基于嚴(yán)格約束的汽油調(diào)合雙調(diào)合頭協(xié)調(diào)優(yōu)化方法

何仁初， 陳海泉， 張衛(wèi)東， 祝文啟

(1.華東理工大學(xué) 化工過(guò)程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200237； 2.上海大學(xué) 上海市智能制造和機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200072；3.中國(guó)石化 金陵分公司 信息化與計(jì)量中心，江蘇 南京210033； 4.中國(guó)石化 鎮(zhèn)海煉化分公司 儲(chǔ)運(yùn)部， 浙江 寧波 315207)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)數(shù)量不斷增加，我國(guó)面臨的能源環(huán)境問(wèn)題日益突出[1]。目前使用清潔的汽油對(duì)于解決此類(lèi)問(wèn)題具有重要的意義。汽油調(diào)合作為汽油生產(chǎn)的關(guān)鍵一環(huán)，將直接影響汽油產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)汽油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)，特別是未來(lái)幾年汽油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)到國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)(本文所提標(biāo)準(zhǔn)均參照GB 17930—2016《車(chē)用汽油》)，在各種資源得到充分合理利用的前提下，生產(chǎn)出最大量的質(zhì)量合格、符合要求的成品清潔汽油，成為眾多煉油企業(yè)面臨的一個(gè)迫切且現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題[3]。在如今國(guó)內(nèi)的成品汽油市場(chǎng)上，汽油產(chǎn)品的標(biāo)號(hào)有90#、92#、95#、98#等，如果一種標(biāo)號(hào)的汽油用一條調(diào)合生產(chǎn)線，會(huì)大幅增加成本，占用場(chǎng)地面積且設(shè)備投資較高；而采用一條生產(chǎn)線調(diào)合多種標(biāo)號(hào)的汽油，調(diào)合時(shí)需要更換組分油，并需要頻繁切換管道，修正調(diào)合工藝，給調(diào)合過(guò)程帶來(lái)了較大的麻煩，更重要的是管道中先前調(diào)合的殘留組分油會(huì)給當(dāng)前的調(diào)合過(guò)程帶來(lái)誤差。因此，煉油企業(yè)可采用雙調(diào)合頭的生產(chǎn)模式，提高靈活性，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間并提高產(chǎn)品的產(chǎn)量。

國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的汽油對(duì)清潔性提出更高的要求，調(diào)合過(guò)程中被控屬性更多、更嚴(yán)，調(diào)合效率要求更高，因此對(duì)于汽油的調(diào)合工藝提出了更高的要求。筆者以某煉油廠調(diào)合95#汽油的調(diào)合組分油(催化裂化汽油、非芳烴、重整汽油、甲基叔丁基醚(MTBE))和其累積調(diào)合工藝為研究對(duì)象，以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出面向國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)下調(diào)合95#和92#汽油的雙調(diào)合頭累積調(diào)合工藝方案，通過(guò)建立更加精確的汽油調(diào)合模型，在調(diào)合過(guò)程中對(duì)汽油的辛烷值、蒸氣壓、密度、餾程10%、餾程50%、餾程90%、終餾點(diǎn)、烯烴、芳烴、苯、硫和氧12個(gè)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)控。同時(shí)，為解決雙調(diào)合頭工藝中經(jīng)常出現(xiàn)的公用組分油爭(zhēng)搶的問(wèn)題，在此雙調(diào)合頭調(diào)合工藝中應(yīng)用一種合理高效的協(xié)調(diào)優(yōu)化算法解決爭(zhēng)搶公用組分油問(wèn)題。

1 國(guó)Ⅵ車(chē)用汽油標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

國(guó)Ⅵ車(chē)用汽油標(biāo)準(zhǔn)將于2019年1月1日起在全國(guó)推行，本工作面向國(guó)Ⅵ車(chē)用汽油標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)汽油雙調(diào)合頭累積調(diào)合工藝。國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)按烯烴體積分?jǐn)?shù)不同分為Ⅵ(A)和Ⅵ(B)兩個(gè)階段，相比國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)Ⅵ(B)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)車(chē)用汽油某些質(zhì)量指標(biāo)要求更加嚴(yán)格，如表1所示。

