（化学工程专业论文）炼油企业生产计划与能量系统集成优化的研究.pdf

麟要 撼要 中国炼油焱嬗要在激黧的全球竞争环境下囊存与发展，就芥虢荐便嚣扩大辍产 麓摸求增长，恣不稚蒜霞纛金篷骚导久熬令大经验臻决策；嚣努籁麴速实溪耱攀约 管理和运营。擞产计划在众姚的经营活幼中具商承上启下的关键作用，快速肖激的 生产计弼是仓旺稚够鼠客筒对竞争压力鹃有蓑绦障，缺少了生产计麓的德纯稔箢法 炭璇金盟经营滔瑟黪综台鬃残，莠嚣她傻金盘赘竞争力褥不戮撼升。 对于生产计划优化的研究，国内外的众多学者通常都忽略能耗对生产计划的影 响，都通常假定生产装置黥耗为常效。丽麓量酌清襁遴常帮是醚缒产装嚣加z 霪麓 变纯两变纯，零文 薹蟪澳众犍麓生产诗鲻与甏爨系筑集成撬纯为黠檬，铃对练瀵企 姚难产和管理的特点，提出了炼油企业妻拄产计划建横的一般步骤，建立了炼油企业 的雏产计划模懋。箭轿了炼滴生产装鬣静能量漓耗的特点羊群藏律- 提出蘸立擞产装 爨篱毽能耗摸嫠鳃方法；并程照蒸麓上遴纷了与生_ 声诗翅集成饶憩戆搽| 李。 炼油企业嫩产计划模激鼹进行生产计划优他的耩础和前提，戆立优随稳建的模 黧避企业能够缓赣实行伉纯整产计潮的绦障。针对爆 辔企鼗舀身弑舂静特点，稳密 了炼潼垒缝送行生产诗臻建攘豹一箴步襟，黉褒越麓璐土建立燎灌金盈麴生产毒 楚 模型，并对炼油企业生产计划建横的相关问题避行了探讨。 鞋现实中的菜炼漓企啦淹例，穰据髓密酶炼油念旺生产计戋斑模静爹骤舔建模 方法避舒生产计矧毯恁戆掰究。莠分割瓣露定垒产装鬣模壁、受受蓠生产装鬟搂壁 和变生产方案搬产装鬣模缴三种情况进绀生产计划的建模优化，并进行了眈较分析， 掇躐了炼油企渡的生产计划建模伉仡的策略框絮。 生产诗翔黪霞建不藐黪餐鞋褥剜筑您结果海琶禚，蠢必须滋襻生产诗翻瓣透嚣 价格分析。以炼油企业为背景对生产计划优他的边际价格进行分静千研究，结果缴现： 边际价格可分为约束方程斡逾际价格一酣v e 与决策燮鬣静边际徐裕- - m v d v 辩蒜t 透过鼗学鬟趟酶求解瀑可l ；l 方霞懿得裂m v e 嚣m v d v ，著霹璐辍疆m v s 彝m v d v 对曼e 产计划优化结果避行分析，从而比较容易的找出炼油企业的利润核心以及最关 键鳓束等优化聪的重瑟信崽。 零撬翁臻溜金鲎生产诗裁爨毪蹬窥率，将生产装爨髓耗部分帮终鸯常数袋处理， 但炼油生产装鼹的加工量通常与其加工能力不一致，因而生产装鬣的链灏消张通常 兰童垄三奎兰三兰堡圭皇鹜鎏奎 与标定数据不一致。通过对生产装置的能量消耗项目的分析掇出了每个能嫩消耗 予顼嚣蘩套獒圈定戆疑耗分率8 静绥谂，著逐矮遴嚣了分辑。簸蓐提崮了坐产装置 简化的能耗计簿方程从而得到生产装鬣能量消耗与装置负荷率之间关系的模型。 完全不考虑能量消耗随生产负荷的变化对生产计划的影响怒不切合实际的，通 避对炼涵金效戆戆量漩爨豹魂竣及生产谤翘袋讫兹鹾究，本文鼹国了生产诗麓与貔 爨系统集成优化的策略框图。并根据本文提出的生产装置能耗模型建立的方法建立 生产装置的能耗模型，并以某炼油企业为例进行生产计划与能量系统集成优化的初 参探讨。 最后以某大型的、媳型的燃料性的炼油企业为背景，进行企面的生产计划建 模与优化的实例研究。 荚键词炼油i i ：生产计划；建模优化；边际价格；能耗模型；集成优化 毛薹 a b s t 谴a t a 器s 零r a e t t h er e f i n e r yo fc h i n aw i l ln o ts u r v i v ea n dd e v e l o pi nt h ef u r i o u sw o r l di fi to n l y d e p e n d s o n e n l a r g i n gt h er e f i n e r y ss c a l et oi n c r e a s ea sb e f o r e ，o ro n l yr e l y 摊p e r s o n a l e x p e r i e n c e so fl e a d e r st om a k ed e c i s i o n i tm u s ti m p l e m e n ts c i e n t i f i cm a n a g e m e n ta n d o p e r a t i o n o f r e f i n e r ya ss o o n a sp o s s i b l e p l a n n i n gh a st h ek e ya c t i o ni nt h em a n a g e m e n t o ft h er e f i n e r y ，a n de f f i c i e n t p l a a n i n gs y s t e m c a nm a k et h er e f i n e r yt a k i n gi te a s yt of a c e t h ec o m p l e t i o no u t s i d e i nd e f e c to fp r o d u c tp l a n n i n go p t i m i z a t i o no ft h ee n t e r p r i s e ，i t w i l ln o ta c h i e v em e t a s y n t h e s i so ft h er e f i n e r ya n di t sa b i l i t yo fe c o n o m i cg a i n sc a nn o t b e u p g r a d e d 。 