摘 要

随着石油资源的过渡开采，国际原油呈现重质化的趋势，为了合理有效地利用原油成分，减少成本，炼油厂需要加深对原油的炼制，将原油中的重质组分转化为轻质组分，这便导致了氢气工艺操作中氢气消耗量逐年快速增加。另一方，国际上对环境保护的呼声越来越高，为了减少尾气排放对环境造成的影响，各国先后立法，加强对石油炼制的管理，这使得炼油厂加深对原油轻质化的处理，进而导致了氢气需求量的增高。因此开展对石化企业中氢气网络的集成优化研究具有重要的现实意义，本文的主要研究内容包括以下三个部分：

1、简要介绍氢气网络集成中的基础研究，即用于氢气网络集成的两种图解法：剩余氢气法和复合曲线法。然后应用石化企业中的氢气流股数据，通过绘图对两种图解法进行简要描述说明，并对其计算结果进行分析；

2、使用数学规划法对氢气网络进行集成优化。首先建立氢气网络超结构模型，根据此超结构模型以最小新制氢气量为目标函数建立优化数学模型。在此基础上丰富模型，考虑压缩机费用，将费用最低作为目标函数，使模型和求解结果更加贴近实际生产。以炼油厂中的实际数据为例，使用MATLAB软件对改进前后的模型进行编程求解，比较两次求解结果的区别并进行分析；

3、通过对比集成优化的结果，得到结论，并指出氢气网络集成的进一步研究方向。

关键词：氢气网络；集成；优化

Abstract

With the over-exploitation of oil resources, the base oil has presented a heavier trend internationally. Refineries need to deepen the refining of base oil from heavy components into lighter components to make rational and effective use of base oil. As a result, the consumption of hydrogen increased rapidly in the operation of process of hydrogen year by year. On the other hand, the voice of the environmental protection is increasing in international, which results in countries legislated to strengthen the management of oil refining in order to reduce the impact of exhaust of off gas on the environment. This not only made oil refinery deepen the activity of lightening base oil, but also led to increasing demand for hydrogen. Therefore, integration and optimization of hydrogen network in petrochemical enterprises is of great significance. This article’s researches will include following three parts:

1、This article would describe the basal research of the hydrogen network integration briefly. There are two graphical methods: the method of remaining hydrogen and composite cure, once used in the hydrogen network integration system. Then introduced two graphical briefly with pictures, using the data of hydrogen stream in petrochemical enterprises. At last, analyzed the results of solution.

2、Optimized the hydrogen network integration system with mathematical program. First, established a super-structure model of hydrogen network. Then, established optimal model based on this super-structure, whose objective function was the minimum of fresh hydrogen’s amount. To let the model and solution results closer to actual production, updated the model based on previous one. Considering the cost of the compressors, took the minimum cost as the objective function. As an example, used MATLAB to programming to solve two models with the data of a refinery. Compared the difference between two models and analyzed the results.

3、Made conclusions by comparing the result of optimization, and then, pointed out that the further research of hydrogen network integration.

Keywords: Hydrogen Network; Integration; Optimizing

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 氢气净化提纯工艺 2

1.3 本课题研究的主要内容 3

第二章 氢气网络集成 4

2.1 氢气网络系统 4

2.1.1 氢源和氢阱 4

2.1.2 氢气网络 4

2.1.3 氢气网络集成 4

2.2 图解法 5

2.1.1 剩余氢气法 5

2.1.2 复合曲线法 8

2.3 数学规划法 13

2.3.1 氢气网络超结构模型 13

第三章 数学模型的建立 15

3.1 优化数学模型 15

3.1.1 目标函数 15

3.1.2 约束条件 15

3.2 数学模型的改进 16

第四章 模型的求解 18

4.1 优化求解方法 18

4.1.1 线性规划问题模型 18

4.1.2 线性规划问题的求解 18

4.2 模型的求解 19

4.3 改进数学模型的求解 21

4.4 模型和结果分析 22

4.4.1 模型分析 22

4.4.2 结果分析 23

第五章 结论与展望 24

5.1 结论 24

5.2 展望 24

符号汇总 26

参考文献 29

附 录 31

附录A 31

附录B 33

致 谢 37

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

氢气是一种昂贵而洁净的能源，在石化行业中，它既是石油炼制和石油加工的副产品，又是生产工艺过程中必不可少的重要原料资源，许多工艺流程都需要用到氢气。

进入二十一世纪后，我国的工业得到了快速的发展，工业上对石油的需求量不断增加，而国内的石油产量并不能满足需求，因此石油进口量逐年增加。然而，随着石油资源的不断开采，原油重质化在国际上已经成为一种趋势。另一方面，随着科学技术的发展与应用，石油加工技术也日益成熟丰富，并且呈现多元化的趋势，石油炼制日益精化。石油加工工艺已由热加工向催化加工转换发展，并且用于加工工艺中的催化剂不断更新换代，换代速度愈来愈快，加工工艺日渐成熟。石油产品的种类也不断增加，目前石油产品主要包括轻质油，如柴汽油、柴油、航空煤油以及重质产品，如沥青、石蜡。其中轻质油的收率是衡量石油加工效果的主要指标。然而，为了提高轻质油的产量，就需要大量的氢气对石油进行精制加工，加深石油的轻质化程度。这也是炼油厂中氢气的需求量急剧上升的原因之一^[1]。为了更好地利用原油成分，减少成本，炼油厂需要将原油中的重质组分转化为轻质组分，这便导致了氢气工艺操作中氢气消耗量逐年快速增加^[2]。