（控制科学与工程专业论文）石化企业能耗优化及与物流集成的研究.pdf

摘要 摘要 能量系统是石化企业的重要组成部分。能量系统与生产系统有着密切的 联系，对能量系统的操作进行优化将极大地提高石化企业的经济效益，同时 也为其节能减排发挥重大作用。目前学者对石化企业能量系统优化的研究还 不多见，尤其是同时考虑生产系统和能量系统优化的研究还非常少。为此， 本文在综述国内外能量系统研究现状后，对石化企业能量系统的相关问题进 行了研究，并且在此基础上实现了生产系统与能量系统集成优化软件的开发， 主要内容如下： 1 ) 对石化企业能量系统、生产系统各自的建模优化方法进行了综述，分 析了生产系统与能量系统集成建模的必要性。 2 ) 建立了石化企业蒸汽动力系统的优化调度模型。采用三角模糊数刻画 蒸汽动力系统的不确定参数，提出了一种基于模糊规划方法的蒸汽动 力系统的最优运行策略计算方法。进一步，通过模糊参数的灵敏度分 析，指出了对结果影响较大的关键变量。某石化企业的实例研究表明 所提方法的可行性和有效性。 3 ) 建立了兼顾系统设计和运行优化需求的石化企业氢气系统优化调度 模型。针对氢气产耗量受原油供应和产品需求的变化而随机波动的不 确定问题，提出一种基于场景的二阶段随机规划方法，算例表明该方 法能有效处理炼厂氢气系统参数波动问题，并与传统的确定性方法相 比的具有优越性。 4 ) 提出一种基于分层迭代优化的框架的生产物流与能耗的集成建模方 法，设计并实现了物流与能耗集成建模与优化的软件平台，通过实例 说明了该软件的使用方法，表明将集成优化问题分解为生产主模型和 能耗子模型分别进行优化求解的可行性 最后在总结全文的基础上，展望了石化企业能量系统研究未来的发展方 向。 关键词：石化企业能量系统集成建模蒸汽动力系统氢气系统模糊 1 1 1 浙江人学硕士学位论文 规划随机规划优化软件 a b s t r a c t s a b s t r a c t s e n e r g ys y s t e mi sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n ti np e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e s e n e r g ys y s t e ma n dm a t e r i a lp r o c e s s i n gs y s t e ma r ee b s e l yl i n k e d o p t i m a l o p e r a t i o no fe n e r g ys y s t e mw i l lb r i n gc o n s i d e r a b l ep r o f i tt o t h ep e t r o c h e m i c a l e n t e r p r i s e s ，a n dw i l lp l a yag r e a tp a ni ne n e r g ys a v i n gh o w e v e r , f e wr e s e a r c h w o r k sh a sb e e nr e p o r t e do no p t i m a lo f p e t r o c h e m i c a l se n e r g ys y s t e m , e s p e c i a l l y o nt h ei n t e g r a t i o no fm a t e r i a lp r o c e s s i n gs y s t e ma n de n e r g ys y s t e ma sar e s u l t , s o m er e h t e dw o r ka b o u tt h eo p t i m i z a t i o ni nt h i sa r e a sw a sc a r r i e do u t s y s t e m a t i c a l l ya f t e rt h em a j o ri s s u e s i ne n e r g ys y s t e m so ft h ep e t r o c h e m i c a l e n t e r p r i s e s i ss u m m a r i z e d m e a n w h i l e ，a no p t i m i z a t i o ns o t t w a r e i n c l u d i n g m a t e r i a lp r o c e s s i n gs y s t e ma n ds t e a mp o w e rs y s t e mw a sd e v e l o p e d t h em a i n c o n t r 玉u t i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) e n e r g ys y s t e m si np e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s ew e r ei n t r o d u c e da n dt