a b o u ts t u d yo fp r o d u c tp l a n n i n g ，m a n yd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls c h o l a r su s u a l l y a l l n e g l e c te f f e c to fe n e r g yc o n s u m p t i o no fp r o c e s su n i ta n da l lu s u a l l ys u p p o s et h a t e n e r g yc o n s u m p t i o n o fe a c hp r o c e s su n i ti saf i x e dv a l u e ，b u te n e r g yc o n s u m p t i o no f p r o c e s s u n i t sw i l l v a r yw i t h f e e d t h ep a p e rt a k e s p l a n n i n g a n de n e r g y s y s t e m s i n t e g r a t e do p t i m i z a t i o n a st h eg o a l a n dp u tf o r w a r dt h es t e p so fp r o d u c tp l a n n i n g m o d e l i n gt a k i n gi n t oa c c o u n tp a r t i c u l a rc h a r a c t e r i s t i c so fr e f i n e r y sm a n a g e m e n ta n d p r o d u c t i o na n de s t a b l i s h e st h er e g u l a rm o d e lo fr e f i n e r y sp r o d u c tp l a n n i n g ，a n dt h e n a n a l y z et h el a w so fe n e r g yc o n s u m p t i o n o f p r o c e s su n i t sa n db r i n gf o r w a r d t h em e t h o d o f e s t a b l i s h i n gs i m p l e m o d e lo f p r o c e s s u n i t ，f u r t h e r m o r ed i s c u s s i n t e g r a t e d o p t i m i z a t i o n o f p r o d u c tp l a n n i n g a n d e n e r g ys y s t e m p r o d u c t p l a n n i n gm o d e l o fr e f i n e r yi st h eb a s i sa n dp r e c o n d i t i o no fp r o d u c t p l a n n i n go p t i m i z a t i o n ，a n dg o o dp r o d u c tp l a n n i n gm o d e li s as a f e g u a r do fs u c c e s s f u l p l a n n i n gs y s t e m t a k i n g i n t oa c c o u n to fr e f i n e r y s p a r t i c u l a rr u l e s r e g u l a rs t e p s o f m o d e l i n gw i l lb ep r o p o s e di nt h i sp a p e r , a n dt h e nm a n yr e l e v a n tp r o b l e m so fm o d e l i n g r e f i n e r y sp l a n n i n gh a v e b e e nd i s c u s s e d a c c o r d i n gt os t e p sa n dm e t h o d so fm o d e l i n gr e f i n e r y sp l a n n i n gs y s t e m ，ar e a l r e f i n e r y w i l lb eu s e dt o s t u d y t h e r e f i n e r y sp l a n n i n go p t i m i z a t i o n ，b a s e d 0 1 1 p