氢气夹点技术与氢气系统优化-刘永忠

Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 氢气夹点技术与氢气系统优化氢气夹点技术与氢气系统优化 刘永忠刘永忠 西安交通大学 化工系 提纲 1. 炼厂氢气资源的优化 2. 氢气系统分析的夹点技术  氢气公用工程最小用量的分析与确定  流股的匹配原则与顺序  计算实例 3. 氢气系统优化的数学规划方法 超结构模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  超结构模型  数学规划模型 4. 氢气系统的工程优化方法  氢气网络结构的简化方法  氢气系统中间等级的优化  动态氢气系统的静态分割集成方法 5. 工程实例  低浓度氢气排放的最小化与资源化利用 6. 结束语 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 1 炼厂氢气资源的优化  氢气的全球年产量约为5000万吨；  商用氢气的96%来源于煤、油、气等化石燃料 ；  氢气需求量每年递增6%～7%；  炼厂氢气消耗占氢气消耗总量的50%。 氢气的需求 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  原油重质化和劣质化的趋势加剧；  含硫原油和重质原油的加工比例不断增大；  油品质量升级导致各种临氢工艺已经成为炼厂的主 要加工手段，满足日益提高的成品质量和环保要求； 氢气的需求与环境保护的压力 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 例如：千万吨级炼厂  配置渣油加氢装置：氢气耗量=～ 1%原油加工量  不配置渣油加氢装置：氢气耗量=～ 0.7%原油加工量  CO2排放的压力  10 kgCO2/kgH2 地区 炼厂数量/个 原油蒸馏 /104t·a-1 加氢裂化 /104t·a-1 加氢处理 /104t·a-1 加氢能力占原油 加工量的比例 非洲 45 16061 299 4167 27.8 亚洲 156 111551 3809 40764 39.95 世界各地区炼油过程蒸馏和加氢处理能力统计 (2006年) 氢气的需求与环境保护的压力 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 东欧 91 51363 1528 20055 42.02 中东 42 35191 2825 9660 35.47 北美 156 104269 8444 73562 78.65 南美 66 33014 636 8927 28.97 西欧 102 74449 4958 46302 68.85 合计 658 425897 22499 203438 53.05 炼油企业氢的主要来源  制氢装置  煤、天然气、轻烃、炼厂干气、石脑油为原料；  催化重整装置的副产氢气  随着对汽油中芳烃含量的限制，重整装置加工的量减少， 副产氢气数量也随之减少 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 副产氢气数量也随之减少；  PSA、膜分离和深冷分离装置氢气纯化  用于产量较小  炼厂氢气消耗急剧增加，氢气成本已经成为炼厂原 料成本中仅次于原油成本的第二成本要素；  通过氢气系统的优化，合理配置和高效利用现有氢 气资源，对于炼厂的节能降耗，降低成产成本具有 重要意义 氢气的需求与环境保护的压力 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 重要意义。 氢气利用率的提高与减少消耗的途径  常规方法  通过改进工艺，降低装置氢气的消耗量；  氢气纯化技术，回收氢气。 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 氢气利用率的提高与减少消耗的途径  系统集成优化的方法 从全系统出发，优化氢气资源分配。  氢气的生产、消耗和纯化过程构成氢气分配网络；  网络中氢气流股相互联系 决定系统氢气的消耗量 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  网络中氢气流股相互联系，决定系统氢气的消耗量。 需要采用过程系统分析的方法对氢气系统中的 氢气分配进行优化和集成。 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 2 氢气系统分析的夹点技术 基本概念 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 炼厂中的典型用氢过程  氢源与氢阱  氢源：在氢网络中可以给网络提供氢气的流股；  氢阱：在氢网络中消耗氢气的过程流股。 基本概念 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  氢气的公用工程  制氢装置提供的氢气  氢气夹点分析法  20世纪90年代末,英国UMIST首次提出了炼厂氢气夹点的 概念；  氢气夹点分析类似于换热网络的夹点分析 氢气夹点分析方法 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  找出氢气网络的夹点  确定氢网络的最小耗氢量  氢气夹点技术先后在国外先后应用于多家炼厂，取得了 较好的节氢效果。 