從表1可以看出，GB 17930—2016中的國(guó)Ⅵ(B)車(chē)用汽油標(biāo)準(zhǔn)主要加嚴(yán)了4項(xiàng)指標(biāo)，在雙調(diào)合頭累積調(diào)合工藝研究中，將主要考慮苯、烯烴和芳烴體積分?jǐn)?shù)3個(gè)指標(biāo)，使之達(dá)到國(guó)Ⅵ(B)標(biāo)準(zhǔn)要求。蒸氣壓需考慮到氣溫變化，因筆者參考的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)在夏季測(cè)得，所以蒸氣壓以夏季標(biāo)準(zhǔn)(5月1日～10月31日)為參考。

表1 GB 17930—2016中國(guó)Ⅴ和國(guó)Ⅵ(B)車(chē)用汽油標(biāo)準(zhǔn)某些質(zhì)量指標(biāo)的變化Table 1 Changes of some quality indexes in China Ⅴ andⅥ(B) gasoline standard of GB 17930—2016

2 汽油調(diào)合模型的建立

2.1 汽油調(diào)合組分油性質(zhì)

依據(jù)某煉油企業(yè)95#汽油累積調(diào)合工藝，現(xiàn)有汽油調(diào)合組分油有催化裂化汽油、非芳烴、重整汽油和MTBE，其產(chǎn)品性質(zhì)如表2所示?，F(xiàn)采用4種組分油作為公用組分油，開(kāi)發(fā)雙調(diào)合頭調(diào)合工藝來(lái)同時(shí)調(diào)合95#和92#汽油。

2.2 辛烷值模型的建立

面向國(guó)Ⅵ車(chē)用汽油標(biāo)準(zhǔn)，并針對(duì)辛烷值(RON)在汽油調(diào)合過(guò)程中表現(xiàn)出的強(qiáng)非線性[4-7]，雙調(diào)合頭調(diào)合工藝研究的辛烷值模型采用筆者提出的一種改進(jìn)的辛烷值模型，其預(yù)測(cè)精度相對(duì)于應(yīng)用較為廣泛的調(diào)合效應(yīng)模型更高[8]。以汽油RON建模過(guò)程為例，其表達(dá)見(jiàn)式(1)和(2)。

表2 催化裂化汽油、非芳烴、重整汽油和MTBE 4種組分油的性質(zhì)Table 2 Properties of 4 components of FCC gasoline, non-aromatics, reforming gasoline and MTBE

RONi,final=RONi+di+h·si

(1)

(2)

式(1)和(2)中，RONi,final為第i種組分油進(jìn)行定量化補(bǔ)償后的研究法辛烷值；RONblend是調(diào)合汽油的研究法辛烷值；RONi是第i種組分油的研究法辛烷值；ri為第i種組分油體積分?jǐn)?shù)；si為第i種組分油的敏感度；di是第i種組分油研究法辛烷值補(bǔ)償值；h為待求參數(shù)；n為組分油種類(lèi)數(shù)量。

根據(jù)式(1)和(2)，假設(shè)有m組汽油調(diào)合的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，n個(gè)參與調(diào)合的組分油，那么第l組數(shù)據(jù)成品汽油辛烷值的計(jì)算方法可如下表達(dá)：

(3)

(4)

在實(shí)際調(diào)合過(guò)程中，可能出現(xiàn)第i個(gè)組分油不參與調(diào)合，那么該組分油的配方ri=0。為進(jìn)一步提高辛烷值模型預(yù)測(cè)精度，筆者依據(jù)文獻(xiàn)[9-10]中提出的方法，在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)組分油的配方添加約束。針對(duì)第l個(gè)調(diào)合批次，添加約束的具體計(jì)算方法如式(5)所示。

(5)

式(5)中，αn和βn均為大于0的約束系數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際調(diào)合過(guò)程進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，令pbl=Dl+hl·Sl，通過(guò)式(1)和(2)，可以對(duì)式(4)進(jìn)行變形，得到式(6)。