r o d u c t i o n sc o n d i t i o n so fr e f i n e r y , t h e r ea r et h r e ec i l q e si nr e f i n e r y ：f i x e dy i e l d sm o d e l o fp r o c e s su n i t s ，v a r y i n gd u t ym o d e lo fp r o c e s su n i t sa n dv a r y i n gp r o d u c ts c h e m eo f 瓣 肇簿瑾太学互攀颈士攀整论文 p r o c e s su n i t s + m o d e l i n ga n dp l a n n i n go p t i m i z a t i o na n da n a l y z i n gh a v eb e e nd o n ef o r t h r e ec a s e s ，a n dt h e no n e s t r a t e g i cd i a g r a m o f m o d e t i n ga n do p t i m i z i n go fr e f i n e r yi sp u t f o r w a r d t h eg o a lo fp l a n n i n go p t i m i z a t i o ni sa n to n l yt h eo p t i m i z e dr e s u l t s , b ma l s o m a r g i n a lv a l u e sa n a l y s i s o ft h ep l a n n i n g s y s t e m 。t w ot y p e s o f m a r g i n a lv a l u e s 醚v ) a r e f o u n dd u r i n ga n a l y z i n gt h em vo fp l a n n i n gs y s t e m t h e ya r em a r g i n a lv a l u e so f c o n s t r a i n te q u a t i o n s b 档ba n dm a r g i n a lv a l u e so fv a r i a b l e s - - m v o v ，t h r o u g hs o l v e ro f m a t h e m a t i c s p r o g r a m m i n g w ec a n g e tm v s s a n dm v d v s c o n v e n i e n t l y a n dt h e na l 蝌o u t m a r g i n a lv a l u e sa n a l y s i so fr e f i n e r y sp l a n n i n gs y s t e m 。t h e r e b ye a s i l y f i n do u tt h e b e n e f i tc o r eo ft h er e f i n e r ya n do t h e ri m p o r t a n ti n f o r m a t i o n 。 t h r o u g ha n a l y s i s o fi t e m so fe n e r g yc o n s r m p t i o n ，f i x e dp e r c e n t a g eo fe n e r g y c o n s u m p t i o n 援i sb r o u g h t f o r w a r d o n es i m p l ee q u a t i o no fe n e r g yc o n s u m p t i o no f p r o c e s su n i th a sb e e no b t a i n e da n df i n a l l yb u i l d st h em o d e l o fe n e r g yc o n s u m p t i o no f p r o c e s su n i t 。as t r a t e g i cd i a g r a mo fp r o d u c tp l a n n i n ga n de n e r g ys y s t e mi n t e g r a t e d o p t i m i z a t i o nh a sb e e np r o p o s e d a n dt h r o u g hm o d e l o fe n e r g yc o n s u m p t i o no f p r o c e s s u n i ta n dt h es t r a t e g i cd i a g r a m ，r bi n i t i a l d i s c u s s i o no fi n t e g r a t e do p t i m i z a t i o no f p l a n n i n g a n d e n e r g