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 氢气公用工程最小用量的分析与 确定确定 剩余氢量的夹点分析法  氢气网络系统的最小公用工程用氢量确定  剩余氢量法 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 计算步骤 获得氢网络中氢源和氢阱的浓度和流量数据； 将氢源和氢阱的氢气浓度分别按降序排列； 以氢气浓度为纵坐标，流股的流量为横坐标，分别 作氢源和氢阱的流量 浓度复合曲线 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 作氢源和氢阱的流量－浓度复合曲线； 将流量－浓度复合曲线图转化为剩余氢量图； 假设最高浓度氢源的流率，即公用工程用氢量，通 过迭代计算作出氢剩余量图，直到公用工程氢的剩 余量为0时，即得到系统的氢夹点。 氢源和氢阱的描述  在流股流量－氢气纯度图 上，每一氢源或氢阱都可 以用水平直线段表示 ( Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  线段的长度表示该物流的 流量  可以左右移动 (mol%) 氢源复合曲线 对于多个氢源 根据氢浓度由大到小的顺序排序 把各个氢源依次表示在C－F图上 40 50 60 70 80 90 气纯 度（ %） Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 前一个氢源的终点与下一个氢源 的起点的横坐标相同 所有的氢源线连接一起即为氢源 的复合曲线 0 10 20 30 0 100 200 300 400流股流量（mol/s） 氢气 对所有的氢阱物流也可以作出氢阱的复合曲线 (mo 氢源和氢阱的复合曲线  氢源和氢阱多次相交，把整个 区域分为多个区间  在每一区间（两个交点之间） 氢源线位于氢阱线的上方或下方 氢源线位 氢阱线上方 这个 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University l%)  氢源线位于氢阱线上方，这个 区域氢量过剩（＋） ；  氢源线位于氢阱线下方，这个 区域氢量赤字（－），必须要有氢 量补充； 剩余氢  剩余氢：表示系统的氢源能否满足氢阱的需要  在每一区间 ' ( ) b SR SKa H y y dF  Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  在每 区间  氢源线位于氢阱线上方，该区域剩余氢为正值 ；  氢源线位于氢阱线下方，该区域剩余氢为负值 ；  剩余氢对应于相应浓度, 高浓度的剩余氢可以用来满 足低浓度氢阱的需要，即剩余的高浓度氢气可填补低浓度 氢气的亏缺. 复合曲线与剩余氢曲线的转化－氢气夹点 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 流量－浓度复合曲线 氢气夹点计算过程 由高浓度开始计算，剩余氢总量等于0点即为氢夹点 氢气夹点的获得 ' ( ) 0 b SR SKa H y y dF   氢气系统可行，必须满足： Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 在确定氢夹点的过程中，需要迭代计算。即，多次假设 最高纯度氢源的流量，计算复合曲线和剩余氢，直至找到氢 气夹点。 氢气系统的设计原则 氢气系统设计的基本原则  夹点之上的氢源只能与夹点之上的氢阱匹配；  夹点之上的氢源不能输送至燃气系统；  夹点之下的氢阱不能消耗氢公用工程 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  夹点之下的氢阱不能消耗氢公用工程。 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 流股匹配的原则与顺序 优化匹配的顺序与原则  为了实现系统氢气公用工程减少，以实现整个氢网 络系统的最小用氢量。在氢源和氢阱的匹配过程中， 氢源与氢阱的优化匹配可按照以下顺序与原则进行： Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 优化匹配的顺序 优先考虑系统中循环氢源与其氢阱的匹配，目的 在于减少杂质对用氢过程的影响； 优先考虑同一装置内氢源与氢阱的匹配，目的是 减少连接管路费用； Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 减少连接管路费用； 考虑不同装置氢源与氢阱的匹配。 优化匹配的原则  不能有跨越氢夹点浓度的氢源与氢阱的匹配；  尽量用一股氢源满足一个氢阱的全部需求；  考虑各氢阱对杂质的限制条件； 考虑氢源与氢 之间的 力等级 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  考虑氢源与氢阱之间的压力等级匹配。 当其他条件满足时，若仅压力约束不满足时，可以考虑 增加氢气压缩机以满足匹配的需要。  尽量使氢气系统的原有结构改动最小。 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 计算实例 氢源和氢阱的构成 氢气系统  氢阱：包括6套加氢精制装置HT1～ HT7  氢源：变压吸附提纯装置PSA、连续重整CCR、2 个制氢装置H1 H2和2股副产氢F1 F2 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 个制氢装置H1 ～ H2和2股副产氢F1～ F2。 