何仁初，談 寧，彭 鑫

（華東理工大學(xué)，能源化工過程智能制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

隨著我國信息化建設(shè)的全面推進(jìn)，石化行業(yè)通過信息技術(shù)建立集成平臺(tái)，實(shí)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(shí)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，還要盡量滿足企業(yè)上下游裝置工藝條件、儲(chǔ)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(shí)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(jì)劃部門每個(gè)月會(huì)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(chǔ)罐中的組分油輸送到對應(yīng)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(shí)間內(nèi)輸轉(zhuǎn)。柴油的實(shí)際生產(chǎn)過程中，排產(chǎn)計(jì)劃通常需要相關(guān)生產(chǎn)部門手動(dòng)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(biāo)規(guī)定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)；且柴油調(diào)合調(diào)度過程中存在柴油油品屬性波動(dòng)較大難以預(yù)測和一次調(diào)合率要求高等實(shí)際應(yīng)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(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義[4-5]。

本研究設(shè)計(jì)了一種適合實(shí)際工程應(yīng)用的柴油調(diào)合配方與短期調(diào)度計(jì)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(shí)現(xiàn)成品油的質(zhì)量指標(biāo)卡邊，資源的配置優(yōu)化以及經(jīng)濟(jì)效益最大化，為柴油的實(shí)際生產(chǎn)過程提供理論指導(dǎo)。

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(jī)械攪拌2種。管道調(diào)合則是將各組分和添加劑按預(yù)定比例同時(shí)送入總管和管道混合器進(jìn)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(shí)，即被分割一次并交替變換，最后由分子擴(kuò)散達(dá)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(diǎn)：1）組分油存儲(chǔ)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(fèi)；2）對于大批量油品調(diào)合，準(zhǔn)確控制組分油及添加劑用量，避免指標(biāo)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(shí)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)操作實(shí)現(xiàn)管道調(diào)合，同時(shí)還可采用微機(jī)監(jiān)測、監(jiān)控的半自動(dòng)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(shí)生產(chǎn)2種牌號(hào)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(shí)際油品調(diào)合調(diào)度問題，研究人員建立了大量的數(shù)學(xué)模型通過應(yīng)用于實(shí)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(gè)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(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃用于油品調(diào)度優(yōu)化[7]；李進(jìn)等在滿足成品油牌號(hào)質(zhì)量指標(biāo)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(biāo)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(shí)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(jìn)一步降低生產(chǎn)成本、提高資源利用率，積極運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(yīng)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(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。

1.3 柴油調(diào)合優(yōu)化問題

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常計(jì)劃部門每個(gè)月會(huì)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(jì)劃。該計(jì)劃需要相關(guān)生產(chǎn)部門手動(dòng)測算完成，過程繁瑣且考慮的約束條件較少。

同時(shí)，針對柴油調(diào)合調(diào)度優(yōu)化，還存在柴油質(zhì)量指標(biāo)波動(dòng)比較大關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)難以預(yù)測，柴油調(diào)合重調(diào)風(fēng)險(xiǎn)高，流量控制不穩(wěn)定，產(chǎn)品罐中的分層現(xiàn)象嚴(yán)重等問題。

因此，若對柴油調(diào)合優(yōu)化問題決策得當(dāng)，可在達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，減少質(zhì)量過剩，同時(shí)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(yùn)作規(guī)則，在滿足成本最小化等優(yōu)化目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，組分油需要根據(jù)生產(chǎn)條件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，合理的分配比例進(jìn)行混合。

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

式中，Y為質(zhì)量指標(biāo)向下卡邊的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式，w1為目標(biāo)成品柴油產(chǎn)量最大的權(quán)重系數(shù)，w2為質(zhì)量指標(biāo)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(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，共有K項(xiàng)指標(biāo)，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(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，qmin(p,k)表示第p種成品柴油的第k項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)的下限，第p=1 種成品柴油為要求產(chǎn)量最大的目標(biāo)成品柴油。

1）質(zhì)量指標(biāo)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(biāo)過剩，盡量多地生產(chǎn)目標(biāo)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(shí)現(xiàn)質(zhì)量指標(biāo)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(biāo)和訂單需求。

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

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(dòng)測算過程繁瑣，考慮約束條件少，模型計(jì)算不夠準(zhǔn)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(dǎo)。

根據(jù)實(shí)際需求，該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：1）實(shí)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(biāo)高低限，組分油的種類的名稱，質(zhì)量指標(biāo)，配方高低限，還可設(shè)置各質(zhì)量指標(biāo)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(jì)算出調(diào)合后成品柴油的屬性值，驗(yàn)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(jì)算得到一組成品柴油配方，預(yù)測調(diào)合后成品柴油的質(zhì)量指標(biāo)；4）實(shí)現(xiàn)柴油短期調(diào)度決策，以天為單位的離散時(shí)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(jìn)行優(yōu)化并在線展示優(yōu)化結(jié)果，簡化了人工分析報(bào)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(yīng)MVC 模式的Model層，主要包括負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫交互以及日志記錄[11]；業(yè)務(wù)邏輯層對應(yīng)MVC模式的Controller層，主要包括用戶輸入指令發(fā)送進(jìn)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(yīng)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(shí)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(shí)運(yùn)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(shí)驗(yàn)

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(biāo)包括十六烷值指數(shù)CET、初餾點(diǎn)D50、多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)POL、密度DEN。

組分油屬性及產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)十六烷值向下卡邊為目標(biāo)，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(jì)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(biāo)十六烷值指數(shù)、初餾點(diǎn)、多環(huán)芳烴含量、密度如表5，符合質(zhì)量指標(biāo)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(dá)到上限17 kt/d，出口柴油的十六烷值指標(biāo)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(jì)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(chǔ)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(jì)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(chǔ)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(biāo)車用柴油的產(chǎn)量為49.227 kt，且此時(shí)每日生產(chǎn)的成品柴油均滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和訂單需求，且該調(diào)度方案滿足實(shí)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(gè)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(chǔ)在SQL Sever數(shù)據(jù)庫中，負(fù)責(zé)對柴油成品油，組分油及其約束條件進(jìn)行整理和展示，并根據(jù)用戶操作指令對進(jìn)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(jì)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(biāo)用于指導(dǎo)實(shí)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(biāo)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(jì)了一種適合實(shí)際工程應(yīng)用的柴油調(diào)合配方與短期調(diào)度計(jì)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(jì)劃部門手動(dòng)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(shí)，針對需求對柴油調(diào)合調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化并在線展示優(yōu)化結(jié)果，簡化了人工分析報(bào)表的過程。系統(tǒng)集成了多目標(biāo)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。