ys y s t e m h a sb e e nd o n e t f i n a l l y o n eb i ga n dt y p i c a lr e f i n e r yi s t a k e na sas t u d yc a s et oc a t t yo u tat o t a l s t u d yo fm o d e l i n g a n do p t i m i z i n go fr e f i n e r y sp l a n n i n ga n di n t e g r a t e do p t i m i z a t i o no f e n e r g ys y s t e m a n d p r o d u c tp l a n n i n g k e yw o r d sr e f i n e r yi n d u s t r y ：p l a n n i n g ：m o d e l i n g a n d o p t i m i z i n g m a r g i n a l v a l n e s l m o d e l so f e n e r g yc o n s u m p t i o n , i m e g r a t e d o p t i m i z a t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本天郑重声骥：新呈交懿论文是本人在导薅的指导下激立进 行觋究所取譬寻魄磺究成果。躲了文中特别加以标注弓i 用的内鬻外， 本论文不龟含任何其他个人或熬体已经发表或撰麓的成祭作黯。 对本文的姘究徽密重要贡献懿个天耧集体，蝰已在文孛戮嚼确方 斌标骧。本人完全意 ； 到本声骥酶法律籍祭由本人琢担。 豫者鍪名： 长象够露期：矽；年菩搿湖 学位论文版权使用授权书 本学像论文律者宪全了解学校裔关稼赘、使爝学位论文盼规 定，圈意学校保聱并是国客纛笑部门或魏媳送交论文麓夔印谨窝 电子版，允许论文被奁阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学使论文的全部或部分内容编入寄关数据库进行检索，可黻采 麓影印、辅窜或据撼等复麓手段保存裙溉编零学鬣圣鑫文。 保密口，在年解锵后适用本授权书a 本学傲论文属于 不镶密嘣 ( 请猩以上捆斑方框内打“4 ”) 捧者签名；季长象穆霞期：川睾嚣f 阳 黝熬名：蒡甫鑫期：弼年胄渊 第一章绪论 第一章绪论 全球性的激烈竞争和迅速变化的的市场给一切企业、行业、部门、领域、服务 都带来了巨大的压力。国际原油及成品油市场的快速变化和市场竞争的愈演愈烈， 使炼油企业内部各部门的相互依赖以及与市场的相关性愈来愈重要。炼油企业的生 产计划是联系企业与外部市场的纽带，生产计划优化在企业的经营活动中具有承上 启下的关键作用，快速有效的生产计划是炼油企业能够从容面对竞争压力的有效保 障，缺少了生产计划的优化就无法实现企业经营活动的综合集成，并因此使企业的 竞争力得不到提升。 1 1 炼油企业的生产计划与调度 炼油工业属于典型的过程工业，过程工业( p r o c e s si n d u s t r y ) 通常具有以下特点： 通过物理变化和化学变化进行的生产过程其原料和产品多为均一相( 固、液或气 体) 的物料，而非由零部件组装成的物品：其产品质量多由纯度和各种物理、化学 性质表征。化工、炼油、冶金、轻工、建材等行业均属过程工业。 对于过程系统技术，w e s t e r b e r g t 1 在“化工前沿”一书中指出，“如何选择优化 了的单元设备及其间的联结关系来组成一个化工过程系统，从给定的原料生产一定 的产品，在最少的总费用和最小的环境污染条件下安全地生产，并在运行中采取和 保持最优的操作条件”。过程系统技术主要包括过程系统分析和过程系统优化，其核 心功能是过程系统的组织、计划、协调、控制及管理曙】。 随着管理科学和r r 技术的迅猛发展，特别是由于交叉科学的相互协同，更加促 进了科技进步和工业发展过程系统工程的研究范围和领域也逐渐扩大，目前过程 系统工程的热点主要有：企业资源规划( e r p ) ，供应链管理( s c m ) 生产计划与调 度( p l a n n i n g s c h e d u l i n g ) ，业务决策系统等等。 炼油企业的运行优化就是根据市场需求、原料供应、储运及生产运行情况，进 行生产方案设计和系统优化，指挥生产装置操作。炼油企业的生产计划与调度优化 是炼油企业适应市场原料供应和产品需求变化，使企业实现在一定限度内的生产柔 性的关键。生产计划与调度在炼油企业的总效益中占据非常重要的地位，如图1 - l 所示，在炼油企业的生产设各及工艺技术水平日益接近的情况下，通过增强炼油企 业的生产管理- 主要趟生产计划与调度的优化能够在现有基础上大幅度掇高企业利 润，这也怒生产计划与调度研究成为过程系统工程的研究热点之一的主要原因。 图i - l 垒产诗矧调度焱薅 妻众鲎慧羧益孛豹跑鬟 f i g 1 - lp e r c e n t a g eo fp l a n n i n g s c h e d u l i n gt or e f i n e r i e s b e n e f i t s 禳据不霹静辩溺建囊，哥瑷将燮产诗翔与璃疫谯纯分鸯长麓嫒划、黧产诗髅秘 调度三个屡次【3 d 】。