计算实例 PSA 99.99 H1 93 CCR 91 H2 84 HT1 941 F1 83 F2 72 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University HT6 84 HT5 87 HT2 93 HT3 91 2 3 5 HT7 807 HT4 914 6 原始氢气分配网络 计算实例  由计算可知，现行网络的剩余氢量大于零；  在夹点时，系统由PSA装置提供的公用工程氢量为 34.57 mol/s，氢夹点的浓度为84％。 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  原始氢网络所用的公用工程用氢量为56.80 mol/s。  系统的节氢潜力为56.80-34.57＝22.23 mol/s，占 原氢气公用工程用量的39.1％。 该氢气系统的问题  副产氢气F1没有加以利用，造成了氢源的浪费。  副产氢气F1和HT6的浓度一致，应可以直接利用； Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  高浓度的氢源与低浓度的氢源直接混合来分别 满足较高要求的氢阱和较低浓度的氢阱的不同 需要，降低了高浓度氢源的利用效率。  纯度为99.99%氢源PSA和84%氢源H2的混合来满足浓度 为94%的HT1的需要； 该氢气系统的问题 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 为94%的HT1的需要；  99.99%的PSA氢源和浓度84%的H2混合来满足浓度为 80%的氢阱HT7，却未直接利用低浓度的氢气流股。  应遵循高质高用、低质低用的梯级利用基本原 则。 计算实例 60 80 100 浓 度 (% ) Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 20 40 氢源 氢阱 流 量(mol/s) 夹点时的流量-浓度复合曲线 计算实例 0.90 0.92 0.94 0.96 浓 度 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 夹点时的剩余氢曲线 0.82 0.84 0.86 0.88 0 5 10 剩余氢(mol/s) 浓 计算实例 根据前述的氢气网络优化匹配原则和顺序，这里 考虑流股流量、氢气浓度和杂质H2S限制以及压力等 限制，重新对系统分夹点之上和夹点之下的用氢进 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 行匹配。 PSA 99.99% H1 93% CCR 91% H2 84% 24.67 34.57 21.58 13.92 187.19 58.92 86.36 277.17 122.86 207.58 3.2MPa 3MPa 2.8MPa 6.3MPa 计算实例 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 夹点之上的氢源与氢阱匹配 87% HT5 93% HT2 94% HT1 92% HT3 96.56 21.58 318.09 487.93 1 2 5 91% HT4124.964 3 2.8MPa 3MPa 3.9MPa 3.8MPa 6.3MPa 计算实例 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 夹点之下的氢源与氢阱的匹配 计算实例  重新对原氢气系统进行改进后，可以达到氢源满足 氢阱的合理需求； 避免了跨越夹点的匹配，并且利用了浓度为84%氢源 H2直接供给了与其浓度相同的氢阱HT6 而在原网络中 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University H2直接供给了与其浓度相同的氢阱HT6，而在原网络中 并没有利用此股副产氢；  在匹配过程中，不仅各个氢源满足氢阱对杂质H2S 的需要，还充分利用了现有部分压缩机来满足生产需 要。 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 3 氢气系统优化的数学规划方法 氢气系统的超结构模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 目标： 1. 氢气系统的新氢消耗最小化 2. 公用工程氢气消耗量的最小化； 数学规划模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 3. 氢气系统的年度费用最小化； min HF 目标 氢气系统的新氢消耗最小化 数学规划模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University min HF 约束条件： （1）氢阱约束 流股流量约束 数学规划模型 n F F Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 流股流量约束 氢气纯度约束 , 1 i j j i F F   , , 1 1 n n i j i i j j i i F y F y     （2）氢源约束 流股流量约束 m 数学规划模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University , 1 m i j i j F F   （3）氢气流股中杂质约束 某些耗氢装置对氢气中的杂质有限制。