一种氢气资源的优化方法及优化系统技术方案

本发明专利技术公开了一种氢气资源的优化方法及优化系统。该方法包括以下步骤：划分氢气系统的各单元；建立各单元模型，再建立整个氢系统的非线性的数学模拟模型；对非线性的数学模拟模型进行模拟求解；确定整个氢系统的目标函数；建立用氢单元数学规划模型；判断氢回收单元各流股是否有作为用氢单元的供氢；建立氢回收单元数学规划模型；确定供氢单元的氢气公用工程量；判断整个氢系统的目标函数是否达到计算条件。本发明专利技术方法能够避免复杂系统优化求解常遇到的难收敛、局部最优等问题，可在复杂氢气系统下有效提高氢气系统优化求解的计算效率，获得氢气系统最优解，得到最佳匹配方案，降低炼厂氢耗、提高氢气回收效率、减少氢公用工程量。

An Optimal Method and System for Hydrogen Resources

The invention discloses an optimization method and an optimization system for hydrogen resources. The method includes the following steps: dividing each unit of hydrogen system; establishing each unit model, then establishing the non-linear mathematical simulation model of the whole hydrogen system; solving the non-linear mathematical simulation model; determining the objective function of the whole hydrogen system; establishing the mathematical programming model of the hydrogen unit; judging whether each stream of the hydrogen recovery unit is used as the hydrogen supply unit; The mathematical programming model of hydrogen recovery unit is established, the hydrogen utility quantity of hydrogen supply unit is determined, and the objective function of the whole hydrogen system is judged whether the calculation conditions are met. The method of the invention can avoid the problems of difficult convergence and local optimization often encountered in the optimization solution of complex system, effectively improve the calculation efficiency of the optimization solution of hydrogen system under complex hydrogen system, obtain the optimal solution of hydrogen system, obtain the optimal matching scheme, reduce the hydrogen consumption of refineries, improve the efficiency of hydrogen recovery, and reduce the amount of hydrogen public works.

【技术实现步骤摘要】
一种氢气资源的优化方法及优化系统
本专利技术涉及氢气资源优化领域，具体涉及一种炼厂氢气资源的优化方法及优化系统。
技术介绍
