S-GROMS在煉油企業(yè)計(jì)劃優(yōu)化中的應(yīng)用

邵敏

中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司 北京 102500

1 前言

生產(chǎn)計(jì)劃的制定與優(yōu)化是煉油企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理和生產(chǎn)營(yíng)運(yùn)工作的核心工作之一，生產(chǎn)計(jì)劃的優(yōu)劣直接影響到生產(chǎn)效益的高低。煉油企業(yè)的生產(chǎn)流程通常較為復(fù)雜，生產(chǎn)優(yōu)化參數(shù)量大，優(yōu)化求解較為困難，隨著全球經(jīng)濟(jì)的一體化以及計(jì)算機(jī)技術(shù)與優(yōu)化軟件的快速發(fā)展，從十九世紀(jì)七十年代至今，計(jì)劃優(yōu)化工業(yè)軟件逐步得到應(yīng)用，為煉油企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

2 全局資源優(yōu)化模型系統(tǒng)簡(jiǎn)介

全局資源優(yōu)化模型系統(tǒng)（S-GROMS）即Sinopec-Global Resource Optimization Modeling System，是通過(guò)建立流程工業(yè)模型模擬煉化企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃編制及優(yōu)化的工業(yè)軟件，由中石化（大連）石油化工研究院有限公司（FRIPP，簡(jiǎn)稱“大連院”）研究開(kāi)發(fā)，可為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提供決策輔助，并為企業(yè)通過(guò)智能優(yōu)化技術(shù)提升經(jīng)濟(jì)效益提供有效的解決方案。

2.1 模型架構(gòu)

高效的模型系統(tǒng)是提升煉化流程建模及優(yōu)化測(cè)算能力的關(guān)鍵，常規(guī)的模型構(gòu)建方法包括手寫變量及方程、編程構(gòu)建模型、自動(dòng)化數(shù)據(jù)構(gòu)建固定模型、圖形化構(gòu)建模型等。隨著業(yè)務(wù)應(yīng)用范圍的拓展，以及計(jì)算日益深入的融入生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程，以圖形化通用抽象模型架構(gòu)構(gòu)建企業(yè)計(jì)劃優(yōu)化模型成為了主要發(fā)展趨勢(shì)。

S-GROMS的軟件特點(diǎn)為面向煉化領(lǐng)域通用業(yè)務(wù)的抽象模型系統(tǒng)，建立的優(yōu)化模型是煉化企業(yè)全流程系統(tǒng)中各實(shí)體、屬性以及之間關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。

S-GROMS軟件中，模型以業(yè)務(wù)架構(gòu)為導(dǎo)向主要分為7個(gè)層級(jí)，分別是模型名稱級(jí)（第1層）、計(jì)劃期級(jí)（第2層）、企業(yè)級(jí)（第3層）、子模型級(jí)（第4層）、裝置級(jí)（第5層）、側(cè)線級(jí)（第6層）和去向級(jí)（第7層），其中模型名稱可區(qū)分模型范圍；計(jì)劃期是設(shè)定業(yè)務(wù)的時(shí)間區(qū)間，并應(yīng)用于多周期設(shè)定；企業(yè)級(jí)可設(shè)定企業(yè)范圍，可支持多企業(yè)模型；子模型級(jí)設(shè)定車間、業(yè)務(wù)板塊等；裝置級(jí)設(shè)定各生產(chǎn)裝置或生產(chǎn)和業(yè)務(wù)單元；側(cè)線級(jí)設(shè)定生產(chǎn)物流、能流、操作對(duì)象等，可設(shè)為實(shí)流或虛流；去向級(jí)設(shè)定管網(wǎng)、管道、運(yùn)動(dòng)路線等。模型中第1-5層是實(shí)體與時(shí)空的描述；第6層是實(shí)體及屬性的描述；第7層是關(guān)系的描述。通過(guò)以上模型架構(gòu)，工業(yè)流程的本質(zhì)被轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)上的物流（實(shí)體及屬性）在時(shí)空中的相變、質(zhì)變、量變與移動(dòng)。