因此， 优化时需要分析氢源中杂质成分及其对催化剂的影 响 优化时需要限制相应流股的匹配 数学规划模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 响。优化时需要限制相应流股的匹配。 , , 1 1 n n i j i i j j i i F C F C     （4）压力约束  实现氢气由氢源向氢阱的输送，要求氢源的供气 压力大于氢阱的压力；  当氢源压力低于氢阱压力时 可以通过压缩机提 数学规划模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  当氢源压力低于氢阱压力时，可以通过压缩机提 高氢源的压力。此时需考虑压缩机的投资成本和能耗。 商业计算软件  LINGO  GAMS 数学规划模型的求解 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 4 氢气系统的工程优化方法 氢气网络结构的简化方法 数学规划法－二步法  最小公用工程用量的确定；  最少网络匹配数的确定。 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 第一步目标： 氢气系统最小公用工程的确定 数学规划模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University min HF 约束条件： （1）氢阱约束 流股流量约束 数学规划模型 n F F Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 流股流量约束 氢气纯度约束 , 1 i j j i F F   , , 1 1 n n i j i i j j i i F y F y     （2）氢源约束 流股流量约束 m 数学规划模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University , 1 m i j i j F F   （3）氢气流股中杂质约束 数学规划模型 n n  Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University , , 1 1 i j i i j j i i F C F C     数学规划模型 （4）压力约束 氢源的供气压力大于氢阱的压力； i jp p Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University i jp p 第二步目标： 氢气系统的匹配数最少 数学规划模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University min Y , 1 1 m n i j i j Y Y    网络匹配总数 约束条件： （1）匹配数的整数变量约束 数学规划模型 0F UY Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University , , 0i j i jF UY  U取为大于最大氢气流股流量的正数 （2）氢量松弛约束 数学规划模型 1, min 1 (1 ) m j j F F     Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 公用工程氢源提供给所有氢阱的氢气总量 氢气分配网络的公用工程最小用量 1, 1 m j j F   minF 氢气节省松弛率， 0<< (氢网络实际公用工程用量/氢网络理论最 小公用工程用量–1)。当＝0时，氢气分配网络的公用工程用量达 到最小值。   根据原始的氢气分配网络的过程物料衡算和特定工艺限制 及预定目标，建立非线性规划模型，确定氢气分配网络的最 小公用工程用量；  参考此优化结果，选择合适的松弛变量，建立混合整型 氢气系统结构简化的设计步骤 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 非线性规划模型，确定氢网络系统的最小匹配数。  通过改变松弛变量 ，获得满足一定氢气公用工程用量条 件下的不同网络匹配，对不同进行比较，可选择实际可 行的匹配方案。 系统结构简化的实例 SC7 SC4 SC8 SC9 SC5 SC6 SC13 SC11 SC14 SC15 SC12 SC10 SC3 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University SK14 SK13 SK12 SK11 SK10 SK9 SK8 SK7 SK6 SK5 SK4 SK3 SK2 SK11 2 SC1 SC2 3 4 5 7 6 8 9 10 11 12 13 14 某石化企业的原始氢气分配网络 系统结构简化的实例 35 40 45 50 m at ch es Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 匹配数与最小公用工程用量松弛率的关系 1.00 1.02 1.04 1.06 20 25 30 N um be r o f m Relaxing Rate (1+) 系统结构简化的实例 SC7 SC4 SC8 SC9 SC5 SC6 SC13 SC11 SC14 SC15 SC12 SC3 