系统工程理论在炼油化工厂的应用课件

1、第第7 7章章 系统工程系统工程理论在炼油化工厂的理论在炼油化工厂的应用应用第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程应用内容系统工程应用内容企业管理：企业管理：企业具有社会功能，生产计划制定必须考虑社企业具有社会功能，生产计划制定必须考虑社会需求、政府政策、库存情况、生产能力、原会需求、政府政策、库存情况、生产能力、原料供应、产品运输等料供应、产品运输等生产管理：生产管理：在满足生产计划的前提下，以最优的条件生产在满足生产计划的前提下，以最优的条件生产质量达标的产品质量达标的产品第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的

2、应用第一节、最优化概念第一节、最优化概念一、目标函数一、目标函数二、优化变量二、优化变量三、约束条件三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用第一节、最优化概念第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用最优化问题：最优化问题： min( ). .( )( )f xs tg xh x00max (

3、 )min( )f xf x最大化！？最大化！？目标函数目标函数( )f x优化变量优化变量(手段手段)x不等式约束条件不等式约束条件( )g x等式约束条件等式约束条件( )h x第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用第一节、最优化概念第一节、最优化概念一、目标函数一、目标函数二、优化变量二、优化变量三、约束条件三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用一、

4、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用一、目标函数第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用目标函数目标函数(Objective Function)优化问题所追求的要达到的目标优化问题所追求的要达到的目标常用优化目标：常用优化目标： 系统的原料利用率最高；系统的原料利用率最高； 产品产量最大；产品产量最大； 经济效益最大；经济效益最大； 能源消耗最小；能源消耗最小； 操作成本最低；操作成本最低； 系统的投资成本最低；系统的投资成本最低；第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用多目标优化问题的处理多

5、目标优化问题的处理 突出主要目标；突出主要目标； 将多目标转变为单目标；将多目标转变为单目标； 对相互矛盾的目标进行折衷处理；对相互矛盾的目标进行折衷处理；加权！加权！加权！加权！第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用第一节、最优化概念第一节、最优化概念一、目标函数一、目标函数二、优化变量二、优化变量三、约束条件三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用一、在

6、企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用二、优化变量第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用优化变量优化变量 (Optimization Variables) 系统模拟方程系统模拟方程: f (w, x, z) = 0 w 决策变量决策变量 x 状态变量状态变量 z 内部变量内部变量实现目标的手段实现目标的手段可影响操作结果可影响操作结果受制于决策变量受制于决策变量设备内部变量设备内部变量决策变量数量？决策变量数量？l 选择优化变量时必须充分考虑其对目标函数的选择优化变量时必须充分考虑其对目标函数的影响，也不能太多！影响，也不能太多！

7、第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用第一节、最优化概念第一节、最优化概念一、目标函数一、目标函数二、优化变量二、优化变量三、约束条件三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用三、约束条件第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用约束条件约束条件(Const

8、rained Conditions)约束条件的类型约束条件的类型1）不等式约束条件）不等式约束条件g(w, x ) 02） 等式约束条件等式约束条件 等式约束条件包括：等式约束条件包括： 等式设计规定或工艺要求：等式设计规定或工艺要求： h(w, x ) = 0 等式尺寸成本关系式：等式尺寸成本关系式： c(w, x, z) = 0 系统模拟方程：系统模拟方程： f (w, x, z) = 0第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用最优化问题可行域：最优化问题可行域：Ox2x1min. .232360400012121212xxs txxxxxx满足所有约束

9、条件的变量集合满足所有约束条件的变量集合10 x 1240 xx122360 xx20 x 可行解第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用第一节、最优化概念第一节、最优化概念一、目标函数一、目标函数二、优化变量二、优化变量三、约束条件三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用四、过程系统优化问

10、题的类型及特点第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用过程优化类型过程优化类型固定工艺流程和设备结构固定工艺流程和设备结构操作参数优化操作参数优化调整工艺流程或设备调整工艺流程或设备设计参数优化设计参数优化 改变流程或设备后必须进行操作优化改变流程或设备后必须进行操作优化离线优化离线优化(off-line)在线优化在线优化(on-line)第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用过程优化模型类型过程优化模型类型稳态优化模型稳态优化模型模型不考虑时间参数模型不考虑时间参数min( , ). .( , , )0( , , )0

