考虑多对耦合源阱的氢网络优化方法及其应用

在氢网络中,氢源氢阱通常连接于同一个耗氢反应器,为耦合源阱;反应器操作参数的改变影响该耦合源阱参数。在同一个氢网络中可能存在多对耦合源阱,考虑多对耦合源阱的氢网络优化能够进一步为炼厂降低氢耗,提高经济效益。通过分析氢网络的公用工程与多对耦合源阱的关系,推导确定了公用工程迁量与反应器耗氢以及耦合源阱之间的方程。据此建立了耗氢反应器参数和氢网络图像集成优化方法。案例研究表明,该方法简单、容易理解,能够直观给出公用工程迁量与反应器进口温度之间的关系。     

氢网络的夹点分析与优化

通过分析炼厂不同氢源、氢阱、氢气净化提浓单元等氢气网络的组成特点,采用夹点分析法对某企业的氢源、氢阱进行分析与计算,以氢气纯度、流量为约束条件,同时考虑压力、杂质的影响。通过耦合、调整氢源-氢阱网络等措施,优化后的氢气网络PSA负荷降低39.14%,制氢单元负荷降低27.11%,氢气压缩机减少2台,实现了增加氢气来源,降低氢气成本的目的。     

储氢提纯和氢网络的耦合优化

基于氢网络的集成以及AB₅型储氢材料LaNi_4.75Fe_0.25及LaNi_4.85Al_0.15的特性,对储氢提纯在氢网络中的应用进行研究。综合考虑LaNi_4.75Fe_0.25及LaNi_4.85Al_0.15储氢/放氢动力学,建立了储氢提纯氢网络的优化方法,根据单位质量储氢材料提纯的节氢能力和公用工程节省量与提纯参数的关系,确定最优提纯氢源浓度、最大公用工程节省量、储氢材料量和吸氢时间。用该方法对某炼厂氢网络和储氢提纯单元进行优化,结果表明,最优提纯氢源浓度为70%,提纯后公用工程可节省23.72%; LaNi_4.85Al_0.15作为储氢提纯材料优于LaNi_4.75Fe_0.25,其消耗量为991.26kg。     

运用多氢源匹配法设计氢分配网络

石油炼化企业中氢网络的优化对提高氢资源的利用率意义重大,以降低氢消耗和简化集成方法为目标提出了一种氢回用网络的设计新方法。在向一个氢阱分配氢源时,优先分配内部氢源,并将浓度刚好高于和刚好低于该氢阱入口浓度的氢源进行匹配利用,从而最大限度地降低外部氢源消耗。对文献中几个实例的研究表明,本文方法得到的结果可与文献方法得到的目标值相媲美,而设计步骤简单计算量小,可用手算即能完成,说明本文提出的方法是可行的。另外,本文方法不仅可以得出氢消耗目标值,还可以同时得出氢网络设计。     

数学规划法优化氢网络的应用研究

为实现不同目标函数与超结构网络氢系统稳定性、可靠性与柔性的统一,从超结构网络、目标函数、约束条件3个方面对国内外氢网络优化的研究进展进行综合分析,阐述了数学规划法在氢网络优化设计进程中的发展变迁,指出充分把握加氢、提纯、压缩等渉氢单元的物料、能量、相平衡特点及相互关系,建立有效的超结构网络,结合不同的目标函数选取不同的约束条件,将随机变量的约束转化为联合机会约束,可提高合成网络的工程可行性、改善网络的柔性。     

氢系统关键氢阱最优氢浓度的确定

氢气网络优化时一般将氢阱氢浓度降低至最低限制浓度,以获取最大可能的节氢效果,然而这会降低系统操作弹性。分析了在氢阱氢浓度降低的过程中,有可能出现夹点位置的改变,从而导致节氢量-氢阱氢浓度曲线斜率的减小以及氢气网络中要考虑的其他经济因素,提出了在氢阱氢浓度降低过程中找出最优浓度并在此浓度下进行系统优化的方法,使得氢阱氢浓度降低幅度不大但系统的节氢效果较为显著。以某炼厂为例,通过选择关键氢阱,分析该关键氢阱氢浓度与系统节氢量的关系,确定最优浓度,系统优化后节氢量为42.81 mol·s^-1,占现行系统新氢用量的21.58%。结果表明,该方法可在氢阱氢浓度降低较小的情况下实现较好的节氢目的。     

选择性氧化脱除富氢氢源中CO的研究进展

介绍了将富氢氢源中CO脱除到质子交换膜燃料电池PtRu电极可以承受的CO浓度范围(<1×10-4)最经济和最可行的方法,综述了选择性氧化脱除富氢氢源中CO在催化剂、动力学和反应器优化设计等方面的研究进展,评述了Pt催化剂、Au和Ag催化剂及Cu金属催化剂。     

焦炉煤气作为加氢工艺氢源的综合利用

煤化工过程中加氢工艺是重要的工艺过程,其氢气来源通常通过其他化工过程制得,而焦炉煤气中氢含量较高,是一种理想的氢气来源。焦炉煤气经过净化、分离可得到高纯度的氢气,同时焦炉煤气其他组分通过不同化工过程得到相对应的化工产品,实现焦炉煤气的综合利用。     