h e o p t i m i z a t i o nm e t h o do f m a t e r i a lp r o c e s s i n gs y s t e m & e n e r g ys y s t e mw e r e c o n c l u d e dr e s p e c t i v e l y t h en e c e s s i t yo fi n t e g r a t e dm e t h o dw a sp r o p o s e d 2 ) as c h e d u l i n gm o d e lo f s t e a mp o w e rs y s t e mi np e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e s w a sb u i l t a f u z z ym o d e lw a sp r o p o s e dw h i c hu s et r i a n g u l a rf u z z y n u m b e rt od e s e r v ei n a c c u r a t ed a t a f u r t h e r m o r e ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i sw a s c a r r i e do u tt o i d e n t i f yt h ee f f e c t so ft h ei m p r e c i s ep a r a m e t e r s t h e f e a s b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o dh a sb e e ni l l u s t r a t e d b yt h ee x a m p l e 3 ) a ni n t e g r a t e dh y d r o g e ns y s t e mm o d e lt h a tc o n s i d e r sd e s i g n i n ga n d s c h e d u l i n gt o g e t h e r i sb u i l t a t w o s t a g es t o c h a s t i cp r o g r a m m i n g a p p r o a c hb a s e do ns c e m r i oi sp r o p o s e dt od e a lw i t ht h ep r o bl e mt h a tt h e p r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o na m o u n to f h y d r o g e nf l u c t u a t ew i t hc r u d eo i l s u p p l ya n dp r o d u c td e m a n d t h ee f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o dc o m p a r i n g w i t ht h et r a d i t i o n a ld e t e r m i n i s t i cm e t h o dw a sd e m o n s t r a t e db yac a s e v 浙江火学硕士学位论文 s t u d y 4 ) an o v e lf r a m e w o r kf o rt h ei n t e g r a t i o no fm a t e r i a lp r o c e s s i n gs y s t e ma n d e n e r g ys y s t e mw a sp r o p o s e db a s e do nl a y e r e di t e r a t i o n a no p t i m i z a t i o n s o f i w a r ei n c l u d e sm a t e r i a lp r o c e s s i n gs y s t e ma n ds t e a mp o w e rs y s t e m w a sd e v e l o p e d f i n a l l y ，a ne x a m p l ei sg i v e nt oi l l u s t r a t et h eu s a g eo ft h e s o f t w a r ea n dt h ee f f e c t i v e n e s so fi n t e g r a t e dm o d e l i n g f i m h y ，as u m m a r yo ft h er e s e a r c hr e f e r r e da b o v ei sc o n c l u d e da n dt h e p r o s p e c to ff u t u r es t u d yi si n d i c