面向在線調(diào)合的原油管輸滾動(dòng)調(diào)度方法研究

陳偉睿，陳夕松，陶思琦，梅 彬

(1.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210096；2.南京富島信息工程有限公司)

近年來(lái)基于近紅外光譜的原油在線調(diào)合技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)原油加工企業(yè)逐步推廣，給企業(yè)的常減壓蒸餾裝置(CDU)進(jìn)料提供了更準(zhǔn)確的原油性質(zhì)分析，穩(wěn)定了進(jìn)料性質(zhì)，優(yōu)化了進(jìn)料結(jié)構(gòu)，給企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1]。在這種新型的原油調(diào)合系統(tǒng)中，有時(shí)原油加工配方中包含一些低成本、性價(jià)比更高的原油，但這些原油可能尚未抵達(dá)廠內(nèi)罐區(qū)，需要調(diào)度盡快安排上述原油進(jìn)廠加工。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了不少可行的原油調(diào)度方法[2]。例如，通過(guò)混合整數(shù)規(guī)劃(MIP)法[3]、約束規(guī)劃(CP)法[4]或基于事件樹的優(yōu)化方法[5]對(duì)原油轉(zhuǎn)輸加以指導(dǎo)，但這些方法建立的模型規(guī)模龐大，求解時(shí)間長(zhǎng)。文獻(xiàn)[6]提出了基于模型預(yù)測(cè)控制的原油調(diào)度方法，證實(shí)了滾動(dòng)優(yōu)化在原油調(diào)度中應(yīng)用的可行性，增強(qiáng)了調(diào)度模型的自適應(yīng)能力，但并沒(méi)有將原油調(diào)合納入考慮范圍。而原油調(diào)度與原油調(diào)合在生產(chǎn)上緊密關(guān)聯(lián)，相互影響。一方面，當(dāng)調(diào)度來(lái)油時(shí)間、順序、數(shù)量與調(diào)合生產(chǎn)需求不匹配時(shí)，進(jìn)罐原油會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用儲(chǔ)罐，減少了可用于周轉(zhuǎn)的有效罐容，同時(shí)也易導(dǎo)致調(diào)合難以選擇到合適的組分原油，進(jìn)而給CDU的穩(wěn)定生產(chǎn)帶來(lái)影響。另一方面，因精細(xì)化原油調(diào)合需要考慮的因素較多，調(diào)合配方常常會(huì)根據(jù)生產(chǎn)加工的實(shí)際情況發(fā)生變化，易造成現(xiàn)有的靜態(tài)調(diào)度方法反復(fù)排產(chǎn)，使調(diào)度人員難以應(yīng)付。因此，研究如何結(jié)合調(diào)合需求進(jìn)行原油調(diào)度很有必要。

本研究針對(duì)某煉油企業(yè)的原油管輸調(diào)度工藝流程，通過(guò)將調(diào)合需求納入考慮范圍實(shí)現(xiàn)精益化原油調(diào)度，使用MIP法建立原油管輸調(diào)度模型，采用滾動(dòng)優(yōu)化法加以求解，協(xié)助原油調(diào)合優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)運(yùn)急需原油，并從調(diào)度供給層面確保調(diào)合需求得到滿足，從而在保障煉油企業(yè)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，綜合降低原油儲(chǔ)運(yùn)、油輪滯期費(fèi)用及生產(chǎn)操作成本，提高企業(yè)調(diào)度的精細(xì)化管控水平。

1 面向在線調(diào)合的原油滾動(dòng)調(diào)度方法設(shè)計(jì)

1.1 目標(biāo)函數(shù)的確定

本研究以煉油行業(yè)典型的原油管輸調(diào)度工藝為對(duì)象，其示意見(jiàn)圖1：具有2個(gè)分布在不同地區(qū)的碼頭(1號(hào)碼頭和2號(hào)碼頭)可供油輪停泊，每個(gè)碼頭都有可供卸油的碼頭罐區(qū)，油輪到達(dá)碼頭后通過(guò)碼頭管線向碼頭罐區(qū)卸油。1號(hào)碼頭罐區(qū)(STA1～STA10，共計(jì)10個(gè)儲(chǔ)罐)通過(guò)1號(hào)碼頭罐區(qū)-廠內(nèi)線向廠內(nèi)罐區(qū)(CT1～CT9，共計(jì)9個(gè)儲(chǔ)罐)轉(zhuǎn)輸原油，2號(hào)碼頭罐區(qū)(STB1～STB6，共計(jì)6個(gè)儲(chǔ)罐)類似。廠內(nèi)罐區(qū)再向CDU1和CDU2供油用于加工，原油輸送過(guò)程均通過(guò)輸油泵組實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸油泵組和閥門來(lái)控制輸油管線流量。

