CN101334130B - 氢气梯级分配管网结构、中间等级及其确定方法 - Google Patents

Abstract

氢气梯级分配管网结构、中间等级及其确定方法，供氢装置和用氢装置仅分别与中间压力等级和氢气纯度中间等级相连接构成氢气梯级分配的网络系统。中间等级包括中间压力等级和氢气纯度中间等级，根据用氢装置的压力需求设置中间压力等级，在每一中间压力等级中根据用氢装置对氢气纯度的需求设置中间纯度等级。这种结构供氢装置与用氢装置之间不直接相连，不仅简化了氢气分配网络的结构，提高了氢气分配网络的可拓展性，而且使得氢气分配网络供氢的控制相对容易，可以使得该氢气梯级分配和输送网络可以在较经济的模式下运行。

Description

氢气梯级分配管网结构、中间等级及其确定方法

技术领域

本发明属于过程系统集成技术，特别涉及一种氢气梯级分配管网结构、中间等级及其确定方法。

背景技术

目前炼化企业中氢气的输送管网结构是将各个产氢装置与用氢装置直接用管道连接，或通过设置高纯度氢气输送主管(例如，炼化企业中的纯氢气总管)和低纯度氢气辅管(例如，炼化企业中设置的含氢燃料气辅管)连接产氢与用氢装置，同时也含有产氢和用氢装置直接连接的管网结构。

第一种氢气输送管网结构将导致产氢单元和用氢装置之间的紧密连接，对于含有较多的产氢和用氢装置的系统，管网结构较复杂，结构不易拓展且网络的柔性较差。当上游产氢装置的流量、压力和氢气纯度等参数发生波动时，可能造成下游用氢装置工况的波动，严重的将导致装置无法正常工作；当下游需要增加或减少用氢装置而需要调整或拓展管网结构时，局部的调整将可能波及整体氢气输送管网结构。另外，为了适应用氢装置的压力输送需求，往往需要在管网系统局部设置较多的压缩机，提高了系统的投资和运行成本，也不利于氢气输送的运行控制。

第二种氢气输送管网结构除了具有第一种氢气输送管网的缺点外，对于氢气主管和辅管中压力和纯度的设置通常是根据产氢装置的高纯度氢气和废弃排放的低纯度氢气或设计者的经验人为设定，而并非根据用氢装置对氢气压力和氢气纯度的实际需求确定压力等级数和氢气纯度等级数，对于氢气输送管网的主管和辅管中氢气压力和纯度的设置也缺乏定量优化设计方法使氢气分配网络系统的能量消耗或总费用达到最优。

对于氢气分配管网的设计方法主要有两种：基于氢夹点的图解法和数学规划法。采用图解法需根据氢气纯度和流量绘制剩余氢量夹点图，可以获得与用氢装置相适应的该氢气分配网络的最小氢气供给量，但无法给出产氢装置与用氢装置之间的具体连接或匹配，在实现产氢装置和用氢装置之间的匹配时设计者需要进行人工匹配，并考虑压力和氢气中各种杂质的限制对所设计的原始氢气分配网络进行调整，管网结构很大程度上取决于设计者的经验；采用数学规划法进行设计时，可以针对前述第一和第二种管网结构进行描述和设计，同时给出该氢气分配网络的最小氢气供给量和管网结构。对于第二种管网结构的设计仅涉及在人为根据经验取定氢气纯度高低的结构设计，而不是根据用氢装置对氢气压力和氢气纯度的共同需要，以使氢气分配系统的能量消耗或总费用达到最优来设置多级中间等级，即按用氢装置的实际需求梯级分配氢气。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种氢气梯级分配管网结构、中间等级及其确定方法，根据用氢装置实际需求的氢气压力和氢气纯度确定和设置氢气梯级分配网络的中间等级，提高氢气分配网络的可拓展性和操作柔性，使氢气分配网络中局部用氢装置的增减和操作变动不改变氢气分配网络的整体结构和操作特性。

