一种基于线性数学模型的氢网络分步设计方法

：本发明涉及炼油行业的氢网络设计领域，提出一种基于线性数学模型的氢网络分步设计方法。

背景技术

0、
背景技术：

1、随着世界经济和社会的快速发展，能源的需求量也以惊人的速度增长。传统能源的数量与质量已经不能满足当代经济发展的需求，对传统能源的深加工以及对新能源的开发都在不断的探索中。在各种形式的能源中，氢气资源在传统能源深加工方面起着举足轻重的作用，而炼油工业是氢气消耗的最大终端市场，其耗氢量约占全球总耗氢量的90％。由于优质原油的匮乏、劣质原油的不断增加及环境保护法规的日趋严格，对油品质量的要求不断提高，加氢工艺在炼油工业中得到了广泛的应用，炼油厂对氢气的需求量越来越大。优化炼油厂氢气网络，提高氢气资源利用率，对炼油工业节能减排和降低生产成本具有重要的理论价值和实际应用意义。氢网络设计是指在满足所有生产工艺标准的情况下，合理匹配所有或部分供氢装置与耗氢装置，充分回收和利用生产过程中的氢气资源，实现整个生产过程中氢气利用率最大化、加氢工艺费用最小化等目标。在此背景上，本发明提出一种基于线性数学模型的氢网络分步设计方法。

2、氢网络设计可以看作是目标函数为最小化年度总费用的优化问题。现有的氢网络设计方法主要包括夹点分析法和数学规划方法。夹点分析法是一种图示方法，主要关注公用工程用量的优化，不能同时考虑设备投资等多种因素。相对而言，数学规划方法能够同步考虑多种因素对整个网络设计的影响，包括氢公用工程操作费用、压缩机操作电费、压缩机和管线的设备投资等。然而，大多数前人研究的氢网络模型都是混合整数非线性规划(minlp)模型，包含许多非线性和非凸性复杂的约束方程。大多数现有的方法都是直接使用商业求解器或开发随机优化算法对模型进行优化求解。这种传统方法存在两个明显的缺陷：(1)现有的氢网络数学模型是非凸性和非线性十分严重的混合整数非线性规划(minlp)问题，直接使用商业求解器进行优化求解很难获取高质量可行解，不能保证设计质量，尤其是处理工业案例甚至得不到可行解和设计方案。

3、(2)氢网络数学模型包括许多质量守恒方程，使用随机优化算法需要设置违反质量守恒约束的惩罚项，高度依赖设计人员的经验，造成收敛时间过长，不能保障设计结果的最优性和稳定性。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、针对现有设计技术存在的上述难题，本发明要解决的技术问题包括：如何解决传统确定性算法(商业求解器)和随机算法优化得到氢网络年度总费用过大及收敛时间过长问题，获取满足最小化氢气公用工程用量和最小化氢网络年度总费用的最优设计方案。

2、为解决上述技术难题，本发明采用的技术方案为一种基于线性数学模型的氢网络分步设计方法。该方法将氢网络设计的混合整数非线性规划模型(minlp)分解成线性规划(lp)、混合整数线性规划模型(milp)等，获取最优的氢网络设计方案，具体包括以下五个步骤：

3、s1：提取氢公用工程、用氢单元(加氢装置)及燃料系统的工艺参数(输入数据)，包括氢公用工程出口的压力、纯度及流量上限；用氢单元进出口的压力、纯度及流量；燃料系统的压力。

4、s2：建立氢网络设计的线性规划模型(lp)。此模型包括公式(1)-(6)，运行此模型，最小化氢公用工程用量，计算年度总费用(tac1)：

5、在氢网络设计的线性规划模型中，目标函数是最小化氢公用工程用量：

6、

7、其中，mtotal是氢公用工程总量，moi是第i个氢公用工程供应氢气的总流量，mtotal和moi的单位均为kmol/h，is是包含所有氢公用工程的集合。

8、第i个氢公用工程的物料平衡：

9、

10、其中，mi,u是第i个氢公用工程到第u个用氢单元的气体流量，mi是第i个氢公用工程至燃料系统的气体流量，mi,u和mi的单位均为kmol/h。

11、第u个用氢单元入口处物料平衡：

12、

13、其中，是第u个用氢单元入口处气体总流量，mu,u是第u个用氢单元的循环氢气体流量，mu′,u是第u′个用氢单元到用氢单元u的气体流量，mu,u及mu′,u的单位均为kmol/h，us是包含所有用氢单元的集合。

14、第u个用氢单元入口处纯度平衡：

15、

16、其中，是第u个用氢单元入口处气体的氢气纯度，是第i个氢公用工程的氢气纯度，是第u个用氢单元出口处气体的氢气纯度。

17、第u个用氢单元出口处物料平衡：

18、

19、其中，是第u个用氢单元出口处的气体总流量，mu是第u个用氢单元至燃料系统的气体流量，和mu的单位均为kmol/h。

20、燃料系统入口处物料平衡：

21、

22、其中，mj是进入燃料系统的气体总流量，单位是kmol/h。

23、s3：根据线性规划模型(lp)的优化结果，固定氢公用工程总量为最小值，以最小化压缩费用为目标函数，建立氢网络设计的混合整数线性规划模型(milp)。根据最小化压缩费用(milp)的优化结果，计算年度总费用tac2。氢网络设计的混合整数线性规划(milp)模型包括公式(2)-(6)及(7)-(17)：

