运用多氢源匹配法设计多杂质氢分配网络

潘春晖，王焕云

（1. 沧州师范学院 化学与环境科学系，河北 沧州 061001；2. 沧州师范学院 机电工程系，河北 沧州 061001）

石油炼化企业的加氢工艺过程需要使用大量的氢气。随着原油的重质化、劣质化及日益严格的工业环保标准和相关立法的实施，加氢工艺的应用更加广泛，氢气的需求量急剧增加。而石油炼化企业副产的氢气已远远不能满足需求，节约氢气已成当务之急。氢网络优化技术是通过全面考虑用氢过程出口物流的再利用、净化再利用从而实现节约氢气的目的，该项技术的研究与应用已成为石油炼化企业高效、合理地利用现有氢气资源的重要手段。

对于氢网络的优化问题，人们已提出氢夹点分析法［1-8］、数学规划法［9-14］。对于考虑杂质浓度约束的氢网络系统，Hallale等［15］提出一种适用于多杂质氢网络系统的超结构优化方法。Zhao等［16］提出一种杂质赤字率夹点法用于确定最小氢消耗目标值， 但该方法需要迭代计算，且不能求取最优的网络结构。刘桂莲等［17］提出一种基于数学规划的设计方法，建立包括杂质浓度约束和流量约束的数学模型，确定了氢网络中源阱间的最优匹配关系，能同时得到最小氢消耗目标值和网络设计。丁晔等［18］提出一种排列源阱顺序的新方法，通过构建杂质赤字率曲线来得到夹点位置，不需迭代即可得到最小氢消耗目标值。在此基础上，丁晔等［19］又提出一种不同杂质源阱间匹配的混合规则用于多杂质氢网络设计。刘桂莲等［20］利用演化法对炼油厂多杂质氢网络进行了优化，通过建立矩阵得到较优的网络设计。

最近，潘春晖等［21］提出一种浓度势综合设计方法来设计多杂质氢网络。他们采用浓度势方法［22］来确定过程的执行顺序，在分配源物流时，通过比较源物流的最大虚拟回用率来确定源物流的优化回用顺序，并由该顺序确定互补源物流［23］来满足用氢过程。该方法对较简单的多杂质系统设计快速有效，但对于较复杂的多杂质氢网络则不能保证都得到满意的结果。

本工作对确定互补源物流的方法［23］进行改进，借鉴单杂质多氢源匹配法［24］的设计思想，研究一种源物流选择和分配的新方法，使浓度势综合设计方法的改进方法能适用于各种复杂的多杂质系统的设计和优化。

1 对氢网络的描述

石油炼化企业氢网络中的过程通常分为产氢过程和耗氢过程。产氢过程主要包括重整装置、制氢装置等。耗氢过程主要包括加氢精制、加氢催化裂化、润滑油加氢、异构化过程等。为了叙述方便，将耗氢过程（Pj）的入口物流称为需求物流（Dj），将其出口物流和产氢过程产生的含氢物流称为源物流，其中需额外耗资制备和购买的源物流（制氢装置生产的氢及购买的氢）称为外部源物流（Sexternal），将其他源物流称为内部源物流（Si）。氢网络中氢浓度较低不能回用的内部源物流通常作为燃料气。

2 多氢源匹配法

2.1 确定过程的执行顺序

对于多杂质氢网络，采用浓度势方法［22］来确定过程的执行顺序。当Si满足Dj时，为了提高Si的回用量，应使Dj中至少一种杂质的质量浓度达到上限质量浓度首先达到上限的杂质将决定Si的用量，将该杂质称为Si回用的关键杂质。对于单位流量（如1 m3/h）的Dj，其关键杂质负荷上限与Si分配过来的杂质负荷相等：

式中，Rijk为Si满足Dj时k杂质的虚拟回用率；RijRKC为Si满足Dj时的最大虚拟回用率，其物理意义是满足单位流量的Dj需回用Si的流量。当然，被回用的Si的可用流量可能不足以满足Dj的需要，这正是“虚拟回用”的意义所在。

Dj的浓度势（CPD）是Dj回用各源物流的总体可能性的量度，用式（3）来表示：

式（3）为Dj的浓度势的计算式，其物理意义是所有内部源物流虚拟满足单位流量的Dj的流量之和。

设计氢网络时，首先由式（3）分别计算出各需求物流的CPD，CPD最低的过程首先执行；当一个过程执行完成后，由当前可利用的源物流计算出各待执行过程的CPD，CPD最低的过程接续执行。