a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：p e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e ，e n e r g ys y s t e m , i n t e g r a t e dm o d e l i n g ，s t e a m p o w e rs y s t e m , h y d r o g e ns y s t e m , f u z z yp r o g r a m m i n g ，s t o c h a s t i cp r o g r a m m i n g ， o p t i m i z a t i o ns o f t w a r e v i 表格 表格 表2 1集成建模理论框架优缺点分析 表3 1锅炉参数 表3 2蒸汽轮机参数 表3 3六个周期生产状态预测最可能值 表3 4满意度水平灵敏度分析 表4 1算例数据 表4 2压缩机、p s a 参数 表4 3各场景下流量数据 表4 4装置间距离 表4 5随机规划各场景流量 表4 6传统方法设计与随机规划设计费用比较 表5 1开发软件列表 表5 2生产装置生产能力与初始量 表5 3生产系统迭代前后优化数据 表5 4生产过程能源需求量汇总 表5 5调整后生产过程能源需求量汇总 x i 加 如 姐 虬 躬 n 钳 铊 弛 “ ” 铝 能 卯 ” 儿 插图 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图3 1 图3 2 图3 3 图4 1 图4 2 图4 3 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 插 图 企业控制模型 石化企业生产系统与能量系统关系图 炼油过程中产瓦斯和燃料油 生产系统与蒸汽动力系统能量交换 氢气系统流程图1 装置消耗氢气流程图 生产系统与能量系统集成方法 生产系统与能量系统集成框图 数据平台总体架构示意图 石化企业生产工艺流程图 蒸汽动力系统流程图 瓦斯系统流程图 三角模糊数隶属度函数 实例蒸汽动力系统系统流程图 满意度为0 8 时实例的优化调度结果 算例炼厂氢气系统结构图 确定性场景氢气系统改造结果 随机规划氢网络改造结果 软件总体结构示意图 锅炉模型 汽轮机模型 减温减压器模型 蒸汽管网模型 蒸汽动力系统基础模型库 锅炉参数列表 生成连接关系按钮 ：2 ：2 m 埔 ” n 勉 如 伯 铊 如 鹑 姆 n 铊 眈 眈 “ 酊 “ 浙江人学硕士学位论文 图5 9 图5 10 图5 1l 图5 1 2 图5 13 图5 1 4 x i v 数据库更新 生产系统数据表 蒸汽动力系统数据表 生产系统流程图 蒸汽动力系统流程图 子模型优化结果 6 5 6 6 6 6 6 7 6 8 7 0 缩略语表 缩略语表 m i l p m i x e d i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g 混合整数线性规划 m i n l p m i x e d i n t e g e rn o n l i n e a rp r o g r a m m i n g 混合整数非线性规划 c i m s c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m 计算机集成制造系统 n l pn o n l i n e a rp r o g r a m m i n g 非线性规划 m l dm i x e dl o g i cd y n a m i c 混合逻辑动态 m p m a r g i n a lp r o f i t 边际效益 t a ct o t a la n n u a lc o s t 总年度费用 l pl i n e a rp r o g r a m m i n g 线性规划 m i pm i x e di n t e g e rp r o g r a m m i n g 混合整数规划 q pq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g 二次规划问题 q c pq u a d r a t i cc o m t m i n e dp r o g r a m m i n g 二次约束规划问题 m i q p m i x e di n t e g e rq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g 混合整数二次规划问题 m i q c p m i x e di n t e g e rq u a d r a t i cc o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g 混合整数二次 约束规划问题 o p l o p t i m a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e 优化编程语言 h c h y d r o c r a c k i n g 加氢裂化 d h td i s t i l l a t eh y d r o t r e