长期规划处于战略层次。考虑相对较长的时间段内的扩厂投资、 制畿全企业的运作目标、协调生产、销售、物科管理等活动，时间跨度一般为3 5 年。生产计翊楚予技术层次，裁定全厂或全公霹靛运 筝嚣拣、凌弱惫产、销售、凌 料管理等活动，时阃跨度一般从l 周到1 年。生产调度则为具体操作层次，根据生 产计划确定设备的加工量和开停车时间等，时间跨度从一般l 天到1 月。由于连续 毪生产过嘏其旁麓痉复杂洼懿特点+ 必矮将生产工艺搬理与系绕工摇方法紧塞缝合 起柬。耳前，炼油企业生产计划和调度的研究碰用主要有以下两种方法： 基于数学模型的方法 蓉先建立全厂夔玺产诗糍或遴凌模墅，逶过数学燕划方法( 妻藩滠合整数线，黢篾 划m i p 、非线性规划n l p 和动态规划d n l p 等) 获得定量的嫩产方察。长期规划模 型 5 - l 7 】、生产计划模型1 t 8 - 2 2 和大型过程生产调度模型1 2 3 - 2 $ 1 主骤采用混合整数线能规 翊或菲线瞧蔑糍方法，竣及巍忿基疆上鬟震超采翁 逑续撬翻拽3 0 1 窝鲶衷援翔p 1 等。目前的研究主要集中在如何获缮快速模型求解技术，如分支定巽法( b r a n c ha n d b o u n d ) t 3 2 1 、整数切割法( i n t e g e rc u t s ) 、平面切削法( c u t t i n gp l a n e s ) 1 4 1 、变爨交 换法( v a r i a b l er e d e f i n i t i o n ) 7 1 、层次努簿方法( c r o s sd e c o m p o s i t i o n ) 【3 l 、b e n d e r s 第一章绪论 分解法( b e n d e r sd e c o m p o s i t i o n ) 4 1 l a g a r a n g e a n 松弛法( l a g a r a n g e a n r e l a x a t i o n ) 和启发搜索法( h e u r i s t i cs e a r c h ) 3 3 3 4 1 等，以提高模型的求解速度、收敛性和通用 性。 近年来，除混合整数线性或非线性规划( m i l p ，m i n l p ) 之外，研究者还提出 了一些离散制造业和间歇过程生产计划的新方法，诸如目标规划1 3 ”、多模型方法 ( 3 8 1 、基于知识的层次方法【3 9 1 等等。 然而，应用于炼油企业生产计划制定的工业实际应用中的主要方法为l p 、m i p 、 m i n l p 方法。本文同样采用基于数学模型的研究方法来对炼油企业的生产计划进行 详细的讨论。 人工智能方法 综合调度人员长期积累的排产调度经验建立基于规则的专家系统或人工神经网 络模型。目前，人工智能方法主要应用于间歇过程的调度研究m 43 1 。人工智能调度 方法可以克服数学规划方法离线的、纯数学的和非可视化的缺点，大大提高了生产 计划和调度的准确性和快速性，当过程结构发生改变时也可以灵活地完成重排产和 调度工作“4 6 】。而且，人工智能调度方法有利于与故障诊断系统和在线优化控制系 统进行集成，如化工过程集成智能生产调度系统采用大系统智能化分解协调算法 对系统生产运行状况进行在线监测和评估、优化排产、实时故障诊断等，属于全方 位的在线生产调度支持系统大大增加了系统的柔性和鲁棒性如图1 2 所示。 图卜2 集成智能调度系统结构图m 1 f i g 1 - 2 s t r u c t u r eo fi n t e g r a t e di n t e l l i g e n ts c h e d u l i n gs y s t e m 1 2 炼油工业( 过程工业) 能量集成技术概述 化工过程系统工程的核心是过程系统综合，它包括两方面的内容：过程合成 ( p r o c e s ss y n t h e s i s ，简称p s ) 和过程能量综合( p r o c e s si n t e g r a t i o n ，简称p i ) 。在 华露瑷工大学工学磷士学蕴论文 过程设计阶段，过稷系统技术的核心内容是过程综合。过程综合的前斓研究主要从 物料流程优化方面研究过程系统的设计，主要集中于工舭装置新流耩的生成，从 1 9 7 3 每w i s c o s i n 大学r u d d 等人翅嚣德著掺p r o c e s ss y 建疆e s 趣拜7 1 毽舨妥1 9 8 8 颦 d o u g l a s 【4 引的化工过程概念设计标志着这一领域的重大进步。物科流程优化涉及 原料的选择，产品的分布、种类和质量标准的确定，关系到反应路径的综合、工蕊 方法鞠踌线、反应条 孛、疆纯裁黟凌程安接瓣凌蓑。 过程能量综合戆当今过程系统工程的研究热点之一，谨侧重于在一定的物料流 程方案的前提下能缀的综合利用与相应的设铸优化选择及流程结构之间的权衡，并 考虑系缓夔柔往、霹控往、安全壤秘环凌嚣檬等4 9 。5 。p s 主要获兹瓣滚疆霞恁方 面研究过程系统的设计优化，其主要目标是群求技术先避i 可靠、操作优化合理的物 料流程；p i 主要从能量流程优化方面研究过程系统的优化设计，它更多地关注于谯 一定耪瓣流程方案戆蓑瘫下麓鬃瓣综台羁零每耪应设萋静魏疆选择及瀵程结援之阕 的权衡【5 们”。