周業(yè)揚(yáng)，鄧春，周凌子，馮霄

?

多工況氫網(wǎng)絡(luò)壓縮機(jī)配置和運(yùn)行優(yōu)化

周業(yè)揚(yáng)1，鄧春1，周凌子2，馮霄3

（1中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院，重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源研究院，北京102249；3西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710049）

煉油廠在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，加氫裝置處理的原料油性質(zhì)發(fā)生變化以及生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整，都會(huì)導(dǎo)致加氫單元耗氫量的變化。構(gòu)建了具有中間管網(wǎng)的定結(jié)構(gòu)氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，該模型包括供氫單元、氫氣公用工程管網(wǎng)/中間管網(wǎng)、壓縮機(jī)、加氫單元、燃料系統(tǒng)以及它們之間的固定連接關(guān)系。在常規(guī)氫網(wǎng)絡(luò)中引入壓力為1600 psi(1 psi=6.895 kPa)的中間管網(wǎng)，可以減少一臺(tái)加氫裝置的新氫備用壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)階段可少投資一臺(tái)壓縮機(jī)，即實(shí)現(xiàn)了新氫壓縮機(jī)的優(yōu)化配置。針對(duì)加氫單元正常/高/低負(fù)荷3種工況，對(duì)具有中間管網(wǎng)的氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了不同工況下流股的流量分配和壓縮機(jī)的啟停策略，從而實(shí)現(xiàn)多工況氫網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行優(yōu)化。

過(guò)程系統(tǒng)；氫網(wǎng)絡(luò)；多工況；壓縮機(jī)；優(yōu)化

引 言

煉油廠加工的高硫劣質(zhì)原油比例逐年增加，環(huán)保法規(guī)要求油品具有較低的硫含量。為了降低油品中的硫含量，煉油廠需要增加現(xiàn)有加氫裝置的負(fù)荷甚至新建加氫裝置，這需要消耗更多的氫氣。氫氣對(duì)于煉油廠來(lái)說(shuō)是極其寶貴的資源。因此，氫網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化已經(jīng)成為煉油廠的一項(xiàng)重要課題。氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可以分為夾點(diǎn)法[1-7]和數(shù)學(xué)規(guī)劃法[8-9]，它可以節(jié)約氫氣，減少氫氣公用工程用量。

與夾點(diǎn)法相比，數(shù)學(xué)規(guī)劃法在解決多約束條件下大規(guī)模復(fù)雜問題具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Hallale等[10]首先提出了包含壓縮機(jī)的超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。隨后，研究者提出了其他數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，包括煉廠全廠優(yōu)化[11]、選擇提純器的系統(tǒng)方法[12]、多周期優(yōu)化模型[13]、不確定優(yōu)化[14]、石化園區(qū)廠際優(yōu)化[15]、狀態(tài)-空間超結(jié)構(gòu)模型[16]、基于隨機(jī)規(guī)劃的氫網(wǎng)絡(luò)改造[17]、耦合變壓吸附簡(jiǎn)化模型的氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[18]等。然而，上述研究所針對(duì)的都是屬于常規(guī)氫網(wǎng)絡(luò)，而工業(yè)實(shí)際的氫網(wǎng)絡(luò)是具有一定氫氣濃度和壓力等級(jí)的氫氣管網(wǎng)。

Jia[19]構(gòu)建了包含氫氣管網(wǎng)的氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。張亮等[20]借鑒了Feng等[21]提出的中間水道的概念，在氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型中引入中間氫氣管網(wǎng)，通過(guò)壓力劃分了多個(gè)中間氫氣管網(wǎng)，并分析了管網(wǎng)級(jí)數(shù)對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。Jiao等[22-23]提出了氫網(wǎng)絡(luò)的柔性優(yōu)化，通過(guò)在模型中加入中間氫氣管網(wǎng)提高了氫網(wǎng)絡(luò)的可操作性及柔性調(diào)節(jié)能力，不僅有效減少了運(yùn)行成本，而且為氫網(wǎng)絡(luò)的安全性及穩(wěn)定性提供了保障。Deng等[24]提出了具有中間氫氣管網(wǎng)的氫網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型。在該模型中，供氫裝置和加氫裝置之間無(wú)直接相互連接，而是通過(guò)具有中間濃度等級(jí)的氫氣管網(wǎng)相互連接。

