煉廠案例研究：氫氣分布網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 中英文翻譯

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1、氫分布網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化： 一個煉廠案例研究 摘要 生產(chǎn)低硫燃料中最關(guān)鍵的問題之一是管理在煉油廠氫平衡過程中新的環(huán)境要求的影響。將低硫燃料規(guī)范和減少催化反應(yīng)器中氫氣生產(chǎn)組合使氫管理成為一個重要的問題。因此更有效地使用氫成為不可避免的。本文解決了GALP 電力公司波爾圖煉油廠的實際氫分布問題，并使用基于氫盈余概念的新工具。通過不同方法和訴諸線性規(guī)劃問題，一種高效的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計已取得成功，該設(shè)計減少了30%的氫公用設(shè)施使用（實現(xiàn)使30%的氣體作為燃料系統(tǒng))，同時還解決了煉油廠復(fù)雜性和靈活性的需要，并減少了與氣動系統(tǒng)相關(guān)的操作費用。在構(gòu)建平臺氫氣制造成本減少方面，很可能減少6%。 1。介紹 在生產(chǎn)低硫燃料

2、方面最關(guān)鍵的問題之一是管理煉油廠氫氣平衡新規(guī)定的影響。綜合低硫燃料規(guī)格，市場向輕燃料轉(zhuǎn)變，處理過程更精細(xì)以及粗制原油等方面，使氫管理成為一個關(guān)鍵問題。在煉油廠，氫需求在不斷增加，為了提供額外的氫生產(chǎn)能力從重質(zhì)原油中生產(chǎn)含硫量較低的產(chǎn)品，并且經(jīng)處理從裂化過程中獲取輕燃料。這方面的一個后果是減少供應(yīng)氫的生成。在過去幾年，氫供求發(fā)生了重大變化。 重質(zhì)原油為石油經(jīng)濟的發(fā)展提供了一個有趣的情形。一方面，由于煉油成本增加和高含硫量，相較于輕質(zhì)原油，重質(zhì)原油的價格通常有折扣。增加的粘度和密度也使生產(chǎn)更加困難。另一方面，可獲得大量的重質(zhì)原油，并且重油深度較淺的領(lǐng)域可使鉆井成本較低。 作為一項規(guī)定，重質(zhì)原油

3、比輕油有更嚴(yán)重的環(huán)境影響，含有更多與氫有關(guān)的碳，致使在許多可用能源燃燒時釋放更多的二氧化碳。越來越難以在生產(chǎn)中采用提高原油回收率的技術(shù)并因此增加了氫作為公用工程的需求。 先進的技術(shù)是通過水平井減輕環(huán)境影響，并提高能源效率，但一桶積一桶，重質(zhì)原油將可能永遠(yuǎn)比輕質(zhì)油更破壞環(huán)境。煉油廠也面臨著越來越多要求減少排放的立法，尤其是氣體排放，如CO2,SOx,NOx和顆粒物。硫氧化物是酸性氣體，它是在含硫化合物燃料的燃燒過程中產(chǎn)生的。大部分的硫排放來源包含在燃料中的硫而且以硫氧化物的形式排放。硫氧化物和氮氧化物一起導(dǎo)致了酸雨的形成。氮氧化物的排放幾乎全部來自于鍋爐、 加熱器、 引擎，和發(fā)電機化石燃料燃燒

4、。在存在揮發(fā)性有機化合物和陽光的情況下，氮氧化物可以發(fā)揮主導(dǎo)作用，進而形成煙霧。 %(v/v) 氣體體積百分比 F 氣流量 (kmol/s) FSK 送入接收器單元的氣體體積（Nm3/h） FSK，j 接收單元j的氣體體積(Nm3/h) FF 輸送到燃料的總氣體流量(Nm3/h) FF，i 發(fā)送到燃料源i氣流量（Nm3/h） FH2 由platformings 產(chǎn)生的氫流量(Nm3 /) h Fi，j 由氣源i到氣阱j 的氣流量(Nm3/h) FSR 可用于所有氣源的總氣體流量(Nm3 /h） FSR，