为达到上述目的本发明采用的技术方案是：

1)供氢装置和用氢装置相关数据的提取

针对氢气分配系统中的供氢装置提取氢气流股的流量、压力、氢气纯度和杂质浓度数据；对于用氢装置提取所需氢气流股的流量、压力、氢气纯度和杂质浓度数据；

2)初始梯级分配网络的构造和初始中间等级的确定

在任一压力等级IPR中设置q个氢气纯度中间等级IPU，任一供氢装置可与任一中间压力等级和任一氢气纯度等级相连，同样，任一用氢装置也可与任一中间压力等级和任一氢气纯度等级相连，但是供氢装置不与用氢装置直接相连，中间压力等级数p的最大值为用氢装置的数量n，氢气纯度中间等级q的最大值也同为用氢装置的数量n；

3)初始梯级网络的调整

a)压力等级的合并：在初始氢气分配网络中，对于具有相同氢气压力需求的中间压力等级进行合并，以减少中间压力等级的数量；

b)纯度等级的合并：在初始氢气分配网络的同一压力等级中，对于具有相同氢气纯度需求的氢气纯度等级进行合并，以减少同一中间压力等级中氢气纯度等级设置的数量；

c)根据合并后的中间压力等级和氢气纯度等级，调整氢气分配网络的结构设置：建立中间等级中压力和纯度等级的组合，其中中间压力等级按氢气压力由高到低排列；在同一压力等级内，氢气纯度由高到低排列；建立供氢装置与所有中间压力等级的连接，对于任一压力等级，若供氢装置提供氢气的纯度低于用氢装置所需氢气的纯度，则去掉该连接；建立用氢装置与所有中间压力等级的连接，对于任一压力等级，若用氢装置所需氢气的纯度高于氢气纯度中间等级所提供氢气的纯度，则去掉该连接，根据上述要求调整初始氢气梯级分配网络得到初步调整后的氢气梯级分配网络；

4)针对初步调整后的梯级网络再进一步调整，调整时需满足以下限制条件：

①中间压力等级内的流股流量、氢气和杂质的平衡

各个供氢装置流股混合后压缩到各中间压力等级，需满足流股流量平衡，即供氢装置含氢流股i排入压力等级k的第r个纯度等级的流量总和不小于中间压力等级k的第r个纯度等级排入用氢装置j的流量总和

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}\≥\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}---\left(1\right)$

式中F表示氢气流股的流量；

对于流股中的氢气，供氢装置各流股排入中间压力等级k的纯氢量不小于中间压力等级k排入各个用氢装置的纯氢量，各中间压力等级的氢气浓度y_k，r和杂质浓度y_k，r，CS可分别用式(2)和式(3)计算确定：

$y_{k,r}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}{y}_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}}---\left(2\right)$

$y_{k,r,\mathrm{cs}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}{y}_{i,\mathrm{cs}}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}}---\left(3\right)$

式中y为氢气或杂质的浓度，下标cs表示杂质；

②压力

当供氢装置的压力高于与之相连接的中间压力等级时，通过设置的压力调节阀节流使供氢装置排放氢气的压力同中间压力等级压力；当供氢装置的压力低于与之相连接的压力等级时，通过设置的氢气压缩机使供氢装置排放氢气的压力同中间压力等级压力；

由中间压力等级向用氢装置输送氢气时，要求中间压力等级的压力P_k，r，j大于等于用氢装置需求的压力P_j，即

$\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{k,r,j}{P}_{k,r,j}\≥P_j---\left(4\right)$

式中P为流股的压力，Y为判断中间压力等级kr与用氢装置j是否连接的0，1变量。若有连接，则为1，若无连接则为0；

③供氢装置

对于供氢装置供给所有中间压力等级的氢气总量不大于供氢装置的最大供应量F_i，即

$\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}\≤F_i---\left(5\right)$

④用氢装置

每个用氢装置的氢气需求仅由一个中间压力等级中的某一纯度等级氢气提供，用氢装置入口氢气必须满足以下两个条件：

对于流股的流量

$\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}\≥F_j---\left(6\right)$

式中F_j为用氢装置j实际需要的氢气流股流量；

对于氢气的纯度

$\frac{\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}{y}_{k,r}}{\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}}\≥y_j---\left(7\right)$

式中y_j为用氢装置j实际需要的氢气浓度；

⑤流股中的杂质

需要限制相应流股的匹配，即

$\frac{\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}{y}_{k,r,\mathrm{cs}}}{\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}}\≤y_{j,\mathrm{cs}}---\left(8\right)$

