（检测技术与自动化装置专业论文）改进粒子群算法及在油品调合问题中的应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 汽油调合是利用炼厂各装置生产的多种汽油组分，按照适当的比例配方混合均匀 后生产出符合各种成品汽油标准的调合汽油，是一个典型的非线性约束优化( n l p ) 问 题。汽油调合是炼油厂生产汽油成品油的一个重要的生产环节，它影响到高牌号汽油成 品油的生产和成品汽油调合的一次合格率，直接关系到炼厂的经济效益。作为成品油生 产的重要环节，油品调和包含多种组分油的使用和多种产品的生产，涉及多个储油罐， 不同的订单需求，严格的质量测试，以及复杂的物理和化学变化。建立完善的油品调和 短期调度数学规划模型成为炼油工业调度问题的首要任务，而其中的难点同时也是最关 键的环节便是如何获得满意的调合配方。 本文首先综合分析了国内外关于油品调合问题的研究情况及炼油厂的应用现状，分 类比较了现有的调和方法和调和技术，针对现有油品调和配比优化模型不够准确和求解 速度较慢的问题建立了新的汽油调和配比模型；并提出一种新的分化微粒群算法，在算 法进化过程中引入变异因子，较大程度的降低了整个算法在进化过程中陷入局部极值的 可能性，并保持了种群多样性，提高了算法在整个解空间内搜索全局最优解的能力。并 针对油品调和配方优化问题进行应用，仿真结果表明算法能获得比较理想的调和配方， 在满足调和利润最大的同时保证对调和指标的卡边，使调和成品由指标富余量大大降 低。通过仿真将本文方法与现有方法进行比较，验证了该方法的有效性和广泛的适应性， 为提高炼油厂经济效益创造了条件。 最后设计出了一个采用p i d 控制算法控制配方优化及执行的在线管道油品调和方 案，可以实现调和配比的在线调整，为采用本文方法实现油品在线调和提供了综合解决 方案。 关键词：油品调和；微粒种群算法；约束处理；非线性数学规划；在线调和；质量卡边 改进微粒种群优化算法及在油品调合问题中的应用 m o d i f i e dp s oa n dt h e a p p l i c a t i o nf o rg a s o l i n eb l e n d i n gr e c i p e j j o d n m l z a t l o n a b s tr a c t o i lb l e n d i n gi sa n t y p i c a ln o rl i n e a ro p t i m i z a t i o np r o b l e m a s t h em o s ti m p o r t a n t p r o c e s s o f p r o d u c i n g r e f i n e do i l ，t h i s s t e p r e f e r st oas e r i a lo ff a c t o r s i n c l u d i n g c o m p o n e n t s ，p r o d u c t s ，o 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 i ti s c o m p l i c a t e dt o a 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 es 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 st h e e 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 lb 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 y s c h e d u l i n g a n dr e s o l v i n gb l e n d i n gr e c e i p ti sk e ya n dd i f f i c u l t t h i sp a p e rf i r s ti n t e g r a l l ya n a l y z es t u d ys t a t u sa b o u to i lb l e n d i n gp r o b l e m si na n da b r o a d a n dt h ea p p l i c a t i o ns t a t u so fr e f i n e r y ，c o m p a r ea p a r tt h ee x i s t i n g b l e n d i n gm e t h o d sa n d b l e n d i n gt e c h n o l o g y ，a n db u i l dan e wo i lb l e n d i n gp r o p o r t i o nm o d e lf o rt h ep r o b l e m sa b o u t i m p r e c i s i o na n ds p e e ds l o w n e s so ft h ee x i s t i n go i lb l e n d i n gw e l l p r o p o r t i o n e dm o d e l p r o p o s i n gi m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na r i t h m e t i ca n di n t r o d u c i n gv a r i