第7章系统工程理论在炼油化工厂的用N

第7章

系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程应用内容企业管理：企业具有社会功能，生产计划制定必须考虑社会需求、政府政策、库存情况、生产能力、原料供应、产品运输等生产管理：在满足生产计划的前提下，以最优的条件生产质量达标的产品第一节、最优化概念

一、目标函数

二、优化变量

三、约束条件

四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用

一、在企业管理过程中的应用

二、在生产过程中的应用第一节、最优化概念最优化问题：最大化！？目标函数优化变量(手段)不等式约束条件等式约束条件第一节、最优化概念

一、目标函数

二、优化变量

三、约束条件

四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用

一、在企业管理过程中的应用

二、在生产过程中的应用

一、目标函数目标函数(ObjectiveFunction)优化问题所追求的要达到的目标常用优化目标：

①系统的原料利用率最高；

②产品产量最大；

③经济效益最大；

④能源消耗最小；

⑤操作成本最低；

⑥系统的投资成本最低；多目标优化问题的处理 ①突出主要目标；

②将多目标转变为单目标；

③对相互矛盾的目标进行折衷处理；加权！加权！第一节、最优化概念

一、目标函数

二、优化变量

三、约束条件

四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用

一、在企业管理过程中的应用

二、在生产过程中的应用

二、优化变量优化变量(OptimizationVariables)系统模拟方程:

f(w,x,z)=0w–决策变量

x–状态变量

z–内部变量——实现目标的手段—可影响操作结果—受制于决策变量—设备内部变量决策变量数量？选择优化变量时必须充分考虑其对目标函数的影响，也不能太多！第一节、最优化概念

一、目标函数

二、优化变量

三、约束条件

四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用

一、在企业管理过程中的应用

二、在生产过程中的应用

三、约束条件约束条件(ConstrainedConditions)约束条件的类型1）不等式约束条件

g(w,x)02）

等式约束条件等式约束条件包括：①等式设计规定或工艺要求：h(w,x)=0②等式尺寸成本关系式：c(w,x,z)=0

③系统模拟方程：

f(w,x,z)=0最优化问题可行域：Ox2x1满足所有约束条件的变量集合可行解第一节、最优化概念

一、目标函数

二、优化变量

三、约束条件

四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用

一、在企业管理过程中的应用

二、在生产过程中的应用四、过程系统优化问题的类型及特点过程优化类型固定工艺流程和设备结构操作参数优化调整工艺流程或设备设计参数优化

改变流程或设备后必须进行操作优化离线优化(off-line)在线优化(on-line)过程优化模型类型稳态优化模型模型不考虑时间参数过程优化模型类型动态优化模型模型考虑时间参数

间歇过程

连续装置的开工与停工过程

紧急情况等都属于动态过程

某一点的状态随时间发生变化统计优化模型依托数理统计方法建立模型第一节、最优化概念

一、目标函数

二、优化变量

三、约束条件

四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用

一、在企业管理过程中的应用

二、在生产过程中的应用

第二节、过程系统稳态优化问题的建立稳态优化问题的建立过程模拟模型给定参数优化变量{经济模拟模型经济参数过程约束条件经济约束条件经济特性指标最优化程序过程模拟模型过程参数经济模拟模型调整优化变量优化问题的求解可行路径优化方法计算效率低，其根本原因是抛弃大量超出可靠域的试算点优化方法在每个搜索点处不一定满足等约束方程（流程方程），但在最优点处可以保证约束方程收敛模拟与优化同步收敛系统模拟优化采用的最优化方法评述直接搜索法它应用简便，计算比较可靠，但优化计算每迭代一次都要做一次全流程模拟计算，属于可行路径法用这种方法即使计算变量很少的优化问题（如5个变量），也需要5~400次全流程模拟，计算效率很低。因此在早期的的研究工作中报道较多，目前已很少被采用。罚函数型和拉格朗日函数型的优化方法曾被广泛用于处理有约束的非线性问题，但随着问题维数的增多，其数学性质变得复杂，条件变坏，求解困难，而且罚函数的选择和修正带有很大的任意性。因而，仅用于解决大系统参数优化问题。序列线性逼近法（SLP）该法适应性强，能处理大规模的优化问题，但收敛速度慢。序列二次规划法（SQP）属于不可行路径法，它具有很好的性质：收敛速度快，计算效率高，是当前公认的最好的优化方法之一。但SQP法不能直接用于维数过多的优化问题，须辅以变量分解法以缩小变量空间。广义简约梯度法（GRG）该法是一种很有吸引力的方法，它适应性好，收敛速度快，特别是可以直接用于处理大规模优化问题，但在过程优化方面应用的报道不多