在煉油廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于加氫裝置加工的原料油硫含量變化以及加氫裝置的操作負(fù)荷波動(dòng)，加氫單元的入口和出口流量變化往往比較大，這會(huì)對(duì)氫網(wǎng)絡(luò)的流量分配產(chǎn)生很大影響，同時(shí)也會(huì)影響壓縮機(jī)的運(yùn)行和啟停策略，因此氫網(wǎng)絡(luò)的多工況和多周期優(yōu)化具有重要意義。van den Heever等[25]提出了針對(duì)計(jì)劃和調(diào)度的多周期混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）模型。Ahmad等[13]采用了超結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略對(duì)氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了多周期優(yōu)化，該模型僅考慮了某個(gè)主要加氫裝置在3個(gè)周期內(nèi)氫氣需求和馳放氣產(chǎn)量的變化，并未考慮其他加氫裝置耗氫量的變化。Jiao等[26-27]提出了針對(duì)煉廠氫網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的多周期優(yōu)化模型，該模型主要考慮了氫氣管網(wǎng)中非正常情形的補(bǔ)償，壓縮機(jī)的啟停，加氫單元中氫源的改變。Lou等[14]提出了在不確定性條件下氫網(wǎng)絡(luò)魯棒優(yōu)化策略，優(yōu)化后的氫網(wǎng)絡(luò)對(duì)于方案的改變有更低敏感性，并且總年度化費(fèi)用最低。Wang等[28]提出了氫網(wǎng)絡(luò)的操作優(yōu)化方法，針對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)固定的氫網(wǎng)絡(luò)，考察操作負(fù)荷改變下氫阱需求的變化，以氫氣公用工程用量最小化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)操作優(yōu)化。Zhou等[29]建立了多周期調(diào)度優(yōu)化模型，對(duì)氫網(wǎng)絡(luò)多周期操作下制氫單元的產(chǎn)氫曲線進(jìn)行優(yōu)化。

本文旨在考察中間氫氣管網(wǎng)的設(shè)置對(duì)氫網(wǎng)絡(luò)中新氫壓縮機(jī)數(shù)目的影響，在此基礎(chǔ)上對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行配置，并考察多工況條件下壓縮機(jī)的啟停策略，從而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的運(yùn)行優(yōu)化。

1 問題描述

煉油廠的氫網(wǎng)絡(luò)包括一系列加氫裝置（∈），例如加氫裂化、加氫精制裝置等。加氫裝置的出口氣體流股流量為Fout，組分的濃度（體積分?jǐn)?shù)）為。對(duì)于加氫裝置的入口，氣體流股流量為Fin，最小入口氫氣濃度為。制氫廠（∈）為煉油廠提供新氫，組分的濃度為，其最大負(fù)荷為FUmax。在氫網(wǎng)絡(luò)中，氫氣管網(wǎng)可以分為氫氣公用工程管網(wǎng)（∈H）和中間氫氣管網(wǎng)（∈H），氫氣管網(wǎng)主要用來(lái)輸送氫氣流股。系統(tǒng)中還需設(shè)置一系列氫氣壓縮機(jī)（∈），包括新氫壓縮機(jī)和循環(huán)氫壓縮機(jī)等，以提升氫源的壓力，從而滿足加氫裝置的需求。一般來(lái)說(shuō)，煉油廠的制氫裝置中包括氫氣提純單元，工業(yè)常用變壓吸附裝置。本文假定加氫裝置出口的剩余氣體流股只排放至燃料系統(tǒng)（），并未考慮剩余氣體流股送往提純單元的情況。本文旨在構(gòu)建氫網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化模型，建立各單元的物料平衡關(guān)系式，從而確定變量之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)之上，優(yōu)化壓縮機(jī)的配置，并考察多工況條件下壓縮機(jī)的啟停策略以及壓縮機(jī)的運(yùn)行優(yōu)化。

