炼油厂氢气分配系统超结构优化方法研究进展

刘君建

摘要：很早之前，就已经开始针对炼油厂的氢气分配体系超结构的优化方法进行了研究，这是一种具有高效节能，节约成本的方法，因此得到不断发展，在本次研究中，主要对炼油厂氢气分配系统超结构优化方法研究进展进行分析。

关键词：炼油厂;氢气分配系统;超结构;优化方法

现阶段，加工原油出现了劣质化的现象，加之，社会对于油品质量提高的要求，逐渐降低的重质燃料油的价值，加氢工艺得到了广泛的应用，有助于产品硫化物和氮化物的降低。然而因为加氢工艺的因公增加了氢气需求，使得氢气来源越来越少，所以，需要优化氢气系统研究，达到节能降耗的目标。

一、炼油厂氢气分配系统超结构方法分析

对于超结构方法来说，这是过程系统当中非常重要的研究方法，并且获得了非常广泛的应用，研究人员Hallale是最初提出通过超结构方法达到氢气系统优化的人员，对系统超结构进行建立的过程中，必须建立初始化的网络结构，之后再利用优化算法对网络结构进行确定。最优网络的寻找过程中，必须对数学模型进行建立以及优化。数学模型主要是在目标函数以及约束条件的作用下所构成的。这一方法的应用能够在优化计算过程中对约束条件进行添加，并对目标函数进行优化，还能够达到较好的目标函数值以及优化网络。

在这一问题上，张毅等研究人员通过超结构的方法优化分析了镇海炼化的氢气系统，将目标确定为总氢气费用与氢气压缩机的电费和，通过序贯二次的规划算法得到最优化的网络结构。

（一）分析二步的优化模型

氢网络流股间匹配比较简单的方法就是对网络改造投资进行降低，与此同时，能够让系统操作更加地平稳，不容易受到其他类型的装置操作的波动影响。在该问题上，刘永忠等研究人员通过最小氢气的工程消耗量以及最小匹配数制定二步优化的模型，按照原始氢气的分配网络氢源以及氢阱流股的数据，对流量和浓度以及压力限制性的非线性的规划模型进行制定，并对原始性的氢气分配的网络最小氢气的公用工程的消耗量进行确定;对该优化结果进行参考，选择一个比较合适的松弛率，并对系统最小化的网络匹配数进行确定。在这一过程中，能够通过松弛率的改变，得到一个和氢气公用的工程消耗量网络匹配之间相符合，对比各种类型的方案，能够选择不同类型的能够实施的匹配方案。从相关研究中可以看出，网络匹配数和氢气公用的工程消耗量的松弛率关系是反曲类型的函数关系，对系统性的节氢量要求进行降低，有助于网络匹配的结构得以获得。

（二）选择提纯的方式以及集成化的策略

就氢气提纯来说，主要是指变压吸附和膜分离与深冷等不同方式，在很多范围中的应用也是存在差异的。选择氢气提纯的方式是在经验基础上进行的，不具备定量方面的对比，也不需要考虑提纯方式的集成，不能提供提纯工艺参数。对于该问题来说，相关研究中已经确定了选择氢气提纯的方式以及系统方法，对氢气的节约量和资本的投资以及压缩机的成本关系进行确定。这一方法的构架是指在提纯期间的氢系统的超结构，并且对提纯单元的简化模型进行制定，将年总成本作为目标函数，变量则是提纯方式的选择与集成等，并对混合整数的非线性的规划模型进行确定，并对这一模式得提纯方案进行确定。

（三）氢气管网等级的设置以及优化

炼油厂主要是按照制氢装置产能进行设置，只需要考虑氢阱对于氢气纯度所提出的需求，或是按照压力等级对中间的压力等级管网结构进行设置，但是，氢气系统的等级设置必须同时考虑到压力以及纯度要求。研究人员张亮提出适配氢阱的需求优化方法，还对超结构的模型以及数学化的优化模型进行了建立，利用数学规划法对氢气分配的管网等级级数进行确定。

