（控制理论与控制工程专业论文）油品调合配方优化及短期调度问题研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 油品调合是炼油厂生产成品油的关键环节，包含多种组分和产品，上百个储油罐， 不同的订单需求，严格的质量测试，是一个大规模的调度问题，涉及到复杂的物理和化 学变化。对油品调合过程进行系统分析、整体优化与仿真，无疑是非常复杂和至关重要 的，因此，建立完善的油品调合数学模型成为炼油工业调度问题的一个首要任务。 本文首先综合分析了国内外关于油品调合的研究情况及炼油厂的应用现状，按照多 模块、分层次控制思想，提出了油品调合综合解决方案，用以解决油品调合的实施问题。 其次，针对现有油品调合配方优化模型不够准确和求解速度较慢的问题，为了有效的处 理油品中的非线性属性，实现模型的线性化，建立了一种新的油品调合配方优化线性规 划模型，提出了一种迭代方法来求解该模型，使其能快速准确的提供油品调合优化配方。 最后，建立了种混合整数线性规划模型来同步解决油品调合中的配方优化问题和短期 调度问题。并且按照时间域的不同，分别建立了离散时间域模型和连续时间域模型，采 用迭代方法对这两个模型进行求解，从而为实际应用中油品调合具体问题提供灵活快速 有效的解决方法。炼油厂的应用实例证明了本文所提模型的有效性。 关键词：油品调合：配方优化；短期调度；迭代过程 雷剑：油品调舍配方优化及短期调度问题研究 r e c i p eo p t i m i z i n ga n ds h o r t - t e r ms c h e d u l i n g f o ro i lb l e n d i n g a b s t r a c t _ o i lb l e n d i n gi sak e yu n i ti nr e f i n e r y t h i su n i ti n c l u d e sm a n yk i n d so f c o m p o n e n t sa n d p r o d u c t s ，h u n d r e d so fo i ls t o r a g et a n k s ，d i f f e r e n to r d e rd e m a n d sa n dr i g i dq u a l i t yt e s t ，r e l a t e s t oal a r g en u m b e ro fc o m p l i c a t e dp h y s i c sa n dc h e m i c a lr e a c t i o n s ，a n di t i sal a r g es c a l e s c h e d u l i n gp r o b l e m i ti sv e r yc o m p l i c a t e dt oa n a l y z e ，o p t i m i z ea n ds i m u l a t es u c hal a r g e s y s t e m ，e s p e c i a l l ym a t h e m a t i c a lm o d e li s t h ee m p h a s i s t h e r e f o r e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l b e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni nr e f i n e r ys c h e d u l i n g f i r s t l y ，t h i st h e s i ss y n t h e s i z e sd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h f r u i t sa n dc u r r e n t s i t u a t i o no fo i lb l e n d i n g ，a n da c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lt h i n ko fm o d u l a r i z a f i o na n dh i b e r a r c h y ， p r e s e n t sao v e r a l ls o l u t i o nf o ro i lb l e n d i n g s e c o n d l y ，t h ee x i s t i n gr e c i p eo p t i m i z a t i o nm o d e l s o fb l e n d i n gp r o c e s s e sa r en o ta c c u r a t ea n df a s te n o u g h ，s ot h i st h e s i sp u t sf o r w a r dan e w l i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e lf o rr e c i p eo