集中式提纯器的设置与具有中间等级氢气网络的优化

梁肖强，刘永忠，2，张亮

（1西安交通大学化工学院化工系，陕西 西安 710049；2热流科学与工程教育部重点实验室，陕西 西安 710049）

随着原油重质化和劣质化程度的加剧以及环保法规的加强，加氢处理、加氢裂化等原油深度加工技术在炼厂得到了广泛应用。另一方面，汽油辛烷值要求的提高减少了可利用的重整装置副产氢气的产量。氢气缺乏的问题制约了炼厂油品品质升级和产量[1]。高效合理地利用氢气资源，降低用氢成本，优化氢气网络，对提高炼厂的经济效益具有重要意义。

氢气网络集成方法可分为基于夹点技术的图形法和基于超结构的数学规划方法。Alves等[2]首先将夹点技术应用于氢气网络的优化，提出了根据剩余氢图确定氢夹点和最小氢气公用工程用量的方法。El-Halwagi等[3]基于质量交换网络分析提出了一种适用于确定氢气网络夹点的杂质负荷-流量图法。Zhao等[4-5]提出了确定氢气网络夹点分析的纯氢负荷-流量图和多杂质氢气网络的赤字率方法。针对氢阱浓度降低至最低限制浓度导致氢气网络缺乏操作弹性的问题，靳皎等[6]提出了确定关键氢阱最优浓度的方法。在数学规划法方面，Hallale等[7]首先提出了氢气网络的超结构模型。Liu等[8]提出了选择最合适提纯器的系统方法。Kumar等[9]针对氢气网络优化，对比了所建立的线性规划（LP）模型、非线性规划（NLP）模型和混合整数非线性规划（MINLP）模型的特点和优化结果。

针对炼厂氢气系统不断变化的工况和氢气需求的动态变化，刘永忠等[10]提出了基于氢气系统运行的历史数据进行静态分割综合的优化方法。宣吉等[11]提出了考虑设计和调度问题的集成优化模型，采用基于场景的二阶段随机规划方法处理氢气系统运行中的不确定因素。焦云强等[1，12]提出了炼油厂氢气网络柔性优化策略，建立了多工况下的氢气网络柔性优化混合整数非线性规划（MINLP）模型和多目标优化模型。Liao等[13]提出了同时考虑氢气网络经济性和温室气体排放对环境影响的可持续性氢气网络超结构模型。

为了提高氢气网络系统的操作弹性和系统的可扩展性，张亮等[14]在综合考虑氢气系统中氢阱需求的基础上，提出了适配氢阱需求氢气网络中间等级的概念，建立了相应的数学规划模型，但是该方法仅考虑了氢气系统中氢气的回用，而未考虑氢气提纯装置的设置以提高氢气利用率。

针对上述问题，本文提出了具有中间等级氢气网络耦合集中式提纯器的氢气网络优化问题的分步优化方法，重点研究了具有中间等级氢气网络中设置集中式提纯器对氢气网络优化的影响，并通过实例的定量分析阐明了集中式提纯器的合理设置方法及具有中间等级氢气网络的分步优化方法。

1 具有中间等级氢气分配网络中设置集中式提纯器的分析

1.1 集中式提纯器的设置

集中式氢气提纯是目前炼化企业普遍采用的提纯方式之一，在工程实际中具有一定的优势。采用废氢集中提纯可以降低提纯器的投资费用，在整个氢气分配网络中一般仅设置一套提纯器，虽然一套提纯装置投资费用很高，但相比于多台小提纯装置需要经常考虑定期的更换来说（特别是膜分离提纯器），集中提纯具有一定的优势。其次，采用集中提纯可以实现提纯处理的集中操作，相比于多台小提纯装置都要配置单独的控制、管理、操作辅助系统以及人员的安排而言，集中提纯可将各类用于提纯处理的资源集中并高效利用。然而，集中提纯也具有占用空间大、提纯器进口状况复杂以及解吸气浓度过高等问题。但目前大多数炼厂的废氢仍采用集中提纯方式。