（四）优化随机规划的氢系统

炼油厂氢气的产耗量备受原油的供应以及产品需求改变所带来的影响，因此使得以往的确定性模型难以对氢网络的设计问题进行描述。研究人员宣吉等人提出从设计以及调度的角度上对集成化的优化模型进行建立，选择在场景基础上的二阶段的随机规划法对氢网络在运行过程中的不确定因素进行确定，将决策变量划分成一阶与二阶的决策变量，将一阶段的决策成本以及二阶段的决策成本和划分成最小的目标函数，并且得到氢网络结构。一阶的决策变量主要是指管网的结构和提纯装置的选择情况，二阶决策的变量是指各个管道的流量状态变量。

二、炼油厂氢气分配系统超结构方法的研究进展

（一）在求解算法和软件方面的研究

对于优化算法而言，其在复杂化的数学模型基础上，逐渐改变了对应的算法。氢气网络模型存在很大的差异，因为类型不同，求解算法也是存在差异的。能够单独地选择相应算法求解模型，或者是根据所求模型本身的特性改进算法，有效统合不同算法，继而使得新算法得以形成。通过求解算法的运用将其划分成确定性以及随机性的算法。这两者之间的区别是指，在同一输入条件的影响下产生不同的输出。对于确定性算法来说，主要是通过问题解析的性质，确定性无限以及有限点序列，最优化收敛全局。

（二）注重不确定因素的优化方法

很多研究中都是假设氢气供需量处于固定性的，然而具体的生产方案是在原油氮含量和硫含量等基础上进行的，系统性耗氢量与产氢量随之发生一定的改变，宣吉等研究人員很早就是考虑设计以及调度的问题进行了研究，主要通过环境二阶段的规划方法对氢气网络内存在的不确定因素进行确定，氢气网络和炼油的生产系统之间非常紧密，氢气网络内的变化，会对产品质量产生直接影响，并且使得操作成本出现改变。想要更好地管理炼油厂，研究人员Liao有效结合了氢气网络和石油的加工网络，并对灵敏度的模型进行了建立，提出新的具有灵敏性的分析方案;对网络内的石油加工的装置进行确定，之后全面分析装置的灵敏度，并且优化网络条件。在这一模型中能够获得石油加工的网络以及氢气网络。可以从实例中看出，这是一种灵敏性比较高的处理炼油厂网络之间的决策的优化问题。研究人员Jiao在机会约束的规划基础上对新炼油厂内的氢气网络的优化设计进行了研究，还结合了产氢量和耗氢量与驰放气的供应量等进行研究，考虑到很多不确定因素随机的分布，构建了不同的模型，还通过分支定界的方法实现求解。从案例当中可以看出，这一方法可以对炼油厂内的氢气网络参数的波动问题进行解决，与此同时，和以往的确定性方之间的比较具有优越性。之后发展的几年，研究人员又建立了新的模型，制定了新的目的，即最小年度的成本以及最小的期望误差，实现加权求和，通过GAMS达到求解的目的。将决策人员的承受风险融入其中，可以从实例分析中看出年度成本和期望误差之间处于反比的关系。研究人员还缺鼎了优化的结果，展示了鲁棒优化能够很好地解决问题。降低能源消耗早已不是优化网络结构过程中的主要目标，很多性能都得到了干扰和关注。也就是因为这些研究，使得我国炼油厂的技术和工艺发展到了新的阶段，并且解决了很多实际性的问题，推动了相关领域的发展。

结束语

综上所述，优化氢气分配的系统问题在上个世纪就已经出现了，并且将新的概念和方法应用在改造旧厂以及建造新厂的过程中，获得了非常高的经济效益。然而在很多理论方法上一直都是初创阶段，还不能完善，超结构法能够对约束条件下的氢网络的问题进行描述，然而还为得到成熟的发展。在未来的发展过程中，需要强化理论方面的研究，不但需要善于发现问题，还需要促进氢气分配的优化理论的运用，让其更加地完善。

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