(6)

Yl=Rl·pbl

(7)

通過(guò)式(7)可以導(dǎo)出：

(8)

結(jié)合式(8)，將式(5)進(jìn)行展開(kāi)得到如式(9)的表達(dá)。

(9)

(10)

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，因Y和pb的符號(hào)一致，可以直接去掉絕對(duì)值符號(hào)，因此，對(duì)式(10)進(jìn)行變換，對(duì)模型的計(jì)算過(guò)程添加如式(11)形式的約束。

(11)

將式(7)和式(11)結(jié)合，導(dǎo)出式(12)的矩陣形式。

(12)

式(12)可以簡(jiǎn)化為如下形式：

Atl×pbl=bl

(13)

其中，Atl由兩部分組成，第1行為配方向量，剩下的對(duì)角矩陣是約束矩陣，取值為經(jīng)驗(yàn)值。因此，結(jié)合帶有遺忘因子的最小二乘法(RLS)回歸分析，通過(guò)m組汽油調(diào)合歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)的在線辨識(shí)，可以得到改進(jìn)后的汽油調(diào)合效應(yīng)辛烷值模型中的待求參數(shù)值，整個(gè)計(jì)算過(guò)程進(jìn)一步提高辛烷值預(yù)測(cè)模型的精度。

2.3 蒸氣壓模型的建立

目前在汽油調(diào)合過(guò)程中用于計(jì)算雷德蒸氣壓的模型主要是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即Chevron法[11]，筆者采用Chevron法建立汽油調(diào)合過(guò)程中的蒸氣壓模型，如式(14)所示。

(14)

式(14)中，Vi代表組分油i的體積分?jǐn)?shù)；RVPt為調(diào)合汽油的蒸氣壓，kPa；RVPi為第i種組分油的蒸氣壓,kPa。

2.4 密度模型的建立

隨著汽油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷升級(jí)，同時(shí)，汽車(chē)制造技術(shù)也不斷創(chuàng)新，且汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和燃油消耗與汽油的密度有關(guān)，汽油密度越低，油耗越大。這就對(duì)汽油調(diào)合過(guò)程中的密度指標(biāo)有一定要求。因此，筆者對(duì)汽油調(diào)合過(guò)程中汽油的密度指標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，完善整個(gè)汽油調(diào)合模型。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(15)所示。

(15)

式(15)中，ρblend為調(diào)合汽油的密度，kg/m3；ρi為第i種組分油的密度,kg/m3；fi為某一時(shí)刻第i種組分油的流量,m3/h；F為某一時(shí)刻組分油的總流量,m3/h。同時(shí)，汽油調(diào)合中各組分油流量與配方之間有如下關(guān)系，即：

fi=F·ri

(16)

則根據(jù)式(16)，式(15)可以轉(zhuǎn)化成如下形式：

(17)

2.5 餾程模型的建立

在實(shí)際的汽油調(diào)合優(yōu)化過(guò)程中，對(duì)于餾程的優(yōu)化計(jì)算多采用配方線性加和模型，即：

(18)

式(18)中，T為汽油特定蒸發(fā)體積分?jǐn)?shù)下的蒸發(fā)溫度，℃；Ti為第i種組分油特定蒸發(fā)體積分?jǐn)?shù)下的蒸發(fā)溫度，℃。式(18)所描述的模型使用方便，但是精度不高。因此，面向國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)本文研究，對(duì)上述餾程模型進(jìn)行改進(jìn)。其主要思路在于依據(jù)式(18)估算出調(diào)合后油品的10%蒸發(fā)溫度、50%蒸發(fā)溫度、90%蒸發(fā)溫度和終餾點(diǎn)。利用Dhulesia經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃腕w積線性加和的方法在估算值的左右范圍內(nèi)取值，對(duì)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此提高汽油調(diào)合過(guò)程中餾程的計(jì)算要求。Dhulesia經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)學(xué)表達(dá)式如式(19)所示[12]。

(19)

(20)