a t i n g 柴油加氢 k h tk e r o s e n eh y d r o g e n a i n g 煤油加氢 c n h t c r a c k i n gn a p h t h ah y a r o t r e a t i n g 裂解石脑油加氢 i s i s o r n e r i z a t i o n 异构化 c c rc a m m i cr e f o r m a t i o n催化重整 n h t n a p h t i l ah y d r o t r e a t i n 9 石脑油加氢 p s ap r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o n 变压吸附 符号一览表 符号一览表 蒸汽动力系统中锅炉、蒸汽管网、汽轮机等设备集合 流入物流流殷集合 流出物流流股集合 锅炉集合 汽轮机集合 动力汽轮机集合 发电汽轮机集合 氢公用工程集合 压缩机集合 氢源集合 氢阱集合 提纯装置集合 场景集合 参变量 日 焓值，k j k g f u 设备负荷，k 曲 0饱和水在搿和瓦之闻的比热，k j k g k q出锅炉蒸汽从过热温度到饱和温度的散热强度，k j k g a 锅炉模型常数 b锅炉模型常数 e 价格，美元 利率 f 年度操作时阔，小时 m a x 最大值 x v h 盈 曰 口 裕 肼彻 一 一 一 一 ， ， k 吖 s 浙江大学硕士学位论文 投资回收期，年 设备开停车o _ l 变量 汽轮机模型常数 汽轮机模型常数 装置耗氢气 模糊价格 模糊需求 汽轮机产生能量，k j 物流流量，k g h 装置蒸汽需求 连接关系 压力，m p a 电力消耗，千瓦时 物流物性 各场景发生的概率 物料流麓 装置总加工量 提纯装置提纯率， 物料属性 操作条件 年度费用，美元 装置电力需求 装置产氢气 连接关系0 - 1 变量 侧线收率 改造前连接关系0 - 1 变量 提纯装置投资费用系数 提纯装置投资费用系数 砂 y 彳 曰 3 e 。e ， 2 。 尸 一 肿 m q妒足 飓脚 形 m y m 口 声 符号一览表 上下标 ， 下限 l ，上限 最大值 设备 流入物流流股 流出物流流股 燃料 锅炉 蒸汽 t 时刻 汽轮机 动力 电 外购 永 提纯装置产品 提纯装置残余 燃料 氢公用工程 压缩机 氢源 氢阱 提纯装置 流出节点 流入节点 x 一 片 ， 。 m 姚 | ， 肭 加 如 枷 删 p r 彬 厅， 、 后 册 p g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文巾作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：互告 签字日期：、l o l o年歹月侈同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝主兰盘茔有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸江基鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库 进行检索，可以采用影印，缩印或扫摘等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：豇专导师签名： 签字 期：枷，口年多月侈f 1 学住论义作肯毕业后去阳： j l ：作单位：华为技术竹限公习杭州研究所 通讯地 哇：机： h l l f 文踏4 7 8 吁华j l f 代 i 场 电话：1 5 9 6 8 1 2 1 6 8 5 邮编：31 0 0 1 3 致谢 致谢 值此论文完成之际，我衷心地感谢我的导师荣冈教授两年多来对我孜孜 不倦的教育和指导。能够拜读于老师门下，我感到非常荣幸刚入研究生生 涯时，面对陌生的研究领域，不同的学习环境，我曾经迷茫过，感谢荣老师 对我的悉心指导，您的点拔让我找到了科研的灵感，走出了迷茫期。荣教授 扎实稳固的专业基础、广阔开放的研究视野深厚的理论修养、敏锐的学术 嗅觉、优秀的管理能力、全面的综合才能、严谨的治学态度，执着的追求精 神和睿智达观的人生态度都给我留下了深刻的印象，并潜移默化地影响了我， 是我今后学习和工作的榜样。 衷心感谢冯毅萍老师对我学习和工作中的热情指导和帮助。此外，感谢 王树青老师、王宁老师、徐巍华老师、吴俊老师、毛维杰老师对我的启迪和 帮助。 特别感谢廖祖维、章建栋两位师兄对我的无私帮助，在你们的引领下， 使我更快地走入了科研的大门。在我科研遇到困境时，感谢你们给我提供了 大量宝贵的指导和建议，是你们的帮助，促成了这篇论文的圆满完成。 感谢吴玉成、罗春鹏、王旭，李笕列、顾海杰、邵纪东、王强、王继帅、 许华，朱玉韬、郑丽钰、李俊松、朱玮等师兄师姐对我的关心和帮助，是你 们带我融入实验室的生活，你们的鼓励使我振作精神，你们的指点教我长足 进步。感谢童凯亮、陈昌菊、刘苏昱、邬仲臻、潘照杰、周泽伟、陈俊豪、 陈晾、刘笑、张国泽等师弟师妹们，与你们的相处让我度过了人生中一段美 好的时光。尤其感谢杨佳丽，与你的相互鼓励、共同进步，让我们共同度过 了研究生期间的重要关口。 