24、以最小化压缩费用为目标函数：

25、

26、其中，pwi,u是第i个氢公用工程与第u个用氢单元之间气体压缩机的功耗，pwi是第i个氢公用工程与燃料系统之间气体压缩机的功耗，pwu,u′是第u个用氢单元与第u′个用氢单元之间气体压缩机的功耗，pwu,u是第u个用氢单元的循环氢压缩机功耗，pwu是第u个用氢单元与燃料系统之间气体压缩机的功耗pwi,u、pwi、pwu,u、pwu,u′及pwu的单位均是kw；zi,u是第i个氢公用工程与第u个用氢单元之间气体压缩机存在与否的整型变量，zi是第i个氢公用工程与燃料系统之间气体压缩机存在与否的整型变量，zu,u′是第u个用氢单元与第u′个用氢单元之间气体压缩机存在与否的整型变量，zu是第u个用氢单元与燃料系统之间气体压缩机存在与否的整型变量，是每年运行时间(单位为小时)，是电费价格(单位为$/kwh)，是设备费用折算因子，和是压缩机设备投资参数。

27、压缩机存在与否的约束方程：

28、

29、其中，是压缩机功耗pwi,u的上限，是压缩机功耗pwi的上限，是循环氢压缩机功耗pwu,u的上限，是压缩机功耗pwu的上限。

30、压缩机功耗的计算方程为：

31、

32、其中，是第u个用氢单元入口压力，是第i个氢公用工程的出口压力，是燃料系统入口压力，是第u′个用氢单元入口压力，是第u个用氢单元出口压力,及的单位均是kpa，是压缩机效率，是气体压缩因子，是摩尔气体常数，是压缩机入口处的气体温度。

33、s4：在不考虑用氢单元循环氢压缩机的前提下，对用氢单元和燃料系统入口处的压缩机进行合并处理，从而减少压缩机数量，降低设备投资成本，获取最优设计方案，计算年度总费用tac3。

34、针对每一个用氢单元,其入口处制氢压缩机合并后压缩机入口压力取供应气体的氢公用工程压力和用氢单元出口压力中的最小值：

35、

36、合并后压缩机出口压力取用氢单元入口处压力

37、

38、合并后压缩机的气体流量

39、

40、合并后压缩机的功耗

41、

42、合并后压缩机存在与否采用整型参数表示：

43、

44、采用类似的方法对燃料系统入口处的压缩机进行合并，减少压缩机数量。s5：在最小化氢公用工程用量(lp)和最小化压缩费用(milp)的基础上，以s4中合并压缩机后的网络设计为方案，采用aspen plus模拟所有压缩机的功耗，重新计算氢网络设计方案的年度总费用tac4。

45、相对于现有设计技术，本发明至少具有如下优点：

46、(1)本发明针对炼油厂氢能高效利用问题，基于线性数学模型开发氢网络分步设计方法。传统的氢网络设计方法都是基于复杂的混合整数非线性规划模型，这些模型包含大量的非线性和非凸性约束方程，导致模型存在大量的局部最优解，使用非线性求解器容易陷入局部最优，很难得到高质量的可行解和设计方案。相比之下，本发明开发的氢网络分步设计方法采用线性数学模型，不存在局部最优情况，因而能够收敛到高质量的可行解和设计方案。该方法首先通过建立线性规划模型获取最小化氢公用工程用量，再通过建立混合整数非线性规划模型获取最小化压缩费用，最后对同一出口的制氢压缩机进行合并处理，减少压缩机个数及对应的投资成本，故能够获取年度总费用较低的氢网络设计方案。

47、(2)本发明所开发的分步设计方法将炼油厂氢网络设计分成多个步骤进行，采用线性数学模型能够避免使用非线性商业求解器。由于线性求解器的算法比较成熟且稳定性高，各个步骤中的线性数学模型具有较高的收敛性能，能够快速的运行求解。因此，氢网络设计的分步设计方法能够快速获取最优解和设计方案，解决了氢网络数学模型的收敛慢的难题，能够在六秒钟时间之内快速获取氢网络设计的最优方案，提高了氢网络设计效率。

技术特征：

1.一种基于线性数学模型的氢网络分步设计方法，其特征在于将氢网络设计分为五个步骤，各个步骤具体描述如下：

技术总结
本发明提出一种基于线性数学模型的氢网络分步设计方法，包括五个步骤。S1：提取氢公用工程、用氢单元及燃料系统的工艺参数，包括公用工程出口压力、纯度、流量上限；用氢单元进出口压力、纯度及流量；燃料系统压力；S2：以最小化公用工程流量为目标，建立线性规划模型，获取最小公用工程用量，计算年度总费用；S3：固定公用工程用量为最小值，以最小化压缩费用为目标，建立混合整数线性规划模型，根据优化结果计算年度总费用；S4：对同一出口的压缩机进行合并处理，减少压缩机数量，获取最优设计方案，计算年度总费用；S5：根据合并压缩机的结果，采用Aspen Plus模拟压缩机功耗，重新计算年度总费用，绘制最优设计方案。

技术研发人员：申威峰,魏明健,常承林
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5