柴油調(diào)合工藝與短期調(diào)度集成優(yōu)化方法研究

何仁初，談 寧，彭 鑫

（華東理工大學，能源化工過程智能制造教育部重點實驗室，上海 200237）

隨著我國信息化建設(shè)的全面推進，石化行業(yè)通過信息技術(shù)建立集成平臺，實現(xiàn)技術(shù)升級已經(jīng)刻不容緩[1]。柴油調(diào)合是油品生產(chǎn)中不可或缺的一環(huán)，各組分油的調(diào)合配方及調(diào)度決策關(guān)系到煉化企業(yè)的實際生產(chǎn)效益。所謂柴油調(diào)合技術(shù)，就是在出廠前將多種組分油按照一定比例進行混合并按需加入柴油調(diào)合添加劑，使得調(diào)合出的成品柴油既要符合國家標準，還要盡量滿足企業(yè)上下游裝置工藝條件、儲罐資源配置等約束[2]。采用柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化柴油調(diào)合配方，實現(xiàn)企業(yè)柴油調(diào)合的效益最大化[3]。生產(chǎn)調(diào)度過程指的是計劃部門每個月會根據(jù)組分油的生產(chǎn)情況和市場需求安排柴油生產(chǎn)方案。將各存儲罐中的組分油輸送到對應的成品油罐中，并根據(jù)短期內(nèi)的訂單要求將產(chǎn)品在指定時間內(nèi)輸轉(zhuǎn)。柴油的實際生產(chǎn)過程中，排產(chǎn)計劃通常需要相關(guān)生產(chǎn)部門手動測算完成，過程繁瑣且考慮的約束條件較少，很難在滿足成品柴油的質(zhì)量指標規(guī)定的基礎(chǔ)上實現(xiàn)優(yōu)化目標；且柴油調(diào)合調(diào)度過程中存在柴油油品屬性波動較大難以預測和一次調(diào)合率要求高等實際應用難題，因此，建立柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化模型，并集成至決策系統(tǒng)得到優(yōu)化結(jié)果對于指導實際生產(chǎn)具有重要意義[4-5]。

本研究設(shè)計了一種適合實際工程應用的柴油調(diào)合配方與短期調(diào)度計劃集成優(yōu)化方法，結(jié)合國內(nèi)某煉油廠的柴油調(diào)合調(diào)度現(xiàn)狀，建立柴油調(diào)合配方優(yōu)化模型和柴油短期調(diào)度優(yōu)化模型，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫并創(chuàng)建關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表，并將模型集成至基于MVC 模型開發(fā)的柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化軟件系統(tǒng)，求解得到調(diào)合調(diào)度優(yōu)化結(jié)果，實現(xiàn)成品油的質(zhì)量指標卡邊，資源的配置優(yōu)化以及經(jīng)濟效益最大化，為柴油的實際生產(chǎn)過程提供理論指導。

1 柴油調(diào)合優(yōu)化

1.1 柴油調(diào)合工藝流程

常用的柴油調(diào)合按照調(diào)合容器可分為罐式調(diào)合和管道調(diào)合2 大類[6]。其中罐式調(diào)合是指將基礎(chǔ)組分油和添加劑按比例直接送入油品調(diào)合罐，經(jīng)過攪拌后即為成品油，可分為泵循環(huán)噴嘴和機械攪拌2種。管道調(diào)合則是將各組分和添加劑按預定比例同時送入總管和管道混合器進行均勻調(diào)合的方法。在管道混合器中，流體逐次流過混合器內(nèi)每一混合元件前緣時，即被分割一次并交替變換，最后由分子擴散達到均勻混合狀態(tài)。