11、( , )0( , )0f w xstf w x zc w x zh w xg w x第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用过程优化模型类型过程优化模型类型动态优化模型动态优化模型模型考虑时间参数模型考虑时间参数 间歇过程间歇过程 连续装置的开工与停工过程连续装置的开工与停工过程 紧急情况等都属于动态过程紧急情况等都属于动态过程 某一点的状态随时间发生变化某一点的状态随时间发生变化统计优化模型统计优化模型依托数理统计方法建立模型依托数理统计方法建立模型第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用第一节、最优化概念第一节、最优

12、化概念一、目标函数一、目标函数二、优化变量二、优化变量三、约束条件三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用 第二节、过程系统稳态优化问题的建立第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用稳态优化问题的建立稳态优化问题的建立过程模拟模型过程模拟模型给定参数给定参数优化变量优化变量 经济模拟模型经济

13、模拟模型经济参数经济参数过程过程约束约束条件条件经济经济约束约束条件条件经济经济特性特性指标指标最优化程序最优化程序过程模拟模型过程模拟模型过程参数过程参数经济模拟模型经济模拟模型调整优化变量调整优化变量第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用优化问题的求解优化问题的求解 求解模拟方程组在可行域内决定优化变量新值，使目标函数得到改善(a) 可行路径法在全部区域内同时求解满足模拟方程组与约束条件的优化变量数值(b) 不可行路径法l可行路径优化方法计算效率低，其根本原因是抛弃大量超出可行路径优化方法计算效率低，其根本原因是抛弃大量超出可靠域的试算点可靠域的试算点

14、l优化方法在每个搜索点处不一定满足等约束方程（流程方优化方法在每个搜索点处不一定满足等约束方程（流程方程），但在最优点处可以保证约束方程收敛程），但在最优点处可以保证约束方程收敛l模拟与优化同步收敛模拟与优化同步收敛第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用系统模拟优化采用的最优化方法评述系统模拟优化采用的最优化方法评述直接搜索法直接搜索法 它应用简便，计算比较可靠，但优化计算每迭代它应用简便，计算比较可靠，但优化计算每迭代一次都要做一次全流程模拟计算，属于可行路径法一次都要做一次全流程模拟计算，属于可行路径法 用这种方法即使计算变量很少的优化问题（如用这种方

15、法即使计算变量很少的优化问题（如5个个变量），也需要变量），也需要5400次全流程模拟，计算效率很低。次全流程模拟，计算效率很低。因此在早期的的研究工作中报道较多，目前已很少因此在早期的的研究工作中报道较多，目前已很少被采用。被采用。第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用罚函数型和拉格朗日函数型的优化方法罚函数型和拉格朗日函数型的优化方法 曾被广泛用于处理有约束的非线性问题，但曾被广泛用于处理有约束的非线性问题，但随着问题维数的增多，其数学性质变得复杂，条随着问题维数的增多，其数学性质变得复杂，条件变坏，求解困难，而且罚函数的选择和修正带件变坏，求解困难，

16、而且罚函数的选择和修正带有很大的任意性。因而，仅用于解决大系统参数有很大的任意性。因而，仅用于解决大系统参数优化问题。优化问题。序列线性逼近法（序列线性逼近法（SLP） 该法适应性强，能处理大规模的优化问题，该法适应性强，能处理大规模的优化问题，但收敛速度慢。序列二次规划法（但收敛速度慢。序列二次规划法（SQP）属于不）属于不可行路径法，它具有很好的性质：收敛速度快，可行路径法，它具有很好的性质：收敛速度快，计算效率高，是当前公认的最好的优化方法之一。计算效率高，是当前公认的最好的优化方法之一。但但SQP法不能直接用于维数过多的优化问题，须法不能直接用于维数过多的优化问题，须辅以变量分解法以缩

17、小变量空间。辅以变量分解法以缩小变量空间。第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用广义简约梯度法（广义简约梯度法（GRG） 该法是一种很有吸引力的方法，它适应性好，收敛该法是一种很有吸引力的方法，它适应性好，收敛速度快，特别是可以直接用于处理大规模优化问题，速度快，特别是可以直接用于处理大规模优化问题，但在过程优化方面应用的报道不多但在过程优化方面应用的报道不多 GRG2 每次迭代都需收敛等式约束，属可行路径法每次迭代都需收敛等式约束，属可行路径法 MINOS 为不可行路径法为不可行路径法第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂

