康永波， 曹萃文， 于　騰

(華東理工大學(xué) 化工過(guò)程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200237)

煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法研究現(xiàn)狀及展望

康永波， 曹萃文， 于騰

(華東理工大學(xué) 化工過(guò)程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200237)

摘要：隨著環(huán)境保護(hù)法規(guī)的日益嚴(yán)格，加氫工藝在煉油工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，氫氣的消耗量大幅上升。優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)，提高氫氣利用率，對(duì)煉油工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗、降低生產(chǎn)成本具有重要的理論價(jià)值和巨大的工業(yè)應(yīng)用前景。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化的方法主要分為夾點(diǎn)分析法和超結(jié)構(gòu)法。對(duì)夾點(diǎn)分析法，筆者按是否考慮了雜質(zhì)、壓力、提純裝置等因素進(jìn)行分類，綜述了其研究進(jìn)展和實(shí)際應(yīng)用情況。對(duì)超結(jié)構(gòu)法，分別從約束條件、目標(biāo)函數(shù)、模型種類和所用優(yōu)化算法進(jìn)行了綜述。最后總結(jié)了2種方法的優(yōu)點(diǎn)與不足，并指出了后續(xù)研究工作的方向。

關(guān)鍵詞：氫氣網(wǎng)絡(luò)； 優(yōu)化； 夾點(diǎn)技術(shù)； 超結(jié)構(gòu)法

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步，能源的需求量也以驚人的速度增長(zhǎng)。傳統(tǒng)能源的數(shù)量與質(zhì)量已經(jīng)不能滿足當(dāng)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，對(duì)傳統(tǒng)能源的深加工以及對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)都在不斷的探索中。氫氣資源在傳統(tǒng)能源深加工方面起著舉足輕重的作用，而煉油業(yè)是氫氣消耗的最大終端市場(chǎng)，其耗氫量約占全球總耗氫量的90%[1]。由于優(yōu)質(zhì)原油的匱乏、劣質(zhì)原油的不斷增加和環(huán)境保護(hù)法規(guī)的日趨嚴(yán)格，對(duì)油品質(zhì)量的要求不斷提高，加氫工藝在煉油工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，煉油廠對(duì)氫氣的需求量越來(lái)越大。優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)，提高氫氣利用率，對(duì)煉油工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗、降低生產(chǎn)成本具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。

氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是指在滿足所有生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)的情況下，合理匹配所有或部分供氫裝置與耗氫裝置，充分回收和利用過(guò)程中的氫氣，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中氫氣利用率最大、加氫工藝費(fèi)用最小等目標(biāo)。在陳誠(chéng)等[2-3]和王獻(xiàn)軍等[4]的工作基礎(chǔ)上，筆者詳細(xì)整理分析了國(guó)內(nèi)外煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，對(duì)夾點(diǎn)分析法按是否考慮了雜質(zhì)、壓力、提純裝置等因素進(jìn)行分類，綜述了其研究進(jìn)展和在國(guó)內(nèi)外的實(shí)際應(yīng)用情況；對(duì)超結(jié)構(gòu)法分別從約束條件、目標(biāo)函數(shù)、模型種類和所用優(yōu)化算法進(jìn)行了綜述；最后總結(jié)和歸納了各種方法的優(yōu)點(diǎn)與不足，并指出了相關(guān)研究的發(fā)展趨勢(shì)以及進(jìn)一步的研究方向。

1夾點(diǎn)分析法簡(jiǎn)介

夾點(diǎn)分析法由英國(guó)學(xué)者Linnhoff等[5]于20世紀(jì)80年代初提出，最早應(yīng)用于熱交換網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題。在該問(wèn)題中熱流體的溫度比冷流體的溫度高，則可回收熱流體的熱量用于加熱冷流體。如果考慮2種過(guò)程流體，即可在溫焓圖上繪出代表2種流體的線段；對(duì)某一流體的曲線進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠揭疲瑑汕€的重疊程度就表明了允許熱回收的范圍。氫氣的夾點(diǎn)分析與熱交換的夾點(diǎn)分析類似。氫氣的濃度類似于流體的溫度，可以推動(dòng)高濃度的氫氣從過(guò)程源流向過(guò)程阱[6]。

1.1氫夾點(diǎn)法的提出

1984年，Simpeon[7]就煉油廠混煉原油高度依賴加氫處理的問(wèn)題，指出了加氫處理的重要意義，以及氫氣管理在煉油廠整體運(yùn)作中所起的重要作用。1996年，Towler等[8]根據(jù)氫氣網(wǎng)絡(luò)與換熱網(wǎng)絡(luò)的相似性，首次采用換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)分析方法對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析研究，繪制氫源的邊際費(fèi)用曲線和氫阱的單位增值曲線構(gòu)成氫夾點(diǎn)圖。由該圖可以快速確定煉油廠的操作不經(jīng)濟(jì)區(qū)域。

由于Towler等[8]的氫夾點(diǎn)法需要準(zhǔn)確的費(fèi)用數(shù)據(jù)和存在反應(yīng)裝置模型的計(jì)算復(fù)雜等缺點(diǎn)，1998年，Alvess[9]在UMIST PIRC(University of Manchester Institute of Science and Technology Process Integration Research Consortium)氫聯(lián)盟會(huì)議上提出了根據(jù)剩余氫量來(lái)確定氫氣網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)和最小公用工程氫耗的方法，隨后對(duì)該方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述[10-11]。該方法比較接近于換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)分析法，以不同溫度的熱源和熱阱對(duì)應(yīng)不同濃度的氫源和氫阱，根據(jù)流體的溫度與熱焓的關(guān)系得出氫氣濃度與流量的關(guān)系，并繪制氫氣組合曲線；比較相同濃度下氫源與氫阱組合曲線的面積，可得到不同濃度下氫氣的剩余量，所得曲線即氫氣剩余曲線。這種方法雖然能得到夾點(diǎn)位置和最小公用工程的氫耗量，但需要反復(fù)迭代，計(jì)算效率較低。鑒于之前在固定流量單元回收重用的設(shè)計(jì)中，尚無(wú)一項(xiàng)技術(shù)能提供一種系統(tǒng)的非迭代圖解方法，以確定新產(chǎn)生能源的最小值，2003年，El-Halwagi等[12]利用隔離、混合、直接回收重用等策略，提出了一種可嚴(yán)格確定資源利用率最大化的系統(tǒng)的非迭代圖形化技術(shù)。通過(guò)動(dòng)態(tài)編程技術(shù)得到最優(yōu)解策略的數(shù)學(xué)條件和特點(diǎn)，再將這些條件和特征進(jìn)行圖形化處理，可以精確定位資源回收重用的夾點(diǎn)，進(jìn)而提出了新的氫夾點(diǎn)圖解法。2006年，F(xiàn)oo等[13]引入代數(shù)方法建立資源回收重用的網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合性質(zhì)級(jí)聯(lián)分析(Property Cascade Analysis，PCA)和圖解法消除了計(jì)算中的迭代，確定系統(tǒng)的回收夾點(diǎn)，以達(dá)到優(yōu)化新能源使用最小化、回收重用最大化和資源排放最小化等目標(biāo)。

1.2考慮雜質(zhì)因素的氫夾點(diǎn)法

循環(huán)氫中含有不同的雜質(zhì)，并且一些雜質(zhì)如H2S、C2O和CO對(duì)脫硫率和烯烴飽和率影響很大，進(jìn)而影響油品的質(zhì)量[14]。2006年，Zhao等[15]在非迭代圖形化技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)氫系統(tǒng)雜質(zhì)負(fù)荷問(wèn)題，提出了一種新的適用于氫氣網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析的圖解法。分別對(duì)氫源、氫阱雜質(zhì)負(fù)荷與流量作圖，通過(guò)平移氫源、氫阱的組合曲線，以確定夾點(diǎn)的位置、最小公用工程氫耗量和最大氫回收量。同年，Bandyopadhyay等[16]研究出了一種新的夾點(diǎn)分析方法——源組合曲線法。分別以積累雜質(zhì)的負(fù)荷與濃度為橫、縱坐標(biāo)，繪制源組合曲線，任意一條穿過(guò)組合曲線的低雜質(zhì)濃度負(fù)斜率直線以端點(diǎn)為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，與組合曲線接觸時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，所得接觸點(diǎn)即為夾點(diǎn)。該方法的通用性很廣，可用于水系統(tǒng)和氫系統(tǒng)，操作過(guò)程也較簡(jiǎn)單。

