氢夹点技术方法研究进展和评价

孙晓岩，宋泓阳，刘博谦，项曙光

（青岛科技大学过程系统工程研究所，山东 青岛 266042）

氢夹点技术方法研究进展和评价

孙晓岩，宋泓阳，刘博谦，项曙光

（青岛科技大学过程系统工程研究所，山东 青岛 266042）

氢夹点技术作为氢气网络优化的重要方法，以其简单直观、高效易懂等优点，自20世纪90年代末被提出至今，在解决氢网络用氢瓶颈上，已经有了成熟稳健的发展。本文介绍了氢夹点技术的基本原理，综述并分析了剩余氢量图解法、严格氢夹点图解法、氢负荷-流量图法、源组合曲线法、多杂质赤字率图解法等多种氢夹点技术方法的提出及研究进展，并对这些方法进行比较和评价，得到各种方法的优缺点和应用范围。最后指出多约束条件下的氢夹点技术方法研究、建立动力学建模以及炼厂氢网络柔性优化设计等将成为未来几年氢夹点技术的研究热点。

氢夹点；模型；算法；过程系统；图解

如今随着市场力量以及环境立法要求，对于产品油的质量要求越来越高，因而炼厂加氢工艺受到极大重视，而无论是降低重整深度还是增加炼厂产品的加氢处理深度都会严重破坏炼厂氢气的供需平衡，因而氢气成为了炼厂发展的瓶颈问题。为了保证炼油企业保持原料和产品的灵活性，优化氢气网络，合理使用氢气资源是非常有必要的，并且对于炼厂的节能降耗，降低成本具有重要意义。

氢气网络优化的目标是增大氢气利用率和减少公用工程用量[1]，而氢夹点技术的发展为氢气网络优化提供了重要的理论和实践基础，本文基于前人对于氢夹点技术方法的研究[2-5]，重点介绍氢夹点技术原理及其研究进展，并对各种方法的优缺点进行总结分析，从而提出氢夹点技术发展的方向。

近年来，对于多约束条件的氢网络优化问题以及炼厂柔性优化问题，许多学者也进行了相应的研究并提出一些有效的解决方法[6-10]。当然，氢气系统优化的工具软件也在不断地发展，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能源公司与其他研究所共同开发的H2TT[11]等。

1 氢夹点技术原理

20世纪90年代末，英国曼彻斯特理工大学工程集成研究中心的ALVES首先提出[12]并详细解释了[13-14]氢夹点的概念以及相应的氢气网络优化方法，着手于炼厂的整个氢气网络，统一对氢气网络瓶颈进行分析，使全网络氢气能够得到梯级利用，以节约更多的氢。该方法引入了剩余氢量H′的概念，见式(1)。

整个系统的剩余氢量必须大于0才有优化的可能。根据氢源和氢阱的流量与氢气纯度作氢源、氢阱的流量-浓度复合曲线图[如图1(a)]，然后由剩余氢公式作剩余氢量图[如图1(b)]，不断假设最高浓度氢源的流量，通过多次迭代，使氢气网络最终的剩余氢量为0（即夹点出现），则所假设的最高浓度氢源流量即为最小公用工程用量。该方法简单易懂，一目了然，并且在优化设计之前得到氢夹点浓度、夹点之上流量以及最小公用工程用量。但是该方法没有考虑氢网络中的杂质、压力等因素，并且很难通过人工迭代计算求取夹点，计算量庞大，严重影响计算效率，对于不同的软件迭代结果的也存在差异。

图1 氢夹点求取示意图[12]