相較于罐式調(diào)合，管道調(diào)合具有的優(yōu)點：1）組分油存儲罐而按需減少數(shù)量甚至取消，成品油隨調(diào)隨用，避免資源浪費；2）對于大批量油品調(diào)合，準確控制組分油及添加劑用量，避免指標過剩，提高一次調(diào)合合格率；3）取消油泵轉(zhuǎn)送和混合攪拌的環(huán)節(jié)，從而節(jié)省時間和人力成本；4）管道調(diào)合的密閉操作環(huán)境可降低氧化蒸發(fā)，減少損耗。

管道調(diào)合適用于大批量的調(diào)合。既可通過計算機實現(xiàn)自動操作，也可使用常規(guī)自控儀表、人工給定調(diào)合比例的手動操作實現(xiàn)管道調(diào)合，同時還可采用微機監(jiān)測、監(jiān)控的半自動調(diào)合系統(tǒng)。國內(nèi)某煉化企業(yè)柴油調(diào)合采用雙調(diào)合頭工藝，可同時生產(chǎn)2種牌號的柴油產(chǎn)品，其工藝流程如圖1所示。

圖1 柴油管道調(diào)合工藝流程Fig 1 Process flow of diesel pipeline blending

1.2 柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化現(xiàn)狀

柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化問題可以被拆解為柴油配方優(yōu)化問題和調(diào)度優(yōu)化問題。成品油調(diào)合是煉廠成品油在出廠前的最后一道工序，對產(chǎn)品質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，成品油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化方案直接關(guān)系著石化企業(yè)的生產(chǎn)效益。

針對實際油品調(diào)合調(diào)度問題，研究人員建立了大量的數(shù)學模型通過應用于實際油品調(diào)度調(diào)合問題。GLISMANN 和GRUHN 對成品油調(diào)合問題提出了1個雙層優(yōu)化方法，其中的非線性模型用于配方優(yōu)化，另1個混合整數(shù)線性規(guī)劃用于油品調(diào)度優(yōu)化[7]；李進等在滿足成品油牌號質(zhì)量指標約束及調(diào)合關(guān)系的基礎(chǔ)上，提高解的收斂速度，建立了油品調(diào)合的非線性指標及調(diào)合優(yōu)化模型。

隨著信息化的不斷普及，近幾年，基于信息技術(shù)的優(yōu)化調(diào)合技術(shù)被用來確定配方優(yōu)化方案。CHRYSSOLOURIS 對基于連續(xù)時間表示開發(fā)了1種新模型，并將其集成至仿真系統(tǒng)[8]。在國內(nèi)，石油化工企業(yè)為進一步降低生產(chǎn)成本、提高資源利用率，積極運用計算機技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)工藝過程、追求效益最大化，Aspen Orion 在煉油生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化方面有著極其廣泛的應用[9-10]。九江煉油生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)就是基于Aspen Orion 開發(fā)調(diào)度排產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)精細化管理。

1.3 柴油調(diào)合優(yōu)化問題

在實際生產(chǎn)過程中，通常計劃部門每個月會根據(jù)組分油的生產(chǎn)情況和市場需求安排柴油生產(chǎn)計劃。該計劃需要相關(guān)生產(chǎn)部門手動測算完成，過程繁瑣且考慮的約束條件較少。

同時，針對柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化，還存在柴油質(zhì)量指標波動比較大關(guān)鍵質(zhì)量指標難以預測，柴油調(diào)合重調(diào)風險高，流量控制不穩(wěn)定，產(chǎn)品罐中的分層現(xiàn)象嚴重等問題。

因此，若對柴油調(diào)合優(yōu)化問題決策得當，可在達到質(zhì)量標準的同時，減少質(zhì)量過剩，同時充分利用原料優(yōu)化組分配方比例，減少修正和重調(diào)。而針對柴油的短期調(diào)度優(yōu)化問題，需要考慮滿足產(chǎn)品需求，產(chǎn)品與組分罐容約束以及操作運作規(guī)則，在滿足成本最小化等優(yōu)化目標的基礎(chǔ)上得出短期調(diào)度方案。