2.2 源物流选择和分配的新方法

为了使过程的外部源物流消耗量降至最低，对文献［21，23］提出的互补源物流的概念进行扩展，通过借鉴单杂质源物流匹配法［24］的设计思想，得到如下适用于多杂质氢网络设计的源物流分配规则。当满足Dj时，可按以下规则的优先顺序分配源物流。

规则1：若存在RijRKC=1的内部源物流Si，即ρSiRKC=ρDjRKC，优先由其来满足Dj，此时可不需补充外部源物流。

规则2：若存在RijRKC＞1的内部源物流（如S1），可优先回用；或将其与RijRKC＜1的内部源物流（如S2）组成互补源物流来满足Dj时，S1的分配系数γS1可取其下限值（由式（6）确定）。

规则3：若所有内部源物流的RijRKC均小于1，为了减少外部源物流用量，优先选择使外部源物流用量最少的互补内部源物流来满足Dj；若不存在互补的内部源物流，可选择RijRKC最大的内部源物流来满足Dj，此时需补充外部源物流。

文献［24］中提出的单杂质多氢源匹配法是选用质量浓度刚好低于和刚好高于需求物流质量浓度的两个源物流来满足需求水流，并提出了计算源物流分配流量的计算方法。而对于多杂质系统针对不同杂质按照该方法选取的两个源物流很难一致，因此，用互补的两个源物流来代替该方法中的两个源物流，即可将该方法运用于多杂质系统。

由互补的两个源物流S1和S2满足Dj时，可得［24］：

由式（4）可得到式（5）：

由式（5）可看出，ρS1k和ρS2k越小，则γS1k也越小。因此，可由式（6）得到γS1的下限：

当式（8）成立，且γS1取区间内的值时，由S1和S2满足Dj可不需补充外部源物流，用量可由式（9）和式（10）计算得到。

若存在多组互补的内部源物流且各自均不能满足式（8），可选择ΔγS1绝对值最小的互补内部源物流来满足Dj，回用量可通过Excel表的计算模型确定。这是因为互补内部源物流的ΔγS1绝对值越小，满足Dj时外部源物流用量一般情况下越小。

对于不存在互补的内部源物流的情况，可选择RijRKC最大的内部源物流（如S2）和与之互补的外部源物流Sexternal来满足Dj。

规则4：若所选用的源物流现有流量不能满足Dj时，可将其全部回用，并按照前面的规则接着选择其他源物流，直到能满足Dj为止。

对于该种情况，可先将Dj拆分成两股需求物流来分别满足，其中一股需求物流由流量不足的源物流（如S1）来满足，该股需求物流的流量和杂质质量浓度即为分配过来的源物流S1的流量FS1和杂质质量浓度ρS1k。由流量衡算和杂质负荷衡算关系可得到式（11）和式（12），由此计算出另一股需求物流的流量和杂质质量浓度按照前面的规则选择其他源物流来满足，直到能完全满足Dj为止。该方法的优点是，可使Dj的尽可能多的杂质的质量浓度达到或接近其上限。

2.3 整体设计过程

多氢源匹配法的具体设计过程是采用浓度势方法［22］确定出首先执行的过程，按照以上规则的优先顺序来选择和分配源物流，直到该过程满足为止。接着按照相同的方法依次确定和执行后续过程，直到所有过程都执行完成为止。多杂质氢网络设计过程见图1。

3 实例研究

以某炼厂的氢网络系统为例，含氢物流中有4种杂质，需求物流和源物流的数据见表1。运用多氢源匹配法进行设计。

运用式（3）分别求出各需求物流的浓度势CPD并按大小排序（见表2），首先满足CPD最小的需求物流D1。对于D1，由式（2）分别计算出各内部源物流的Ri1RKC值，其中R11RKC=1，按照规则1优先回用S1，用量为1 400 m3/h。此时S1的剩余流量为12 600 m3/h。

接着，由剩余的S1及其他内部源物流和式（3）分别计算出其他需求物流D2，D3，D4，D5，D6的CPD，其中D2的CPD最小，所以接着满足D2。与满足D1的情况类似，优先回用的源物流为S6，用量为4 000 m3/h。此时S6的剩余流量为22 500 m3/h。

由CPD确定出下一需满足的需求物流为D3。对于D3，由式（2）分别计算出各内部源物流的Ri3RKC值，其中R63RKC=1，按照规则1优先回用S6，因S6不能完全满足D3，此时，按照规则4可将D3拆分成两股需求物流来分别满足，其中一股需求物流回用全部的S6，则该股需求物流的流量和杂质质量浓度，即为S6的可用流量22 500 m3/h，杂质质量浓度分别为1 990.00，2.00，0.01，50.00 mg/L。

图1 多杂质氢网络设计过程Fig.1 Design procedure for hydrogen networks with multiple impurities.

