張會兵 蘇燕飛

摘要：煉油廠在進行生產(chǎn)過程中對于氫氣資源的利用率比較低，所消耗的煉化成本較高，因此需要結合煉油廠的實際生產(chǎn)情況，對氫氣系統(tǒng)進行優(yōu)化，可以有效提高氫氣資源的利用率。氫氣系統(tǒng)優(yōu)化裝置包括兩種方法：夾點分析法和超結構優(yōu)化法。利用不同的優(yōu)化方法可以有效降低氫氣系統(tǒng)的運行成本，進而提高煉油廠企業(yè)的經(jīng)濟效益。

關鍵詞：氫氣系統(tǒng);優(yōu)化研究;煉油廠

隨著煉油廠生產(chǎn)工作的不斷擴大，需要生產(chǎn)高質(zhì)量的成品油，因此在生產(chǎn)過程中對氫氣工藝進行優(yōu)化，已經(jīng)成為很多煉油廠企業(yè)所研究的重點內(nèi)容。煉油廠生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，對氫氣資源的需求量不斷提高，因此在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，選擇低成本的氫源、降低氫氣使用程度、提高氫氣管理水平，已經(jīng)成為煉油廠提高市場競爭力的重要策略。

1前言

氫氣能源是一種非常寶貴的能量資源，在煉油生產(chǎn)過程中是非常重要的原料來源，隨著社會各界對成品油質(zhì)量的不斷提高，煉油廠對氫氣的需求量越來越大，氫氣系統(tǒng)在煉油廠中的地位越來越重要。隨著煉油廠行業(yè)的重質(zhì)原油比例增加，原油重質(zhì)化和劣質(zhì)化的趨勢越來越明顯，因此利用氫氣提高油品質(zhì)量就顯得尤為重要，加氫工藝在煉油廠生產(chǎn)過程中得到了非常廣泛的作用，但是很多煉油廠的加氫工藝所消耗的成本比較高，造成嚴重的資源浪費，對氫氣系統(tǒng)進行優(yōu)化具有非常重要的意義。

煉油廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化主要采取兩種方法：夾點分析法和超結構優(yōu)化法。

（1）夾點分析法主要是利用圖形法為基礎，能夠對氫氣的生產(chǎn)程度和數(shù)量進行明確觀察，利用夾點分析法可以直接得出氫氣的最小需求量。夾點分析法在氫氣系統(tǒng)優(yōu)化過程中有著非常重要的作用，并且已經(jīng)取得了巨大成就。但是夾點分析法在使用過程中會面臨壓力約束、運行成本、投資成本等問題。

（2）超結構優(yōu)化法是氫氣系統(tǒng)工程中一種重要的研究方法，超結構優(yōu)化法的主要工作原理就是將所有的氫源、氫阱進行連接，并結合限制條件，得出最優(yōu)秀的網(wǎng)絡結構。建立超結構優(yōu)化方式需要建立連接的初始網(wǎng)絡結構，并通過優(yōu)化算法確定最優(yōu)網(wǎng)絡結構，在該過程中需要結合有相關的數(shù)據(jù)模型以及優(yōu)化算法，才能夠得出超結構優(yōu)化法中最為優(yōu)秀的網(wǎng)絡結構。超結構優(yōu)化法中的數(shù)學模型是由目標函數(shù)和約束條件所構成，超結構模型中的限制包括所有最基本的限制，即氫源流量限制，氫阱流量限制和濃度限制，接近實際生產(chǎn)的限制還包括壓力約束，雜質(zhì)約束，清潔設備約束，壓縮機設備約束等。超結構優(yōu)化法的主要特點就是可以使氫源和氫阱之間實現(xiàn)連接，利用優(yōu)化模型可以確定最佳的供氫路線和供氫量，并且在進行優(yōu)化計算過程中可以直接添加約束條件，不斷改變相應的目標函數(shù)，可以獲得最佳的優(yōu)化網(wǎng)絡結構。