2 氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型

本節(jié)建立了具有氫氣管網(wǎng)的氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，為考察壓縮機(jī)的配置和運(yùn)行優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型如圖1所示。

（1）供氫單元

第個(gè)氫氣公用工程的流量等于其送往各氫氣公用工程管網(wǎng)的流量之和

（2）氫氣公用工程管網(wǎng)

第個(gè)氫氣公用工程管網(wǎng)的入口流量等于各氫氣公用工程送往管網(wǎng)的流量之和

第個(gè)氫氣公用工程管網(wǎng)的入口氫氣濃度可以由式(3)計(jì)算

(3)

第個(gè)氫氣公用工程管網(wǎng)的出口流量等于其送到各新氫壓縮機(jī)的流量之和

（3）壓縮機(jī)

壓縮機(jī)包括新氫壓縮機(jī)（或稱為補(bǔ)充氫壓縮機(jī)）和循環(huán)氫壓縮機(jī)（），第個(gè)新氫壓縮機(jī)的入口流量等于各氫氣公用工程管網(wǎng)送到壓縮機(jī)的流量之和

第個(gè)新氫壓縮機(jī)的入口氫氣濃度可以由式(6)計(jì)算

(6)

第個(gè)新氫壓縮機(jī)的出口流量等于對(duì)應(yīng)加氫裝置補(bǔ)充氫的流量

第個(gè)新氫壓縮機(jī)的出口氫氣濃度等于對(duì)應(yīng)加氫裝置補(bǔ)充氫的氫氣濃度

(8)

第個(gè)循環(huán)氫壓縮機(jī)流量等于對(duì)應(yīng)加氫裝置循環(huán)氫的流量

第個(gè)循環(huán)氫壓縮機(jī)氫氣濃度等于對(duì)應(yīng)加氫裝置循環(huán)氫的氫氣濃度

(10)

（4）中間管網(wǎng)

若氫網(wǎng)絡(luò)中存在中間管網(wǎng)，對(duì)于涉及到中間管網(wǎng)的模塊，式(7)、式(8)替換為式(11)～式(16)，其余方程式不變。第個(gè)新氫壓縮機(jī)的出口流量等于其送往各中間管網(wǎng)的流量之和

第個(gè)中間管網(wǎng)的入口流量等于各新氫壓縮機(jī)送往中間管網(wǎng)的流量之和

(12)

第個(gè)中間管網(wǎng)的入口氫氣濃度可以由式(13)計(jì)算

第個(gè)中間管網(wǎng)的出口流量等于其送往相關(guān)加氫裝置的流量之和

(14)

加氫裝置的補(bǔ)充氫流量等于各中間管網(wǎng)送往加氫裝置的流量之和

加氫裝置補(bǔ)充氫的氫氣濃度可以由式(16)計(jì)算

(16)

（5）加氫單元

對(duì)于第個(gè)加氫裝置的入口

(18)

式(17)和式(18)代表加氫裝置入口的流量和質(zhì)量平衡。加氫裝置入口的氫氣濃度應(yīng)大于最低氫氣濃度要求

對(duì)于第個(gè)加氫裝置的出口，出口流量等于循環(huán)氫和排出氫的流量之和

(20)

加氫裝置出口氫氣濃度等于循環(huán)氫濃度

加氫裝置出口氫氣濃度等于排出氫濃度

(22)

（6）燃料系統(tǒng)

燃料系統(tǒng)接收來(lái)自各加氫裝置的排出氫

（7）負(fù)荷約束

從第個(gè)氫氣公用工程分配的流量總量應(yīng)不超過(guò)其最大容量

第個(gè)壓縮機(jī)的流量應(yīng)不超過(guò)其最大容量

(25)

（8）目標(biāo)函數(shù)

需要說(shuō)明的是，本文構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型是具有固定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型，旨在優(yōu)化分配多工況條件下新氫壓縮機(jī)的流量，而且氫氣公用工程用量需要滿足系統(tǒng)的需求。本文將目標(biāo)函數(shù)設(shè)為氫氣公用工程總用量，目的是使氫氣公用工程總用量最小。