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 优化后的匹配图（＝0.05） 2 3 4 5 7 6 8 9 10 11 12 13 14 1 SK14 SK13 SK12 SK11 SK10 SK9 SK8 SK7 SK6 SK5 SK4 SK3 SK2 SK1 SC1 SC2  优化分析  该氢气分配网络的最小公用工程量Fmin为30.14mol/s，节氢量为 5.62mol/s，占原始网络氢气公用工程耗量35.76mol/s的15.72%，计 算得到的网络匹配数为46，网络结构比较复杂，需要对氢源流股进 行多次分流； 系统结构简化的实例 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 行多次分流；  考虑到网络匹配的优化和公用工程用量的节省，取不同的松弛率进 行计算，当（1＋）取1.05时，即表示在网络的最小公用工程用量 Fmin＝30.14mol/s的基础上放大5％，此时网络匹配数则由46下降为 23，与原始网络匹配数20接近，网络匹配结构趋于简单，实际中也 较最大节氢潜力的网络匹配易于实现。  优化后  网络匹配数为23，与现行网络的匹配数20比较接近；  优化后的氢气网络节省了一定的公用工程用氢量。 系统结构简化的实例 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 氢气系统中间等级的优化 氢气系统优化后，网络机构的匹配关系较复杂，装 置间联系紧密，可扩充性差，不利于调节不同供氢 装置的氢气供给以满足生产工艺的新需求； 为了提高氢气系统的可扩充性和简化管网结构，往 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 统 ， 往根据制氢装置的产能仅设置1～2级高纯氢气总管 来满足各用氢装置的需求，且仅考虑氢阱对纯度的 需求； 类比于炼化企业中的蒸汽管网，根据压力等级设置 含有2～3级中间压力等级的管网结构； 氢气系统中间等级的优化 氢气系统中间等级的设置  考虑氢阱对压力的要求；  考虑氢阱对纯度的要求。 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 适配氢阱需求的中间等级的设置 适配氢阱需求的中间等级设置  选择合理级数  确定中间等级的压力  确定中间等级的氢气纯度 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 适配氢阱需求的中间等级的设置 中间等级的级数 下限为1，即仅有一级总管来满足所有氢阱的需求。此时氢 气系统的网络结构最简单，但通常为了满足所有氢阱需要 采用最高压力和最高纯度的氢气，势必造成低浓度氢气的 废弃 运行费用 般较大 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 废弃，运行费用一般较大；  上限是系统中氢阱的数量。  中间等级的状态 供给的氢气压力和氢气纯度不应低于氢阱所要求的压力和 纯度，即中间等级的状态应在所有氢阱需求的状态中确定。 适配氢阱需求的中间等级的设置 中间等级的级数和状态的确定 中间等级设置的合理级数和各级的压力与氢气纯度等状态 参数需由炼化企业氢气分配系统投资和运行的经济性以及 网络的简洁程度进行综合考虑。 对含有中间等级的氢气分配系统进行优化时需要在总费用 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 对含有中间等级的氢气分配系统进行优化时需要在总费用 与总连接数之间做出权衡。 含中间等级氢气系统的超结构模型 … … … … Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University … … … … 目标 氢气系统总费用的最小化 数学规划模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 2 min ( ) ( )total H elec f comp pipeI I I A I I    约束条件： （1）中间等级约束 氢气流量约束 数学规划模型 m n i k k jF F  Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 氢气流量约束 氢气量约束 杂质平衡 , , 1 1 i k k j i j F F     , , 1 1 ( ) m n i k i k k j i j F y y F     , , 1 1 ( ) m n z z i k i k k j i j F y y F     （2）氢源压力约束 所有需要混合氢源需减压到其中最低氢源的压力，然后再 进行混合。