随着加工原油的重质化、劣质化趋势加剧及产品质量升级要求加强，炼厂对氢气的需求量越来越大，氢气已成为炼油厂原料成本中仅次于原油成本的第二大成本要素。氢气资源优化利用技术是企业实现降本增效的重要手段，已受到企业愈来愈多的重视。目前，氢气资源优化研究主要有夹点分析法及数学规划法，其特点如下：（1）夹点分析法。开展氢气网络夹点分析，首先需得到“氢气体积分数-流股流量”关系的氢源复合曲线及氢阱复合曲线，通过比较氢源复合曲线及氢阱复合曲线在同一氢气纯度下的面积得到氢气剩余曲线图，即为氢气网络的夹点图。氢夹点分析技术优点是简单直观，可以在氢网络设计前得到氢气公用工程量最小需求目标。缺点是夹点分析法仅考虑流股的流量、氢纯度，未考虑压力影响，造成结果是优化的结果可能存在过度优化而无法在实际生产中实施，另一缺点是夹点分析法对于大规模实际问题使用起来比较困难、繁琐；（2）数学规划法。基本原理是将氢气系统优化过程转化成数学建模方程的求解过程，优化目的即为目标函数，根据炼厂实际情况设置约束条件，最后利用易于收敛的求算方法获取目标函数的最优解。优点是处理复杂氢网络优化问题能省却图解法夹点分析的繁琐计算过程。缺点：一是由于氢气系统涉及面广，联立求解方程组较多，因而优化求解的难度较大，此外，诸多设备模型存在非凸非连续的特征，且包含很强的约束条件，造成了优化求解的难度，不容易得到最优解或陷入局域最优解；二是复杂系统下的约束条件不易设定，约束条件增多，计算量增大，优化求解困难，有时难以获得最优解，反之，约束条件减少，优化求解结果的可实施性降低。例如，CN106485341A涉及一种炼油厂氢气系统优化方法。该方法将炼油厂氢气系统收益最大作为目标，对约束条件进行优选，形成了包括轻烃资源优化在内的新的数学规划算法；与现有氢气系统的数学规划算法相比，更切合实际，可获得更大收益以满足炼油厂节氢、增效的需求。缺点：一将整个氢气系统作为优化研究对象，涉及面广，约束限制多，造成优化求解的计算量偏大，有时不易获得系统最优解；二是在优化求解过程中，需要反复调整待优化参数以确保最大收益函数的解趋于最大值，这种在复杂氢气系统中反复试差调整待优化参数的做法必定会降低优化求解的计算效率。因此，如何将现有技术问题加以解决，提供一种新的高效准确的氢气资源优化研究方法，即为本领域技术人员的研究方向所在。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供了一种氢气资源的优化方法及优化系统。本专利技术方法能够避免复杂系统优化求解常遇到的难收敛、局部最优等问题，可在复杂氢气系统下有效提高氢气系统优化求解的计算效率，获得氢气系统最优解，得到最佳匹配方案，降低炼厂氢耗、提高氢气回收效率、减少氢公用工程量。本专利技术提供了一种氢气资源的优化方法，包括以下步骤：步骤S1：将氢气系统划分为供氢单元、用氢单元、氢回收单元，确定各单元的设计参数及操作参数；步骤S2：分别建立供氢单元模型、用氢单元模型、氢回收单元模型、瓦斯系统模型，各模型间按实际物料关系建立连接，进而建立整个氢系统的非线性的数学模拟模型；步骤S3：对非线性的数学模拟模型进行模拟求解，得到模拟运算结果；步骤S4：确定整个氢系统的目标函数；步骤S5：建立用氢单元数学规划模型，然后优化求解；其中，所述用氢单元数学规划模型的优化求解可将步骤S3模拟计算结果作为优化运算的初始可行解，在优化变量的取值范围内，采用优化算法进行求解，得到求解优化结果；步骤S6：判断氢回收单元各流股是否有作为用氢单元的供氢，如有作为用氢单元的供氢，则返回步骤S5；未有作为用氢单元的供氢，则执行步骤S7；步骤S7：建立氢回收单元数学规划模型，优化求解；所述氢回收单元优化求解是将步骤S3模拟结果为优化运算初始可行解，步骤S5用氢单元优化结果为进料条件，在优化变量取值范围内，采用优化算法进行求解，得到求解优化结果；步骤S8：确定供氢单元的氢气公用工程量；步骤S9：判断整个氢系统的目标函数是否达到计算条件；达到计算条件，则将优化求解结果作为氢气系统模型的运行参数，未达到计算条件，则返回步骤S5。在所述步骤S1中，所述供氢单元包括水蒸汽裂解制氢、煤制氢、重整副产氢、乙烯装置副产氢、离子膜电解水副产氢、焦化装置、催化裂化装置中的一种或几种装置，所述用氢单元包括加氢精制装置、加氢裂化装置中的一种或几种装置；所述氢回收单元包括变压吸附装置、膜分离装置中的一种或几种装置；所述设计参数包括装置的设计数据、催化剂及吸附剂的物化性质；所述操作参数包括装置的操作条件，物料平衡，以及流股的流量、压力、组成。在所述步骤S2中，所述供氢单元模型包括简易供氢模型或详细供氢模型；其中，详细供氢模型包括水蒸汽裂解制氢模型、煤制氢模型，所述详细供氢模型为考虑氢气生产过程中存在的各个反应器的生产工艺过程模型，用于模拟动力学、热效应及催化剂活性，基于变化的进料组成、流量预测产物收率、组成；所述简易供氢模型包括重整副产氢模型及其他供氢装置模型，所述简易供氢模型为仅考虑装置的供氢流量、组成的模型；所述用氢单元模型包括加氢精制处理模型和加氢裂化模型；所述氢回收单元模型包括变压吸附装置模型、膜分离装置模型、轻烃回收装置、脱硫装置简易模型；所述瓦斯系统模型采用均相管网模型，用于描述氢气系统中部分含氢流股排放至瓦斯管线或直送至燃烧炉的状况。在所述步骤S4中，氢气系统目标目标函数为年总成本最小、总操作成本最少或氢气公用工程量最小，优选为氢气公用工程量最小。