感谢刘波、付杰、徐磊、李华凤、李海玲、王晶、吴燕君等同窗的一路 关心和帮助，感谢赵进慧、王康泰，徐铭泽、杨世品、毛婧敏、冯方琼等教 十八1 0 6 实验室的其他同学。 此外，还要对所有关心过我的同学和朋友们表示由衷的感谢。 深深感谢我的父母，你们对我的关爱无法言表，是你们让我体会生活的 浙江人学硕士学位论文 温暖，是你们教会我待人处事的道理， 神依靠。特别感谢扈慧强对我的关心、 的困难与欢乐将是我们一生的财富。 n 多年来你们的默默支持是我最大的精 理解和鼓励，与你在校园里共同经历 宣吉 2 0 1 0 年1 月于求是园 1 绪论 第1 章绪论 摘要：随着节能减排活动的深入展开，石化企业能量系统的运行优化技术的应用效果 日益显现，应用范围逐步扩大，越来越受到学术界和工业界的广泛关注本章介绍了能 量系统的背景知识，讨论了能量系统在石化企业中所处的地位和作用，分析了能量系统 运行优化管理的研究和应用现状。同时介绍了石化企业生产系统的优化以及生产系统与 能量系统集成优化技术最后简要介绍了本文的结构和主要研究内容 关键词：石化企业能量系统优化集成 1 1 引言 “十一五”规划纲要中提到，我国单位国内生产总值能耗在2 0 1 0 年计划 比“十五”末期下降2 0 ，这要求我国走可持续发展的道路，转变目前的“高 消耗、高投入、难循环、高排放、低效率”这种粗放型经济增长方式。节能 降耗是这一发展战略的必然选择，同时也是科学发展观的基本要求。能源是 国民经济的基本支撑，是人类社会发展的物质基础。我国的能源消费仅次于 美国，居世界第二位n 。未来我国经济建设面临着包括环境保护、能源短缺， 能源安全等一系列问题。解决这些问题( 包括保证能源进口的安全改善能 源结构、应对全球气候变暖和解决区域环境污染等问题) 是一项需要耗费大 量成本同时又极度复杂的社会重大工程，除了加快实施能源领域的技术创新 和制度体制改革、推行优化和调整能源结构的政策、实施对环境破坏小的能 源战略性决策、采取保障石油安全的措施以外，节能减排、提高能源的利用 效率是解决能源环境问题的一条有效途径幢1 。从企业的角度来看，节能降耗 也具有非常重大的意义，随着国际经济危机的影响和全社会对于环境保护意 识的日益增强，中国企业面临着经济形势与社会舆论的双重压力，因此中国 企业迫切需要通过节能降耗来实现企业经济效益的提高和社会竞争力的增 强。 目前，我国的石化企业已采用了大量的节能技术。我国的石化企业不仅 在节能技术上，而且在节能管理上都已经取得了很大的成绩。但是与发达国 家的先进水平相比，我国石化企业在能耗水平方面仍然存在着较大的差距。 能源利用率低，节能潜力大。我国石化企业的现有的节能降耗工作大多是通 浙江人学硕士学位论文 过改造或者更新落后的设备和工艺来进行的，这虽然能够在一定程度上提高 石化企业的节能降耗能力，但是总的来说，采用这种方式需要花费较大的成 本，同时，这些改进是立足于局部的，无法对石化企业整体进行全局考虑， 因而无法达到全局最优。随着石化企业节能降耗研究的逐步深入，能量系统 优化技术逐步被学者们应用到石化企业节能降耗中去，这给石化企业处理能 源问题带来了全新的方法，石化企业能量系统优化技术越来越受到人们的关 注，优化范围也从最初的对单装置、操作单元的优化逐步转向整个系统甚至 向全厂整体优化的方向发展”1 能量系统优化运行是炼油企业突破节能降耗 进展极限的关键技术，很多学者都对其展开了深入的研究和应用。 石化企业能量系统主要包括蒸汽动力系统、氢气系统、瓦斯系统以及水 系统。能量系统与生产系统相辅相成，能量系统支持着生产系统的运行，没 有能量系统提供基础能源，生产系统将无法顺利运行；同时生产系统也可以 为能量系统提供瓦斯、燃料油等能源，合理地利用这些能源，可以优化能量 系统的运行成本，提高全厂经济效益。能量系统在石化企业中处于举足轻重 的地位，基于此，本文对石化企业能量系统尤其是蒸汽动力系统以及氢气系 统做了系统的研究，同时研究了能量系统与生产系统的集成建模与优化技术， 开发了能量系统与生产系统集成优化软件，并且用某石化厂实例数据做了验 证。 1 2 我国能源问题现状 中国能源面临的严峻形势和挑战，主要包括下面4 个问题1 。 1 ) 能源资源紧缺 我国能源资源人均占有量只达到世界平均水平的一半，油气资源只占世 界平均水平的1 1 0 。我国随着国民经济的快速发展，已经成为了世界能源消 费大国。中国的能源消费占世界能源消费的1o ，仅次于美国；中国进口石 油对外依存度超过3 5 ，预计2 0 2 0 年将达到6 0 * , ，这种状况将会威胁到我国 经济战略安全。 2 ) 能源利用效率低 我国能源利用效率很低，只有3 3 4 ，远远低予世界发达国家的5 2 - 5 5 2 1 绪论 占我国总能耗9 0 以上的建筑物、工业、交通的能源利用率低；占工业总能 耗7 3 的产品单位能耗比世界先进水平高4 7 ；建筑物单位面积能耗比发达国 家高2 - 3 倍。 3 ) 环境问题突出 我国s 0 2 的排放量严重超标，酸雨率高达4 0 ，已超过环境承载能力的 7 0 ，目前全球环境污染最严重的2 0 个城市中中国占了1 6 个。环境污染已经 对我国经济社会可持续发展构成了极大的威胁，由于环境污染直接或间接对 经济造成的损失达到了g d p 的7 - 8 。 