運用多氫源匹配法設計多雜質氫分配網絡

潘春暉，王煥云

（1. 滄州師范學院 化學與環境科學系，河北 滄州 061001；2. 滄州師范學院 機電工程系，河北 滄州 061001）

石油煉化企業的加氫工藝過程需要使用大量的氫氣。隨著原油的重質化、劣質化及日益嚴格的工業環保標準和相關立法的實施，加氫工藝的應用更加廣泛，氫氣的需求量急劇增加。而石油煉化企業副產的氫氣已遠遠不能滿足需求，節約氫氣已成當務之急。氫網絡優化技術是通過全面考慮用氫過程出口物流的再利用、凈化再利用從而實現節約氫氣的目的，該項技術的研究與應用已成為石油煉化企業高效、合理地利用現有氫氣資源的重要手段。

對于氫網絡的優化問題，人們已提出氫夾點分析法［1-8］、數學規劃法［9-14］。對于考慮雜質濃度約束的氫網絡系統，Hallale等［15］提出一種適用于多雜質氫網絡系統的超結構優化方法。Zhao等［16］提出一種雜質赤字率夾點法用于確定最小氫消耗目標值， 但該方法需要迭代計算，且不能求取最優的網絡結構。劉桂蓮等［17］提出一種基于數學規劃的設計方法，建立包括雜質濃度約束和流量約束的數學模型，確定了氫網絡中源阱間的最優匹配關系，能同時得到最小氫消耗目標值和網絡設計。丁曄等［18］提出一種排列源阱順序的新方法，通過構建雜質赤字率曲線來得到夾點位置，不需迭代即可得到最小氫消耗目標值。在此基礎上，丁曄等［19］又提出一種不同雜質源阱間匹配的混合規則用于多雜質氫網絡設計。劉桂蓮等［20］利用演化法對煉油廠多雜質氫網絡進行了優化，通過建立矩陣得到較優的網絡設計。

最近，潘春暉等［21］提出一種濃度勢綜合設計方法來設計多雜質氫網絡。他們采用濃度勢方法［22］來確定過程的執行順序，在分配源物流時，通過比較源物流的最大虛擬回用率來確定源物流的優化回用順序，并由該順序確定互補源物流［23］來滿足用氫過程。該方法對較簡單的多雜質系統設計快速有效，但對于較復雜的多雜質氫網絡則不能保證都得到滿意的結果。

本工作對確定互補源物流的方法［23］進行改進，借鑒單雜質多氫源匹配法［24］的設計思想，研究一種源物流選擇和分配的新方法，使濃度勢綜合設計方法的改進方法能適用于各種復雜的多雜質系統的設計和優化。

1 對氫網絡的描述

石油煉化企業氫網絡中的過程通常分為產氫過程和耗氫過程。產氫過程主要包括重整裝置、制氫裝置等。耗氫過程主要包括加氫精制、加氫催化裂化、潤滑油加氫、異構化過程等。為了敘述方便，將耗氫過程（Pj）的入口物流稱為需求物流（Dj），將其出口物流和產氫過程產生的含氫物流稱為源物流，其中需額外耗資制備和購買的源物流（制氫裝置生產的氫及購買的氫）稱為外部源物流（Sexternal），將其他源物流稱為內部源物流（Si）。氫網絡中氫濃度較低不能回用的內部源物流通常作為燃料氣。

2 多氫源匹配法

2.1 確定過程的執行順序

對于多雜質氫網絡，采用濃度勢方法［22］來確定過程的執行順序。當Si滿足Dj時，為了提高Si的回用量，應使Dj中至少一種雜質的質量濃度達到上限質量濃度首先達到上限的雜質將決定Si的用量，將該雜質稱為Si回用的關鍵雜質。對于單位流量（如1 m3/h）的Dj，其關鍵雜質負荷上限與Si分配過來的雜質負荷相等：

