：本發(fā)明涉及煉油行業(yè)的氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，提出一種基于線性數(shù)學(xué)模型的氫網(wǎng)絡(luò)分步設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

0、
背景技術(shù)：

1、隨著世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，能源的需求量也以驚人的速度增長(zhǎng)。傳統(tǒng)能源的數(shù)量與質(zhì)量已經(jīng)不能滿足當(dāng)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，對(duì)傳統(tǒng)能源的深加工以及對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)都在不斷的探索中。在各種形式的能源中，氫氣資源在傳統(tǒng)能源深加工方面起著舉足輕重的作用，而煉油工業(yè)是氫氣消耗的最大終端市場(chǎng)，其耗氫量約占全球總耗氫量的90％。由于優(yōu)質(zhì)原油的匱乏、劣質(zhì)原油的不斷增加及環(huán)境保護(hù)法規(guī)的日趨嚴(yán)格，對(duì)油品質(zhì)量的要求不斷提高，加氫工藝在煉油工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，煉油廠對(duì)氫氣的需求量越來(lái)越大。優(yōu)化煉油廠氫氣網(wǎng)絡(luò)，提高氫氣資源利用率，對(duì)煉油工業(yè)節(jié)能減排和降低生產(chǎn)成本具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是指在滿足所有生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)的情況下，合理匹配所有或部分供氫裝置與耗氫裝置，充分回收和利用生產(chǎn)過(guò)程中的氫氣資源，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中氫氣利用率最大化、加氫工藝費(fèi)用最小化等目標(biāo)。在此背景上，本發(fā)明提出一種基于線性數(shù)學(xué)模型的氫網(wǎng)絡(luò)分步設(shè)計(jì)方法。

2、氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可以看作是目標(biāo)函數(shù)為最小化年度總費(fèi)用的優(yōu)化問(wèn)題?，F(xiàn)有的氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法主要包括夾點(diǎn)分析法和數(shù)學(xué)規(guī)劃方法。夾點(diǎn)分析法是一種圖示方法，主要關(guān)注公用工程用量的優(yōu)化，不能同時(shí)考慮設(shè)備投資等多種因素。相對(duì)而言，數(shù)學(xué)規(guī)劃方法能夠同步考慮多種因素對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的影響，包括氫公用工程操作費(fèi)用、壓縮機(jī)操作電費(fèi)、壓縮機(jī)和管線的設(shè)備投資等。然而，大多數(shù)前人研究的氫網(wǎng)絡(luò)模型都是混合整數(shù)非線性規(guī)劃(minlp)模型，包含許多非線性和非凸性復(fù)雜的約束方程。大多數(shù)現(xiàn)有的方法都是直接使用商業(yè)求解器或開(kāi)發(fā)隨機(jī)優(yōu)化算法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化求解。這種傳統(tǒng)方法存在兩個(gè)明顯的缺陷：(1)現(xiàn)有的氫網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型是非凸性和非線性十分嚴(yán)重的混合整數(shù)非線性規(guī)劃(minlp)問(wèn)題，直接使用商業(yè)求解器進(jìn)行優(yōu)化求解很難獲取高質(zhì)量可行解，不能保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，尤其是處理工業(yè)案例甚至得不到可行解和設(shè)計(jì)方案。

3、(2)氫網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型包括許多質(zhì)量守恒方程，使用隨機(jī)優(yōu)化算法需要設(shè)置違反質(zhì)量守恒約束的懲罰項(xiàng)，高度依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，造成收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能保障設(shè)計(jì)結(jié)果的最優(yōu)性和穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

0、
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1、針對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)技術(shù)存在的上述難題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題包括：如何解決傳統(tǒng)確定性算法(商業(yè)求解器)和隨機(jī)算法優(yōu)化得到氫網(wǎng)絡(luò)年度總費(fèi)用過(guò)大及收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，獲取滿足最小化氫氣公用工程用量和最小化氫網(wǎng)絡(luò)年度總費(fèi)用的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

2、為解決上述技術(shù)難題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于線性數(shù)學(xué)模型的氫網(wǎng)絡(luò)分步設(shè)計(jì)方法。該方法將氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型(minlp)分解成線性規(guī)劃(lp)、混合整數(shù)線性規(guī)劃模型(milp)等，獲取最優(yōu)的氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，具體包括以下五個(gè)步驟：