a t i o ng e n e i nt h ea r i t h m e t i ce v o l u t i o n ，g r e a t l yr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo fc o n v e r g e n c ef o rt h ew h o l e a r i t h m e t i c , k e ：e pl h es w a r md i v e r s i t y , a n di m p r o v et h ea r i t h m e t i ca b i l i t yo fs e a r c h i n gt h eb e s t s o l u t i o ni nt h ee n t i r e s p a c e a p p l y i n gf o r t h eo i lb l e n d i n go p t i m i z a t i o np r o b l e m ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a t a r i t h m e t i cc a no b t a i nab e t t e ro i l b l e n d i n gr e c i p e 。a n d g u a r a n t e en l p f o rt h eb l e n d i n gc o n s t r a i n sw h i l e c o n t e n t i n gt h em a x i m a lb l e n d i n gp r o f i t ，a n d g r e a t l yr e d u c et h ec o n s t r a i n i n gm a r g i no fr e f i n e db l e n d i n go i l c o m p a r i n gt h em e t h o dt h e e x i s t i n gm e t h o d s ，t h er e s u l to fs i m u l a t i o n sv e r i f y st h a tt h em e t h o di nt h i sp a p e ri se f f e c t i v e a n da d a p t i v ew i d e l y ，i ta l s oc r e a t e sc o n d i t i o n sf o ri m p r o v i n ge c o n o m i cb e n e f i to f r e f i n e r y f i n a l l y ，t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h eo n l i n ep i p e l i n eo i lb l e n d i n gm e t h o db ya p p l y i n gp i d c o n t r o lm e t h o d st or e a l i z et h er e c i p eo n l i n eo p t i m i z a t i o na n de x c u t i o n a n dp o i n t so u tf u t u r e s t u d yd i r e c t i o n k e yw o r d s ：p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ；o n l i n eo i l b l e n d i n g ；r e c i p eo p t i m i z a t i o n ； c o n s t r a i n td i s p o s e ；n l p i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任 学位论文题目：丝垫丝立髯垄杰垄焦i 生曼涸金! 卑拯圭堑垄! 翠 作者签名： 奎丛。 日期：至竺 年垒月j 上日 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 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 型墼壶聋篓五垄盘查墨通垒i 丑题聋堑垒军 作者签名：鳗日期： 型篁年竺月眨日 导师挠卜和一 嘲：皿年上月单日 大连理工大学硕士学位论文 引言 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 砣倍，严重影响了我国流程工业 企业国际竞争力的提高i l j 。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。 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。 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。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 t a l 讨论了德士古公司使用的离线多周期调合决策 支持系统【2 1 ，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，g l s i m m a l 和g u r 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f 3 1 。