研究人員不僅分析了單雜質(zhì)的氫氣網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)法，還通過(guò)不同的方法將單雜質(zhì)夾點(diǎn)分析推廣到多雜質(zhì)夾點(diǎn)分析。2007年，Zhao等[17]在氫剩余曲線法的基礎(chǔ)上，提出了適應(yīng)于多雜質(zhì)氫氣網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的雜質(zhì)赤字率夾點(diǎn)法。該方法利用雜質(zhì)濃度對(duì)流量的組合曲線和雜質(zhì)赤字率曲線來(lái)確定夾點(diǎn)的位置。求解需多次迭代，計(jì)算較繁瑣。丁曄等[18]在多雜質(zhì)氫氣網(wǎng)絡(luò)赤字率圖解法的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)法。該方法將所有氫源與氫阱中的雜質(zhì)濃度相乘，并對(duì)乘積按源和阱進(jìn)行排序，畫(huà)出所有雜質(zhì)的源-阱組合曲線，轉(zhuǎn)化為雜質(zhì)赤字率曲線。改進(jìn)后的方法只需要一次排序和夾點(diǎn)計(jì)算，大大節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，在雜質(zhì)種類繁多的系統(tǒng)中，其優(yōu)點(diǎn)更為明顯。2010年，丁曄等[19]將單雜質(zhì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的規(guī)則推廣到多雜質(zhì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。在考慮雜質(zhì)濃度對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)影響的基礎(chǔ)上，得出了多雜質(zhì)氫氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)則和步驟。還提出了不同雜質(zhì)源、阱之間匹配的混合規(guī)則，以確定不同雜質(zhì)源、阱是否匹配。針對(duì)在夾點(diǎn)之上，不論氫源的濃度高低，都要全部回用后才能回用下一股氫源的缺點(diǎn)，2011年，Liu等[20]提出一種新的演化法，實(shí)現(xiàn)了不同濃度氫源可同時(shí)部分回用。該方法不僅考慮了所有的雜質(zhì)，還能確定氫氣網(wǎng)絡(luò)的最佳匹配。2000年，El-Halwagi等[21]首次提出“ property ternary diagram”的概念，此后該方法被用于碳?xì)浠衔锘厥蘸驮俜峙涞淖顑?yōu)化問(wèn)題上。2012年，Wang等[22]在El-Halwagi等研究?jī)?nèi)容的啟發(fā)下，提出了用于氫氣網(wǎng)絡(luò)考慮雜質(zhì)優(yōu)化的三元圖解法，將氫氣作為第一元，重點(diǎn)關(guān)注的雜質(zhì)為第二元，剩余的次要雜質(zhì)視為惰性雜質(zhì)作為第三元，如此便可優(yōu)化含有多種雜質(zhì)的氫氣網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。2013年，Zhang等[23]針對(duì)含有多種雜質(zhì)的資源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行最小化的資源分配和設(shè)計(jì)，利用三角形法則推導(dǎo)出單一資源接收裝置的配置，按照不同雜質(zhì)濃度的質(zhì)量差，采用最近鄰算法將含有單雜質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化推廣到多雜質(zhì)的情況下，并利用此方法對(duì)3個(gè)含有多種雜質(zhì)的氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，說(shuō)明了此方法的有效性。2015年，Lou等[24]基于滿足工藝過(guò)程熱力學(xué)不可逆性最小化的原則，以完成對(duì)含有多雜質(zhì)氫氣網(wǎng)絡(luò)混合和匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)；從熵變的公式分析提出一個(gè)虛擬濃度的新概念，作為氫源、阱的排序指標(biāo)，氫阱以虛擬濃度遞增的順序排序，同時(shí)選擇虛擬濃度最接近的氫源作為該氫阱的氫氣供應(yīng)流股；再通過(guò)求解每一個(gè)匹配流股之間的雜質(zhì)濃度質(zhì)量平衡方程，以獲得準(zhǔn)確的氫阱雜質(zhì)濃度，最后通過(guò)3個(gè)實(shí)例證明了此方法的有效性。

1.3考慮壓力因素的氫夾點(diǎn)法

在煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)中，壓力與濃度一樣，同樣是一個(gè)重要因素。為使該優(yōu)化更加符合實(shí)際生產(chǎn)情況，在優(yōu)化過(guò)程中有必要考慮壓力因素。2008年，趙振輝等[25]針對(duì)煉油業(yè)的氫氣網(wǎng)絡(luò)分配系統(tǒng)，除考慮氫氣的流量、純度外，還考慮了壓力限制和有害雜質(zhì)等因素，以最小公用工程氫氣用量為目標(biāo)，采用夾點(diǎn)法進(jìn)行分析，同時(shí)還總結(jié)了利用夾點(diǎn)法對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)的匹配原則。2011年，丁曄等[26]在多雜質(zhì)赤字率夾點(diǎn)法基礎(chǔ)上，提出同時(shí)考慮壓力約束和雜質(zhì)約束的氫系統(tǒng)優(yōu)化方法，引入系統(tǒng)最小壓力降概念，構(gòu)造氫源、阱的平均壓力-流量圖，以判斷各區(qū)域的壓力是否滿足要求。

1.4考慮提純裝置因素的氫夾點(diǎn)法

提純裝置的使用可以有效提高氫氣的利用率，提純過(guò)程被廣泛應(yīng)用于煉油廠以降低制氫負(fù)荷，所以有必要將提純過(guò)程的優(yōu)化作為氫氣網(wǎng)絡(luò)整體優(yōu)化的一部分。最常用的提純方法有PSA法和膜分離法，Ratan[27]對(duì)這些提純方法進(jìn)行了對(duì)比。氫氣網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)有3個(gè)重要指標(biāo)，即產(chǎn)品純度、產(chǎn)品壓力以及氫氣回收率。提純裝置的輸出有2股氫氣流，其中一條為高濃度的產(chǎn)品氫，另一條為低濃度的尾氣氫[28]。在考慮提純裝置因素的夾點(diǎn)法中，存在著2種提純裝置的簡(jiǎn)化模型，即固定氫氣回收率R和提純產(chǎn)品濃度Cp的模型[29]以及固定提純產(chǎn)品濃度Cp和尾氣濃度Cr的模型[30]。

2001年，Hallale等[29]提出固定氫氣回收率R和提純產(chǎn)品濃度Cp的提純裝置模型。2011年Liao等[31]在此模型的基礎(chǔ)上將數(shù)學(xué)規(guī)劃建模方法應(yīng)用到具有提純裝置的氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在夾點(diǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上建立了氫氣網(wǎng)絡(luò)的NLP數(shù)學(xué)模型，并采用非線性問(wèn)題的方法給出了夾點(diǎn)問(wèn)題的數(shù)學(xué)表達(dá)，在此基礎(chǔ)上給出了全局最優(yōu)解的必要條件，得到了提純裝置的入口濃度，以及其在氫氣網(wǎng)絡(luò)中的最佳位置和最小氫消耗量。由于提純裝置因素的引入，使氫系統(tǒng)的夾點(diǎn)位置也受到了影響。在最低氫消耗量的氫氣網(wǎng)絡(luò)分析中，夾點(diǎn)通常都出現(xiàn)在氫剩余量為零的位置，但其他氫剩余量的點(diǎn)是活躍的。在氫濃度的匹配中，夾點(diǎn)通常出現(xiàn)在氫濃度源、阱曲線的交點(diǎn)處。2013年，Liu等[32]在研究提純回用氫氣網(wǎng)絡(luò)中夾點(diǎn)位置變化時(shí)，使用了固定氫氣回收率和提純產(chǎn)品濃度的提純裝置模型，并得出不論提純裝置供氣點(diǎn)安裝在夾點(diǎn)的上方還是下方，新的夾點(diǎn)都不可能出現(xiàn)在提純裝置供氣點(diǎn)的上方和供氣點(diǎn)與原始夾點(diǎn)之間的結(jié)論。同年，Lou等[33]結(jié)合代數(shù)方程和圖形法共同找到復(fù)雜氫氣模型的初始夾點(diǎn)位置，集成三角形原則和最佳條件定理，提出了一種改進(jìn)的圖形化方式，沿著相交的氫源片段滑動(dòng)氫阱復(fù)合曲線，以獲得最小公用工程消耗和提純裝置的最小進(jìn)流量。該方法還可進(jìn)一步應(yīng)用于更加復(fù)雜的提純裝置模型，例如膜分離的溶解擴(kuò)散模型，以得到更好的解決方案。