18、的应用第一节、最优化概念第一节、最优化概念一、目标函数一、目标函数二、优化变量二、优化变量三、约束条件三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用 第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用 合理进行资源分配使经济效益最佳合理进行资源分

19、配使经济效益最佳 某工厂用钢与橡胶生产某工厂用钢与橡胶生产3种产品种产品A、B、C，有，有关消耗与利润的数据如表所示：关消耗与利润的数据如表所示： 产产 品品单位产品钢材单位产品钢材消耗量消耗量单位产品橡胶单位产品橡胶消耗量消耗量单位产品单位产品利润利润A A2 23 34040B B3 33 34545C C1 12 22424 已知已知每天可获得每天可获得100单位的钢材和单位的钢材和120单位的橡胶，单位的橡胶，问每天生产各多少问每天生产各多少A、B、C可使总利润最大。可使总利润最大。 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用设定优化变量：设定优化变量

20、：x=A的日产量，的日产量，y=B的日产量，的日产量，z=C的日产量的日产量 优化目标：优化目标：max zxyz404524问题：问每天生产各多少问题：问每天生产各多少A、B、C可使总利润最大？可使总利润最大？利润利润= 产量产量 单位利润单位利润优化变量优化变量产量产量第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用解解 设定优化变量：设定优化变量：x=A的日产量，的日产量，y=B的日产量，的日产量，z=C的日产量的日产量 优化目标：优化目标：max zxyz404524约束条件：约束条件：231003321200 xyzxyzx y z, ,钢材供应钢材供应橡

21、胶供应橡胶供应excel求解求解第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用 多产品生产过程的排产计划多产品生产过程的排产计划 例：某炼油厂将原油加工成例：某炼油厂将原油加工成5个中间汽油系列产品，个中间汽油系列产品，然后再调合成两个级别的成品汽油出售。每种中间然后再调合成两个级别的成品汽油出售。每种中间产品和成品油的有关数据列于下表，满足合同销售产品和成品油的有关数据列于下表，满足合同销售后的成品油及中间油品均可进入市场销售。要求制后的成品油及中间油品均可进入市场销售。要求制订一个下一年度的生产计划，使全年纯利最大。订一个下一年度的生产计划，使全年纯利最大。

22、第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用加工统计表加工统计表中间中间产品产品产量产量 i桶桶年年辛烷值辛烷值 i售价售价Ci(3)美元美元/桶桶成本成本Ci(4)美元美元/桶桶混合成本混合成本i(5)美元美元/桶桶1200,000703024.001.002400,000803527.001.003400,000853628.501.004500,000904234.501.005500,000996040.001.50销售价销售价(美元桶美元桶) 成品油成品油合同销售合同销售 i最低辛烷值最低辛烷值 i合同价合同价Cj(1)市场价市场价Cj(2)常规汽油常

23、规汽油500,0008540.0046.00高级汽油高级汽油400,0009555.0060.00第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用净利润：净利润：= 产品销售收入产品销售收入生产成本生产成本调合成本调合成本油品油品i常规常规高级高级直销直销xi yi zi 关键：每个中间油品的物流平衡关键：每个中间油品的物流平衡 常规汽油和高级汽油的物料平衡常规汽油和高级汽油的物料平衡第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用解：解：1. 设优化变量：设优化变量：中间油品中间油品 i ：xi -用于调和常规油品用于调和常规油品yi

24、-用于调和高级油品用于调和高级油品zi -用于直接销售用于直接销售成品油成品油 j ：uj -合同销售量合同销售量vi -市场销售量市场销售量第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用2. 绘制物料流向图绘制物料流向图第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用3. 列约束方程列约束方程 中间产品中间产品i i的物料平衡方程的物料平衡方程 xyziiii 成品油的物料平衡成品油的物料平衡 xuvyuvii1122 掺合后汽油的辛烷值要求不低于技术指标掺合后汽油的辛烷值要求不低于技术指标111222iiiixuvxuv 要求满足合

25、同销售量要求满足合同销售量 ujj第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用4. 列目标函数列目标函数纯利纯利 = 产品及中间产品的总销售收入产品及中间产品的总销售收入 - - （生产成本（生产成本 + 掺合加工成本掺合加工成本 ）目标函数目标函数 c ucvczcxyzcxyjjjjiiiiiiiii( )( )( )( )( )()()12345第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用5. 优化问题优化问题(OP)：5 , 10,000,400000,500)(959990858070)(859990858070000,

