孫曉巖，宋泓陽，劉博謙，項曙光

（青島科技大學(xué)過程系統(tǒng)工程研究所，山東 青島 266042）

氫夾點技術(shù)方法研究進(jìn)展和評價

孫曉巖，宋泓陽，劉博謙，項曙光

（青島科技大學(xué)過程系統(tǒng)工程研究所，山東 青島 266042）

氫夾點技術(shù)作為氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要方法，以其簡單直觀、高效易懂等優(yōu)點，自20世紀(jì)90年代末被提出至今，在解決氫網(wǎng)絡(luò)用氫瓶頸上，已經(jīng)有了成熟穩(wěn)健的發(fā)展。本文介紹了氫夾點技術(shù)的基本原理，綜述并分析了剩余氫量圖解法、嚴(yán)格氫夾點圖解法、氫負(fù)荷-流量圖法、源組合曲線法、多雜質(zhì)赤字率圖解法等多種氫夾點技術(shù)方法的提出及研究進(jìn)展，并對這些方法進(jìn)行比較和評價，得到各種方法的優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍。最后指出多約束條件下的氫夾點技術(shù)方法研究、建立動力學(xué)建模以及煉廠氫網(wǎng)絡(luò)柔性優(yōu)化設(shè)計等將成為未來幾年氫夾點技術(shù)的研究熱點。

氫夾點；模型；算法；過程系統(tǒng)；圖解

如今隨著市場力量以及環(huán)境立法要求，對于產(chǎn)品油的質(zhì)量要求越來越高，因而煉廠加氫工藝受到極大重視，而無論是降低重整深度還是增加煉廠產(chǎn)品的加氫處理深度都會嚴(yán)重破壞煉廠氫氣的供需平衡，因而氫氣成為了煉廠發(fā)展的瓶頸問題。為了保證煉油企業(yè)保持原料和產(chǎn)品的靈活性，優(yōu)化氫氣網(wǎng)絡(luò)，合理使用氫氣資源是非常有必要的，并且對于煉廠的節(jié)能降耗，降低成本具有重要意義。

氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目標(biāo)是增大氫氣利用率和減少公用工程用量[1]，而氫夾點技術(shù)的發(fā)展為氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供了重要的理論和實踐基礎(chǔ)，本文基于前人對于氫夾點技術(shù)方法的研究[2-5]，重點介紹氫夾點技術(shù)原理及其研究進(jìn)展，并對各種方法的優(yōu)缺點進(jìn)行總結(jié)分析，從而提出氫夾點技術(shù)發(fā)展的方向。

近年來，對于多約束條件的氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題以及煉廠柔性優(yōu)化問題，許多學(xué)者也進(jìn)行了相應(yīng)的研究并提出一些有效的解決方法[6-10]。當(dāng)然，氫氣系統(tǒng)優(yōu)化的工具軟件也在不斷地發(fā)展，包括Process Integration Limited公司的H2-int、KBC公司的Hydrogen management、Honeywell公司的Hydrogen management Services以及cGalp能源公司與其他研究所共同開發(fā)的H2TT[11]等。

1 氫夾點技術(shù)原理

20世紀(jì)90年代末，英國曼徹斯特理工大學(xué)工程集成研究中心的ALVES首先提出[12]并詳細(xì)解釋了[13-14]氫夾點的概念以及相應(yīng)的氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，著手于煉廠的整個氫氣網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一對氫氣網(wǎng)絡(luò)瓶頸進(jìn)行分析，使全網(wǎng)絡(luò)氫氣能夠得到梯級利用，以節(jié)約更多的氫。該方法引入了剩余氫量H′的概念，見式(1)。

整個系統(tǒng)的剩余氫量必須大于0才有優(yōu)化的可能。根據(jù)氫源和氫阱的流量與氫氣純度作氫源、氫阱的流量-濃度復(fù)合曲線圖[如圖1(a)]，然后由剩余氫公式作剩余氫量圖[如圖1(b)]，不斷假設(shè)最高濃度氫源的流量，通過多次迭代，使氫氣網(wǎng)絡(luò)最終的剩余氫量為0（即夾點出現(xiàn)），則所假設(shè)的最高濃度氫源流量即為最小公用工程用量。該方法簡單易懂，一目了然，并且在優(yōu)化設(shè)計之前得到氫夾點濃度、夾點之上流量以及最小公用工程用量。但是該方法沒有考慮氫網(wǎng)絡(luò)中的雜質(zhì)、壓力等因素，并且很難通過人工迭代計算求取夾點，計算量龐大，嚴(yán)重影響計算效率，對于不同的軟件迭代結(jié)果的也存在差異。

