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。     

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。     

考虑新氢纯度的氢网络夹点分析

基于夹点法,对考虑新氢纯度的氢网络集成进行了研究。利用Aspen Plus建立了天然气蒸气转化制氢过程的模拟模型。在考虑原料气、除氧水、冷却水、副产蒸气、变压吸附、压缩机用电等主要能耗的前提下,计算出系统总费用,对整个过程进行了能耗分析。通过改变产氢摩尔分数,得到相应的单位产氢量费用,进一步拟合出了新氢生产成本随产氢摩尔分数变化的定量关系式。在此基础上,对某炼厂的氢网络案例进行优化,作出不同氢源线下的节氢费用-新氢摩尔分数关系图、新氢消耗费用-新氢摩尔分数图。通过分析夹点位置随新氢摩尔分数改变的变化趋势可知,在满足氢网络要求下,节省费用随新氢摩尔分数的增大而增大,新氢消耗费用随摩尔分数的增大而减少。因此,在该氢网络中,高纯度的新氢有利于系统节能。     

考虑本质安全的换热网络多目标优化

由于国内外重大化工事故的频发及化工行业节能降耗的需求日益迫切,研究本质更安全的换热网络多目标优化具有重要意义。采用评价指数的方法,对换热网络的本质安全易爆性、毒性、存量进行量化表征。采用数学规划法分别建立换热网络经济与本质安全易爆性、毒性、存量同步优化数学模型。采用归一化法构建经济和安全的目标函数。通过算例研究发现,考虑易爆性,倾向于不易爆流股间换热,减少易爆流股换热次数;考虑毒性,倾向于减少有毒流股流经换热器的次数;考虑存量倾向于减少换热网络的总存量。最后综合考虑易爆性、毒性、存量作为安全指标与经济同步优化,通过算例研究表明,多目标优化的最优换热网络在很大程度上取决于经济权重的选取。     

考虑本质安全的换热网络多目标优化

由于国内外重大化工事故的频发及化工行业节能降耗的需求日益迫切,研究本质更安全的换热网络多目标优化具有重要意义。采用评价指数的方法,对换热网络的本质安全易爆性、毒性、存量进行量化表征。采用数学规划法分别建立换热网络经济与本质安全易爆性、毒性、存量同步优化数学模型。采用归一化法构建经济和安全的目标函数。通过算例研究发现,考虑易爆性,倾向于不易爆流股间换热,减少易爆流股换热次数;考虑毒性,倾向于减少有毒流股流经换热器的次数;考虑存量倾向于减少换热网络的总存量。最后综合考虑易爆性、毒性、存量作为安全指标与经济同步优化,通过算例研究表明,多目标优化的最优换热网络在很大程度上取决于经济权重的选取。     

综合考虑经济性与效率的换热网络多目标约束优化方法

换热网络优化中不仅要考虑能量回收的“量”,还要考虑能量回收过程中“质”的耗散问题。在换热网络最大能量回收的前提下,基于不可逆传热过程中的耗散理论,以代表能量回收品质的效率最高为目标,建立综合能量回收数量、品质并同时考虑换热网络经济性的多目标混合整数非线性规划（MOMINLP）模型。根据模型目标有主次之分的特点,基于ε约束法对模型进行分步优化并结合BARON软件进行精确求解,依次求解换热网络的最大能量回收量(MER)与最低年均总成本(TAC),再将所得结果乘以松弛系数ε_i作为缩小搜索区域的约束条件,获得能量与成本约束下效率的Pareto前沿。通过对经典10SP1案例进行计算求解,最终得到最大能量回收量下,费用松弛系数为1.05时费效比最小的优化方案,而且本文的多目标约束优化方法能够更快求得综合的最优解。最后通过T-Q图中的换热网络组合曲线对比不同优化方案的效率,将换热网络划分为内部换热部分与剩余流股部分,多目标约束优化方法能够降低内部换热不可逆损失,提高剩余流股的温度。     

考虑热泵设置的换热网络分步改造及其多目标优化策略

为了研究热泵设置对换热网络系统节能和CO₂减排的综合影响,建立了以换热网络年度化的改造费用和新增CO₂排放量最小为目标的多策略分步改造的多目标优化模型。以酮苯脱蜡装置的换热网络改造为例,阐明了本文所提方法的有效性,并获得了经济性和CO₂排放量目标权衡的Pareto曲线。本文还对热泵在换热网络中的设置位置进行了讨论,对比和分析了换热网络优化、热泵设置和燃料替换3种改造策略的经济性、减排效果以及节能效果。该方法可为过程工业系统的节能和CO₂排放控制策略的制定提供理论依据。     