p t i m i z a t i o n i no r d e rt op r e s e r v et h em o d e l sl i n e a r i t y ， a ni t e r a t i v ep r o c e d u r ei sp r o p o s e dt oe f f e c t i v e l yd e a lw i t hn o n l i n e a ro i lp r o p e r t i e s ，w h i c hc a n q u i c k l yp r o v i d eo p t i m u mr e c i p e sf o ro i lb l e n d i n g l a s t l y ，t h i st h e s i sp r e s e n t sam i x e d i n t e g e r l i n e a rp r o g r a m m i n gf o r m u l a t i o nt h a ta d d r e s s e st h es i m u l t a n e o u so p t i m i z a t i o no ft h er e c i p e o p t i m i z i n ga n ds h o r t - t e r ms c h e d u l i n gp r o b l e m d e p e n d i n go nt h ed i f f e r e n c eo ft i m ed o m a i n ， ad i s c r e t e t i m em o d e la n dac o n t i n u o u s - t i m em o d e la r es e tu pr e s p e c t i v e l y b o t ho ft h e ma r e a l s od e a l tw i t ha l li t e r a t i v ep r o c e d u r e p e o p l ec a nb a s eo nt h es i z ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fo i l b l e n d i n gp r o b l e m ，c h o o s eo n eo ft h e ma n dg e taf l e x i b l ea n de f f e c t i v es o l u t i o nt h en e w m e t h o di si l l u s t r a t e db ys o l v i n gr e a lw o r l dp r o b l e m si nr e f i n e r yw i t hv e r yl o wc o m p u t a t i o n a l r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：o i lb l e n d i n g ；r e c i p eo p t i m i z i n g ；s h o r t t e r ms c h e d u l i n g ；l t e r a t i v e p r o e e d u r e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：! 堑生1日期：区型：型：盘 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者丝名仰i v 创 作者签名： ，l l 导师签名 之堕年丝月坐目 大连理工大学硕士学位论文 口 化工、石化、炼油、能源、制药、造纸、冶金、采矿、电力、食品等流程工业，在 我国的国民经济中占有举足轻重的地位。而我国所有的流程工业行业，均存在能耗高、 成本高、劳动生产率低和资源利用率低的特点，与国际先进水平有很大的差距。能耗普 遍比国外先进水平高出3 0 ，生产成本普遍高出国外1 2 倍，而劳动生产率却只及国外 的2 0 3 0 ，严重影响了我国流程工业企业国际竞争力的提高【lj 。为此，用先进技术， 特别是信息技术对我国的流程工业进行现代化改造，对于增强国家的经济竞争实力和国 家安全都是至关重要的。 流程工业综合自动化系统又称为计算机集成过程系统( c i p s ) ，是指将计算机集成制 造系统( c i m s ) 应用到流程工业，应用信息技术实现生产和管理过程的优化，提高企业经 济效益。它包含三个层次：( 1 ) 以过程控制系统( p c s ) 为核心的基础自动化层；( 2 ) 以制造 执行系统( m e s ) 为核心的运行优化层；( 3 ) 以企业资源计划( e r p ) 管理为核心的企业生产经 营优化层 2 。网络、数据库和数据处理技术的应用，给基础自动化层增添了许多新的内 容，但集散控制系统c s ) 仍然是其主要内容。尤其在石油化工企业中，d c s 的应用程 度相当高。流程工业的企业资源管理主要包括产品和物料管理、设备资源管理、产品质 量数据管理、客户管理和供应链管理等。