式中，Rijk為Si滿足Dj時k雜質的虛擬回用率；RijRKC為Si滿足Dj時的最大虛擬回用率，其物理意義是滿足單位流量的Dj需回用Si的流量。當然，被回用的Si的可用流量可能不足以滿足Dj的需要，這正是“虛擬回用”的意義所在。

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

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

設計氫網絡時，首先由式（3）分別計算出各需求物流的CPD，CPD最低的過程首先執行；當一個過程執行完成后，由當前可利用的源物流計算出各待執行過程的CPD，CPD最低的過程接續執行。

2.2 源物流選擇和分配的新方法

為了使過程的外部源物流消耗量降至最低，對文獻［21，23］提出的互補源物流的概念進行擴展，通過借鑒單雜質源物流匹配法［24］的設計思想，得到如下適用于多雜質氫網絡設計的源物流分配規則。當滿足Dj時，可按以下規則的優先順序分配源物流。

規則1：若存在RijRKC=1的內部源物流Si，即ρSiRKC=ρDjRKC，優先由其來滿足Dj，此時可不需補充外部源物流。

規則2：若存在RijRKC＞1的內部源物流（如S1），可優先回用；或將其與RijRKC＜1的內部源物流（如S2）組成互補源物流來滿足Dj時，S1的分配系數γS1可取其下限值（由式（6）確定）。

規則3：若所有內部源物流的RijRKC均小于1，為了減少外部源物流用量，優先選擇使外部源物流用量最少的互補內部源物流來滿足Dj；若不存在互補的內部源物流，可選擇RijRKC最大的內部源物流來滿足Dj，此時需補充外部源物流。

文獻［24］中提出的單雜質多氫源匹配法是選用質量濃度剛好低于和剛好高于需求物流質量濃度的兩個源物流來滿足需求水流，并提出了計算源物流分配流量的計算方法。而對于多雜質系統針對不同雜質按照該方法選取的兩個源物流很難一致，因此，用互補的兩個源物流來代替該方法中的兩個源物流，即可將該方法運用于多雜質系統。

由互補的兩個源物流S1和S2滿足Dj時，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：

當式（8）成立，且γS1取區間內的值時，由S1和S2滿足Dj可不需補充外部源物流，用量可由式（9）和式（10）計算得到。

若存在多組互補的內部源物流且各自均不能滿足式（8），可選擇ΔγS1絕對值最小的互補內部源物流來滿足Dj，回用量可通過Excel表的計算模型確定。這是因為互補內部源物流的ΔγS1絕對值越小，滿足Dj時外部源物流用量一般情況下越小。

對于不存在互補的內部源物流的情況，可選擇RijRKC最大的內部源物流（如S2）和與之互補的外部源物流Sexternal來滿足Dj。

規則4：若所選用的源物流現有流量不能滿足Dj時，可將其全部回用，并按照前面的規則接著選擇其他源物流，直到能滿足Dj為止。

對于該種情況，可先將Dj拆分成兩股需求物流來分別滿足，其中一股需求物流由流量不足的源物流（如S1）來滿足，該股需求物流的流量和雜質質量濃度即為分配過來的源物流S1的流量FS1和雜質質量濃度ρS1k。由流量衡算和雜質負荷衡算關系可得到式（11）和式（12），由此計算出另一股需求物流的流量和雜質質量濃度按照前面的規則選擇其他源物流來滿足，直到能完全滿足Dj為止。該方法的優點是，可使Dj的盡可能多的雜質的質量濃度達到或接近其上限。

2.3 整體設計過程

多氫源匹配法的具體設計過程是采用濃度勢方法［22］確定出首先執行的過程，按照以上規則的優先順序來選擇和分配源物流，直到該過程滿足為止。接著按照相同的方法依次確定和執行后續過程，直到所有過程都執行完成為止。多雜質氫網絡設計過程見圖1。

