炼厂案例研究：氢气分布网络优化 中英文翻译

氢分布网络优化： 一个炼厂案例研究摘要生产低硫燃料中最关键的问题之一是管理在炼油厂氢平衡过程中新的环境要求的影响。将低硫燃料规范和减少催化反应器中氢气生产组合使氢管理成为一个重要的问题。因此更有效地使用氢成为不可避免的。本文解决了GALP 电力公司波尔图炼油厂的实际氢分布问题，并使用基于氢盈余概念的新工具。通过不同方法和诉诸线性规划问题，一种高效的网络设计已取得成功，该设计减少了30%的氢公用设施使用（实现使30%的气体作为燃料系统)，同时还解决了炼油厂复杂性和灵活性的需要，并减少了与气动系统相关的操作费用。在构建平台氢气制造成本减少方面，很可能减少6%。1。介绍在生产低硫燃料方面最关键的问题之一是管理炼油厂氢气平衡新规定的影响。综合低硫燃料规格，市场向轻燃料转变，处理过程更精细以及粗制原油等方面，使氢管理成为一个关键问题。在炼油厂，氢需求在不断增加，为了提供额外的氢生产能力从重质原油中生产含硫量较低的产品，并且经处理从裂化过程中获取轻燃料。这方面的一个后果是减少供应氢的生成。在过去几年，氢供求发生了重大变化。重质原油为石油经济的发展提供了一个有趣的情形。一方面，由于炼油成本增加和高含硫量，相较于轻质原油，重质原油的价格通常有折扣。增加的粘度和密度也使生产更加困难。另一方面，可获得大量的重质原油，并且重油深度较浅的领域可使钻井成本较低。作为一项规定，重质原油比轻油有更严重的环境影响，含有更多与氢有关的碳，致使在许多可用能源燃烧时释放更多的二氧化碳。越来越难以在生产中采用提高原油回收率的技术并因此增加了氢作为公用工程的需求。先进的技术是通过水平井减轻环境影响，并提高能源效率，但一桶积一桶，重质原油将可能永远比轻质油更破坏环境。炼油厂也面临着越来越多要求减少排放的立法，尤其是气体排放，如CO2,SOx,NOx和颗粒物。硫氧化物是酸性气体，它是在含硫化合物燃料的燃烧过程中产生的。大部分的硫排放来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导致了酸雨的形成。氮氧化物的排放几乎全部来自于锅炉、 加热器、 引擎，和发电机化石燃料燃烧。在存在挥发性有机化合物和阳光的情况下，氮氧化物可以发挥主导作用，进而形成烟雾。%(v/v) 气体体积百分比F 气流量 (kmol/s)FSK 送入接收器单元的气体体积（Nm3/h）FSK，j 接收单元j的气体体积(Nm3/h)FF 输送到燃料的总气体流量(Nm3/h)FF，i 发送到燃料源i气流量（Nm3/h）FH2 由platformings 产生的氢流量(Nm3 /) hFi，j 由气源i到气阱j 的气流量(Nm3/h)FSR 可用于所有气源的总气体流量(Nm3 /h）FSR，i 气源i需要的气流量(Nm3/h)LP 线性编程O 目标函数y 混合气中的氢纯度%(v/v) ySK 气源的纯度%(v/v)ySK，i 气源i气流量纯度的%(v/v)ySR 气阱所需的纯度%(v/v)ySR，j 气阱j 气流量的纯度%(v/v)此外，还有京都议定书，尽管该协议还待某些国家（澳大利亚和美国）批准，将可能继续推进。 全球变暖的主题在世界领导人、企业代表和环境保护者之间引发了争论。 虽然在科学界有一个强烈的共识即温室效应是真正的现象，和人类正在增加温室气体的浓度，还有很多关于人为活动的长期后果未知。 因此，要生产更好和更清洁的燃料已成为大多数石油化工企业关注的问题之一。1.1。能源优化机会用于识别能源技术优化的一个最重要技术，是集成工艺，这是出现在20世纪80年代化学工程领域的一项技术命名为过程集成。根据这一技术，Alves研发了一项最有前途和工业化应用的方法进而达到最小的氢消费的目标，即氢箍缩方法。 作者提交了最小新鲜氢分配系统估算方法。该方法使用氢盈余的概念来标识氢分布中的瓶颈系统和氢源和氢阱，类比换热器网络中的热与冷流。氢系统的分析是在概念上与能源和水夹点方法很相似 3，4 从流量和纯度的角度定义氢和水系统都是流体流动网络。