式(19)和(20)中，Tfd為組分油的終餾點(diǎn)，℃；Tid為組分油的初餾點(diǎn)，℃；T*為蒸發(fā)溫度，℃；VT為溫度為T(mén)時(shí)目標(biāo)蒸發(fā)的體積分?jǐn)?shù)；φ和δ是模型參數(shù)。其中，每種組分油的φ、δ的值可利用歷史的調(diào)合數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到。根據(jù)蔡智等[13]的報(bào)道，幾種組分油進(jìn)行調(diào)合，調(diào)合后油品在某一溫度下的蒸餾數(shù)據(jù)具有可加性，即：

(21)

2.6 含量屬性模型的建立

含量屬性是指在汽油調(diào)合過(guò)程中的含量屬性指標(biāo)，如烯烴、芳烴、苯、氧、硫等一系列汽油環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)。本研究面向國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)，力求建立更加精確的汽油調(diào)合模型，因此，建立了烯烴、芳烴、苯、氧和硫含量5個(gè)含量屬性計(jì)算模型。因汽油一系列的含量質(zhì)量指標(biāo)在調(diào)合過(guò)程中基本滿足線性調(diào)合規(guī)則，文中不再贅述。

采用某煉油廠的催化裂化汽油、非芳烴、重整汽油和MTBE為組分油， 95#和92#汽油的調(diào)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為建立汽油調(diào)合模型的數(shù)據(jù)集，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，選取了160組95#汽油調(diào)合數(shù)據(jù)和118組92#汽油調(diào)合數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，得到95#汽油和92#汽油的調(diào)合模型。

3 雙調(diào)合頭調(diào)合工藝方案設(shè)計(jì)

3.1 汽油累積調(diào)合過(guò)程

研究針對(duì)汽油累積調(diào)合過(guò)程的雙調(diào)合頭調(diào)合工藝，而帶有罐底油的累積調(diào)合優(yōu)化過(guò)程不僅需要計(jì)算調(diào)合頭處成品油屬性，還需計(jì)算儲(chǔ)罐中成品油的當(dāng)前屬性，整個(gè)過(guò)程具有罐底補(bǔ)償這一過(guò)程[14]。累積調(diào)合過(guò)程就是根據(jù)實(shí)際罐中成品油性質(zhì)、調(diào)合頭處成品油性質(zhì)、最終儲(chǔ)罐中累積產(chǎn)品的目標(biāo)值，求解整個(gè)調(diào)合過(guò)程組分油的配方。整個(gè)工藝中，成品汽油的儲(chǔ)罐可以簡(jiǎn)單地用圖1表示。

圖1 汽油調(diào)合過(guò)程的儲(chǔ)罐表示Fig.1 Expression of storage tank in gasoline blending process

根據(jù)圖1中關(guān)于成品汽油儲(chǔ)罐的表示，儲(chǔ)罐中成品汽油的最終屬性可以用式(22)進(jìn)行表達(dá)。

(22)

式(22)中，Pro為產(chǎn)品油最終預(yù)測(cè)屬性；Propre為根據(jù)優(yōu)化配方預(yù)測(cè)的調(diào)合頭屬性；VProtol為累積調(diào)合體積屬性積；VProheel為罐底油體積屬性積；VolH為罐底油體積，m3；VolS為調(diào)合目標(biāo)總體積,m3；VolT為已調(diào)合體積,m3。在汽油儲(chǔ)罐中，成品汽油屬性滿足線性疊加原理，可以利用優(yōu)化調(diào)合體積的屬性補(bǔ)充已調(diào)合體積和罐底油的屬性偏差，使整個(gè)儲(chǔ)罐中產(chǎn)品油達(dá)到目標(biāo)要求。因此，調(diào)合汽油某個(gè)質(zhì)量指標(biāo)在調(diào)合頭處的上下限可以用式(23)和(24)表示。

(23)

(24)