26、500000,500000,400000,400000,200. .5 .415 .355 .2928)(25205 . 75 . 78660465540max2122543211154321225432111543215554443332221115544332211543212121izyxuuvuyyyyyvuxxxxxvuyyyyyvuxxxxxzyxzyxzyxzyxzyxtsyxyxyxyxyxzzzzzvvuuiiiexcel 求解第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用最佳调合方案最佳调合方案净利润：净利润：28,000,000中间产品销售：

27、中间产品销售：21,150,000第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用 企业生产计划的制订企业生产计划的制订 例：某炼油厂可选择三种不同来源的原油中的一种例：某炼油厂可选择三种不同来源的原油中的一种或几种进行加工。根据长期的生产经验已获得每种或几种进行加工。根据长期的生产经验已获得每种原油进行常压蒸馏时的收率情况。原油进行常压蒸馏时的收率情况。 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用工艺流程工艺流程3种原油种原油常压塔常压塔热重整热重整重整重整减压塔减压塔催化裂化催化裂化催化聚合催化聚合建模关键：建模关键：产品和损失

28、分布数据产品和损失分布数据进料来源变量和产品进料来源变量和产品去向去向每个设备的处理能力每个设备的处理能力产品的质量要求产品的质量要求产品供求关系产品供求关系原料和产品的价格和加工成本原料和产品的价格和加工成本第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用1） 工艺条件约束工艺条件约束第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用（1 1）常压蒸馏塔）常压蒸馏塔 模型变量：模型变量： 2 2号汽油：直接调合汽油号汽油：直接调合汽油 1 1号汽油：号汽油：2 2号汽油加添加剂号汽油加添加剂 辛烷值增加辛烷值增加1 1第第7 7章章 系统

29、工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用常压塔收率常压塔收率分布分布 馏馏 分分进料收率进料收率 % 去去 向向模型变量模型变量x1x2x3油气油气0.450.270.30燃料燃料x4丙烷丙烷0.250.030.3丙烷丙烷x5 燃料燃料x6丁烷丁烷0.90.80.9丁烷丁烷x7 一号汽油一号汽油x8 二号汽油二号汽油x9 燃料燃料x10初闪蒸油初闪蒸油6.008.006.80燃料闪蒸油燃料闪蒸油x11 热重整热重整x12 一号汽油一号汽油x13 二号汽油二号汽油x14 初闪蒸油初闪蒸油x15第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用常压塔常压塔

30、收率分布（收率分布（续）续）直馏汽油直馏汽油9.0011.5010.2热重整热重整x16 四号航空油四号航空油x17 重整重整x18煤油煤油25.632.431.5重整重整x19 四号航空油四号航空油x20 灯油灯油x21 柴油柴油x22一号渣油一号渣油57.3 减压减压x23 燃料油燃料油x24二号渣油二号渣油 46.5 减压减压x25 燃料油燃料油x26三号渣油三号渣油 49.5减压减压x27 燃料油燃料油x28损损 失失0.50.50.5损失损失x29第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用常压常压塔塔约束条件：约束条件：油气馏分油气馏分 0.0045

31、x1+0.0027x2+0.0030 x3 x4=0丙烷馏分丙烷馏分 0.0025x1+0.0003x2+0.0030 x3 x5 x6=0丁烷馏分丁烷馏分 0.009x1+0.008x2+0.009x3 x7 x8 x9 x10=0初闪蒸油馏分初闪蒸油馏分 0.06x1+0.08x2+0.068x3 x11 x12 x13 x14 x15=0直馏汽油馏分直馏汽油馏分 0.09x1+0.115x2+0.102x3 x16 x17 x18 =0煤油馏分煤油馏分 0.256x1+0.324x2+0.315x3 x19 x20 x21 x22=0渣油馏分渣油馏分 0.573x1 x23 x24=00

32、.465x2 x25 x26=00.495x3 x27 x28=0损失馏分损失馏分 0.005x1+0.005x2+0.005x3 x29=0第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用 （2）重整）重整 进料收率进料收率 % 馏分馏分x18，x19去向去向模型变量模型变量油气油气8.00燃料燃料x30丙烷丙烷4.00丙烷丙烷x31 燃料燃料x32丁烷丁烷4.50丁烷丁烷x33 燃料燃料x34汽油汽油81.50一号汽油一号汽油x35 二号汽油二号汽油x36损失损失2.00损失损失x37 重整收率重整收率 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论