混合压力 数学规划模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University minc ip p （3）氢源和氢阱与中间等级匹配的约束 氢源i到中间等级k的匹配数整数变量约束 数学规划模型 ' 0i k i kF U Y  Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 中间等级k到氢阱j的匹配数整数变量约束 , , 0i k i kF U Y  , , 0k j k jF UY  （4）中间等级与氢阱匹配的约束 限制每个氢阱最多仅由1级中间等级的氢气来满足其需 求，即 数学规划模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University , 1 1 p k j k Y   （5）氢阱约束 流量限制 纯度限制 数学规划模型 , 1 p k j j k F F   p p Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 纯度限制 流股杂质浓度限制 , , 1 1 ( ) / p p k j j k j k k F y F y     , , 1 1 ( ) / p p z z k j k k j j k k F y F y     （5）氢源约束 流量限制 数学规划模型 , 1 p i k i k F F   Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University （6）氢源流股升压的限制 , 1 0 k i i k k i p p h p p    （7）氢气压缩机气量与系统中压缩机数量的限制 假设可供选择的压缩机共有s种，为第w种压缩机的最大 标称流量，为提供给压力等级k所需要的第w种压缩机的台数， 应满足以下条件 数学规划模型 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University , , , . 1 1 s m k c w c w i k i k w i F N F h     计算实例 代号 氢气纯度/(%) 杂质浓度/ （　g·g-1） 流量 /(mol·s-1) 压力 /(MPa) 费用 /(Yuan·mol-1) SC1 99.9 0 498.6 10 0.01232 SC2 97.0 0 258.2 2 0.01008 SC3 96.0 0 153.6 2 0.01008 SC4 94.5 0.3 454.2 2 0.00540 SC5 93.0 0.2 216.2 2 0.00540 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University SC5 93.0 0.2 216.2 2 0.00540 SC6 91.0 0 38.5 2 0.00540 SC7 90.0 0 174.5 2 0.00380 SK1 99.0 5 408.8 10 — SK2 97.0 5 228.2 15 — SK3 96.0 5 114.5 15 — SK4 95.0 1 499.6 7 — SK5 92.7 0.5 44.7 7 — SK6 92.0 1.5 129.7 5 — 计算实例 压缩机 Compressor 气量 Nominal capacity /(Nm3·h-1) 升压范围 Pressure range/(MPa) 投资费用 Cost/ (×104Yuan) A 5000 0.1~15 300 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University B 15000 0.1~15 700 C 30000 0.1~15 1500 氢气压缩机标称流量、升压范围与费用的关系 计算实例 中间等级的级数 Number of intermediate levels 年度总费用 Annual total cost / (×104Yuan·a-1) 总连接数 Total connections 3 37839.88 15 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 不同中间等级氢气网络优化结果 4 36427.01 17 5 36305.58 19 计算实例 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 含有4级中间等级氢气分配系统的网络结构 计算实例 通过数学规划方法确定氢气分配管网中间等级的级 数和中间等级的压力以及纯度状态。 氢气系统中间等级的数量和状态的设置需权衡系统 的经济性和网络结构的复杂性 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 络 杂 中间等级数量的增加并不一定提高系统的经济性。 动态氢气系统的静态分割集成方法 问题的描述 动态氢气系统的时段分割综合与优化数学模型 实例分析与讨论 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 实例分析与讨论 结论  目前，氢气系统优化通常是基于炼油装置工艺和操作条件 不变条件下的静态优化 。  在实际生产中各操作参数经常随时间变化，用氢装置的氢 气消耗和反应器入口氢气分压也随之波动。采用稳态分析 问题的提出 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 气消耗和反应器入口氢气分压也随之波动。采用稳态分析 和静态优化方法不能满足实际工况动态变化的要求。  因此，在进行氢气系统的集成时必须考虑系统中氢源和氢 阱的氢气纯度、杂质浓度、流股压力和流量等参数波动对 氢气系统优化的影响。  针对炼厂的动态氢气系统，提出基于氢气系统运行历史数 据，针对参数动态变化的氢气系统进行静态分割综合的优 化方法。  该方法全面考察了氢气系统操作参数的历史数据变化情况 问题的提出 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  建立了以总年度费用为目标的数学规划模型，通过实例阐 明了所提出优化方法的特性，并与传统稳态优化方法进行 对比。 