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硕，上学位论文 炼油厂生产计划与调度系统研究 摘要 燃料型炼油生产利用各种加工装置，经过物理和化学变化，将原油转化为不 同的燃料产品用于交通运输和加热，同时它还为化工企业提供原料。生产计划与 调度是炼油厂优化操作、提高经济效益、节能降耗的有效方法。 生产调度是流程工业c i 临的关键环节，是连接生产经营管理和生产过程控制 的纽带。向上要给企业经营战略决策层提供决策依据，向下要安排生产加工任务， 指导监督控制层的运作。 油品生产是流程工业的典型过程，规模庞大，工艺复杂，数学模型的建立是 调度研究的重点。根据炼油生产的实际情况，用数学规划方法建立各个功能模块 的调度模型，运用启发式规刚降低约束和变量的个数，从而降低问题的复杂性， 是本文采用的一个主要方法。由于调度问题大多数都是具有n p 难度的组合优化问 题，寻找具有多项式复杂性的优化方法几乎是不可能的。运用遗传算法等智能方 法，在短时间内得到个满意的可行解，借助流程模拟软件把装置模拟和流程优 化紧密结合，使生成的调度方案建立在较为实际的生产流程基础上，使调度研究具 有实用胜，能够真正在炼油企业综合自动化及油品流通领域的管理中发挥作用， 为炼油的生产、销售、管理提供依据是本文研究的最终目的。本文主要内容概括 如下： ( 1 ) 介绍了流程工业c i m s 结构及调度在其中的作用和地位，说明了调度和计 烈之间的关系，评述了调度滴题韵研究现状和应用情况并详细介绍了当前调度问 题研究所使用的各种方法，对这些常用的方法进行了比较研究，指出了其中的优 缺点。 ( 2 ) 系统的介绍了炼油过程模拟技术及a s p e nt e c h 公司流程模拟软件a s p e n p l u s 在炼油生产过程模拟中的应用。 ( 3 ) 通过对实际生产过程的分析，综合考虑了物料能量的消耗与平衡，在满足 库存和需求等约束下，运用混合整数规划方法，建立了原油混炼、装置加工、成 品油调和三者统一的炼油生产调度模型。 硕士学位论文 ( 4 ) 从工程应用角度讨论了求解炼油生产调度问题的改进遗传算法设计及其 软件实现；提出了双倍体遗传算法、双种群遗传算法求解炼油生产调度问题；介 绍了求解炼油生产调度问题的自适应遗传算法。 ( 5 ) 在w i n d o w s 平台上，利用面向对象的设计思想，采用图形化的模式，综合 利用遗f 算法和数据库技术，开发了炼油生产调度的软件系统。 最后，在总结本论文研究情况的基础上，提出了油品生产调度中需要进一步探 索和研究的若干问题。 关键词：流程工业c i m s ；生产计划与调度；炼油生产；流程模拟；遗传算法 硕士学位论文 r e s e a r c ho fp r o d u c t l 0 np l a n n i n ga n d s c h e d u l i n gf o rr e f i n e r y a b s t r a c t af u e l o r i e n t e dr e f i n e r yc o n v e r t sc r u d eo i li n t ov a r i o u sf u e lp r o d u c t sw h i c ha r eu s e d f o r t r a n s p o r t a t i o n a n d h e a t i n g i t a l s o p r o v i d e s f e e d s t o c kf o r p e t r o c h e m i c a lp l a n t s c h e d u l i n g i sa ne f f e c t i v ea p p r o a c hf o rp r o c e s so p e r a t i o na n de c o n o m i ch n p r o v e m e n ta n d s o u r c er e d u c t i o ni nr e f i n e r yp r o c e s s e s p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gi sa tt h em i d d l el a y e ri nt h ec i m s s y s t e ms t r u c t u r e ，w h i c h i st h ej o i n to fc o n t r o la n d m a n a g e m e n t ，o n t h eo n eh a n d ，i tw i l ls u p p l yd e c i s i o n sf o r t h ee n t e r p r i s e ；o nt h eo t h e rh a n d ，i tw i l la r r a n g ep r o d u c t i o nt a s k sa n ds u p e r v i s et h e c o n t r o ll a y e r s ot h ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n gi st h ek e yo f t h ec i m s 。 