在氢气分配网络中，集中式提纯器的设置首先要考虑的问题是提纯器放置的位置。一般地，提纯器设置在提供氢气的流股与接受氢气的装置之间。然而，对于具有中间等级氢气网络而言，提纯器既可以设置在氢源与中间等级之间，也可以设置在中间等级与氢阱之间。对于这种氢气网络而言，如何放置集中式提纯器需要进一步分析确定。

1.2 具有中间等级氢气网络中集中式提纯器设置位置的夹点分析

在具有中间等级氢气网络的超结构模型中[14]，中间等级是按照氢阱需求设置的，具有中间等级的氢气网络具有层次性。因此，中间等级与氢阱的匹配是一种自然的匹配，即高压到低压、高浓度到低浓度或者等压、等浓度的匹配。另外，中间等级的状态是仅考虑氢气回用确定的。

下面通过实例分析阐明具有中间等级氢气网络中集中式提纯器的设置。

某炼厂氢气系统的氢源和氢阱数据如表1所示。根据文献[14]中已经确定的 4级中间管网 IL1（99%，10MPa）、IL2（97%，15MPa）、IL3（95%，7MPa）和 IL4（92.7%，7MPa），分别对氢源与中间等级、中间等级与氢阱做氢气纯度-流量复合曲线。

图1表示氢源与中间等级匹配的氢气纯度-流量复合曲线，相应的剩余氢量图如图2所示。

由图2可见，通过对剩余氢量曲线向负方向平移，可以找到氢源与中间等级匹配供应关系中的夹点。由于集中式提纯器的设置一定要跨越夹点[8]，因而在氢源与中间等级之间有设置提纯器的可能性，提纯器可以设置在这一位置。

图3表示中间等级与氢阱匹配的氢气纯度-流量复合曲线，相应的剩余氢量图如图4所示。由于中间等级的氢气纯度和流率必须满足对应氢阱的要求，因此纯度-流量复合曲线上只能有纯氢剩余的区域，不可能出现亏缺的区域。

表1 某炼厂氢气系统的氢源与氢阱数据

图1 氢源与中间等级匹配的流量-氢气纯度复合曲线

图2 氢源与中间等级匹配的剩余氢量图

由图4可见，无论怎样平移氢剩余曲线，都无法找到中间等级与氢阱匹配供应关系中的夹点。由于提纯器的设置一定要跨越夹点，因此在中间等级与氢阱之间不能设置提纯器。综上所述，在带有中间等级的氢气分配网络中，提纯器只能设置在氢源与中间等级之间的区域内。

图3 中间等级与氢阱匹配的流量-氢气纯度复合曲线

图4 中间等级与氢阱匹配的的剩余氢量图

2 具有中间等级氢气网络耦合集中式提纯器的分步优化方法

2.1 具有中间等级耦合集中式提纯器的氢气网络超结构模型

本文在文献[14]的基础上，进一步提出考虑集中式提纯器的具有中间等级氢气网络的分步优化方法，即是先确定具有中间等级氢气网络的中间等级纯度和压力状态，然后考虑加入集中式提纯器进一步回收利用各中间浓度氢源，进而进一步减少氢气网络的氢气公用工程用量。在本文方法中，确定具有中间等级氢气网络中间等级状态的数学规划模型可参见文献[14]。所建立的超结构模型如图5所示。

2.2 目标函数

以年均用氢费用IH2，年均压缩电费Ielec，设备（压缩机和提纯器）的投资费用Icomp和Ipuri以及管道一次性投资费用Ipipe之和最小为目标函数，如式（1）。