问题的描述 根据生产加工工艺操作的变化，对氢气系统操作参数的历 史数据进行数据提取。为了使氢气系统能够在动态工况下稳定 运行并适应较宽的工况范围，本文建立静态分割综合的数学规 划模型，解决以下问题： Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  在所考察生产周期和已有历史数据的条件下，获得具有一定操作窗口的 氢气系统网络结构。  满足氢气系统操作窗口的压缩机设置与选型；  获得氢气系统总年度费用及其构成。 动态氢气系统时段分割综合优化数学模型 与稳态优化模型不同的是：  动态氢气系统超结构模型中各流股的数据提取需 1 超结构与历史数据提取的时段分割策略 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  动态氢气系统超结构模型中各流股的数据提取需 先根据生产周期进行静态的时段分割  以满足不同时段下氢源、氢阱和压缩机的匹配要 求。 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 氢气系统的超结构模型 对于动态氢气系统的时段分割策略如下：  对于一个生产操作周期，可根据工作时间段 将所提取的氢源和氢阱数据源划分为若干子 段 子段时间间隔可根据实际需要灵活选取。 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 段，子段时间间隔可根据实际需要灵活选取。  显然，子段数越多，则所提取的数据更接近 于实际参数波动的情况，但是同时也大大地 增加了计算的工作量。 数学规划模型及其求解策略 基于以上超结构模型和时间子段划分策略，所建立的数学 规划优化模型需作如下假设： 任一氢源在满足压力的条件下可以与任一氢阱匹配 当多股氢源匹配同一氢阱时，混合压力按氢源压力中的最小 压力计 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 压力计； 系统中压缩机的设置和选型以标称的压缩气量作为选型的主 要依据，压缩机最大容许处理量不超过标称气量的5%。 数学规划模型主要由过程约束、压缩过程约束和压缩机选型 以及设置约束组成。 过程约束  氢源、氢阱的流量约束 , , ,sr sk t sk t sr F F , , ,sr sk t sr t sk F F  氢气纯度约束    F y F y Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  杂质浓度约束  连接匹配约束    , , , , ,sr sk t sr t sk t sk t sr F y F y      , , , , ,z zsr sk t sr t sk t sk t sr F y F y    , , , , 0pp fbsr sk t sr sk sr skF J U    , , , , 0pp fbsr sk t sr sk sr skF J u   压缩过程和压缩机选型以及设置的约束 压缩过程 , , , ,cpr sk t sr cpk t sk sr F F     , , , , , ,cpr sk t cpr t sr cpk t sr t sk sr F y F y    _ , , , cp m sr cpk t cpk s sr F F 压缩机选型类型约束 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 压缩机选型类型约束  _, , , , ,cp m cpcpk s sk s sr sk sr sk t s sr F n J F    压缩机设置判断 , , , , 0 cp pb sk t sr t sr sk sr skp p J U    , , , , ,(1 ) cp pb pb sk t sr t sr sk sr sk sr skp p J U u     目标函数 以氢气系统的投资费用和运行费用之和的最小化为目标，即 运行费用:包括氢气费用和压缩电费，即  min tt oc ccI I I  oc o H o poI I I  Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 氢气费用可表示为 _ _oc o H o po  _ , ,o H H H sk t H sk I t F I  压缩机电费表示为 _ ,o po po cp t po cp I t P I  目标函数  压缩功率P  投资费用包括压缩机和管道投资费用  1 / 1 1 sk kN out in in pkP p F k p              AfI I I Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University Af为年度费用因子  _ _Afcc c cp c ppI I I   (1 )Af (1 ) 1 nyfi fi fi ny     压缩机和管道投资费用 _ , ,c cp cp s sk s s I I n  _ , ,c pp pp w pp w w I I l 实例分析与讨论  以某炼厂的氢气系统为例，提取数据的时间范围 是1年，按4个季度分别采集氢源和氢阱的数据， 氢气系统数据提取 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 相关参数波动范围如表所示。  