表1 氢网络中需求物流和源物流的数据Table 1 Data of hydrogen demand and source streams in the hydrogen networks

表2 氢网络中各需求物流的浓度势Table 2 CPDs of the demands in the hydrogen networks

由式（11）和式（12）分别计算出D3的另一股需求物流的流量为2 500 m3/h以及杂质质量浓度为623 440.00，82.00，49.91，50.00 mg/L，随后选择其他源物流来满足。此时S6已用尽，由该股需求物流的质量浓度和式（2）分别计算当前可用内部源物流的Ri3RKC，由大到小排出顺序为：R43RKC= 9.59 ＞ R53RKC=8.91 ＞ R33RKC= 0.89 ＞ R13RKC= 0.61 ＞ R23RKC= 0.56 ＞R73RKC= 0.55 ＞ R83RKC= 0.25，因S4和S5的RijRKC均大于1，按照规则2可选择互补的S5与S3来满足该股需求物流，分配流量分别为277.1，2 222.9 m3/h。至此经过两次源物流的分配已满足D3。

接着，要满足的需求物流为D4，当前可用内部源物流有S5，S1，S4，S3，S2，S7，S8，流量分别为22 522.9，12 600.0，640.0，477.1.0，1 000.0，500.0，54 500.0 m3/h。与满足D3的情况类似，只不过按照相应的规则需经6次源物流的分配来完成，分配的源物流有S5，S4，S7，S3，S2，S1，S8，流量分别为22 522.9，640.0，500.0，477.1，1 000.0，2 739.6，120.4 m3/h。

接着，要满足的需求物流为D6，当前S5，S4，S7，S3，S2已用尽，可用的内部源物流有S8和S1，流量分别为54 379.6，9 860.4 m3/h。由式（2）计算出的Ri6RKC分别为R86RKC= 0.97和R16RKC= 0.61，均小于1，且S8和S1是互补的，可将其回用。由式（6）和式（7）分别计算出S8的和分别为0.61和0.97，则ΔγS8= 0.36 ＞ 0，说明回用S8和S1来满足D6可不需要补充外部源物流。S8和S1的分配流量分别为54 379.6，1 620.4 m3/h。

最后，满足的需求物流为D5，当前S8已用尽，可用的内部源物流只有S1，流量为8 240 m3/h，将其全部回用，并补充流量为860 m3/h的外部源物流。

至此所有需求物流均已得到满足。所得设计的外部源物流用量为860 m3/h，管路连接数为16个。最终设计见图2。所得设计中所有的内部源物流将全部回用，说明该设计已达到最优。现行生产的外部源物流用量为1 495.83 m3/h，管路连接数为19个。本方法所得设计与现行生产相比，外部源物流消耗量减少了635.83 m3/h，即降低了42.5%，而且减少了3个管路连接数，简化了网络结构。

图2 氢网络结构设计Fig.2 Design of the hydrogen networks.

4 结论

1）对确定互补源物流的方法进行改进，通过借鉴单杂质多氢源匹配法的设计思想，提出了源物流选择和分配的新方法。该方法可使满足过程的外部源物流消耗量降至最低。

2）将源物流选择和分配的新方法与浓度势方法相结合得到设计多杂质氢网络的多氢源匹配法。该方法设计过程简捷，并能求取最优的网络结构。

3）对某炼厂的氢网络进行优化，所得外部源物流消耗量降低了42.5%，而且减少了3个管路连接数。

符号说明

CPD 需求物流的浓度势

FSiSi的分配流量，m3/h

FSikSi满足Dj时针对k杂质的分配流量，m3/h

RKC Dj回用Si时的关键杂质

RijkSi满足Dj时k杂质的虚拟回用率

RijRKCSi满足Dj时的最大虚拟回用率

Sexternal外部源物流

下角标

i 内部源物流，i=1，2，…，Ns

j 需求物流，j=1，2，…，Nd

k 杂质，k=1，2，…，Nc

［1］ Alves J J. Analysis and Design of Refinery Hydrogen Distribution Systems［D］. Manchester：University of Manchester Institute of Science and Technology，1999.

［2］ Alves J J，Towler G P. Analysis of Refinery Hydrogen Distribution Systems［J］. Ind Eng Chem Res，2002，41（23）：5759 - 5769.