氢箍缩方法可以合并氢供应经济学、 过程产量，及资本投资进而导致实际和经济上可行的解决方案，来满足新的规范。 作为一个进一步的好处，最小化经营成本还可降低二氧化碳排放量 (产氢过程将生成大量二氧化碳，10 kg CO2/kg H2 )许多文献的代表例子如何应用捏方法的概念可能导致重大的经济成就。炼油厂都在优化成本更低的替代及重整氢分销网络。这个问题的复杂性为氢管理创造了一个系统的方法和工具。Alves 表明，它始终是可能实现的目标，但是这往往需要安装一些新的压缩机。 HallaleHallale and Liu开发了一种新方法可以解释压力约束和现有的压缩机同时优化分配产生氢气。笔者表明，氢回收率的真正限制不单单由纯度和流量造成，而且还有现有压缩机的瓶颈影响。本文的目的是提出一个有效率的设计炼油厂氢气网络，通过使用Alves开发的系统方法，同时考虑系统中的氢气压力8，而且建议检查实际案例研究的局限性。2。炼油厂氢气网络一个或更多的进氢装置形成分配系统，该系统向氢气消耗过程供应氢气。从这些氢消耗过程出来的富氢剩余气体或者返回到该分配系统或作为燃料烧掉。为了将这些废弃的氢气回收到该网络，需要一系列回收压缩机。然而，当把从一个过程释放出来的氢气用于另一个过程时，通常压力和纯度会下降，因此，分配系统通常包括级联从高纯度到底纯度氢气的级联。氢气纯化过程，如可以提高废气中氢气纯度的变压吸附（PSA），通常被加到氢气分配系统中。氢气提弄方法需要收集各过程单元（氢阱和氢源）的氢平衡数据并生成复合曲线。在氢气分配网络中，氢阱就是从网络中得到氢气的流股，而氢源就是为网络提供氢气的流股。通过仔细收集氢阱和氢源的数据可以找到网络装置中的操作性约束。选择合适的氢阱和氢源需要认真观察网络中的每一个装置：耗氢过程、产氢过程以及纯化单元。主要的氢阱就是炼油厂中的耗氢过程，如加氢和加氢裂解。图1展示了一个典型的氢气消耗过程。关于该过程的更多信息将会在指定的文献中予以说明。有以下几种可能的氢源。大多数候补氢来自于催化装置。来自于耗氢过程的废气也是潜在的氢源，因为它们可被用于其他耗氢过程。Hallale and Liu 指出通过使用压缩机和纯化装置更易找到氢源。图2显示了一个一个典型耗氢过程的简化图。一种液态碳氢流股与富氢气体混合并进入反应器。通过与进料反应部分氢被消耗。从反应器出来的流出物进入一个高压闪蒸分离器。部分气体通过高压净化装置从该流程排出进而阻止循环过程中烃的积累。滞留的富氢气体和新鲜的氢气候补流股被重新送到反应器中。在这个案例中，氢阱是进入反应器的气体，氢源是存在于分离器中的气体。Fig. 1. Schematic diagram of a typical consumer 氢阱与氢源的数据必须从候补气体、高压驰放气和循环流股的相关数据中计算得到。这个案例的相关信息汇总在表1中。从重整装置出来的氢气在这儿被认为是公用设施（与水库中的新鲜水相似）。对于氢阱和氢源的总气体物料平衡可以用二维结构来表示，如图3所示。氢复合曲线(纯洁的侧面)是以总气体流率为横轴，氢气纯度为横轴。一条曲线代表氢来源而另一条曲线氢消耗。分配系统可行性所需要的条件之一就是氢源的气流量必须等于或超过氢阱的耗氢量。氢供应必须符合氢阱的氢纯度约束。如果结余为负，将无法接收到它所需要的所有氢，或只接收到一些比要求纯度低的氢气。如果剩余在任何点上都是负，就生产氢气的秋千单位(通常氢植物)必须提高到更多的纯氢，其曲线的恢复情况还违反这样就需要引进一个新变量，即氢盈余，描述不同纯度的氢气的可得性。氢盈余，正如Alves 所描述，可以从纯度曲线计算得到。图3b显示相应的氢剩余表。这张表类似于一个宏大的热交换网络组合曲线,它可以通过计算氢阱和氢源曲线之间的区域获得。通过公用事业的逐渐减少(从重整装置出来的氢气),可以找到一个夹点并且最终实现系统最少氢气的目标。值得注意的是从与新纯度档案相关的公用事业的减少中可获得剩余图，如图3c所示。