考慮管網(wǎng)物流優(yōu)先級的煉油生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化

李 明

（1.山東青年政治學(xué)院 信息工程學(xué)院，山東 濟南250103；2.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟南250061）

0 引 言

煉油企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度作為企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的核心，通過組織優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)，有效地控制和調(diào)節(jié)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)。

調(diào)度優(yōu)化模型的建立是生產(chǎn)調(diào)度首當(dāng)其沖的問題，也是相關(guān)研究的重點。目前的主要建模方法一般不考慮煉化裝置間的物流管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和物料輸送方式，調(diào)度模型主要關(guān)注于裝置產(chǎn)耗和物料的全流程總體庫存，以單一物料集總存儲構(gòu)建物料平衡，建立調(diào)度優(yōu)化模型，適于描述儲罐供應(yīng)物料的全中間存儲生產(chǎn)工藝。目前基于該方法對煉油生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化的研究已經(jīng)取得了一定成果。Shah等［1，2］對煉油企業(yè)的核心工作生產(chǎn)調(diào)度進(jìn)行了分析，探討了生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度優(yōu)化方法；Bhattacharya等［3］針對單列裝置單向物流工藝過程，基于狀態(tài)任務(wù)網(wǎng) （STN）建立了MINLP調(diào)度模型實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化；文獻(xiàn) ［4，5］探討了煉廠原油調(diào)度優(yōu)化建模問題；文獻(xiàn) ［6］建立了柴油生產(chǎn)MILP調(diào)度優(yōu)化模型，并利用滾動優(yōu)化策略實現(xiàn)在線調(diào)度；李明等［7，8］針對煉油過程生產(chǎn)特性建立了邏輯規(guī)劃調(diào)度優(yōu)化模型，實現(xiàn)生產(chǎn)利潤和生產(chǎn)特性性能的綜合利益最大化。

雖然全中間存儲生產(chǎn)工藝在一定程度上提高了煉油生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性，但卻難以利用物料余熱，大幅增加了存儲裝置作業(yè)和物料傳輸距離，加大了能源消耗，因此目前煉廠開始采用物料直供生產(chǎn)工藝。裝置間物料一般經(jīng)由管線直接供應(yīng)，減少了存儲作業(yè)和能源消耗，但對生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。生產(chǎn)調(diào)度需要滿足煉化工藝要求，合理安排管網(wǎng)物流，優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)。已有調(diào)度優(yōu)化模型難以描述新的煉油生產(chǎn)工藝，需要設(shè)計新的適合的調(diào)度建模方法，目前還鮮有這方面的研究。文獻(xiàn) ［9］將煉油生產(chǎn)工藝流程看成是裝置、端口、物料之間的聯(lián)系，基于端口間物料流向建立了MILP調(diào)度優(yōu)化模型，模型變量下標(biāo)達(dá)到7個；文獻(xiàn) ［10］使用狀態(tài)任務(wù)網(wǎng)描述煉油過程，構(gòu)建MILP調(diào)度優(yōu)化模型，為表示裝置、儲罐、管線的運行，模型具有大量0／1變量。

上述研究僅考慮了裝置、儲罐間通過管線直接相連的工藝流程，而忽略了物流管網(wǎng)的其它流程結(jié)構(gòu)，限制了模型的應(yīng)用；建立的調(diào)度模型變量多，規(guī)模大，不利于優(yōu)化求解。另一方面，在實際生產(chǎn)中物流管網(wǎng)還存在物料傳輸?shù)膬?yōu)先順序問題，例如蠟油主要供應(yīng)催化裂化裝置生產(chǎn)，其次供應(yīng)加氫裝置生產(chǎn)；石腦油主要輸送到石腦油加氫裝置處理；渣油主要供應(yīng)催化裂化裝置生產(chǎn)等［11］。這種物流優(yōu)先順序?qū)ο嚓P(guān)物料管線的傳輸作業(yè)提出了要求，即某種物料優(yōu)先通過相關(guān)管線供應(yīng)特定裝置。其對生產(chǎn)調(diào)度具有兩方面影響，一是物料加工路線的選擇 （也即物料傳輸管線的選擇）具有順序等級，二是物料在其相關(guān)傳輸管線輸送量的分配具有順序等級。已有調(diào)度模型難以滿足這些生產(chǎn)要求。

