周 祥

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

原油成本在煉油企業(yè)經(jīng)營成本中所占比例超過90%[1]，混煉低成本的劣質(zhì)原油和機(jī)會原油是多數(shù)企業(yè)提高效益和競爭力的重要舉措，而這也造成企業(yè)加工油種頻繁切換，煉油裝置進(jìn)料性質(zhì)大幅波動。通過先進(jìn)的優(yōu)化與控制手段可保障蒸餾及二次加工裝置平穩(wěn)運(yùn)行，并提升原油儲運(yùn)環(huán)節(jié)的自動化和信息化水平。原油調(diào)度是調(diào)合系統(tǒng)的“大腦”，用于制定較長周期內(nèi)的原油儲運(yùn)操作工序，并形成調(diào)合控制指令。有研究表明，優(yōu)化原油調(diào)度可為煉油企業(yè)帶來每年上千萬美元的效益[2-3]。

某沿海煉油企業(yè)擬投用原油調(diào)合系統(tǒng)以減少蒸餾裝置混煉原油的性質(zhì)波動，將調(diào)合硬件設(shè)施集中布置于碼頭是投資最少的設(shè)計(jì)方案。此方案要求所有碼頭罐均儲存單油種(單儲)，以提高調(diào)合比例控制精度，然而目前該企業(yè)的碼頭罐區(qū)擔(dān)負(fù)向廠區(qū)中轉(zhuǎn)混合原油的職能，儲存混合原油(混儲)是其操作常態(tài)，改為單儲是否可行尚無定論。本研究針對該企業(yè)原油儲運(yùn)的流程及特點(diǎn)，建立原油調(diào)度優(yōu)化模型并通過計(jì)算考察設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 儲運(yùn)流程分析

該企業(yè)的原油儲運(yùn)流程如圖1所示：18個碼頭罐分布于Ⅰ、Ⅱ兩個罐區(qū)，Ⅰ罐區(qū)(ST1～ST12)與卸油泊位(BE)相連，可直接接收油輪(V1～V3)載來的原油，Ⅱ罐區(qū)(LT1～LT6)通過一條海底管線(ZL)與Ⅰ罐區(qū)相連，只能接收Ⅰ罐區(qū)轉(zhuǎn)來的原油，兩個碼頭罐區(qū)均可通過一條超過150 km的長輸線(PL)向廠區(qū)付油；11個廠區(qū)罐(CT1～CT11)自長輸線分批次接收混合原油，并向2套蒸餾裝置(CD1和CD2)供油。

圖1 該企業(yè)原油儲運(yùn)流程

為便于計(jì)量油輪卸油量，Ⅰ罐區(qū)一直單儲操作，而Ⅱ罐區(qū)的儲罐容積較大，企業(yè)目前采取的操作模式為：先將Ⅰ罐區(qū)的原油轉(zhuǎn)至Ⅱ罐區(qū)進(jìn)行混合，混油可在海底管線入口處進(jìn)行，也可由同一個儲罐先后接收多種原油完成；Ⅱ罐區(qū)再通過長輸線將混合原油付油至廠區(qū)，廠區(qū)罐也可先后接收多種混合原油。這種模式可及時(shí)轉(zhuǎn)出Ⅰ罐區(qū)存油，從而確保油輪到港即卸油，同時(shí)混合原油在Ⅱ罐區(qū)可累積至較大量后再向廠區(qū)輸送，在一定程度上促進(jìn)了蒸餾裝置混煉油種的穩(wěn)定。

為節(jié)省投資，原油調(diào)合設(shè)計(jì)方案要求Ⅰ、Ⅱ兩個碼頭罐區(qū)均按單儲操作，將原油混合限定于長輸線入口并配置調(diào)合頭及多油種一次調(diào)合控制手段。此方案使企業(yè)的混油操作更為簡便，且可實(shí)現(xiàn)各油種調(diào)合比例的精確控制，然而該方案將改變Ⅱ罐區(qū)的操作模式，因原油儲運(yùn)系統(tǒng)環(huán)環(huán)相連，其影響還將波及其它環(huán)節(jié)，若導(dǎo)致油輪無法按時(shí)完成卸油而產(chǎn)生滯期費(fèi)用，或蒸餾裝置混煉油種高頻次切換，則偏離了原油調(diào)合的宗旨。因此，采用系統(tǒng)工程方法對方案的可行性開展研究是有必要的。