5、i 氣源i需要的氣流量(Nm3/h) LP 線性編程 O 目標(biāo)函數(shù) y 混合氣中的氫純度%(v/v) ySK 氣源的純度%(v/v) ySK，i 氣源i氣流量純度的%(v/v) ySR 氣阱所需的純度%(v/v) ySR，j 氣阱j 氣流量的純度%(v/v) 此外，還有京都議定書，盡管該協(xié)議還待某些國家（澳大利亞和美國）批準(zhǔn)，將可能繼續(xù)推進。 全球變暖的主題在世界領(lǐng)導(dǎo)人、企業(yè)代表和環(huán)境保護者之間引發(fā)了爭論。 雖然在科學(xué)界有一個強烈的共識即溫室效應(yīng)是真正的現(xiàn)象，和人類正在增加溫室氣體的濃度，還有很多關(guān)于人為活動的長期

6、后果未知。 因此，要生產(chǎn)更好和更清潔的燃料已成為大多數(shù)石油化工企業(yè)關(guān)注的問題之一。 1.1。能源優(yōu)化機會 用于識別能源技術(shù)優(yōu)化的一個最重要技術(shù)，是集成工藝，這是出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代化學(xué)工程領(lǐng)域的一項技術(shù)命名為過程集成。根據(jù)這一技術(shù)，Alves研發(fā)了一項最有前途和工業(yè)化應(yīng)用的方法進而達到最小的氫消費的目標(biāo)，即氫箍縮方法。 作者提交了最小新鮮氫分配系統(tǒng)估算方法。該方法使用氫盈余的概念來標(biāo)識氫分布中的瓶頸系統(tǒng)和氫源和氫阱，類比換熱器網(wǎng)絡(luò)中的熱與冷流。氫系統(tǒng)的分析是在概念上與能源和水夾點方法很相似 [3，4] 從流量和純度的角度定義氫和水系統(tǒng)都是流體流動網(wǎng)絡(luò)。 氫箍縮方法可以合并氫供應(yīng)經(jīng)濟學(xué)、

7、 過程產(chǎn)量，及資本投資進而導(dǎo)致實際和經(jīng)濟上可行的解決方案，來滿足新的規(guī)范。 作為一個進一步的好處，最小化經(jīng)營成本還可降低二氧化碳排放量 (產(chǎn)氫過程將生成大量二氧化碳，10 kg CO2/kg H2 ) 許多文獻的代表例子如何應(yīng)用捏方法的概念可能導(dǎo)致重大的經(jīng)濟成就。煉油廠都在優(yōu)化成本更低的替代及重整氫分銷網(wǎng)絡(luò)。這個問題的復(fù)雜性為氫管理創(chuàng)造了一個系統(tǒng)的方法和工具。 Alves 表明，它始終是可能實現(xiàn)的目標(biāo)，但是這往往需要安裝一些新的壓縮機。 HallaleHallale and Liu開發(fā)了一種新方法可以解釋壓力約束和現(xiàn)有的壓縮機同時優(yōu)化分配產(chǎn)生氫氣。筆者表明，氫回收率的真正限制不單單由純度

8、和流量造成，而且還有現(xiàn)有壓縮機的瓶頸影響。 本文的目的是提出一個有效率的設(shè)計煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)，通過使用Alves開發(fā)的系統(tǒng)方法，同時考慮系統(tǒng)中的氫氣壓力[8]，而且建議檢查實際案例研究的局限性。 2。煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò) 一個或更多的進氫裝置形成分配系統(tǒng)，該系統(tǒng)向氫氣消耗過程供應(yīng)氫氣。從這些氫消耗過程出來的富氫剩余氣體或者返回到該分配系統(tǒng)或作為燃料燒掉。為了將這些廢棄的氫氣回收到該網(wǎng)絡(luò)，需要一系列回收壓縮機。然而，當(dāng)把從一個過程釋放出來的氫氣用于另一個過程時，通常壓力和純度會下降，因此，分配系統(tǒng)通常包括級聯(lián)從高純度到底純度氫氣的級聯(lián)。氫氣純化過程，如可以提高廢氣中氫氣純度的變壓吸附（PSA），通