位于中间以m e s 为核心的运行优化层主要包 括先进建模与流程仿真技术、先进计划与调度技术、实时优化技术等。流程工业的生产 过程与离散制造业的生产过程有本质上的不同，需要不同的建模和优化方法，以及生产 计划和调度的技术。因此，m e s 中的关键技术是我国实现流程工业综合自动化特别需要 研究和开发的领域。我们迫切需要以生产过程m e s 为主的综合自动化技术和软件，而 生产计划和调度是其中重要和关键的一项内容。计划调度系统是企业生产活动的组织和 管理中心，它的编制科学与否直接影响企业的正常生产和经济效益。通过它对生产活动 的分析和优化，可以赋予企业生产活动以柔性，以适应市场变化，降低生产成本，实现 企业利益的最大化【3 l 。 在炼油企业中，生产装置多、产品种类和型号多样、生产周期长、物流复杂，企业 中的物质流、能量流、资金流相互影响，是典型的大系统。对这样的大系统进行系统分 析、整体优化与仿真，无疑是非常复杂的，尤其过程模型的建立是非常关键的，因此， 建立完善的数学模型成为炼油工业调度问题的个重要研究方向。 炼油厂的炼油过程大致可以分解为三部分：( 1 ) 原油卸载、混合和库存控制；( 2 ) 分馏 和反应过程；( 3 ) 成品油调合、调度、存储和运送。第三部分油品调合系统通常被认为是 最重要和最复杂的。因为油品调合是炼油厂生产成品油的最后一个环节，对企业的利润 雷剑：油品调合配方优化及短期调度问题研究 有着举足轻重的影响，另外，原油的价格不断上涨，产品的等级越来越多，质量指标越 来越高，来自政府的新的规章制度，满足质量要求的调合范围越来越窄，增加了问题的 复杂性。 所谓油品调合及短期储运调度是指有效利用油厂现有资源，尽量使用成本较低的组 分油混合获得合格的价值较高的成品油，满足所有订单要求，同时使工厂效益最大化。 主要考虑两方面问题。一方面是关于产品的物流，主要包括不同约定日期的多种产品需 求，产品和组分的库存油罐、油泵约束以及不同的操作及运作规则。大部分这些特性都 是典型的调度问题，通常在优化框架内建模为离散或连续的决策。另外一方面是产品的 质量，产品的质量指标计算包括非线性计算，为标准的调度问题增加了难度。 由于油品调合与短期调度对于企业经济效益的增长具有很大的影响，所以无论是国 内还是国外对其都相当重视，r i g b ye ta 1 讨论了德士古公司使用的离线多周期调合决策 支持系统【4 】，因为这些软件包只用来解决调合问题，资源和时间必须事先通过手工或特 定方法设定好。为了能同步解决所有子问题，o l i s m a n n 和g r u h n 提出了一种两层优化方 法，首先用非线性规划模型产生油品调合优化配方，然后作为固定配方集成到混合整数 线性规划调度模型中，来解决时间和资源调度问题 5 】。通过这种方式，就不用解大规模 混合整数非线性规划模型，只须解析连续的非线性规划模型和混合整数线性规划模型。 j i a 和i e r a p e t r i t o u 提出用混合整数线性规划模型解决油品调合及储运调度问题 6 1 ，但他假 设在该模型中油品调合配方是固定的，而油品调度配方是变化的，油品调合配方优化没 有集成到调度模型中。 尽管许多数学规划方法被提出用来解决油品调合及短期调度问题，但为了减少问题 的复杂性，大多数方法都是在满足特定的假设条件下才可用，在解决实际问题时往往无 效或效果不理想。现在还有一些方法使用分解的思想，把问题分解成不同的子问题1 7 j ， 如首先解决质量问题，然后固定菜单来解决物流问题，尽管这种方法在当前的一些商业 优化工具中使用了，但它有个致命的缺点就是当约束条件增加时，容易产生不可行性解。 另外，虽然很多通用的混合整数非线性规划公式考虑了大多数问题特性，但同时模型的 复杂性和规模增加了很多，计算性能与初始解和边界条件关系很大，使问题很难处理。 一些学者指出使用混合整数非线性规划和全局优化技术来解决物流和质量这样的大规 模问题是不可能在合理的时间内完成的1 8 j 。 因此，建立完善的油品调合及短期调度模型，并能对其快速有效的求解，是目前的 当务之急，具有很重要的研究意义。 大连理工大学硕士学位论文 1 炼油工业调度问题概述 在炼油企业中，生产计划和调度系统占有重要的地位。完整的生产计划应包括中长 期计划( 如月计划) 、短期调度和实时调度。生产调度是完成生产计划的具体措旌和保证， 炼油工业的调度问题是提高其竞争力的关键。但是，到目前为止很多油厂调度技术整体 相对落后，或者没有科学的调度方案，计划与实际操作执行的差别很大；或者短期调度 和实时调度仍处于手工操作阶段，因为没有有效的短期调度模型和技术。手工完成短期 调度不仅劳动强度很大，无法让决策人员将精力放在有效的决策上面，而且会导致高库 存、无效的资金使用以及运行费用的增加。这使得短期调度自动化，成为炼油生产企业 实现综合自动化的瓶颈。1 。因此，炼油生产企业综合自动化的实现，在一定程度上取决 于短期调度模型和技术的研究。 1 1 炼油工业简介 1 1 1 炼油生产流程 图1 ，1 是一般炼油生产的主要流程，整个炼油过程大致可以分解为三部分。 油品调合及分送 图11 炼油过程示意图 f i g ，1 1s k e t c hm a po f r e f i n e r yo p e r a t i o n s 雷剑：油品调合配方优化及短期调度问题研究 第一部分包括原油卸载、混合和库存控制。