GRG2每次迭代都需收敛等式约束，属可行路径法

MINOS为不可行路径法第一节、最优化概念

一、目标函数

二、优化变量

三、约束条件

四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用

一、在企业管理过程中的应用

二、在生产过程中的应用

第三节、最优化理论在过程系统中的应用

一、在企业管理过程中的应用㈠合理进行资源分配使经济效益最佳

某工厂用钢与橡胶生产3种产品A、B、C，有关消耗与利润的数据如表所示：产品单位产品钢材消耗量单位产品橡胶消耗量单位产品利润A2340B3345C1224

已知每天可获得100单位的钢材和120单位的橡胶，问每天生产各多少A、B、C可使总利润最大。设定优化变量：x=A的日产量，y=B的日产量，z=C的日产量优化目标：问题：问每天生产各多少A、B、C可使总利润最大？

利润=产量单位利润优化变量产量解∶设定优化变量：x=A的日产量，y=B的日产量，z=C的日产量优化目标：约束条件：钢材供应橡胶供应excel求解㈡多产品生产过程的排产计划例：某炼油厂将原油加工成5个中间汽油系列产品，然后再调合成两个级别的成品汽油出售。每种中间产品和成品油的有关数据列于下表，满足合同销售后的成品油及中间油品均可进入市场销售。要求制订一个下一年度的生产计划，使全年纯利最大。加工统计表中间产品产量i桶／年辛烷值i售价Ci(3)美元/桶成本Ci(4)美元/桶混合成本i(5)美元/桶1200,000703024.001.002400,000803527.001.003400,000853628.501.004500,000904234.501.005500,000996040.001.50销售价(美元／桶)成品油合同销售i最低辛烷值i合同价Cj(1)市场价Cj(2)常规汽油500,0008540.0046.00高级汽油400,0009555.0060.00净利润：=产品销售收入—生产成本—调合成本油品i常规高级直销xiyizi关键：每个中间油品的物流平衡

常规汽油和高级汽油的物料平衡解：1.设优化变量：中间油品i

：xi----用于调和常规油品yi----用于调和高级油品zi----用于直接销售成品油j

：uj----合同销售量vi----市场销售量2.绘制物料流向图3.列约束方程①中间产品i的物料平衡方程②成品油的物料平衡③掺合后汽油的辛烷值要求不低于技术指标④要求满足合同销售量4.列目标函数纯利=产品及中间产品的总销售收入-

（生产成本+掺合加工成本）目标函数∶5.优化问题(OP)：excel求解最佳调合方案净利润：28,000,000中间产品销售：21,150,000㈢企业生产计划的制订例：某炼油厂可选择三种不同来源的原油中的一种或几种进行加工。根据长期的生产经验已获得每种原油进行常压蒸馏时的收率情况。工艺流程3种原油常压塔热重整重整减压塔催化裂化催化聚合建模关键：产品和损失分布数据进料来源变量和产品去向每个设备的处理能力产品的质量要求产品供求关系原料和产品的价格和加工成本1）工艺条件约束（1）常压蒸馏塔

模型变量：2号汽油：直接调合汽油1号汽油：2号汽油加添加剂

辛烷值增加1常压塔收率分布

馏分进料收率%去向模型变量x1x2x3油气0.450.270.30燃料x4丙烷0.250.030.3丙烷x5

燃料x6丁烷0.90.80.9丁烷x7

一号汽油x8

二号汽油x9

燃料x10初闪蒸油6.008.006.80燃料闪蒸油x11

热重整x12

一号汽油x13

二号汽油x14

初闪蒸油x15常压塔收率分布（续）直馏汽油9.0011.5010.2热重整x16

四号航空油x17

重整x18煤油25.632.431.5重整x19

四号航空油x20

灯油x21

柴油x22一号渣油57.3

减压x23

燃料油x24二号渣油

46.5

减压x25

燃料油x26三号渣油

49.5减压x27

燃料油x28损失0.50.50.5损失x29常压塔约束条件：油气馏分∶0.0045x1+0.0027x2+0.0030x3x4=0丙烷馏分∶0.0025x1+0.0003x2+0.0030x3x5x6=0丁烷馏分∶0.009x1+0.008x2+0.009x3x7x8x9x10=0初闪蒸油馏分∶0.06x1+0.08x2+0.068x3x11x12x13x14x15=0直馏汽油馏分∶0.09x1+0.115x2+0.102x3x16x17x18=0煤油馏分∶0.256x1+0.324x2+0.315x3x19x20x21x22=0渣油馏分∶0.573x1x23x24=00.465x2x25x26=00.495x3x27x28=0损失馏分∶0.005x1+0.005x2+0.005x3x29=0