9、常被加到氫氣分配系統(tǒng)中。 氫氣提弄方法需要收集各過程單元（氫阱和氫源）的氫平衡數(shù)據(jù)并生成復(fù)合曲線。 在氫氣分配網(wǎng)絡(luò)中，氫阱就是從網(wǎng)絡(luò)中得到氫氣的流股，而氫源就是為網(wǎng)絡(luò)提供氫氣的流股。通過仔細(xì)收集氫阱和氫源的數(shù)據(jù)可以找到網(wǎng)絡(luò)裝置中的操作性約束。選擇合適的氫阱和氫源需要認(rèn)真觀察網(wǎng)絡(luò)中的每一個裝置：耗氫過程、產(chǎn)氫過程以及純化單元。 主要的氫阱就是煉油廠中的耗氫過程，如加氫和加氫裂解。圖1展示了一個典型的氫氣消耗過程。關(guān)于該過程的更多信息將會在指定的文獻中予以說明。 有以下幾種可能的氫源。大多數(shù)候補氫來自于催化裝置。來自于耗氫過程的廢氣也是潛在的氫源，因為它們可被用于其他耗氫過程。Hallal

10、e and Liu 指出通過使用壓縮機和純化裝置更易找到氫源。 圖2顯示了一個一個典型耗氫過程的簡化圖。一種液態(tài)碳?xì)淞鞴膳c富氫氣體混合并進入反應(yīng)器。通過與進料反應(yīng)部分氫被消耗。從反應(yīng)器出來的流出物進入一個高壓閃蒸分離器。部分氣體通過高壓凈化裝置從該流程排出進而阻止循環(huán)過程中烴的積累。滯留的富氫氣體和新鮮的氫氣候補流股被重新送到反應(yīng)器中。在這個案例中，氫阱是進入反應(yīng)器的氣體，氫源是存在于分離器中的氣體。 Fig. 1. Schematic diagram of a typical consumer 氫阱與氫源的數(shù)據(jù)必須從候補氣體、高壓馳放氣和循環(huán)流股的相關(guān)數(shù)據(jù)中計算得到。這個

11、案例的相關(guān)信息匯總在表1中。從重整裝置出來的氫氣在這兒被認(rèn)為是公用設(shè)施（與水庫中的新鮮水相似）。 對于氫阱和氫源的總氣體物料平衡可以用二維結(jié)構(gòu)來表示，如圖3所示。氫復(fù)合曲線(純潔的側(cè)面)是以總氣體流率為橫軸，氫氣純度為橫軸。一條曲線代表氫來源而另一條曲線氫消耗。 分配系統(tǒng)可行性所需要的條件之一就是氫源的氣流量必須等于或超過氫阱的耗氫量。 氫供應(yīng)必須符合氫阱的氫純度約束。如果結(jié)余為負(fù)，將無法接收到它所需要的所有氫，或只接收到一些比要求純度低的氫氣。如果剩余在任何點上都是負(fù)，就生產(chǎn)氫氣的秋千單位(通常氫植物)必須提高到更多的純氫，其曲線的恢復(fù)情況還違反 這樣就需要引進一個新變量，即氫盈