33、在炼油化工厂的应用重整约束：重整约束：油气馏分油气馏分 0.08x18+0.08x19 x30=0丙烷馏分丙烷馏分 0.04x18+0.04x19 x31 x32=0丁烷馏分丁烷馏分 0.045x18+0.04x19 x33 x34=0汽油馏分汽油馏分 0.815x18+0.815x19 x35 x36=0损失馏分损失馏分 0.02x18+0.02x19 x37 =0 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用（3）热重整）热重整 进料收率进料收率 % 馏分馏分x12，x16去向去向模型变量模型变量油气油气29.00燃料燃料x38汽油汽油 65.00 5.00

34、一号汽油一号汽油二号汽油二号汽油燃料油燃料油x39x40 x41损失损失1.00损失损失x42热重整收率热重整收率 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用热重整约束：热重整约束：油气馏分油气馏分 0.29x12+0.29x16 x38 =0汽油馏分汽油馏分 0.65x12+0.65x16 x39 x40 =0渣油馏分渣油馏分 0.05x12+0.05x16 x41 =0损失馏分损失馏分 0.01x12+0.01x16 x42 =0 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用（4）减压）减压 进料收率进料收率 % 馏分馏分x

35、23，x25，x27去向去向模型变量模型变量蜡油蜡油47.00催化裂化催化裂化x43粗柴油粗柴油5.00粗柴油粗柴油x44 渣油渣油43.00 沥青沥青燃料油燃料油燃料燃料x45x46x47损失损失5.00损失损失x48减压收率减压收率 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用减压约束减压约束蜡油馏分蜡油馏分 0.47x23+0.47x25 +0.47x27 x43 =0粗柴油馏分粗柴油馏分 0.05x23+0.05x25 +0.05x27 x44 =0渣油馏分渣油馏分 0.43x23+0.43x25 +0.43x27 x45 x46 x47 =0损失馏分损

36、失馏分 0.05x23+0.05x25 +0.05x27 x48 =0 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用（5）催化裂化）催化裂化 进料收率进料收率 %馏分馏分x42去向去向模型变量模型变量油气油气3.50燃料燃料x49催化聚合油催化聚合油7.50催化聚合油催化聚合油x50 汽油汽油22.00 一号汽油一号汽油二号汽油二号汽油x51x52轻循环油轻循环油 32.00 粗柴油粗柴油燃料油燃料油x53x54重循环油重循环油28.50粗柴油粗柴油燃料油燃料油x55x56损失损失6.50 x57催化裂化收率催化裂化收率 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂

37、的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用催化裂化约束催化裂化约束油气馏分油气馏分 0.035x43 x49 =0聚合油馏分聚合油馏分 0.075x43 x50 =0汽油馏分汽油馏分 0.22x43 x51 x52 =0轻循环油馏分轻循环油馏分 0.32x43 x53 x54 =0重循环油馏分重循环油馏分 0.285x43 x55 x56 =0损失馏分损失馏分 0.065x43 x57 =0 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用（6）催化聚合）催化聚合 进料收率进料收率 %馏分馏分x50去向去向模型变量模型变量丙烷丙烷 10.00 丙烷丙烷燃料燃料x58x59

38、 丁烷丁烷30.00 丁烷丁烷燃料燃料x60 x61汽油汽油60.00 一号汽油一号汽油二号汽油二号汽油x62x63催化聚合收率催化聚合收率 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用催化聚合约束催化聚合约束丙烷馏分丙烷馏分 0.10 x50 x58 x59 =0丁烷馏分丁烷馏分 0.30 x50 x60 x61 =0汽油馏分汽油馏分 0.60 x50 x62 x63 =0 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用2）设备生产能力约束）设备生产能力约束 装置的设计处理量装置的设计处理量 装装 置置进进 料料 变变 量量 名名

39、 称称生生 产产 能能 力力 (吨吨)常常 压压x1，x2，x35000重重 整整x18，x19500热热 重重 整整x12，x16250减减 压压x23，x25，x27无限制无限制催化裂化催化裂化x43400催化聚合催化聚合x50无限制无限制第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用加工能力约束方程加工能力约束方程 ：x1+ x2+x3 5000 x18+x19 500 x12+x16 250 x43 400第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用3）燃料、消耗和市场需求约束）燃料、消耗和市场需求约束 额外要求：市场销售额