2.2 模型理論基礎(chǔ)

企業(yè)的計(jì)劃優(yōu)化過(guò)程可以抽象為在一定約束條件下尋優(yōu)的數(shù)學(xué)問(wèn)題，通常稱為數(shù)學(xué)規(guī)劃。

煉化企業(yè)由于反應(yīng)、物性傳遞、調(diào)和等過(guò)程的存在，會(huì)形成復(fù)雜的非線性優(yōu)化問(wèn)題。一般的原油采購(gòu)、蒸餾及加工過(guò)程可由物料守恒的線性約束表示；油品調(diào)和等過(guò)程為非線性約束，包括質(zhì)量物性約束及體積物性約束，通過(guò)加入該約束條件，可以對(duì)汽油、柴油、煤油等的調(diào)和過(guò)程進(jìn)行約束與測(cè)算；對(duì)于復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程，則采用Base-Delta對(duì)物流與裝置反應(yīng)的非線性過(guò)程進(jìn)行描述。

通過(guò)對(duì)不同的過(guò)程采用不同的數(shù)學(xué)處理方式，可以對(duì)煉化生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的建模，進(jìn)而進(jìn)行約束與測(cè)算，求解最優(yōu)的參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)煉化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的系統(tǒng)優(yōu)化。

3 優(yōu)化模型的企業(yè)級(jí)應(yīng)用

按照中國(guó)石化相關(guān)要求，煉油企業(yè)定期對(duì)企業(yè)模型進(jìn)行與實(shí)際數(shù)據(jù)的相符性校核，并利用校核后的模型進(jìn)行煉油年季月度生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)優(yōu)化、原油資源采購(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生產(chǎn)方案優(yōu)化等工作。本文以中國(guó)石化Y企業(yè)為例，對(duì)S-GROMS在煉油計(jì)劃優(yōu)化方面的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

3.1 優(yōu)化模型校核

計(jì)劃優(yōu)化軟件模型在應(yīng)用之前和應(yīng)用過(guò)程中都要進(jìn)行數(shù)據(jù)校核，即結(jié)合與實(shí)際典型生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比進(jìn)行模型調(diào)整，從而對(duì)模型的結(jié)構(gòu)、功能和數(shù)據(jù)進(jìn)行完善和更新，使模型能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地反映企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況，為煉油企業(yè)編制生產(chǎn)計(jì)劃和優(yōu)化方案測(cè)算奠定基礎(chǔ)。Y企業(yè)S-GROMS模型在2022年的校核結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2022年某月實(shí)際數(shù)據(jù)與S-GROMS模型校核結(jié)果對(duì)比

從表1可看出，S-GROMS模型校核數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明此模型可應(yīng)用于Y企業(yè)煉油計(jì)劃對(duì)接及優(yōu)化測(cè)算。

3.2 原油選購(gòu)

在煉油企業(yè)總成本中，原油成本占煉油總成本的比例較高，目前燃料型煉油廠原油成本占煉油總成本的90%以上[1]，因此降低原油成本是企業(yè)降本增效的一個(gè)重要措施。

3.2.1 原油采購(gòu)優(yōu)化

以往主要采取原油劣質(zhì)化的手段以降本增效，但在重油平衡、產(chǎn)量約束等條件受限的條件下，原油一味劣質(zhì)化并不能真正實(shí)現(xiàn)效益最大化。計(jì)劃優(yōu)化軟件可將市場(chǎng)與生產(chǎn)相結(jié)合，在綜合考慮不同的原油品種、原油價(jià)格、裝置結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)負(fù)荷能力、停工檢修、公用工程、產(chǎn)品價(jià)格、原料進(jìn)廠和產(chǎn)品出廠能力及數(shù)量約束等影響效益各種因素的情況下，生成最優(yōu)的原油采購(gòu)和生產(chǎn)優(yōu)化方案，在效益最大化的前提下降低原油成本。