圖1 氫夾點求取示意圖[12]

2 氫夾點技術(shù)方法研究進(jìn)展

2.1 剩余氫量圖解法

繼ALVES提出以來，該方法得到了一系列的發(fā)展。2001年孫恒慧[15]運用該方法對氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，首先根據(jù)剩余氫量圖確定一個最小公用工程用量，進(jìn)而對氫網(wǎng)絡(luò)和加氫過程進(jìn)行改進(jìn)，成功降低了供氫裝置的成本，節(jié)氫5%左右。2003年LI[16]基于夾點分析技術(shù)，開發(fā)了一種程序，用來分析氫網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)氫、耗氫以及氫氣回收裝置之間的相互作用，這種程序已用于工業(yè)生產(chǎn)，效益顯著。2004年LIU等[17]以剩余氫量圖解法為基礎(chǔ)，提出了提純裝置的選擇和集成策略，根據(jù)選擇的尾氣提純裝置自動設(shè)計網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案，案例分析表明了該方法效率更高，對于新設(shè)計網(wǎng)絡(luò)也是適用的。2006年FOO等[18]提出了一種剩余曲線圖和性質(zhì)級聯(lián)分析（PCA）相結(jié)合的氣級聯(lián)分析方法（GCA），可用于氫網(wǎng)絡(luò)和水網(wǎng)絡(luò)。而后運用此方法對網(wǎng)絡(luò)的公用工程用量進(jìn)行目標(biāo)設(shè)計[19]，并進(jìn)行了一系列案例分析，結(jié)果表明該方法不需要進(jìn)行迭代計算，能夠快速高效地找到目標(biāo)最小公用工程、夾點位置以及資源分配目標(biāo)。2008年MAJID等[20]以該剩余氫量圖解法為基礎(chǔ)，整合了熱集成概念，由啟發(fā)式和設(shè)計層次提出了氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原則，最大限度地提高了設(shè)計過程中網(wǎng)絡(luò)回收的氫氣量，對后來的氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計產(chǎn)生著指導(dǎo)性意義。2011年SAW等[21]在再循環(huán)或再利用系統(tǒng)中擴展并改進(jìn)了剩余氫量圖解法，提出一種新的圖形化方法——MSCC（material surplus composite curve）。該方法首先在水網(wǎng)絡(luò)[22]中得到應(yīng)用，后來應(yīng)用到氫網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)過實例驗證，該方法對于氫源的純度沒有要求，并且對于廢料的識別較為靈活，定位準(zhǔn)確，避免了ALVES方法的重復(fù)計算等問題。同年，DING等[23]針對氫網(wǎng)絡(luò)的壓力要求和限制，在剩余氫量圖的基礎(chǔ)上引入最小壓力降，根據(jù)壓力的變化確定壓縮裝置的最佳安裝位置，達(dá)到最佳節(jié)氫效果。2012年，郭亞逢等[24]運用優(yōu)化的思想，在國內(nèi)煉油廠的工程設(shè)計中首次推廣應(yīng)用了氫夾點技術(shù)，奠定了氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的工程化應(yīng)用基礎(chǔ)。同年，張清新等[25]運用該方法對某煉廠的氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行夾點分析和優(yōu)化，優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)取得了較明顯的經(jīng)濟效益，氫網(wǎng)絡(luò)分配更加合理。同年，靳皎等[26]分析氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中夾點位置的變化，提出在氫阱濃度降低過程中找到最優(yōu)濃度，在此濃度下優(yōu)化氫網(wǎng)絡(luò)，以某煉廠實際生產(chǎn)為例，使用該方法可以在氫阱濃度降低較小的情況下實現(xiàn)較好的節(jié)氫目的。2013年WU等[27]采用?標(biāo)準(zhǔn)提出確定氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中壓縮機數(shù)目的數(shù)學(xué)模型并通過案例說明了該模型的適性和有效性。同年，黃風(fēng)林等[28]運用剩余氫量圖解法，同時考慮壓力、雜質(zhì)的影響，優(yōu)化某煉廠氫網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化后的氫網(wǎng)絡(luò)增加了氫氣來源，降低了成本。2015年張英等[29]將加氫動力學(xué)模型與煉廠氫網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，從根本上解決了裝置用氫變化后實際運行數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)誤差大小無法判斷的問題，實現(xiàn)了煉廠收益最大化，根據(jù)實例驗證，該方法有效提高了氫氣的利用率，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益。2016年楊猛等[30]采用剩余氫量夾點法對某煉廠不同工況下的氫氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高了氫氣的利用率和輕烴的回收率，經(jīng)濟效益顯著。

