煉油廠氫氣分配系統超結構優化方法研究進展

劉君建

摘要：很早之前，就已經開始針對煉油廠的氫氣分配體系超結構的優化方法進行了研究，這是一種具有高效節能，節約成本的方法，因此得到不斷發展，在本次研究中，主要對煉油廠氫氣分配系統超結構優化方法研究進展進行分析。

關鍵詞：煉油廠;氫氣分配系統;超結構;優化方法

現階段，加工原油出現了劣質化的現象，加之，社會對于油品質量提高的要求，逐漸降低的重質燃料油的價值，加氫工藝得到了廣泛的應用，有助于產品硫化物和氮化物的降低。然而因為加氫工藝的因公增加了氫氣需求，使得氫氣來源越來越少，所以，需要優化氫氣系統研究，達到節能降耗的目標。

一、煉油廠氫氣分配系統超結構方法分析

對于超結構方法來說，這是過程系統當中非常重要的研究方法，并且獲得了非常廣泛的應用，研究人員Hallale是最初提出通過超結構方法達到氫氣系統優化的人員，對系統超結構進行建立的過程中，必須建立初始化的網絡結構，之后再利用優化算法對網絡結構進行確定。最優網絡的尋找過程中，必須對數學模型進行建立以及優化。數學模型主要是在目標函數以及約束條件的作用下所構成的。這一方法的應用能夠在優化計算過程中對約束條件進行添加，并對目標函數進行優化，還能夠達到較好的目標函數值以及優化網絡。

在這一問題上，張毅等研究人員通過超結構的方法優化分析了鎮海煉化的氫氣系統，將目標確定為總氫氣費用與氫氣壓縮機的電費和，通過序貫二次的規劃算法得到最優化的網絡結構。

（一）分析二步的優化模型

氫網絡流股間匹配比較簡單的方法就是對網絡改造投資進行降低，與此同時，能夠讓系統操作更加地平穩，不容易受到其他類型的裝置操作的波動影響。在該問題上，劉永忠等研究人員通過最小氫氣的工程消耗量以及最小匹配數制定二步優化的模型，按照原始氫氣的分配網絡氫源以及氫阱流股的數據，對流量和濃度以及壓力限制性的非線性的規劃模型進行制定，并對原始性的氫氣分配的網絡最小氫氣的公用工程的消耗量進行確定;對該優化結果進行參考，選擇一個比較合適的松弛率，并對系統最小化的網絡匹配數進行確定。在這一過程中，能夠通過松弛率的改變，得到一個和氫氣公用的工程消耗量網絡匹配之間相符合，對比各種類型的方案，能夠選擇不同類型的能夠實施的匹配方案。從相關研究中可以看出，網絡匹配數和氫氣公用的工程消耗量的松弛率關系是反曲類型的函數關系，對系統性的節氫量要求進行降低，有助于網絡匹配的結構得以獲得。

（二）選擇提純的方式以及集成化的策略

就氫氣提純來說，主要是指變壓吸附和膜分離與深冷等不同方式，在很多范圍中的應用也是存在差異的。選擇氫氣提純的方式是在經驗基礎上進行的，不具備定量方面的對比，也不需要考慮提純方式的集成，不能提供提純工藝參數。對于該問題來說，相關研究中已經確定了選擇氫氣提純的方式以及系統方法，對氫氣的節約量和資本的投資以及壓縮機的成本關系進行確定。這一方法的構架是指在提純期間的氫系統的超結構，并且對提純單元的簡化模型進行制定，將年總成本作為目標函數，變量則是提純方式的選擇與集成等，并對混合整數的非線性的規劃模型進行確定，并對這一模式得提純方案進行確定。

（三）氫氣管網等級的設置以及優化

煉油廠主要是按照制氫裝置產能進行設置，只需要考慮氫阱對于氫氣純度所提出的需求，或是按照壓力等級對中間的壓力等級管網結構進行設置，但是，氫氣系統的等級設置必須同時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化方法，還對超結構的模型以及數學化的優化模型進行了建立，利用數學規劃法對氫氣分配的管網等級級數進行確定。

