近些年来随着环境保护法律法规对成品油中的硫含量的要求日益严格致使炼油厂新氢消耗量急剧增加,而原油中硫含量日益增加和原油重质化趋势严重更使得炼油对氢气的需求日益强烈,氢气费用成为炼油企业原料成本中仅次于原油费用的第二成本,因此如何有效利用氢气资源,减少新鲜氢气用量将极大降低炼油厂生产成本,为节能减耗发挥重大作用。本文在综述了国内外对炼油厂氢气网络优化问题研究的基础上,对炼油厂氢气网络优化的相关问题进行了系统而深入的研究。本文从“经济最优”和“操作稳定”两方面对炼油厂氢气网络进行研究。针对前者分别通过夹点法和数学规划法对炼油厂氢气网络进行集成优化,通过降低氢气公用工程用量和提纯装置负荷等方法来降低炼油厂生产成本、提高经济效益。针对后者首先提出了稳定性指数概念来获得抵御流股流量波动能力较强的氢网络结构,然后将鲁棒优化应用于氢网络结构的优化从而获得能够抵御外界环境不确定性因素的炼油厂氢气网络结构。主要工作和研究结果如下：(1)针对氢气网络传统夹点分析法存在的求解过程复杂、忽略了对提纯装置的优化等问题,本文在前人研究的基础上提出了夹点滑动法来对炼油厂氢气网络进行系统分析从而获得集成不同提纯装置模型的氢网络的最小氢气公用工程用量,首次将代表膜分离过程的溶解—扩散模型集成到图形化方法中进行系统分析求解。同时该方法也对提纯过程进行优化,获得提纯装置的最小入口流量来降低分离过程的能耗,从而增加了对全系统的优化能力,将氢公用工程费用和提纯过程负荷降至最低。(2)为详细阐述提纯过程参数对氢气系统公用工程用量的影响规律,本文采用数值化方法系统、直观地分析提纯过程入口流股参数对系统公用工程用量的影响规律,获得了不同条件下的系统最小公用工程用量。分别采用确定提纯产品浓度Creg、氢气回收率R的提纯过程模型,确定提纯产品浓度Creg、尾气浓度Cr的提纯过程模型、膜分离过程的溶解—扩散模型和PSA分离过程模型,研究并获得了不同提纯过程模型下提纯过程对系统公用工程用量的影响规律。(3)针对多杂质氢网络设计过程的复杂性,本文基于最小化混合过程的热力学不可逆性可获得氢网络的最小公用工程用量的原理提出了一种新的多杂质氢网络的设计方法。通过最小化代表混合过程不可逆性的熵变来获得最小氢公用工程用量并以此提出了虚拟浓度的概念。虚拟浓度可用来表征氢气系统中各流股的纯度,采用纯度最接近所满足氢阱的氢源来满足该氢阱,从而获得了多杂质氢网络的设计步骤。(4)为解决所设计氢气网络的稳定性问题,本文提出了稳定性指数,来设计具有较强抵御流股流量波动能力的网络结构。稳定性指数源自对混合流股的浓度波动的描述,通过其图形定义和代数定义均可以求取。网络结构的稳定性指数越小,所得氢网络的抵御流股波动能力就越强,以此通过最小化稳定性指数来获得具有较强抵御波动能力的氢网络结构。(5)针对外界环境的不稳定性因素对炼油厂生产的影响,本文采用鲁棒优化来获得能够抵御这些不稳定因素的炼油厂氢气网络结构。该方法采用一系列场景来代表未来一段时间可能出现的炼油厂生产环境。通过权衡总的年度费用和期望误差来得到一个抵抗场景变化能力更强的可能的优化网络结构。