（2）重整

进料收率%

馏分x18，x19去向模型变量油气8.00燃料x30丙烷4.00丙烷x31

燃料x32丁烷4.50丁烷x33

燃料x34汽油81.50一号汽油x35

二号汽油x36损失2.00损失x37

重整收率重整约束：油气馏分∶0.08x18+0.08x19

x30=0丙烷馏分∶0.04x18+0.04x19x31x32=0丁烷馏分∶0.045x18+0.04x19x33x34=0汽油馏分∶0.815x18+0.815x19x35x36=0损失馏分∶

0.02x18+0.02x19x37=0（3）热重整

进料收率%

馏分x12，x16去向模型变量油气29.00燃料x38汽油

65.00

5.00一号汽油二号汽油燃料油x39x40x41损失1.00损失x42热重整收率热重整约束：油气馏分∶0.29x12+0.29x16

x38=0汽油馏分∶0.65x12+0.65x16x39x40=0渣油馏分∶0.05x12+0.05x16x41=0损失馏分∶

0.01x12+0.01x16

x42=0（4）减压

进料收率%

馏分x23，x25，x27去向模型变量蜡油47.00催化裂化x43粗柴油5.00粗柴油x44

渣油43.00

沥青燃料油燃料x45x46x47损失5.00损失x48减压收率减压约束蜡油馏分∶0.47x23+0.47x25+0.47x27

x43=0粗柴油馏分∶0.05x23+0.05x25+0.05x27x44=0渣油馏分∶0.43x23+0.43x25+0.43x27x45x46x47=0损失馏分∶

0.05x23+0.05x25+0.05x27x48=0（5）催化裂化

进料收率%馏分x42去向模型变量油气3.50燃料x49催化聚合油7.50催化聚合油x50

汽油22.00

一号汽油二号汽油x51x52轻循环油

32.00

粗柴油燃料油x53x54重循环油28.50粗柴油燃料油x55x56损失6.50

x57催化裂化收率催化裂化约束油气馏分∶0.035x43x49=0聚合油馏分∶0.075x43x50=0汽油馏分∶0.22x43x51x52=0轻循环油馏分∶0.32x43x53x54=0重循环油馏分∶0.285x43x55x56=0损失馏分∶

0.065x43x57=0（6）催化聚合

进料收率%馏分x50去向模型变量丙烷

10.00

丙烷燃料x58x59

丁烷30.00

丁烷燃料x60x61汽油60.00

一号汽油二号汽油x62x63催化聚合收率催化聚合约束丙烷馏分∶0.10x50x58x59=0丁烷馏分∶0.30x50x60x61=0汽油馏分∶

0.60x50x62x63=02）设备生产能力约束

装置的设计处理量装置进料变量名称生产能力(吨)常压x1，x2，x35000重整x18，x19500热重整x12，x16250减压x23，x25，x27无限制催化裂化x43400催化聚合x50无限制加工能力约束方程：x1+x2+x35000x18+x19500x12+x16250x434003）燃料、消耗和市场需求约束额外要求：市场销售100吨燃料。各装置的燃料消耗装置进料变量名称燃料消耗(吨)/100吨进料常压x1，x2，x32.50重整x18，x198.00热重整x12，x165.00减压x23，x25，x270.2催化裂化x43无催化聚合x50无燃料约束燃料的需求量∶0.025(x1+x2+x3)+0.08(x18+x19)+0.05(x12+x16)+0.002(x23+x25+x27)+100燃料的生产量∶常压∶x4+x6+x10+0.91x11重整∶x30+x32+x34热重整∶x38减压∶x47催化裂化∶x49催化聚合∶x59+x61燃料的供求平衡方程∶0.025(x1+x2+x3)+0.08(x18+x19)+0.05(x12+x16)+0.002(x23+x25+x27)+100(x4+x6+x10+0.91x11+x30+x32+x34+x38+x47+x49+x59+x61)=0x11初闪蒸油热值较低，修正！4)产品需求量约束

产品需求量(吨)丙烷12丁烷20初闪蒸油40一号和二号汽油600四号航空油40煤油70沥青150产品产量约束∶丙烷∶x5+x31+x58=12丁烷∶x7+x33+x60=20初闪蒸油∶x15=40汽油∶四号航空油∶x17+x20=40煤油∶x21=70沥青∶x45=1505)汽油质量约束