針對已有研究存在的問題，本文以煉化裝置、物料儲罐、物料管線、混合分流器等設(shè)備描述物流管網(wǎng)工藝流程，基于裝置設(shè)備與物料流向關(guān)系建立了物流管網(wǎng)模型?？紤]管網(wǎng)物流優(yōu)先級，利用邏輯推理進(jìn)行了模型化描述。以產(chǎn)值最大化為目標(biāo)，基于離散時間表達(dá)建立了煉油生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化模型。相關(guān)模型已應(yīng)用于調(diào)度優(yōu)化軟件 “煉油企業(yè)動態(tài)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)”中。最后以某煉油過程為例對模型進(jìn)行了檢驗。

1 物流管網(wǎng)工藝流程的描述

建立調(diào)度優(yōu)化模型首先要對生產(chǎn)過程進(jìn)行合理的描述和表達(dá)。不同的描述方法決定了調(diào)度模型的形式、規(guī)模和適用的流程結(jié)構(gòu)?；跔顟B(tài)任務(wù)網(wǎng)［10］和裝置、端口［9］的物流管網(wǎng)描述得到的調(diào)度模型變量多，規(guī)模大，僅適用于裝置間管線直連的流程結(jié)構(gòu)，限制了模型的應(yīng)用。針對上述問題，為靈活表達(dá)煉油生產(chǎn)過程，易于建立調(diào)度模型，將煉油過程物流管網(wǎng)定義為由煉化裝置、油品儲罐、混合分流器等設(shè)備經(jīng)由物料管線連接的煉油生產(chǎn)工藝流程。

（1）煉化裝置：煉化裝置通過分解合成等化學(xué)反應(yīng)加工輸入原料輸出側(cè)線產(chǎn)品，如常減壓裝置、催化裂化裝置等。煉化裝置生產(chǎn)原料可由上游裝置通過物料管線直接供應(yīng)，也可由儲罐或混合分流器提供。煉化裝置的側(cè)線產(chǎn)品可由物料管線直接供應(yīng)下游裝置，也可進(jìn)入儲罐存儲或混合分流器處理。工藝流程如圖1所示。

（2）物料儲罐：物料儲罐工藝流程如圖2所示。煉油生產(chǎn)過程具有若干儲罐，存儲物料可以直接來源于煉化裝置或混合分流器，也可以來源于其它儲罐。每個儲罐的物料存取平衡構(gòu)成了全流程物料平衡。

（3）混合分流器：在實際生產(chǎn)中，混合分流器實現(xiàn)了物料的物理混合和分流，如圖3所示?；旌戏至髌鞲鶕?jù)工廠環(huán)境和生產(chǎn)需要合理梳理管線，可以方便的控制物流流向。使用混合分流器構(gòu)建物流管網(wǎng)可以更加靈活的表達(dá)實際生產(chǎn)過程。設(shè)置混合分流器匯聚來源于不同上游設(shè)備的物料并將物料分流輸出至與其相連的不同下游設(shè)備。

（4）物料管線：如圖1～圖3所示，各管線通過物料輸送將煉化裝置、油品儲罐、混合分流器等設(shè)備的生產(chǎn)活動聯(lián)系起來，構(gòu)成煉油生產(chǎn)物流管網(wǎng)。各管線傳輸?shù)奈锪戏N類相對固定，上下游不同設(shè)備間同種物料由同一管線傳輸。以上下游連接設(shè)備和輸送的物料標(biāo)注管線，方便建模。假設(shè)跑冒滴漏等傳輸過程中的物料損失可以忽略，管線入口的物料量等于管線出口物料量。

圖1 煉化裝置工藝流程

圖2 物料儲罐工藝流程

圖3 混合分流器工藝流程

2 調(diào)度優(yōu)化模型的建立

利用上述流程結(jié)構(gòu)表示煉油生產(chǎn)過程，基于管線及其連接設(shè)備的先后順序描述物料流向。采用離散調(diào)度時段平均劃分調(diào)度時域H，給出物流管網(wǎng)和物流優(yōu)先級的數(shù)學(xué)表達(dá)，建立煉油生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化模型，模型各數(shù)學(xué)符號的含義 見表1。

表1 模型符號說明

2.1 物流管網(wǎng)模型

通過對煉化裝置、油品儲罐、物料管線、混合分流器等設(shè)備的生產(chǎn)運作數(shù)學(xué)表達(dá)構(gòu)建物流管網(wǎng)模型。模型約束包括煉化裝置物料加工約束、物料儲罐物料存儲約束、物料傳輸約束、物料供需約束等。