在所述步骤S5中，在用氢单元数学规划模型进行优化求解时，以新氢流量、循环氢流量为优化变量，以最小化总用氢量为目标函数值，以满足装置最小用氢需求、设备运行的要求为约束条件；所述用氢单元的优化求解采用优化算法进行求解，得到求解优化结果，所述优化算法优选为序列二次规划算法或序贯线性规划算法；所述用氢单元优化求解结果通过物料连接关系传递给下游装置模型。在所述步骤S6中，含氢流股是否可作为用氢单元新氢的标准为：含氢流股氢纯度大于用氢装置反应器入口氢纯度，CH4体积分数小于CH4设定值，气体杂质含量小于气体杂质设定值，CH4设定值和气体杂质设定值需根据装置工艺要求进行设定。在所述步骤S7中，氢回收单元采用基于协同优化理论的建模方法，将整个氢回收系统作为系统级优化研究对象，从而建立整体系统优化模型；将变压吸附装置、膜分离装置作为氢回收系统下的各子系统优化研究对象，从而建立子系统优化模型；所述系统级优化对象与各子系统通过欲回收的含氢流股相耦合。（a）整体系统优化模型如下：整体系统优化模型的目标函数：式中，F表示氢气回收系统的总回收效益；Fi(Xi)表示各氢回收装置的回收效益；Xi表示模型决策变量；整体系统优化模型的约束条件：氢气回收系统与子系统i等式一致性约束为：…………其中，表示子系统i实际回收处理含氢流股rj的流量，是子系统i传递给系统级的一个常量；表示氢气回收系统中预定的子系统i回收处理含氢流股rj中的流量，是系统级变量，ε表示预设松弛因子，N表示变压吸附单元或膜分离单元中包含的变压吸附装置或膜分离装置的数量；（b）子系统优化模型如下：子系统优化模型的目标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢气资源的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将氢气系统划分为供氢单元、用氢单元、氢回收单元，确定各单元的设计参数及操作参数；步骤S2：分别建立供氢单元模型、用氢单元模型、氢回收单元模型、瓦斯系统模型，各模型间按实际物料关系建立连接，进而建立整个氢系统的非线性的数学模拟模型；步骤S3：对非线性的数学模拟模型进行模拟求解，得到模拟运算结果；步骤S4：确定整个氢系统的目标函数；步骤S5：建立用氢单元数学规划模型，然后优化求解；其中，所述用氢单元数学规划模型的优化求解可将步骤S3模拟计算结果作为优化运算的初始可行解，在优化变量的取值范围内，采用优化算法进行求解，得到求解优化结果；步骤S6：判断氢回收单元各流股是否有作为用氢单元的供氢，如有作为用氢单元的供氢，则返回步骤S5；未有作为用氢单元的供氢，则执行步骤S7；步骤S7：建立氢回收单元数学规划模型，优化求解；所述氢回收单元优化求解是将步骤S3模拟结果为优化运算初始可行解，步骤S5用氢单元优化结果为进料条件，在优化变量取值范围内，采用优化算法进行求解，得到求解优化结果；步骤S8：确定供氢单元的氢气公用工程量；步骤S9：判断整个氢系统的目标函数是否达到计算条件；达到计算条件，则将优化求解结果作为氢气系统模型的运行参数，未达到计算条件，则返回步骤S5。...

【技术特征摘要】
1.一种氢气资源的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将氢气系统划分为供氢单元、用氢单元、氢回收单元，确定各单元的设计参数及操作参数；步骤S2：分别建立供氢单元模型、用氢单元模型、氢回收单元模型、瓦斯系统模型，各模型间按实际物料关系建立连接，进而建立整个氢系统的非线性的数学模拟模型；步骤S3：对非线性的数学模拟模型进行模拟求解，得到模拟运算结果；步骤S4：确定整个氢系统的目标函数；步骤S5：建立用氢单元数学规划模型，然后优化求解；其中，所述用氢单元数学规划模型的优化求解可将步骤S3模拟计算结果作为优化运算的初始可行解，在优化变量的取值范围内，采用优化算法进行求解，得到求解优化结果；步骤S6：判断氢回收单元各流股是否有作为用氢单元的供氢，如有作为用氢单元的供氢，则返回步骤S5；未有作为用氢单元的供氢，则执行步骤S7；步骤S7：建立氢回收单元数学规划模型，优化求解；所述氢回收单元优化求解是将步骤S3模拟结果为优化运算初始可行解，步骤S5用氢单元优化结果为进料条件，在优化变量取值范围内，采用优化算法进行求解，得到求解优化结果；步骤S8：确定供氢单元的氢气公用工程量；步骤S9：判断整个氢系统的目标函数是否达到计算条件；达到计算条件，则将优化求解结果作为氢气系统模型的运行参数，未达到计算条件，则返回步骤S5。