2006年，Agrawal等[30]在研究最近鄰算法在水網(wǎng)絡(luò)和氫氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化應(yīng)用中，針對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)的提純裝置，提出了固定提純產(chǎn)品濃度Cp和尾氣濃度Cr的提純裝置模型。2011年，Zhang等[34]利用此模型在提純的氫負(fù)荷-流量圖法的基礎(chǔ)上，依據(jù)質(zhì)量平衡提出了提純過(guò)程的三角形法則(可推廣為多邊形法則)，該方法可用于任何提純裝置的優(yōu)化問(wèn)題。鑒于提純裝置對(duì)于氫剩余量曲線活躍與非活躍區(qū)域的可分析性，2013年，楊敏博等[35]在給定提純產(chǎn)品濃度和尾氣濃度的情況下，根據(jù)提純過(guò)程中的多邊形規(guī)則，對(duì)提純過(guò)程進(jìn)行了分析，研究了不同提純產(chǎn)品純度下，提純回用過(guò)程的夾點(diǎn)位置變化規(guī)律及趨勢(shì)。根據(jù)其研究分析得出，提純過(guò)程形成的提純氫氣夾點(diǎn)一定會(huì)出現(xiàn)在大于尾氣濃度的氫阱曲線和小于尾氣濃度的氫阱曲線連接的拐點(diǎn)處；當(dāng)提純產(chǎn)品的濃度等于公用工程濃度時(shí)，氫氣夾點(diǎn)的位置保持不變，當(dāng)提純產(chǎn)品的濃度大于公用工程濃度時(shí)，氫氣夾點(diǎn)可能不變，也可能降低，但不會(huì)升高；反之，不會(huì)降低。在一個(gè)氫氣系統(tǒng)中，假設(shè)提純尾氣濃度相同，同時(shí)滿足提純產(chǎn)品全部在提純后的夾點(diǎn)之上，則提純不同濃度的產(chǎn)品所節(jié)約的公用工程相等。

1.5氫夾點(diǎn)法總結(jié)

夾點(diǎn)分析法從1996年被Towler等[8]提出應(yīng)用于煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以來(lái)，已有將近20年的時(shí)間。由上述分析可以看出，從最簡(jiǎn)單的濃度-流量圖到剩余氫量法，由于雜質(zhì)的影響因素不可忽略，在夾點(diǎn)分析中加入了對(duì)雜質(zhì)濃度的分析后提出的源組合曲線法、氫負(fù)荷-流量圖、雜質(zhì)赤字率夾點(diǎn)法等。在上述方法的理論基礎(chǔ)較確定后，又考慮了壓力約束，使該分析法更接近于實(shí)際工程情況，提出了改進(jìn)的多雜質(zhì)赤字率夾點(diǎn)法和氫源、阱平均壓力-流量圖。由于提純裝置的引入，使氫氣網(wǎng)絡(luò)有了更多的優(yōu)化方案，新的優(yōu)化方法也隨之產(chǎn)生，如考慮提純的氫負(fù)荷-流量圖、提純過(guò)程的三角形法則等。隨著氫氣網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)法的不斷研究，一些利用夾點(diǎn)法優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的規(guī)則及步驟，氫源、氫阱的匹配原則，能得到夾點(diǎn)問(wèn)題的最優(yōu)條件，以及夾點(diǎn)在不同因素影響下的變化規(guī)律及趨勢(shì)等都相繼被提出。

氫夾點(diǎn)分析法以圖形法為基礎(chǔ)，物理意義明確，每種裝置生產(chǎn)和消耗何種純度的氫氣一目了然。通過(guò)對(duì)夾點(diǎn)圖的分析可以得到氫氣系統(tǒng)公用工程耗氫量的最小值。該方法簡(jiǎn)單易懂，易于操作和執(zhí)行，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的氫氣系統(tǒng)其經(jīng)濟(jì)效益顯著。但夾點(diǎn)分析法也存在一些問(wèn)題[36]。一是夾點(diǎn)分析法主要以氫阱和氫源的純度與流量為依據(jù)，個(gè)別考慮了雜質(zhì)、壓力、提純裝置等實(shí)際因素，但無(wú)法從實(shí)際出發(fā)統(tǒng)一考慮盡量多的實(shí)際約束條件；二是對(duì)于提純裝置和壓縮機(jī)的增加，需要考慮許多實(shí)際因素，例如投資回收期、系統(tǒng)平面布置、提純或壓縮效率等問(wèn)題；三是夾點(diǎn)技術(shù)主要是使系統(tǒng)的公用工程的氫耗量最小化，并不能做到多目標(biāo)同時(shí)優(yōu)化，如最小成本、最大收益、最少?gòu)U氣氫排放量和最少設(shè)備配置數(shù)目等多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)優(yōu)化問(wèn)題。

2超結(jié)構(gòu)法的提出

超結(jié)構(gòu)法是系統(tǒng)工程中分析過(guò)程合成的一種重要的研究方法，在換熱網(wǎng)絡(luò)、反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)和水網(wǎng)絡(luò)等的建模和優(yōu)化方面得到了廣泛的應(yīng)用。2001年，Hallale等[29]首先提出將超結(jié)構(gòu)法應(yīng)用于氫氣系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題上，所建立的系統(tǒng)超結(jié)構(gòu)包括了所有可能有連接關(guān)系的初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將各臺(tái)壓縮機(jī)和提純裝置作為氫源、氫阱，即進(jìn)口為氫阱，出口為氫源；再考慮實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的各種約束條件，如物料守恒、濃度守恒、壓力條件和設(shè)備配置等，最后建立的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型中包含了所有現(xiàn)有的以及潛在的網(wǎng)絡(luò)連接；再結(jié)合實(shí)際工程要求約束，通過(guò)優(yōu)化算法對(duì)所有連接方案進(jìn)行篩選，找到滿足所有約束條件，使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該方法比同一時(shí)期氫夾點(diǎn)分析法不但較早地考慮了壓力條件和設(shè)備的匹配問(wèn)題，還可以通過(guò)確定不同的目標(biāo)函數(shù)，得到多目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果，例如回收期、最大成本預(yù)算和年總成本等。

超結(jié)構(gòu)法的首要工作是建立與實(shí)際工程相符合的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，模型中包括目標(biāo)函數(shù)和約束條件。模型又可分為L(zhǎng)P(Linear programming)、NLP(Nonlinear programming)、MILP(Mixed integer linear programming)和MINLP(Mixed integer nonlinear programming)模型。

2.1約束條件

超結(jié)構(gòu)模型中的約束條件都包含最基本的約束，即氫源的流量約束、氫阱的流量和濃度約束。接近實(shí)際生產(chǎn)的約束條件還包括壓力約束、雜質(zhì)約束、提純裝置約束、壓縮機(jī)裝置約束等。約束條件有多種分類方法，根據(jù)模型的不同，約束條件也略有不同?？梢愿鶕?jù)單元模型、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和考慮時(shí)間效應(yīng)的不確定性描述來(lái)分類，也可以根據(jù)約束條件考慮的因素進(jìn)行分類。兩者沒(méi)有明確的界限，都是相融的。

2.1.1重點(diǎn)考慮雜質(zhì)、壓力因素的超結(jié)構(gòu)法

鑒于氫氣網(wǎng)絡(luò)中雜質(zhì)對(duì)氫處理過(guò)程的重要影響，2003年，Hallale等[37]提出了適用于多雜質(zhì)的氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化方法，即在約束條件中考慮雜質(zhì)的濃度問(wèn)題。2004年，劉軍[38]、張毅等[39]對(duì)某煉油廠進(jìn)行建模，充分考慮了壓力、雜質(zhì)和提純裝置因素，建立了氫氣網(wǎng)絡(luò)NLP模型；其中對(duì)PSA裝置以固定回收率形式建模，并采用序貫二次規(guī)劃算法(Sequence quadratic programming , 簡(jiǎn)稱SQP)進(jìn)行求解。2009年，劉桂蓮等[40]建立了新的多雜質(zhì)氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化LP模型，根據(jù)氫氣和雜質(zhì)的濃度來(lái)確定最優(yōu)回用順序，比僅根據(jù)氫氣或者某一種雜質(zhì)濃度確定的效果更好。由于對(duì)油品的要求越來(lái)越高，只考慮簡(jiǎn)單的幾種雜質(zhì)已經(jīng)不足以滿足油品指標(biāo)，2013年，潘懷民等[41]建立了具有壓力約束的多雜質(zhì)的MINLP模型，并考慮了壓縮機(jī)的配置問(wèn)題。