（1）物料加工約束：煉化裝置加工物料由與其相連的上游設(shè)備供應(yīng)，同時考慮生產(chǎn)的安全性，裝置加工量應(yīng)在其安全生產(chǎn)能力范圍內(nèi)，如式 （1）、式 （2）所示

煉化裝置側(cè)線產(chǎn)品應(yīng)供給與其相連的下游設(shè)備以做進(jìn)一步加工處理，如式 （3）所示。式 （4）給出了煉化裝置側(cè)線產(chǎn)品的產(chǎn)出量。式 （5）為煉化裝置投入產(chǎn)出物料平衡約束

（2）物料存儲約束：生產(chǎn)過程與企業(yè)外部環(huán)境構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng)。以下標(biāo)o表示企業(yè)外部環(huán)境，式 （6）和式（7）表示調(diào)度時段內(nèi)原料和產(chǎn)品儲罐的物料存取平衡

中間物料儲罐的存儲量由式 （8）給出

物料儲罐存儲量應(yīng)在儲罐存儲能力范圍之內(nèi)

（3）物料傳輸約束：混合分流器僅對物料進(jìn)行物理的混合與分流，以梳理管線，方便地控制物流流向?；旌戏至髌鞯妮斎肓康扔谄漭敵隽?/p>

物料管線連接于兩設(shè)備之間，管線入口輸入量等于出口輸出量，且物料傳輸量不超過管線輸送能力，如式 （11）和式 （12）所示

（4）物料供需約束：調(diào)度期內(nèi)原料、產(chǎn)品的入庫出庫量受計劃指令限制

物流管網(wǎng)模型利用設(shè)備與物料流向的關(guān)系表示物料管線，能夠方便的描述裝置間管線直連及其它工藝流程結(jié)構(gòu)，模型變量的下標(biāo)最多僅為4個，相比文獻(xiàn) ［9，10］大大限制了模型規(guī)模，擴展了模型的應(yīng)用范圍。

2.2 物流優(yōu)先級的表達(dá)

根據(jù)生產(chǎn)或市場情況，調(diào)度專家會為某些管線的物料傳輸安排優(yōu)先順序，以充分利用某些裝置的生產(chǎn)性能滿足物料加工要求，體現(xiàn)了管網(wǎng)物流的優(yōu)先級。在生產(chǎn)調(diào)度中通過物料輸送路徑的選擇和輸送量的分配滿足這種優(yōu)先級要求。煉化裝置間加工物料通過管線采用 “口對口”的直供方式輸送不存在路徑選擇問題。物料傳輸?shù)膬?yōu)先級問題存在于單一物料有多條輸送管線的情況，即混合分流器的輸出端。

圖3所示混合分流器具有m條輸入管線和n條輸出管線，將來自不同設(shè)備的同種物料分流輸送至下游生產(chǎn)設(shè)備?？紤]各輸出管線的物料傳輸優(yōu)先級依次遞減，待輸送物料按優(yōu)先級順序依次經(jīng)由管線1至管線n輸送至下游設(shè)備，以充分利用特定設(shè)備的生產(chǎn)性能滿足特定生產(chǎn)要求。管線物料傳輸優(yōu)先級工藝規(guī)則如下：

工藝規(guī)則1：若可供具有a優(yōu)先級 （a∈ ［1…n］）管線輸送的物料量大于等于管線的最大輸送能力，則管線按其最大輸送量供應(yīng)與其相連的下游裝置，剩余的可供分配的物料輸送量供給下一優(yōu)先級管線處理。

工藝規(guī)則2：若可供具有a優(yōu)先級管線輸送的物料量在管線的最大最小傳輸能力之間，則該物料量即為管線的傳輸量。

工藝規(guī)則3：若可供具有a優(yōu)先級管線輸送的物料量小于管線的最低傳輸能力，則該管線不輸送物料，相關(guān)傳輸優(yōu)先級要求不能滿足，物料輸送交由下一優(yōu)先級管線處理。

根據(jù)上述工藝規(guī)則，給出物流優(yōu)先級的數(shù)學(xué)表達(dá)，本節(jié)表達(dá)式中p∈TU，j∈CH（p），a∈［1…n］，i∈YHL （p，a），t∈H。