4 ) 粗放型经济增长模式不可持续性 1 9 8 0 年以来，我国能源消耗每年递增4 6 以上，是世界平均水平的3 倍。 我国g d p 不到世界的l 3 0 ，但是钢铁，煤炭、水泥年消费达到世界总消费 的2 5 、3 0 和5 0 。这种通过消耗大量能源为代价来实现经济快速增长的模 式是不可持续的。 1 3 石化企业能量系统的优化技术 能量系统的运行优化是石化企业提高经济效益的一个十分重要的手段 本小节详细介绍了能量系统优化的方法，并且对研究现状进行了总结。 1 3 1 什么是能量系统优化 优化是使用专门的方法来确定最优的成本，并对某一问题或某一过程的 设计进行有效求解的方法。在进行工业决策时，这一技术是主要的定量分析 工具之一。在石化企业以及许多其他工业工程的设计、建设、操作和分析中 所涉及的大部分问题均可使用优化方法进行求解。在工厂操作中，一部分效 益来自于工厂操作性能的提高，例如增加高价值产品的产量、提高过程效率、 延长开工时间。此外，还有无形的效益来自于工厂操作者、工程师和管理人 员之间的相互配合，而系统优化正是为了实现各方面的配合，以达到整体最 优。优化可以应用与企业的各个层次上，其应用范围包括车间，设备、装置 等各个层次。对于一个过程问题，优化的目的都是求取其最优解。要实现这 一点，必须：( a ) 建立一个能代表该过程的模型；( b ) 选择一个适宜的目标标 3 浙江火学硕士学位论文 准。 优化不是单纯的对装置操作的优化，而应当是面对整体的优化，优化目 标不是简单的某个装置、某个车间的操作最优，或者是单纯的最大产量，最 小消耗等，而应当是全厂经济利益的最优化。同时，总体目标是国家经济的 长远持续发展u 1 。 能量系统优化也是一种优化技术，是专门针对能量系统的一种优化技术。 能量系统优化技术是目前化学工程学科中发展最迅速的技术。能量系统优化 不仅需要考虑能量系统的运行操作优化，同时也要考虑相对应的生产系统物 料的优化，能量系统不仅要通过安排能源设备的操作、生产的调度来实现自 身的经济效益最优，同时需要满足生产系统的能量供应约束。生产系统的生 产方案、市场需求的改变同时也会影响到能量系统的优化。因此，在优化时， 需要寻求能量系统与生产系统之间的利益平衡点，达到全厂最优。能量系统 侥化包括设计优化和操作优化( 及运行优化) 两个层面。下面分别对这两部 分研究的常用方法进行介绍。 1 3 2 能量系统设计优化技术 目前能量系统设计常用的方法包括夹点技术、数学规划法、人工智能技 术以及这几种方法的结合。 1 3 2 1 夹点技术 夹点技术拍( p i n c h t e c h n o l o g y ) 首先被应用于换热网络优化设计，是由b o d o l i n n h o f f 在7 0 年代提出的。后来经过逐步的发展，夹点技术成为化工过程综 合的方法论。夹点技术是能量系统优化技术的重大突破，随着夹点技术的提 出，8 0 年代以来，夹点技术被许多发达国家，如美国、欧洲、日本等国家广 泛应用于工业生产中去( 包括连续和间歇生产过程) ，夹点技术可应用的领域 非常广阔，具有很大的应用前景，在工业生产中产生了巨大的经济效益。 夹点技术目标明确、思路清晰，被广泛应用于石化企业能量系统的优化。 l i n n h o f f - m a r c h 公司将该技术应用于产业，对全球5 0 0 多家企业使用夹点技 术实现了1 0 0 0 多套装置换热网络的优化设计改造，其中6 0 的项目已经在生 产实践中应用，平均降低系统能耗3 0 以上。不仅国外对夹点技术应用广泛， 4 1 绪论 国内也有很多将夹点技术应用于换热网络和蒸汽动力系统改造，并且取得了 经济效益的显著提高。清华大学与我国石化企业合作进行换热网络和蒸汽动 力系统的改造，取得很好的效果，直接产生每年平均经济效益达1 0 2 2 8 3 万 元。 夹点技术是计算机应用的典型代表。目前已有一些成熟的夹点技术商业 软件。其中包括英国l i n n h o f f 教授及其同事开发的s u p e r t a r g e t 软件和 l i n n h o i f - m a r c h 公司开发推广的a d v e n t 软件。 1 3 2 2 数学规划法 数学规划法n 1 通过将研究对象数学建模归并为包括目标函数和约束的数 学模型，根据数学模型的类型采用合适的方法对其进行求解得到在满足约束 条件下的目标函数最大或最小值采用数学规划法从理论上来讲可以得到问 题的最优解。因此，数学规划法比夹点技术思路更为严密，但是，由于化学 过程是非常复杂的，包括很多物理和化学反应，同时流程结构又错综复杂， 很多模型并不能简单的用一个数学公式来表达，常常需要在一定程度土做理 论上的近似，数学模型只能从大体范围上描述这些过程，而不能对其精确计 算。同时，又由于包括很多方案的选择、设备的启停等问题，数学模型中常 常包含很多0 - 1 变量，同时，化学过程又经常是非线性的，因此，优化问题 将变为复杂的m i n l p 问题( 混合整数非线性规划问题) 。m i n l p 问题很难直 接求解，一般都需要对其送行简化处理。经常采用通过线性化处理、将大系 统分解为小系统或者是采用分步求解等方法来计算m i n l p 问题。除了这些常 见的方法，随着智能算法的出现，遗传算法、模拟退火法等新方法也被应用 到数学规划法中，提高了计算大规模混合非线性问题的求解能力。