2.1.2重點(diǎn)考慮提純裝置、壓縮機(jī)的超結(jié)構(gòu)法

為加強(qiáng)氫氣的回收再利用，需要增加提純裝置。氫氣提純的方式有多種，例如深冷法、膜分離法、變壓吸附法(PSA)等，各方法適用的范圍不同。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于缺少理論指導(dǎo)，氫氣提純方式的選擇通?；诮?jīng)驗(yàn)，很少考慮多種提純方式的集成。2003年，張毅[42]對(duì)三大提純裝置進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了集成提純裝置的思想，并采用超結(jié)構(gòu)的方法對(duì)提純裝置的集成進(jìn)行建模。2004年，Liu等[43]根據(jù)各提純工藝的參數(shù)，建立各提純裝置的機(jī)理模型，并給出了提純裝置回收率R的理論推導(dǎo)結(jié)果，該結(jié)果可從制造商處獲得。充分權(quán)衡了氫氣節(jié)約量、壓縮成本和資本投資三者之間的關(guān)系，提出了氫氣提純方法選擇和集成的MINLP方法為以后解決氫氣提純裝置的配置選擇問(wèn)題提供了重要依據(jù)。2010年，Liao等[44]提出了一種適用于氫氣網(wǎng)絡(luò)改造設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性方法，通過(guò)建立狀態(tài)空間超結(jié)構(gòu)模型獲得了更多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該方法不僅權(quán)衡了操作成本和投資成本，還考慮了超結(jié)構(gòu)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算工作量。所建立的MINLP模型不僅包含了大部分的實(shí)際約束，還包括PSA和膜分離特殊組合的提純裝置。2011年，焦云強(qiáng)等[45]從煉油廠實(shí)際生產(chǎn)出發(fā)，綜合考慮了包括管網(wǎng)匹配、裝置啟停和提純裝置篩選的實(shí)際因素，提出了氫氣系統(tǒng)多周期優(yōu)化調(diào)度MINLP模型。其目標(biāo)函數(shù)包含了氫氣成本、裝置耗電成本、裝置啟停成本、壓縮機(jī)耗電及啟停成本以及各懲罰項(xiàng)，使整個(gè)模型更加真實(shí)地接近實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。

大量的研究工作集中于優(yōu)化氫氣回收再利用和提純方案。氫氣提純技術(shù)包括碳?xì)浠衔锶コb置和硫化氫去除裝置。碳?xì)浠衔锶コb置主要有膜分離和PSA，此類提純裝置在HNI(Hydrogen network integration)中考慮的較多，而硫化氫去除裝置在MEN(Mass exchange networks)中經(jīng)常被作為質(zhì)量交換器。2012年，Zhou等[46]引入脫硫率，并將MEN與氫氣分配網(wǎng)絡(luò)合并，建立了新的模型，提出了相應(yīng)的優(yōu)化方法。該模型同時(shí)考慮了壓力約束和雜質(zhì)約束，以TAC(Total annual cost)為目標(biāo)，權(quán)衡氫氣分配網(wǎng)絡(luò)的成本和MEN的成本。為了避免更加非線性化，該模型在MEN中作了一些簡(jiǎn)化，但已經(jīng)為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)考慮脫硫裝置的集成分析提供了重要依據(jù)。2013年，周利等[47]以考慮脫H2S裝置為例，給出了脫硫模塊的模型，又綜合雜質(zhì)約束和壓力約束對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)建立了MINLP模型，得到了良好的優(yōu)化效果。

2.1.3重點(diǎn)考慮不確定因素的超結(jié)構(gòu)法

大多數(shù)研究都假設(shè)氫氣的供需量是固定的，但實(shí)際生產(chǎn)方案是隨著原油的氮含量、硫含量以及產(chǎn)品需求的變化而變化的，系統(tǒng)的耗氫量和產(chǎn)氫量也會(huì)隨之變化。2010年，宣吉等[48-49]同時(shí)考慮設(shè)計(jì)和調(diào)度問(wèn)題，利用基于環(huán)境的二階段隨機(jī)規(guī)劃方法表達(dá)氫氣網(wǎng)絡(luò)中的不確定因素，將決策變量分為一階決策變量和二階決策變量。一階決策變量包括提純裝置選擇情況和管網(wǎng)結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)變量，二階決策變量包括各管道流量、濃度等狀態(tài)變量，優(yōu)化的目標(biāo)是使第一階段的決策成本和第二階段的期望成本之和最小。相對(duì)傳統(tǒng)的確定性方法，此方法更適應(yīng)不確定環(huán)境。氫氣網(wǎng)絡(luò)與煉油生產(chǎn)系統(tǒng)不可分割，氫氣網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)量的變化，都會(huì)影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，以及致使操作成本改變。為實(shí)現(xiàn)煉油廠的精細(xì)化管理，2010年，Liao等[50]將氫氣網(wǎng)絡(luò)與石油加工網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，建立了靈敏度模型，提出了一種新的靈敏度分析方案；首先確定兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的石油加工裝置，然后對(duì)這些裝置進(jìn)行靈敏度分析，最后得到了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)操作條件。通過(guò)該模型可以得到石油加工網(wǎng)絡(luò)和氫氣網(wǎng)絡(luò)的很好的決策方案。實(shí)例證明，這種靈敏度分析方案能夠解決煉油廠不同網(wǎng)絡(luò)間決策優(yōu)化問(wèn)題。2012年，Jiao等[51]基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃構(gòu)建了一種新的煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，并充分考慮了產(chǎn)氫量、耗氫量、馳放氣供應(yīng)量、氫氣價(jià)格、電價(jià)和燃料氣價(jià)格等不確定因素對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的影響，基于不確定因素的隨機(jī)分布原則建立了MINLP模型，并利用LINGO的分支定界方法進(jìn)行求解。案例研究表明，該方法能有效地處理煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)波動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)與傳統(tǒng)的確定性方法相比具有明顯的優(yōu)越性。2014年，Lou等[52]基于魯棒優(yōu)化建立了MINLP模型，以最小年度成本和最小期望誤差為目標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行加權(quán)求和，利用GAMS進(jìn)行求解。模型中引入了決策者承受風(fēng)險(xiǎn)的系數(shù)λ，通過(guò)實(shí)例分析得出，年度成本與期望誤差成反比，與λ成正比。該作者還對(duì)確定性優(yōu)化、隨機(jī)規(guī)劃和魯棒優(yōu)化求得的結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比，充分顯示了魯棒優(yōu)化在解決該問(wèn)題中的優(yōu)越性。減少能源消耗已不再是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的唯一優(yōu)化目標(biāo)，其他的性能指標(biāo)，如抗干擾，也越來(lái)越多的受到關(guān)注。2014年，Liao等[53]首先從單一阱濃度波動(dòng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)影響分析，提出了混合潛能(Mixing potential)概念，后推廣到利用最小化混合潛能來(lái)評(píng)定網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能力。通過(guò)圖解法求得最低混合潛能解決方案的充分條件，依據(jù)該充分條件總結(jié)出了解決此類問(wèn)題的圖解法和優(yōu)化算法，并分別以水網(wǎng)絡(luò)和氫氣網(wǎng)絡(luò)為例，驗(yàn)證了2種方法的有效性。

2.1.4考慮中間等級(jí)的超結(jié)構(gòu)法

氫阱對(duì)氫氣質(zhì)量的要求不盡相同，為了簡(jiǎn)化管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和提高系統(tǒng)的可擴(kuò)充性，煉化企業(yè)通常會(huì)考慮壓力和濃度的要求，將管網(wǎng)結(jié)構(gòu)分為幾個(gè)等級(jí)。鑒于此，2010年，張亮等[54]提出了一種通過(guò)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法來(lái)確定氫氣網(wǎng)絡(luò)中間等級(jí)的純度狀態(tài)和級(jí)數(shù)壓力的方法?？傎M(fèi)用最小時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)相對(duì)復(fù)雜；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后，總費(fèi)用會(huì)相對(duì)增加，但簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)便于管理和控制。所以對(duì)含有中間等級(jí)的氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)，需要在總連接數(shù)和總費(fèi)用之間作出權(quán)衡。