混合分流器p可供具有a優(yōu)先級管線輸送的物料量lmpijt與管線輸送能力和的關(guān)系是優(yōu)先級a能否滿足的判斷條件。式 （15）和式 （16）首先為條件lmpijt－和式 （17）～式 （21）分別為結(jié)論和xopijt－lmpijt＝0關(guān)聯(lián)0／1變量以判斷條件和結(jié)論是否成立

邏輯命題式 （22）為工藝規(guī)則1的邏輯表達(dá)。若式（15）所示條件成立，則具有a優(yōu)先級的管線運行且按其最大輸送能力輸送物料。

工藝規(guī)則2的邏輯表達(dá)如式 （23）所示

式 （24）、式 （25）給出了工藝規(guī)則3的邏輯表達(dá)。式（24）表明可供分配的物料傳輸量在管線最大最小傳輸能力之間，式 （20）和式 （21）所示結(jié)論成立，如式 （25）所示。式中變量為0／1變量對應(yīng)的布爾邏輯變量

2.3 模型目標(biāo)

生產(chǎn)調(diào)度需要完成計劃指定物料的產(chǎn)值最大化任務(wù)。模型目標(biāo)如式 （26）所示

3 模型求解

本文模型利用優(yōu)化調(diào)度軟件 “煉油企業(yè)動態(tài)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)”求解。軟件優(yōu)化求解模塊基于Lindo API 5.0構(gòu)建。為減少模型0／1變量，提高模型求解效率，給出如下啟發(fā)式規(guī)則及其數(shù)學(xué)表達(dá)：

啟發(fā)式規(guī)則1：正常生產(chǎn)下，若煉化裝置原料入口管線運行則裝置運行

啟發(fā)式規(guī)則2：若煉化裝置正常運行則其產(chǎn)品輸出管線運行

邏輯命題式 （27）和式 （28）形成了一系列邏輯切平面，能夠根據(jù)裝置和管線的運行確定一部分決策變量Rit和Vii′jt的取值，簡化模型，降低模型的組合特性，提高求解效率。

利用邏輯命題易于表達(dá)和利用生產(chǎn)調(diào)度中的經(jīng)驗規(guī)則，建模自然、直觀。為便于軟件編程建模和求解，根據(jù)文獻(xiàn)［12］給出的邏輯表達(dá)式轉(zhuǎn)換方法將模型中的邏輯命題式（22）～式 （25）、式 （27）和式 （28）轉(zhuǎn)化為等價代數(shù)表達(dá)式 （29）～式 （38）。下述代數(shù)表達(dá)式中變量的下標(biāo)含義與其等價邏輯命題式變量下標(biāo)含義相同，不再贅述

在對調(diào)度模型做上述等價轉(zhuǎn)換后可以調(diào)用Lindo API 5.0進(jìn)行優(yōu)化求解。

4 仿真實驗

以中國北方某煉廠南區(qū)生產(chǎn)過程某月生產(chǎn)調(diào)度為例驗證模型的可行性和有效性。圖4為該煉油過程生產(chǎn)流程圖，其中混合分流器1的石腦油輸出管線1至管線3具有依次遞減的物料傳輸優(yōu)先級，使石腦油主要送石腦油加氫裝置加工，以多產(chǎn)高附加值產(chǎn)品；混合分流器2的蠟油輸出管線4至管線6具有依次遞增的物料傳輸優(yōu)先級，使常減壓蠟油優(yōu)先滿足催化裂化裝置的生產(chǎn)，其次滿足蠟油加氫裝置生產(chǎn)，以控制用氫量；混合分流器3的渣油輸出管線7和管線8具有依次遞增的物料傳輸優(yōu)先級，使常減壓渣油優(yōu)先直供催化裂化裝置，以充分利用物料余熱。

圖4 某煉油過程簡化生產(chǎn)流程

根據(jù)該工藝流程分別基于式 （1）～式 （28）建立考慮管網(wǎng)物流優(yōu)先級的調(diào)度優(yōu)化模型1，基于式 （1）～式（14）、式 （26）～式 （28）建立不考慮管網(wǎng)物流優(yōu)先級的調(diào)度優(yōu)化模型2，并對模型1、模型2進(jìn)行30天共3個調(diào)度時段的調(diào)度優(yōu)化仿真，每個調(diào)度時段長10天。調(diào)度期內(nèi)原材料供應(yīng)充足，不限制產(chǎn)品出庫量。表2～表5為模型1和模型2的主要參數(shù)。具有物料傳輸優(yōu)先級管線的物料輸送能力見表2。表3給出了表2管線相關(guān)物料儲罐的庫存情況。由于裝置間物料直供，相關(guān)儲罐的存儲能力有限，同時保持少量庫存以應(yīng)對突發(fā)事件。表4為計劃指定的產(chǎn)值最大化物料的單位價格。煉化裝置生產(chǎn)參數(shù)見表5。