如前文所述，原油調(diào)度是調(diào)合系統(tǒng)的“大腦”，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃模型實(shí)現(xiàn)原油調(diào)度優(yōu)化已有諸多報(bào)道[4-7]，在調(diào)合系統(tǒng)投用之前調(diào)度優(yōu)化模型也可離線運(yùn)行，模擬設(shè)計(jì)方案要求的操作模式并通過計(jì)算尋找新模式下合理的原油儲運(yùn)工序，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析以考察設(shè)計(jì)方案的可行性。然而該企業(yè)的原油調(diào)度優(yōu)化建模具有特殊性，碼頭至廠區(qū)的長輸線容積超過4.5×104m3，其中可能存有多段混合原油，并且運(yùn)行時(shí)相當(dāng)于一個邊收邊付、先入先出的特殊儲罐，模擬其收付和存油情況成為難點(diǎn)。

2 復(fù)合建模方法

2.1 長輸線模擬

長輸線收付及存油情況如圖2所示，因長輸線的存油量不可忽略，某道工序中長輸線付出的油種及數(shù)量不僅取決于入線油，還需根據(jù)之前的管存油進(jìn)行判斷，入線油與出線油可能并不相同，管存油狀態(tài)也會隨收付而改變。若以數(shù)學(xué)規(guī)劃方法描述此類邏輯規(guī)則，則模型中將出現(xiàn)非線性約束，嚴(yán)重影響其計(jì)算效率[7]。

圖2 長輸線收付及存油情況

邏輯判斷在約束規(guī)劃建模中普遍采用[8]，本研究以約束規(guī)劃方法模擬其收付和存油情況。對于圖2所示工況，入線油量大于前一工序(s-1)結(jié)束時(shí)長輸線內(nèi)第1段存油量(靠近出口)，則后者在當(dāng)前工序(s)完全被頂出，同時(shí)之前第2段存油也有部分被頂出，其邏輯約束見式(1)。

(1)

式中：VI，1，s和VI，2，s分別為當(dāng)前工序長輸線第1段(先入)和第2段入線油量，m3；VP，1，s-1為前一工序結(jié)束時(shí)長輸線內(nèi)第1段存油量，m3；VO，1，s和VO，2，s分別為當(dāng)前工序長輸線第1段(先出)和第2段出線油量，m3。圖2中，入線油量小于長輸線容積，則前一工序長輸線內(nèi)第2段存油仍有部分保留在線內(nèi)，并與第1段入線油合并成為當(dāng)前工序長輸線第1段存油，而第2段入線油成為長輸線第2段存油，其邏輯約束見式(2)。

(2)

式中：VP，2，s-1為前一工序長輸線內(nèi)第2段存油量，m3；VP，1，s和VP，2，s分別為當(dāng)前工序長輸線第1段和第2段存油量，m3。其余儲運(yùn)裝置可通過數(shù)學(xué)規(guī)劃方法進(jìn)行模擬[6]，不再贅述。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

由式(1)和式(2)可見，約束規(guī)劃方法可用邏輯表達(dá)式準(zhǔn)確描述長輸線邊收邊付、先入先出的操作特點(diǎn)，并且避免非線性計(jì)算。純粹的約束規(guī)劃模型優(yōu)勢在于快速尋獲可行解，而一旦設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，其尋優(yōu)過程耗時(shí)劇增[8]。原油調(diào)度作為調(diào)合系統(tǒng)的“大腦”，承擔(dān)著緩解庫存壓力、穩(wěn)定蒸餾裝置加工油種的任務(wù)，因此優(yōu)化目標(biāo)必不可少。

對該企業(yè)而言，長輸線是銜接碼頭和廠區(qū)的關(guān)鍵設(shè)施，本研究以輸送負(fù)荷最大作為長輸線操作的優(yōu)化目標(biāo)，如式(3)所示。

(3)

式中：FP為長輸線輸送能力，m3/h；T為調(diào)度周期，h。式(3)為數(shù)學(xué)規(guī)劃模型中常見的優(yōu)化目標(biāo)形式，而高效的尋優(yōu)算法一直是數(shù)學(xué)規(guī)劃建模的優(yōu)勢。