式中y_j，CS为用氢装置j限制的杂质浓度；

⑥用氢装置匹配

为了避免中间压力和纯度等级中流股的直接混合，不应存在不同中间压力和纯度等级之间的直接混合来满足用氢装置的需求，需要限制每个用氢装置仅由一个中间压力等级的氢气流股来满足其需求，即

$\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{k,r,j}\≤1---\left(9\right)$

⑦供氢装置流股升压的限制

如果供氢装置中压力为P_i氢气流股排入某个中间压力等级，并且此股氢气的压力不小于该中间压力等级的压力，则该氢气流股不需升压；反之，则需要对该流股进行升压操作，即

式中h_i，k，r为判断供氢装置i到中间压力等级k和纯度等级r是否需要升压的0，1变量，h_i，k，r为1表示需要升压操作，即需要增加氢气压缩机增压，0表示不需要增压操作；

5)最终梯级分配网络的获得

根据步骤1)所提供的供氢装置和用氢装置数据，计算满足步骤4)中所列出的限制条件下的氢气梯级分配网络的效用函数，效用函数选取最高氢气压力和最高氢气纯度供氢装置提供的氢气流量，或整个分配网络的费用，费用中可包括供氢费用、提升压力的能耗费用、压缩机的投资费用等费用值，取供氢装置提供的氢气流量或整个分配网络的费用最小的方案，确定中间压力等级以及中间压力等级中的中间纯度等级。

2、根据权利要求1所述的确定方法得到的氢气梯级分配管网结构、中间等级，其特征在于：供氢装置和用氢装置仅分别与氢气纯度中间等级和中间压力等级相连接构成氢气梯级分配的网络系统，供氢装置与用氢装置之间不直接相连。

本发明根据用氢装置的需求确定氢气梯级分配的中间等级，中间等级包括压力中间等级和氢气纯度中间等级，根据用氢装置的压力需求设置中间压力等级，在每一中间压力等级中根据用氢装置对氢气纯度的需求设置中间纯度等级，供氢装置和用氢装置仅分别与中间等级相连接构成氢气梯级分配的网络系统，供氢装置与用氢装置之间不直接相连，不仅简化了氢气分配和输送网络，而且使得网络供氢的控制相对容易，可以使得氢气梯级分配网络可以在较经济的模式下运行。

附图说明

图1是氢气梯级分配网络结构示意图；

图2是图1中任一中间压力等级中氢气纯度等级结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

1)供氢装置和用氢装置相关数据的提取

针对氢气分配系统中的供氢装置(提供氢气的设备或装置)提取氢气流股的流量、压力、氢气纯度和杂质浓度数据；对于用氢装置(消耗氢气的设备或装置)提取所需氢气流股的流量、压力、氢气纯度和杂质浓度数据。

2)初始梯级分配网络的构造和初始中间等级的确定

在初始氢气梯级分配网络的构造中不考虑氢气纯化装置，并忽略氢气流动阻力，即忽略输送管道内氢气流动的压差，构造如图1所示的氢气分配网络结构。图中SC表示供氢装置，其数量为m；SK表示用氢装置，其数量为n；IPR表示中间压力等级，其数量为p。在任一压力等级IPRi中设置q个氢气纯度中间等级IPU，如图2所示。任一供氢装置可与任一中间压力等级和任一氢气纯度等级相连，同样，任一用氢装置也可与任一中间压力等级和任一氢气纯度等级相连，但是供氢装置不与用氢装置直接相连。中间压力等级数p的最大值为用氢装置的数量n，氢气纯度中间等级q的最大值也同为用氢装置的数量n。