j i a 和e l p a r e r t i o t 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【4 】，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问题，但为了减少问题的复杂性，大多数方法 改进微粒种群优化算法及在油品调合问题中的应用 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。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。因此， 建立完善的油品调合模型及如何对油品配方进行快速有效的求解，具有很重要的研究意 义。 群体智能算法的诞生使优化领域得到了很大的发展，科学家利用生物群体的自然行 为来解决许多实际生活中的问题，并且构造和设计出许多仿生物行为的优化算法，他们 都是模拟自然界的生物系统，这些系统根据生物自身的特性，以及生物自身无意识的寻 觅行为来优化其生存状态从而使用环境的一些新型的优化算法。粒子群优化算法啼1 就是 其中一种比较新的人工智能算法。 作为一类借鉴生物自然界自然选择和自然遗传机制的随机优化算法，粒子群优化算 法主要具有合作性、分布性、鲁棒性、自适应性和快速性的特点。合作性使得群体具有 信息共享功能。每个个体是呈分散状态的，没有对群体中个体的行为进行集中控制。这 样虽然个体信息是部分的，但通过个体间的信息交流，整个群体的信息是完整的，因此 群体寻优往往可以达到全局最优结果。也正因为群体中个体的分布性，没有集中的控制， 所以不会因为其中的一个或者几个个体的原因而影响整个全局的问题，整个系统更加稳 定，具有良好的鲁棒性。而群体的个体行为能力简单，以数学描述方法几条规则就可以 描述，且能根据环境的变化做出快速的反应。 粒子群优化算法嘲简单通用，合作性、分布性、良好的鲁棒性和快速性的特点使得 算法广泛适用于并行处理，受到了人们的广泛关注。在机器学习、软件技术、图象处理、 模式识别、训练神经网络、工业优化控制、生物学、社会学等方面都显示了非常广泛的 应用前景。 大连理工大学硕士学位论文 1 油品调和技术研究 1 1 汽油调和的目的 汽油调合是利用炼厂各装置生产的多种汽油组分，按照适当的比例配方混合均匀 后生产出符合各种成品汽油标准的调合汽油。汽油调合是炼油厂生产汽油成品油的一个 重要的生产环节，它影响到高牌号汽油成品油的生产和成品汽油调合的一次合格率， 直接关系到炼厂的经济效益。 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，被称之为组分油( 又称半 成品油) 。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 以上的组分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和过程。成品油为汽油的调和被称为汽油调和。 汽油调和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。汽油通过较好的调和以后，一般可以达到 以下几个目的： ( 1 ) 使汽油符合规格标准，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，汽油调和是炼油厂生产汽油的重要环节，对企业的经济效益影响很大。炼油 厂成品油调和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d d 6 1 。 1 2 汽油调和机理 各种油品的调和，除个别的添加剂调和以外，大部分为液一液相系互相溶解的均相 调和，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 改进微粒种群优化算法及在油品调合问题中的应用 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。 油品调和后的特性表现在与调和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和， 反之称为非线性调和。调和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门。油品的组成十分 复杂，因此一般在调和中大多属于非线性调和。 对于车用汽油，在多个组分调和后，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，结果车用汽油的调和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，在调和时没有明显的相互作用，基本上是线性调和，而烯烃和芳烃则相 反，表现为非线性调和。因而直馏汽油、烷基化汽油、催化裂化汽油与重整汽油，它们 之间相互调和的组分改变，它们的调和辛烷值亦随之改变，即调和效应随之改变。但在 多组分的调和下，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 烷值组分的调和比例或调和汽油的辛烷值，但精确度不高。 