2.2目標(biāo)函數(shù)

2.2.1分層優(yōu)化

2003年，van den Heever等[55]建立了MINLP模型，對(duì)煉油廠的氫氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。該模型分為計(jì)劃層和生產(chǎn)層兩層。計(jì)劃層包括各種費(fèi)用函數(shù)，生產(chǎn)層以月為周期對(duì)每小時(shí)的管道和設(shè)備的啟停進(jìn)行規(guī)劃，為了更加滿足實(shí)際要求，還考慮了壓力約束。并提出了一種基于拉格朗日分解法的啟發(fā)式求解策略，對(duì)該MINLP模型進(jìn)行求解。雖然這種策略比一般的求解方法有更高的效率，但是仍然會(huì)在某些條件下只能求得次優(yōu)解或者無(wú)解。2008年，張勁松等[56]提出了一種基于受控混雜Petri網(wǎng)(CHPN)的分層優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將CHPN建立的過(guò)程仿真模型與數(shù)學(xué)規(guī)劃方法相結(jié)合，數(shù)學(xué)規(guī)劃法在上層，根據(jù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到最優(yōu)解，下層的CHPN在上層最優(yōu)解的控制下運(yùn)行。這種方式既考慮了總成本上的最優(yōu)，又考慮了工藝流程、儲(chǔ)存限制的實(shí)際生產(chǎn)情況。數(shù)學(xué)規(guī)劃法與受控混雜Petri網(wǎng)的結(jié)合在理論上還處于起步階段，還需進(jìn)一步研究。

2.2.2多目標(biāo)

2008年，劉燕[57]先建立了雙目標(biāo)的計(jì)劃模型，然后將雙目標(biāo)模型通過(guò)1個(gè)命題轉(zhuǎn)化為2個(gè)獨(dú)立單目標(biāo)模型，再利用CPLEX優(yōu)化工具進(jìn)行求解，得到計(jì)劃模型的最優(yōu)解。根據(jù)計(jì)劃模型的解得到氫氣系統(tǒng)的調(diào)度模型。由于調(diào)度模型需要?jiǎng)澐謺r(shí)間間隔，比計(jì)劃模型更復(fù)雜一些，不能將雙目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)進(jìn)行求解，所以采用了帶有精英策略的非支配排序的遺傳算法(NSGA-Ⅱ)求得了Pareto最優(yōu)解。2009年，羅小川等[58]提出氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)雙目標(biāo)優(yōu)化模型，采用帶有精英策略的非支配排序的遺傳算法(NSGA-Ⅱ)求解，得到模型的非支配解集。并通過(guò)基于DEA模型的非阿基米德無(wú)窮小C2R模型對(duì)所得解評(píng)價(jià)找到DEA效率高的Pareto最優(yōu)解。前面對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究大多集中于單目標(biāo)模型，很少進(jìn)行多目標(biāo)研究。2011年，Jiao等[59-60]綜合考慮了投資成本和操作成本，提出了氫氣網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化策略，并通過(guò)變化權(quán)系數(shù)的加權(quán)法將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題，再通過(guò)變化權(quán)重系數(shù)得到了該多目標(biāo)問(wèn)題的Pareto最優(yōu)前沿。盡管對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，多數(shù)以氫氣網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)約能源為目的，還沒(méi)有從環(huán)境角度出發(fā)，考慮溫室氣體的排放量。為了使產(chǎn)品生產(chǎn)更加環(huán)保化，建立SHNI(Sustainable hydrogen network integration)，2013年，Zhou等[61]綜合權(quán)衡TAC和CO2排放量，建立多目標(biāo)MINLP模型，再利用加權(quán)法，求解多目標(biāo)模型。對(duì)比以年度成本為單目標(biāo)的結(jié)果和多目標(biāo)結(jié)果，證實(shí)了該多目標(biāo)模型的有效性。同時(shí)，多目標(biāo)模型結(jié)果表明，提純技術(shù)的選擇和燃料的類型同樣對(duì)SHNI至關(guān)重要。提純裝置選擇權(quán)重正比于TAC的權(quán)重，使用含CO2排放量多的燃料時(shí)，最終的CO2排放量與TAC成反比；反之，成正比。

2.2.3多周期

多數(shù)研究在假定氫氣網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)不隨時(shí)間變化的情況下進(jìn)行分析，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中耗氫狀況、原油含雜質(zhì)濃度都隨時(shí)間不斷變化。2010年，Ahmad等[62]采用超結(jié)構(gòu)的方法針對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)多周期設(shè)計(jì)問(wèn)題建立了MILP模型。該模型只考慮了3個(gè)周期內(nèi)的幾個(gè)主要耗氫裝置，并未考慮多周期內(nèi)所有耗氫裝置的情況。2012年，Jiao等[63]充分考慮了調(diào)度期間可能發(fā)生的氫氣管網(wǎng)偏離正常容量和容量超限、耗氫裝置氫源發(fā)生更換、壓縮機(jī)啟停等不正常情況，在目標(biāo)函數(shù)中填加了相應(yīng)的懲罰項(xiàng)以避免這些情況的發(fā)生。同時(shí)，針對(duì)所建立的氫氣網(wǎng)絡(luò)多周期調(diào)度優(yōu)化MINLP模型，提出一種迭代求解策略，以避免對(duì)原始MINLP問(wèn)題的直接求解。通過(guò)案例研究表明，此策略在第一次完整的迭代后便求得滿足要求的有效解，優(yōu)化結(jié)果有較高的可靠性，實(shí)現(xiàn)了有效的對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)調(diào)度優(yōu)化。在氫氣網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)操作中，管線網(wǎng)絡(luò)的作用不可忽視。2014年，Zhou等[64]考慮到副產(chǎn)氫在不同周期下的產(chǎn)量不同、產(chǎn)品的需求周期性變化引起耗氫裝置的需氫量變化等因素，針對(duì)復(fù)雜的氫氣管線網(wǎng)絡(luò)建立了MPECs模型(Mathematical programwhich incorporates equilibrium constraints)。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，該方法能對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)有效而穩(wěn)定地進(jìn)行調(diào)度，同時(shí)也證實(shí)了管線模型在實(shí)際操作中的安全運(yùn)行。

2.2.4多工況

產(chǎn)氫裝置和耗氫裝置并不是一直處于正常運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)某產(chǎn)氫裝置或者耗氫裝置突發(fā)故障時(shí)，為滿足生產(chǎn)需求和正常運(yùn)行，需要對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)重新優(yōu)化。為提高煉油廠的柔性調(diào)節(jié)能力，2012年，焦云強(qiáng)等[65]從某煉油廠實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)情況分析，總結(jié)了該廠經(jīng)常發(fā)生的14種工況，建立了基于14種工況下的MINLP 模型；再采用重構(gòu)線性化技術(shù)將難求解的MINLP模型轉(zhuǎn)化為容易求解的MILP模型，提高了煉油廠對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)的柔性調(diào)節(jié)能力。此種分工況的情況，盡可能地將所有可能發(fā)生的狀況進(jìn)行優(yōu)化。如此，當(dāng)突發(fā)預(yù)測(cè)工況時(shí)，可以直接調(diào)用已經(jīng)優(yōu)化好的方案，盡可能地縮短方案決定時(shí)間，同時(shí)最大限度地減少了不必要的損失。此類方法同時(shí)也屬于考慮不確定因素的情況，與多周期情況相同，前2種為動(dòng)態(tài)模型，有必要考慮2個(gè)方案切換時(shí)所產(chǎn)生的費(fèi)用，而該多工況模型為靜態(tài)情況，不能體現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)效果。可以說(shuō)此種分工況的方法相當(dāng)于多個(gè)單元模塊啟停模型的組合。李聞杰等[66]首先根據(jù)夾點(diǎn)法所得結(jié)果，以?shī)A點(diǎn)氫氣濃度為準(zhǔn)，將氫氣濃度進(jìn)行等級(jí)分配，再考慮膜分離、新裝置投入使用、裝置停工等不同因素，提出了4種工況，4種工況同樣為靜態(tài)情況。此種分工況的方法類似于將氫氣濃度等級(jí)分配和單元模塊啟停組合在一起。