3、s1：提取氫公用工程、用氫單元(加氫裝置)及燃料系統(tǒng)的工藝參數(shù)(輸入數(shù)據(jù))，包括氫公用工程出口的壓力、純度及流量上限；用氫單元進(jìn)出口的壓力、純度及流量；燃料系統(tǒng)的壓力。

4、s2：建立氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的線性規(guī)劃模型(lp)。此模型包括公式(1)-(6)，運(yùn)行此模型，最小化氫公用工程用量，計(jì)算年度總費(fèi)用(tac1)：

5、在氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的線性規(guī)劃模型中，目標(biāo)函數(shù)是最小化氫公用工程用量：

6、

7、其中，mtotal是氫公用工程總量，moi是第i個(gè)氫公用工程供應(yīng)氫氣的總流量，mtotal和moi的單位均為kmol/h，is是包含所有氫公用工程的集合。

8、第i個(gè)氫公用工程的物料平衡：

9、

10、其中，mi,u是第i個(gè)氫公用工程到第u個(gè)用氫單元的氣體流量，mi是第i個(gè)氫公用工程至燃料系統(tǒng)的氣體流量，mi,u和mi的單位均為kmol/h。

11、第u個(gè)用氫單元入口處物料平衡：

12、

13、其中，是第u個(gè)用氫單元入口處氣體總流量，mu,u是第u個(gè)用氫單元的循環(huán)氫氣體流量，mu′,u是第u′個(gè)用氫單元到用氫單元u的氣體流量，mu,u及mu′,u的單位均為kmol/h，us是包含所有用氫單元的集合。

14、第u個(gè)用氫單元入口處純度平衡：

15、

16、其中，是第u個(gè)用氫單元入口處氣體的氫氣純度，是第i個(gè)氫公用工程的氫氣純度，是第u個(gè)用氫單元出口處氣體的氫氣純度。

17、第u個(gè)用氫單元出口處物料平衡：

18、

19、其中，是第u個(gè)用氫單元出口處的氣體總流量，mu是第u個(gè)用氫單元至燃料系統(tǒng)的氣體流量，和mu的單位均為kmol/h。

20、燃料系統(tǒng)入口處物料平衡：

21、

22、其中，mj是進(jìn)入燃料系統(tǒng)的氣體總流量，單位是kmol/h。

23、s3：根據(jù)線性規(guī)劃模型(lp)的優(yōu)化結(jié)果，固定氫公用工程總量為最小值，以最小化壓縮費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，建立氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型(milp)。根據(jù)最小化壓縮費(fèi)用(milp)的優(yōu)化結(jié)果，計(jì)算年度總費(fèi)用tac2。氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的混合整數(shù)線性規(guī)劃(milp)模型包括公式(2)-(6)及(7)-(17)：

24、以最小化壓縮費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)：

25、

26、其中，pwi,u是第i個(gè)氫公用工程與第u個(gè)用氫單元之間氣體壓縮機(jī)的功耗，pwi是第i個(gè)氫公用工程與燃料系統(tǒng)之間氣體壓縮機(jī)的功耗，pwu,u′是第u個(gè)用氫單元與第u′個(gè)用氫單元之間氣體壓縮機(jī)的功耗，pwu,u是第u個(gè)用氫單元的循環(huán)氫壓縮機(jī)功耗，pwu是第u個(gè)用氫單元與燃料系統(tǒng)之間氣體壓縮機(jī)的功耗pwi,u、pwi、pwu,u、pwu,u′及pwu的單位均是kw；zi,u是第i個(gè)氫公用工程與第u個(gè)用氫單元之間氣體壓縮機(jī)存在與否的整型變量，zi是第i個(gè)氫公用工程與燃料系統(tǒng)之間氣體壓縮機(jī)存在與否的整型變量，zu,u′是第u個(gè)用氫單元與第u′個(gè)用氫單元之間氣體壓縮機(jī)存在與否的整型變量，zu是第u個(gè)用氫單元與燃料系統(tǒng)之間氣體壓縮機(jī)存在與否的整型變量，是每年運(yùn)行時(shí)間(單位為小時(shí))，是電費(fèi)價(jià)格(單位為$/kwh)，是設(shè)備費(fèi)用折算因子，和是壓縮機(jī)設(shè)備投資參數(shù)。