3)初始梯级网络的调整

压力等级的合并：在初始氢气分配网络中，对于具有相同氢气压力需求的中间压力等级进行合并，以减少中间压力等级的数量；

纯度等级的合并：在初始氢气分配网络的同一压力等级中，对于具有相同氢气纯度需求的氢气纯度等级进行合并，以减少同一中间压力等级中氢气纯度等级设置的数量；

根据合并后的中间压力等级和氢气纯度等级，调整氢气分配网络的结构设置：

建立中间等级中压力和纯度等级所有可能组合，其中中间压力等级按氢气压力由高到低排列；在同一压力等级内，氢气纯度由高到低排列；

建立供氢装置与所有中间压力等级的连接，对于任一压力等级，若供氢装置提供氢气的纯度低于用氢装置所需氢气的纯度，则去掉该连接；

建立用氢装置与所有中间压力等级的连接，对于任一压力等级，若用氢装置所需氢气的纯度高于氢气纯度等级所提供氢气的纯度，则去掉该连接；

供氢装置与用氢装置无直接连接；

根据上述要求调整初始氢气梯级分配网络得到调整后的氢气梯级分配网络。

4)针对步骤3)得到初步调整后的梯级分配网络，根据以下设置的限制条件进一步调整梯级分配网络

a)中间压力等级内的流股流量、氢气和杂质的平衡

各个供氢装置流股混合后压缩到各中间压力等级，需满足流股流量平衡，即供氢装置含氢流股i排入压力等级k的第r个纯度等级的流量总和不小于中间压力等级k的第r个纯度等级排入用氢装置j的流量总和

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}\≥\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}---\left(1\right)$

式中F表示氢气流股的流量。

对于流股中的氢气，供氢装置各流股排入中间压力等级k的纯氢量不小于中间压力等级k排入各个用氢装置的纯氢量，各中间压力等级的氢气浓度y_k，r和杂质浓度y_k，r，CS可分别用式(2)和式(3)计算确定：

$y_{k,r}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}{y}_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}}---\left(2\right)$

$y_{k,r,\mathrm{cs}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}{y}_{i,\mathrm{cs}}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}}---\left(3\right)$

式中y为氢气或杂质的浓度，下标cs表示杂质。

b)压力

当供氢装置的压力高于与之相连接的中间压力等级时，通过设置的压力调节阀节流使供氢装置排放氢气的压力同中间压力等级压力；当供氢装置的压力低于与之相连接的压力等级时，通过设置的氢气压缩机使供氢装置排放氢气的压力同中间压力等级压力；

由中间压力等级向用氢装置输送氢气时，要求中间压力等级的压力P_k，r，j大于等于用氢装置需求的压力P_j，即

$\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{k,r,j}{P}_{k,r,j}\≥P_j---\left(4\right)$

式中P为流股的压力，Y为判断中间压力等级kr与用氢装置j是否连接的0，1变量，若有连接，则为1，若无连接则为0。

c)供氢装置

供氢装置的氢气流股排入中间压力等级。供氢装置供应的氢气纯度一般是固定的。对于供氢装置供给所有中间压力等级的氢气总量不大于供氢装置的最大供应量F_i，即

$\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}\≤F_i---\left(5\right)$

d)用氢装置

每个用氢装置的氢气需求仅由一个中间压力等级中的某一纯度等级氢气满足。一般地，用氢装置入口氢气必须满足一定的流量和氢气纯度的需求，对于流股的流量

$\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}\≥F_j---\left(6\right)$

式中F_j为用氢装置j实际需要的氢气流股流量。

对于氢气的纯度，需满足

$\frac{\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}{y}_{k,r}}{\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}}\≥y_j---\left(7\right)$

式中y_j为用氢装置j实际需要的氢气浓度。

e)流股中的杂质

某些用氢装置对氢气中杂质的要求很高。因此需要分析各种供氢装置提供氢气流股中含有的杂质成分及其对用氢装置的影响，需要限制相应流股的匹配，即

$\frac{\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}{y}_{k,r,\mathrm{cs}}}{\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}}\≤y_{j,\mathrm{cs}}---\left(8\right)$

式中y_j，CS为用氢装置j限制的杂质浓度。

f)用氢装置匹配

为了避免中间压力和纯度等级中流股的直接混合，不应存在不同中间压力和纯度等级之间的直接混合来满足用氢装置的需求，需要限制每个用氢装置仅由一个中间压力等级的氢气流股来满足其需求，即

$\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{k,r,j}\≤1---\left(9\right)$

g)供氢装置流股升压的限制

如果供氢装置中压力为P_i氢气流股排入某个中间压力等级，并且此股氢气的压力不小于该中间压力等级的压力，则该氢气流股不需升压；反之，则需要对该流股进行升压操作，即

式中h_i，k，r为判断供氢装置i到中间压力等级k和纯度等级r是否需要升压的0，1变量。h_i，k，r为1表示需要升压操作，即需要增加氢气压缩机，0表示不需要增压操作。