炼油的主要原料是原油，它由船舶从产 油地运到炼油厂较近的码头( 或海上的输油点) ，通过管道送到码头附近由若干油罐组 成的原油库，再经过专门的输油管道输送到由若干油罐组成的位于炼油厂的原油库。通 常炼油厂加工的不是单一的原油，而是混合原油，一般的炼油厂都有多个蒸馏塔，每个 蒸馏塔具有不同的特性，对所能炼的原油有不同的要求，主要体现在原油的不同成分上， 如含硫量，含轻油、含重油、含蜡的比例和沥青的特性等等。相应地，所炼原油的品种 也很多( 多达数十种) 。为了适应各蒸馏塔的特性，要将不同的原油进行混合。另外原 油在油品罐中的存储也要合理安排口0 。 第二部分是生产单元调度，包括分馏和加工过程。通常是先将原油进行常压、减压 蒸馏，依次分离为汽油、煤油、柴油、重柴油，轻质、中质和重质润滑油等各种沸点不同 的馏分。上述过程属于物理过程，原油中酌烃类化合物在结构上没有发生变化，称为一 次加工。以一次加工得到的各种馏分为原料，按产品质量的要求，分别进行加工，可生 产不同品种、规格的燃料等石油产品。在加工过程中有化学反应发生，且原料中的烃类 化合物在结构上也发生变化，称为二次加工。属于二次加工中的转化工艺的主要有热裂 化、催化裂化、加氢裂化、延迟焦化、催化重整与烷基化。属于二次加工中精制工艺的 主要有酸碱精制、溶剂精制、加氢精制、润滑油加氢处理、自土补充精制、丙烷脱沥青、 脱蜡等j 。 第三部分是成品油调合、调度、存储和运送。根据市场情况的需求，从装置出来的 油品不一定能满足客户的需求，这时候就需要对油品进行调合，即将多种馏出口出来或 已经进罐的半成品组分调合成符合某一种质量指标的成品油。成品油生产完以后存储在 成品存储罐区内，需要根据生产安排和销售情况，对油品的存储进行合理的调度，避免 冒罐、串罐、罐量不足等情况的出现。 从图1 1 中可以看出，原油分馏单元和组分罐分别是第一、二部分和二、三部分的 连接单元。围绕着这些单元的物料平衡应该和这三个炼油阶段相致。 1 1 2 炼油工业特点 炼油工业的生产过程是连续进行的，不能间断。原材料按照一定的工艺流程连续不 断的通过一系列设备和装置被加工处理成产品。与离散的制造业相比，炼油工业具有以 下特点： ( 1 ) 生产过程连续，生产批量大，加工能力强，物料和能量的供给要求连续、及时、 可靠。 ( 2 ) 生产工艺复杂，生产过程涉及各种化学变化与物理变化，生产控制技术要求高， 大连理工大学硕士学位论文 信息量大，故障诊断和处理比较复杂。 ( 3 ) 生产环境苛刻，如高温、高压、低温、低压、易燃、易爆和有毒等，加工过程 常伴有燃烧过程和三废排放，如果处理不当会对社会环境造成污染。 ( 4 ) 产品结构复杂，除了主产品外，还会产生大量副产品和中间产品，产品和产品 之问的关联性较大，一套生产装置单股进料可以有多个出料。 ( 5 ) 产品种类繁多，同一类产品根据规格可以细分成不同的产品，不同规格的产品 相互混合可以城市更多规格的产品。 ( 6 ) 对产品的存储要求较高，大部分产品不允许混装，存储的时候需要保持一定的 温度和压力。 ( 7 ) 对公用工程的供应要求较高，需要大量不同形式的水、电、汽、风等能源的供 应。 ( 8 ) 基础自动化水平比较高，对自动化的依赖型比较强，绝大部分的物料变量依靠 仪表进行测量和通过分析仪表间接获得，少量人工计量。 ( 9 ) 生产以安全、稳定、长周期、满负荷、优质、均衡、高产、低耗和减少污染为 主要目标，通过计划调度，优化操作、先进控制等手段使过程实现优化生产，以获得最 大的经济效益。 1 2 生产计划与调度 生产计划与调度的科学化是炼油工业企业生产活动的组织和管理中心，是生产过程 实现在一定限度的生产柔性的关键，是学术界和工业界广泛重视的研究课题。由于炼油 生产过程具有高度复杂性，必须将生产工艺机理建模与系统工程理论紧密结合起来，去 寻找解决这一问题的最佳方法。实践结果表明，基于全流程模拟，结合应用线性规划、 非线性规划或动态规划的方法建立计算机辅助生产计划与调度系统，实现优化排产和优 化调度是一个有效的途径【i 。 1 2 1 长期生产计划 生产计划是炼油厂在计划的时间范围内的生产操作目标和依据，是连接上级公司的 长期规划与下级车间、装置的调度及操作的纽带。生产计划的制定以企业的利润最大化 为目标，以适应市场动态多变需求为基础，主要包括年度计划、季度计划和月度计划等， 计划的周期可以根据市场等情况的变化随时做出调整“”。 长期生产计划一般是月计划，决定在一个月内炼油的种类及数量，这些原材料和 中间产品在各个过程中如何进行混合，以及原油采购方案等。其输入是各种原油的特 雷剑：油品调合配方优化及短期调度问题研究 性( 主要是成分和比率) 、切割方案、市场对各种产品的需求和价格。要求在己知的输 入条件下，根据具体的生产流程求出其月生产计划，使利润最大。 从上世纪5 0 年代中期，国际上许多学者开始研究石化企业长期生产计划的制订， 经过半个世纪的发展，基本上形成了一套比较实用的理论与方法。长期生产计划问题 的解决一般采用线性规划( l p ) 法，该种方法计算能力比较强，而且优化计算的速度也 很快，从而减轻了计划人员的劳动强度。