3.2 協(xié)調(diào)優(yōu)化算法

采用一種合理高效的協(xié)調(diào)優(yōu)化算法，以公用組分油的流量作為決策變量，通過(guò)修改公用組分流量上限的方式進(jìn)行協(xié)調(diào)[15]。由每個(gè)調(diào)合頭的流量和優(yōu)化的配方可以求得每個(gè)調(diào)合頭所需的每種組分油的流量，每種組分油的流量必須滿足單調(diào)合頭的調(diào)合優(yōu)化過(guò)程中的組分油流量約束，如式(25)和(26)所示。

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

3.3 雙調(diào)合頭累積調(diào)合工藝方案

汽油雙調(diào)合頭調(diào)合工藝流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。95#和92#汽油的雙調(diào)合頭調(diào)合工藝過(guò)程均為累積調(diào)合過(guò)程。將某煉油廠現(xiàn)有4種組分油當(dāng)作調(diào)合95#和92#汽油的公用組分油，進(jìn)入調(diào)合管道并通過(guò)混合器進(jìn)行充分混合，混合后的油品進(jìn)入儲(chǔ)罐中和罐底油進(jìn)一步混合，整個(gè)工藝過(guò)程需要對(duì)儲(chǔ)罐中的成品油各質(zhì)量屬性進(jìn)行優(yōu)化控制。

整個(gè)雙調(diào)合頭累積調(diào)合工藝優(yōu)化邏輯結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其中心思想是：對(duì)2個(gè)調(diào)合頭在各自的約束條件下，分別獨(dú)立地進(jìn)行累積調(diào)合優(yōu)化，得到了滿足汽油各質(zhì)量指標(biāo)要求的組分油優(yōu)化配方，將各自的配方轉(zhuǎn)換成流量，再判斷公用組分油總流量是否超出限制，有無(wú)爭(zhēng)搶公用組分油的情況。如果沒(méi)有則執(zhí)行單調(diào)合頭優(yōu)化計(jì)算得出的配方；如果有則啟動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化算法，修改公用組分油流量的上限約束，2個(gè)調(diào)合頭重新進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化。重復(fù)這一過(guò)程，可避免在調(diào)合過(guò)程中出現(xiàn)爭(zhēng)搶公用組分油的問(wèn)題，較好地協(xié)調(diào)雙調(diào)合頭生產(chǎn)。同時(shí)單調(diào)合頭優(yōu)化算法可以獨(dú)立運(yùn)行，也可同協(xié)調(diào)優(yōu)化算法一起運(yùn)行，靈活性較高，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)合情況。

3.4 雙調(diào)合頭累積調(diào)合工藝仿真驗(yàn)證

3.4.1 問(wèn)題分析與優(yōu)化參數(shù)設(shè)定

實(shí)際裝置中組分油來(lái)自緩沖罐或直接來(lái)自裝置，受生產(chǎn)過(guò)程的影響屬性指標(biāo)波動(dòng)較大，準(zhǔn)確快速跟蹤組分油或成品油屬性的變化對(duì)于調(diào)合優(yōu)化成功與否十分關(guān)鍵。筆者一方面通過(guò)近紅外分析儀實(shí)施監(jiān)測(cè)組分油屬性變化，另一方面通過(guò)調(diào)合頭成品油在線近紅外分析儀分析數(shù)據(jù)及調(diào)合規(guī)則反向修正組分油屬性偏差，確保調(diào)合后成品油屬性指標(biāo)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和配方優(yōu)化計(jì)算。所以近紅外分析儀的準(zhǔn)確測(cè)量十分重要。筆者將其分為組分油的準(zhǔn)確測(cè)量及成品油的準(zhǔn)確測(cè)量，兩者只要其中一個(gè)測(cè)量準(zhǔn)確都能確保調(diào)合優(yōu)化計(jì)算的準(zhǔn)確進(jìn)行。

