原油管網(wǎng)智能化排產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

矯 捷，沈定金，王軍防，李長(zhǎng)俊，余紅梅

1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇徐州 220005

2.西南石油大學(xué)，四川成都 610500

原油管網(wǎng)排產(chǎn)計(jì)劃的編制是一個(gè)需要考慮原油種類、分儲(chǔ)、煉廠計(jì)劃、輸送工藝等多約束條件的復(fù)雜工作，目前常采用的人工編制原油管網(wǎng)管輸計(jì)劃存在過(guò)度依賴經(jīng)驗(yàn)、科學(xué)性與經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，很難達(dá)到排產(chǎn)最優(yōu)化的目的[1]?？梢?，依托先進(jìn)的優(yōu)化排產(chǎn)算法與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，開發(fā)一套能夠?yàn)樵凸芫W(wǎng)提供優(yōu)化排產(chǎn)方案的智能化排產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)于優(yōu)化原油管網(wǎng)管理、提高管網(wǎng)效能具有十分重要的意義。

目前，原油管網(wǎng)的優(yōu)化排產(chǎn)及智能化軟件的開發(fā)已經(jīng)依托數(shù)學(xué)規(guī)劃、智能搜索、約束規(guī)劃等理論大量展開[2]，但對(duì)原油管網(wǎng)排產(chǎn)優(yōu)化技術(shù)的研究尚不成熟，還未形成統(tǒng)一的模型與算法，現(xiàn)有的原油管網(wǎng)排產(chǎn)商業(yè)軟件及公司主要有Honeywell的Production Scheduler[3]、Aspen Petroleum Sched?uler[4]及Haverly H/SCHED 排產(chǎn)系統(tǒng)的原油調(diào)排產(chǎn)模塊H/COSS[5]。這些原油管網(wǎng)排產(chǎn)軟件都是基于電子表格的模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)本身只能輔助原油排產(chǎn)計(jì)算，不能根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)生成優(yōu)化的原油排產(chǎn)方案，在實(shí)際的原油管網(wǎng)排產(chǎn)中仍然是排產(chǎn)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工排產(chǎn)[6]。原油管網(wǎng)難以實(shí)現(xiàn)智能化排產(chǎn)的原因，首先在于原油管網(wǎng)通常規(guī)模龐大，同時(shí)存在油庫(kù)、港口、長(zhǎng)距離管道來(lái)油等多個(gè)油源以及多個(gè)下游煉化企業(yè)；其次，不同的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行情況存在差異；再次，部分管網(wǎng)還存在特殊化的需求，如煉化企業(yè)需求批次多且不規(guī)律、油輪到達(dá)碼頭時(shí)間不固定、輸油站流程限制等[7]。上述因素與具體需求不僅大幅提高了排產(chǎn)模型的建模成本與模型規(guī)模，還增加了大量的非線性約束與離散決策變量，使得各類優(yōu)化方法的通用性和可移植性較差。同一種建模及求解方法在面臨不同管網(wǎng)的最優(yōu)化排產(chǎn)問(wèn)題時(shí)，存在著建模難度、求解穩(wěn)定性與求解速度上的顯著差異[8]?？梢娨獙?shí)現(xiàn)開發(fā)智能化排產(chǎn)系統(tǒng)的目標(biāo)，必須解決因管網(wǎng)差異性所產(chǎn)生的模型臃腫、變量繁多、求解不穩(wěn)定以及求解速度緩慢的問(wèn)題。

本文針對(duì)存在多個(gè)油源及下游煉化企業(yè)的大型原油管網(wǎng)，在綜合考慮油品批次輸送、管道運(yùn)行水力條件的基礎(chǔ)上，基于建立的原油管網(wǎng)優(yōu)化排產(chǎn)方案模型，編制了原油管網(wǎng)智能化排產(chǎn)系統(tǒng)，能夠根據(jù)原油管網(wǎng)的具體情況快速得到滿足排產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求并且可以保證管網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的排產(chǎn)計(jì)劃。

1 軟件功能及主要特點(diǎn)

本文介紹的圖形界面化的原油管網(wǎng)智能化排產(chǎn)系統(tǒng)，以基于圖論和排列組合理論的原油管網(wǎng)排產(chǎn)方案計(jì)算方法為核心，主要包括原油管網(wǎng)結(jié)構(gòu)自由組態(tài)、確定煉廠需求油品位置、窮舉可行排產(chǎn)方案、方案優(yōu)選推薦最佳方案、連接SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新、排產(chǎn)方案導(dǎo)出Excel 表格等功能。用戶根據(jù)煉廠油品需求、碼頭來(lái)油情況、管網(wǎng)中油品存儲(chǔ)狀態(tài)，在排產(chǎn)系統(tǒng)中輸入相應(yīng)的參數(shù)后進(jìn)行排產(chǎn)計(jì)算。

1.1 原油管網(wǎng)結(jié)構(gòu)自由組態(tài)