1 3 汽油的质量指标 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【8 l o 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 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 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 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 【9 j 。 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1 ) 、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，同一汽油样品，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。1 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，过高则对发动机的加速以及燃料分配的均匀性都不 利；9 0 点和终馏点温度表示汽油中重质馏分的多少，温度过高时燃料蒸发不完全，燃 烧性能差。 蒸气压是指在标准仪器中测定的3 8 蒸气压，是反映汽油在燃烧系统中产生气阻的 倾向和发动机起动难易程度的指标。汽油中轻组分含量多，油路气阻倾向大，汽车容易 熄火；反之，则燃料不能迅速蒸发，起动困难。汽油的蒸气压要根据季节、地区和用途 进行调整。冬用汽油要有较高的蒸气压，夏季使用蒸气压较低的汽油；高海拔地区汽油 的蒸气压相应低些；航空汽油要求的蒸气压比车用汽油的低。 气液比是指在标准仪器中，液体燃料在规定温度和大气压下，蒸气体积与液体体积 之比。气液比是温度的函数，用它评定、预测汽油气阻倾向，比馏程，蒸气压指标更反 映气阻倾向。 汽油的安定性是指它的氧化性能。表示汽油安定性的质量指标有实际胶质和诱导期 两项，实际胶质是判断汽油在发动机中生成胶质的倾向，判断汽油能否使用和能否继续 储存的重要指标。按国家标准规定，每1 0 0 毫升汽油实际胶质不得大于5 毫克。诱导期 越长，汽油的抗氧化安定性越好。 改进微粒种群优化算法及在油品调合问题中的应用 汽油的腐蚀性主要由硫含量、硫醇硫含量、铜片试验( 检验活性硫化物存在与否) 和酸值来评价。汽油中的单质硫和硫化物不但对金属具有强烈的腐蚀作用，加速汽油机 报废，而且是汽车尾气排放物中的主要污染源，还会造成三元催化转化器“中毒。国 家标准规定，每1 0 0 克汽油硫含量不得大于o 0 8 克。 随着现代汽车工业和航空工业的发展，汽油消费量也迅速增长，同时车辆的排气对 城市大气所造成的污染也日益受到世人的关注。由于节能和环保的双重原因，对汽油的 质量要求越来越高，整体动向是朝着高标号、无铅化、洁净化的“绿色燃料 方向发展。 继8 0 年代提出汽油无铅化之后，美国于1 9 9 0 年c a a a ( 清洁空气法修正案) 的颁布， 生产新配比汽油已成为法律行为。按照e p a ( 美国环保局) 有关新配比汽油的污染公式， 对新配比汽油中苯与样的含量、雷德蒸气压、9 0 馏出温度、烯烃和芳烃含量等均作出 了严格的规定。目的是减少汽车排放气中的n o x 、未完全燃烧烃类、c o 和多环有机物。 减少因汽油蒸发而逸散到大气中的挥发物是为了减少地面的臭氧生成量，因烯烃、芳烃 生成臭氧的活性高，在汽油组成中要加以控制，苯则因毒性大，限制得更加严格。同时 发动机要向高速、高压缩比的方向改进，从而达到提高发动机的有效热功率、降低油耗， 节约能源的目的，而高压缩比的发动机，必须使用抗暴性能更好的汽油，即高辛烷值汽 油。 1 4 汽油调和方法 1 4 1 调和容器 目前常用的油品调和按照调和容器可分为两大类，即油罐调和和管道调和。 油罐调和可分为泵循环喷嘴和机械搅拌两种。泵循环喷嘴油罐调和是指先将组分油 和添加剂送入罐内，用泵不断地从罐内抽出部分油品，通过装在罐内的喷嘴射流混合。 高速射流在静止流体中穿过时，一面推动其前方的液体运动，同时在射流边界上存在的 高剪切速率造成大量旋涡把周围液体卷入射流中，这样吧动量传给低速流体，同时使两 部分流体很好混合。这一方法适用于调和比例变化范围较大、批量较大和中、低粘度油 品的调和，设备简单、效率高，管理方便。机械搅拌适用于批量不大的成品油的调和， 按照搅拌器安装方式的不同，可分为罐侧壁伸入式搅拌调和及罐顶中央进入式搅拌调和 两种1 们。 。传统的汽油调合工艺技术是人工调合，即罐调合。这种汽油调合方法需要大量的油 雄，其各组分的调合比例需要人工计算，因此为了提高汽油生产一次调合的合格率， 对需要控制的汽油性质质量指标留有较大余地，其调合配方一般趋于保守，造成汽油 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 质量过剩，浪费大量资源稀少高品质的汽油组分。而且这种传统汽油调合方法只对调合 控制属性指标较少的汽油生产配方有效。以前汽油调合控制目标属性指标比较少，主要 是辛烷值、蒸气压等，因而其满足质量要求的可调合范围宽，见图1 1 ( a ) ，调合起来相 对容易。虽然可能牺牲了一些高辛烷值品质的汽油组分，但还是能有效保证一次调合 的合格率。然而随着清洁汽油燃料的生产，汽油新标准的实施，除对汽油辛烷值、蒸气 压作出了严格规定外，对汽油的苯、烯烃、芳烃以及氧、硫等含量也提出了要求。控制 目标属性指标多，约束条件增加，其满足质量要求的可调合范围窄，见图1 ( b ) ，采用传 统的汽油调合方法，调合操作越来越复杂，难以保证一次调合的合格率，重复调合增 多，直接影响经济效益。传统的汽油调合方法已经不能适应清洁汽油燃料生产的需要。 