依據(jù)某煉油廠的工藝生產(chǎn)線和組分油產(chǎn)量，設(shè)定每個(gè)調(diào)合頭的總流量為300 m3/h，需要調(diào)合汽油的總流量為9000 m3/h，罐底油流量為1000 m3/h。調(diào)合過(guò)程管道中的組分油流量上限分別為：催化裂化汽油300 m3/h、非芳烴80 m3/h、重整汽油為210 m3/h、MTBE為60 m3/h。文中配方優(yōu)化過(guò)程采用成熟的線性規(guī)劃算法，對(duì)每種組分油的配方進(jìn)行優(yōu)化。為提高優(yōu)化效率，根據(jù)以往實(shí)際調(diào)合經(jīng)驗(yàn)及庫(kù)存情況，調(diào)合95#汽油的調(diào)合頭1的優(yōu)化過(guò)程以體積分?jǐn)?shù)為62%的催化裂化汽油、26%的重整汽油和12%的MTBE為初始調(diào)合配方；調(diào)合92#汽油的調(diào)合頭2優(yōu)化過(guò)程以體積分?jǐn)?shù)40%的催化裂化汽油、10%的非芳烴、45%的重整汽油和5%的MTBE為初始調(diào)合配方?？紤]實(shí)際調(diào)合中組分油配方大幅變動(dòng)會(huì)帶來(lái)較大誤差，并設(shè)定每種組分油的配方變化范圍為10%，每5 min啟動(dòng)一次配方優(yōu)化。

3.4.2 仿真平臺(tái)搭建

筆者采用Matlab/Simulink平臺(tái)，使用M語(yǔ)言編寫(xiě)自定義的S函數(shù)模塊進(jìn)行模擬仿真。針對(duì)汽油調(diào)合雙調(diào)合頭累積調(diào)合優(yōu)化過(guò)程，主要包括輸入模塊、自定義的S函數(shù)模塊和輸出模塊。

輸入模塊設(shè)定為汽油優(yōu)化初始配方、組分油屬性、組分油流量信息和汽油調(diào)合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。其中，設(shè)定汽油優(yōu)化初始配方是為了簡(jiǎn)化尋優(yōu)過(guò)程，提高優(yōu)化效率，其值可根據(jù)歷史的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)合信息確定。組分油屬性為每種組分油的質(zhì)量指標(biāo)屬性，設(shè)定每種組分油的屬性包括RON、烯烴、芳烴、苯、氧、餾程10%、餾程50%、餾程90%、終餾點(diǎn)、密度、硫和蒸氣壓共12個(gè)質(zhì)量指標(biāo)值。組分油流量的設(shè)定要綜合考慮煉油廠調(diào)合生產(chǎn)的工藝要求。汽油調(diào)合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)則可以根據(jù)調(diào)合目標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)定，如國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)等。同時(shí)，自定義的S函數(shù)模塊是整個(gè)仿真平臺(tái)的核心部分，主要包括2部分內(nèi)容，分別是汽油調(diào)合規(guī)則和對(duì)調(diào)合配方的優(yōu)化。汽油調(diào)合規(guī)則就是所建立的辛烷值模型、蒸氣壓模型、密度模型、餾程模型和含量屬性指標(biāo)模型。調(diào)合配方優(yōu)化部分主要是包括調(diào)合頭處屬性轉(zhuǎn)化、調(diào)合頭處產(chǎn)品屬性優(yōu)化、2個(gè)調(diào)合頭之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化和對(duì)儲(chǔ)罐中產(chǎn)品油屬性偏差的補(bǔ)充4個(gè)部分。輸出模塊包括汽油的RON、烯烴、芳烴、苯、氧、餾程10%、餾程50%、餾程90%、終餾點(diǎn)、密度、硫和蒸氣壓共12個(gè)質(zhì)量指標(biāo)值。

3.4.3 雙調(diào)合頭獨(dú)立優(yōu)化

2個(gè)調(diào)合頭在獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí)，會(huì)以獨(dú)占公用組分油的方式進(jìn)行調(diào)合，流量超出公用組分油的流量約束上限。這在實(shí)際調(diào)合過(guò)程中是不可取的，因此需要進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)上述設(shè)計(jì)的雙調(diào)合頭調(diào)合工藝方案，對(duì)2個(gè)調(diào)合頭在進(jìn)行獨(dú)立優(yōu)化計(jì)算時(shí)進(jìn)行仿真，得到所需的4種公用組分油在調(diào)合過(guò)程中每個(gè)調(diào)合頭的流量及總流量變化。整個(gè)調(diào)合過(guò)程每5 min啟動(dòng)一次優(yōu)化，會(huì)得到4種公用組分油的流量值，因此，4種公用組分油流量的變化是非連續(xù)的，為方便觀察其趨勢(shì)的具體變化，將其連成曲線進(jìn)行研究，如圖4所示。