2 柴油調(diào)合集成優(yōu)化模型開發(fā)

2.1 柴油調(diào)合配方優(yōu)化模型的構(gòu)建

在柴油調(diào)合過程中，由于不同種類成品油需要滿足不同的標準，組分油需要根據(jù)生產(chǎn)條件和相關(guān)標準要求，合理的分配比例進行混合。

根據(jù)實際生產(chǎn)需求，以某種高利潤目標成品柴油產(chǎn)量最大，其他非目標成品柴油質(zhì)量指標向下卡邊為目標，建立柴油調(diào)合配方優(yōu)化模型。具體目標函數(shù)表達式為：

式中，Y為質(zhì)量指標向下卡邊的目標函數(shù)表達式，w1為目標成品柴油產(chǎn)量最大的權(quán)重系數(shù)，w2為質(zhì)量指標向下卡邊的權(quán)重系數(shù)，i表示第i種組分油，共有n種組分油，p表示第p種成品柴油，共有m種成品柴油，k表示第k項質(zhì)量指標，共有K項指標，d(i)表示第i種組分油的密度，x(i,p)表示用于調(diào)合第p種成品柴油的第i種組分油的體積，q(i,k)表示第i種組分油的第k項質(zhì)量指標，qmin(p,k)表示第p種成品柴油的第k項質(zhì)量指標的下限，第p=1 種成品柴油為要求產(chǎn)量最大的目標成品柴油。

1）質(zhì)量指標約束：

式中，F(xiàn)(i)表示第i種組分油的供給量。要求組分油全部用于調(diào)合成品柴油，無剩余。

根據(jù)上述模型可合理的分配可調(diào)各組分流量，從而在保證成品柴油產(chǎn)品合格的前提下，防止質(zhì)量指標過剩，盡量多地生產(chǎn)目標成品柴油。

2.2 柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化模型

對于柴油調(diào)度問題而言，需要找到一組最佳的調(diào)度方案混合組分油，使其在實現(xiàn)質(zhì)量指標合格，資源配置優(yōu)化，成本最小化的基礎(chǔ)上，滿足不同產(chǎn)品的質(zhì)量指標和訂單需求。

將整個調(diào)度周期以天為單位拆分，以某種高利潤目標成品柴油產(chǎn)量最大為目標函數(shù)建立柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化模型，目標函數(shù)具體形式為：

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 系統(tǒng)功能

由于傳統(tǒng)的柴油調(diào)合調(diào)度存在手動測算過程繁瑣，考慮約束條件少，模型計算不夠準確等弊端，因此搭建柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，集成柴油調(diào)合優(yōu)化模型和短期調(diào)度優(yōu)化模型獲取最優(yōu)操作方案，為柴油調(diào)合在線優(yōu)化系統(tǒng)提供調(diào)度指導。

根據(jù)實際需求，該系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能：1）實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)方案配置的數(shù)據(jù)在線管理，包括成品油質(zhì)量指標高低限，組分油的種類的名稱，質(zhì)量指標，配方高低限，還可設(shè)置各質(zhì)量指標的約束是否啟用等初始化信息；2）根據(jù)從數(shù)據(jù)庫讀取的成品柴油配方，計算出調(diào)合后成品柴油的屬性值，驗證配方的可行性并對配方結(jié)果可視化；3）集成柴油調(diào)合配方優(yōu)化模型，通過優(yōu)化計算得到一組成品柴油配方，預測調(diào)合后成品柴油的質(zhì)量指標；4）實現(xiàn)柴油短期調(diào)度決策，以天為單位的離散時間域，通過建立柴油的短期調(diào)度優(yōu)化模型求解一組優(yōu)化的短期調(diào)度策略。柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊如圖2。

圖2 柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊Fig 2 Function module of diesel blending scheduling optimization system