約束條件為式(1)～式(25)，目標(biāo)函數(shù)為式(26)，因?yàn)槭?3)、式(6)、式(13)、式(16)、式(18)存在非線性項(xiàng)，該模型為非線性規(guī)劃問題（NLP），利用商業(yè)優(yōu)化軟件GAMS平臺(tái)建模，選用KNITRO作為求解器。通過(guò)建立該優(yōu)化模型求解，可以優(yōu)化分配多工況條件下新氫壓縮機(jī)的流量，同時(shí)氫氣公用工程用量滿足系統(tǒng)的需求。

圖2 常規(guī)氫網(wǎng)絡(luò)

Fig.2 Conventional hydrogen network（1 psi=6.895 kPa）

3 案例分析

本文采用的案例是基于Alves[30]的案例修改的。常規(guī)氫網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，其中各圖標(biāo)的含義如下：H2plant代表制氫裝置，fuel代表燃料系統(tǒng)，HT1～HT3代表加氫處理裝置，R1～R3代表循環(huán)氫壓縮機(jī)，M1A～M3A代表新氫壓縮機(jī)，M1B～M3B代表新氫備用壓縮機(jī)。加氫處理裝置HT3的相關(guān)數(shù)據(jù)是本文設(shè)定的。制氫裝置的最大負(fù)荷為300 MMscfd(1 MMscfd=1116.297 m3·h-1)。加氫裝置的出口流股相當(dāng)于氫源，它包括循環(huán)氫和低分氣，加氫裝置的入口相當(dāng)于氫阱，氫氣流股的流量、濃度（以體積分?jǐn)?shù)表示）和壓力如表1所示。

表1 氫氣流股數(shù)據(jù)

壓縮機(jī)可以分為新氫壓縮機(jī)和循環(huán)氫壓縮機(jī)。在氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，新氫壓縮機(jī)的壓縮比一般較大，多采用活塞式壓縮機(jī)，主要按照一開一備或者兩開一備進(jìn)行設(shè)計(jì)，這主要是因?yàn)楫?dāng)其中一臺(tái)新氫壓縮機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可以開啟備用壓縮機(jī)，從而不影響加氫裝置的正常生產(chǎn)。循環(huán)氫的流量往往較大，多采用離心式壓縮機(jī)，一般只設(shè)置一臺(tái)，不配置備用壓縮機(jī)。壓縮機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 壓縮機(jī)數(shù)據(jù)

對(duì)于HT1和HT3這兩個(gè)加氫裝置，其新氫壓縮機(jī)均是由300 psi壓縮至1600 psi，同時(shí)由于這兩個(gè)裝置地理位置相近，可以通過(guò)新建中間管網(wǎng)來(lái)整合這兩個(gè)加氫裝置的新氫壓縮機(jī)。在氫網(wǎng)絡(luò)中引入中間管網(wǎng)，可以增加壓縮機(jī)的操作靈活性，減少備用壓縮機(jī)的數(shù)目，從而減少壓縮機(jī)的投資費(fèi)用。中間管網(wǎng)的壓力為1600 psi。將表1和表2的數(shù)據(jù)代入氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型中，在GAMS平臺(tái)建模，選用KNITRO作為求解器。計(jì)算機(jī)硬件信息為Intel D CPU 3.00 GHz，4 GB RAM，GAMS軟件版本為24.2，求解時(shí)間為0.012 CPUs。通過(guò)計(jì)算求解，可以得到氫氣公用工程用量為275 MMscfd，氫氣公用工程用量滿足系統(tǒng)的需求，引入中間管網(wǎng)優(yōu)化后的氫網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

在氫網(wǎng)絡(luò)中引入中間管網(wǎng)后，原來(lái)的備用壓縮機(jī)M3B可以不再設(shè)置，這樣可以節(jié)省壓縮機(jī)的投資費(fèi)用。在本文中，不同工況下流股的氫氣濃度和壓力視為不變，但加氫單元的入口和出口流股流量發(fā)生變化。3種工況下加氫單元的流量數(shù)據(jù)如表3所示。其中工況1的流量數(shù)據(jù)與圖2中的流量數(shù)據(jù)一致。工況1可以視為加氫單元在正常負(fù)荷下操作，工況2是加氫單元在低負(fù)荷下操作，工況3是加氫單元在高負(fù)荷下操作。

