煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)優(yōu)化研究及應(yīng)用.pdf

1、隨著含硫原油和重質(zhì)原油加工比例的增大，以及市場(chǎng)對(duì)油品質(zhì)量的要求越來(lái)越高和環(huán)境保護(hù)法規(guī)的不斷加強(qiáng)，加氫精制、加氫裂化等深加工技術(shù)在煉油企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，以滿(mǎn)足日益提高的產(chǎn)品質(zhì)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(duì)氫氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化將極大地挖掘煉油企業(yè)降本增效的潛力，同時(shí)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(wèn)題的國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀后，對(duì)煉油企業(yè)

2、氫氣系統(tǒng)優(yōu)化的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究，并通過(guò)工業(yè)實(shí)際案例的應(yīng)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?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 1)首先提出了兩種改進(jìn)的煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，將煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)策略，以及整個(gè)氫氣系統(tǒng)的同步優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。為了使優(yōu)化模型更切合煉油企業(yè)實(shí)際，將耗氫裝置反應(yīng)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(biāo)，綜合考慮了氫源、氫阱、壓縮機(jī)、提純裝置、邏輯變量等約束，建立了氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃(MINLP)模型。工業(yè)實(shí)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(shí)際的氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并節(jié)省了大量的氫氣成本，對(duì)實(shí)際煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)的優(yōu)化管理起到了重要指導(dǎo)作用。
　　 2)針對(duì)氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)操作成本和投資成本最小化的兩個(gè)相互矛盾的目標(biāo)函數(shù)，

4、提出了煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。對(duì)氫氣系統(tǒng)的馳放氣資源進(jìn)行了詳細(xì)的分析和利用，建立了氫氣系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的MINLP模型。采用基于變化權(quán)系數(shù)的加權(quán)法處理該多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)不斷改變權(quán)重系數(shù)求得多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的Pareto最優(yōu)前沿，根據(jù)Pareto最優(yōu)前沿來(lái)權(quán)衡投資成本和操作成本的關(guān)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(shè)計(jì)方案。案例研究表明，提出的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略充

5、分考慮了投資成本和操作成本的關(guān)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(shè)計(jì)方案。
　　 3)針對(duì)氫氣的產(chǎn)耗量、馳放氣產(chǎn)量和其它價(jià)格要素受原油供應(yīng)、產(chǎn)品需求、市場(chǎng)條件和操作條件的變化而隨機(jī)波動(dòng)的不確定問(wèn)題，基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃方法構(gòu)建了一種新的煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。充分考慮了產(chǎn)氫量、耗氫量、馳放氣供應(yīng)量、電價(jià)、氫氣價(jià)格、燃料氣價(jià)格等不確定因素對(duì)氫氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的影響，并引入置信度水平，將模型中的不確定性約束轉(zhuǎn)化為確定

6、性約束，使得不確定條件下的機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢郧蠼獾拇_定性混合整數(shù)菲線(xiàn)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(dòng)問(wèn)題，與傳統(tǒng)的確定性方法相比更具有優(yōu)越性。
　　 4)針對(duì)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?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)策略，建立了多工況下氫氣系統(tǒng)柔性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的MINLP模型。提出了一種線(xiàn)性化策略對(duì)柔性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了線(xiàn)性化處理，將難以求解的MINLP問(wèn)題轉(zhuǎn)化為易求解的

7、混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃(MILP)問(wèn)題，并對(duì)線(xiàn)性化模型的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。采用提出的柔性?xún)?yōu)化策略對(duì)某煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，柔性?xún)?yōu)化后的氫氣系統(tǒng)可操作性強(qiáng)且具有較好的柔性調(diào)節(jié)能力，既節(jié)省了大量的運(yùn)行成本，又為各工況下氫氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。
　　 5)針對(duì)煉油企業(yè)工藝過(guò)程對(duì)氫氣不斷變化的需求，提出了煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化策略。從煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，詳細(xì)分析了當(dāng)前煉油企業(yè)氫氣系統(tǒng)實(shí)際調(diào)度中的影響因素，建立了

8、綜合考慮多項(xiàng)影響因素的氫氣系統(tǒng)多周期調(diào)度優(yōu)化的MINLP模型。針對(duì)建立的多周期調(diào)度優(yōu)化MINLP模型，提出了一種迭代求解策略，避免了對(duì)原始MINLP問(wèn)題的直接求解，降低了問(wèn)題的求解難度，取得了較好的求解效果。工業(yè)實(shí)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(jī)啟停、氫源更換、氫氣管網(wǎng)容量超限等非正?，F(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(shí)現(xiàn)了有效的氫氣系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化，為企業(yè)帶來(lái)