煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)優(yōu)化研究及應用.pdf

1、隨著含硫原油和重質原油加工比例的增大，以及市場對油品質量的要求越來越高和環(huán)境保護法規(guī)的不斷加強，加氫精制、加氫裂化等深加工技術在煉油企業(yè)得到了廣泛的應用，以滿足日益提高的產(chǎn)品質量和環(huán)保要求。隨著氫氣消耗量的日益增大，氫氣成本已經(jīng)是煉油企業(yè)原料成本中僅次于原油成本的第二位成本要素。對氫氣系統(tǒng)進行優(yōu)化將極大地挖掘煉油企業(yè)降本增效的潛力，同時為其節(jié)能降耗工作發(fā)揮重大作用。本文在綜述了煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)優(yōu)化問題的國內外研究和應用現(xiàn)狀后，對煉油企業(yè)

2、氫氣系統(tǒng)優(yōu)化的相關問題進行了系統(tǒng)而深入的研究，并通過工業(yè)實際案例的應用研究證明了本文所提策略的可行性和有效性。本文的主要研究內容和創(chuàng)新點如下:
　　 1)首先提出了兩種改進的煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設計策略，將煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)的優(yōu)化設計分為提純系統(tǒng)優(yōu)化和供氫系統(tǒng)優(yōu)化的分步優(yōu)化設計策略，以及整個氫氣系統(tǒng)的同步優(yōu)化設計策略。為了使優(yōu)化模型更切合煉油企業(yè)實際，將耗氫裝置反應器入口的氫氣流量、純度和提純裝置的回收率視為變量，并增加了耗氫裝置

3、的最小純氫量約束。以最小化年度成本為目標，綜合考慮了氫源、氫阱、壓縮機、提純裝置、邏輯變量等約束，建立了氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設計的混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP)模型。工業(yè)實際案例研究表明，相比以前的研究方法，提出的優(yōu)化策略得到了更切合實際的氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設計方案，并節(jié)省了大量的氫氣成本，對實際煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)的優(yōu)化管理起到了重要指導作用。
　　 2)針對氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設計過程中需要同時實現(xiàn)操作成本和投資成本最小化的兩個相互矛盾的目標函數(shù)，

4、提出了煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)的多目標優(yōu)化設計策略。對氫氣系統(tǒng)的馳放氣資源進行了詳細的分析和利用，建立了氫氣系統(tǒng)多目標優(yōu)化設計的MINLP模型。采用基于變化權系數(shù)的加權法處理該多目標優(yōu)化問題，將多目標優(yōu)化問題轉化為單目標優(yōu)化問題。通過不斷改變權重系數(shù)求得多目標優(yōu)化問題的Pareto最優(yōu)前沿，根據(jù)Pareto最優(yōu)前沿來權衡投資成本和操作成本的關系，以確定兼顧操作成本和投資成本的煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設計方案。案例研究表明，提出的多目標優(yōu)化設計策略充

5、分考慮了投資成本和操作成本的關系，確定了兼顧操作成本和投資成本的氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設計方案。
　　 3)針對氫氣的產(chǎn)耗量、馳放氣產(chǎn)量和其它價格要素受原油供應、產(chǎn)品需求、市場條件和操作條件的變化而隨機波動的不確定問題，基于機會約束規(guī)劃方法構建了一種新的煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設計策略。充分考慮了產(chǎn)氫量、耗氫量、馳放氣供應量、電價、氫氣價格、燃料氣價格等不確定因素對氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設計問題的影響，并引入置信度水平，將模型中的不確定性約束轉化為確定

6、性約束，使得不確定條件下的機會約束規(guī)劃模型轉變?yōu)榭梢郧蠼獾拇_定性混合整數(shù)菲線性規(guī)劃模型。案例研究表明，該方法能有效處理煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)的參數(shù)波動問題，與傳統(tǒng)的確定性方法相比更具有優(yōu)越性。
　　 4)針對煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)不斷變化的工況和氫氣需求，提出了煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)柔性優(yōu)化設計策略，建立了多工況下氫氣系統(tǒng)柔性優(yōu)化設計的MINLP模型。提出了一種線性化策略對柔性優(yōu)化設計模型進行了線性化處理，將難以求解的MINLP問題轉化為易求解的

7、混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)問題，并對線性化模型的特點進行了分析。采用提出的柔性優(yōu)化策略對某煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，柔性優(yōu)化后的氫氣系統(tǒng)可操作性強且具有較好的柔性調節(jié)能力，既節(jié)省了大量的運行成本，又為各工況下氫氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了保障。
　　 5)針對煉油企業(yè)工藝過程對氫氣不斷變化的需求，提出了煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)調度優(yōu)化策略。從煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)的生產(chǎn)實際出發(fā)，詳細分析了當前煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)實際調度中的影響因素，建立了

8、綜合考慮多項影響因素的氫氣系統(tǒng)多周期調度優(yōu)化的MINLP模型。針對建立的多周期調度優(yōu)化MINLP模型，提出了一種迭代求解策略，避免了對原始MINLP問題的直接求解，降低了問題的求解難度，取得了較好的求解效果。工業(yè)實例研究表明，該策略經(jīng)一次迭代便可求得合乎要求的有效解，保證了產(chǎn)氫裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)，避免了壓縮機啟停、氫源更換、氫氣管網(wǎng)容量超限等非正常現(xiàn)象的發(fā)生，減少了氫氣放空，取得了顯著的節(jié)能減排效果，實現(xiàn)了有效的氫氣系統(tǒng)調度優(yōu)化，為企業(yè)帶來