许多公司 也针对数学规划问题提出了商用的数学规划软件，如i l o g 公司的c p l e x ， g a m s 公司推出的g a m s 优化软件，现有的优化软件很多也提供了非线性问 题求解的功能。本文是采用数学规划法来对优化问题进行求解的。 1 3 2 3 专家系统 专家系统是一个( 或一组) 能在某特定领域内，以人类专家水平去解决 该领域中困难问题的计算机程序。专家系统是人工智能中最活跃的一个分支， 将其应用于能量系统优化问题中具有一定的优越性，能量系统优化问题是一 5 浙江人学硕士学位论文 个非常复杂的问题，考虑的方面很多，包括投资费用、操作运行费用、能源 消耗费用、环保因素、安全因素等众多问题，有很多问题不能简单地用数学 形式来描述，目前运行的石化企业中，对能量系统的优化很大程度上也是靠 一些专家凭借自己的经验进行调控。专家系统可以模型现场这些专家的思考 过程，根据积累的经验做出判断。这对于一些过子复杂而无法描述的问题来 说，专家系统可以起到很好的效果。但是，由于很多情况下不能穷举出所有 的经验，而且这些经验并不是完全精确的，所以将专家系统全面应用到能量 系统优化技术中，还存在一定的距离，需要对其进行再一步深入的探索。 1 3 3 生产系统与能量系统调度优化技术 1 3 3 1 生产系统的调度优化技术 石化企业生产系统的研究是最早进行的，目前也是最成熟的领域。石化 企业生产的目标是通过一系列物理反应和化学反应将原油加工成为高附加值 的产品，同时使整个生产过程成本最小，收益最高。这需要在生产过程中合 理地选择生产方案，优化生产操作。对石化企业生产过程的优化是在满足生 产需求、生产约束以及原料供给的情况下，选择合适的生产方案，合理调整 工艺参数，控制各装置的生产，减少装置生产方案的切换，降低产品与半成 品的波动，使得生产平稳进行，优化生产过程。除了对生产物料的优化，同 时也需要满足能源动力的供应。 国内外学者对生产调度优化问题展开了大量的研究。x i o n g 等扣1 给出了将 炼油生产过程中调度与计划集成问题的框架。目前对调度优化问题一般采用 的是离散时问建模方法，g o t h e l u n d g r e n “帕提出一种新的建模方法，虽然仍 属于离散时间建模，但是调度事件不局限于周期开始或结束时刻。p i n t o 等1 提出了生产建模的框架，不仅涉及到物料平衡，同时也考虑了进料物性和工 艺参数对出料收率和物性的影响。p e r s s o n y 等“2 1 将禁忌搜索算法应用到石化 企业调度优化问题中去。国内也有很多学者研究该领域。杜江等n 引在将专 家系统技术应用到调度优化技术中，采用专家系统给出了优化技术的知识表 达，同时开发了计算机集成的生产系统调度优化专家系统。丁锋等n 钉从 c i m s ( i t 算机集成制造系统) 的角度，提出了石化企业生产计划调度的原理性 6 1 绪论 框架，同时研制了一个5 日的滚动作业计划。苏志同等n 们根据现场调度人员 多年的经验总结，提出了利用“人工智能思维”应用到生产调度优化计算中 去。姚建初等n 7 。博1 同样将利用人工智能的方法应用于生产调度优化，将基于 实例的样本性知识、基于规则的归纳性知识和数学规划结合起来，以支持调 度优化系统。罗春鹏等n 蚰通过建立两层决策模型来建立石化企业的调度模型， 上层是普通的优化模型，下次采用启发式算法。罗春鹏等n 0 1 在另一篇文章中 建立了不确定下的调度模型，并且使得模型具有很好的鲁棒性。 1 3 3 2 能量系统调度优化技术 石化企业能量系统主要包括蒸汽动力系统、氢气系统和瓦斯系统。 1 蒸汽动力系统 自上世纪8 0 年代以来，国内外学者对蒸汽动力系统调度问题的研究一直 十分活跃。g r o s s m a n n 等n ”在1 9 8 3 年就建立了蒸汽动力系统的m i l p 模型。 s t r o u v a l i s 等任2 1 在操作优化时考虑了蒸汽动力系统的单元维护问题。b r u n o 等 旺封建立了蒸汽动力系统中汽轮机的非线性模型，使之成为较为复杂的m 烈皿 模型。h u i 等心4 1 建立了某日本石化企业的蒸汽动力系统m l p 模型，并对其 进行改造优化。g r o s s m a n n 等幢 将蒸汽动力系统的设计和多周期操作问题集 合在一起考虑，并将其分解为子问题求解。h i r a m 等妲耐将多个厂的蒸汽动力 系统集中到一起集成优化，实现多厂全局优化。 与此同时，国内很多学者也开展了大量的研究工作拉卜3 1 1 。贺阿列等幢 借助 总复合曲线来设计可调节性好的蒸汽动力系统。鄢烈祥等n 引采用列队竞争算 法和动态规划法分步求解系统调度的非线性规划问题。张冰剑等悖鲥建立了蒸 汽动力系统与生产系统的集成调度模型。戴文智等们则采用改进的p s o 算法 对多周期问题进行了求解。罗向龙等b 1 1 提出了系统的柔性设计策略。 2 氢气系统 国内外学者开展了大量的氢网络优化研究工作。a l v e s 等2 1 首先提出了基 于图形夹点的氢网络优化方法，并被随后的研究者d 不断发展和完善。随 后，数学规划方法也被引入这个领域，h a l l a l e 等d 用超结构描述氢网络，并 且考虑了现有设备的压力约束问题。