2.2.5其他目標(biāo)

2007年，劉永忠等[67]通過(guò)對(duì)實(shí)例進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算分析，得到了氫氣網(wǎng)絡(luò)的匹配數(shù)和公用工程氫用量的松弛率呈反曲函數(shù)關(guān)系，適當(dāng)放大系統(tǒng)氫節(jié)約量要求，就可獲得較為簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)匹配結(jié)構(gòu)；并提出二步優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，在獲得最小公用工程耗氫量的基礎(chǔ)上，使得網(wǎng)絡(luò)流股匹配數(shù)目最小化。2009年，Khajehpour等[68]以最少?gòu)U氣氫排放量為目標(biāo)，利用啟發(fā)式規(guī)則，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況對(duì)約束進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而得到了簡(jiǎn)化的超結(jié)構(gòu)，最后采用遺傳算法進(jìn)行求解。由于數(shù)學(xué)規(guī)劃法的不直觀性，2012年，李煥等[69]建立了氫氣網(wǎng)絡(luò)的Petri網(wǎng)模型，集圖形與數(shù)學(xué)運(yùn)算為一體，使模型結(jié)構(gòu)更加直觀。

2.3模型對(duì)比

氫氣網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模型分為線性和非線性模型(LP、NLP、MILP、MINLP)，并且因?yàn)槟繕?biāo)函數(shù)和約束條件的不同，所建模型也不盡相同。Kumar等[70]通過(guò)2個(gè)實(shí)例對(duì)LP、NLP和MINLP的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出MINLP模型包含了實(shí)際氫氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜約束，包括壓力約束、中間設(shè)備約束等，使優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。但是該MINLP模型中未涉及同等設(shè)備或提純方法的選擇問(wèn)題。2014年，Jhaveri等[71]總結(jié)了5種關(guān)于煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)模型，分別為基本的NLP模型[29]以及一種改進(jìn)的NLP模型，考慮了回收利用和壓力約束和所有約束的MINLP模型[70]，以及2種改進(jìn)的MINLP模型，其中一種考慮了增加新的壓縮機(jī)，另一種考慮了增加新的壓縮機(jī)和PSA。用這5種模型對(duì)同一實(shí)例[29]進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析和對(duì)比，得到了優(yōu)化效果最好的模型，也說(shuō)明了MINLP模型要比NLP模型在氫氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化上更有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)還對(duì)3種不同類型的壓縮機(jī)進(jìn)行了分析對(duì)比，說(shuō)明了螺桿式壓縮機(jī)在整體氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的良好效果。

2.4求解算法及軟件

目前氫氣網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的求解方法主要有2種。一種是自編優(yōu)化算法，另一種是利用現(xiàn)成的優(yōu)化軟件。

2.4.1優(yōu)化算法

隨著數(shù)學(xué)模型復(fù)雜程度的增加，對(duì)應(yīng)算法也在不斷變化。氫氣網(wǎng)絡(luò)的模型主要分為L(zhǎng)P、NLP、MILP、MINLP 4種類型；不同類型的模型，其求解算法也不同?？梢詥为?dú)使用相應(yīng)的算法對(duì)模型進(jìn)行求解，也可以按照所求模型的特性對(duì)算法進(jìn)行一定的改進(jìn)，或者將多個(gè)算法進(jìn)行融合，形成新的算法。其求解算法分為確定性算法和隨機(jī)算法[72]。兩者的區(qū)別在于在相同的輸入情況下其輸出不同。

確定性算法是利用了問(wèn)題的解析性質(zhì)，通過(guò)產(chǎn)生確定性的無(wú)限或有限的點(diǎn)序列，使其收斂于全局最優(yōu)解。如張毅等[39]使用序貫二次規(guī)劃算法有效的地優(yōu)化了所建立的氫氣網(wǎng)絡(luò)NLP模型，宣吉等[48]采用GAMS中的外逼近算法進(jìn)行求解。隨機(jī)算法是利用了概率機(jī)制，產(chǎn)生非確定性的點(diǎn)列來(lái)描述迭代過(guò)程。各類進(jìn)化算法皆屬于隨機(jī)算法，如劉燕[57]和羅小川等[58]都采用了帶有精英策略的非支配排序的遺傳算法(NSGA-Ⅱ)求得了Pareto最優(yōu)解，Khajehpour等[68]采用遺傳算法進(jìn)行求解超結(jié)構(gòu)模型。

2.4.2優(yōu)化軟件

現(xiàn)成的軟件有LINGO(Linear interactive and general optimizer)、GAMS(General algebraic modeling system)、Excel軟件中的規(guī)劃求解模塊等。

LINGO是美國(guó)LINDO公司開(kāi)發(fā)的一套專門(mén)用于求解數(shù)學(xué)最優(yōu)化問(wèn)題的軟件包[73]。該軟件不僅可以求解線性規(guī)劃問(wèn)題和二次規(guī)劃問(wèn)題，還可以求解非線性規(guī)劃問(wèn)題、混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題和混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題。由于LINGO軟件可以利用簡(jiǎn)單的模型表示語(yǔ)言，容易理解和修改，在氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的超結(jié)構(gòu)法中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的較多。人們利用LINGO求解了氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的LP模型[66]，也有學(xué)者[45,54,59,65,67]分別建立了相應(yīng)的氫氣網(wǎng)絡(luò)MINLP模型，并通過(guò)LINGO軟件進(jìn)行了求解。

GAMS是由美國(guó)世界銀行的Meeraus和Brooke專門(mén)為建模線性、非線性和混合整數(shù)最優(yōu)化問(wèn)題而設(shè)計(jì)的一款數(shù)學(xué)規(guī)劃和優(yōu)化的高級(jí)建模系統(tǒng)[74]。該軟件融合了數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，使數(shù)學(xué)模型與數(shù)據(jù)彼此獨(dú)立，在模型、算法和數(shù)據(jù)之間提供了一個(gè)便捷的接口，易于操作，在氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的超結(jié)構(gòu)法中也得到了廣泛的應(yīng)用。利用GAMS的全局優(yōu)化求解器BARON可以求解對(duì)應(yīng)的單目標(biāo)MINLP模型[70]，也可將MINLP模型分解為一系列的NLP和MILP子問(wèn)題，然后在GAMS的DI-COPT中分別調(diào)用SNOPT和CPLEX對(duì)2種子問(wèn)題進(jìn)行求解[48,68]。Jhaveri 等[71]對(duì)2個(gè)氫氣網(wǎng)絡(luò)實(shí)例分別建立了LP、NLP和MINLP模型，利用GAMS分別求得了3個(gè)單目標(biāo)模型的最優(yōu)解。

Excel軟件中的規(guī)劃求解模塊可以求解線性規(guī)劃問(wèn)題、整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題和其他運(yùn)籌學(xué)問(wèn)題，但不能求解非線性規(guī)劃問(wèn)題。劉桂蓮等[40]對(duì)多雜質(zhì)氫氣網(wǎng)絡(luò)建立了LP模型，并利用Excel軟件中的規(guī)劃求解模塊進(jìn)行了求解。

上述軟件經(jīng)常被用于優(yōu)化單目標(biāo)模型問(wèn)題。對(duì)于優(yōu)化多目標(biāo)模型問(wèn)題，需采用各種方法先將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)，然后使用軟件對(duì)其優(yōu)化。其轉(zhuǎn)化方法有多種，如加權(quán)求和法[61]，對(duì)傳統(tǒng)加權(quán)求和法進(jìn)行了改進(jìn)的自適應(yīng)加權(quán)求和法[60]和最小偏差法[75]。采用加權(quán)求和法對(duì)各目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行權(quán)重整合，結(jié)合實(shí)際情況和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，給定不同目標(biāo)函數(shù)不同的權(quán)重，再將所有帶有權(quán)重的目標(biāo)函數(shù)整合為1個(gè)目標(biāo)函數(shù)；采用最小偏差法求得各個(gè)目標(biāo)函數(shù)的單目標(biāo)優(yōu)化最優(yōu)解，然后根據(jù)決策者給出各個(gè)目標(biāo)函數(shù)的期望值范圍，無(wú)需評(píng)定各目標(biāo)函數(shù)之間的相對(duì)重要性等。