12、余，描述不同純度的氫氣的可得性。氫盈余，正如Alves 所描述，可以從純度曲線計算得到。圖3b顯示相應(yīng)的氫剩余表。這張表類似于一個宏大的熱交換網(wǎng)絡(luò)組合曲線,它可以通過計算氫阱和氫源曲線之間的區(qū)域獲得。 通過公用事業(yè)的逐漸減少(從重整裝置出來的氫氣),可以找到一個夾點并且最終實現(xiàn)系統(tǒng)最少氫氣的目標(biāo)。值得注意的是從與新純度檔案相關(guān)的公用事業(yè)的減少中可獲得剩余圖，如圖3c所示。在這發(fā)生的純度稱為稱為“氫夾點”,是決定從氫源到氫阱氫氣回收率回收率多少的理論瓶頸。 雖然氫氣夾點法可以確定降低氫氣消費的網(wǎng)絡(luò)修改,但不能直接用于設(shè)計實際網(wǎng)絡(luò),因為氫氣夾點法規(guī)定把網(wǎng)絡(luò)作為一個整體,而不是各種工藝單元之間的

13、單個流動。 該方法得另一個限制是所有凈化單元的流量、進料成分和性能在分析開始之前就要知道,因為凈化器必須被視為過程設(shè)備并包含在復(fù)合曲線中。設(shè)計新的網(wǎng)絡(luò)需要更詳細(xì)的真正網(wǎng)絡(luò)模型及其組件。 3。氫供應(yīng)的理論方法。 這個案例的氫純度檔案和氫盈余表格分別都是圖3a(a)和(b)。在這個案例中氫盈余表格表明該系統(tǒng)沒有夾點，因此供應(yīng)給系統(tǒng)的氫流率必須減少。 公用設(shè)施(重整裝置U3300和U1300)所提供的總流量近似于41,425 Nm3 /小時，這顯示有大量過量的供應(yīng)天然氣，如圖3b。在嘗試減少溢出氣體過程中, 使用了Alves方法,該方法通過利用試驗和誤差的方法減少這些單元提供的流量,直到找到

14、夾點。 對于這個問題有許許多多的解決方案，因為有兩種公用事業(yè),它們可以被巧妙的處理并使其最小化,但并非所有的解決方案都是相關(guān)的。有一種方案可以提出比其方案更高的網(wǎng)絡(luò)流量。在實際案例中,公用事業(yè)代表的事煉油廠正常操作的副產(chǎn)品。因此,目的是為了檢查其是否失效開始嘗試消除某一公用事業(yè)。 自建議約束規(guī)劃以來，（據(jù)Alves 氫分配文獻記載，該限制是線性的），線性規(guī)劃(LP)可以用來解決氫分布設(shè)計問題。LP的使用要求適當(dāng)?shù)募s束公式和目標(biāo)函數(shù)以選擇許多可能性中最好的結(jié)果。為了解決線性規(guī)劃，本文采用單純形法。 4。氫分布系統(tǒng)的設(shè)計 該部分重點解決將氫源與氫阱匯進一個可行的分布系統(tǒng)。圖4以表格形式說明

15、了設(shè)計問題。氫源與氫阱表明由氫源到氫阱的流率。 該方法類似于綜合分析熱集成、質(zhì)量交換和水分布。這個網(wǎng)絡(luò)最初是為了設(shè)計最大效率。氫分布系統(tǒng)的設(shè)計是基于圖解法里面的相同過程約束;然而,還需要分開考慮每個氫源與氫阱,而不是整個系統(tǒng)。通過不同氫源與氫阱的選擇把這些約束合并到氫系統(tǒng)中。他們通過影響可行區(qū)域來影響設(shè)計問題，在可行區(qū)域可以找到解決方案。 41。氫阱約束 當(dāng)確立了氫源與氫阱的聯(lián)系,氫阱約束就不能違背，氫源必須為氫阱提供足夠的燃料氣體和氫純度。氫阱約束如下: 其中Fi,j 是從氫源到氫阱的氣體流率。設(shè)計方案中的平衡約束是假設(shè)每個氫源都不存在氣體供應(yīng)過?；驓怏w純度高于要求。 4.2。