图5 具有中间等级耦合集中式提纯器的氢气网络超结构模型

式中，Af为年度化因子，符号意义与文献[14]中相同。

变压吸附氢气提纯（PSA）装置的投资费用可表示为式（2）。

膜分离氢气提纯装置（MEM）的投资费用[8]可表示为式（3）。

2.3 约束条件

在本文的超结构模型中，与仅考虑氢气回用的具有中间等级氢气网络类似，约束条件包括氢阱约束、压缩机选型约束、压缩机内部约束、压力约束、压力混合规则约束、匹配关系0/1整数变量约束、总连接数约束和氢阱匹配约束等，与文献[14]中数学优化模型相同。此外，该模型还需满足与提纯器有关的约束条件，本文选用变压吸附装置（PSA）作为氢气提纯装置。与PSA装置有关的约束条件如式（4）～式（8）。

式中，R为提纯氢的回收率；下角标i，PSAf，PSAp，PSAr分别为氢源、PSA进料和PSA提纯气以及PSA的解吸气。

PSA的入口氢气纯度应介于提纯氢和解吸氢纯度之间，即如式（9）。

PSA的入口压力不应小于 PSA设计的最小入口压力，即如式（10）。

经由PSA的流股压降较小，可假设入口压力等于产品的出口压力，即如式（11）。

PSA入口流量不超过设备本身的设计流量，即如式（12）。

3 实例计算与分析

针对上述数学规划模型和表1所示炼厂氢气网络的数据，本文采用LINGO8.0软件中的分支定界法求解，所得优化后的氢气网络匹配如图6所示。

由图6可见，氢源SC3、SC6的全部和氢源SC7的剩余部分进入PSA进行提纯操作。PSA的处理量为345 mol/s，产品氢气的流量256.3 mol/s，解吸气的流量为88.7 mol/s，解吸气浓度为72%。

实例计算结果表明，所得氢气网络的总费用为每年35 365.4万元，其中用氢费用每年32 999.8万元，占总费用的比例高达 93.3%。年度总费用与文献[14]案例中的具有 4级中间等级氢气网络的年度总费用相比减少了1061.6 万元。

通过在系统中设置集中式提纯器，公用工程氢气SC1的使用量从仅考虑氢气回用的优化网络中的498.6 mol/s减少到242.7 mol/s，减少了255.9 mol/s。与仅考虑氢气回用的氢气网络相比，进一步降低了氢气费用。同时，其他中等浓度氢源也完全得到了有效利用，相比于不考虑氢气提纯下氢源SC3，SC6完全剩余，SC7部分剩余的情况，氢气回用的效果更高，达到了100%，从而使文献[14]案例中没有回用的剩余氢气通过集中提纯得到有效利用。

4 结 论

图1 具有集中式提纯器和氢气回用的4级中间等级氢气网络优化匹配

本文在已有的具有中间等级氢气网络数学优化方法的基础上，考虑加入集中式提纯器进一步优化炼厂氢气资源的利用，建立了考虑集中式提纯器的具有中间等级氢气网络分步优化方法。在本文的分步优化方法中，先确定具有中间等级氢气网络的中间等级状态，再对具有集中式提纯器的氢气网络进行数学优化。

对于适配氢阱的具有中间等级氢气网络，集中式提纯器的设置位置对于氢气系统的优化具有重要作用。通过实例，本文阐明了集中式提纯器设置的位置应设置在氢源与中间等级之间，并采用夹点分析方法阐述了该设置的合理性。

基于所建立的分步优化模型，本文对某炼厂氢气网络进行了优化设计。计算结果表明：考虑集中式提纯器带有中间等级的氢气网络不仅能体现出其在网络结构上的层次性等优势，集中式提纯器的设置将更利于氢气网络氢气资源合理利用，进一步有效地降低公用工程氢气的使用量，减少用氢费用。

本文仅讨论了具有中间等级氢气网络耦合集中式提纯器的分步优化方法和合理的设置位置，而具有中间等级氢气网络的中间等级和集中式提纯器的同步优化以及集中式提纯器的合理位置设置需开展进一步的研究工作。

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