2氫氣系統(tǒng)建模

對氫氣系統(tǒng)進行優(yōu)化需要依靠實時數(shù)據(jù)，在進行優(yōu)化過程中包括壓縮機約束、氫氣供求約束以及物料平衡約束等約束條件，在滿足經(jīng)濟需求的前提下，需要對制氫裝置、氫氣回收裝置以及耗氫裝置進行優(yōu)化，實現(xiàn)在不同的操作條件的氫氣系統(tǒng)優(yōu)化，根據(jù)數(shù)據(jù)模型能夠及時計算出最佳的供氫方式和氫氣調(diào)度方案，為操作人員制定優(yōu)化策略，從而有效減少能源的消耗，降低氫氣消耗成本，對煉油廠的氫氣系統(tǒng)進行精細化管理。

氫氣系統(tǒng)進行模型優(yōu)化的主要目標是結合工藝約束條件以及設備約束條件為基礎，建立不同的群體優(yōu)化模型，以氫氣系統(tǒng)運行成本的最小值為目標，結合優(yōu)化算法得出優(yōu)化方案。氫網(wǎng)絡的結構模型分為線性模型和非線性模型，相比之下，MINLP模型包含當前的氫氣網(wǎng)絡。網(wǎng)絡結構上的復雜約束使優(yōu)化后的結構更簡單。但是，MINLP模型中不包括對等設備或清潔方法的選擇。煉油廠氫網(wǎng)絡上部結構的五個模型，它們是基本的NLP模型和改進的NLP模型，其中考慮了再循環(huán)和壓力約束以及所有MINLP模型約束，以及兩個改進的MINLP模型增加了一個新的壓縮機，另一個考慮了增加新的壓縮機。

3氫氣系統(tǒng)優(yōu)化

煉油廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化策略可以分為三個部分：加氫裝置優(yōu)化;制氫裝置優(yōu)化;制氫過程中的反應優(yōu)化;

3.1加氫裝置優(yōu)化

在確保最小氫油比和最小氫氣純度下，并確保加氫裝置能夠穩(wěn)定運行，可以采用減少氫量來降低加氫裝置的氫油比，節(jié)省加氫裝置循環(huán)氫壓縮機的能量消耗，采用中壓蒸汽驅動可以有效節(jié)省加氫裝置的能量消耗成本。

3.2制氫裝置原料氣優(yōu)化

制氫裝置的主要原理是利用天然氣為原料結合烴類水蒸氣轉化法的制氫工藝，達到工業(yè)氫工藝標準，并通過擴能改造達到符合工藝需求。制氫裝置采用焦化干氣為原料，可以有效降低裝置的進料量，降低裝置能耗，與傳統(tǒng)原料催化干氣相比，焦化干氣的轉化率更高，在相同的轉化率情況下，焦化干氣的產(chǎn)氫量更高。

3.3制氫中反應優(yōu)化

很多煉油廠的制氫量已經(jīng)無法滿足工廠需求，需要優(yōu)化裝置操作，提高裝置產(chǎn)氫量。煉油廠制氫工藝主要包扣轉化反應和中變反應兩部分，在轉化反應中會勝場H2S，C2O和CO等一些雜質(zhì)對脫硫程度和烯烴飽和度有極大的影響，進而影響油質(zhì)。在轉化反應是放熱反應，通過提高溫度可以加速反應進行，但是不利于制氫平衡移動，影響烴類轉化率的因素為溫度。水碳之間的比列、空速以及壓力。因此需要改變制氫中變反應，可以有效提高氫氣產(chǎn)率，

4結束語

目前很多煉化廠的氫氣系統(tǒng)缺乏相應的管理經(jīng)驗以及專業(yè)的管理工具，會導致煉化廠的生產(chǎn)成本增加，因此煉化廠的氫氣管理系統(tǒng)有待提高，針對我國煉化廠氫氣系統(tǒng)在進行生產(chǎn)過程中所存在的問題，建立合適的優(yōu)化模型，不僅可以提升氫氣的利用率，還可以有效提升氫氣系統(tǒng)的運行成本，在模型建立過程中，需要考慮各種約束條件，采用非線性數(shù)學規(guī)劃方法可以得出氫氣系統(tǒng)優(yōu)化方案，進而提高煉油廠的經(jīng)濟效益。

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