2.2 嚴(yán)格氫夾點圖解法

2003年EL-HALWAGI[31]在研究質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提出嚴(yán)格氫夾點圖解法。該方法只考慮了單雜質(zhì)因素，根據(jù)氫氣流量和雜質(zhì)負(fù)荷作氫源、氫阱復(fù)合曲線，平移氫源線至與氫阱線出現(xiàn)一個交點，且氫阱線全部位于氫源線的上方（如圖2），兩線交點即為氫夾點。在夾點之上，氫源復(fù)合曲線上方?jīng)]有氫阱負(fù)荷曲線的部分對應(yīng)的流量為最小燃?xì)馀欧帕浚粖A點之下，最小公用工程用氫量為氫阱復(fù)合曲線未被氫源復(fù)合曲線滿足的部分。該方法有效避免了剩余氫量法迭代次數(shù)多的缺點，但是該方法要求公用工程用氫為純氫，限制了其應(yīng)用。2005年ALMUTLAQ等[32]嚴(yán)格夾點圖中加入一些簡單的代數(shù)方法，將圖形定位轉(zhuǎn)化為代數(shù)方法，設(shè)計了一種程序用以降低物質(zhì)回收網(wǎng)絡(luò)公用工程用量和廢料排出，而后以兩個案例為例進(jìn)行驗證，結(jié)果表明該方法有較強的適用性，嚴(yán)謹(jǐn)度較高。2007年唐明元等[33]利用該方法對某煉廠的氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化改造，經(jīng)過改造后的氫網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到最小公用工程用量，節(jié)氫21.21%。

圖2 嚴(yán)格圖解法求取氫夾點及最小公用工程用量[31]

2.3 氫負(fù)荷-流量圖法

通常情況下，煉廠公用工程用氫為純度最高的氫，而有時，公用工程用氫并不是純度最高的氫[34]。2006年ZHAO[35]提出氫負(fù)荷-流量圖法，該方法不受氫氣公用工程濃度限制，從氫含量的角度，平移氫源、氫阱復(fù)合曲線，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行求解。具體可分為公用工程用氫是純度最高的氫（如圖3、圖4）和公用工程用氫不是純度最高的氫兩種情況（如圖5、圖6）。該方法彌補了嚴(yán)格氫夾點圖解法的缺點，不再局限于氫氣公用工程為最高純度氫，但是由于人的視覺分辨率問題，該方法移動圖像找夾點位置可能存在較大誤差，并且不可用于有壓力約束、含多種雜質(zhì)以及含有提純回用裝置的氫氣系統(tǒng)。

圖3 移動氫源復(fù)合曲線求取夾點[35]

圖4 移動氫阱復(fù)合曲線求取夾點[35]

圖5 氫源氫阱組合曲線[35]

圖6 移動氫源復(fù)合曲線求取夾點[35]

根據(jù)氫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中是否有提純裝置，2011年LIAO等[36-37]在HALLALE等[38]提出在提純裝置模型基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)學(xué)規(guī)劃法，建立數(shù)學(xué)模型，得出求取氫夾點的數(shù)學(xué)表達(dá)，以確定提純裝置入口濃度、氫夾點位置以及最小公用工程用量。同年，ZHANG[39]針對提純裝置優(yōu)化問題提出了三角形法則，簡單易懂效率較高。2013年LOU等[40]提出了考慮提純回用的氫負(fù)荷-流量圖法，該方法是在嚴(yán)格圖解法的基礎(chǔ)上引入提純回用的過程，能夠求得經(jīng)過提純回用后最大可節(jié)約公用工程用量。該方法共包括3種情況[41-42]：公用工程氫濃度大于提純產(chǎn)品氫濃度（如圖7）；公用工程氫濃度等于提純產(chǎn)品氫濃度（如圖8）；公用工程氫濃度小于提純產(chǎn)品氫濃度（如圖9）。該方法簡單、高效，易于理解，可用于任何提純回用氫氣系統(tǒng)，氫氣系統(tǒng)可以使用任意濃度的氫氣作為公用工程，但是該方法不可用于有壓力約束和多雜質(zhì)的氫氣系統(tǒng)，同時由于人的視覺分辨率問題，可能產(chǎn)生一定誤差。2014年代旺等[43]提出一種提純回用氫網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)提純濃度的簡化確定法，該方法可以用來確定不同條件下的可節(jié)省的公用工程用量和氫夾點的位置，對某煉廠氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果表明該方法比簡化前的方法更加準(zhǔn)確，計算量大幅降低。2015年婁俊毅[44]在剩余氫量法基礎(chǔ)上提出了夾點滑動法，對不同提純裝置模型的氫網(wǎng)絡(luò)最小公用工程用量以及提純過程負(fù)荷進(jìn)行分析優(yōu)化，案例分析表明該方法可以提高氫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的魯棒性和適應(yīng)性。2016年ZHANG等[45]基于該方法提出一種針對單雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)（水網(wǎng)絡(luò)）的圖形優(yōu)化方法，與傳統(tǒng)優(yōu)化方法相比更加簡單易懂，根據(jù)案例分析表明由于總流量約束的可調(diào)節(jié)性使得提純回用單元可節(jié)約更多公用工程用量。同年，劉桂蓮等[46]提出考慮提純能耗的氫網(wǎng)絡(luò)提純優(yōu)化方法，通過圖像分析確定最優(yōu)的提純流量和臨界提純流量，并通過某石化企業(yè)氫網(wǎng)絡(luò)分析表明該方法簡單、準(zhǔn)確、經(jīng)濟效益顯著，但沒有考慮提純收率、提純產(chǎn)品濃度、提純氫源濃度等變量之間的相互聯(lián)系。