但是对于炼油企业生产计划这种大系统来说， 其实际问题往往不可能从一个简单的线性模型来描述，因此从技术方面、实用性方面、 管理方面这种方法都存在一些问题。针对这些问题随后又出现了基于线性规划上的其 他解决方法，并且在以上的研究成果基础上，国外己经开发出了商品化的优化工具， 如p i m s ( 艾斯苯公司) ，r p m s ( 霍尼韦尔公司) ，g r t m p s ( 哈维利系统公司) 等。 国内一些专家根据国外的研究状况提出了一种观点，即适应现代生产要求的计划 编制方法应该是经验法以及l p 方法与仿真模型法的有机结合，同时提出了一种基于炼 油过程模拟与优化模型相结合的线性规划方法，这种方法既保留了以上几种方法的优 点，又克服了它们的不足，能较好的保证现代化生产计划编制的需要。中国石化总公 司福建炼化有限公司目前采用这种方法编制生产计划。 针对长期生产计划的研究已经十分深入，技术也已经相当成熟，很难期望短期内还 会有什么实质性的进展。 1 2 2 短期调度 生产调度就是根据生产计划或作业计划的要求，具体组织工业企业日常生产活动的 工作。与长期生产计划不同，短期调度是企业具体的运行计划，它必须在计划开始时的 初始条件下，对每时每刻、每一个生产设施的生产活动作出安排“。其目的是根据计划 得到的数据，选择合适的生产方案，生产方案的切换时间，每一种生产方案的运行时间， 原材料的分配方案，产品的生产顺序等，调度的原则是使总的费用最小，或者使总的时 间最短，或者使总的浪费最小，或者使产品偏差值最小。 在炼油工业生产过程中，生产是以管理和控制为核心的，生产调度是沟通生产过程 控制和管理的纽带，起着承上启下的作用“。它通过接收上级发来的生产任务、生产目 标的指定要求，结合实际生产能力，进行优化排产，均衡生产，合理调配物料和能源， 提高“瓶颈”的通过能力，求取更高的生产能力，同时对生产情况进行评估，综合处理 后反馈给上一级部门。生产调度是生产指挥中心，它将工厂各种业务管理系统( 决策支 持系统d s s ，管理信息系统m i s ) 和生产过程管理( 工艺管理) 有机地结合在一起，形成一 个p d s c 循坏，如图1 2 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图1 2p d s c 循环 f i g 1 2p d s cc y c l e 调度的周期一般较短，通常为一旬、一周、一日等，为了方便调度，在连续过程调 度中，可以对给定的调度周期进行时间离散化，按一个小时或一个班为时间间隔进行划 分。同时也可以根据选定的时间间隔，把连续过程划分为批过程来处理。 1 2 3 实时调度 尽管短期调度规定了所有生产活动的全部细节，但是在实际的生产过程中并不能百 分之百地执行。这是因为：( 1 ) 有些随机事件会发生，例如设备可能会出故障，油船可能 延期到达；( 2 ) n 定短期调度时使用的一些参数并不是百分之百的精确。这就要求在实际 的执行过程中，根据实际的生产过程不断地进行调整，在保证可行性的条件下尽可能接 近短期调度。 实时调度级的优化能使管理级的优化与装置级的优化有机地衔接起来。实时调度侧 重于现场设备和分析仪的接口，控制和监视设备故障及过程扰动，对生产过程进行直接 闭环最佳控制，监督控制级优化工艺参数，以实现最优控制过程口7 l 。 目前，炼油企业一般是采用阶层型控制网络系统，由d c s 、下位机( 包括装置内系 统和装置外系统) 、厂主机( 上位机) 和公司主机组成，能完成控制与管理的各级功能实 时调度过程为根据实时数据库得到的数据，进行生产统计，求出实际数据与计划指标问 的偏差，并且对其进行分析，然后进行常规生产作业调整。由工作人员检查计算机的调 整结果，并且完成特殊情况下的生产作业调整。 1 24 计划与调度的关系 生产计划和调度一起贯穿并组织企业的生产活动，二者紧密联系，相互依赖。生产 计划和调度作业计划的主要内容均包括产品的数量、质量、品种、产值( 利润) 、原料 及燃料消耗、物料平衡、能源平衡、可供销售资源、各工序的生产方案安排等。计划是 雷剑：油品调合配方优化及短期调度问题研究 调度的依据和目标，计划提供给调度一段时间内的需求量、任务周期、可选择的生产方 案、所要用到的设备约束等。调度是计划的具体化，也是实现计划的具体保证。调度利 用计划的内容进行具体的生产安排，如生产方案选择，生产方案切换时间，每个生产方 案的运行时间，等等。调度的结果合理与否，同计划下达的任务有关，而调度结果的执 行情况，也会对计划的制定和实施带来一定的影响。 炼油企业中的生产计划、调度与控制的关系可简化为图1 3 所示。生产调度与生产计 划优化相结合可构成上层的逐级优化，落实到生产调度管理层的是优化排产；生产调度 与生产装置的调优控制相结合可构成生产过程的逐级优化，从而形成生产调度管理层的 优化调度，基于复合知识优化排产和优化调度构成生产优化调度系统的全部内容“。 