l i u 等。1 引入了精确的提纯装置模型，提 出了提纯装置的选择方法。f o m c c a 等钉使用图形方法和数学规划法来解决一 7 浙江人学硕士学位论文 个实际问题。 后来，氢气系统的优化需要将提纯装置考虑在内，使得氢气网络效率进 一步提高。a l v e s 等h 町使用夹点的方法来解决考虑提纯装置问题。但是，由于 需要考虑压力约束，学者接着转为使用数学规划法来处理。当压缩机和提纯 装置需要同时被考虑时，氢气系统数学模型是复杂的m i n l p 问题，为了简化 模型，h a l h l e 等o 假设压缩机的进出压力为常量。国内学者的研究工作包括： 廖祖维等1 建立了考虑压缩机和提纯装置所有可能性的氢气系统超结构 m 默l p 模型，并用某炼厂的实例来阐述该方法。张毅等h 2 1 建立了氢网络优化 的非线性模型州l p ) ，并采用序贯二次规划算法求解。赵振辉等州用夹点分 析方法考虑了网络中存在多种杂质的情况。 3 瓦斯系统 瓦斯系统也是能量系统一个重要组成部分。梁彬华等5 1 利用a s p e n o r i o n 开发了石化企业生产调度辅助决策系统，同时实现瓦斯系统的平衡计算。李 树文耵从工艺角度分析瓦斯调度过程，并对工艺进行了改造。除了对石化企 业瓦斯系统的调度研究外，很多学者也对钢铁厂的瓦斯系统进行了研究。 b e m p o m d 等h 将混合逻辑动态系统( m l d ) 建模方法应用到瓦斯系统的优化 中。a k i m o t o 等h 引在对钢铁厂的瓦斯系统进行分析并且建立了瓦斯调度优化 的m i l p 模型，实现瓦斯平衡调度。k i m 等h 建立钢铁厂的瓦斯系统模型的 同时开发出了瓦斯系统的优化软件。z h a n g 等d 使用数学规划的方法建立了 石化企业瓦斯系统的m i l p 模型，并且利用边际价值的方法分析了该模型， 对瓦斯调度决策提供支持。 1 3 3 3 生产系统及能量系统集成调度研究 从上述描述可知，目前对于石化企业生产系统以及单独的能量系统研究 都已经比较深入，特别是生产系统，经过众多学者的研究，已经形成了成熟 的理论体系。但是对于生产系统与能量系统的集成问题，关注的学者还不多 见。 对于模型的集成问题，在很多领域都会涉及。例如换热网络与水网络的 集成问题，计划与调度的集成，以及生产系统与能量系统的集成问题。对于 考虑换热网络的水网络优化，一般采用的是先得到公用工程目标最小下的用 8 l 绪论 水网络，再设计换热网络螂1 。由于第一步生成的用水网络并不惟一，这类方 法仍然不能保证在第二步得到的换热网络最优。廖祖维等d 钉首先建立以公用 工程总费用最小为目标的数学模型，求解a t m i n = 0 。c 时的新鲜水和用能量目 标值，接着再建立区分混合传热与间接传热的优化模型。 计划与调度的问题也同样需要考虑两个模型的集成问题。c h r i s t o s 等巧。1 对计划与调度集成做了总结，并概括了目前常用的集成方法。a r m r o 等岱射使 用直接分布的方法建立了计划调度的集成模型，将上层优化结果作为下一层 次的输入w r u 等抽们考虑了不确定下的计划与调度集成分解策略，并且考虑了 分步迭代。y a n 等考虑了计划与调度的全局优化，同时采用遗传算法来求解 该模型。罗春鹏抽2 1 采用分层的方法来求解计划与调度的整合问题，上层采用 计划模型，下层采用仿真模型，上层模型的调度决策信息传给下层仿真模型 后，仿真模型又根据启发式规则安排具体的罐接收和输送物料。 对于能量系统与生产系统的集成优化现有的文献还较少。“等对在石化 企业计划优化中考虑了瓦斯、蒸汽的作用，并且使用边际价值对模型进行了 分析。h u a 等伯帕在能耗模型中考虑了生产方案对能耗的影响。z h a n g 等5 将 石化企业生产系统、氢气系统和蒸汽动力系统集成到一个模型中进行优化求 解，最终实现三个系统的全局最优。张冰剑等6 们使用i d e f o 法建立了石化企 业生产系统和公用工程的集成模型。 对于生产系统和能量系统集成的问题，研究的内容还不够深入，还有较 大的研究空间，这也是本文主要内容之一。 1 4 论文的研究内容和主要创新点 随着能源问题受社会关注程度的日益提高，节能降耗已经到了刻不容缓 的程度。石化企业能量系统是企业最大的耗能机构，因此，如何对能量系统 进行改造优化将对企业效益与可持续发展都会有很大的帮助。而对传统的能 量系统优化改造通常是对单位装置进行改造，采用这种方法虽然能在一定程 度上节约能量，但是只是针对局部，不能以全局的角度分析能量系统优化问 题。因此，能量系统优化技术将成为突破企业节能降耗瓶颈的关键技术。本 文的研究工作就是针对石化企业能量系统优化技术展开的。 9 浙江人学硕上学僚论文 本文不仅分析了最典型的石化企业能量系统( 蒸汽动力系统与氢气系统) 的单独优化问题，建立各自的优化模型，并分析了在不确定情况下的调度优 化问题。同时，分析了将生产系统与能量系统集成优化的意义并提出一种采 用分层迭代的集成框架方法，介绍了其实现原理，并基于该集成理论实现了 生产系统与能量系统集成优化软件。本文共分六章，各章节内容如下： 1 ) 第一章分析了目前我国的能源问题现状，指出系统优化技术将是解决 能源问题的关键技术。同时分析现有的能量系统优