16、氫源的約束 氫源所提供的氫氣可以被氫阱利用,送到燃?xì)庀到y(tǒng)或燃燒。氫阱不能接受比氫源可以提供氣體量更多的氣體。對于每個氫源來說以下約束都是有效的: 其中FF,i 是從氫源I到燃燒或燃料系統(tǒng)的氣體流量，假設(shè)所有變量有正值。 4.3。目標(biāo)函數(shù) 主要目的是通過重整裝置進入系統(tǒng)的氫氣最少,即降低氫氣消費。 4.4。其他限制, 執(zhí)行氫分配送系統(tǒng)可能會受到用戶所指定的其他約束條件。這些約束強加限制來自不同氫源和氫阱的流量，或限制合并點，在該點氫源可能因最終氫純度而受罰。值得注意的是,這種約束可能引起將要發(fā)生的氫效用處罰,而且在一些情況下,它會導(dǎo)致一個不可行解。 在下一部分，將會考慮系統(tǒng)

17、中壓力的影響；然而，為了滿足氫源與氫阱之間的壓力需要壓縮機，這可能導(dǎo)致更多的費用分析。 5?？紤]壓力的線性規(guī)劃設(shè)計方法 Hallale和Liu描繪了一種新方法-該方法能夠?qū)ΜF(xiàn)有氫系統(tǒng)和壓縮機的壓力約束做出解釋,同時優(yōu)化氫網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)煉油廠只在意低成本改裝,如改變氫分布(新建管道)時可以應(yīng)用這種方法。通常,預(yù)算是有限的,所以就沒有足夠的資本進行設(shè)備安裝,如新壓縮機和凈化單元。 通過這些作者提出的算法是基于優(yōu)化一個super-reduced結(jié)構(gòu)，把make-up和回收壓縮機作為氫源與氫阱。 該方法的應(yīng)用將會導(dǎo)致公用系統(tǒng)數(shù)量的不斷增加(如果考慮以前的方法),但是它也將保證其可

18、行性。如果不考慮壓力,將不能預(yù)測系統(tǒng)的可行性。作為前面提到的此類修改(增加不同的壓縮機氣流量)將導(dǎo)致更高的成本(操作、分布、新設(shè)備,如管道或壓縮機) 5.1。壓縮機限制 進入壓縮機的氣流量的必須等于離開壓縮機的氣流量,氣體純度也應(yīng)如此。 氣平衡： 氫氣平衡： 進入壓縮機的氣流量必須不大于它的最大壓縮能力： 6。調(diào)適法 　　調(diào)試法考慮每個約束,使系統(tǒng)可行和更加靈活的其他幾個方面添加到這些約束條件中。因此,耗氫過程的內(nèi)部工藝條件不變,鎖定循環(huán)壓縮機。離開一個循環(huán)壓縮機的總氣流將進入該壓縮機相連的單元，這樣循環(huán)壓縮機和反應(yīng)器可被視為一個整體。提出這個命題是為了，在一個單元必

19、須停機維護時,下一個單元會不依賴于前者。這樣,make-up壓縮機可同時被看作氫源與氫阱,向它們輸送要求壓力下的氫氣。這將會導(dǎo)致一個現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化。 值得注意的是,這個platformings有幾個壓縮機,這些壓縮機仍然作為氫阱和氫源在工作,因此可以修改現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò),提供更為優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)。 7。結(jié)果與討論 圖5顯示通過運用前面提到的不同方法所獲得的動力消耗(platformings所必需的氫)。在LP問題中插入更多限制時,系統(tǒng)將會變得更加復(fù)雜并且不靈活，這都要求提高基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。 7.1。圖形法 該方法基于Alves 研制的圖形分析,但沒有考慮壓力在實際網(wǎng)絡(luò)中的意義或?qū)嶋H氣