层总公司 次 炼油厂 车间 装置 时间 图i 3 计划、调度控制三者的关系 f i g 1 3r e l a t i o n s h i p sa m o n gp l a n n i n g ，s c h e d u l i n ga n dc o n t r o l 1 3 调度的复杂性 1 3 1 调度过程的特点 炼油工业的生产过程具有连续性、产品稳定性、生产量大等特性，其产品常常不是 以新取胜，而是以质量和价格取胜，因此，流程工业生产调度与离散工业生产调度在具 体的实现上有很大的不同，主要表现在： 大连理工大学硕士学位论文 f 1 ) 结构问题与不良问题并存 炼油工业生产调度问题本身是不良结构问题，但其中包含有良性结构问题。例如生 产调度中的短期调度是一个规划问题，可以建立线性或非线性规划模型求解。而对于实 时调度问题，用纯粹的数学方法很难求解，必须引入人工智能的理论与方法进行求解。 ( 2 ) 实时性 从根本上说，任何生产调度都有实时性的要求。对于炼油工业生产调度，由于生产 是在连续不断的进行之中，调度问题也随着生产炼油的变化面变化，在时间上要求调度 决策迅速及时，与生产炼油保持同步，要求滞后时间在一定的域值范围之内。 f 3 ) 全局调度与局部控制相结合 作为指挥全厂生产的生产调度管理，必须在宏观上把握生产的全过程，又必须对每 一个车间和装置的具体生产做出指导，以保证生产高效、高质。 ( 4 ) 处理突发事件，保证生产的平稳进行 在实际的生产中，存在许多非常规的生产情况。例如某项生产控制指标超出临界值 等。当生产环境和经营环境发生变化时，众多的难量化的因素波及原有模型的综合优化。 要求生产调度能监控生产情况，分析情况，及时做出处理决策，保证生产的正常运行。 ( 5 ) 庞大性 炼油企业一般都拥有常减压蒸馏、催化裂化、重整、加氢制氢、m t b e 、聚丙烯、精 制等多套生产装置，生产汽油、煤油柴油、苯类、液化气、溶剂油、聚丙烯等多种石油 化工产品，其生产调度系统非常的庞大复杂。 1 3 2 调度的复杂性 从长期生产计划来看，它涉及的是一个月的炼油和混合的各种数量，尽管其关系非 常复杂，但可以将它视为一个连续过程来处理。短期生产调度和生产计划则不同，它涉 及到生产活动的全部细节。可以将从油船上某种品种和一定数量的油卸到一个油罐视为 一个生产任务。同样，也可将某个油罐中一定数量的某种原料输送到另一个油罐中，或 者输送到某一个装置中进行加工视为一个任务。也就是说，炼油生产是由一个个任务组 成的。同时，可以将油罐、输油管道、各种炼油装置视为资源。这样，炼油生产过程就 成为任务和资源的分配过程。从这个意义上来说，它和离散制造过程一样，是一个离散 事件过程。显然，它是一个n p 问题。 调度的制订过程为按一定的规则分解月计划，按产品品种、产量列出各种组分的需 要量；衔接运输计划，弄清原油进厂、产品出厂的情况，协调产、运、销平衡，掌握市 场动态和信息：准确了解油罐油尺的动态、满罐质量，掌握成品、半成品库存；收集包 雷剑：油品调台配方优化及短期调度问题研究 括各装置的加工量、收率、质量、能耗、物料平衡等数据。然后，根据上述信息、编制 短期调度，从常减压装簧开始，确定加工方案、加工量，计划产品的产量，然后按流程 走向分别确定各装置的加工量和产量，进行物料平衡，先安排一类装置加工方案，然后 安排润精油系统、化工系统、沥青系统、石蜡系统、气体分离系统和油品调合部分的生 产调度。对于一个具有数十套生产装置、数百种产品和生产方案、几百个油罐的大中型 石化企业，其求解的复杂程度可想而知。 再者，一般的离散事件系统的任务是确定的，而炼油生产过程中的生产任务是不确 定的。在离散制造中，制定短期调度时，有多少个任务，每个任务需要多少时间是已知 的。在炼油生产过程中，制定短期调度时，要送多少批油、每次送多少、输送速率都需 要在调度中确定，而不是已知的。也就是说，在分配任务的同时还要决定任务本身的内 容。同时，在离散制造过程中，设施可以等待，而炼油生产过程中加工装置要求连续生 产，否则就不满足可行性条件。因此，它比离散制造中的调度要困难得多。 1 4 生产调度研究应用现状 1 4 1 生产调度研究现状 国内与国际上从2 0 世纪8 0 年代中期开始研究石化企业的调度问题，经过2 0 多年的发 展，取得了一定的成果，但相对于成熟的生产计划技术，目前对生产调度方面的研究还 很不够，有关的优化技术距离实用还有一定距离。 调度策略可以概括为依赖时间域的一系列操作状态变化的集合，即利用时间、设备、 劳力、能源等可用资源，并根据市场需求，得到最有效的市场方案，使经济效益或其他 执行准则达到最优。从数学角度讲，调度是一个多目标、多约束的优化问题，是一个 n p 完全问题( n o n p o l y n o m i a lc o m p l e t e ) ，它的目标函数总是跟时间排序、资源安排或经 济效益联系在一起的，常见的有最小生产时间、最小成本或最高利润、最少资源利用及 最佳作业顺序等等。解决调度问题的方法很多，如基于规则的分配方法、随机搜索方法、 人工智能方法、仿真方法和基于模型的启发式优先权规则调度、混合优化方法等。 对于炼油工业的调度问题，由于过程复杂，除了用数学规划以外，难以用其他方法 直接进行描述。