2 氢夹点技术方法研究进展

2.1 剩余氢量图解法

继ALVES提出以来，该方法得到了一系列的发展。2001年孙恒慧[15]运用该方法对氢网络进行优化，首先根据剩余氢量图确定一个最小公用工程用量，进而对氢网络和加氢过程进行改进，成功降低了供氢装置的成本，节氢5%左右。2003年LI[16]基于夹点分析技术，开发了一种程序，用来分析氢网络产氢、耗氢以及氢气回收装置之间的相互作用，这种程序已用于工业生产，效益显著。2004年LIU等[17]以剩余氢量图解法为基础，提出了提纯装置的选择和集成策略，根据选择的尾气提纯装置自动设计网络优化方案，案例分析表明了该方法效率更高，对于新设计网络也是适用的。2006年FOO等[18]提出了一种剩余曲线图和性质级联分析（PCA）相结合的气级联分析方法（GCA），可用于氢网络和水网络。而后运用此方法对网络的公用工程用量进行目标设计[19]，并进行了一系列案例分析，结果表明该方法不需要进行迭代计算，能够快速高效地找到目标最小公用工程、夹点位置以及资源分配目标。2008年MAJID等[20]以该剩余氢量图解法为基础，整合了热集成概念，由启发式和设计层次提出了氢网络设计原则，最大限度地提高了设计过程中网络回收的氢气量，对后来的氢网络设计产生着指导性意义。2011年SAW等[21]在再循环或再利用系统中扩展并改进了剩余氢量图解法，提出一种新的图形化方法——MSCC（material surplus composite curve）。该方法首先在水网络[22]中得到应用，后来应用到氢网络中，经过实例验证，该方法对于氢源的纯度没有要求，并且对于废料的识别较为灵活，定位准确，避免了ALVES方法的重复计算等问题。同年，DING等[23]针对氢网络的压力要求和限制，在剩余氢量图的基础上引入最小压力降，根据压力的变化确定压缩装置的最佳安装位置，达到最佳节氢效果。2012年，郭亚逢等[24]运用优化的思想，在国内炼油厂的工程设计中首次推广应用了氢夹点技术，奠定了氢网络优化的工程化应用基础。同年，张清新等[25]运用该方法对某炼厂的氢气网络进行夹点分析和优化，优化后的网络取得了较明显的经济效益，氢网络分配更加合理。同年，靳皎等[26]分析氢网络优化过程中夹点位置的变化，提出在氢阱浓度降低过程中找到最优浓度，在此浓度下优化氢网络，以某炼厂实际生产为例，使用该方法可以在氢阱浓度降低较小的情况下实现较好的节氢目的。2013年WU等[27]采用㶲标准提出确定氢网络设计中压缩机数目的数学模型并通过案例说明了该模型的适性和有效性。同年，黄风林等[28]运用剩余氢量图解法，同时考虑压力、杂质的影响，优化某炼厂氢网络，优化后的氢网络增加了氢气来源，降低了成本。2015年张英等[29]将加氢动力学模型与炼厂氢网络结合，从根本上解决了装置用氢变化后实际运行数据与模拟数据误差大小无法判断的问题，实现了炼厂收益最大化，根据实例验证，该方法有效提高了氢气的利用率，产生了显著的经济效益。2016年杨猛等[30]采用剩余氢量夹点法对某炼厂不同工况下的氢气系统进行优化，提高了氢气的利用率和轻烃的回收率，经济效益显著。

2.2 严格氢夹点图解法

2003年EL-HALWAGI[31]在研究质量交换网络的基础上提出严格氢夹点图解法。该方法只考虑了单杂质因素，根据氢气流量和杂质负荷作氢源、氢阱复合曲线，平移氢源线至与氢阱线出现一个交点，且氢阱线全部位于氢源线的上方（如图2），两线交点即为氢夹点。在夹点之上，氢源复合曲线上方没有氢阱负荷曲线的部分对应的流量为最小燃气排放量；夹点之下，最小公用工程用氢量为氢阱复合曲线未被氢源复合曲线满足的部分。该方法有效避免了剩余氢量法迭代次数多的缺点，但是该方法要求公用工程用氢为纯氢，限制了其应用。2005年ALMUTLAQ等[32]严格夹点图中加入一些简单的代数方法，将图形定位转化为代数方法，设计了一种程序用以降低物质回收网络公用工程用量和废料排出，而后以两个案例为例进行验证，结果表明该方法有较强的适用性，严谨度较高。2007年唐明元等[33]利用该方法对某炼厂的氢网络进行优化改造，经过改造后的氢网络能够达到最小公用工程用量，节氢21.21%。

图2 严格图解法求取氢夹点及最小公用工程用量[31]