40、外要求：市场销售100吨燃料。吨燃料。各装置的燃料消耗各装置的燃料消耗 装装 置置进进 料料 变变 量量 名名 称称燃料消耗燃料消耗 (吨吨)/100吨进料吨进料常常 压压x1，x2，x32.50重重 整整x18，x198.00热热 重重 整整x12，x165.00减减 压压x23，x25，x270.2催化裂化催化裂化x43无无催化聚合催化聚合x50无无第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用燃料约束燃料约束燃料的需求量燃料的需求量 0.025(x1+ x2+x3)+0.08(x18+x19)+0.05(x12+x16)+0.002(x23+x25+x27)

41、+100燃料的生产量燃料的生产量 常压常压 x4+ x6+x10+0.91x11重整重整 x30+x32+x34热重整热重整 x38减压减压 x47催化裂化催化裂化 x49催化聚合催化聚合 x59+x61燃料的供求平衡方程燃料的供求平衡方程 0.025(x1+ x2+x3)+0.08(x18+x19)+0.05(x12+x16)+0.002(x23+ x25+x27)+100 ( x4+x6+x10+0.91x11+x30+x32+x34+x38+x47+x49+x59+x61)=0 x11初闪蒸油热值较低，修正！初闪蒸油热值较低，修正！第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理

42、论在炼油化工厂的应用4) 产品需求量约束产品需求量约束 产产 品品需需 求求 量量 (吨吨)丙丙 烷烷12丁丁 烷烷20初闪蒸油初闪蒸油40一号和二号汽油一号和二号汽油600四号航空油四号航空油40煤煤 油油70沥沥 青青150第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用产品产量约束产品产量约束 丙烷丙烷 x5+x31+x58=12丁烷丁烷 x7+x33+x60=20初闪蒸油初闪蒸油 x15=40汽油汽油 四号航空油四号航空油 x17+x20=40煤油煤油 x21=70沥青沥青 x45=150 600=+6362525140393635141398 催化聚合催化

43、裂化热重整重整常压xxxxxxxxxxxx第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用5) 汽油质量约束汽油质量约束 汽油的性质参数汽油的性质参数 来来 源源模型变量模型变量 比比 重重 1/ 辛烷值辛烷值 蒸汽压蒸汽压丁丁 烷烷x8，x90.581.7249555直馏汽油直馏汽油 x13，x140.6851.468010重重 整整x35，x360.761.3161015热热 重重 整整x30，x400.761.316898催化裂化催化裂化 x51，x520.771.2991008催化聚合催化聚合 x62，x630.721.3891108二号汽油：直接调和二号汽

44、油：直接调和一号汽油：加添加剂成本一号汽油：加添加剂成本0.33美元美元/吨吨, 辛烷值增加辛烷值增加1，第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用二号汽油辛烷值约束二号汽油辛烷值约束 (1.724)(95)(x8+x9)+(1.46)(80)(x13+x14)+(1.316)(101)(x35+x36)+( 1.316)(89)(x30+x40)+(1.299)(100)(x51+x52)+(1.389)(110)(x62+x63) 941.724(x8+x9)+1.46(x13+x14)+1.316(x35+x36)+1.316(x30+x40)+1.29

45、9(x51+x52)+1.389(x62+x63) 0丁烷丁烷直馏汽油直馏汽油重整重整热热 重重 整整催化聚合催化聚合催化裂化催化裂化各汽油馏分对成品油的贡献各汽油馏分对成品油的贡献所有馏分汽油的体积贡献所有馏分汽油的体积贡献第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用汽油总汽油总蒸汽压蒸汽压约束：约束： (1.724)(55)(x8+x9)+(1.46)(10)(x13+x14)+(1.316)(5)(x35+x36)+( 1.316)(8)(x30+x40)+(1.299)(8)(x51+x52)+(1.389)(8)(x62+x63) 91.724(x8+

46、x9)+1.46(x13+x14)+1.316(x35+x36)+1.316(x30+x40)+1.299(x51+x52)+1.389(x62+x63) 0 添加剂对蒸汽压无影响第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用6）燃料油的质量约束）燃料油的质量约束 要求：粘度系统不大于要求：粘度系统不大于36.86 cP粘度指标粘度指标装装 置置馏馏 分分模模 型型 变变 量量粘粘 度度常常 压压渣油渣油 x1x2436.50 渣油渣油 x2x2634.80 渣油渣油 x3x2835.00减减 压压渣渣 油油x4645.50催化裂化催化裂化轻循环油轻循环油x541