5)最终梯级分配网络的获得

根据1)所提供的供氢装置和用氢装置数据，计算满足4)中所列出的限制条件下如图1和图2所示的氢气梯级分配网络的效用函数。效用函数可以选取最高氢气压力和最高氢气纯度供氢装置提供的氢气流量，或整个分配网络的费用，费用中可包括供氢费用、提升压力的能耗费用、压缩机的投资费用等费用值，例如

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}{C}_{H,i}+C_{c,e}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,k,r}+\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{c,i}{C}_{c,i}---\left(11\right)$

式中C_H，i为氢气费用；C_c，e为压缩氢气的电费；P_i，k，r为供氢装置氢气流股i压缩到中间压力等级k和中间纯度等级r的压缩功耗；N_c，i第i种压缩机的台数，C_c，i为第i种氢气压缩机的单价。

通过比较各种方案，取供氢装置提供的氢气流量或整个分配网络的费用最小的方案，可以确定中间压力等级以及中间压力等级中的中间纯度等级，该方案所描述的氢气梯级分配网络即是最终的网络结构。

本发明的供氢装置和用氢装置仅分别与氢气纯度中间等级和中间压力等级相连接构成氢气梯级分配的网络系统，供氢装置与用氢装置之间不直接相连。

Claims (2)

1.氢气梯级分配管网结构及其中间等级的确定方法，其特征在于：

1)供氢装置和用氢装置相关数据的提取

针对氢气分配系统中的供氢装置提取氢气流股的流量、压力、氢气纯度和杂质浓度数据；对于用氢装置提取所需氢气流股的流量、压力、氢气纯度和杂质浓度数据；

2)初始梯级分配网络的构造和初始中间等级的确定

在任一压力等级IPR中设置q个氢气纯度中间等级IPU，任一供氢装置与任一中间压力等级和任一氢气纯度等级相连，同样，任一用氢装置也与任一中间压力等级和任一氢气纯度等级相连，但是供氢装置不与用氢装置直接相连，中间压力等级数p的最大值为用氢装置的数量n，氢气纯度中间等级数q的最大值也同为用氢装置的数量n；

3)初始梯级网络的调整

a)压力等级的合并：在初始氢气分配网络中，对于具有相同氢气压力需求的中间压力等级进行合并，以减少中间压力等级的数量；

b)纯度等级的合并：在初始氢气分配网络的同一压力等级中，对于具有相同氢气纯度需求的氢气纯度等级进行合并，以减少同一中间压力等级中氢气纯度等级设置的数量；

c)根据合并后的中间压力等级和氢气纯度等级，调整氢气分配网络的结构设置：建立中间等级中压力和纯度等级的组合，其中中间压力等级按氢气压力由高到低排列；在同一压力等级内，氢气纯度由高到低排列；建立供氢装置与所有中间压力等级的连接，对于任一压力等级，若供氢装置提供氢气的纯度低于用氢装置所需氢气的纯度，则去掉该连接；建立用氢装置与所有中间压力等级的连接，对于任一压力等级，若用氢装置所需氢气的纯度高于氢气纯度中间等级所提供氢气的纯度，则去掉该连接，根据上述要求调整初始氢气梯级分配网络得到初步调整后的氢气梯级分配网络；

4)针对初步调整后的梯级网络再进一步调整，调整时需满足以下限制条件：

①中间压力等级内的流股流量、氢气和杂质的平衡

各个供氢装置流股混合后压缩到各中间压力等级，需满足流股流量平衡，即供氢装置含氢流股i排入中间压力等级k的第r个纯度等级的流量总和不小于中间压力等级k的第r个纯度等级排入用氢装置j的流量总和

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}\≥\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}---\left(1\right)$

式中F表示氢气流股的流量；m为供氢装置的数量；

对于流股中的氢气，供氢装置各流股排入中间压力等级k的纯氢量不小于中间压力等级k排入各个用氢装置的纯氢量，各中间压力等级的氢气浓度y_k，r和杂质浓度y_k，r，CS分别用式(2)和式(3)计算确定：