ac o n s t r a i n e dn o n l i n e a r s c h e d u l i n g w a sc a r r i e do u t u s i n g t h e d e v e l o p e d r e f i n e r y w i d em o d e l i nt h er e f i n e r y - w i d em o d e l ，t h eo u t p u t so fm o d e l so fu p s t r e a m u n i t sa r eu s e da st h ei n p u t st ot h em o d e l so f d o w n s t r e a mu n i t s t h ei n t e r m e d i a t es t r e a m s a r ec h a r a c t e r i z e di nt h eo v e r a l lm o d e lt op r o v i d en e c e s s a r yi n f o r m a t i o nf o rt h em o d e l s o fd o w n s t r e a mu n i t s o i lp r o d u c t i o n ，嘶t 1 1g r e a ts c a l ea n dc o m p l e xt e c h n i q u e s ，i so n eo ft h et y p i c a l p r o c e s s e s i nt h e p r o c e s si n d u s t r y ；m a t h e m a t i c a l m o d e li st h e e m p h a s i s i nt h e s c h e d u l i n gr e s e a r c h i nv i e wo ft h er e f i n e r yp r a c t i c e ，m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g t e c h n i q u ei s u s e dt oc o n s t r u c tt h es c h e d u l i n gm o d e l ，h e u r i s t i cr u l e sa r ea p p l i e dt o r e d u c et h ec o n s t r a i n t sa n dv a r i a b l e sn u m b e ri no r d e rt os i m p l i f yt h ep r o b l e m b e c a u s e t h er e f i n e r y - s c h e d u l i n gp r o b l e mi sn ph a r d ，i ti s i m p o s s i b l et o f i n do u tc o m m o n a l g o r i t h mw i t hp o l y n o m i a lc o m p l e x i t y w ec o m b i n e t h eg e n e t i ca r i t h m e t i c t e c h n i q u e a n dp r o d u c t i o ns c h e d u l i n gi nt h es u p p o f fo f a s p e nt e c h sp r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r e t og e tas a t i s f i e ds o l u t i o ni ns h o r tt i m e ，t oe n s u r et h es c h e d u l i n gm o d e lc a nb eu s e di n t h ep r a c t i c ea n dm a d e s u p p o r tf o rt h ed e c i s i o no fo i lp r o d u c t i o na n ds a l e i st h em a i n 硕士学位论文 o b j e c t i v eo f t h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ea r c h i t e c t u r eo fc i m sa n dt h ef u n c t i o no fs c h e d u l i n ga r ei n t r o d u c e d ，t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s c h e d u l i n g a n d p l a n n i n g i s n o t i c e d ，a n d