［3］ El-Halwagi M M，Gabriel F，Harell D. Rigorous Graphical Targeting for Resource Conservation via Material Recycle/Reuse Networks［J］. Ind Eng Chem Res，2003，42（19）：4319 - 4328.

［4］ Zhao Zhenhui，Liu Guilian，Feng Xiao. New Graphical Method for the Integration of Hydrogen Distribution Systems［J］.Ind Eng Chem Res，2006，45（19）：6512 - 6517.

［5］ Agrawal V，Shenoy U V. Uni fied Conceptual Approach to Targeting and Design of Water and Hydrogen Networks［J］. AIChE J，2006，52（3）：1071 - 1082.

［6］ Ng D K S，Foo D C Y，Tan R R. Automated Targeting Technique for Single-Impurity Resource Conservation Networks：Ⅰ. Direct Reuse/Recycle［J］. Ind Eng Chem Res，2009，48（16）：7637 - 7646.

［7］ Ng D K S，Foo D C Y，Tan R R. Automated Targeting Technique for Single-Impurity Resource Conservation Networks：Ⅱ. Single-Pass and Partitioning Waste-Intercetion Systems［J］.Ind Eng Chem Res，2009，48（16）：7647 - 7661.

［8］ Zhang Qiao，Feng Xiao，Liu Guilian，et al. A Novel Graphical Method for the Integration of Hydrogen Distribution Systems with Purification Reuse［J］. Chem Eng Sci，2011，66（4）：797 - 809.

［9］ Liu F，Zhang N. Strategy of Puri fier Selection and Integration in Hydrogen Networks［J］. Chem Eng Res Des，2004，82（10）：1315 - 1330.

［10］ 张毅，阳永荣，刘军，等. 炼油厂氢气网络集成管理［J］.石油学报：石油加工，2004，20（1）：58 - 62.

［11］ 刘永忠，张超，彭春来，等. 氢网络公用工程消耗量与流股匹配数的优化［J］. 石油学报：石油加工，2007，23（5）：78 - 83.

［12］ 宣吉，廖祖维，荣冈，等. 基于随机规划的炼厂氢网络改造设计［J］. 化工学报，2010，61（2）：398 - 404.

［13］ Liao Zuwei，Rong Gang，Wang Jingdai，et al. Rigorous Algorithmic Targeting Methods for Hydrogen Networks：Ⅰ.Systems with No Hydrogen Puri fication［J］. Chem Eng Sci，2011，66（4）：813 - 820.

［14］ Liao Zuwei，Rong Gang，Wang Jingdai，et al. Rigorous Algorithmic Targeting Methods for Hydrogen Networks：Ⅱ.Systems with One Hydrogen Puri fication Unit［J］. Chem Eng Sci，2011，66（4）：821 - 833.

［15］ Hallale N，Moore I，Vauk D. Hydrogen Optimization at Minimal Investment［J］. Petrol Tech Q，2003（Q1）：83 - 90.

［16］ Zhao Zhenhui，Liu Guilian，Feng Xiao. The Integration of the Hydrogen Distribution System with Multiple Impurities［J］.Chem Eng Res Des，2007，85（9）：1295 - 1304.

［17］ 刘桂莲，唐明元，冯霄. 多杂质氢网络的优化［J］. 石油化工，2009，38（4）：419 - 422.

［18］ 丁晔，冯霄，刘桂莲. 多杂质质量交换网络赤字率方法的改进［J］. 华东理工大学学报：自然科学版，2009，35（4）：521 - 524.

［19］ 丁晔，冯霄. 多杂质氢系统网络设计［J］. 西安交通大学学报，2010，44（8）：127 - 131.

［20］ 刘桂莲，刘永彪，冯霄. 炼厂多杂质氢网络的集成［J］. 化工学报，2012，63（1）：163 - 169.

［21］ 潘春晖，王焕云，刘凤茹. 多杂质氢网络的浓度势综合设计方法［J］. 石油化工，2012，41（12）：1401 - 1406.

［22］ Liu Zhiyong，Yang Yi，Wan Linzhan，et al. A Heuristic Design Procedure for Water-Using Networks with Multiple Contaminants［J］. AIChE J，2009，55（2）：374 - 382.

［23］ Pan Chunhui，Shi Jing，Liu Zhiyong. An Iterative Method for Design of Water-Using Networks with Regeneration Recycling［J］. AIChE J，2012，58（2）：456 - 465.

［24］ 潘春晖，王焕云，张翠英. 运用多氢源匹配法设计氢分配网络［J］. 化学工程，2012，40（6）：18 - 22.