$y_{k,r}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}{y}_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}}---\left(2\right)$

$y_{k,r,\mathrm{cs}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}{y}_{i,\mathrm{cs}}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}}---\left(3\right)$

式中y为氢气或杂质的浓度，下标cs表示杂质；m为供氢装置的数量；

②压力

当供氢装置的压力高于与之相连接的中间压力等级时，通过设置的压力调节阀节流使供氢装置排放氢气的压力同中间压力等级压力相等；当供氢装置的压力低于与之相连接的中间压力等级时，通过设置的氢气压缩机使供氢装置排放氢气的压力同中间压力等级压力相等；

由中间压力等级向用氢装置输送氢气时，要求中间压力等级的压力P_k，r，j大于等于用氢装置需求的压力P_j，即

$\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{k,r,j}{P}_{k,r,j}\≥P_j---\left(4\right)$

式中P为流股的压力，Y为判断中间压力等级k的第r个纯度等级与用氢装置j是否连接的0，1变量，若有连接，则为1，若无连接则为0；

③供氢装置

对于供氢装置供给所有中间压力等级的氢气总量不大于供氢装置的最大供应量F_i，即

$\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}\≤F_i---\left(5\right)$

④用氢装置

每个用氢装置的氢气需求仅由一个中间压力等级中的某一纯度等级氢气提供，用氢装置入口氢气必须满足以下两个条件：

对于流股的流量

$\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}\≥F_j---\left(6\right)$

式中F_j为用氢装置j实际需要的氢气流股流量；

对于氢气的纯度

$\frac{\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}{y}_{k,r}}{\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}}\≥y_j---\left(7\right)$

式中y_j为用氢装置j实际需要的氢气浓度；

⑤流股中的杂质

需要限制相应流股的匹配，即

$\frac{\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}{y}_{k,r,\mathrm{cs}}}{\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k,r,j}}\≤y_{j,\mathrm{cs}}---\left(8\right)$

式中y_j，cs为用氢装置j限制的杂质浓度；

⑥用氢装置匹配

为了避免中间压力等级和纯度等级中流股的直接混合，不应存在不同中间压力等级和纯度等级之间的直接混合来满足用氢装置的需求，需要限制每个用氢装置仅由一个中间压力等级的氢气流股来满足其需求，即

$\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{k,r,j}\≤1---\left(9\right)$

⑦供氢装置流股升压的限制

如果供氢装置中压力为P_i的氢气流股排入某个中间压力等级，并且此股氢气的压力不小于该中间压力等级的压力，则该氢气流股不需升压；反之，则需要对该氢气流股进行升压操作，即

式中h_i，k，r为判断供氢装置含氢流股i到中间压力等级k和纯度等级r是否需要升压的0，1变量，h_i，k，r为1表示需要升压操作，即需要增加氢气压缩机增压，0表示不需要增压操作；

5)最终梯级分配网络的获得

根据步骤1)所提供的供氢装置和用氢装置数据，计算满足步骤4)中所列出的限制条件下的氢气梯级分配网络的效用函数，效用函数选取最高氢气压力和最高氢气纯度供氢装置提供的氢气流量，或整个分配网络的费用，费用中包括供氢费用、提升压力的能耗费用、压缩机的投资费用：

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{i,k,r}{C}_{H,i}+C_{c,e}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,k,r}+\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{c,i}{C}_{c,i}---\left(11\right)$

式中C_H，i为氢气费用；C_c，e为压缩氢气的电费；P_i，k，r为供氢装置氢气流股i压缩到中间压力等级k和中间纯度等级r的压缩功耗；N_c，i第i种压缩机的台数，C_c，i为第i种氢气压缩机的单价；

取供氢装置提供的氢气流量或整个分配网络的费用最小的方案，确定中间压力等级以及中间压力等级中的中间纯度等级。

2.根据权利要求1所述的确定方法得到的氢气梯级分配管网结构、中间等级，其特征在于：供氢装置仅分别与氢气纯度中间等级和中间压力等级相连接的同时用氢装置仅分别与氢气纯度中间等级和中间压力等级相连接构成氢气梯级分配的网络系统，供氢装置与用氢装置之间不直接相连。

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