t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n sa r ed e s c r i b e d t h e n ，d i f f e r e n tm e t h o d su s e di nt h es c h e d u l i n g p r o b l e m sa r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e d m e a n w h i l et h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a r ea n a l y z e di nd e t a i l s 2 ) t h et e c h n i q u eo f t h ec h e m i c a l p r o c e s ss i m u l a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fa s p e n t e c h ss i m u l a t i o ns o f t w a r ea r es y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e d 3 ) b a s e d o nt h ea n a l y s i so f r e f i n e r yp r o c e s sc o n s i d e r e d ，au n i f o r ms c h e d u l i n gm o d e l i s p r e s e n t e dw h i c hi n c l u d eu n i tp r o c e s s ，c r u d eo i lm i x i n ga n do i l b l e n d i n g ，t h e c o n s u m p t i o na n db a l a n c eo fm a t e r i a l sa n de n e r g ya r ec o n s i d e r e dw h i l eb u i l d i n gt h e s c h e d u l i n gm o d e l 4 1 i nt h ea s p e c to fe n g i n e e r i n gt h ep a p e rd e s i g n sa g e n e t i ca l g o r i t h mt os o l v e r e f i n e r ys c h e d u l i n gp r o b l e ma n dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e t w o i m p r o v e dg e n e t i c a l g o r i t h m sa r ep r o p o s e da n da p p l i e di nr e f i n e r ys c h e d u l i n g t h ea d a p t i v eg ai su s e d t os o l v ei nr e f i n e r ys c h e d u l i n ga n dt w o h n p r o v e da d a p t i v eg a s a r e p r o p o s e d 5 ) t h er e f i n e r y s c h e d u l i n gs y s t e m i s d e v e l o p e du n d e rw i n d o w s ，u s i n go b j e c t o r i e n t e dd e s i g n i n ga n dg u i m e t h o d ，w i t hg e n e t i ca r i t h m e t i ca n dd a t a b a s e t e c h n o l o g y f i n a l l y ，b a s e do n t h er e s u l t so f t h i sd i s s e r t a t i o n ，a s u m m a r yo f t h ef u r t h e rr e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t f o r r e f i n e r ys c h e d u l i n gs y s t e mi sd e s c r i b e d k e y w o r d s ：p r o c e s si n d u s t r i a lc i m s ；p r o d u c t i o np l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ；r e f i n e r y ； p r o c e s ss i m u l a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 炼油工业又称石油炼制工业，它是通过各种加工装置，经过物理和化学的变化， 把原油转化为一系列产品的过程。