將表1～表3中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型中，可以得到不同工況條件下的氫網(wǎng)絡(luò)分配圖，如圖3所示。圖3中的數(shù)字表示3種工況下流股的流量大小。

表3 3種工況下加氫單元的流量數(shù)據(jù)

3種工況下氫氣公用工程用量分別為275、119和291.5 MMscfd，均沒有超過(guò)制氫裝置的最大負(fù)荷，并且滿足系統(tǒng)的需求。氫網(wǎng)絡(luò)在不同工況下運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)著不同的新氫壓縮機(jī)啟停策略：當(dāng)在正常負(fù)荷下（工況1）操作時(shí)，壓縮機(jī)M1A和M3A開啟，壓縮機(jī)M1B作為備用壓縮機(jī)而關(guān)停；當(dāng)在低負(fù)荷下（工況2）操作時(shí)，只需要開啟壓縮機(jī)M3A，壓縮機(jī)M1A和M1B均可以關(guān)停，這樣就避免了在常規(guī)氫網(wǎng)絡(luò)中需要開啟兩臺(tái)壓縮機(jī)并且兩臺(tái)壓縮機(jī)均是低負(fù)荷運(yùn)行的情形；當(dāng)高負(fù)荷下（工況3）操作時(shí)，3臺(tái)壓縮機(jī)M1A、M1B和M3A均需要開啟，具體的流量如圖3所示。在3種工況下，M2B都是作為M2A的備用壓縮機(jī)而關(guān)停。

4 結(jié) 論

本文提出了具有中間管網(wǎng)的氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，該模型包括供氫單元、氫氣公用工程管網(wǎng)、壓縮機(jī)、中間管網(wǎng)、加氫單元、燃料系統(tǒng)以及它們之間的固定連接關(guān)系。在常規(guī)氫網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)引入中間管網(wǎng)，常規(guī)氫網(wǎng)絡(luò)中的備用壓縮機(jī)M3B可以不用配置，即氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)階段可節(jié)省該壓縮機(jī)的投資費(fèi)用。在具有中間管網(wǎng)的氫網(wǎng)絡(luò)中，分別在正常、高、低3種負(fù)荷工況下對(duì)氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化。此外，不同工況對(duì)應(yīng)著新氫壓縮機(jī)不同的啟停策略，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的運(yùn)行優(yōu)化。

符 號(hào) 說(shuō) 明

C——組分 F,f——?dú)錃饬髁浚琈Mscfd (1 MMscfd = 1116.297 m3·h-1) fhi, fhk——分別為管網(wǎng)分配到壓縮機(jī)和加氫單元的流量，MMscfd fih, fuh——分別為壓縮機(jī)和氫氣公用工程分配到管網(wǎng)的流量，MMscfd fu_total——?dú)錃夤霉こ炭傆昧?，MMscfd Ha——?dú)錃夤霉こ坦芫W(wǎng) Hb——中間氫氣管網(wǎng) I——壓縮機(jī) K——加氫單元 U——?dú)錃夤霉こ?Y,y——?dú)錃鉂舛龋?（vol.） 上角標(biāo) in——入口 makeup——補(bǔ)充氫 max——最大值 min——最小值 out——出口 purge——排出氫 recycle——循環(huán)氫 下角標(biāo) c——組分 fuel——燃料系統(tǒng) h——?dú)錃夤芫W(wǎng) i——壓縮機(jī) k——加氫單元 u——?dú)錃夤霉こ?/p>

References

[1] ALVES J J, TOWLER G P. Analysis of refinery hydrogen distribution systems[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2002, 41(23): 5759-5769.

[2] 鄧春, 周宇航, 周業(yè)揚(yáng), 等. 具有最小壓縮功的氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 化工學(xué)報(bào), 2015, 66(12): 4883-4887. DENG C, ZHOU Y H, ZHOU Y Y,. Optimal design of hydrogen network with minimum compression work[J]. CIESC Journal, 2015, 66(12): 4883-4887.