本軟件基于圖論理論建立原油管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法，能夠根據(jù)管網(wǎng)的具體結(jié)構(gòu)建立與之對(duì)應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]，通過(guò)對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析處理從而達(dá)到識(shí)別管網(wǎng)的目的，能夠?qū)崿F(xiàn)在軟件中根據(jù)管網(wǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)自由組態(tài)，因此軟件具有良好的通用性。

由原油管網(wǎng)的特點(diǎn)可知，原油管網(wǎng)與交通、水電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能類似，抽象成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖之后都具有拓?fù)湫再|(zhì)，因此對(duì)原油管網(wǎng)進(jìn)行分析時(shí)會(huì)把管網(wǎng)抽象成節(jié)點(diǎn)和弧段組成的圖[10]。原油管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和組成十分復(fù)雜，需要對(duì)其進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，具體內(nèi)容包括：

1）將原油管網(wǎng)中的元件劃分為輸油站、煉廠、碼頭、管道四類；

2）油庫(kù)作為屬性隸屬于輸油站中，不作為單獨(dú)的元件；

3）儲(chǔ)罐作為屬性隸屬于油庫(kù)中，不作為單獨(dú)的元件。

矩陣是研究圖的一種有力工具，特別是利用計(jì)算機(jī)來(lái)研究有關(guān)圖的算法時(shí)，首先遇到的問(wèn)題就是如何讓計(jì)算機(jī)來(lái)識(shí)別圖，這種情況下就不得不借助矩陣，主要有關(guān)聯(lián)矩陣和鄰接矩陣兩種表示方法[11]。

關(guān)聯(lián)矩陣的行對(duì)應(yīng)于圖的頂點(diǎn)，列對(duì)應(yīng)于圖的邊（?。?。當(dāng)用關(guān)聯(lián)矩陣A表達(dá)有向圖時(shí)，其元素aij定義為：

當(dāng)用鄰接矩陣B表達(dá)有向圖時(shí)，其元素bij可定義為：

鄰接矩陣主對(duì)角線上的元素全為0，該矩陣的元素全為0 或1。無(wú)向圖的鄰接矩陣為一對(duì)稱陣，其每一行或每一列元素值之和等于與相應(yīng)頂點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的邊數(shù)[12]。

當(dāng)圖的頂點(diǎn)和邊（?。┑木幪?hào)確定之后，關(guān)聯(lián)矩陣和鄰接矩陣就與圖建立了確定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而可用關(guān)聯(lián)矩陣或鄰接矩陣來(lái)表達(dá)圖。一般來(lái)說(shuō)，圖的鄰接矩陣比關(guān)聯(lián)矩陣小，而且還可將矩陣的元素定義為邊或弧的權(quán)，因而在存儲(chǔ)和計(jì)算時(shí)用的較多[13]。圖1為實(shí)際的原油管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖1 原油管網(wǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)

在軟件中自由組態(tài)搭建的原油管網(wǎng)模型見圖2。

圖2 原油管網(wǎng)結(jié)構(gòu)自由組態(tài)

1.2 確定煉廠需求油品位置

根據(jù)建立的原油管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獲得了能夠用數(shù)學(xué)方法表示管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的鄰接矩陣，基于廣度優(yōu)先遍歷方法對(duì)鄰接矩陣進(jìn)行遍歷，獲得煉廠在管網(wǎng)中油品搜索的路徑[14]。煉廠根據(jù)自身油品需求沿搜索路徑逐站搜索，直至滿足煉廠油品需求為止。

用戶通過(guò)點(diǎn)擊煉廠元件對(duì)該煉廠的油品需求信息進(jìn)行輸入，輸入完成后，軟件根據(jù)煉廠的油品需求以及當(dāng)前管網(wǎng)中油品存儲(chǔ)狀態(tài)計(jì)算得到煉廠需求油品所在的輸油站、油庫(kù)、儲(chǔ)罐的位置。

1.3 窮舉可行排產(chǎn)方案

在確定所有煉廠需求油品所在位置后，即可根據(jù)輸油站需要外輸?shù)挠推芬约坝推啡ネ臒拸S生成對(duì)應(yīng)的輸油方案。由于輸油站內(nèi)會(huì)存在多種滿足煉廠需求的油品，且上游輸油站的輸送方案會(huì)影響下游輸油站的輸送方案，因此為了能夠獲得全部的輸油方案，基于圖論、拓?fù)鋵W(xué)和排列組合方法在油品搜索結(jié)果的基礎(chǔ)上窮舉生成可行方案集。由于輸油方案是按照油品輸送的邏輯步驟生成的，而為了能夠計(jì)算油品輸送的時(shí)間，就需要考慮油品輸送過(guò)程中的配泵情況。根據(jù)輸油方案中油品的輸送方向以及該方向中的配泵方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸油方案的擴(kuò)充。