多工况氢网络压缩机配置和运行优化

炼油厂在实际运行过程中,加氢装置处理的原料油性质发生变化以及生产负荷调整,都会导致加氢单元耗氢量的变化。构建了具有中间管网的定结构氢网络优化模型,该模型包括供氢单元、氢气公用工程管网/中间管网、压缩机、加氢单元、燃料系统以及它们之间的固定连接关系。在常规氢网络中引入压力为1600 psi（1 psi=6.895 kPa）的中间管网,可以减少一台加氢装置的新氢备用压缩机,设计阶段可少投资一台压缩机,即实现了新氢压缩机的优化配置。针对加氢单元正常/高/低负荷3种工况,对具有中间管网的氢网络进行了优化,得到了不同工况下流股的流量分配和压缩机的启停策略,从而实现多工况氢网络的运行优化。     

炼厂多杂质氢网络的集成

利用演化法对某炼厂多杂质氢网络进行优化。在考虑源阱之间的各种匹配可能和氢源之间的互补可能基础上,依次求取最大匹配流量矩阵（M矩阵）、潜在匹配流量矩阵（P矩阵）和最优匹配流量矩阵（O矩阵）,确定系统的最小公用工程消耗量为1495.83 m³·h^-1,其节约量为1004.17m³·h^-1,占现行新氢消耗量的40.2%。此外,根据O矩阵确定了相应的最优氢分配网络。     

蒽醌法双氧水生产装置的优化改造

针对12万t/a（质量分数为27.5%）蒽醌法双氧水生产装置存在的双氧水产品浓度低、萃余液双氧水残留量高和碱耗量大等问题,对该装置的氢化、氧化、萃取和碱处理工序中的关键设备和内构件进行了优化和改造。改造后,双氧水产品质量分数由改造前的20%～23%提升至≥27.5%,萃余液双氧水残留量由改造前的0.3 g/L以上降至0.15 g/L以下,碱耗量由改造前的4 t/h降至3.4 t/h。对蒽醌法双氧水生产装置的优化改造既增加了企业效益,又提高了装置安全性能。     

风力发电制氢与氢气网络耦合系统的氢气波动平抑特性分析

将可再生能源发电制氢集成于炼厂氢气系统中,不仅可替代部分氢气公用工程以满足炼厂的氢气需求,同时也可为炼厂中旋转设备提供电能,但可再生能源发电制氢的波动性将影响氢气网络的稳定运行。为了探究风力发电制氢与氢气网络集成中两个子系统平抑风能波动的特性,本文构建了集成风力发电制氢的氢气网络数学优化分析模型,研究了氢气网络平抑风力发电制氢波动的经济性和系统结构特性。研究表明,为了适应可再生能源发电制氢的波动,氢气网络需要更加复杂的网络结构,且风力发电制氢输出的电力和氢气经储能电池和氢气储罐的缓冲调节后仍存在较大波动,氢气网络仍需通过调节公用工程和燃气系统来实现氢气网络的稳定运行。     

氢气网络系统的夹点分析与匹配优化

针对炼化企业的氢气分配网络系统,以最小公用工程氢气用量为目标,综合考虑氢气流量、氢气纯度、有害杂质和压力限制等因素,采用氢夹点方法进行分析,提出了匹配原则对氢气网络系统进行优化.通过实例进行了优化分析与计算.研究表明:氢夹点法是氢气网络优化分析的有效方法,所提出的匹配原则可以实现氢气网络的优化.     

炼油厂氢气网络柔性优化

随着炼油厂对氢气的需求量不断扩大,氢气系统已成为炼油厂的重要组成部分。炼油厂氢气网络的优化设计既要实现总成本最小的经济性目标,还要保证各种工况下氢气系统的安全稳定运行。针对炼油厂氢气系统不断变化的工况和氢气需求,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,并对优化模型进行了线性化处理,采用优化建模工具Lingo建模求解。采用本文提出的柔性优化策略对某炼油厂氢气网络进行了柔性优化设计,与炼油厂的原始氢气网络对比表明,柔性优化后的网络可操作性强且具有较好的柔性调节能力,既节省了大量的运行成本,又为各种工况下氢气系统的安全稳定运行提供了保障,对实际炼油厂氢气网络的优化管理起了指导作用。     

Novel method for targeting the optimal purification feed flow rate of hydrogen network with purification reuse/recycle

The purification reuse/recycle is one effective resource conservation strategy. In this article, a novel conceptual method is proposed to identify the optimal purification feed flow rate (PFFR) and the corresponding maximum hydrogen utility savings (HUS) of the hydrogen network with purification reuse/recycle. In this method, the sources and sink‐tie‐lines are divided into three regions according to the purified product and purification feed. The quantitative relationship between the HUS and the PFFR is analyzed for the sink‐tie‐lines and sources of each region. With the quantitative relationship line between the HUS and the PFFR of each source plotted, the quantitative relationship diagram can be obtained and can be used to identify the pinch point and the HUS for a given PFFR. Furthermore, the optimal PFFR and the maximum HUS can be identified easily. Three cases are studied to illustrate the applicability of the proposed method. © 2012 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 59: 1964–1980, 2013