炼油工业属于典型的过程工业，其生产过程具 有如下特点： ( 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，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，产品与 产品之间的关联性较大，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为不同的产品，不同规格的 产品相互混合可以产生更多规格的产品。 ( 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，对自动化的依赖性比较强，绝大部分的物料变量 依靠仪表进行测量或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。 炼油企业是国民经济的支柱产业，其发展状况对国民经济的影响举足轻重。 因此，用先进技术对炼油生产进行改造，使其保持可持续发展，对增强国家经济 竞争力是非常关键的。生产调度是企业生产管理的重要组成部分，不仅是企业生 硕七学位论文 产运行的指挥中心，而且是企业产生经济效益的重要来源，特别是在炼油企业中 由于其基础自动化水平相对较高，从而实现高效生产调度所取得的经济效益和社 会效益，将会非常明显和迅速。 1 - 2 炼油企业生产计划与调度问题 随着科学技术的发展，生产规模越来越大，复杂性越来越高，市场竞争也越 来越激烈，因此对企业的管理和对生产过程的监控都提出了更高的要求。近几十 年来，各类生产过程都已经发生了显著的变化，其主要特征是生产规模的大型化 和生成过程的连续化。在激烈的市场竞争中，为了保证生产的高效稳定运行，以 获得最大的经济效益，原来简单的、局部的、常规的控制和仅凭经验的管理已经 不能满足现代生产的要求了，企业管理者和控制工程师们面临的问题是：如何根 据市场上原料供应和产品需求的变化进行经营决策和组织生产；如何在生产计划 改变的情况下对生产过程进行控制，以便最大限度地发挥生产的柔性；如何在生 产工艺不作大的改变的前提下进行管理、决策，使企业产生最大的综合经济效益。 为了解决上述问题，1 9 7 3 年h a r r i n g t o n 博士提出了计算机集成制造c i m 的概念。 c i m 的内涵是借助计算机，将企业中各种与生产有关的技术系统集成起来， 进而提高企业适应市场竞争能力。c i m s 是一种基于c i m 哲理构成的计算机化、 信息化、智能化、集成优化的制造系统。关于c i m s 的基本概念，随着生产实际 需要的变化及研究问题的角度的不同，有不同的定义。 狭义上讲，c i m s 定义为应用计算机及网络技术实现生产过程各个环节的集 成化的系统。这仅仅是基于一种纯技术的定义，没有考虑经济的、社会的和人的 行为因素的影响。 广义上讲，c i m s 是一种在某种环境下为提高企业总体效益的全局性的哲理 和方法，这种理念要求以集成方式组织企业的全部活动，从设计、生产到销售和 售后服务各阶段要尽可能利用各种方法和技术工具( 计算机和自动化技术) ，以及 时地提高生产率、降低成本、按期交货、提高质量，确保生产系统全局和局部的 柔性等。后者说明经济的、社会的和人的因素与技术有着同样的重要性。 c i m s 结构如图1 1 所示。生产计划与调度居于c i m s 五个层次的中间，是 控制与管理一体化的接合部，上面是负责整个企业经营战略决策的决策层，下面 z 硕士学位论文 是生产过程的监督控制层。因此，生产计划与调度是实施c i m s 的关键，无论是 理论研究，还是应用系统的开发都受到学术界和企业界的关注。 决策层 管理层 调度层 堕撞屋 揎剑星 篮皇控剑旦篮 图卜1c i m s 结构图 c i m s 概念拓展到流程工业，形成了流程工业综合自动化系( c o n t e m p o r a r y i n t e g r a t e dp r o c e s ss y s t e m ，c i p s ) 的概念，它是借助于计算机( 软、硬件) ，综合运用 先进的管理技术、信息技术、自动化技术，与流程工业的生产和设备特点相结合， 通过计算机网络和数据库，实现企业生产环节的集成，人、技术、经营管理三要 素的统一管理和集成，物流和信息流有机的集成并优化运行的连续过程生产的复 杂大系统。 生产计划与调度的科学化是连续性生产过程实现一定限度的生产柔性的关 键。由于连续性生产过程具有高度复杂性，必须将生产工艺机理的建模圊系统工 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。 硕士学位论文 i 2 1 炼油企业生产计划 生产计划是企业生产经营活动的主要依据，对企业的效益起着十分重要的作 用，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。 在炼油企业c i p s 体系结构中，计划作为决策和调度之间的纽带作用，为生 产的运行提供指导，为经营决策提供依据。