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述供氢单元包括水蒸汽裂解制氢、煤制氢、重整副产氢、乙烯装置副产氢、离子膜电解水副产氢、焦化装置、催化裂化装置中的一种或几种装置，所述用氢单元包括加氢精制装置、加氢裂化装置中的一种或几种装置；所述氢回收单元包括变压吸附装置、膜分离装置中的一种或几种装置；所述设计参数包括装置的设计数据、催化剂及吸附剂的物化性质；所述操作参数包括装置的操作条件，物料平衡，以及流股的流量、压力、组成。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述供氢单元模型包括简易供氢模型或详细供氢模型；其中，详细供氢模型包括水蒸汽裂解制氢模型、煤制氢模型，所述详细供氢模型为考虑氢气生产过程中存在的各个反应器的生产工艺过程模型，用于模拟动力学、热效应及催化剂活性，基于变化的进料组成、流量预测产物收率、组成；所述简易供氢模型包括重整副产氢模型及其他供氢装置模型，所述简易供氢模型为仅考虑装置的供氢流量、组成的模型；所述用氢单元模型包括加氢精制处理模型和加氢裂化模型；所述氢回收单元模型包括变压吸附装置模型、膜分离装置模型、轻烃回收装置、脱硫装置简易模型；所述瓦斯系统模型采用均相管网模型，用于描述氢气系统中部分含氢流股排放至瓦斯管线或直送至燃烧炉的状况。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤S4中，氢气系统目标目标函数为年总成本最小、总操作成本最少或氢气公用工程量最小，优选为氢气公用工程量最小。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤S5中，在用氢单元数学规划模型进行优化求解时，以新氢流量、循环氢流量为优化变量，以最小化总用氢量为目标函数值，以满足装置最小用氢需求、设备运行的要求为约束条件；所述用氢单元的优化求解采用优化算法进行求解，得到求解优化结果，所述优化算法优选为序列二次规划算法或序贯线性规划算法；所述用氢单元优化求解结果通过物料连接关系传递给下游装置模型。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤S6中，含氢流股是否可作为用氢单元新氢的标准为：含氢流股氢纯度大于用氢装置反应器入口氢纯度，CH4体积分数小于CH4设定值，气体杂质含量小于气体杂质设定值，CH4设定值和气体杂质设定值需根据装置工艺要求进行设定。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤S7中，氢回收单元采用基于协同优化理论的建模方法，将整个氢回收系统作为系统级优化研究对象，从而建立整体系统优化模型；将变压吸附装置、膜分离装置作为氢回收系统下的各子系统优化研究对象，从而建立子系统优化模型；所述系统级优化对象与各子系统通过欲回收的含氢流股相耦合。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：（a）整体系统优化模型如下：整体系统优化模型的目标函数：式中，F表示氢气回收系统的总回收效益；Fi(Xi)表示各氢回收装置的回收效益；Xi表示模型决策变量；整体系统优化模型的约束条件：氢气回收系统与子系统i等式一致性约束为：…………其中，表示子系统i实际回收处理含氢流股rj的流量，是子系统i传递给系统级的一个常量；表示氢气回收系统中预定的子系统i回收处理含氢流股rj中的流量，是系统级变量，ε表示预设松弛因子，N表示变压吸附单元或膜分离单元中包含的变压吸附装置或膜分离装置的数量；（b）子系统优化模型如下：子系统优化模型的目标函数：其中，表示子系统i实际回收处理含氢流股rj的流量，是子系统i传递给系统级的一个常量；表示氢气回收系统中预定的子系统i回收处理含氢流股rj中的流量，是系统级变量；子系统优化模型的约束条件：式中：、——子系统i的等式不等式约束。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤S8中，由用氢单元、氢回收单元优化结果经物料衡算确定氢气公用工程量。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤S9中，所述达到计算条件：若两次目标函数计算相差满足收敛要求，则结束系统计算；若两次目标函数计算相差未达到收敛要求，且迭代次数仍未达到设计上限，则返回步骤S5再进行优化计算；若两次目标函数计算相差未满足收敛要求，但迭代次数达到上限，则停止计算。11.一种氢气资源的优化系统，其特征在于，包括以下模块：划分模块、数学模拟模型模块、模拟求解模块、第一确定模块、用氢单元数学规划模型模块、第一判断模块、氢回收单元数学规划模型模...

【专利技术属性】
技术研发人员：王阳峰，薄德臣，张英，孟凡忠，张胜中，高明，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11