2.3.2 技術(shù)選型

系統(tǒng)除了需要展示成品油柴油基本數(shù)據(jù)之外，還需要針對需求對柴油調(diào)合調(diào)度進行優(yōu)化并在線展示優(yōu)化結(jié)果，簡化了人工分析報表的過程。

系統(tǒng)主要可劃分為數(shù)據(jù)模型層、業(yè)務(wù)邏輯層和用戶界面層。數(shù)據(jù)模型層對應MVC 模式的Model層，主要包括負責與數(shù)據(jù)庫交互以及日志記錄[11]；業(yè)務(wù)邏輯層對應MVC模式的Controller層，主要包括用戶輸入指令發(fā)送進程，柴油調(diào)合優(yōu)化模型和短期調(diào)度優(yōu)化模型；用戶界面層對應MVC模式的View 層，包括數(shù)據(jù)顯示模塊、交互回顯模塊、指令輸入模塊，與用戶實現(xiàn)交互。

經(jīng)過對比分析，基于采用Visual Studio 2015，基于ASP. NET MVC 框架開發(fā)，同時運用Jquery、EasyUI、Razor 技術(shù)以及Entity Frame Work、Sql Server 2008 R2數(shù)據(jù)庫開發(fā)。技術(shù)選型如圖3所示。

圖3 技術(shù)選型SQL Sever 2008R2Fig 3 Technical selection of SQL Sever 2008R2

3 仿真實驗

3.1 仿真分析

某煉化企業(yè)生產(chǎn)的成品柴油有出口柴油和車用柴油，參調(diào)組分油分別為老區(qū)的I 加氫裂化和VII柴油加氫（組分油1）、新區(qū)的II加氫裂化（組分油2）、IV/V柴油加氫（組分油3）、VI柴油加氫（組分油4）。涉及的質(zhì)量指標包括十六烷值指數(shù)CET、初餾點D50、多環(huán)芳烴質(zhì)量分數(shù)POL、密度DEN。

組分油屬性及產(chǎn)品質(zhì)量指標如表1和表2所示。

表1 組分油屬性Tab 1 Component oil properties

表2 成品柴油質(zhì)量標準Tab 2 Finished diesel quality standards

3.1.1 柴油調(diào)合配方優(yōu)化仿真

由于車用柴油的利潤較大，因此以車用柴油產(chǎn)量最大，出口柴油質(zhì)量指標十六烷值向下卡邊為目標，仿真柴油調(diào)合配方優(yōu)化模型。參調(diào)組分油老區(qū)的I 加氫裂化和VII 柴油加氫（組分油1）、新區(qū)的II 加氫裂化（組分油2）、IV/V 柴油加氫（組分油3）、VI 柴油加氫（組分油3）產(chǎn)量分別為4、5、5、5 kt/d。為了防止所有組分油全部其中用于生產(chǎn)車用柴油，因此車用柴油的產(chǎn)量上限為17 kt/d。

參調(diào)組分油低限為0，高限設(shè)置如表3所示。

表3 參調(diào)組分油高限Tab 3.The production limit of reference component oil

通過Lingo11可以計算得到調(diào)合配方如表4。

表4 調(diào)合配方Tab 4.Blending formula

調(diào)合后成品柴油的質(zhì)量指標十六烷值指數(shù)、初餾點、多環(huán)芳烴含量、密度如表5，符合質(zhì)量指標要求。

表5 調(diào)合后成品油屬性Tab 5.Properties of finished oil after blending

綜上，該調(diào)合配方中車用柴油產(chǎn)量達到上限17 kt/d，出口柴油的十六烷值指標向下卡邊。

3.1.2 柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化仿真

在為期4 d的短期柴油短期調(diào)度計劃中，該煉化企業(yè)的產(chǎn)品車用柴油和出口柴油的初始庫存均為8 kt和4 kt。參調(diào)組分油老區(qū)的I加氫裂化和VII柴油加氫（組分油1）、新區(qū)的II 加氫裂化（組分油2）、IV/V 柴油加氫（組分油3）、VI 柴油加氫（組分油4）的初始庫存均為2 kt。