[3] DENG C, ZHOU Y H, CHEN C L,. Systematic approach for targeting interplant hydrogen networks[J]. Energy, 2015, 90: 68-88.

[4] 劉桂蓮, 劉永彪, 馮霄. 煉廠多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)的集成[J]. 化工學(xué)報(bào), 2012, 63(1): 163-169. LIU G L, LIU Y B, FENG X. Integration of refinery hydrogen network with multiple impurities[J]. CIESC Journal, 2012, 63(1): 163-169.

[5] 楊敏博, 馮霄. 提純回用氫網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)變化規(guī)律[J]. 化工學(xué)報(bào), 2013, 64(12): 4544-4549. YANG M B, FENG X. Change rules of pinch point for hydrogen distribution systems with purification reuse[J]. CIESC Journal, 2013, 64(12): 4544-4549.

[6] EL-HALWAGI M M, GABRIEL F, HARELL D. Rigorous graphical targeting for resource conservationmaterial recycle/reuse networks[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2003, 42(19): 4319-4328.

[7] FOO D C Y, MANAN Z A. Setting the minimum utility gas flowrate targets using cascade analysis technique[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2006, 45(17): 5986-5995.

[8] 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]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 48(16): 7637-7646.

[9] 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-interception systems[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 48(16): 7647-7661.

[10] HALLALE N, LIU F. Refinery hydrogen management for clean fuels production[J]. Advances in Environmental Research, 2001, 6(1): 81-98.

[11] ZHANG J, ZHU X X, TOWLER G P. A simultaneous optimization strategy for overall integration in refinery planning[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(12): 2640-2653.

[12] LIU F, ZHANG N. Strategy of purifier selection and integration in hydrogen networks[J]. Chemical Engineering Research & Design, 2004, 82(A10): 1315-1330.

[13] AHMAD M I, ZHANG N, JOBSON M. Modelling and optimisation for design of hydrogen networks for multi-period operation[J]. Journal of Cleaner Production, 2010, 18(9): 889-899.

[14] LOU J Y, LIAO Z W, JIANG B B,. Robust optimization of hydrogen network[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39(3): 1210-1219.

[15] 鄧春, 周業(yè)揚(yáng), 陳杰, 等. 石化園區(qū)廠際提純回用氫氣系統(tǒng)優(yōu)化[J]. 化工學(xué)報(bào), 2014, 65(12): 4914-4920. DENG C, ZHOU Y Y, CHEN J,. Optimization of inter-plant hydrogen system with purification reuse in petrochemical complex[J]. CIESC Journal, 2014, 65(12): 4914-4920.

[16] LIAO Z W, WANG J D, YANG Y R,. Integrating purifiers in refinery hydrogen networks: a retrofit case study[J]. Journal of Cleaner Production, 2010, 18(3): 233-241.

[17] 宣吉, 廖祖維, 榮岡, 等. 基于隨機(jī)規(guī)劃的煉廠氫網(wǎng)絡(luò)改造設(shè)計(jì)[J]. 化工學(xué)報(bào), 2010, 61(2): 398-404. XUAN J, LIAO Z W, RONG G,. Hydrogen network retrofit design in refinery based on stochastic programming[J]. CIESC Journal, 2010, 61(2): 398-404.

[18] 鄧春, 周業(yè)揚(yáng), 江葦, 等. 耦合變壓吸附簡(jiǎn)化模型的提純回用氫網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)優(yōu)化[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版), 2016, 56(7): 735-742. DENG C, ZHOU Y Y, JIANG W,. Coordination optimization of hydrogen network with purification reuse coupled with shortcut model of pressure swing adsorption[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2016, 56(7): 735-742.

[19] JIA N. Refinery hydrogen network optimisation with improved hydroprocessor modelling[D]. Manchester: University of Manchester, 2010.