47、1.00 重循环油重循环油x5623.48热热 重重 整整渣渣 油油x4136.52第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用粘度约束条件粘度约束条件: 36.50 x24+34.80 x26+35 x28+45.50 x46+11 x54+23.48 x56+36.52 x41 36.86(x24+ x26+ x28+ x46+ x54+ x56+ x41) 0 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用7）目标函数）目标函数 -(14 x1+16 x2+15 x3)1号原油价格号原油价格2号原油价格号原油价格3号原油价格号

48、原油价格-0.33(x8+ x13+ x35+ x39+ x51+ x62)1号汽油号汽油调和成本调和成本1号汽油号汽油产量产量+25(x22+ x44+ x53+ x55)柴油价格柴油价格柴油产量柴油产量+12(x24+ x26+ x28+ x41+ x46+ x54+ x56) 燃料油价格燃料油价格燃料油产量燃料油产量产量固定的产品产量固定的产品成本不需考虑成本不需考虑变量数：变量数：63 约束条件：约束条件：47excel求解求解第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用进进 料料数数 量量(吨吨)产产 品品数数 量量 (吨吨)原油原油 x13536.5

49、二号汽油二号汽油600.0原油原油 x31463.5柴油柴油1580.9原油合计原油合计5000.0燃料油燃料油2117.7重整重整264.2丙烷丙烷12.0催化裂化催化裂化400.0丁烷丁烷20.0催化聚合催化聚合30.0初闪蒸油初闪蒸油40.0热重整热重整250.0四号航空油四号航空油40.0减压减压851.1煤油煤油70.0二号汽油二号汽油:辛烷值为辛烷值为94，蒸汽压为，蒸汽压为9 沥青沥青150.0初馏燃料油初馏燃料油85.8燃料气燃料气171.7燃料燃料10.5损失损失101.3目标值目标值6330.6第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用第一

50、节、最优化概念第一节、最优化概念一、目标函数一、目标函数二、优化变量二、优化变量三、约束条件三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用工艺优化计算软件应备功能：工艺优化计算软件应备功能： 模拟功能模拟功能 在模拟方式下，软件将变为一

51、个快速的假想生产装在模拟方式下，软件将变为一个快速的假想生产装置。工艺工程师可在计算机上任意改变操作条件进行置。工艺工程师可在计算机上任意改变操作条件进行假想操作，考察操作条件的改变对生产结果的影响，假想操作，考察操作条件的改变对生产结果的影响，而不必担心为此付出任何代价。该功能也可用于新上而不必担心为此付出任何代价。该功能也可用于新上岗操作工的岗前培训，可大大提高培训效果岗操作工的岗前培训，可大大提高培训效果 二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用 工艺计算软件应备

52、功能：工艺计算软件应备功能： 设计功能设计功能 在设计方式下，软件将根据现场提供的各种产品的在设计方式下，软件将根据现场提供的各种产品的质量标准，自动寻找使产品质量符合要求的生产条件，质量标准，自动寻找使产品质量符合要求的生产条件，及时反馈给用户。现场根据计算所得的结果，调整操及时反馈给用户。现场根据计算所得的结果，调整操作条件可得到质量符合各项指标的产品作条件可得到质量符合各项指标的产品设计功能在进料条件发生较大变化，或在装置开车时设计功能在进料条件发生较大变化，或在装置开车时特别有用。软件可向现场提供改进操作的参考数据，特别有用。软件可向现场提供改进操作的参考数据，大大缩短达到平稳生产所需

53、的时间，减少不合格生产大大缩短达到平稳生产所需的时间，减少不合格生产产品的时间产品的时间第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用工艺计算软件应备功能：工艺计算软件应备功能： 优化功能优化功能 在优化功能下，软件将根据用户指定的优化目标函在优化功能下，软件将根据用户指定的优化目标函数，计算得到使产品质量达到或超过质量标准的操作数，计算得到使产品质量达到或超过质量标准的操作条件。现场按此操作条件进行生产，将能得到最优的条件。现场按此操作条件进行生产，将能得到最优的效益效益二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用