2.3 氢负荷-流量图法

通常情况下，炼厂公用工程用氢为纯度最高的氢，而有时，公用工程用氢并不是纯度最高的氢[34]。2006年ZHAO[35]提出氢负荷-流量图法，该方法不受氢气公用工程浓度限制，从氢含量的角度，平移氢源、氢阱复合曲线，对网络进行求解。具体可分为公用工程用氢是纯度最高的氢（如图3、图4）和公用工程用氢不是纯度最高的氢两种情况（如图5、图6）。该方法弥补了严格氢夹点图解法的缺点，不再局限于氢气公用工程为最高纯度氢，但是由于人的视觉分辨率问题，该方法移动图像找夹点位置可能存在较大误差，并且不可用于有压力约束、含多种杂质以及含有提纯回用装置的氢气系统。

图3 移动氢源复合曲线求取夹点[35]

图4 移动氢阱复合曲线求取夹点[35]

图5 氢源氢阱组合曲线[35]

图6 移动氢源复合曲线求取夹点[35]

根据氢网络系统中是否有提纯装置，2011年LIAO等[36-37]在HALLALE等[38]提出在提纯装置模型基础上结合数学规划法，建立数学模型，得出求取氢夹点的数学表达，以确定提纯装置入口浓度、氢夹点位置以及最小公用工程用量。同年，ZHANG[39]针对提纯装置优化问题提出了三角形法则，简单易懂效率较高。2013年LOU等[40]提出了考虑提纯回用的氢负荷-流量图法，该方法是在严格图解法的基础上引入提纯回用的过程，能够求得经过提纯回用后最大可节约公用工程用量。该方法共包括3种情况[41-42]：公用工程氢浓度大于提纯产品氢浓度（如图7）；公用工程氢浓度等于提纯产品氢浓度（如图8）；公用工程氢浓度小于提纯产品氢浓度（如图9）。该方法简单、高效，易于理解，可用于任何提纯回用氢气系统，氢气系统可以使用任意浓度的氢气作为公用工程，但是该方法不可用于有压力约束和多杂质的氢气系统，同时由于人的视觉分辨率问题，可能产生一定误差。2014年代旺等[43]提出一种提纯回用氢网络最优提纯浓度的简化确定法，该方法可以用来确定不同条件下的可节省的公用工程用量和氢夹点的位置，对某炼厂氢网络进行优化的结果表明该方法比简化前的方法更加准确，计算量大幅降低。2015年娄俊毅[44]在剩余氢量法基础上提出了夹点滑动法，对不同提纯装置模型的氢网络最小公用工程用量以及提纯过程负荷进行分析优化，案例分析表明该方法可以提高氢网络结构的鲁棒性和适应性。2016年ZHANG等[45]基于该方法提出一种针对单杂质氢网络（水网络）的图形优化方法，与传统优化方法相比更加简单易懂，根据案例分析表明由于总流量约束的可调节性使得提纯回用单元可节约更多公用工程用量。同年，刘桂莲等[46]提出考虑提纯能耗的氢网络提纯优化方法，通过图像分析确定最优的提纯流量和临界提纯流量，并通过某石化企业氢网络分析表明该方法简单、准确、经济效益显著，但没有考虑提纯收率、提纯产品浓度、提纯氢源浓度等变量之间的相互联系。

图7 公用工程浓度大于提纯产品浓度氢负荷-流量图[42]

图8 公用工程浓度等于提纯产品浓度氢负荷-流量图[42]

图9 公用工程浓度小于提纯产品浓度氢负荷-流量图[42]

2.4 源组合曲线法

源组合曲线法是由BANDYOPADHYAY[47]在2006年提出的一种适用于质量交换优化集成问题的通用性夹点求取方法。这种方法可用于水系统管理、炼厂氢气管理、原料回收和再利用。

源组合曲线法以累积杂质负荷为横坐标，杂质摩尔分数为纵坐标（如图10），燃气线斜率表示燃气流量，将燃气线以最低杂质浓度为基点旋转至与源组合曲线相交，两线交点线交点即为夹点，旋转后的燃气线斜率表示最小燃气流量，夹点处杂质浓度为夹点浓度。该方法有效地避免了剩余氢量法大量迭代的缺点，并且适用于多种系统，但在图形理解上比较困难，而且也只考虑了单杂质体系。

图10 源组合曲线法[47]