原油管輸調(diào)度模型中的目標(biāo)函數(shù)一般包括油輪滯期費(fèi)用、儲(chǔ)罐庫(kù)存成本、切換付油儲(chǔ)罐操作成本以及切換CDU加工儲(chǔ)罐操作成本，如式(1)所示。

(1)

式中：CWAIT，v為油輪v停泊碼頭的單位時(shí)間單位體積原油滯期費(fèi)用；VV，v，c，t為t時(shí)刻油輪v中組分油c的儲(chǔ)量，m3；CST，q，s為碼頭罐區(qū)s儲(chǔ)罐q的單位體積原油儲(chǔ)存費(fèi)用；VS，q，c，t，s為t時(shí)刻碼頭罐區(qū)s儲(chǔ)罐q中組分油c的儲(chǔ)量，m3；CCT，n為廠內(nèi)罐區(qū)儲(chǔ)罐n的單位體積原油儲(chǔ)存費(fèi)用；VC，n，c，t為t時(shí)刻廠內(nèi)罐區(qū)儲(chǔ)罐n中組分油c的儲(chǔ)量，m3；CTRS，s為碼頭罐區(qū)s向廠內(nèi)付油儲(chǔ)罐切換一次的操作費(fèi)用；ZS，k，r，j，t，s為t時(shí)刻碼頭罐區(qū)s向廠內(nèi)儲(chǔ)罐j輸油時(shí)從儲(chǔ)罐k切換到儲(chǔ)罐r(nóng)(k≠r)的0～1決策變量；CTRD表示供CDU加工用油儲(chǔ)罐切換一次的操作費(fèi)用；ZCDU，k，r，j，t為t時(shí)刻廠內(nèi)罐區(qū)向CDUj輸油時(shí)從儲(chǔ)罐k切換到儲(chǔ)罐r(nóng)(k≠r)的0～1決策變量；SNV為調(diào)度周期內(nèi)到港油輪的集合{1，…，NV}；ST為調(diào)度周期內(nèi)時(shí)間的集合{1，…，T}；SS為碼頭罐區(qū)的集合{1，…，S}；SNST，s為碼頭罐區(qū)s中儲(chǔ)罐的集合{1，…，NSTs}；SNC為廠內(nèi)罐區(qū)儲(chǔ)罐的集合{1，…，NC}；SCR為待加工組分油的集合{1，…，CR}；SNCDU為CDU的集合{1，…，NCDU}。由于油輪滯期費(fèi)用、儲(chǔ)存費(fèi)用、切換費(fèi)用在不同的煉油企業(yè)具有不同的價(jià)格，且往往波動(dòng)較大，為排除這一因素的影響，在不影響優(yōu)化結(jié)果的前提下，上述費(fèi)用均為相對(duì)價(jià)格。

(2)

1.2 約束條件的構(gòu)建

在構(gòu)建原油管輸調(diào)度模型的過(guò)程中，需要考慮儲(chǔ)罐收油限制約束、油輪卸油操作規(guī)則約束、碼頭與廠內(nèi)罐區(qū)儲(chǔ)罐操作規(guī)則約束、油輪及各儲(chǔ)罐物料平衡約束、輸油管線流量約束、儲(chǔ)罐邊進(jìn)邊出限制約束、儲(chǔ)罐儲(chǔ)油量約束和付油儲(chǔ)罐切換約束等，這些約束在多個(gè)文獻(xiàn)中已有描述[6-7]，本研究側(cè)重介紹除上述基本約束外與原油調(diào)合有關(guān)的約束。

圖2 原油調(diào)合配方引入調(diào)度模型原理

根據(jù)上述原理，構(gòu)建原油調(diào)合配方關(guān)鍵約束。對(duì)原油調(diào)合配方進(jìn)行處理，根據(jù)進(jìn)入CDUk的各組分原油調(diào)合比Xc，k和CDUk的額定加工流速FTOC，k，計(jì)算得到各組分油的瞬時(shí)加工流量FDM，c，k=FTOC，k×Xc，k，再將FDM，c，k通過(guò)如式(3)和式(4)所示的約束條件引入原油管輸調(diào)度模型。

FCD，n，k，c，t=FDM，k，c，tDCD，n，k，c，t，?n∈SNC，?k∈SNCDU，?t∈ST，?c∈SCR

(3)

(4)

式中：FCD，n，k，c，t為t時(shí)刻由廠內(nèi)罐區(qū)儲(chǔ)罐n付組分油c至CDUk時(shí)的輸油管線流量，t/h；FDM，k，c，t為t時(shí)刻根據(jù)原油調(diào)合配方得出的CDUk加工所需要的組分油c的瞬時(shí)加工流量，t/h；DCD，n，k，c，t為0～1決策變量，代表t時(shí)刻廠內(nèi)罐區(qū)儲(chǔ)罐n決定是否向CDUk提供組分油c。當(dāng)選中廠內(nèi)儲(chǔ)罐n向CDUk付加工組分油c時(shí)，式(3)和式(4)將共同限制該儲(chǔ)罐的付油流速為CDUk對(duì)組分油c需求的瞬時(shí)加工流量。