在这发生的纯度称为称为“氢夹点”,是决定从氢源到氢阱氢气回收率回收率多少的理论瓶颈。虽然氢气夹点法可以确定降低氢气消费的网络修改,但不能直接用于设计实际网络,因为氢气夹点法规定把网络作为一个整体,而不是各种工艺单元之间的单个流动。该方法得另一个限制是所有净化单元的流量、进料成分和性能在分析开始之前就要知道,因为净化器必须被视为过程设备并包含在复合曲线中。设计新的网络需要更详细的真正网络模型及其组件。3。氢供应的理论方法。这个案例的氢纯度档案和氢盈余表格分别都是图3a(a)和(b)。在这个案例中氢盈余表格表明该系统没有夹点，因此供应给系统的氢流率必须减少。公用设施(重整装置U3300和U1300)所提供的总流量近似于41,425 Nm3 /小时，这显示有大量过量的供应天然气，如图3b。在尝试减少溢出气体过程中, 使用了Alves方法,该方法通过利用试验和误差的方法减少这些单元提供的流量,直到找到夹点。对于这个问题有许许多多的解决方案，因为有两种公用事业,它们可以被巧妙的处理并使其最小化,但并非所有的解决方案都是相关的。有一种方案可以提出比其方案更高的网络流量。在实际案例中,公用事业代表的事炼油厂正常操作的副产品。因此,目的是为了检查其是否失效开始尝试消除某一公用事业。自建议约束规划以来，（据Alves 氢分配文献记载，该限制是线性的），线性规划(LP)可以用来解决氢分布设计问题。LP的使用要求适当的约束公式和目标函数以选择许多可能性中最好的结果。为了解决线性规划，本文采用单纯形法。4。氢分布系统的设计该部分重点解决将氢源与氢阱汇进一个可行的分布系统。图4以表格形式说明了设计问题。氢源与氢阱表明由氢源到氢阱的流率。该方法类似于综合分析热集成、质量交换和水分布。这个网络最初是为了设计最大效率。氢分布系统的设计是基于图解法里面的相同过程约束;然而,还需要分开考虑每个氢源与氢阱,而不是整个系统。通过不同氢源与氢阱的选择把这些约束合并到氢系统中。他们通过影响可行区域来影响设计问题，在可行区域可以找到解决方案。41。氢阱约束当确立了氢源与氢阱的联系,氢阱约束就不能违背，氢源必须为氢阱提供足够的燃料气体和氢纯度。氢阱约束如下:其中Fi,j 是从氢源到氢阱的气体流率。设计方案中的平衡约束是假设每个氢源都不存在气体供应过剩或气体纯度高于要求。4.2。氢源的约束氢源所提供的氢气可以被氢阱利用,送到燃气系统或燃烧。氢阱不能接受比氢源可以提供气体量更多的气体。对于每个氢源来说以下约束都是有效的:其中FF,i 是从氢源I到燃烧或燃料系统的气体流量，假设所有变量有正值。4.3。目标函数主要目的是通过重整装置进入系统的氢气最少,即降低氢气消费。4.4。其他限制,执行氢分配送系统可能会受到用户所指定的其他约束条件。这些约束强加限制来自不同氢源和氢阱的流量，或限制合并点，在该点氢源可能因最终氢纯度而受罚。值得注意的是,这种约束可能引起将要发生的氢效用处罚,而且在一些情况下,它会导致一个不可行解。在下一部分，将会考虑系统中压力的影响；然而，为了满足氢源与氢阱之间的压力需要压缩机，这可能导致更多的费用分析。5。考虑压力的线性规划设计方法Hallale和Liu描绘了一种新方法-该方法能够对现有氢系统和压缩机的压力约束做出解释,同时优化氢网络。当炼油厂只在意低成本改装,如改变氢分布(新建管道)时可以应用这种方法。通常,预算是有限的,所以就没有足够的资本进行设备安装,如新压缩机和净化单元。通过这些作者提出的算法是基于优化一个super-reduced结构，把make-up和回收压缩机作为氢源与氢阱。该方法的应用将会导致公用系统数量的不断增加(如果考虑以前的方法),但是它也将保证其可行性。如果不考虑压力,将不能预测系统的可行性。作为前面提到的此类修改(增加不同的压缩机气流量)将导致更高的成本(操作、分布、新设备,如管道或压缩机)5.1。压缩机限制进入压缩机的气流量的必须等于离开压缩机的气流量,气体纯度也应如此。