圖7 公用工程濃度大于提純產(chǎn)品濃度氫負(fù)荷-流量圖[42]

圖8 公用工程濃度等于提純產(chǎn)品濃度氫負(fù)荷-流量圖[42]

圖9 公用工程濃度小于提純產(chǎn)品濃度氫負(fù)荷-流量圖[42]

2.4 源組合曲線法

源組合曲線法是由BANDYOPADHYAY[47]在2006年提出的一種適用于質(zhì)量交換優(yōu)化集成問題的通用性夾點求取方法。這種方法可用于水系統(tǒng)管理、煉廠氫氣管理、原料回收和再利用。

源組合曲線法以累積雜質(zhì)負(fù)荷為橫坐標(biāo)，雜質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)（如圖10），燃?xì)饩€斜率表示燃?xì)饬髁?，將燃?xì)饩€以最低雜質(zhì)濃度為基點旋轉(zhuǎn)至與源組合曲線相交，兩線交點線交點即為夾點，旋轉(zhuǎn)后的燃?xì)饩€斜率表示最小燃?xì)饬髁?，夾點處雜質(zhì)濃度為夾點濃度。該方法有效地避免了剩余氫量法大量迭代的缺點，并且適用于多種系統(tǒng)，但在圖形理解上比較困難，而且也只考慮了單雜質(zhì)體系。

圖10 源組合曲線法[47]

2.5 多雜質(zhì)赤字率夾點法

多雜質(zhì)赤字率夾點法是2007年由ZHAO等[48]在ALVES方法的基礎(chǔ)上提出的。該方法定義了雜質(zhì)赤字率DI這一新的概念，表示在流率給定的條件下雜質(zhì)在復(fù)合曲線圖中的凈累積率，見式(2)。

通過對系統(tǒng)中的各種雜質(zhì)作源、阱物流雜質(zhì)濃度組合曲線（如圖11）和雜質(zhì)赤字率圖（如圖12），可以得到氫夾點和最小公用工程用量。該方法彌補了前幾種方法的缺點，考慮了多雜質(zhì)因素對氫網(wǎng)絡(luò)的影響，但該方法計算過程繁瑣復(fù)雜，需要多次重復(fù)對各種雜質(zhì)進(jìn)行大量的迭代計算，嚴(yán)重影響了計算效率，準(zhǔn)確性也不高。

圖11 源、阱雜質(zhì)濃度組合曲線和雜質(zhì)赤字率圖[48]

圖12 雜質(zhì)赤字率圖法求取氫夾點[48]

2009年丁曄等[49]在多雜質(zhì)赤字率夾點法的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的多雜質(zhì)赤字率夾點法，并以此為基礎(chǔ)提出了多雜質(zhì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的規(guī)則[50]。改進(jìn)的多雜質(zhì)赤字率法引入源綜合評價指標(biāo)RSource,i（源物流各污染物含量的乘積）和阱綜合評價指標(biāo)SSink,j（阱物流各污染物含量的乘積）這兩個新概念，通過定義一種關(guān)鍵雜質(zhì)來決定系統(tǒng)夾點和最小公用工程用量。2014年鄧春等[51]基于改進(jìn)的多雜質(zhì)赤字率法，提出利用三角圖示法，同時引入層次分析法對多雜質(zhì)氫氣分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過實例驗證，使用該方法優(yōu)化后的氫網(wǎng)絡(luò)節(jié)氫量大，效益顯著。