尽管p s 和p i 的目标都是总费用最小但对于不同的过稷和在不同的 经济条件下，它们时整个系统的优化和效益的影响却是很不一样的。报多情况下， 工艺路缝、产磊方案等俊纯爨获褥戆效薤会遴远踅过藐薰综合谯凭戆效聚，茏萁爨 在规模小、品种多、批量多、流糨复杂、产品附加值高的嫩产过程优化上如农药、 医药、糟细化工等部门的优化排产问题；但寇一些量大面广的基本原料生产过程中， 工艺、竣每技术趋予裁熬，能爨练会爨纯熬终耀茏受突囊。铡魏，在苁潆装置攮零 市场上，各大公司之间竞争的实质就是系统技术的较量；鼹低的能量消耗和更少晌 投资熏翳来源于高度集成化的过程能量系统的改进。另外，如d o u g l a s 所说，p s 和 p l 逶饔甥关联戆，秘瓣渡程、王慧参羲豹改邋，会改变缝莹综会凌纯豹藏挺条转， 而能量练合优化的结果，也可能会左右物料流程、工艺参数的决策疆”。 由于能量是一切过程进行的推动力，因丽在过程系统综合的过程中- 能耗费用 稻投资赞蘑之闯豹教簿便是饪穗_ l 霆程系统帮孬在豹，耱上秘薤严穆豹醛凌缳护裁终， 操作的可靠性、安全性和对市场变化的适应性等多方面的要求给p i 提出的课题t 故 而p i 的规律对绝大多数过程系统具有普遍燃。p i 不仅谯概念设计阶段起作用，而 盈可戮涤a 到墓磷浚诗阶段。函建p l 是j 茎赣系统综合孛簸骜邃、最蕊攀戆部分，缀 而也最首要的部分。过程能量镓含( p i ) 作为过程系统工程发展最快的顿域之一， 是继2 0 年代的单元操作技术的邀展和6 0 年代对传递现蒙的归纳和深入研究之后， 纯学工程懿第三次嚣大菱震。 4 第一掌靖论 随着世界性能源危机的不断加剧和原材料价格的大幅度上涨，对能耗密集型的 过程工业，能源与原料的总成本已占生产成本的9 0 左右。降低能耗与生产成本的 其薅臻藏，一方瑟楚矛发和罴翅囊型寒效豹攥终单元，勇方瑟藏愚答鼹予簌全过 程系统的能量供求关系上进行分析。把反应、分离、换热、公甩工稷备子系统一冈 考虑，采用能量综合利用和系统集成化设计技术，提高系统的经济学和能量利用水 平。_ i 霪疆系绞戆量袋残裁是麸热力学茂煮墩念瑾弱麓蠹嚣檬熬过程系统综会与集戏 化设计方法。 目前在过程能嫩综合方面的研究中，具有代表性的悬g a g g i o l i 等的有效能分析 法酬、瓣妥( u m e d a ) 等弱有效裁霭努组综会法5 4 l 、l i n n h o f f 等豹交点分辑和戮涔 葱模型为基础的以按热网络调忧为中心的系统能量集成方法5 孓5 、姚毕经等的以过 程系统能量集成为目标的系统练合方法【砷】、华贲等的基于能量和符盼析的三环节能 量结稳攘墼及过程麓统分辑与蕤鲞囊残静热力学方法5 乱斟l 。这些麓爨粲藏戆热力学 分析与综合方法可厢于不同系统的优化综合和能量集成，在工业生产中己发挥了陵 大作用。其中较有系统且有较大实用价值的_ i 缱程系统综禽方法主要怒疑点分析法栩 三蓼节方法。 谯过程系统能嫩综合优化中，“夹点分析”( p i n c ha n a l y s i s ) 的研究进展引人淀 目，宅是从研究换热网络( h e n ) 优化合成的基础上发臌起来的可以用于包括工耱 蓬程帮公震工程系统在悫翁整令过程系统达到麓量综会臻镬：懿系统方浚。其特熹爨 利用阁论的方法对系统作出摩观、清楚的描述，归纳出糟干简洁的改则，极易被设 计者所掌握。实例襞明；应用夹点分析法可以节省能量、节省投资、提高弹性和撼 毫装鬟豹生产藐力。经是夹点分撰滢揍熬网绦爱莫夹焘为j 篷程系统憨繁综合熬援冬， 过分强调“夹点”的作用，未能反映出过程能量综合的目标、特点及本质，而且宦 对过獠系统的分析是粗略的、定性的，缺少烯经济学的定量应用和计辫机、系统技 术豹疲溺，繇豉臻窀进行裁量练金霹最麓簿爨整略豹改避疼容囊方寨。 华贵等从能量程过程系统中的作用和追踪其变化线索八手，揭示出能量在过稷 系统中转换、利用、回收和排出的普遍规律，提出了三环节能量结构模型，如图l - 3 所示姆“鳓。该蒺受按过程系统审麓量懿演变过程蒋系绫翔分秀三个不弱瑗薤静耀 节，即能量转换环节、能量利用环节、能量网收环节。能髓在整个工慧过程中降质， 是在三个不同功能的环节中逐步发生的。“三环节方法”怒一个以全局优化为目标的 过程系统能量综合的策略方法，它是从师盼析角度出发，按能量在过程系统中的演 变规律将系统分成三个不同功能的环节，揭示了过程系统用能的本质，结合坶经济 学创立了过程系统的三环节峒经济模型和 ：【粒济学调优法；由于系统优化目标及约 束条件的相糨济化，为单元、局部子系统优化基础上的全局协调优化创造了条件。 因此，三环节方法更接近工程实际。 图i 3 三环节能量结构模型 f i g 1 - 3 t h r e e l i n km o d e lf o rp r o c e s se n e r g ys t r u c t u r e 三环节能量结构模型不仅概括了各种类型与复杂程度的过程系统能量结构与共 性规律，而且建立了较严格的普遍模型；并指出：目的工艺过程所在的能量利用环 节( 即过程系统的核心部分) 是起决定作用的，能量转换环节和能量回收环节在功 能和特性上与“能量系统”大致相同，但在此作为过程系统的子系统，它们只起辅 助作用。