但数学规划方法用于短期调度的编排却存在着如下几方面问题：首先， 调度作业计划与长周期计划有较大的差异，即除了要确定在计划周期内的生产任务量 ( 这是l p 等方法可求解的) 外，还要按时序对各种生产装置的加工方案和物流方向进 行具体安排，同时还要考虑带有不确定性、非数值因素、随机的生产调度对象，这就为 数学规划等传统数学方法带来很大的困难；其次，单纯使用数学规划等方法很难提高组 大连n _ t 大学硕士学位论文 合优化问题求解的效率及防止组合爆炸现象的发生；再次，若使用能求解较大规模问题 的m i p ，解法将会是十分繁复的，计算机需要较大的规模和开销。 启发式方法( h e u r i s t i c ) 是求解复杂优化闽题的一秽常用方法，也是种特殊的规则方 法。启发式方法针对调度问题的n p 特性，并不企图在多项式时间内求得问题的最优解， 而是在计算时间和调度效果之间进行折衷，以较小的计算量来得到次优解或满意解 1 。 它主要利用领域知识，减少问题的求解空间，指导问题的求解。对于复杂的或者大规模 的调度问题，启发式规则在这方面可以发挥更大的作用，但启发式方法往往从当前角度 出发，根据决策点时刻装置、任务所处的状况进行调度，保证了局部最优，但难以保证 全局最优。 运筹学和专家系统是解决生产计划与调度问题的两个重要方法，通过对优化命题进 行建模，用专家系统的符号推理加以解决，是解决流程工业调度的一个重要方法。优化 模型的主要优点在于能够对问题加阻抽象，反应问题的机理，通过建立调度问题的优化 模型，获得问题的最优解或次优解。在运筹学和专家系统基础上，融合入机交互方便的 可视化技术是解决生产实际调度问题的有效手段( “。但是专家规则有个致命的缺点，就 是不能完全表达整个优化问题，专家的知识往往是有限的，调度过程中难免落入专家知 识的盲区。 因此，解决炼油生产作业计划和调度的优化问题，需要探索新的方法。一种可能的 途经是研究“启发式+ 优化”相结合的方法，这样既可达到提高效益的目的，又切实可 行。研究炼油生产作业计划和调度的优化可阻借助于仿真工具。在仿真的支持下，可以 保证求解在可行域内进行，支持实对调度。探索“启发式+ 仿真+ 优化”相结合的方法是 一个可能提供有效解决方法的方向。 1 42 生产调度应用现状 纵观国内外，石油化工等大型企业是计算机应用最早、最为重要、最为广泛、最有 成效的领域之。在计算机辅助炼油生产计划方面，我国始于八十年代辛刀期。特别是线 性规划用于生产计划优化已取得了显著成效。各大型炼油厂己成功的将线性规划用于优 化年度、季度、月度计划，并且许多炼油厂引进了国外的先进生产计划软件实现计算 机辅助炼油生产决策。生产调度是实现全年生产计划和完成全厂利税指标的具体措施和 保证，但在生产调度软件的应用方面却很落后。 目前，对实际的生产调度计算机软件系统研究，国外的一些商业软件，如g 2 ， c p l e x 3 ，0 ，c a n q ，s k e y ，m v a q ，p l a s t i c 和b a t c h 4 等，在应用方面取得了很 大成就1 ，但是它们成本高，维护不易、二次开发困难。 雷剑：油品调合配方优化及短期调度问题研究 国内在系统化的调度软件的研究方面还相对比较落后，目前主要有清华大学与福州 炼油厂合作开发的福炼c i m s 系统，其中的生产调度管理模块，所采用的是线性规划与 仿真相结合的建模和优化方法；华中理工大学与长岭炼油厂合作开发的基于专家系统的 生产调度系统( e l p s e s ) 。我国大多数炼油企业生产调度是基于手工完成的，这不仅使 劳动强度增大，且局限于调度人员的经验，编制的计划准确性不够导致库存增大、资 金浪费，并增加运行成本。而有些企业利用线性规划模型来编制，其效果也不甚理想， 经常出现推算不出生产方案或规则自相矛盾等无解的情况 2 ”。 纵观当前国内的生产调度计算机系统的研究和应用情况，可以发现，主要是针对某 一具体的生产环境，不具备通用性和可移植性，还不能真正实现实时在线调度。因此开 发一种具备通用性的实时生产调度软件将成为今后的一个重要研究方向。 大连理工大学硕士学位论文 2 油品调合技术研究 2 1 油品调合的目的 原油经过炼油厂加工以后可以分离出很多产品，在众多的石油产品中，石油燃料约 占石油产品商品构成的8 5 。石油燃料包括液化石油气、汽油、煤油和燃料油，是我国 工、农业生产、交通运输、现代国防建设中广泛应用的大宗油品。这些油品由于性质差 别很大，所以通常是无法全部直接应用于生产、生活当中的，被称之为半成品油( 又称 组分油) 。人们平时所使用的都是质量指标差异不大的成品油。成品油是由两种或两种 以上的半成品油按一定的标准进行充分混合( 有时还需加入某种添加剂以改善油品某种 性能) 得到的。这个过程就是油品调合过程。 油品调合是一项机理十分复杂的生产工艺。选择添加剂时，要充分考虑添加剂与基 础油及各类添加剂彼此之间的配伍性等因素。同时它又是一项技术性极强的生产工艺， 要根据国家标准要求完成严格的测试和分析。油品通过较好的调合以后，一般可以达到 以下几个目的： ( 1 ) 使油品符合规格标准，具有使用时所要求的各种性能，并保持其稳定性； ( 2 ) 提高产品的质量等级，减少环境污染，以达到良好的社会效益； ( 3 ) 合理使用组分油，提高产品的收率，促进企业增加经济效益。 因此，油品调合是炼油厂生产成品油的重要环节，对企业的经济效益影响很大。炼 油厂成品油调合问题是一个典型的优化问题。