由式(1)～式(3)可見，本研究以變量VI，1，s和VI，2，s為橋梁，將約束規(guī)劃和數(shù)學(xué)規(guī)劃相結(jié)合，形成了復(fù)合建模方法。模型包含簡潔的邏輯約束，并可通過尋優(yōu)算法進(jìn)行求解，集成了兩種建模方法的優(yōu)勢。

3 計(jì)算與討論

3.1 案例介紹

為充分考察原油調(diào)合設(shè)計(jì)方案的可行性，建立了該企業(yè)原油儲運(yùn)全流程的調(diào)度優(yōu)化模型，并針對不同時(shí)期的典型儲運(yùn)工況進(jìn)行了計(jì)算與分析，本研究以其中最為復(fù)雜的一種工況為案例介紹計(jì)算結(jié)果。此案例為企業(yè)2016年某期的調(diào)度任務(wù)，周期為240 h，可加工原油為10種(A～J)，期間到港油輪為3艘。建模時(shí)依據(jù)企業(yè)實(shí)際混煉情況限定混合油種、比例及加工去向，如表1所示，并限定兩套蒸餾裝置均按同期加工量進(jìn)料。油輪載油情況、碼頭罐、廠區(qū)罐和長輸線的期初存油情況如表2～表5所示。由表2、表3可見，10日內(nèi)海上來油量即達(dá)Ⅰ罐區(qū)總?cè)莘e的70%，油輪接卸壓力較大。調(diào)度周期內(nèi)需安排長輸線停輸16 h以疏通清蠟。

表1 混煉油情況

表2 油輪載油情況

表3 碼頭罐區(qū)期初庫存

表4 廠區(qū)期初庫存

表5 長輸線期初存油情況

3.2 模型規(guī)模及求解性能

此案例的模型規(guī)模及計(jì)算情況如表6所示。不同于分段線性松弛等手段通過添加冗余變量和約束實(shí)現(xiàn)非線性轉(zhuǎn)化[7]，本研究以復(fù)合建模方法直接避免非線性約束，因此在模擬對象復(fù)雜度較高的情況下，仍可將變量和約束控制在較低規(guī)模。

模型的優(yōu)化求解在AWS云環(huán)境中進(jìn)行，使用32個主頻為3.2 GHz的CPU核心及128 G內(nèi)存，采用深度優(yōu)先搜索策略與對偶單純形法分別進(jìn)行約束規(guī)劃部分與數(shù)學(xué)規(guī)劃部分的求解，復(fù)合算法利用64位Xpress求解器實(shí)現(xiàn)。由表6可見，模型體現(xiàn)了約束規(guī)劃快速獲得可行解的特點(diǎn)，在計(jì)算過程中可行解及時(shí)反饋于數(shù)學(xué)規(guī)劃算法，并引導(dǎo)其進(jìn)一步尋獲優(yōu)化解，這種協(xié)同效應(yīng)使模型具備較高的求解性能，可滿足工業(yè)應(yīng)用要求。

表6 模型規(guī)模及計(jì)算情況

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

對于此案例，優(yōu)化計(jì)算得到的原油儲運(yùn)操作工序以Gannt圖表示，如圖3和圖4所示。圖中線段上方的標(biāo)志表示儲運(yùn)裝置接收或付出的油種及數(shù)量(m3)，線段下方的標(biāo)志表示收付操作時(shí)與相關(guān)設(shè)施的連接情況。因長輸線收付油種可能不相同，以上下兩條線段分別表示入線油和出線油情況。