20、體分布。因為這僅僅基于單元流量和純度數(shù)據(jù)，只有定義從公用事業(yè)能夠收到的最小流量，這樣它仍然可以工作(59%),這是一個非常重要的信息。 由于存在兩套可被縮小的公用設(shè)施的兩種流率,就接受了無數(shù)經(jīng)驗性的最小解決方案,但只有其中的一個,與U1300的最小化有關(guān)，將是最徹底的一個方案,通過U1300是進料流率減少26%。 7.2。LP設(shè)計, 該方法是基于通過系統(tǒng)以線性規(guī)劃、劃分氫阱與氫源分布系統(tǒng)之間的不同氣流的氣體分布?；诖朔椒ǖ木W(wǎng)絡(luò)實施經(jīng)常是不可行的,因為它沒有考慮到系統(tǒng)中的不同壓力 (例如:一條從1000 kPa到2000kPa之間的流股)。對于創(chuàng)造一個從零開始網(wǎng)絡(luò)之后加如壓縮機的網(wǎng)絡(luò)，它

21、成為更合適的方法。 壓縮機值得注意的是,在這種情況下，獲得的最小值(66%)比在圖法獲得的最小值(59%)高,主要因為這種情形受限于實際情況約束。這種情況下,進入燃料系統(tǒng)的氣體只有總氣體的34%。 7.3。LP設(shè)計(考慮壓力) 　 Hallale和Liu法允許在研究分布系統(tǒng)時考慮不同氫阱與氫源之間現(xiàn)有的壓力限制,但是引起現(xiàn)有問題中自由度的減少。用這種方法,它有可能在氣體純度和氣體壓力要求下獲得一個可行的解決方案氣。然而,由于大規(guī)模以減少公用設(shè)施流量為目標(biāo)的的優(yōu)化系統(tǒng),它起會導(dǎo)致一連串不同單元內(nèi)部循環(huán)互連，在這種情形下關(guān)閉一個單元的單位或一個微小的流量變化都將意味著下游關(guān)閉。 因此,由于

22、缺乏網(wǎng)絡(luò)彈性和其他存在于該方法中的問題,該方法并不特別被推薦用于工業(yè)中。 7.4。對真實案例采用方法論和敏感性分析相結(jié)合的LP法(改編方法)。 　　根據(jù)先前的方法和暴露的局限性如維護內(nèi)部循環(huán)的單元,一個新的調(diào)試,在Hallale and Liu 法基礎(chǔ)上，進行了嘗試。因此,通過把make-up壓縮機作為氫阱與氫源源加到Alves 傳統(tǒng)方法中,但是考慮到壓力互連,提出了一種新的線性規(guī)劃方法,用這種方法得到了一個可行的分布網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)設(shè)施提供了一種新的最小值即69% (以前燃料系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為31%)。 因為這個方法被用于越來越復(fù)雜和限制性的情況下,可以注意到公用設(shè)施向系統(tǒng)提供的最低流量在

23、不斷增長。雖然這個不復(fù)雜的方法可以減少更多的公用設(shè)施費用,他們大多是開發(fā)從零開始的網(wǎng)絡(luò)的工具。更復(fù)雜的方法特別適合優(yōu)化現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，因為由于購買一臺壓縮機一般涉及大量資本投資，所以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源可以被集成。 8。案例研究的結(jié)論 目前的研究使我們得出這樣的結(jié)論；從理論的角度消除U1600單元進料是可能的,因為該單元對于胺處理是至關(guān)重要的,必須必須有一股進料, 在不久的將來該單元的流量可能需要修改。 我們必須考慮到,LP方法,認(rèn)為壓力交互在減少公用設(shè)施方面是十分令人滿意的,但是由于導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)缺乏彈性，它已經(jīng)被廢棄。 基于LP法的新網(wǎng)絡(luò)允許通過make-up壓縮機的流量可以減少15%左右,這樣可以減少20000 V /年的電力成本。提高j進料口氫氣流純度是可能的,而且這也意味著有機會減少燃料的含硫量，從50 ppm to 10 ppm。