煉油廠氫氣系統(tǒng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、近些年來(lái)隨著環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)對(duì)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(shì)嚴(yán)重更使得煉油對(duì)氫氣的需求日益強(qiáng)烈，氫氣費(fèi)用成為煉油企業(yè)原料成本中僅次于原油費(fèi)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(guó)內(nèi)外對(duì)煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題研究的基礎(chǔ)上，對(duì)煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究。本文從“經(jīng)濟(jì)最優(yōu)”

2、和“操作穩(wěn)定”兩方面對(duì)煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。針對(duì)前者分別通過(guò)夾點(diǎn)法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法對(duì)煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成優(yōu)化，通過(guò)降低氫氣公用工程用量和提純裝置負(fù)荷等方法來(lái)降低煉油廠生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)后者首先提出了穩(wěn)定性指數(shù)概念來(lái)獲得抵御流股流量波動(dòng)能力較強(qiáng)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(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)夾點(diǎn)分析法存在的求解過(guò)

3、程復(fù)雜、忽略了對(duì)提純裝置的優(yōu)化等問(wèn)題，本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了夾點(diǎn)滑動(dòng)法來(lái)對(duì)煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(guò)程的溶解—擴(kuò)散模型集成到圖形化方法中進(jìn)行系統(tǒng)分析求解。同時(shí)該方法也對(duì)提純過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，獲得提純裝置的最小入口流量來(lái)降低分離過(guò)程的能耗，從而增加了對(duì)全系統(tǒng)的優(yōu)化能力，將氫公用工程費(fèi)用和提純過(guò)程負(fù)荷降至最低。
　　(2)為詳細(xì)闡述提純過(guò)程參數(shù)對(duì)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(guò)程入口流股參數(shù)對(duì)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(guò)程模型，確定提純產(chǎn)品濃度Creg、尾氣濃度Cr的提純過(guò)程模型、膜分離過(guò)程的溶解—擴(kuò)散模型和PSA分離過(guò)程模型，研究并獲得了不同提純過(guò)程模型下提純過(guò)程對(duì)系統(tǒng)公用工程用量的影響規(guī)律。
　　(3)針對(duì)多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜性，本文基于最

5、小化混合過(guò)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(jì)方法。通過(guò)最小化代表混合過(guò)程不可逆性的熵變來(lái)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(lái)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(lái)滿足該氫阱，從而獲得了多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)步驟。
　　(4)為解決所設(shè)計(jì)氫氣網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性問(wèn)題，本文提出了穩(wěn)定性指數(shù)，來(lái)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)抵御流股流量波動(dòng)能力的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定性指數(shù)

6、源自對(duì)混合流股的濃度波動(dòng)的描述，通過(guò)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(dòng)能力就越強(qiáng)，以此通過(guò)最小化穩(wěn)定性指數(shù)來(lái)獲得具有較強(qiáng)抵御波動(dòng)能力的氫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
　　(5)針對(duì)外界環(huán)境的不穩(wěn)定性因素對(duì)煉油廠生產(chǎn)的影響，本文采用魯棒優(yōu)化來(lái)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(chǎng)景來(lái)代表未來(lái)一段時(shí)間可能出現(xiàn)的煉油廠生產(chǎn)環(huán)境。通過(guò)權(quán)衡總的年度費(fèi)用和期望誤差來(lái)得到一個(gè)抵抗場(chǎng)景變化