2.5超結(jié)構(gòu)法總結(jié)

由于超結(jié)構(gòu)法的靈活性，自2001年被應(yīng)用在煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在該領(lǐng)域迅速發(fā)展。雖然提出的時(shí)間比夾點(diǎn)法晚，但對(duì)于雜質(zhì)因素、壓力約束以及提純裝置的匹配等問(wèn)題的考慮要比夾點(diǎn)法早。此外，超結(jié)構(gòu)法還考慮了設(shè)備啟停、多工況、多周期、氫氣網(wǎng)絡(luò)中間等級(jí)等問(wèn)題。超結(jié)構(gòu)法不但能求得最小公用工程耗氫量以及將所有設(shè)備操作費(fèi)用考慮進(jìn)去的最小總年度成本，還可以求得回收期、網(wǎng)絡(luò)流股最小數(shù)目和最少?gòu)U氣氫排放量等特殊目標(biāo)。超結(jié)構(gòu)法為數(shù)學(xué)規(guī)劃法，其模型的準(zhǔn)確度決定了與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的相似度，所以精確模型的建立十分重要，目標(biāo)函數(shù)和約束條件越接近實(shí)際情況越好。但是由于求解大規(guī)模多目標(biāo)MINLP模型的困難，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，目前通常要將多目標(biāo)模型簡(jiǎn)化為單目標(biāo)模型，再采用商業(yè)軟件(如LINGO、GAMS等)、智能算法(如單目標(biāo)遺傳算法等)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于對(duì)原始模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，大多數(shù)求不到最優(yōu)解，甚至也得不到次優(yōu)解或可行解(如GAMS軟件的初始點(diǎn)設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí))。這種狀態(tài)給實(shí)際工程應(yīng)用帶來(lái)了極大的困難。

3氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的實(shí)際應(yīng)用

3.1夾點(diǎn)法的實(shí)際應(yīng)用

隨著氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化夾點(diǎn)分析法在理論上的不斷深入研究，在實(shí)際中的應(yīng)用也在積極開(kāi)展。2001年，Hallale等[29]利用夾點(diǎn)法對(duì)某煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約操作成本400萬(wàn)美元(USD)/a；孫恒慧[76]就國(guó)內(nèi)某一典型煉油廠產(chǎn)氫耗氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行夾點(diǎn)分析，獲得了約5%的理論氫氣節(jié)約量，并就國(guó)內(nèi)對(duì)該領(lǐng)域的研究工作應(yīng)如何開(kāi)展提出了建議，對(duì)以后該領(lǐng)域的研究具有重要的意義。2002年，Alves等[10]提出剩余氫量確定夾點(diǎn)法，對(duì)2個(gè)氫氣網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行優(yōu)化，分別節(jié)省年度總成本260萬(wàn)美元和290萬(wàn)美元。2006年，F(xiàn)oo等[13]引入代數(shù)方法建立資源回收重用的網(wǎng)絡(luò)，確定夾點(diǎn)位置，節(jié)約新氫10 t/h。2007年，唐明元等[77]采用El-Halwagi等[12]提出的夾點(diǎn)圖解法對(duì)某煉油廠的氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行夾點(diǎn)分析，優(yōu)化后的氫氣網(wǎng)絡(luò)比現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)約了21.21%的新氫。2008年，邱若磐等[6]采用夾點(diǎn)分析的源組合曲線法就某煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化分析，并確定了最小氫消耗量和氫氣回用方案，使氫氣的經(jīng)濟(jì)回用量約為12000m3/h。2009年，趙麗京[78]根據(jù)某煉油廠各加氫裝置的反應(yīng)條件差異，對(duì)全廠的氫氣依其品質(zhì)(純度、壓力)，利用“氫夾點(diǎn)”技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，有效地降低了氫耗和能耗，并預(yù)計(jì)了項(xiàng)目投資費(fèi)用和投產(chǎn)后的靜態(tài)投資回收期、內(nèi)部收益率以及財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值。2011年，韓笑[79]針對(duì)中國(guó)海南某煉油廠的氫氣網(wǎng)絡(luò)狀況，應(yīng)用“氫夾點(diǎn)”技術(shù)進(jìn)行分析，并增添了VPSA(Verification process sample approval, 加壓吸附真空解吸)項(xiàng)目，將純度和壓力等級(jí)較低的含氫尾氣進(jìn)行提純、升壓，作為氫源再利用，回用氫氣10722m3/h。國(guó)內(nèi)首次將氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)推廣到煉油廠工程設(shè)計(jì)中是在2012年，郭亞逢等[36]對(duì)某千萬(wàn)噸煉油廠進(jìn)行氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，所得3種邊界條件優(yōu)化方案，都能顯著減低氫的總耗量和總成本。劉桂蓮等[80]應(yīng)用演化法[20]對(duì)某煉油廠多雜質(zhì)氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析，節(jié)約量約占新氫消耗量的40.2%。2013年，黃風(fēng)林等[81]采用氫夾點(diǎn)分析法對(duì)某煉油廠的氫源、氫阱進(jìn)行分析和計(jì)算，同時(shí)還考慮了壓力和雜質(zhì)的影響，使優(yōu)化后的PSA(Process sample approval)負(fù)荷降低了39.14%，制氫單元負(fù)荷降低了27.11%，壓縮機(jī)減少了2臺(tái)，優(yōu)化效果十分明顯。

3.2超結(jié)構(gòu)法的實(shí)際應(yīng)用

超結(jié)構(gòu)法的提出為氫氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化提供了更加靈活的解決方法，同時(shí)在生產(chǎn)中起到了重要的作用。2003年，張毅[42]利用結(jié)構(gòu)法提出了最優(yōu)供氫方案，使該煉油廠每年增加效益588.2萬(wàn)元(RMB)。2004年，張毅等[43]采用序貫二次規(guī)劃算法求得模型的優(yōu)化結(jié)果，每年可以節(jié)省702.3億元(RMB)。2007年，劉永忠等[67]提出二步優(yōu)化模型，對(duì)某煉油廠進(jìn)行優(yōu)化，使氫氣公用工程消耗量減少了15.72%。

2008年，劉燕[57]以鎮(zhèn)海煉油廠為例，采用帶有精英策略的非支配排序的遺傳算法對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)模型求解，系統(tǒng)總利潤(rùn)增加近100萬(wàn)人民幣。2009年，劉桂蓮等[40]對(duì)煉油廠多雜質(zhì)氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化后，最小新氫消耗量比現(xiàn)行的氫氣網(wǎng)絡(luò)節(jié)約了15.6%。2009，年Khajehpour等[68]采用啟發(fā)式規(guī)則對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后通過(guò)遺傳算法求解，使得新氫生產(chǎn)量減少了22.6%，節(jié)約年度總成本119萬(wàn)美元。2010年，Liao等[44]充分考慮了氫氣網(wǎng)絡(luò)中的提純裝置和壓縮機(jī)，建立MINLP模型，優(yōu)化結(jié)果比之前的年度總成本減少了7.3%。2010年，宣吉等[48]采用基于場(chǎng)景的二階段隨機(jī)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步節(jié)約了總年度成本73萬(wàn)美元。同年，Ahmad等[62]采用超結(jié)構(gòu)的方法針對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)多周期設(shè)計(jì)問(wèn)題建立了MILP模型，優(yōu)化模型后所得結(jié)果比現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)年度總成本減少7.4%。Kumar等[70]通過(guò)2個(gè)實(shí)例對(duì)LP、NLP和MINLP的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，MINLP結(jié)果對(duì)2個(gè)實(shí)例節(jié)約總成本分別為20.9%和32.3%。2011年，焦云強(qiáng)等[45]建立多周期調(diào)度模型，調(diào)度方案顯示每年可節(jié)約總成本5530萬(wàn)元(RMB)。2012年，Zhou等[46]引入脫硫率，并將MEN與氫氣分配網(wǎng)絡(luò)合并建立了新的模型，可回收重用82.8%的尾氫，進(jìn)而節(jié)約年度總成本767萬(wàn)美元。2012年，Jiao等[51]基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃構(gòu)建了1種新的煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，基于不確定因素的隨機(jī)分布原則建立MINLP模型，節(jié)約了原年度總成本的12.55%。同年，李聞杰等[66]建立不同氫氣濃度等級(jí)的多工況氫氣網(wǎng)絡(luò)，使氫氣成本比現(xiàn)工況降低2萬(wàn)元(RMB)/h。李煥等[69]建立氫氣網(wǎng)絡(luò)的Petri網(wǎng)模型，優(yōu)化總費(fèi)用降低了23.4%。2013年，潘懷民等[41]在不考慮壓縮機(jī)和管網(wǎng)的前提下，使節(jié)氫率達(dá)到22.17%。周利等[47]以考慮脫H2S裝置為例，給出了脫硫模塊的模型，節(jié)省年度費(fèi)用7700萬(wàn)元(RMB)。2014年，Lou等[52]基于魯棒優(yōu)化建立了MINLP模型，引入了決策者承受風(fēng)險(xiǎn)的系數(shù)λ。對(duì)同一個(gè)模型，魯棒優(yōu)化比確定性優(yōu)化節(jié)約了0.3%。