辛娩诫警烷值 l 曩)( h 图1 1 汽油质量指标约束 f i g 1 1q u a l i t yc o n s t r a i n so fg a s o l i n e 管道调和是将各个组分和添加剂按预定比例同时送入总管和管道混合器进行均匀 调和的方法。管道混合器( 常用的是静态混合器) 的作用在于流体逐次流过混合器内每 一混合元件前缘时，即被分割一次并交替变换，最后由分子扩散达到均匀混合状态。管 道调和具有下列优点： ( 1 ) 可使基础油组分储存罐减少并可取消调和罐，成品油可随用随调，这样可节省 成品油的非生产性储存，减少油罐容量。 ( 劲组分油能合理利用，尤其对批量较大的油品，添加剂能准确加入，避免质量“过 头 ，可提高一次调和合格率，成品油质量可一次达到指标。 ( 3 ) 减少中间分析，节省人力，取消多次油泵转送和混合搅拌，从而节约时间，降 低能耗。 ( 4 ) 由于全部过程密闭操作，可减少油品氧化蒸发，降低损耗。 改进微粒种群优化算法及在油品调合问题中的应用 图1 2 即为成品油管道调和原理图。 图1 2 汽油管道调和生产原理图 f i g 1 2 g a s o l i n ep r o d u c t i o nf i g u r e 管道调和适用于大批量的调和。既可在计算机控制下，实现自动操作；也可使用常 规自控仪表、人工给定调和比例的手动操作管道调和；也可用微机监测、监控的半自动 调和系统。这三种管道调和方法目前我国都有实际使用。 1 4 2 调和方式 按照调和方式的不同，油品调和可分为离线调和与在线调和。 离线调和是指对于多个存放在半成品罐的油品，已经知道各个半成品组分的分析数 据和数量，利用基于严格的机理模型或者建立在大量数据基础上的经验模型或者两者的 结合模型，实现油品调和的计算，根据得到的调和比例在调和罐中进行油品调和。由于 基于人工经验，调和中存在计算不准确造成的调和次数多、时间长、占用调和罐多及质 量过剩现象。同时由于采用罐调方式，无论是用泵循环喷嘴法和机械搅拌技术都存在油 品易氧化变质，造成污染和挥发损失等缺点。 油品在线调和是指已经知道多个合格馏出口组分的分析数据和流量，分析数据可以 通过质量在线仪表得到【1 1 】，也可以是最新的化验结果，通过计算得出最佳调和匹配，按 照质量卡边的原则使高价格产品达到最多的程度，所有产品的关键质量没有过剩，计算 出各种标号的产品能调和出多少，并计算出各标号产品的最佳调和比率，然后按照这个 一8 一 大连理：大学硕十学位论文 比率在各侧线进罐之前进行调和，接着进入成品罐，实现产品质量卡边。汽油在线调和 调和系统示意圈如同1 3 所示。 酗13 汽油在线调和系统不意图 f i g1 3s k e t c h m a p o f g a s o l i n e o n d i n eb l e n d i n g s y s t e m 15 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【1 ”。 151 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、装贾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【l ：i 。 一 一 一 一 改进微粒种群优化算法及在油品调合问题中的应用 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 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。要求在已知的输 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 5 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【1 4 】。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【1 5 】。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 大连理工大学硕士学位论文 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 4 所示。 图1 4p d s c 循环 f i g 1 4 p d s cc y c l e 调度的周期一般较短，通常为一句、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 5 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 ) 制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。 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。 改进微粒种群优化算法及在油品调合问题中的应用 1 5 4 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 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 5 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。 