煉油廠氫氣系統(tǒng)分析與優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、近些年來隨著環(huán)境保護法律法規(guī)對成品油中的硫含量的要求日益嚴(yán)格致使煉油廠新氫消耗量急劇增加，而原油中硫含量日益增加和原油重質(zhì)化趨勢嚴(yán)重更使得煉油對氫氣的需求日益強烈，氫氣費用成為煉油企業(yè)原料成本中僅次于原油費用的第二成本，因此如何有效利用氫氣資源，減少新鮮氫氣用量將極大降低煉油廠生產(chǎn)成本，為節(jié)能減耗發(fā)揮重大作用。本文在綜述了國內(nèi)外對煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題研究的基礎(chǔ)上，對煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的相關(guān)問題進行了系統(tǒng)而深入的研究。本文從“經(jīng)濟最優(yōu)”

2、和“操作穩(wěn)定”兩方面對煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)進行研究。針對前者分別通過夾點法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法對煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)進行集成優(yōu)化，通過降低氫氣公用工程用量和提純裝置負荷等方法來降低煉油廠生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益。針對后者首先提出了穩(wěn)定性指數(shù)概念來獲得抵御流股流量波動能力較強的氫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后將魯棒優(yōu)化應(yīng)用于氫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化從而獲得能夠抵御外界環(huán)境不確定性因素的煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。主要工作和研究結(jié)果如下:
　　(1)針對氫氣網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)夾點分析法存在的求解過

3、程復(fù)雜、忽略了對提純裝置的優(yōu)化等問題，本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了夾點滑動法來對煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)分析從而獲得集成不同提純裝置模型的氫網(wǎng)絡(luò)的最小氫氣公用工程用量，首次將代表膜分離過程的溶解—擴散模型集成到圖形化方法中進行系統(tǒng)分析求解。同時該方法也對提純過程進行優(yōu)化，獲得提純裝置的最小入口流量來降低分離過程的能耗，從而增加了對全系統(tǒng)的優(yōu)化能力，將氫公用工程費用和提純過程負荷降至最低。
　　(2)為詳細闡述提純過程參數(shù)對氫氣系統(tǒng)公

4、用工程用量的影響規(guī)律，本文采用數(shù)值化方法系統(tǒng)、直觀地分析提純過程入口流股參數(shù)對系統(tǒng)公用工程用量的影響規(guī)律，獲得了不同條件下的系統(tǒng)最小公用工程用量。分別采用確定提純產(chǎn)品濃度Creg、氫氣回收率R的提純過程模型，確定提純產(chǎn)品濃度Creg、尾氣濃度Cr的提純過程模型、膜分離過程的溶解—擴散模型和PSA分離過程模型，研究并獲得了不同提純過程模型下提純過程對系統(tǒng)公用工程用量的影響規(guī)律。
　　(3)針對多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程的復(fù)雜性，本文基于最

5、小化混合過程的熱力學(xué)不可逆性可獲得氫網(wǎng)絡(luò)的最小公用工程用量的原理提出了一種新的多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法。通過最小化代表混合過程不可逆性的熵變來獲得最小氫公用工程用量并以此提出了虛擬濃度的概念。虛擬濃度可用來表征氫氣系統(tǒng)中各流股的純度，采用純度最接近所滿足氫阱的氫源來滿足該氫阱，從而獲得了多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計步驟。
　　(4)為解決所設(shè)計氫氣網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性問題，本文提出了穩(wěn)定性指數(shù)，來設(shè)計具有較強抵御流股流量波動能力的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定性指數(shù)

6、源自對混合流股的濃度波動的描述，通過其圖形定義和代數(shù)定義均可以求取。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性指數(shù)越小，所得氫網(wǎng)絡(luò)的抵御流股波動能力就越強，以此通過最小化穩(wěn)定性指數(shù)來獲得具有較強抵御波動能力的氫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
　　(5)針對外界環(huán)境的不穩(wěn)定性因素對煉油廠生產(chǎn)的影響，本文采用魯棒優(yōu)化來獲得能夠抵御這些不穩(wěn)定因素的煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該方法采用一系列場景來代表未來一段時間可能出現(xiàn)的煉油廠生產(chǎn)環(huán)境。通過權(quán)衡總的年度費用和期望誤差來得到一個抵抗場景變化