1.4 方案優(yōu)選推薦最佳方案

窮舉得到的排產(chǎn)方案數(shù)量規(guī)模龐大，需要對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)比選以獲得最優(yōu)的排產(chǎn)方案?；谠凸芫W(wǎng)排產(chǎn)方案的經(jīng)濟(jì)性、操作便捷性與安全性，確定了3 個(gè)原油管網(wǎng)排產(chǎn)方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)即：方案運(yùn)行操作成本、重新配泵次數(shù)、管道停輸時(shí)間?；谥饔^賦權(quán)法對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算[15]，針對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱和量級(jí)差異，利用向量規(guī)范法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，從而實(shí)現(xiàn)原油管網(wǎng)排產(chǎn)方案優(yōu)化模型的建立與求解。

1.5 連接SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新

軟件具備通過(guò)SCADA 系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取站點(diǎn)儲(chǔ)罐液位高度以及根據(jù)讀取的SCADA 數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新的功能，可以有效降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人工輸入的時(shí)間成本[16]。

1.6 排產(chǎn)方案導(dǎo)出Excel表格

軟件計(jì)算完成后，可以直接在軟件界面查看排產(chǎn)方案，并且為了方便排產(chǎn)方案的下達(dá)，可將排產(chǎn)方案導(dǎo)出為Excel表格的形式，方便排產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的使用。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

以簡(jiǎn)單管網(wǎng)和復(fù)雜管網(wǎng)為例，利用本軟件對(duì)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)自由組態(tài)搭建管網(wǎng)模型，根據(jù)管網(wǎng)中煉廠的油品需求、碼頭來(lái)油情況以及管網(wǎng)中油品存儲(chǔ)狀態(tài)，計(jì)算生成原油管網(wǎng)的排產(chǎn)方案[17]。

2.1 簡(jiǎn)單管網(wǎng)應(yīng)用

根據(jù)原油管網(wǎng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)在軟件中自由組態(tài)搭建管網(wǎng)模型（如圖3所示），基于實(shí)際需求情況，輸入油品參數(shù)和煉廠需求。

表1 簡(jiǎn)單管網(wǎng)中各煉廠油品需求

圖3 簡(jiǎn)單管網(wǎng)模型

在軟件中輸入煉廠需求油品的信息。該管網(wǎng)中各個(gè)油庫(kù)儲(chǔ)存油品的狀態(tài)如表2 所示，表3 為簡(jiǎn)單管網(wǎng)中碼頭來(lái)油信息，軟件計(jì)算后導(dǎo)出的排產(chǎn)方案如表4所示。

表2 簡(jiǎn)單管網(wǎng)中的油品存儲(chǔ)狀態(tài)

表3 簡(jiǎn)單管網(wǎng)碼頭來(lái)油信息

表4 簡(jiǎn)單管網(wǎng)排產(chǎn)方案

2.2 復(fù)雜管網(wǎng)的應(yīng)用

根據(jù)原油管網(wǎng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)在軟件中自由組態(tài)搭建管網(wǎng)模型，如圖4所示。

圖4 復(fù)雜管網(wǎng)模型

以某次碼頭來(lái)油為例，接收的主要來(lái)油種類為巴士拉輕和薩哈林兩種油品，其具體分配情況見表5的來(lái)油信息。

表5 復(fù)雜管網(wǎng)碼頭來(lái)油信息

表6 為復(fù)雜管網(wǎng)中煉廠1～煉廠4 的油品需求，該管網(wǎng)中各個(gè)油庫(kù)中儲(chǔ)存油品的狀態(tài)如表7所示。

表6 復(fù)雜管網(wǎng)中各煉廠油品需求

通過(guò)在軟件中輸入煉廠油品需求、碼頭來(lái)油情況以及管網(wǎng)中的油品存儲(chǔ)狀態(tài)，基于建立的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)自由組態(tài)模型和窮舉算法，獲得滿足需求的原油排產(chǎn)方案，計(jì)算生成復(fù)雜管網(wǎng)的排產(chǎn)方案如表8所示。

表8 復(fù)雜管網(wǎng)排產(chǎn)方案

3 結(jié)論

1）基于圖論和排列組合理論開發(fā)了圖形界面化的原油管網(wǎng)智能化排產(chǎn)系統(tǒng)，具有界面友好、人機(jī)交互方便、結(jié)果輸出直觀的優(yōu)點(diǎn)。

2）對(duì)簡(jiǎn)單管網(wǎng)與復(fù)雜管網(wǎng)在軟件中進(jìn)行自由組態(tài)搭建管網(wǎng)模型，根據(jù)管網(wǎng)中煉廠的油品需求、碼頭來(lái)油情況和管網(wǎng)中油品儲(chǔ)存狀態(tài)，能夠計(jì)算生成綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)的原油管網(wǎng)排產(chǎn)方案，因此軟件具有良好的通用性，能夠適用于不同的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3）軟件可用性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)原油管網(wǎng)智能排產(chǎn)，有效降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高管輸計(jì)劃的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。