基于炼油厂计划优化模型的氢气系统优化研究

张会兵 苏燕飞

摘要：炼油厂在进行生产过程中对于氢气资源的利用率比较低，所消耗的炼化成本较高，因此需要结合炼油厂的实际生产情况，对氢气系统进行优化，可以有效提高氢气资源的利用率。氢气系统优化装置包括两种方法：夹点分析法和超结构优化法。利用不同的优化方法可以有效降低氢气系统的运行成本，进而提高炼油厂企业的经济效益。

关键词：氢气系统;优化研究;炼油厂

随着炼油厂生产工作的不断扩大，需要生产高质量的成品油，因此在生产过程中对氢气工艺进行优化，已经成为很多炼油厂企业所研究的重点内容。炼油厂生产规模的不断扩大，对氢气资源的需求量不断提高，因此在满足产品质量的前提下，选择低成本的氢源、降低氢气使用程度、提高氢气管理水平，已经成为炼油厂提高市场竞争力的重要策略。

1前言

氢气能源是一种非常宝贵的能量资源，在炼油生产过程中是非常重要的原料来源，随着社会各界对成品油质量的不断提高，炼油厂对氢气的需求量越来越大，氢气系统在炼油厂中的地位越来越重要。随着炼油厂行业的重质原油比例增加，原油重质化和劣质化的趋势越来越明显，因此利用氢气提高油品质量就显得尤为重要，加氢工艺在炼油厂生产过程中得到了非常广泛的作用，但是很多炼油厂的加氢工艺所消耗的成本比较高，造成严重的资源浪费，对氢气系统进行优化具有非常重要的意义。

炼油厂氢气系统优化主要采取两种方法：夹点分析法和超结构优化法。

（1）夹点分析法主要是利用图形法为基础，能够对氢气的生产程度和数量进行明确观察，利用夹点分析法可以直接得出氢气的最小需求量。夹点分析法在氢气系统优化过程中有着非常重要的作用，并且已经取得了巨大成就。但是夹点分析法在使用过程中会面临压力约束、运行成本、投资成本等问题。

（2）超结构优化法是氢气系统工程中一种重要的研究方法，超结构优化法的主要工作原理就是将所有的氢源、氢阱进行连接，并结合限制条件，得出最优秀的网络结构。建立超结构优化方式需要建立连接的初始网络结构，并通过优化算法确定最优网络结构，在该过程中需要结合有相关的数据模型以及优化算法，才能够得出超结构优化法中最为优秀的网络结构。超结构优化法中的数学模型是由目标函数和约束条件所构成，超结构模型中的限制包括所有最基本的限制，即氢源流量限制，氢阱流量限制和浓度限制，接近实际生产的限制还包括压力约束，杂质约束，清洁设备约束，压缩机设备约束等。超结构优化法的主要特点就是可以使氢源和氢阱之间实现连接，利用优化模型可以确定最佳的供氢路线和供氢量，并且在进行优化计算过程中可以直接添加约束条件，不断改变相应的目标函数，可以获得最佳的优化网络结构。

2氢气系统建模

对氢气系统进行优化需要依靠实时数据，在进行优化过程中包括压缩机约束、氢气供求约束以及物料平衡约束等约束条件，在满足经济需求的前提下，需要对制氢装置、氢气回收装置以及耗氢装置进行优化，实现在不同的操作条件的氢气系统优化，根据数据模型能够及时计算出最佳的供氢方式和氢气调度方案，为操作人员制定优化策略，从而有效减少能源的消耗，降低氢气消耗成本，对炼油厂的氢气系统进行精细化管理。

氢气系统进行模型优化的主要目标是结合工艺约束条件以及设备约束条件为基础，建立不同的群体优化模型，以氢气系统运行成本的最小值为目标，结合优化算法得出优化方案。氢网络的结构模型分为线性模型和非线性模型，相比之下，MINLP模型包含当前的氢气网络。网络结构上的复杂约束使优化后的结构更简单。但是，MINLP模型中不包括对等设备或清洁方法的选择。炼油厂氢网络上部结构的五个模型，它们是基本的NLP模型和改进的NLP模型，其中考虑了再循环和压力约束以及所有MINLP模型约束，以及两个改进的MINLP模型增加了一个新的压缩机，另一个考虑了增加新的压缩机。

3氢气系统优化

炼油厂氢气系统优化策略可以分为三个部分：加氢装置优化;制氢装置优化;制氢过程中的反应优化;

3.1加氢装置优化

在确保最小氢油比和最小氢气纯度下，并确保加氢装置能够稳定运行，可以采用减少氢量来降低加氢装置的氢油比，节省加氢装置循环氢压缩机的能量消耗，采用中压蒸汽驱动可以有效节省加氢装置的能量消耗成本。

3.2制氢装置原料气优化

制氢装置的主要原理是利用天然气为原料结合烃类水蒸气转化法的制氢工艺，达到工业氢工艺标准，并通过扩能改造达到符合工艺需求。制氢装置采用焦化干气为原料，可以有效降低装置的进料量，降低装置能耗，与传统原料催化干气相比，焦化干气的转化率更高，在相同的转化率情况下，焦化干气的产氢量更高。

3.3制氢中反应优化

很多炼油厂的制氢量已经无法满足工厂需求，需要优化装置操作，提高装置产氢量。炼油厂制氢工艺主要包扣转化反应和中变反应两部分，在转化反应中会胜场H2S，C2O和CO等一些杂质对脱硫程度和烯烃饱和度有极大的影响，进而影响油质。在转化反应是放热反应，通过提高温度可以加速反應进行，但是不利于制氢平衡移动，影响烃类转化率的因素为温度。水碳之间的比列、空速以及压力。因此需要改变制氢中变反应，可以有效提高氢气产率，

4结束语

目前很多炼化厂的氢气系统缺乏相应的管理经验以及专业的管理工具，会导致炼化厂的生产成本增加，因此炼化厂的氢气管理系统有待提高，针对我国炼化厂氢气系统在进行生产过程中所存在的问题，建立合适的优化模型，不仅可以提升氢气的利用率，还可以有效提升氢气系统的运行成本，在模型建立过程中，需要考虑各种约束条件，采用非线性数学规划方法可以得出氢气系统优化方案，进而提高炼油厂的经济效益。

参考文献：

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