27、壓縮機(jī)存在與否的約束方程：

28、

29、其中，是壓縮機(jī)功耗pwi,u的上限，是壓縮機(jī)功耗pwi的上限，是循環(huán)氫壓縮機(jī)功耗pwu,u的上限，是壓縮機(jī)功耗pwu的上限。

30、壓縮機(jī)功耗的計(jì)算方程為：

31、

32、其中，是第u個(gè)用氫單元入口壓力，是第i個(gè)氫公用工程的出口壓力，是燃料系統(tǒng)入口壓力，是第u′個(gè)用氫單元入口壓力，是第u個(gè)用氫單元出口壓力,及的單位均是kpa，是壓縮機(jī)效率，是氣體壓縮因子，是摩爾氣體常數(shù)，是壓縮機(jī)入口處的氣體溫度。

33、s4：在不考慮用氫單元循環(huán)氫壓縮機(jī)的前提下，對(duì)用氫單元和燃料系統(tǒng)入口處的壓縮機(jī)進(jìn)行合并處理，從而減少壓縮機(jī)數(shù)量，降低設(shè)備投資成本，獲取最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，計(jì)算年度總費(fèi)用tac3。

34、針對(duì)每一個(gè)用氫單元,其入口處制氫壓縮機(jī)合并后壓縮機(jī)入口壓力取供應(yīng)氣體的氫公用工程壓力和用氫單元出口壓力中的最小值：

35、

36、合并后壓縮機(jī)出口壓力取用氫單元入口處壓力

37、

38、合并后壓縮機(jī)的氣體流量

39、

40、合并后壓縮機(jī)的功耗

41、

42、合并后壓縮機(jī)存在與否采用整型參數(shù)表示：

43、

44、采用類(lèi)似的方法對(duì)燃料系統(tǒng)入口處的壓縮機(jī)進(jìn)行合并，減少壓縮機(jī)數(shù)量。s5：在最小化氫公用工程用量(lp)和最小化壓縮費(fèi)用(milp)的基礎(chǔ)上，以s4中合并壓縮機(jī)后的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為方案，采用aspen?plus模擬所有壓縮機(jī)的功耗，重新計(jì)算氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案的年度總費(fèi)用tac4。

45、相對(duì)于現(xiàn)有設(shè)計(jì)技術(shù)，本發(fā)明至少具有如下優(yōu)點(diǎn)：

46、(1)本發(fā)明針對(duì)煉油廠氫能高效利用問(wèn)題，基于線性數(shù)學(xué)模型開(kāi)發(fā)氫網(wǎng)絡(luò)分步設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法都是基于復(fù)雜的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，這些模型包含大量的非線性和非凸性約束方程，導(dǎo)致模型存在大量的局部最優(yōu)解，使用非線性求解器容易陷入局部最優(yōu)，很難得到高質(zhì)量的可行解和設(shè)計(jì)方案。相比之下，本發(fā)明開(kāi)發(fā)的氫網(wǎng)絡(luò)分步設(shè)計(jì)方法采用線性數(shù)學(xué)模型，不存在局部最優(yōu)情況，因而能夠收斂到高質(zhì)量的可行解和設(shè)計(jì)方案。該方法首先通過(guò)建立線性規(guī)劃模型獲取最小化氫公用工程用量，再通過(guò)建立混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型獲取最小化壓縮費(fèi)用，最后對(duì)同一出口的制氫壓縮機(jī)進(jìn)行合并處理，減少壓縮機(jī)個(gè)數(shù)及對(duì)應(yīng)的投資成本，故能夠獲取年度總費(fèi)用較低的氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。

47、(2)本發(fā)明所開(kāi)發(fā)的分步設(shè)計(jì)方法將煉油廠氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分成多個(gè)步驟進(jìn)行，采用線性數(shù)學(xué)模型能夠避免使用非線性商業(yè)求解器。由于線性求解器的算法比較成熟且穩(wěn)定性高，各個(gè)步驟中的線性數(shù)學(xué)模型具有較高的收斂性能，能夠快速的運(yùn)行求解。因此，氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的分步設(shè)計(jì)方法能夠快速獲取最優(yōu)解和設(shè)計(jì)方案，解決了氫網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型的收斂慢的難題，能夠在六秒鐘時(shí)間之內(nèi)快速獲取氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，提高了氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)效率。