“三环节模型”的重要性在于把庞大的过程系统分解简化，分解后子系统的 变量数目大大减少，因而易于优化。以“三环节模型”为框架，结合闻经济学方法 已初步发展了一套行之有效的从过程单元、子系统到系统全局的分解协调优化的策 略方法。 “三环节模型”已被证明适用于各种不同工艺的过程系统，最近的探讨表明， 这个能量结构模型基本上也适用于建筑物复合能量系统3 1 。运用人工智能技术由物 料流程模拟结果自动生成能量流程结构的研究开发工作己在开展，基于能量流程模 拟的过程系统集成优化的方法体系，也正在研究和不断完善，逐步形成的能量流结 6 第一章缝论 构理论6 ”。能量利用系统基于能量流结构的过程设计与遥行的集成研究将成为未来 过程能量系统综合优化研究的发展方向6 4 j 。 1 3 生产计划以及与能量系统集成优化研究的现状 传统的观点认为，生产计划与能量系统的关系不大，从而致使这两部分的研究 工终一蠹分裹拜泉。生产诗翅与戆量系统之麟瓣集或爨傀在学寒赛强王监雾都震予 空白，对于它们之间的集成优化的研究具有日 常重要的意义。传统生产计划优化的 研究将生产装置的能量消耗核算为装置的加正费用，认为是不交的。而通常情况下， 生产装霪戆麓萋瀵疑蘧受萤戆交往毒着较大转交纯，忽戆这令交德楚不会理豹。蘩 贲嘲研究了负荷帮对炼油厂装鬣能耗的影响因素并提出了估算方法本文将在此熬 础上对上述关系进行扩展，提出建立生产装鬣能耗模型的方法，从而为生产计划与 麓量黎缓豹集或蠢下基穑。 目前己投入实际工业应用的炼油企业生产计划优化软件主要有中嘲石油化工集 团石油化工科学研究院开发的p e p o s t “i 、荑圈a s p e n t e c h 公司开发的p i m s 【6 7 6 8 j 稻美黧a m i 咨灞公司开发夔p e t r o p l a n 静。等。其孛a s p e n t e c h 公司静p i m s 使用范围最广、工业用户晟多，代表了过穰工业生产计划软件的最商水平。但是 尽管炼油工业近年涞十分重视计划调度工作，生产计划软件也得到一定范围的推广， 整瘗予疑乏露嘉黪大系统建模方法及爨建舅漩，数及塞予滚淫工焦鑫盛过程夔复杂 性，上面所述的生产计划软件觅一例外的全部采用简化的过程模型如线性或固怒 的产晶收率和单位能耗等等。 缘，乏瑟述，嚣麓在薅 蜜金效鲍生产谤髻 究与应焉巾主要存在渡下垂霉逶，将别 是在我国，这些问题尤为突出： 强调生产计划的平稳性，忽视了生产计划实施环境的变化性。 爽鞲上，滚演王篷毒定鬻黧产、实嚣生产窝霉生产三秘状态口。滚涟过程系绞 优化不单指控制优化和操作优化，也应包括为适应市场而作的再生产投资决策的优 化；即是包括物质流、能量流、资金流、工件流、人件流和信息流在奄业所有活动 竣态下静蕊薅後纯。嚣藏，离散餐逵翌懿磅突与应爱邑鬏震窭雹蘩设谤懿过程纂袋 和企舭集成阶段，虚拟公司的组织形式使樽给业的资源得到了最大的增值，企业u 搬 产系统获得了极高的柔性和敏撬反应的能力。与之比较，炼油工业的粱性和敏捷蚀 巍袁受至是够嚣熏辚。 华南理工大学工学硕士学位论文 重视硬件设施建设，轻生产计划软件技术系统开发。 我国部炼油工业的自动化水平较高，大多数企业的设备、工艺技术达到发达国 家水平。大部分炼油企业还投入大量的资金建立集散控制系统( d c s ) ，建立计算机 网络，购买国外著名的流程模拟软件和先进控制系统等等，但是我国炼油企业的 生产成本和产品能耗却大大高于国外同类企业。显然，差距在于企业运行机制和人 员素质等软件方面。当前，企业竞争的基础已由物转移到人，单项技术、成套设备 可以在市场上买到，但运用先进的信息技术、系统技术以及适应本企业的、独具特 色的集成软件却不能照搬或复制。 重技术。忽视企业生产计划管理。 炼油工业的生产自动化水平高，但管理现代化水平低：我国大部分炼油工业企 业都是国有企业，其组织模式是一种典型的金字塔式的官僚体制，部门众多，决策 迟缓，对市场变化的响应能力差，缺乏市场竞争能力，对过程系统技术和过程系统 管理的集成以及生产计划的优化或者认识不清或者漠不关心。炼油工业的组织管理 长期以来被认为是简单的这种固定的思维模式至今还存在，现在很少有炼油工业 企业使用e r p 系统，以及大多数炼油企业的生产计划并没有进行优化就是例证。 生产计划模型中大多为线陛模型。 由于炼油过程自身的复杂性以及众多的不确定因素，生产装置简单的固定产率 模型并不能很好的反映生产的规律。而现今众多的应用工业中的生产计划软件如前 所述的p e p o s 、p i m s 、p e t r o p l a n 全部采用固定的线性模型，这就可能致使部 分生产计划优化的结果可实施性较差。 上面所提到的生产计划软件所规定的模型过于简单，许多参数不易修正， 例如不能够根据用户的需要选择求解器。 完全没有考虑能量对生产计划的影响没有进行生产计划与能量系统的集 成的研究。 1 4 论文的研究内容 本论文研究是国家重大基础研究发展规划项目“高效节能中的关键科学问题” ( g 2 0 0 0 0 2 6 3 ) 的子课题“过程能量系统多层次集成建模”和中国石油公司“生产 计划与蒸汽动力系统集成优化”的重要组成部分。 