（四）優化隨機規劃的氫系統

煉油廠氫氣的產耗量備受原油的供應以及產品需求改變所帶來的影響，因此使得以往的確定性模型難以對氫網絡的設計問題進行描述。研究人員宣吉等人提出從設計以及調度的角度上對集成化的優化模型進行建立，選擇在場景基礎上的二階段的隨機規劃法對氫網絡在運行過程中的不確定因素進行確定，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函數，并且得到氫網絡結構。一階的決策變量主要是指管網的結構和提純裝置的選擇情況，二階決策的變量是指各個管道的流量狀態變量。

二、煉油廠氫氣分配系統超結構方法的研究進展

（一）在求解算法和軟件方面的研究

對于優化算法而言，其在復雜化的數學模型基礎上，逐漸改變了對應的算法。氫氣網絡模型存在很大的差異，因為類型不同，求解算法也是存在差異的。能夠單獨地選擇相應算法求解模型，或者是根據所求模型本身的特性改進算法，有效統合不同算法，繼而使得新算法得以形成。通過求解算法的運用將其劃分成確定性以及隨機性的算法。這兩者之間的區別是指，在同一輸入條件的影響下產生不同的輸出。對于確定性算法來說，主要是通過問題解析的性質，確定性無限以及有限點序列，最優化收斂全局。

（二）注重不確定因素的優化方法

很多研究中都是假設氫氣供需量處于固定性的，然而具體的生產方案是在原油氮含量和硫含量等基礎上進行的，系統性耗氫量與產氫量隨之發生一定的改變，宣吉等研究人員很早就是考慮設計以及調度的問題進行了研究，主要通過環境二階段的規劃方法對氫氣網絡內存在的不確定因素進行確定，氫氣網絡和煉油的生產系統之間非常緊密，氫氣網絡內的變化，會對產品質量產生直接影響，并且使得操作成本出現改變。想要更好地管理煉油廠，研究人員Liao有效結合了氫氣網絡和石油的加工網絡，并對靈敏度的模型進行了建立，提出新的具有靈敏性的分析方案;對網絡內的石油加工的裝置進行確定，之后全面分析裝置的靈敏度，并且優化網絡條件。在這一模型中能夠獲得石油加工的網絡以及氫氣網絡。可以從實例中看出，這是一種靈敏性比較高的處理煉油廠網絡之間的決策的優化問題。研究人員Jiao在機會約束的規劃基礎上對新煉油廠內的氫氣網絡的優化設計進行了研究，還結合了產氫量和耗氫量與馳放氣的供應量等進行研究，考慮到很多不確定因素隨機的分布，構建了不同的模型，還通過分支定界的方法實現求解。從案例當中可以看出，這一方法可以對煉油廠內的氫氣網絡參數的波動問題進行解決，與此同時，和以往的確定性方之間的比較具有優越性。之后發展的幾年，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，實現加權求和，通過GAMS達到求解的目的。將決策人員的承受風險融入其中，可以從實例分析中看出年度成本和期望誤差之間處于反比的關系。研究人員還缺鼎了優化的結果，展示了魯棒優化能夠很好地解決問題。降低能源消耗早已不是優化網絡結構過程中的主要目標，很多性能都得到了干擾和關注。也就是因為這些研究，使得我國煉油廠的技術和工藝發展到了新的階段，并且解決了很多實際性的問題，推動了相關領域的發展。

結束語

綜上所述，優化氫氣分配的系統問題在上個世紀就已經出現了，并且將新的概念和方法應用在改造舊廠以及建造新廠的過程中，獲得了非常高的經濟效益。然而在很多理論方法上一直都是初創階段，還不能完善，超結構法能夠對約束條件下的氫網絡的問題進行描述，然而還為得到成熟的發展。在未來的發展過程中，需要強化理論方面的研究，不但需要善于發現問題，還需要促進氫氣分配的優化理論的運用，讓其更加地完善。

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