3 實例研究

以某煉廠的氫網絡系統為例，含氫物流中有4種雜質，需求物流和源物流的數據見表1。運用多氫源匹配法進行設計。

運用式（3）分別求出各需求物流的濃度勢CPD并按大小排序（見表2），首先滿足CPD最小的需求物流D1。對于D1，由式（2）分別計算出各內部源物流的Ri1RKC值，其中R11RKC=1，按照規則1優先回用S1，用量為1 400 m3/h。此時S1的剩余流量為12 600 m3/h。

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

由CPD確定出下一需滿足的需求物流為D3。對于D3，由式（2）分別計算出各內部源物流的Ri3RKC值，其中R63RKC=1，按照規則1優先回用S6，因S6不能完全滿足D3，此時，按照規則4可將D3拆分成兩股需求物流來分別滿足，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質量濃度，即為S6的可用流量22 500 m3/h，雜質質量濃度分別為1 990.00，2.00，0.01，50.00 mg/L。

圖1 多雜質氫網絡設計過程Fig.1 Design procedure for hydrogen networks with multiple impurities.

表1 氫網絡中需求物流和源物流的數據Table 1 Data of hydrogen demand and source streams in the hydrogen networks

表2 氫網絡中各需求物流的濃度勢Table 2 CPDs of the demands in the hydrogen networks

由式（11）和式（12）分別計算出D3的另一股需求物流的流量為2 500 m3/h以及雜質質量濃度為623 440.00，82.00，49.91，50.00 mg/L，隨后選擇其他源物流來滿足。此時S6已用盡，由該股需求物流的質量濃度和式（2）分別計算當前可用內部源物流的Ri3RKC，由大到小排出順序為：R43RKC= 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，按照規則2可選擇互補的S5與S3來滿足該股需求物流，分配流量分別為277.1，2 222.9 m3/h。至此經過兩次源物流的分配已滿足D3。

接著，要滿足的需求物流為D4，當前可用內部源物流有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。與滿足D3的情況類似，只不過按照相應的規則需經6次源物流的分配來完成，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，要滿足的需求物流為D6，當前S5，S4，S7，S3，S2已用盡，可用的內部源物流有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是互補的，可將其回用。由式（6）和式（7）分別計算出S8的和分別為0.61和0.97，則ΔγS8= 0.36 ＞ 0，說明回用S8和S1來滿足D6可不需要補充外部源物流。S8和S1的分配流量分別為54 379.6，1 620.4 m3/h。

最后，滿足的需求物流為D5，當前S8已用盡，可用的內部源物流只有S1，流量為8 240 m3/h，將其全部回用，并補充流量為860 m3/h的外部源物流。

至此所有需求物流均已得到滿足。所得設計的外部源物流用量為860 m3/h，管路連接數為16個。最終設計見圖2。所得設計中所有的內部源物流將全部回用，說明該設計已達到最優。現行生產的外部源物流用量為1 495.83 m3/h，管路連接數為19個。本方法所得設計與現行生產相比，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個管路連接數，簡化了網絡結構。

圖2 氫網絡結構設計Fig.2 Design of the hydrogen networks.

4 結論

1）對確定互補源物流的方法進行改進，通過借鑒單雜質多氫源匹配法的設計思想，提出了源物流選擇和分配的新方法。該方法可使滿足過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方法相結合得到設計多雜質氫網絡的多氫源匹配法。該方法設計過程簡捷，并能求取最優的網絡結構。

3）對某煉廠的氫網絡進行優化，所得外部源物流消耗量降低了42.5%，而且減少了3個管路連接數。

符號說明

CPD 需求物流的濃度勢

FSiSi的分配流量，m3/h

FSikSi滿足Dj時針對k雜質的分配流量，m3/h

RKC Dj回用Si時的關鍵雜質

RijkSi滿足Dj時k雜質的虛擬回用率

RijRKCSi滿足Dj時的最大虛擬回用率

Sexternal外部源物流

下角標

i 內部源物流，i=1，2，…，Ns

j 需求物流，j=1，2，…，Nd

k 雜質，k=1，2，…，Nc

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