优化的目的是在满足成品油质量指标的前 提下，尽量地使得收益最大或成本最小2 “。 2 2 油品调合的机理 各种油品的调合，除个别的添加剂调合以外，大部分为液一液相系互相溶解的均相 调合，是分子扩散、涡流扩散( 或称湍流扩散) 和主体对流扩散这三种扩散机理的综合 作用。分子扩散由分子的相对运动所引起的物质传递，是在分子尺度的空间内进行的。 涡流扩散为当机械能传递给液体物料时，处于高速流体与低速流体分界面上的流体受到 强烈的剪切作用，产生大量漩涡，造成对流扩散，是在局部范围的涡旋尺度空间内进行 的。主体对流扩散包括一切不属于分子运动或涡流运动而使大范围的全部液体循环流动 所引起的物质传递，是在大尺度空间内进行的。 油晶调合后的特性表现在与调合组分间的线性和非线性关系上，即表现在组分间有 无加和效应的关系上。某一特征等于其中每个组分按其浓度比例叠加的称为线性调合， 雷剑：油品调合配方优化及短期调度问题研究 反之称为非线性调合。调合后的数值高于线性估测值的叫正偏差，低于线性估测值的叫 负偏差。之所以出现这种偏差，一般与油品的化学组成有很大关系【2 4 j 。油品的组成十分 复杂，因此一般在调合中大多属于非线性调合。 对于车用汽油，在多个组分调合后，它们燃烧的中间产物可能产生相互作用并可能 改变原来的燃烧反应历程，中间产物既可能作为活化剂使预燃反应加速，也可能作为抑 制剂使预燃反应变慢，结果车用汽油的调合辛烷值不再和其中所含组分的辛烷值成线性 关系。这种在燃烧过程中相互作用的效应，一般和其敏感性有关，烷烃和环烷烃的敏感 性基本上为零，在调合时没有明显的相互作用，基本上是线性调合，而烯烃和芳烃则相 反，表现为非线性调合。因而直馏汽油、烷基化汽油、催化裂化汽油与重整汽油，它们 之间相互调合的组分改变，它们的调合辛烷值亦随之改变，即调合效应随之改变。但在 多组分的调合下，各种正负效应起互相抵消的作用，因而仍可按线性关系大致估计某辛 烷值组分的调合比例或调合汽油的辛烷值，但精确度不高。 柴油的燃烧性能是采用十六烷值的高低来加以评定的。烷烃的十六烷值最高，分子 越不对称，十六烷值越低；环烷烃和烯烃次之，有侧链的比无侧链的低；芳香烃最低， 环数越多，十六烷值越低。由于柴油的生产工艺不同，组成和沸点范围也各有差异，在 调合中偏离线性关系是普遍存在的。线性关系的偏离有时也会带来奇特的增效作用，使 调合油的凝点比各个组分油的凝点都低很多。 2 3 油品的质量指标 为了规范成品油市场，国家按照成品油的使用场合、用途等，对每种成品油规定了 相应的质量指标要求。炼油厂的成品油要出厂销售，必须满足相应的质量指标要求。下 面将主要介绍汽油和柴油的质量指标。 2 3 1 汽油的质量指标 汽油是汽化器式发动机的燃料，也是消耗量最大的石油产品之一，是由原油经过蒸 馏、重整、热裂化、催化裂化等过程生产的，是从原油中获得的最轻的馏分油，可分为 车用汽油和航空汽油两大类2 5 1 。对于车用汽油的性能要求，主要有四个方面：抗爆性、 蒸发性、安定性和腐蚀性。 汽油抗爆性是表示车用汽油品质一项最重要的使用性能指标。抗爆性使用的单位叫 辛烷值，常以标准异辛烷值规定为1 0 0 ，正庚烷的辛烷值规定为零，这两种标准燃料以 不同的体积比混合起来，可得到各种不同的抗震性等级的混合液，在发动机工作相同条 件下，与待测燃料进行对比。抗震性与样品相等的混合液中所含异辛烷百分数，即为该 样品的辛烷值。根据发动机试验的方法不同，分为两种：一种叫研究法辛烷值，英文简 大连理工大学硕士学位论文 称为r o n ；一种叫马达法辛烷值，英文简称m o n 。还有一种表示方法，是把两种辛烷 值的数值相加除以2 ，即( r o n + m o n ) 2 ，称为抗爆指数。由于试验方法不同，同一种汽 油用3 种方法表示的标号是不同的。例如有一批次汽油，用研究法测试辛烷值为9 3 ，用 马达法测试辛烷值为8 3 ，它们用抗爆指数来表示则为8 8 2 6 1 。 目前，我国车用汽油标号使用的是研究法，根据研究法辛烷值不同划分为不同的牌 号，目前比较常用的几个牌号的汽油主要有：9 0 # 车用无铅汽油、9 0 # 车用无铅汽油( 低烯 烃) 、9 3 # 车用无铅汽油、9 3 # 车用无铅汽油( 低烯烃) 、9 5 # 车用无铅汽油、9 7 # 车用无铅 汽油等。前苏联使用的是马达法，同汽油样品，由于马达法测试条件比较苛刻，因此 马达法辛烷值比研究法辛烷数值偏低。美国使用的是抗爆指数表示法，通常在美国加油 站见到的汽油是8 7 号、8 9 号、9 2 号。不论是用研究法、马达法，还是用抗爆指数法对 汽油标号进行分类，汽油标号数值越大，表示汽油在发动机燃烧过程中抗爆震的性能越 强。也就是说，使用标号越高的汽油，发动机产生爆震的机会就越少，质量也就越好。 蒸发性指汽油在汽化器中蒸发的难易程度。它对发动机的起动，暖机，加速，气阻， 燃料耗量等都有重要影响。汽油的蒸发性由馏程，蒸气压和气液比三个指标综合评定。 馏程是指汽油馏分从初馏点到终馏点的温度范围，常用恩氏蒸馏仪测定。汽油的规 格中规定了馏出量( 体积) 为1 0 ，5 0 ，9 0 和终馏点各点的最高温度。【0 点的温 度表示汽油轻质馏分的多少，此温度过高则低温起动性能差，过低则易形成气阻：5 0 点的温度反映汽油的平均蒸发性能，过高