[20] 張亮, 劉永忠, 閆哲. 煉化企業(yè)中氫氣管網(wǎng)的中間等級(jí)設(shè)置與優(yōu)化分析[J]. 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué), 2010, 27(10): 1361-1364. ZHANG L, LIU Y Z, YAN Z. Analysis and optimization on installation of intermediate levels for a hydrogen distribution network in a refinery[J]. Computers and Applied Chemistry, 2010, 27(10): 1361-1364.

[21] FENG X, SEIDER W D. New structure and design methodology for water networks[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(26): 6140-6146.

[22] JIAO Y Q, SU H Y, HOU W F,. Design and optimization of flexible hydrogen systems in refineries[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(11): 4113-4131.

[23] 焦云強(qiáng), 蘇宏業(yè), 侯衛(wèi)鋒. 煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)柔性優(yōu)化[J]. 化工學(xué)報(bào), 2012, 63(9): 2739-2748. JIAO Y Q, SU H Y, HOU W F. Flexible optimization of refinery hydrogen network[J]. CIESC Journal, 2012, 63(9): 2739-2748.

[24] DENG C, PAN H M, LEE J Y,. Synthesis of hydrogen network with hydrogen header of intermediate purity[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39(25): 13049-13062.

[25] VAN DEN HEEVER S A, GROSSMANN I E. A strategy for the integration of production planning and reactive scheduling in the optimization of a hydrogen supply network[J]. Computers & Chemical Engineering, 2003, 27(12): 1813-1839.

[26] JIAO Y Q, SU H Y, HOU W F,. A multiperiod optimization model for hydrogen system scheduling in refinery[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51(17): 6085-6098.

[27] 焦云強(qiáng), 蘇宏業(yè), 侯衛(wèi)鋒. 煉油廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度及其應(yīng)用[J]. 化工學(xué)報(bào), 2011, 62(8): 2101-2107. JIAO Y Q, SU H Y, HOU W F. Optimal scheduling of hydrogen system in refinery and its application[J]. CIESC Journal, 2011, 62(8): 2101-2107.

[28] WANG Y F, JIN J, FENG X,. Optimal operation of a refinery’s hydrogen network[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(37): 14419-14422.

[29] ZHOU L, LIAO Z W, WANG J D,. MPEC strategies for efficient and stable scheduling of hydrogen pipeline network operation[J]. Applied Energy, 2014, 119: 296-305.

[30] ALVES J J. Analysis and design of refinery hydrogen systems[D]. Manchester: University of Manchester, 1999.

Deployment and operation optimization of compressors in multi-scenario hydrogen network

ZHOU Yeyang1, DENG Chun1, ZHOU Lingzi2, FENG Xiao3

(1State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;2New Energy Institute, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;3School of Chemical Engineering & Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China)

In actual refinery operations, change of feedstock properties and adjustment of production load often lead to change of hydrogen consumption in hydrogenation units. An optimization model was proposed for hydrogen network with fixed structure and intermediate headers, which was consisted of hydrogen supply units, hydrogen utility headers, intermediate headers, compressors, hydrogenation units, fuel system, and established interconnections. Adding an intermediate header with pressure of 1600 psi into conventional hydrogen network could eliminate one standby backup compressor for hydrogenation unit, which capital cost of the backup compressor was saved during design stage and compressor deployment was optimized. Optimization of the hydrogen system with an intermediate header yielded flowrate distribution of different streams and start-stop strategy of compressors under three scenarios of normal, high, and low production loads of hydrogenation unit, which achieved targets of operation optimization for multi-scenario hydrogen network.

process systems; hydrogen network; multi-scenario; compressor; optimization

10.11949/j.issn.0438-1157.20161163

TQ 021. 8

A

0438—1157（2017）05—1954—07

鄧春。

周業(yè)揚(yáng)（1991—），男，碩士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21576287）；中國(guó)石油大學(xué)（北京）科研基金項(xiàng)目（2462015BJB02，2462015YQ0305）。

2016-08-18收到初稿，2017-02-10收到修改稿。

2016-08-18.

DENG Chun, chundeng@cup.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (21576287) and the Science Foundation of China University of Petroleum, Beijing (2462015BJB02, 2462015YQ0305).