對照表3和圖3可知：碼頭Ⅰ、Ⅱ罐區(qū)所有儲罐均可實(shí)現(xiàn)單儲操作，以LT5為例，在接收原油C之前，罐內(nèi)的原油A已全部付至長輸線，這表明原油調(diào)合設(shè)計(jì)方案具備可行性；海底管線不再擔(dān)負(fù)混油職能，且Ⅱ罐區(qū)儲罐分批收油、多次混合的復(fù)雜操作模式也得以避免，這樣不僅能降低操作難度，也有助于提高原油混合比例的控制精度；因Ⅱ罐區(qū)不再存儲混合原油，其轉(zhuǎn)移Ⅰ罐區(qū)庫存的能力受到削弱，而設(shè)計(jì)方案將調(diào)合比例控制設(shè)于長輸線入口，允許Ⅰ罐區(qū)通過長輸線直接向廠區(qū)付油(如ST1、ST8等)，為Ⅰ罐區(qū)增加了一條轉(zhuǎn)油途徑，同樣可達(dá)到降低庫存的效果；建模時(shí)嘗試進(jìn)一步區(qū)分碼頭罐區(qū)的職能，使Ⅰ、Ⅱ罐區(qū)分別向廠區(qū)輸送CD1、CD2加工的混煉油，計(jì)算結(jié)果表明這樣分工也是可行的；3艘油輪到港即可開始卸油，且接卸操作能在較短時(shí)間內(nèi)一次完成，尤其是V1與V2到港時(shí)間相近，而卸油工序互不干擾，這表明在碼頭罐區(qū)實(shí)行單儲的情況下，仍可通過調(diào)度優(yōu)化緩解油輪卸油壓力，避免油輪因等待而產(chǎn)生滯期成本。

圖3 油輪和Ⅰ、Ⅱ罐區(qū)的優(yōu)化操作工序 —收油； —付油

對照表4、表5和圖4可知：模型正確地表達(dá)了長輸線邊收邊付、先入先出的運(yùn)行特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了長輸線存油的準(zhǔn)確模擬，確保了計(jì)算工序的可操作性；除用于疏通清蠟的16 h外，長輸線在調(diào)度周期內(nèi)可不停輸，保持了較高的輸送負(fù)荷，這一方面使碼頭罐區(qū)庫存得以盡快轉(zhuǎn)出，為海上來油保留了罐容積，另一方面則使廠區(qū)庫存飽滿，保證了蒸餾裝置的加工量；廠區(qū)罐對混煉油也可實(shí)現(xiàn)單儲，以CT11為例，罐內(nèi)期初存油M3付空之后才從長輸線接收混煉油M6，避免混煉油在廠區(qū)罐內(nèi)進(jìn)行二次混合，對于減少蒸餾裝置進(jìn)料性質(zhì)的波動具有重要意義；在企業(yè)目前的操作模式下，原油靜置脫水安排在Ⅱ罐區(qū)以保障Ⅰ罐區(qū)的接卸能力，計(jì)算結(jié)果表明，允許Ⅰ罐區(qū)直接向廠區(qū)付油后，可由收油的廠區(qū)罐靜置以完成脫水(如CT5和CT9)，因Ⅱ罐區(qū)儲罐較少，這樣操作可平衡各罐區(qū)職能，有利于消除儲運(yùn)瓶頸；在調(diào)度周期內(nèi)，兩套蒸餾裝置的混煉油種切換均可維持在較低頻次，得益于長輸線高負(fù)荷運(yùn)行，CD2持續(xù)加工M6可達(dá)200 h以上，而CD1在前期加工M1的時(shí)間也可達(dá)100 h以上，這表明通過調(diào)度優(yōu)化不僅能考察原油調(diào)合設(shè)計(jì)方案的可行性，也能保持蒸餾裝置進(jìn)料平穩(wěn)，保障原油調(diào)合的實(shí)施效果。

4 結(jié) 論

(1)利用調(diào)度優(yōu)化模型對某企業(yè)原油調(diào)合設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行了研究，針對復(fù)雜工況的建模和計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案將 Ⅱ 罐區(qū)的操作模式由混儲改為單儲是可行的。設(shè)計(jì)方案將原油一次調(diào)合成蒸餾裝置混煉油，可避免原油在 Ⅱ 罐區(qū)和廠區(qū)多次混合，有助于降低操作難度并提高混合比例的控制精度。

(2)改變操作模式后，通過調(diào)度優(yōu)化仍可保證油輪到港即開始卸油，避免產(chǎn)生滯期成本，同時(shí)可保持蒸餾裝置混煉油種長期穩(wěn)定，從而確保原油調(diào)合的實(shí)施效果。

(3)復(fù)合建模方法兼具約束規(guī)劃和數(shù)學(xué)規(guī)劃的優(yōu)勢，以簡潔的邏輯表達(dá)式準(zhǔn)確描述了長輸線收付及存油特點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)，模型具備較高的求解性能，滿足工業(yè)應(yīng)用要求，可成為原油調(diào)合系統(tǒng)的優(yōu)秀“大腦”。

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