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。     

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 k Pa)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。     

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。     

考虑再生循环的多杂质用水网络全局优化

引入再生循环单元可以有效地减少多杂质用水系统整体的新鲜水消耗量和废水排放量。其现有的数学规划模型是一个非凸性严重的混合整数非线性规划问题,直接求解不仅计算难度大而且求解速度慢,这样只能得到局部最优解。本文利用分段线性松弛的方法对该模型进行处理,将双线性等式约束转换成线性约束,从而使复杂的水网络模型转换为对应的混合整数线性规划问题,因现有的商业优化软件对混合整数线性规划问题的求解算法已经非常成熟,这样降低了计算难度并取得全局最优解。算例结果表明分段线性松弛的方法可以使求解简单,能够获得全局最优解。管线费用的减少使年度化费用降低,全局优化能得到一个经济性更好的多杂质水网络,这种方法对于节省设备投资和操作费用,具有重要意义。     

氢源优化及氢气回收

根据中国石化荆门分公司各加氢装置反应条件差异,对全厂氢气依其品质(压力,纯度),按照"氢夹点"进行优化设计,在满足产品质量前提下有效降低装置氢耗和能耗.同时回收各加氢装置低分排放到系统瓦斯的废氢进行脱硫,减少氢气系统损失,有效解决PSA装置原料H_2S含量过高、系统瓦斯热值低、瓦斯硫含量高等问题,产生了良好的经济效益.     

考虑动力学的反应路径多目标优化方法

提出了一种考虑动力学影响和环境约束的反应路径综合方法. 引入平衡温距的概念来估计反应的动力学属性.可从多种备选物质之中找到生产某种指定产品的较好的反应路径和相应的原料.根据原子平衡方程综合反应路径,建立模糊规则来评价反应的平衡温距,并求解带有模糊参数的多目标机会约束规划模型,得到一系列经济、环境上均优化可行的反应路径.用合成氨联产尿素的实例对该方法进行了说明.     

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。     

考虑多因素的危险气体探测器选址优化方法

危险气体探测器是炼化装置安全的重要保护层,合理的选址可大幅提高检测效率,降低泄漏事故损失。本文从削减气体泄漏风险的角度提出了一种危险气体探测器选址的定量优化方法。基于多种影响危险气体泄漏扩散的外界因素,确定了危险气体泄漏场景发生概率、泄漏后果以及泄漏风险的定量表征方法。以累积泄漏风险最小化为优化目标,针对气体探测器的工作失效模式和冗余结构等内部因素,建立了考虑气体探测器不可用性、表决逻辑和条件风险值约束的选址优化模型,并提出求解优化方案的粒子群算法。以某柴油加氢装置为例进行算例研究,结果表明优化方案可有效削减气体泄漏风险,且效果明显优于原布设方案。后继还将开展优化模型的验证试验及多目标优化研究,以进一步提高优化模型的实用性。     

基于水源-水阱匹配关系约束的用水网络优化方法

以水源-水阱匹配关系为约束条件,建立了单杂质用水网络的混合整数线性规划模型。提出了通过逐步调整水源与水阱匹配关系矩阵,把混合整数线性规划问题转化成多步的线性规划问题的求解策略。本文提出的优化方法,在最小新鲜水用量相同的条件下,能设计出水源与水阱匹配关系数少,流程结构简单、投资成本少的水网络。应用两个实例说明了本文方法的有效性。     

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。     

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。     

一种生态工业园区碳-氢-氧共生网络的多目标优化与决策方法

针对生态工业园区中碳-氢-氧共生网络,基于多尺度原子标定方法,同时考虑经济和环境因素及回用副产碳氢氧化合物,本工作提出了一种多目标优化及决策的方法,从备选方案中获得最优方案。该方法采用数学规划法,分别以最小总年度成本和二氧化碳年度排放量为目标函数进行全局优化,建立了混合整数非线性规划模型;采用ε-约束法,将二氧化碳年度排放量转化为约束条件,得到了总年度成本与二氧化碳年度排放量帕累托前沿,发现总年度成本与二氧化碳排放量成反比;采用多维偏好分析的线性规划和逼近于理想解的排序决策方法对帕累托前沿进行最优决策,发现两者选择同一点作为最优决策。基于所提出的方法对某工业园区进行优化,结果表明,合理利用现有副产碳氢氧化合物,可以减少原材料成本,从而使总年度成本和二氧化碳年度排放量分别减少了63.44%和76.99%。