54、系统工程理论在炼油化工厂的应用流程优化l优化计算步骤：优化计算步骤：l自由度分析自由度分析l决策变量确定决策变量确定l系统分析系统分析l子系统最佳断裂位置确定子系统最佳断裂位置确定l子系统顺序求解子系统顺序求解l优化目标确定优化目标确定l优化变量的优选优化变量的优选l约束条件的确定约束条件的确定l优化模型求解优化模型求解流程模拟二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用注意事项注意事项l 模拟和优化软件可从理论模拟操作结果，寻找最模拟和优化软件可从理论模拟操作结果，寻找最优操作条件。优操作条件。l但实际装置的影响因

55、素是十分复杂的。不仅与工但实际装置的影响因素是十分复杂的。不仅与工艺条件有关，而且还与设备的操作条件有关。当操艺条件有关，而且还与设备的操作条件有关。当操作条件超出设备的允许操作范围后，设备的工作效作条件超出设备的允许操作范围后，设备的工作效率急剧下降，无法达到理论上的操作结果，同样会率急剧下降，无法达到理论上的操作结果，同样会对现场生产产生不良后果。因此必须同时从工艺条对现场生产产生不良后果。因此必须同时从工艺条件和设备运行状况对装置的现状进行分析，才能找件和设备运行状况对装置的现状进行分析，才能找到出现问题的真正原因到出现问题的真正原因第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程

56、理论在炼油化工厂的应用轻烃回收系统优化轻烃回收系统优化 1、流程图、流程图 1级增压级增压1级级冷却冷却2级增压级增压2级级冷却冷却大冷箱换热器大冷箱换热器蒸发制冷器蒸发制冷器液烃液烃节流阀节流阀1气分气分膨胀机膨胀机2气分气分脱乙烷塔脱乙烷塔小冷箱换热器小冷箱换热器轻烃轻烃换热器换热器液化气塔液化气塔轻烃轻烃冷却器冷却器液化气液化气冷却器冷却器增压机增压机第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用2、自由度分析、自由度分析 设备设备 变量数变量数设设 计计 规规 定定设备设备 变量数变量数设设 计计 规规 定定11出口压力出口压力112绝热多变绝热多变效率效

57、率*，出口压力出口压力21出口温度出口温度122绝热，出口压力绝热，出口压力31出口压力出口压力132塔底温度、操作塔底温度、操作压力压力(脱脱C2塔塔)41出口温度出口温度141冷热出口温度冷热出口温度51热流入口与冷流出口热流入口与冷流出口温差温差153回流比回流比、塔底温度、塔底温度、压力压力(液化气塔液化气塔)61出口温度出口温度161出口温度出口温度71热流入口与冷流出口热流入口与冷流出口温差温差171绝热多变绝热多变效率效率*（功与膨胀机输出功耦合）功与膨胀机输出功耦合）81出口温度出口温度181出口压力出口压力92绝热，出口压力绝热，出口压力191热流入口与冷流出口温差热流入口与

58、冷流出口温差101密封气分割比密封气分割比201出口温度出口温度总数总数 26 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用3、流程计算顺序的确定、流程计算顺序的确定 不可分隔子系统及计算顺序：不可分隔子系统及计算顺序：1, 2, 3, 4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,18,19, 17, 14,15, 16,20 子系统一子系统一子系统二子系统二第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用4、回路断裂、回路断裂子系统一：子系统一： 简单回路：简单回路：6782289242591011122021201913181

59、9567857891878910111219812191212131912 回路 回路 回路回路回路第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用回路矩阵：回路矩阵：有效断裂组：有效断裂组：19,21,22,25 Upadhye-Grens断裂法（断裂法（II） Westerberg算法算法替代规则替代规则 第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用最佳断裂组：最佳断裂组：7919断裂流股数断裂流股数3断裂流股断裂流股数数4流股流股2-9组成与进料相同！组成与进料相同！仅需迭代温度！仅需迭代温度！最佳断裂最佳断裂8,10,19,2

60、6, 8,11,19,26, 8,12,19,26, 10,19,22,25, 11,19,22,25,12,19,22,2510,19,22,24, 11,19,22,24,12,19,22,24,13,20,22,25, 8,13,20,26 ,13,20,22,24 8,19,21, 8,20,18, 9,19,22, 7,9,19, 6,9,19第第7 7章章 系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程理论在炼油化工厂的应用子系统二子系统二 ：存在流股：存在流股： 15, 161414子系统子系统1已求出已求出15仅需迭代温度仅需迭代温度15最佳断裂最佳断裂 15第第7 7章章 系统工程理