以Y企業(yè)月度原油采購(gòu)優(yōu)化方案測(cè)算為例，在價(jià)格體系和裝置停工天數(shù)等約束條件不變的情況下設(shè)置三種生產(chǎn)方案進(jìn)行比較，具體優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 原油采購(gòu)優(yōu)化結(jié)果

由表2可知，個(gè)別約束條件的變化將導(dǎo)致原油優(yōu)化結(jié)果中原油品種和數(shù)量發(fā)生變化，如原油品種數(shù)量在方案1至3中分別為8、7、8種，沙中原油在方案1至3中選擇數(shù)量分別為8.3、8.7、11.2萬(wàn)噸。與基準(zhǔn)方案相比，方案2原油成本下降5元/噸，效益增加21萬(wàn)元，方案3原油成本上升35元/噸，而效益增加5589萬(wàn)元。因此利用S-GROMS可以制定不同條件下的原油采購(gòu)優(yōu)化組合方案，以實(shí)現(xiàn)效益最大化。

3.2.2 原油保本價(jià)

做好原油采購(gòu)優(yōu)化對(duì)提升煉油效益有著重要的作用，而原油保本價(jià)可對(duì)確定原油選擇優(yōu)先順序提供數(shù)據(jù)支持。

原油保本價(jià)測(cè)算是在一定測(cè)算環(huán)境下進(jìn)行的，測(cè)算環(huán)境不同，測(cè)算保本價(jià)就不同。測(cè)算環(huán)境主要是指購(gòu)買、加工該原油的條件和要求【2】。從整體上來(lái)說(shuō)，在一個(gè)周期內(nèi)企業(yè)加工的都是混合原油，因此測(cè)算的原油保本價(jià)都是相對(duì)的，即在某種特定的原油加工結(jié)構(gòu)、裝置負(fù)荷、工藝流程、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)下，一種原油相對(duì)于其它原油的品質(zhì)差，原油加工結(jié)構(gòu)發(fā)生變化以及加工方案發(fā)生變化都會(huì)引起品質(zhì)差發(fā)生變化。由于各企業(yè)裝置設(shè)計(jì)、工藝流程以及加工方案不同，因此每種原油在不同的企業(yè)具有不同的保本價(jià)。

目前計(jì)算原油保本價(jià)的方法主要有增量法和替換法，即在其他原油固定的情況下，通過(guò)構(gòu)建案例來(lái)模擬增加或替換一定數(shù)量原油的情況測(cè)算出相對(duì)邊際效益，進(jìn)而推算出保本價(jià)的方法。S-GROMS自帶的原油排序功能是使用增量法快速測(cè)算多種原油的噸油效益變化并進(jìn)行排序，進(jìn)而計(jì)算出各種原油的保本價(jià)。

增量法計(jì)算的原油保本價(jià)格隨增量變化也有變化，因此使用增量法時(shí)要保證各測(cè)算油種的增量要保持一致。

Y企業(yè)采用某月價(jià)格體系和原油加工總量及產(chǎn)量約束條件下通過(guò)增量1萬(wàn)噸測(cè)算的主要原油保本價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 主要原油保本價(jià)

由表2可看出，在測(cè)算價(jià)格體系及其他約束條件下，固定原油加工量和成品油等主要產(chǎn)品產(chǎn)量時(shí)，測(cè)算高硫原油中巴士拉重油和巴士拉中油的噸油效益排名靠前，低含硫原油中CPC、達(dá)斯等輕質(zhì)原油以及圖皮、薩賓諾等中質(zhì)原油的效益排名靠前。因此利用S-GROMS有利于尋求性價(jià)比更高的新油種，為原油選購(gòu)和確定替代油種提供依據(jù)。