2.6 氫夾點技術(shù)方法優(yōu)缺點比較

目前國內(nèi)外提出的氫夾點求取方法主要有以上幾種，每種方法都有其優(yōu)缺點、適用條件和應(yīng)用范圍，見表1。由表1可知，并非所有方法都適用于需要求取的氫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過比較可得以下區(qū)別。

（1）剩余氫量圖解法引入剩余氫的概念，對每種裝置需要和生產(chǎn)氫氣的純度和流量能夠簡單直觀地表示，并且能夠在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計之前直接得到氫氣的最小公用工程用量。但該方法需要進(jìn)行大量迭代計算，效率較低，并且與氫負(fù)荷-流量圖法以及考慮提純回用的氫負(fù)荷-流量圖法相同，不適用于有壓力約束和多雜質(zhì)氫氣系統(tǒng)。

（2）嚴(yán)格氫夾點圖解法和源組合曲線法都有效地避免了剩余氫量法需要多次迭代的缺點。但嚴(yán)格氫夾點圖解法要求系統(tǒng)所用氫氣公用工程為純氫，源組合曲線法只考慮了單雜質(zhì)因素，并且源組合曲線是折線不易理解。

（3）氫負(fù)荷-流量圖法以及考慮提純回用的氫負(fù)荷-流量圖法簡單高效，易于理解，避免了嚴(yán)格氫夾點圖解法必須使用純氫作為公用工程的缺點。但這兩種方法不可用于有壓力約束和含多種雜質(zhì)的氫氣系統(tǒng)。

（4）多雜質(zhì)赤字率夾點法和改進(jìn)的多雜質(zhì)赤字率夾點法可以用于多雜質(zhì)系統(tǒng)，且都可以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計之前直接得到氫氣最小公用工程用量，改進(jìn)的多雜質(zhì)赤字率夾點法省去了多雜質(zhì)赤字率夾點法需要選擇不同雜質(zhì)排序，多次重復(fù)計算的過程，計算效率大幅提高。

表1 氫夾點技術(shù)方法優(yōu)缺點比較

3 結(jié)論

氫夾點方法的提出對于氫氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化具有重要意義，對于不同的氫網(wǎng)絡(luò)，使用適當(dāng)?shù)臍鋳A點求取方法可以大大提高計算和優(yōu)化的效率；各種氫夾點方法都有其優(yōu)缺點和使用條件，可根據(jù)氫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實際條件和需求進(jìn)行選擇。

對于氫夾點技術(shù)今后的發(fā)展應(yīng)加強多約束條件問題的理論研究，并在實踐中發(fā)現(xiàn)和解決問題。對于氫氣資源優(yōu)化技術(shù)建模與求解過程中存在的問題，僅僅通過氫夾點方法可能很難奏效，可以通過對加氫裝置進(jìn)行動力學(xué)建模來解決。另外，雖然氫夾點技術(shù)計算過程簡單易懂，但是對于壓力、雜質(zhì)等因素的考慮還有待進(jìn)一步優(yōu)化，通過煉廠柔性優(yōu)化設(shè)計，可以提高氫網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)能力，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，節(jié)約運行成本。因此，對煉廠氫氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行柔性優(yōu)化設(shè)計也將成為未來幾年的重要發(fā)展趨勢。

符號說明

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Current status and evaluation of hydrogen pinch technology

SUN Xiaoyan，SONG Hongyang，LIU Boqian，XIANG Shuguang
（Institute of Process Systems Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042，Shandong，China）

Hydrogen pinch technology is an important method of hydrogen network optimization with the advantage of simple，intuitive，efficient and easy to understand. It already has mature and stable development in resolving the hydrogen network bottlenecks since the late 1990s. This paper recommended the basic principle of the hydrogen pinch. Hydrogen pinch technology method includes hydrogen surplus graphical method，rigorous graphical targeting， pure hydrogen loadversusflow rate diagram graphical method，source composite curve graphical method，deficit diagram of multiple impurities，and so on. The paper summarized the current status and research progress of these methods. Then, various methods to obtain the advantages and disadvantages were compared and evaluated. Finally, the paper discussed the future study of hydrogen pinch technology, which are multiple constraints，dynamics modeling and optimization of flexible design.

hydrogen pinch；model；algorithm；process systems；diagram

TQ021.8

A

1000–6613（2017）04–1165–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.002

2016-09-06；修改稿日期：2016-09-23。

孫曉巖（1979—），男，博士，從事過程系統(tǒng)工程研究。聯(lián)系人：項曙光，博士，教授，研究方向為過程系統(tǒng)工程。E-mail：xsg@qust.edu.cn。