2 案例驗(yàn)證與分析

2.1 案例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述方法的有效性，以如圖1所示的煉油行業(yè)典型調(diào)度工藝為基礎(chǔ)，對(duì)上述在原油調(diào)合配方可變背景下調(diào)度周期為168 h的原油管輸調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行建模和優(yōu)化求解。

該案例對(duì)2020年2月21日0：00至28日0：00共計(jì)168 h的調(diào)度方案進(jìn)行求解，這一時(shí)間段內(nèi)用于加工的原油共計(jì)5種：巴士拉輕油、科威特原油、福迪斯原油、巴士拉重油和卡斯蒂利亞原油，其性質(zhì)如表1所示。

表1 5種原油的性質(zhì)

假設(shè)該案例中1號(hào)與2號(hào)碼頭卸油流速均為0～6 500 t/h，1號(hào)碼頭罐區(qū)-廠內(nèi)線流速與2號(hào)碼頭罐區(qū)-廠內(nèi)線流速均為200～2 000 t/h，CDU1額定加工流速為360 t/h，CDU2額定加工流速為1 000 t/h。

本案例調(diào)度的時(shí)間段內(nèi)共有兩艘油輪來(lái)油，1號(hào)油輪(V1)于2020年2月21日1：00載運(yùn)195 000 t巴士拉輕油?？吭?號(hào)碼頭，2號(hào)油輪(V2)于2020年2月22日07：00載運(yùn)195 000 t卡斯蒂利亞原油同樣?？吭?號(hào)碼頭。

本案例中1號(hào)與2號(hào)碼頭罐區(qū)儲(chǔ)罐期初庫(kù)存情況如表2所示，廠內(nèi)罐區(qū)期初庫(kù)存如表3所示。

表2 1號(hào)與2號(hào)碼頭罐區(qū)儲(chǔ)罐期初庫(kù)存

表3 廠內(nèi)罐區(qū)儲(chǔ)罐期初庫(kù)存

在本案例中，原油調(diào)合配方發(fā)生了一次變更。對(duì)于CDU1，在2020年2月21日0：00至23日2：00期間使用初始原油調(diào)合配方[w(巴士拉輕油)∶w(科威特原油)∶w(福迪斯原油)=0.50∶0.20∶0.30]，在2月23日2：00至28日0：00期間使用成本更低的原油調(diào)合配方[w(福迪斯原油)∶w(巴士拉重油)∶w(卡斯蒂利亞原油)=0.23∶0.17∶0.60]。對(duì)于CDU2，在2月21日0：00至23日2：00期間使用初始原油調(diào)合配方[w(科威特原油)∶w(巴士拉重油)∶w(卡斯蒂利亞原油)=0.20∶0.20∶0.60]，在2月23日2：00至28日0：00期間使用成本更低的原油調(diào)合配方[w(巴士拉輕油)∶w(科威特原油)∶w(卡斯蒂利亞原油)=0.24∶0.48∶0.28]。

2.2 結(jié)果分析

針對(duì)上述案例進(jìn)行求解，得到的168 h全時(shí)段調(diào)度方案以甘特圖表示，如圖3～圖5所示，任一儲(chǔ)罐或CDU在原油轉(zhuǎn)輸過(guò)程中涉及的油輪和收付油儲(chǔ)罐及輸油流速均在圖中時(shí)間塊上標(biāo)注。

圖3為優(yōu)化求解得到的1號(hào)碼頭罐區(qū)調(diào)度方案，以2月21日1：00 V1來(lái)油195 000 t巴士拉輕油為例，1號(hào)碼頭罐區(qū)調(diào)度方案在2月21日1：00油輪V1到港的第一時(shí)間就安排了卸油作業(yè)，以最大卸油流速6 500 t/h向STA4卸油。連續(xù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)11 h后，STA4累計(jì)收巴士拉輕油81 250 m3，若再向STA4卸油，只能再卸3 750 m3巴士拉輕油，故調(diào)度方案選擇切換至STA6卸油以獲取最大卸油流速。以此類推，其余卸油操作均符合調(diào)度方法設(shè)計(jì)要求?？梢?jiàn)1號(hào)碼頭罐區(qū)在油輪V1和V2來(lái)油時(shí)能第一時(shí)間開(kāi)始卸油，避免了滯期費(fèi)用的產(chǎn)生，且具有較好的收油操作連續(xù)性，符合工藝要求。