圖4 獨(dú)立優(yōu)化時(shí)催化裂化汽油、非芳烴、重整汽油和MTBE 4種公用組分油的流量變化Fig.4 Flow change of 4 kinds of common component oil, FCC gasoline, non-aromatics,reforming gasoline and MTBE in the case of independent optimization(1) Upper limit constraint of flow of a common component oil； (2) The flow change of a common component oil for blending head 1；(3) The flow change of a common component oil for blending head 2； (4) Total flow change of a common component oil(a) FCC gasoline; (b) Non-aromatic; (c) Reformed gasoline; (d) MTBE

從圖4可以看出，2個(gè)調(diào)合頭獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化，從總體變化趨勢(shì)看，調(diào)合頭1會(huì)在大約5.5 h達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)合頭2在大約4.5 h后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即組分配方已經(jīng)不發(fā)生變化，代表著先前儲(chǔ)罐中的罐底油的各質(zhì)量指標(biāo)值對(duì)整個(gè)調(diào)合過(guò)程影響變得微乎其微。同時(shí)，從圖4(a)和(c)可以看出，整個(gè)調(diào)合過(guò)程會(huì)出現(xiàn)爭(zhēng)搶公用組分油的情況，催化裂化汽油和重整汽油的總流量超出所規(guī)定的流量上限300 m3/h 和210 m3/h。這在實(shí)際調(diào)合過(guò)程中是要去極力避免的。

3.4.4 雙調(diào)合頭協(xié)調(diào)優(yōu)化

針對(duì)上述2個(gè)調(diào)合頭獨(dú)立優(yōu)化計(jì)算出現(xiàn)爭(zhēng)搶公用組分油的問(wèn)題，采用雙調(diào)合頭協(xié)調(diào)優(yōu)化計(jì)算，并進(jìn)行仿真，得到所需的4種公用組分油在調(diào)合過(guò)程中每個(gè)調(diào)合頭的流量及總流量變化，如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)優(yōu)化時(shí)催化裂化汽油、非芳烴、重整汽油和MTBE 4種公用組分油的流量變化Fig.5 Flow change of 4 kinds of common component oil, FCC gasoline, non-aromatics,reforming gasoline and MTBE in the case of coordination optimization(1) Upper limit constraint of flow of a common component oil； (2) The flow change of a common component oil for blending head 1；(3) The flow change of a common component oil for blending head 2； (4) Total flow change of a common component oil(a) FCC gasoline; (b) Non-aromatic; (c) Reformed gasoline; (d) MTBE

從圖5可以看出，2個(gè)調(diào)合頭進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化過(guò)程中會(huì)相互影響。從總體變化趨勢(shì)看，調(diào)合頭1和調(diào)合頭2大約在6.8 h同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，比獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間長(zhǎng)，說(shuō)明雙調(diào)合頭協(xié)調(diào)優(yōu)化過(guò)程相對(duì)復(fù)雜、相互影響。同時(shí)從圖5 的4幅曲線圖的變化趨勢(shì)中可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)調(diào)合過(guò)程在一開(kāi)始就啟動(dòng)了協(xié)調(diào)優(yōu)化算法，因此開(kāi)始時(shí)圖中曲線變化速率較快。在雙調(diào)合頭調(diào)合過(guò)程中，要協(xié)調(diào)好爭(zhēng)搶公用組分油的情況，隨著協(xié)調(diào)優(yōu)化過(guò)程的不斷進(jìn)行，4種公用組分油的流量的變化趨勢(shì)較2個(gè)調(diào)合頭獨(dú)立調(diào)合時(shí)的變化更加復(fù)雜。從最終結(jié)果分析，催化裂化汽油和重整汽油的流量值在整個(gè)調(diào)合過(guò)程中始終在上限約束之下。同時(shí)，對(duì)雙調(diào)合頭獨(dú)立優(yōu)化和協(xié)調(diào)優(yōu)化2個(gè)優(yōu)化過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后配方和組分流量的值進(jìn)行分析對(duì)比，如表3所示。