3.3 生產(chǎn)方案優(yōu)化

在計(jì)劃排產(chǎn)過(guò)程中，要結(jié)合市場(chǎng)形勢(shì)，優(yōu)化制定原油加工和生產(chǎn)方案，優(yōu)化調(diào)整成品油、瀝青、基礎(chǔ)油和丙烯等產(chǎn)品產(chǎn)量。在不同的價(jià)格體系和約束條件下，優(yōu)化方向也有所不同。在給定條件下，運(yùn)用計(jì)劃優(yōu)化軟件能優(yōu)化出經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方案。

以Y企業(yè)潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油生產(chǎn)優(yōu)化方案測(cè)算為例，針對(duì)不同的基礎(chǔ)油產(chǎn)量、原油加工量、裝置負(fù)荷、基礎(chǔ)油價(jià)格等約束條件，設(shè)定4套方案，具體測(cè)算條件、方案設(shè)定和結(jié)果如下。

3.3.1 測(cè)算條件

（1）采用原油基準(zhǔn)價(jià)為85美元/桶、高低硫價(jià)差為2.5美元/桶、匯率6.85的價(jià)格體系；其他原料油和產(chǎn)品采用同期價(jià)格。

在小學(xué)語(yǔ)文教學(xué)過(guò)程中，積極培養(yǎng)學(xué)生的語(yǔ)文素養(yǎng)是十分重要的。一個(gè)人的語(yǔ)文素養(yǎng)，不僅體現(xiàn)在識(shí)字書寫、語(yǔ)言運(yùn)用等方面，更體現(xiàn)在生活的各個(gè)方面。所以，對(duì)小學(xué)生而言，在學(xué)習(xí)教材的過(guò)程中，一定要在教師的幫助下好好地培養(yǎng)自身的語(yǔ)文素養(yǎng)。一本好的教材固然重要，但是，如果不能對(duì)教材了解充分，不但浪費(fèi)編寫人員的心血，可能對(duì)學(xué)生不利。所以作為教師，一定要把握好部編教材的特點(diǎn)，讓學(xué)生的語(yǔ)文核心素養(yǎng)更上一層樓。

表4 主要原油條件

（2）參照實(shí)際運(yùn)行合理范圍設(shè)定主要生產(chǎn)裝置負(fù)荷約束條件。

表5 主要生產(chǎn)裝置負(fù)荷條件

3.3.2 測(cè)算方案

A 測(cè)算生產(chǎn)1萬(wàn)噸基礎(chǔ)油對(duì)原油加工量和效益影響

（1）方案A1：不限制原油加工量，固定成品油產(chǎn)量，不生產(chǎn)潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油。

（2）方案A2：在方案A1的基礎(chǔ)上，固定生產(chǎn)1萬(wàn)噸潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油。

B 測(cè)算不同原油加工量下的基礎(chǔ)油產(chǎn)量

（1）方案B1：成品油設(shè)定產(chǎn)量上限，潤(rùn)滑油加氫裝置負(fù)荷不設(shè)下限，基礎(chǔ)油產(chǎn)量放開(kāi)，原油加工量上限62萬(wàn)噸。

（2）方案B2：在方案B1的基礎(chǔ)上，原油加工量上限65萬(wàn)噸。

（3）方案B3：在方案B1的基礎(chǔ)上，原油加工量上限68萬(wàn)噸。

（4）方案B4：在方案B1的基礎(chǔ)上，原油加工量上限69萬(wàn)噸。

C 測(cè)算潤(rùn)滑油加氫裝置生產(chǎn)負(fù)荷上下限對(duì)應(yīng)原油加工量

（1）方案C1：成品油設(shè)定產(chǎn)量上限，原油加工量和基礎(chǔ)油產(chǎn)量放開(kāi)，潤(rùn)滑油加氫裝置負(fù)荷按照合理范圍下限固定。