jl 最优计划决策生产( 长期) 计划决策 计划决策层 jl 最优调度 最优化生产调度 1r 士 生产装置实时调优( 协调) 最优控制调优控制层 ： 分布式控制系统 ： 生产过程 ： 1 r 图1 5 计划、调度控制三者的关系 f i g 1 5r 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 大连理工大学硕士学位论文 1 。6 油品调和研究应用现状 1 6 1 油品调和研究现状 早在5 0 年代，国外几家石油公司就开始研究油品调和，经过几十年的发展，取得 了很多的研究成果，由于汽油和柴油是炼油厂最主要的两类产品，且对调和技术的要求 最高，因此绝大部分的研究都是围绕着这两类产品，至今这方面的研究方兴未艾。 这些研究成果大致可以概括为两个方面： ( 1 ) 油品调和质量指标的数学计算，主要是依据调和机理研究油品特性、调和配比 及油品调和质量指标的数学关系，目的是在满足油品质量的前提下为获取最大的经济效 益提供一个基础参考模型。对于汽油调和中的辛烷值计算，1 9 5 5 年n e l s o n 提出了线性 组和模型【1 6 1 ，1 9 5 8 年由s c o t t 等在总结烃类辛烷值数据规律的基础上获得了非线性模型 n 刀以及1 9 6 2 年b r o w n 1 8 j 等对此的修正。这些模型过于简单，难以满足多元组分调和和 高精度的需要。1 9 5 9 年，e t h y l 公司的h e a l y 等提出了一个估算多元汽油地辛烷值方程【l 引。 但是，该方程除了计算复杂外，还要求预先知道各调和组分的研究法辛烷值和马达法辛 烷值以及芳烃和烯烃的组成数据。对于千变万化的调和汽油组分，实际上该模型是难以 使用的，精确度就更难保证了。 国内也有些科研机构致力于汽油调和的研究，吴钦佩的汽油调和快速计算法，虽然 由简单、快速的优点，但难以使调和过程在最优的状况下操作。沈杉松等研究了m t b e 对汽油辛烷值的影响，彭朴和陆婉珍探讨了辛烷值与烃类组成之间的关系四l ，这种关系 适用性较好，但作为汽油的最优调和尚认为精度不够。浙江大学的陈新志提出的计算模 型较好的反映了汽油调和过程中的加和效应的影响，但美中不足的是这一模型效果具有 很大的局部性，即，在某些情况下，适用性较好，但对于其它情况，则效果不理想，偏 差很大。估算汽油的辛烷值还有其它的方法，如从汽油组成来估计，从汽油的其它量化 指标计算，由毛细管色谱法计算及核磁共振数据计算等。这些方法或缺少应用的普遍性 或需要较先进的仪器设备，所以很难在调和过程中发挥作用。近年来，在神经网络的建 模方面已取得有效成梨2 1 彩】。与传统建模方法比较，神经网络的最大优点在于：无需预 先给出模型的数学表达；具有对过程数据自组织、自学习的特点，便于在使用过程中不 断完善；对过程信息可实现分布式存储，对输入信号有一定程度的抗干扰性。 ( 2 ) 在调和质量数学计算的基础上，以获取最佳经济效益为目标进行调和配比优化 方案的计算。较早的成品油调和优化模型形式是线性规划。由于在成品油调和过程中存 在着非线性调和关系，故按照线性规划建立的调和优化模型存在精度不高的问题。这也 是某些炼油厂更愿意采用实验法来寻找最优调和方案的原因。但是，实验法又存在时间 改进微粒种群优化算法及在油品调合问题中的应用 长，成本高，且一旦参与调和的某一组分油的性质发生变化，则需重新做实验等缺点。 近年来，不少学者针对某些重要的成品油质量指标( 如汽油辛烷值、柴油凝点和冷滤点 等) 的非线性调和关系进行了大量的研究，提出了各种各样的预测估计模型。 1 6 2 油品调和应用现状 早在五十年代，美国的几家石油公司就开始对汽油的调合过程予以重视，对此做了 各种有益的探索和研究，国内外学者也针对调合机理提出了一系列不同的调合模型。 在汽油质量指标方面，1 9 5 5 年n e l s o n 提出了调合汽油辛烷值的线性组合模型【2 4 1 ， s c h o e n 和m r s t i k 基于两组分辛烷值和烯烃含量，导出了二元图形关联法，用于预n - 元体系的辛烷值瞄】；1 9 5 9 年s t e w a r t 在此基础上开发了多组分调合模型，用于多组分 汽油调合，获得了较为满意的效果【2 6 j ；1 9 5 9 年e t h y l 公司的h e a l y 等对调合汽油和各 组分汽油的辛烷值水平与烃类类型的差异进行了关联，提出了一个估算多元汽油调合辛 烷值方程，此法长期占统治地位 2 7 1 ；1 9 6 9 年a u c k l a n d 和c h a r n o c k 研究发现了一种线 性调合的辛烷值指数法，由线性调合指数得到调合辛烷值【冽；1 9 7 5 年m o r r i s 等利用组 分间的相互影响开发了非线性关联参数调合模型，该模型是一个超越辛烷值的函数，有 效关联了汽油调合组分的辛烷值【2 9 l ；1 9 8 1 年r u s i n 等提出了利用调合组分浓度及烯烃、 芳烃和烷烃含量预测汽油调合辛烷值的变换模型，该法采用三个变换，模型复杂程度较 耐删；1 9 9 2 年m u l l e r 提出了过量法，通过在线性组合模型后添加一个超出数预测调合 辛烷值【3 1 】；1 9 9 3 年z a h e d 等根据试验数据，采用回归分析法得到了一个具有五个独立 变量的公式预测调合汽油的辛烷值1 3 2 】；1 9 9 6 年t w u 等从烃类混合物的混合机理出发， 利用二元交互作用参数，提出了可用于多组分调合的辛烷值模型，并于1 9 9 7 年提出了 修正形式【3 3 】；1 9 9 7 年国内陈新志基于溶液混合过程中热力学性质的变化和局部组成的 关系，建立了多元调合汽油的辛烷值模型例。 在汽油经济效益和成本指标优化方面，一般主要采用了线性规划、非线性规划、目