前文分析可知，催化裂化汽油和重整汽油流量會(huì)出現(xiàn)爭(zhēng)搶，從表3可以看出，應(yīng)用協(xié)調(diào)優(yōu)化算法后，在調(diào)合過(guò)程到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，催化裂化汽油所需總流量從308.1 m3/h下降到298.3 m3/h，小于300 m3/h，重整汽油所需總流量從215.9 m3/h下降到207.3 m3/h，小于210 m3/h，說(shuō)明在調(diào)合過(guò)程中出現(xiàn)公用組分流量爭(zhēng)搶時(shí)，協(xié)調(diào)優(yōu)化算法起到了協(xié)調(diào)作用，重新優(yōu)化了配方。仿真得到2個(gè)儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)品汽油的最終各質(zhì)量指標(biāo)的值如表4所示。

從表4可以看出,2個(gè)儲(chǔ)罐內(nèi)汽油各質(zhì)量指標(biāo)的值完全符合國(guó)Ⅵ(B)車(chē)用汽油標(biāo)準(zhǔn)。因此，面向國(guó)Ⅵ車(chē)用汽油標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)的雙調(diào)合頭累積調(diào)合工藝方案，符合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)合過(guò)程，可以較好地滿足煉油企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)合要求。同時(shí)根據(jù)仿真得到的數(shù)據(jù)，對(duì)此工藝的某些方面進(jìn)行針對(duì)性的技術(shù)改進(jìn)，可進(jìn)一步提高調(diào)合效率及調(diào)合利潤(rùn)。

表3 雙調(diào)合頭獨(dú)立優(yōu)化和協(xié)調(diào)優(yōu)化前后配方及組分流量的變化Table 3 Changes of formula and component flow before and after optimization and coordination optimization of double headers

表4 雙調(diào)合頭獨(dú)立優(yōu)化和協(xié)調(diào)優(yōu)化后2個(gè)儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)品汽油的最終各質(zhì)量指標(biāo)Table 4 Final quality indexes of gasoline products in the two storage tanks afteroptimization and coordination optimization of double headers

4 結(jié) 論

面向國(guó)Ⅵ車(chē)用汽油標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)某煉油廠的單調(diào)合頭現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝的具體情況，開(kāi)發(fā)了可同時(shí)調(diào)合95#和92#汽油的雙調(diào)合頭累積調(diào)合工藝方案。針對(duì)汽油調(diào)合模型，在模型中添加了汽油12個(gè)質(zhì)量指標(biāo)的數(shù)學(xué)描述，建立了汽油辛烷值模型、蒸氣壓模型、密度模型、餾程模型和含量屬性模型，并改進(jìn)了部分調(diào)合模型。對(duì)于雙調(diào)合頭出現(xiàn)公用組分油爭(zhēng)搶的問(wèn)題，應(yīng)用一種簡(jiǎn)單高效的協(xié)調(diào)優(yōu)化算法改變公用組分油的上限約束。仿真結(jié)果表明，協(xié)調(diào)算法有效解決了雙調(diào)合頭調(diào)合工藝中爭(zhēng)搶公用組分油流量的問(wèn)題。雙調(diào)合頭累積調(diào)合工藝可同時(shí)調(diào)合生產(chǎn)出滿足國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的95#和92#汽油產(chǎn)品。設(shè)計(jì)的雙調(diào)合頭累積調(diào)合工藝可以為煉油企業(yè)的汽油調(diào)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供雙調(diào)合頭解決方案，為煉油企業(yè)在國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行汽油調(diào)合優(yōu)化工藝升級(jí)提供技術(shù)及理論支持。