表2 管線輸送能力／ （103t／d）

表3 物料儲罐庫存／104t

表4 物料的企業(yè)內(nèi)部計算價格／（103￥／t）

表5 裝置加工能力／（104t／a）和物料收率／%

對模型1、模型2進(jìn)行優(yōu)化求解，得到煉化裝置優(yōu)化調(diào)度方案分別如圖5和圖6所示，表6為相關(guān)物料傳輸優(yōu)先級管線1至管線8各調(diào)度時段物料傳輸量。

圖5 模型1煉化裝置調(diào)度方案

表6 各調(diào)度時段管線物料輸送量／104t

圖6 模型2煉化裝置調(diào)度方案

模型1和模型2的全局最優(yōu)目標(biāo)值分別為76 022.64萬元和77 774.46萬元。由于蠟油加氫產(chǎn)品較催化裂化產(chǎn)品產(chǎn)值高，不考慮管網(wǎng)物流優(yōu)先級的調(diào)度優(yōu)化模型2通過管線5使蠟油產(chǎn)出大部分供應(yīng)蠟油加氫裝置，提高了蠟油加氫裝置加工量，但卻違背了物流優(yōu)先級工藝規(guī)則，會造成了催化裂化裝置蠟油進(jìn)料不足從而會影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時增加了用氫量和生產(chǎn)成本。模型2調(diào)度方案產(chǎn)值雖然高于模型1調(diào)度方案，但管網(wǎng)物流優(yōu)先級工藝規(guī)則無法滿足，同時模型2調(diào)度方案降低了輕柴油產(chǎn)量，而輕柴油是后續(xù)煉油生產(chǎn)中產(chǎn)品精制裝置 （如柴油加氫、電化學(xué)精制、柴油調(diào)合等裝置）的重要原料，這也是混合分流器2和混合分流器3輸出管線存在物料傳輸優(yōu)先級的原因?？紤]管網(wǎng)物流優(yōu)先級的調(diào)度優(yōu)化模型2滿足了管線物料傳輸優(yōu)先級工藝規(guī)則，保證了催化裂化裝置和石腦油加氫裝置的生產(chǎn)需求，同時獲得了盡可能高的生產(chǎn)產(chǎn)值。在優(yōu)化過程中，利用啟發(fā)式規(guī)則1和啟發(fā)式規(guī)則2的數(shù)學(xué)表達(dá)根據(jù)裝置和管線的運行情況可以確定15個布爾／0－1決策變量Rit／rit和87個布爾／0－1決策變量Vii＇jt／vii＇jt的取值，使得模型布爾／0－1決策變量由162個減少至60個，提高了求解效率。仿真結(jié)果表明，考慮管網(wǎng)物流優(yōu)先級的煉油生產(chǎn)調(diào)度模型是可行，有效的。

5 結(jié)束語

針對煉油生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化問題，分析了物流管網(wǎng)結(jié)構(gòu)及物流優(yōu)先級工藝規(guī)則，給出了物流管網(wǎng)和優(yōu)先級規(guī)則的數(shù)學(xué)表達(dá)，以產(chǎn)值最大化為目標(biāo)建立了煉油生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化模型，并給出了求解方法。該模型為煉油生產(chǎn)工藝流程的刻畫、物流優(yōu)先級工藝規(guī)則的表達(dá)提供了新的、有效的方法，彌補了已有模型規(guī)模大，工藝規(guī)則難以有效表達(dá)的不足，得到調(diào)度優(yōu)化方案滿足實際生產(chǎn)需求，具有更好的可行性和實用性。需要指出的是，文中僅對管線各自具有不同流料傳輸優(yōu)先級的情況及其調(diào)度優(yōu)化問題進(jìn)行了探討，對某些物料管線具有相同優(yōu)先級的情況還需要進(jìn)一步研究。

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