圖3 1號(hào)碼頭罐區(qū)調(diào)度方案

圖4為廠內(nèi)罐區(qū)調(diào)度方案。由圖4可見(jiàn)，對(duì)于收油和付油操作最為復(fù)雜的廠內(nèi)罐區(qū)，調(diào)度方案能夠盡可能減少CDU加工時(shí)供油儲(chǔ)罐的切換次數(shù)。在2月23日2：00調(diào)合配方變化時(shí)，針對(duì)CDU1的供油儲(chǔ)罐，能迅速?gòu)南惹暗腃T2、CT7切換到CT1、CT8，且由于變化前后的調(diào)合配方均有福迪斯原油，為盡可能減少切換次數(shù)，調(diào)度方案選擇保留CT4繼續(xù)供CDU1加工。同理，CDU2的供油儲(chǔ)罐在盡可能減少切換的情況下配合調(diào)合配方完成了付油儲(chǔ)罐的切換。綜上所述，調(diào)度方案能通過(guò)最低限度的CDU加工時(shí)供油儲(chǔ)罐的切換操作，及時(shí)調(diào)整供CDU加工用油的廠內(nèi)儲(chǔ)罐，確保了原油調(diào)合配方切換前后CDU生產(chǎn)加工的連續(xù)性。

此外，由表3可知，2月21日0：00調(diào)度排產(chǎn)期初，組分油巴士拉輕油、科威特原油、福迪斯原油、巴士拉重油和卡斯蒂利亞原油的廠內(nèi)庫(kù)儲(chǔ)量分別為79 892，136 621，16 349，76 701，75 891 m3，此時(shí)福迪斯原油儲(chǔ)量在低水平，屬于緊缺組分油。結(jié)合圖4可知，2月21日0：00至22日18：00期間調(diào)度方案均優(yōu)先從STB1調(diào)度福迪斯原油，在累計(jì)轉(zhuǎn)輸42 h后使其儲(chǔ)量回升至84 000 m3?？梢?jiàn)，求解所得調(diào)度方案可優(yōu)先安排緊缺組分油進(jìn)廠加工。

圖5為CDU1和CDU2的加工調(diào)度方案。由圖5可見(jiàn)，在調(diào)合配方變化時(shí)(2月23日2：00)，求解所得的調(diào)度方案完全適應(yīng)原油調(diào)合配方的變化，及時(shí)調(diào)整了用于CDU加工的組分油和對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)加工量。不論在調(diào)合配方變化前，還是在調(diào)合配方變化后，CDU按照原油調(diào)合配方的比例開(kāi)展連續(xù)穩(wěn)定的加工生產(chǎn)，且其額定加工流速(各組分油瞬時(shí)加工量之和)保持穩(wěn)定不變。對(duì)照表1、圖4和圖5，通過(guò)組分油體積密度換算可知，CDU加工的組分油的加工流速與對(duì)應(yīng)廠內(nèi)儲(chǔ)罐組分油付CDU流速完全一致。

圖4 廠內(nèi)罐區(qū)調(diào)度方案

圖5 CDU1與CDU2加工調(diào)度方案

綜合比對(duì)圖3～圖5、表2和表3，可知該案例求解所得的原油調(diào)度方案可優(yōu)先安排緊缺組分油進(jìn)廠加工，并根據(jù)任一時(shí)刻原油調(diào)合優(yōu)化系統(tǒng)給出的原油調(diào)合配方，進(jìn)行最低限度的收付油儲(chǔ)罐切換操作，及時(shí)適應(yīng)配方變化，柔性調(diào)整CDU加工的組分原油，滿足連續(xù)平穩(wěn)、減少切換的原油生產(chǎn)加工工藝要求。

3 結(jié) 論

(1)證明了將原油在線調(diào)合需求納入到原油調(diào)度中是完全可行的，通過(guò)在原油管輸調(diào)度模型中的目標(biāo)函數(shù)和約束條件中引入原油調(diào)合需求，能夠使其及時(shí)響應(yīng)原油調(diào)合需求的變化，并優(yōu)先安排緊缺組分油進(jìn)廠加工。

(2)采用滾動(dòng)優(yōu)化的方法對(duì)原油管輸調(diào)度模型進(jìn)行求解，可有效降低單次優(yōu)化模型求解規(guī)模，減少求解時(shí)間，增強(qiáng)調(diào)度模型的自適應(yīng)能力。

(3)案例分析結(jié)果表明，本研究所述方法能夠在原油調(diào)合配方發(fā)生變化時(shí)及時(shí)校正原油管輸調(diào)度方案，以適應(yīng)原油調(diào)合需求，在滿足煉油企業(yè)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，綜合降低原油儲(chǔ)運(yùn)、油輪滯期費(fèi)用及生產(chǎn)操作成本，有助于提升我國(guó)煉化企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。