生产计划的主要任务是确定企业在一 定时期内要生产的产品和生产这些产品所需的资源( 如原料、设备、人力、财力、 能源等) 。 生产计划的制定主要是根据产品的市场需求、原料的供应情况、企业的生产 能力、装置的检修情况，综合考虑企业的管理成本以及生产过程中成品、半成品 的成本等，利用物料平衡数据、物料物性数据等进行平衡分析，根据不同的生产 状态和计划类型模型，运用线性规划等方法对企业的生产经营进行优化设计，辅 助计划人员完成年生产计划、季度计划和月生产计划的编制，给企业领导提供相 关预测和决策信息，确保企业的利润最大。 生产计划优化系统可以通过建模进行完整局部模拟，不仅可以得到企业级 的优化生产计划，还可以对每个生产装置或者各个生产环节分别提供经济评价和 分析数据。可以提供原料的选择评价，优化原材料的选择；可以为装置的技术改 造方案和扩建方案做出评价，快速进行多方案选择；可以利用现有的生产能力， 优化组织生产；可以方便地进行计划制定、项目管理、物流管理、计划统计，有 效地管理整个企业的人、财、物等各类信息。简单的说，计划优化系统可以根据 企业的生产、营销、管理的状况，以企业经济效益为目标，建立相对应的数学模 型，运用线性规划求解，针对不同的原材料、产品结构、市场情况制定最优化的 生产计划。计划优化系统的实施，可以充分利用现有的资源，优化资源配置，提 高生产决策的科学性，优化全公司的生产，提高效益，增强市场竞争能力。 硕士学位论文 1 2 2 炼油企业生产调度 炼油生产调度是对企业日常生产活动进行控制和调节的工作，即在生产作业 计划执行过程中对己出现和可能出现的偏差及时了解、掌握、预防和处理，保证 整个生产活动协调地进行。在炼油生产过程中，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，是企业获取经济效益的所在。生产 调度是生产指挥中心，它将工厂各种业务管理系统和生产过程管理有机地结合在 一起。 炼油生产调度的一般描述：炼油生产调度是指在满足装置和工艺要求的条件 下，对多种可行产品的生产在时间和空间上调度规划，从而确定出生产过程的产 品结构资源分配和流程线路，以达到所追求的目标【2 1 。 一般来讲，一个炼油生产调度问题包括以下几个方面： 夺一组n 个需生产的产品( 汽油、柴油、航煤等l p g 、燃料油等) p ： 夺一组m 个可供使用的生产( 如常减压蒸馏装置、催化裂化装置、储油罐 等) 单元，并指明各个单元的生产能力约束c 。( f ) ； 审一组用于优化生产调度方案的性能指标j ，它可以由多个目标组成，包 括成本目标，资源利用率目标，利润且标等： 夺一组流量参数，用矩阵q ( t ) 表示，该矩阵的元素是指产品、中间半成品 在各个装置的流量； 夺一个产品的市场需求矩阵d ( t ) ，该矩阵的元素是指每个产品的市场需求 量： 夺一组资源供应的限制条件c 。( ，) ； 夺一组控制生产过程的规则r m ； 夺一组控制变量u ( t ) ，主要包括待加工原料的流量、装置运行参数等。 简而言之，生产调度就是在给定参数q ( 0 ，d ( f ) ，后，根据约束条件 c ( r ) = c ，( r ) u 岛( r ) u 凋用不同的规则r ( t ) ，确定控制变量u ( t ) ，使得某一时间段内的 性能指标j 最优。 5 硕上学位论文 1 2 3 炼油企业生产计划与调度优化方法 炼油企业调度方法大体上可以分为基于模型( m o d e l - - b a s e d ) 的方法和无模 型( m o d e l f r e e ) 的方法。 1 ) 基于模型方法 这一类方法的基础是传统意义上的过程数学模型。该模型关于过程变量通常 具有显式的函数表达形式，易于通过方便的数学手段加以处理。对于大规模过程 优化问题，此类方法通常可以分为两种：分解协调方法和整体优化方法。分解协 调方法把工业过程分为相互关联的多个子过程，对子过程进行单独优化，由上级 协调层对子过程间的关联变量进行协调，以达到整体优化的效果引。整体优化方 法把整个装置用一个数学模型加以描述，包括全过程所有独立变量、非独立变量 和关联变量，整体求取最优解。 分翳协调方法本质上就是大型数学搜划洒题鲍分解求锯。根据模型求解 导致 的是开环最优解，没有反映真实过程的特性变化，因此，波兰学者f i n d e i s e n 等人 提出了稳态递阶控制( s t e a d y - - s t a t eh i e r a r c h i c a lc o n t r 0 1 ) 。为了克服模型和实际 过程的不一致引入了全局和局部反馈，进行迭代协调，得到系统的次优解。然而 这样的次优解究竟偏离真实最优解多少，难以做出估计。 整体优化方法把过程优化问题看成大规模数学规划问题处理，一般地，工业 过程优化问题表现为有约束的非线性规划问题，目前对于这一类问题己经开发出 许多有效算法。主要有： ( i ) 乘子法：乘子罚函数法是最早用于解决约束优化问题的方法，应用罚 函数的概念，将约束秘题直接转化为无约束闯题。桑子法被许多研究者广泛研究 过，对求解高维非线性规划问题效率较高，但对非凸问题效率较低， ( 2 ) 约束变尺度法：约束变尺度法将无约束变尺度法与l a g r a n g - n e w t o n 的 快速收敛结合起来，也是非线性约束最优化求解中较好的方法。 ( 3 ) 广义既约梯度法( g r g ) ：g r g 法在可靠性和效率方面令人满意，成为 线性约束规划思想应用于非线性约束规划的代表。 ( 4 ) 逐次二次规划法( s q p ) ：s q p 法最早由w i l s o nr b 于1 9 6 3 年提出， 在十几年后由h a n 进行了算法修正，并给出了算法收敛性证明，才重新引起人们 的极大兴趣，并成为7 0 年代末以来非线性规划领域中的主要研究课题之一，因之 6 硕士学位论文 而产生了一大类相关的非线性规划算法，各种算法的收敛性也逐步得到证明。经 过一系列的改进后，s q p 法已成为一种比较成熟和实用的优化方法，已在工程领 域的大规模优化问题求解中获得了广泛的应用、特别在石油化工领域，s q p 方法 对复杂太系统的模拟和优化计算带来突破性进展。v a s a n t h a r a j a l q ，b i e g l e r 和 s c h m i d 等人致力于将s q p 方法应用于过程优化领域p j 。实践证明s q p 方法计算 效率高，可靠性好，是求解过程优化问题的有效方法。 上述方法都是基干梯度寻优的思想，要求目标函数和约束条件连续、可微， 对于实际问题构造出来的优化问题模型，这些条件不一定能得到很好的满足。而 且，它们只能得到优化问题的局部最优点，不能保证得到的局部最优点一定是全 局最优点。 2 1 无模型的过程优化方法 无模型优化方法大致分为搜索优化方法、进化优化方法和人工智能优化方法 三种。 搜索方法大体可分为确定性搜索方法和随机搜索方法。发展较早的直接搜索 法、梯度方法、可变多面体搜索法、r o s e n b r o c k 法、p o w e l l 法等都属于确定性搜 索方法。随机搜索方法曾被称为最不精巧、效率最低的搜索技术，但随着计算机 功能越来越强大，计算速度越来越快，随机搜索法不仅变得可行，而且由于算法 简单易行而得到了很大发展【4 。 直接搜索法是最早提出来的搜索方法，其主要思想是独立计算多组工况，比 较各组的日标函数值，并根据值的优劣决定下一轮的计算工况嘲。 随机搜索方法主要是模拟退火法。模拟退火法由k i r k p a t f i c k 等引入优化阃题 的求解【9 1 。模拟退火法借鉴了统计物理学的思想，具有一定的先进性，但从一点 到另一点的迭代过程容易使多峰问题陷入局部最优。对大规模优化问题，要保证 全局收敛。初始温度要足够高，退火过程要足够慢，影响算法的收敛速度，这一 缺点限制了模拟退火法的实际应用。l i n ( l i n ，t 9 9 3 ) 将遗传算法和模拟退火进 行结合，构成模拟遗传算法，在解决几种n p 问题中显示良好的性能i 。 对于大规模的优化问题，高效率的随机搜索方法由于其算法实现简单，具有 通用性，对计算资源的要求也不高，是一个很有潜力的方法。 硕士学位论文 近年来，借鉴达尔文的生物自然选择和遗传思想，发展了一类计算方法，被 统称为进化计算。进化算法主要以下列三种形式出现，即：h o l l a n d 等创立的遗传 算法( g a ) 、r e c h e n b e g 和s c h w e f e l 等创立的进化规划( e p ) 及f o g e l 等创立的 进化策略( e s ) ，其中以遗传算法的研究最为深入持久，应用面也最广。上述三 个分支本来是独立发展的，但随着学术交流的日益频繁和广泛，三种方法中有益 的思想相互渗透、交融，使得目前三个分支之问差别越来越小。 进化算法模拟生物进化龄过程，先对问题的解变量进行编码，产生初始群体。 考察群体的适应性，如不满足收敛条件，则经过复制、选择、交叉、变异等算子 操作，产生下一代群体。一代又一代的“进化”，最终达到参数空问的全局最优点。 进化算法作为优化算法，同其他优化算法比，有一些突出的优点： ( 1 ) 进化算法本质上是一种并行算法，因而搜索效率高。 ( 2 ) 进化算法采用随机搜索策略，容易摆脱局部最优，而达到全局最优。 由于吸收了生物进化、自然选择的恿想，同一般的随机搜索方法相比，减少了盲 目性，因而提高了效率。 ( 3 ) 进化算法不需要很多的问题领域的专业知识或启发式信息，对函数本 身及搜索空间没有正则、可微等要求，不需要导数、梯度信息，因而适用范围广， 对问题的适应性强，鲁棒性好，实现也方便。 进化优化算法自诞生以来，在基础理论和应用研究方面都有了许多发展。如 针对遗传算法，先后提出了多种编码方案；对与进化操作有关的环境参数选择给 出了一些自适应选取方法，提出了一些优化的调整策略并进行了相应的理论分析。 进化算法具有开放式结构，可以很方便地同其他方法结合或引入其他思想构 成新的算法。进化算法还有许多问题需要进一步研究和解决，如收敛性证明，避 免早熟收敛的问题，处理复杂约束问题的能力，环境参数选择方法等，但这并没 有妨碍它在多学科领域的广泛应用。目前进化算法在过程优化领域已取得了一些 实际应用成果。进化算法在复杂工业过程在线稳态优化问题中有广阔的应用前景， 值得进一步研究和探索。 人工智能方法主要包括专家系统方法、神经网络方法和模糊优化方法。