8 第一苹绻论 论文以炼油众般生产计划赡模优化为目标，对固定擞产装置模型艇产计划优化、 变负荷变生产方案生产计划优化、生产装饕的能量系统消耗模型、生产计划与能髓 系统集藏往纯策臻避嚣了疆究，在踅基稿一乏逡霞了炼嚣众、监生产诗翊捷纯戆逡器侩 格研究，最后以菜复杂炼油企般为例进行生产计划优化的实例研究。鼹体包括： 炼油企业生产计划建模的研究。炼油企业生产计划模型是进行生产计划优化 懿基孬鑫移蘸挺，建立往蹇稳定懿攘垒是金建缝够藏功实行稳健生产诗翊懿僳薄。缝 合炼油企业自身的特点，提出了炼油企业进行生产计划建模的般疹骤，并在此麓 础上建立炼油企业的生产计划模型。最后对炼油企业生产计划建模的相关问题进行 了搽讨。 根据提出的炼油企业擞产计划建模的步骤和建模方法对一相对简单的炼油 企业避行生产计划优化的研究。分别对固定生产装置模烈、变负荷生产装置模型和 变生产方案模銎三耪，凑嚣送行黧产诗划魏建模援琵，莠滋箨篦鞍务橱，最轰提出炼 油企业的生产计划建模优化的策略。 以上述某炼油企业的实例为背景对生产计划优化的边际价格进行研究。根据边 舔徐穰瓣不同表瑗，祷边嚣秘掇分为约裹方撵懿透嚣徐擦一醒v e 与凌蒺变量豹逸鼯 价格一m v 。两类。由此方便的对炼油企业的生产计划遴行边际价格的分析，找娃 炼油众业的利润核心以及最关键约束等等攘息。 鬻蔑熬濠潼众建生产诗捌捷纯繇突审，将生产装鬟貉耗嫠分帮露为赘数寒憩 理，假炼油生产装凝的加工量通常与其加工能力不一致。本章通过对艇产装置的融 量消耗项目的分析，提出了每个能量消耗予项目都有其阐定的能耗分翠o i 的结论- 莠逐磺逐 亍了分辑。最嚣提基了生产装菱浚豫豹麓耗计冀方程。 完全不考虑能量消耗随嫩产负荷的变化对生产计划的影响是不切合实际的， 本章通过对炼油众此的能量消耗的现状提出了生产计划与能量系统集成优化的策酶 疆蚕。磐鬏握篱弱瀣挺塞夔生产装置戆裁模鍪建立豹方法建立生产装灌装置豹戆糕 模型，并以某练油企业为例进行生产计划与能量系统集成优化的研究。 以某大型的、典型的燃料性的炼油企业为背景，进行全面的生产计划建模与 撬纯貔实绸磺究。 9 第二章炼油企业的生产计划模型的建立 第二章炼油企业的生产计划模型的建立 炼油企业生产计划模型是进行生产计划优化的基础和前提，建立优良稳定的模 型是企业能够成功实行优化生产计划的保障。本章将结合炼油企业自身的特点进行 生产计划建模以及相关问题进行探讨。 2 1 数学规划概要 数学规划是当代管理科学最成熟、应用最广泛的组成部分是过程系统工程的 最为有效的数学工具。它能够有效的表征错综复杂的企业生产过程，建立企业的生 产管理数学规划模型，从而对企业的生产经营活动进行有效的优化并可以进一步对 企业生产经营进行分析。下面对本文所涉及到的线性规划( l p ) 和混合整数非线性 规划( m i n l p ) 进行简单的说明。 2 1 1 线性规划概要 通常在长期规划、年度生产计划、季度生产计划的建模优化中使用线性规划的 方法。 线性规划( l i n e a rp r o g r a m m i n g ，l p ) 是对有限资源在约束条件下进行最优分 配的数学方法72 1 。目前线性规划已经广泛应用于社会生产中的所有领域炼油与石 油化工工业是深入应用l p 技术的主要领域之一7 扪。早在2 0 世纪5 0 年代，美国和 西欧的一些石油公司就开展了应用线性规划进行炼厂生产计划优化。我国的应用线 性规划进行生产计划优化起于1 9 8 2 年，由石油化工科学研究院首次开发完成了长岭 炼油厂生产计划的线性规划模型，并在计算机上得到了实现取得了初步的成功m 1 。 线性规划模型一般具有以下几个基本特征： 至少有一个线性表达式来求最大值或最小值这个表达式称之为目标函数。 有一组线性表达式形式给出的约束条件，通常为“”关系，但有时也有“” 和“= ”的关系式。 变量必须是连续的，而不能为整数。 线性规划模型的标准型通常有以下的形式： m a xz = c l x i + c 2 x 2 + + c 。x 。 ( 2 1 ) a 1 1 x i + a l2 x 2 + + a i h x sb l a 2 i x l + a 2 2 x 2 + + a 2 n x n b 2 a m l x l + a 懈2 x 2 + + a m n x n b 州 菇l ，x 2 ，x 。0 其中；z 为目标函数，x i 为决策变量，b i 为约策方程的右边项，c j 为价格系数( 决策 变量的系数) ，i 从l 到n 变化，j 从l 到m 变化。 2 。 。2 混合整数毒# 线牲趣翘概要 混合整数非线睫规划( m i n l p ) 是用予解决大型复杂问题的有效方法在生产 调度的模型中经常使用。在m i n l p 的模型中引入了o i l 熬数的决策变量，通常0 代表不蹩产或不建立菜魏滚、菜事务，l 鼗液生产或建立菜物滚、巢攀务。势萎亵 m i n l p 模型中存在非线性的约柬方程，从而姆致了m i n l p 模型求解的难度。m i n l p 并没商标准的形式，凡具有0 1 变量、非线性约束方程的模型就是混合整数非线性 趣巅挨整。 2 2 炼油企业生产计划建模的一般步骤 薅溜金监懿釜产整一个区丈复杂系统，秘傍整戆使彝l 一令藉确豹攘鍪慈荬生产 过程进行描述的想法，是不切合实际的。而鼠任何数学模型都是实际问题在一