制氫裝置的主要原理是利用天然氣為原料結(jié)合烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法的制氫工藝，達(dá)到工業(yè)氫工藝標(biāo)準(zhǔn)，并通過擴(kuò)能改造達(dá)到符合工藝需求。制氫裝置采用焦化干氣為原料，可以有效降低裝置的進(jìn)料量，降低裝置能耗，與傳統(tǒng)原料催化干氣相比，焦化干氣的轉(zhuǎn)化率更高，在相同的轉(zhuǎn)化率情況下，焦化干氣的產(chǎn)氫量更高。

3.3制氫中反應(yīng)優(yōu)化

很多煉油廠的制氫量已經(jīng)無法滿足工廠需求，需要優(yōu)化裝置操作，提高裝置產(chǎn)氫量。煉油廠制氫工藝主要包扣轉(zhuǎn)化反應(yīng)和中變反應(yīng)兩部分，在轉(zhuǎn)化反應(yīng)中會勝場H2S，C2O和CO等一些雜質(zhì)對脫硫程度和烯烴飽和度有極大的影響，進(jìn)而影響油質(zhì)。在轉(zhuǎn)化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，通過提高溫度可以加速反應(yīng)進(jìn)行，但是不利于制氫平衡移動，影響烴類轉(zhuǎn)化率的因素為溫度。水碳之間的比列、空速以及壓力。因此需要改變制氫中變反應(yīng)，可以有效提高氫氣產(chǎn)率，

4結(jié)束語

目前很多煉化廠的氫氣系統(tǒng)缺乏相應(yīng)的管理經(jīng)驗(yàn)以及專業(yè)的管理工具，會導(dǎo)致煉化廠的生產(chǎn)成本增加，因此煉化廠的氫氣管理系統(tǒng)有待提高，針對我國煉化廠氫氣系統(tǒng)在進(jìn)行生產(chǎn)過程中所存在的問題，建立合適的優(yōu)化模型，不僅可以提升氫氣的利用率，還可以有效提升氫氣系統(tǒng)的運(yùn)行成本，在模型建立過程中，需要考慮各種約束條件，采用非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃方法可以得出氫氣系統(tǒng)優(yōu)化方案，進(jìn)而提高煉油廠的經(jīng)濟(jì)效益。

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