专家 系统的方法通过收集操作人员经验构成数据库，然后在线寻优。这类方法构成简 单，使用方便灵活，但经验的搜集往往非常困难，很难覆盖所有方面，同时由于 一般难以量化，故该方法一般多作为其它方法的辅助。 8 硕士学位论文 神经网络方法不需要对过程模型精确了解，它是利用过程输入和输出数据训 练网络的连接权值，使网络能准确地反应实际的过程特性，在此基础上实施优化 计算。 模糊优化方法是一种比较新的优化方法，正逐渐引起人们的注意。李绍军等 ( 2 0 0 2 ) 研究了炼油厂生产计划优化中的应用模糊优化问题【1 1 。l i 介绍了用新型的 智能优化方法求解带有模糊参数的大规模稳态优化系统，该方法是基于两级递阶 控制模型结构的方法f 12 1 。与基于模型的优化方法相比，无模型优化方法获得菲线 性优化问题的全局最优解的概率要大一些。 1 3 本文的主要研究工作及各章节的安排 第1 章概述了炼油厂生产计划与调度，介绍了炼油厂调度系统的特点及研 究方法，分析了目前已有钓调度方法韵优缺点。 第2 章系统地介绍了炼油生产过程，分析了炼油生产过程生产计划与调度 系统模型结构。从而引出了基于流程模拟技术的调度系统。 第3 章分析了对炼油过程模拟的重要性与必要性，介绍了常用的流程模拟 软件。讨论了利用a s p e np l u s 对炼油生产进行模拟的过程，最后利用a s p e np l u s 对炼油过程实例进行了模拟。 第4 章在对炼油过程分析和模拟的基础上，总结了包括生产作业计划优化、 原油的优化混炼加工、产品的调合优化在内的统一的数学规划模型。并针对求解 的规模和复杂性问题，提出了模型的求解方法。 第5 章总结前入的研究成果，将遗传算法和数学规划算法应用于实际的生 产调度，并结合课题项目介绍了生产计划与调度智能算法软件包的结构和功能。 在分析系统的功能需求并充分考虑实际生产过程后，我们提出了整个软件包的框 架结构，从功能的角度和工作流程两个方面，论述了整个软件系统的结构：同时， 我们又从软件开发的角度，详细说明了数据库的设计及算法部分的软件实现。最 后，给出了一个实际的生产实例，利用软件包进行实际的优化调度并分析了结果。 第6 章总结与展望，对本文的研究工作进行了总结，并对进步的研究方 向作了展望。 9 硕士学位论文 2 1 前言 第2 章炼油生产过程及调度决策量选择 炼油工业又称石油炼制工业。它是以原油为基本原料，通过常减压蒸馏、催 化裂化、催化重整、延迟焦化、加氢裂化、炼厂气加工、产品精制等一系列石油 炼制工艺过程，把原油加工成各种牌号的汽油、煤油、柴油、润滑油、溶剂油、 重油和石蜡、沥青、石油焦，并生产多种石油化工基本原料的工业部门 1 钔。常 见的炼油加工类型包括：燃料油型、燃料润滑油型、燃料化工型和燃料润滑油化 工型等。 原油是极其复杂的混合物，必须经过一系列的处理，才能成为多种有用的产 品。炼浦厂般按加工顺序将加工装置分为三类。 2 2 炼油厂生产的一次加工装置 原油蒸馏装置是炼油厂的龙头装置，炼油厂的第一道工序。它为二次加工装 置提供原料，并直接提供部分油品。原油蒸馏装冕的设计和操作的好坏，对炼油 厂的产品质量、收率以及对原油的有效利用都有很大影响i l ”。 蒸馏分离的依据是混合物中各组分的挥发性不同，当汽液两相趋于平衡时， 各组分在两相中的相对含量不同，其中易挥发组分在汽相中的相对含量较液相中 高，而难挥发组分在液相中的相对含量较汽相中的高。利用混合物中各组分间挥 发性差异这种性质，通过加入热量或取出热量的方法，使混合物形成汽液两相系 统，并让它们相互接触进行热量、质量传递，使易挥发组分在汽相中增加浓度， 难挥发组分在液相中增加浓度，从而实现混合物的分离，这种方法统称为蒸馏。 原油蒸馏装置通过加热、汽化、分馏、冷凝和冷却等介质传热过程，将原油 切割成一定沸点范围的馏分，这种切割在精馏塔内进行。原油先和其他热油换热到 2 0 5 2 3 0 。c 去初馏塔，塔顶出重整料。初馏塔底油进一步换热，并在常压炉里加 热n 3 6 0o c 去常压塔，其中汽油、煤油、柴油、重柴油等较轻的组分在汽化段汽化 成混合油气。蜡油和重油仍然为液体，混合油气上升到塔的精馏段，与回流液体 1 0 碳上学位论文 相接触。混合油气中，沸点较高的组分被冷凝，而回流液体中沸点较低的则气化。 气相继续上升，并逐步冷凝，沸点较高的柴油、煤油、汽油依次冷凝为液体、这 样上升的气体和回流的液体在塔板上充分接触，进行传热传质过程。因而，塔内 的温度由下而上是从高到低分布的，而油品的组分由下往上是由重到轻变化的。 气液两相在一定的条件下( 温度、压力、组分) ，由平衡到不平衡，再由不平衡 到平衡，按这一规律交替进行。如此反复，最终达到分割产品的目的。煤油、轻 柴油、重柴油在各自对应蒸汽压的泡点温度下从侧线抽出，而汽油和不凝气在回 流罐分别抽出。 由于塔顶产品与从塔侧抽出的产品必然混有少量的低沸点物质。因此，侧线 抽出的液体必须在汽提塔用水蒸汽把低沸点物质汽提出来，才能得到合格的侧线 产品。 常压重油中3 5 0 。c 以上的高沸点馏分是加氢裂化、催化裂化和润滑油的原料， 由于原油在高温下会发生裂解反应，所以在常压塔的操作条件下不能获得这些馏 分，只能在较低温度下通过减压蒸馏获得。