气平衡：氢气平衡：进入压缩机的气流量必须不大于它的最大压缩能力：6。调适法调试法考虑每个约束,使系统可行和更加灵活的其他几个方面添加到这些约束条件中。因此,耗氢过程的内部工艺条件不变,锁定循环压缩机。离开一个循环压缩机的总气流将进入该压缩机相连的单元，这样循环压缩机和反应器可被视为一个整体。提出这个命题是为了，在一个单元必须停机维护时,下一个单元会不依赖于前者。这样,make-up压缩机可同时被看作氢源与氢阱,向它们输送要求压力下的氢气。这将会导致一个现有网络系统的优化。值得注意的是,这个platformings有几个压缩机,这些压缩机仍然作为氢阱和氢源在工作,因此可以修改现有的网络,提供更为优化的网络。 7。结果与讨论图5显示通过运用前面提到的不同方法所获得的动力消耗(platformings所必需的氢)。在LP问题中插入更多限制时,系统将会变得更加复杂并且不灵活，这都要求提高基础设施建设。7.1。图形法该方法基于Alves 研制的图形分析,但没有考虑压力在实际网络中的意义或实际气体分布。因为这仅仅基于单元流量和纯度数据，只有定义从公用事业能够收到的最小流量，这样它仍然可以工作(59%),这是一个非常重要的信息。由于存在两套可被缩小的公用设施的两种流率,就接受了无数经验性的最小解决方案,但只有其中的一个,与U1300的最小化有关，将是最彻底的一个方案,通过U1300是进料流率减少26%。7.2。LP设计,该方法是基于通过系统以线性规划、划分氢阱与氢源分布系统之间的不同气流的气体分布。基于此方法的网络实施经常是不可行的,因为它没有考虑到系统中的不同压力 (例如:一条从1000 kPa到2000kPa之间的流股)。对于创造一个从零开始网络之后加如压缩机的网络，它成为更合适的方法。压缩机值得注意的是,在这种情况下，获得的最小值(66%)比在图法获得的最小值(59%)高,主要因为这种情形受限于实际情况约束。这种情况下,进入燃料系统的气体只有总气体的34%。7.3。LP设计(考虑压力) Hallale和Liu法允许在研究分布系统时考虑不同氢阱与氢源之间现有的压力限制,但是引起现有问题中自由度的减少。用这种方法,它有可能在气体纯度和气体压力要求下获得一个可行的解决方案气。然而,由于大规模以减少公用设施流量为目标的的优化系统,它起会导致一连串不同单元内部循环互连，在这种情形下关闭一个单元的单位或一个微小的流量变化都将意味着下游关闭。因此,由于缺乏网络弹性和其他存在于该方法中的问题,该方法并不特别被推荐用于工业中。7.4。对真实案例采用方法论和敏感性分析相结合的LP法(改编方法)。根据先前的方法和暴露的局限性如维护内部循环的单元,一个新的调试,在Hallale and Liu法基础上，进行了尝试。因此,通过把make-up压缩机作为氢阱与氢源源加到Alves 传统方法中,但是考虑到压力互连,提出了一种新的线性规划方法,用这种方法得到了一个可行的分布网络，该网络为基础设施提供了一种新的最小值即69% (以前燃料系统网络为31%)。因为这个方法被用于越来越复杂和限制性的情况下,可以注意到公用设施向系统提供的最低流量在不断增长。虽然这个不复杂的方法可以减少更多的公用设施费用,他们大多是开发从零开始的网络的工具。更复杂的方法特别适合优化现有的网络，因为由于购买一台压缩机一般涉及大量资本投资，所以现有的网络资源可以被集成。8。案例研究的结论目前的研究使我们得出这样的结论；从理论的角度消除U1600单元进料是可能的,因为该单元对于胺处理是至关重要的,必须必须有一股进料, 在不久的将来该单元的流量可能需要修改。我们必须考虑到,LP方法,认为压力交互在减少公用设施方面是十分令人满意的,但是由于导致网络缺乏弹性，它已经被废弃。基于LP法的新网络允许通过make-up压缩机的流量可以减少15%左右,这样可以减少20000 V /年的电力成本。提高j进料口氢气流纯度是可能的,而且这也意味着有机会减少燃料的含硫量，从50 ppm to 10 ppm。