產(chǎn)品罐及組分罐的罐容限制如表6所示。

表6 儲存罐容信息Tab 6 Tank capacity information

每日組分油輸送量和產(chǎn)品油訂單量分別中如表7和表8所示。

表7 組分油的輸送量Tab 7.Conveyance of component oil

表8 產(chǎn)品油每日訂單量Tab 8.Daily order volume of product oil

通過Lingo11 可以計算得到4 天的短期調(diào)度方案如表9所示。

表9 短期調(diào)度方案Tab 9 Short-term dispatch plan

在短期柴油調(diào)度優(yōu)化中，十六烷指數(shù)和多環(huán)芳烴的變化趨勢以及2種成品油的儲罐庫存如表10所示。

表10 柴油的CET、多環(huán)芳烴和庫存的變化Tab 10.Changes in CET,PAHs and Stocks of Diesel Oil

線性規(guī)劃求解得到的調(diào)度甘特圖如圖4所示。

圖4 調(diào)度甘特圖Fig 4 Scheduling Gantt chart

根據(jù)Lingo11求解柴油短期調(diào)度優(yōu)化模型可以得到最優(yōu)目標車用柴油的產(chǎn)量為49.227 kt，且此時每日生產(chǎn)的成品柴油均滿足質(zhì)量標準和訂單需求，且該調(diào)度方案滿足實際生產(chǎn)條件。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)

柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)在編程語言上采用C#，基于Visual Studio和SQL Sever開發(fā)，見圖5。

圖5 網(wǎng)頁框架Fig 5 Web page framework

該網(wǎng)頁架構(gòu)主要包含3 個方面的內(nèi)容：1）方案配置數(shù)據(jù)管理部分，將數(shù)據(jù)存儲在SQL Sever數(shù)據(jù)庫中，負責對柴油成品油，組分油及其約束條件進行整理和展示，并根據(jù)用戶操作指令對進行數(shù)據(jù)修改和保存；2）是配方優(yōu)化部分，調(diào)取數(shù)據(jù)庫的基本數(shù)據(jù)通過控制層的柴油配方調(diào)合模型計算得到一組柴油調(diào)合配方方案，成品柴油的十六烷值等質(zhì)量指標用于指導實際生產(chǎn)；3）是短期調(diào)度決策部分，調(diào)用短期組分油供給量，成品柴油需求量以及質(zhì)量指標等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，求解柴油短期調(diào)度優(yōu)化模型，并在前端視圖層展現(xiàn)調(diào)度批次方案以及調(diào)合結(jié)果。

配方優(yōu)化界面如圖6所示。

圖6 配方優(yōu)化界面Fig 6 Formula optimization interface

4 結(jié) 論

設(shè)計了一種適合實際工程應用的柴油調(diào)合配方與短期調(diào)度計劃集成優(yōu)化方法，結(jié)合國內(nèi)某煉油廠的柴油調(diào)合調(diào)度現(xiàn)狀，開發(fā)了柴油調(diào)合配方優(yōu)化與調(diào)度決策系統(tǒng)，并為某煉化公司的柴油調(diào)合提供配方管理和短期調(diào)度優(yōu)化，集成配方優(yōu)化與柴油短期調(diào)度優(yōu)化模型，擺脫傳統(tǒng)的計劃部門手動測算過程繁瑣，考慮約束條件少等弊端，對成品柴油的調(diào)合質(zhì)量提高和成本降低有重要意義。同時，針對需求對柴油調(diào)合調(diào)度進行優(yōu)化并在線展示優(yōu)化結(jié)果，簡化了人工分析報表的過程。系統(tǒng)集成了多目標優(yōu)化模型，為短期調(diào)度決策模塊提供較為理想的短期調(diào)度優(yōu)化結(jié)果。