（2）方案C2：在方案C1的基礎(chǔ)上，潤(rùn)滑油加氫裝置負(fù)荷按照合理范圍上限固定。

D 測(cè)算基礎(chǔ)油提價(jià)對(duì)基礎(chǔ)油產(chǎn)量的影響

（1）方案D1：固定成品油產(chǎn)量，原油加工量和基礎(chǔ)油產(chǎn)量放開(kāi)，潤(rùn)滑油加氫裝置負(fù)荷不設(shè)下限，基礎(chǔ)油采用近期價(jià)格。

（2）方案D2：在方案D1基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)油價(jià)格提高500元/噸（不含稅）。

（3）方案D3：在方案D1基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)油價(jià)格提高1000元/噸（不含稅）。

（4）方案D4：在方案D1基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)油價(jià)格提高5000元/噸（不含稅）。

（5）方案D5：在方案D1基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)油價(jià)格提高8000元/噸（不含稅）。

（6）方案D6：在方案D1基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)油價(jià)格提高10000元/噸（不含稅）。

3.3.3 測(cè)算結(jié)果

表6 生產(chǎn)1萬(wàn)噸基礎(chǔ)油對(duì)原油加工量和效益影響測(cè)算結(jié)果

表7 不同原油加工量下的基礎(chǔ)油產(chǎn)量測(cè)算結(jié)果

表8 潤(rùn)滑油加氫裝置生產(chǎn)負(fù)荷上下限對(duì)應(yīng)原油加工量測(cè)算結(jié)果

表9 基礎(chǔ)油提價(jià)對(duì)基礎(chǔ)油產(chǎn)量的影響測(cè)算結(jié)果

3.3.4 分析及建議

由測(cè)算結(jié)果可知，在測(cè)算條件和成品油產(chǎn)量不變的情況下，增產(chǎn)1萬(wàn)噸潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油，原油加工量可提高1.1萬(wàn)噸，煉油效益增加33萬(wàn)元；在測(cè)算條件下，原油加工量達(dá)到69萬(wàn)噸以上才適宜生產(chǎn)潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油；潤(rùn)滑油加氫裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，測(cè)算最優(yōu)原油加工量為77.1萬(wàn)噸，潤(rùn)滑油加氫裝置負(fù)荷在下限運(yùn)行時(shí)，測(cè)算最優(yōu)原油加工量為75.9萬(wàn)噸，但整體效益可提升1308萬(wàn)元；固定成品油產(chǎn)量時(shí)，在目前價(jià)格體系下，測(cè)算潤(rùn)滑油加氫裝置負(fù)荷率較低，隨著基礎(chǔ)油價(jià)格提高，潤(rùn)滑油加氫裝置負(fù)荷率逐步提高，但原油加工量并不是一味提高，在基礎(chǔ)油價(jià)格增幅極高時(shí)，可考慮通過(guò)調(diào)整原油結(jié)構(gòu)，降低原油API，提高蒸餾蠟油側(cè)線收率以提高潤(rùn)滑油加氫裝置原料量。

鑒于測(cè)算情況，建議結(jié)合基礎(chǔ)油價(jià)格等實(shí)際條件變化，做好原油加工量和潤(rùn)滑油加氫裝置負(fù)荷優(yōu)化，在測(cè)算價(jià)格體系下，通過(guò)適當(dāng)控制原油加工量和潤(rùn)滑油加氫負(fù)荷，可提升煉油效益。

由上述測(cè)算情況可知，利用S-GROMS有利于確定更經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方案和產(chǎn)品產(chǎn)量，為調(diào)整生產(chǎn)優(yōu)化方向提供依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

S-GROMS軟件是通過(guò)模擬煉化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃編制及優(yōu)化的工業(yè)軟件，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了軟件模型的正確性和可信性，能夠滿足煉油企業(yè)計(jì)劃排產(chǎn)、原油采購(gòu)、生產(chǎn)方案和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整等生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化業(yè)務(wù)需求，并在實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃的編制和優(yōu)化中得到應(yīng)用，為提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮決策支持作用。