4總結(jié)及展望

從2種氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法的實(shí)例分析和實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化后的氫氣網(wǎng)絡(luò)在節(jié)約能源降低成本方面的確有顯著的效果，但切實(shí)應(yīng)用到煉油廠改造設(shè)計(jì)中的案例還是很少。一是因?yàn)?，現(xiàn)有的氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究大多停留在概念設(shè)計(jì)階段，付諸實(shí)際實(shí)施還需要進(jìn)行嚴(yán)格的流程模擬計(jì)算、優(yōu)化方案的可行性驗(yàn)證等；二是因?yàn)?，改造費(fèi)用巨大，回收期較長(zhǎng)，這也是大多數(shù)改造設(shè)計(jì)問(wèn)題難以實(shí)施的原因；三是因?yàn)?，氫氣系統(tǒng)本身就比較龐大繁雜，在實(shí)際工程中不是單獨(dú)存在，而是與其他的一些設(shè)備和系統(tǒng)相連，改造設(shè)計(jì)需考慮的因素較多，例如可以與換熱網(wǎng)絡(luò)一起改造，減少管道與空間的浪費(fèi)等；四是因?yàn)?，?guó)內(nèi)改造的案例還不多，經(jīng)驗(yàn)不足。針對(duì)現(xiàn)有的氫氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，不用特意改造，只通過(guò)控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)或設(shè)備啟停，也能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，但總的結(jié)果還是不如改造后的經(jīng)濟(jì)效益高。不過(guò)，依照現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)對(duì)油品質(zhì)量的要求，環(huán)保立法的限制以及改造后對(duì)降低總成本的顯著影響，煉油業(yè)對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化改造勢(shì)在必行。

氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法的進(jìn)一步研究工作應(yīng)集中在以下5個(gè)方面。

(1)對(duì)煉油廠各類臨氫裝置進(jìn)行嚴(yán)格的流程模擬計(jì)算

現(xiàn)有的針對(duì)氫氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化研究大多停留在概念設(shè)計(jì)階段，如夾點(diǎn)法就是典型的概念設(shè)計(jì)方法。將概念設(shè)計(jì)方案付諸實(shí)施仍需要對(duì)煉油廠中各類臨氫裝置(臨氫裝置是指與氫氣直接接觸的裝置，如加氫裝置的循環(huán)氫壓縮機(jī)、反應(yīng)器和低壓分離器等)有深入的了解，進(jìn)行嚴(yán)格的流程模擬計(jì)算，驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性以及核實(shí)其潛在的經(jīng)濟(jì)效益。這項(xiàng)工作是將氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的理論成果進(jìn)行工程應(yīng)用的前提和關(guān)鍵。

(2)夾點(diǎn)法與超結(jié)構(gòu)法相結(jié)合的研究與實(shí)現(xiàn)

夾點(diǎn)法與超結(jié)構(gòu)法各有利弊。夾點(diǎn)法用圖形和直觀計(jì)算實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單易懂，深得工業(yè)界的青睞；超結(jié)構(gòu)法可以考慮所有的約束條件，進(jìn)行單目標(biāo)、多目標(biāo)、多周期等各種類型的建模及優(yōu)化求解，模型具有很好的通用性，但建模時(shí)略顯復(fù)雜，對(duì)大規(guī)模NLP和MINLP類模型的全局優(yōu)化求解還不能在絕大多數(shù)商業(yè)軟件中實(shí)現(xiàn)，是理論界進(jìn)行深入研究的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。探討將夾點(diǎn)法與超結(jié)構(gòu)法進(jìn)行互補(bǔ)，將工程界的數(shù)據(jù)、圖形、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與理論研究界的建模及算法求解優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)具有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利及軟件著作權(quán)，將具有長(zhǎng)久的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

(3)開(kāi)展對(duì)氫氣網(wǎng)路系統(tǒng)不確定環(huán)境的多種建模及優(yōu)化方法的研究。實(shí)際工程中，氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境是動(dòng)態(tài)和不確定的，雖然已開(kāi)展了用隨機(jī)規(guī)劃、模糊規(guī)劃和多周期建模及優(yōu)化等方式，但與實(shí)際工程環(huán)境的復(fù)雜和動(dòng)態(tài)環(huán)境要求還相差較遠(yuǎn)，開(kāi)展數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的滾動(dòng)建模及魯棒建模及優(yōu)化方法的研究非常必要。

(4)在現(xiàn)有模型和算法的基礎(chǔ)上，開(kāi)展新的適合工業(yè)企業(yè)大規(guī)模氫氣網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)在線優(yōu)化算法的研究。雖然與類似的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題相比，氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題在變量和方程的規(guī)模以及非線性程度上并不突出，但實(shí)際工業(yè)背景下的氫氣網(wǎng)絡(luò)模型仍多為大規(guī)模MINLP模型，在多目標(biāo)時(shí)難以求得最優(yōu)解，甚至不能求得次優(yōu)解。目前，為了求解方便，大多數(shù)多目標(biāo)模型都會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后再利用現(xiàn)有的求解軟件進(jìn)行近似求解。探討將已有的全局優(yōu)化算法與智能算法相結(jié)合的混合算法的研究，將是長(zhǎng)期任務(wù)。

(5)開(kāi)展不確定環(huán)境下多目標(biāo)混合模型的建立與對(duì)應(yīng)優(yōu)化算法的研究。在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展工業(yè)應(yīng)用背景下不確定環(huán)境下復(fù)雜氫氣網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)混合建模及優(yōu)化算法的研究，將使氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的理論研究達(dá)到世界領(lǐng)先地位。

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Review of the Optimization Approaches for Refinery Hydrogen Networks

KANG Yongbo, CAO Cuiwen， YU Teng

(KeyLaboratoryofAdvancedControlandOptimizationforChemicalProcesses,MinistryofEducation,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

Abstract：With the environmental protection regulations being increasingly severe, hydrogenation process has been widely used in oil refining industry, resulting in sharp increase of hydrogen consumption. The optimization of refineries’ hydrogen networks and the improvement of their utilization efficiency possessed significant theoretical value and enormous application prospects in industries. These optimization technologies can also provide great benefits to refineries’ energy conservation, consumption and cost reduction. Nowadays, the methods of hydrogen network optimization are mainly divided into two types of pinch analysis related method and super structure method. The recent progress and applications of pinch analysis related method were classified by the impurity, pressure, and purification devices etc. were considered in hydrogen networks. The super structure method is divided according to the constraint, the objective function, the model type and corresponding algorithm. Finally, the advantages and disadvantages of the two methods were summarized, and the directions of future research work was pointed out.

Key words：hydrogen networks; optimization; pinch analysis; super structure

收稿日期：2015-04-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61174040、61573144)和上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(12ZR1408100、61573144)資助

文章編號(hào)：1001-8719(2016)03-0645-14

中圖分類號(hào)：TQ021.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.03.028

第一作者： 康永波，男，碩士，從事復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)建模、分析與控制，流程工業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)等研究；E-mail:ybkang518@126.com

通訊聯(lián)系人： 曹萃文，女，副教授，博士，從事復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)建模、分析與控制，流程工業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)，供應(yīng)鏈管理與優(yōu)化，工業(yè)系統(tǒng)可靠性分析等研究；E-mail:caocuiwen@ecust.edu.cn