在现代的炼油技术水平下，通过减压 可以从常压重油中蒸馏出沸点低于5 5 06 c 馏分油。减压蒸馏的核心设备是减压分馏 塔和抽真空设备。 原油蒸馏的工艺流程按照原油经过加热后一次汽化的次数分为一级蒸馏、二 级蒸馏、三级蒸馏和四级蒸馏u “。目前大多数炼油厂最常采用的原油蒸馏流程是 三级蒸馏，典型的三级常减压蒸馏的原理流程图如图2 一l 所示。 硕士学位论文 图2 1典型三级常减压蒸馏流程图 三级蒸馏流程包括三个部分：原油初馏、常压蒸馏和减压蒸馏。原油与产品 的余热换热到1 0 5 1 2 0 时，进入电脱盐罐，脱去原油的水分和盐分；然后再进 一步换热到2 3 0 2 5 0 进入初馏塔。通常初馏塔只出一个产品，即轻汽油或者重 整料，有时为了减轻常压塔负荷，在初馏塔开一个侧线出2 0 0 # 溶剂油。初馏塔底 油再换热到2 8 0 3 0 0 进入常压炉，加热到3 7 04 c 左右，进入常压塔，常压塔顶出 汽油，常一线作乙烯裂解料，常二线、常三线作柴油调合组分，有时还有常四线 作重整催化的冲洗油。常压塔底油一般是原油中沸点高于3 5 0 。c 的重组分，原油中 的胶质、沥青质等也集中在此。为取得催化料，需要把沸点高于3 5 0 。c 的馏分蒸出 来。如果继续采用常压蒸馏，则必须加热到4 0 0 5 0 0 ，这会导致油品热裂解， 胶质和沥青质会缩合生成焦炭，缩短装置的生产周期。为此，常压塔底油必须在 减压炉加热到3 7 0 左右，进入减压塔( 减压塔汽化段残压4 6k p a ) 进行减压 蒸馏。减压塔底渣油经热量回收后，再去作沥青或焦化原料。 对燃料型炼油厂，其初馏的主要作用是拔出原油中的轻汽油组分。常压蒸馏 的作用是分出原油中沸点低于3 5 0 。c 的轻质馏分油。减压蒸馏的作用是从常压重油 中分出沸点低于5 0 0 的高沸点馏分油和渣油。 三级汽化原油蒸馏工艺流程的特点有以下几个： ( 1 ) 从初馏塔顶得到的产品轻汽油是良好的催化重整原料，其含砷( 催化重整催 化剂的有害物质) 量小，且不含烯烃。所以，加工含砷量高的原油，生产重整原 料时均设初馏塔。然而，加工含砷量高的原油而不要求生产重整原料，或加工原 油含砷量低，则可采用闪蒸塔( 闪蒸塔与初馏塔的区别在于前者不出塔顶产品， 无冷凝和回流设施，塔顶蒸汽进入常压塔中上部；而后者出塔顶产品，因而有冷 凝和回流设施。) ，以节省设备和操作费用。如果加工的原油含轻馏分很少，也 可不设初馏塔或闪蒸塔，即采用两段气化流程。 ( 2 ) 常压塔可设3 4 个侧线，生产溶剂油、煤油( 或喷气燃料) 、轻柴油、重柴 油等馏分。 ( 3 ) 减压塔侧线出催化裂化或加氢裂化原料，产品较简单，分馏精度要求不高， 故只设2 3 个侧线，不设汽提塔，如对最下一个侧线产品的残炭值和重金属含量 有较高要求，需在塔进口与最下一个侧线抽出口之间设l 2 个洗涤段。 ( 4 ) 减压蒸馏可以采用干式减压蒸馏工艺。干式减压蒸馏一般采用填料( 如金属 硕士学位论文 矩鞍环) 而不是塔板。它的主要特点是，填料压降小，塔内真空区提高，加热炉 出口温度降低，使不凝气减少，大大降低塔顶冷凝冷却负荷，减少冷却水用量， 降低能耗等。因此，干式减压蒸馏被广泛地用于原油蒸馏装置中。 实际上，也有采用塔板式的湿式减压蒸馏的，这种减压蒸馏塔的特点是：塔 板数少( 由于分馏精确度要求不高) ，中段循环回流取热比例较大，以减小塔中 的内回流。缺点是塔板压降较大，为保证一定的拔出率，必须依靠少量过热水蒸 汽来降低油汽分压。湿式减压蒸馏工艺正逐渐被干式的所取代。 2 ，3 炼浊厂生产的二次 j 珏- r 装置 以一次加工所得到的半成品为原料进行的加工过程为二次加工，二次加工指 将直馏重质馏分再次进行化学结构上的破坏加工使之生成汽油、柴油、气体等轻 质产品的过程。主要的加工手段有热破坏加工、催化裂化、加氢裂化等。 2 3 ，1 热破坏加工 热破坏加工主要是以主产燃料为目的，将重质原料中的大分子烃经过热的作 用使之分解为较小分子。根据原料性质、操作条件以及加工目的的不同又分为以 下几个过程。 高压热裂化是以常压重油、减压馏分油等重质油为原料，主产汽油、柴油、燃 料油以及裂化气，反应在5 0 0 左右和3 5 m p a 的高压下进行。热裂化在石油加 工技术发展的历史进程中曾起过重要的作用。但产品中含有较多的烯烃，特别是 二烯烃，质量欠佳。所以随着炼油技术的不断发展已逐渐被催化裂化所取代。 减粘裂化，顾名思义可知裂化过程目的在于减少原料的粘度，通常是在较低 的温度( 4 5 0 4 9 0 。c ) 和压力( o 4 o 5 m p a ) 下使直溜重质燃料油经浅度的热裂 化以降低粘度和倾点，达到燃料油的使用要求。是处理渣油的有效手段之一。具 有工艺简单、投资少、效益高的特点。 延迟焦化是将渣油经深度热裂化转化为气体、轻质、中质馏分浊及焦碳的加 工过程，它是唯一能生产石油焦的工艺过程，是任何其他过程所无法替代的。尤 其是某些行业对优质石油焦的特殊需求，至使延迟焦化在炼油工业中一直占据着 重要的地位。 硕士学位论文 2 3 ，2 催化裂化 随着1 农业、交通运输业以及国防工业等部门的迅速发展，对轻质油品的需 求量日益增加，对质量的要求也越来越高。但是轻质油品的来源只靠直接从原油 中蒸馏取得是远远不够的。一般原油