压缩机分为3种类型，分别以A、B和C表示。 某炼厂氢源氢阱数据提取以及参数波动情况 Item y /(%) δy /(%) F /( mol·s-1) δF /(%) P /(MPa) δP /(%) SR1 99.9 ±0.1 523.5 -5.1-12.3 10 ±5 SR2 97 ±0.5 258.2 ±6 2 ±5 SR3 96 ±1 153.6 -6.1-5.3 2 ±5 SR4 94 ±2 454.2 -7.8-11.3 2 ±5 SR5 93 ±2 216.2 -3.5-9.1 2 ±5 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University SR6 91 ±2 38.5 -14-6 2 ±5 SR7 90 ±2 174.5 ±8 2 ±5 SK1 99 ±1 408.8 ≤10 10 ±5 SK2 97 ±1 228.2 ≤15 15 ±5 SK3 96 ±1 114.5 ≤15 15 ±5 SK4 95 ±1 499.6 ≤12 7 ±5 SK5 93 ±1 44.7 ≤15 7 ±5 SK6 92 ±1 129.7 ≤10 5 ±5 计算结果分析  本文优化模型属于MINLP问题，采用GAMS 软件对模型进行 求解。  对于表所示的动态氢气系统，将全年数据以季度为单位划 分为4个子段，取其中3个子段的数据作为3组基础数据，采 用本文方法进行计算 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 用本文方法进行计算。  这种基于历史数据对网络中各操作参数的波动情况的分析， 可以包含较多可能出现的运行工况，使得氢气系统在一定 的参数波动范围内仍能正常运行。  为了便于比较，本文将第1季度数据采用稳态方法进行优化， 将计算结果与本文提出的方法进行对比分析，其结果如下 表所示。 本方法计算结果与稳态方法计算结果的对比 The steady state method The proposed method Cost of hydrogen utility (×105Yuan∙a-1) 1857.46 1829.08 Total cost of hydrogen 3461 96 3374 06 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University Note: The pipe cost is not included in the results (×105Yuan∙a-1) 3461.96 3374.06 Capital cost of compressors (×105Yuan) 525.00 540.00 Cost of electricity (×105Yuan∙a-1) 666.67 651.83 Total annualized cost (×105Yuan∙a-1) 4684.08 4597.22 氢气系统中压缩机及连接数对比 Approach Numbers of compressor Total connecti onsA B C Summation Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University The steady- state method 6 3 1 10 15 The proposed method 4 4 1 9 20  由表可知，在优化系统的总费用上，采用本方法与稳态方 法的优化结果相差较小。  由于本方法考虑了氢气系统参数波动的情况，使得氢气网 络系统结构趋于复杂，因而造成了网络连接数和压缩机投 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 资费用的增加。  由表1中所列数据可看出，氢源供给纯氢量较氢阱需求氢气 总量多出369.5 mol·s-1。  由于本模型考虑了系统参数的波动，导致网络结构趋于复 杂，也正是网络的复杂性使得氢气系统具有较宽的适应性， 可适应参数波动对系统的影响。 采用本方法优化的氢气网络结构 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 采用稳态方法优化的氢气网络结构 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University  基于氢气系统运行历史数据，针对参数动态变化 的氢气系统进行静态分割综合的优化方法  该方法全面地考察了氢气系统操作参数的历史数 据变化对氢气系统优化的影响 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 据变化对氢气系统优化的影响。  可以氢气系统年度总费用为优化目标，考虑氢气 系统的过程约束和压缩过程以及压缩机选型的约 束。  通过实例阐明了本方法的可行性，并与传统的稳 态优化方法进行了对比。  与稳态优化方法相比，由于本方法考虑了系统参 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 方 ， 方 考 了 统 数的波动，将导致网络结构趋于复杂。  正是网络的复杂性使得氢气系统可适应参数波动， 使得氢气系统具有较宽的操作窗口。 Xi’an Jiaotong UniversityXi’an Jiaotong University 5 工程实例 － 低