2.5 多杂质赤字率夹点法

多杂质赤字率夹点法是2007年由ZHAO等[48]在ALVES方法的基础上提出的。该方法定义了杂质赤字率DI这一新的概念，表示在流率给定的条件下杂质在复合曲线图中的净累积率，见式(2)。

通过对系统中的各种杂质作源、阱物流杂质浓度组合曲线（如图11）和杂质赤字率图（如图12），可以得到氢夹点和最小公用工程用量。该方法弥补了前几种方法的缺点，考虑了多杂质因素对氢网络的影响，但该方法计算过程繁琐复杂，需要多次重复对各种杂质进行大量的迭代计算，严重影响了计算效率，准确性也不高。

图11 源、阱杂质浓度组合曲线和杂质赤字率图[48]

图12 杂质赤字率图法求取氢夹点[48]

2009年丁晔等[49]在多杂质赤字率夹点法的基础上提出了改进的多杂质赤字率夹点法，并以此为基础提出了多杂质网络设计的规则[50]。改进的多杂质赤字率法引入源综合评价指标RSource,i（源物流各污染物含量的乘积）和阱综合评价指标SSink,j（阱物流各污染物含量的乘积）这两个新概念，通过定义一种关键杂质来决定系统夹点和最小公用工程用量。2014年邓春等[51]基于改进的多杂质赤字率法，提出利用三角图示法，同时引入层次分析法对多杂质氢气分配网络进行优化，经过实例验证，使用该方法优化后的氢网络节氢量大，效益显著。

2.6 氢夹点技术方法优缺点比较

目前国内外提出的氢夹点求取方法主要有以上几种，每种方法都有其优缺点、适用条件和应用范围，见表1。由表1可知，并非所有方法都适用于需要求取的氢网络系统，通过比较可得以下区别。

（1）剩余氢量图解法引入剩余氢的概念，对每种装置需要和生产氢气的纯度和流量能够简单直观地表示，并且能够在网络设计之前直接得到氢气的最小公用工程用量。但该方法需要进行大量迭代计算，效率较低，并且与氢负荷-流量图法以及考虑提纯回用的氢负荷-流量图法相同，不适用于有压力约束和多杂质氢气系统。

（2）严格氢夹点图解法和源组合曲线法都有效地避免了剩余氢量法需要多次迭代的缺点。但严格氢夹点图解法要求系统所用氢气公用工程为纯氢，源组合曲线法只考虑了单杂质因素，并且源组合曲线是折线不易理解。

（3）氢负荷-流量图法以及考虑提纯回用的氢负荷-流量图法简单高效，易于理解，避免了严格氢夹点图解法必须使用纯氢作为公用工程的缺点。但这两种方法不可用于有压力约束和含多种杂质的氢气系统。

（4）多杂质赤字率夹点法和改进的多杂质赤字率夹点法可以用于多杂质系统，且都可以在网络设计之前直接得到氢气最小公用工程用量，改进的多杂质赤字率夹点法省去了多杂质赤字率夹点法需要选择不同杂质排序，多次重复计算的过程，计算效率大幅提高。

表1 氢夹点技术方法优缺点比较

3 结论

氢夹点方法的提出对于氢气网络的优化具有重要意义，对于不同的氢网络，使用适当的氢夹点求取方法可以大大提高计算和优化的效率；各种氢夹点方法都有其优缺点和使用条件，可根据氢网络系统的实际条件和需求进行选择。

对于氢夹点技术今后的发展应加强多约束条件问题的理论研究，并在实践中发现和解决问题。对于氢气资源优化技术建模与求解过程中存在的问题，仅仅通过氢夹点方法可能很难奏效，可以通过对加氢装置进行动力学建模来解决。另外，虽然氢夹点技术计算过程简单易懂，但是对于压力、杂质等因素的考虑还有待进一步优化，通过炼厂柔性优化设计，可以提高氢网络的调节能力，保证系统安全稳定运行，节约运行成本。因此，对炼厂氢气网络进行柔性优化设计也将成为未来几年的重要发展趋势。

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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。

孙晓岩（1979—），男，博士，从事过程系统工程研究。联系人：项曙光，博士，教授，研究方向为过程系统工程。E-mail：xsg@qust.edu.cn。