汽油的性质参数来源模型变量比重1/辛烷值蒸汽压丁烷x8，x90.581.7249555直馏汽油x13，x140.6851.468010重整x35，x360.761.3161015热重整x30，x400.761.316898催化裂化x51，x520.771.2991008催化聚合x62，x630.721.3891108二号汽油：直接调和一号汽油：加添加剂成本0.33美元/吨,辛烷值增加1，二号汽油辛烷值约束(1.724)(95)(x8+x9)+(1.46)(80)(x13+x14)+(1.316)(101)(x35+x36)+(1.316)(89)(x30+x40)+(1.299)(100)(x51+x52)+(1.389)(110)(x62+x63){94[1.724(x8+x9)+1.46(x13+x14)+1.316(x35+x36)+1.316(x30+x40)+1.299(x51+x52)+1.389(x62+x63)]}0丁烷直馏汽油重整热重整催化聚合催化裂化各汽油馏分对成品油的贡献所有馏分汽油的体积贡献汽油总蒸汽压约束：(1.724)(55)(x8+x9)+(1.46)(10)(x13+x14)+(1.316)(5)(x35+x36)+(1.316)(8)(x30+x40)+(1.299)(8)(x51+x52)+(1.389)(8)(x62+x63){9[1.724(x8+x9)+1.46(x13+x14)+1.316(x35+x36)+1.316(x30+x40)+1.299(x51+x52)+1.389(x62+x63)]}0添加剂对蒸汽压无影响6）燃料油的质量约束要求：粘度系统不大于36.86cP粘度指标装置馏分模型变量粘度常压渣油

x1x2436.50

渣油

x2x2634.80

渣油

x3x2835.00减压渣油x4645.50催化裂化轻循环油x5411.00

重循环油x5623.48热重整渣油x4136.52粘度约束条件:36.50x24+34.80x26+35x28+45.50x46+11x54+23.48x56+36.52x41[36.86(x24+x26+x28+x46+x54+x56+x41)]07）目标函数-(14x1+16x2+15x3)1号原油价格2号原油价格3号原油价格-0.33(x8+x13+x35+x39+x51+x62)1号汽油调和成本1号汽油产量+25(x22+x44+x53+x55)柴油价格柴油产量+12(x24+x26+x28+x41+x46+x54+x56)燃料油价格燃料油产量产量固定的产品成本不需考虑变量数：63约束条件：47excel求解进料数量(吨)产品数量(吨)原油

x13536.5二号汽油600.0原油

x31463.5柴油1580.9原油合计5000.0燃料油2117.7重整264.2丙烷12.0催化裂化400.0丁烷20.0催化聚合30.0初闪蒸油40.0热重整250.0四号航空油40.0减压851.1煤油70.0二号汽油:辛烷值为94，蒸汽压为9沥青150.0初馏燃料油85.8燃料气171.7燃料10.5损失101.3目标值6330.6第一节、最优化概念

一、目标函数

二、优化变量

三、约束条件

四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用

一、在企业管理过程中的应用

二、在生产过程中的应用

二、在生产过程中的应用工艺优化计算软件应备功能：①模拟功能在模拟方式下，软件将变为一个快速的假想生产装置。工艺工程师可在计算机上任意改变操作条件进行假想操作，考察操作条件的改变对生产结果的影响，而不必担心为此付出任何代价。该功能也可用于新上岗操作工的岗前培训，可大大提高培训效果

二、在生产过程中的应用二、在生产过程中的应用工艺计算软件应备功能：②设计功能在设计方式下，软件将根据现场提供的各种产品的质量标准，自动寻找使产品质量符合要求的生产条件，及时反馈给用户。现场根据计算所得的结果，调整操作条件可得到质量符合各项指标的产品设计功能在进料条件发生较大变化，或在装置开车时特别有用。软件可向现场提供改进操作的参考数据，大大缩短达到平稳生产所需的时间，减少不合格生产产品的时间工艺计算软件应备功能：③优化功能在优化功能下，软件将根据用户指定的优化目标函数，计算得到使产品质量达到或超过质量标准的操作条件。现场按此操作条件进行生产，将能得到最优的效益二、在生产过程中的应用流程优化优化计算步骤：自由度分析决策变量确定系统分析子系统最佳断裂位置确定子系统顺序求解优化目标确定优化变量的优选约束条件的确定优化模型求解流程模拟二、在生产过程中的应用注意事项

模拟和优化软件可从理论模拟操作结果，寻找最优操作条件。但实际装置的影响因素是十分复杂的。不仅与工艺条件有关，而且还与设备的操作条件有关。当操作条件超出设备的允许操作范围后，设备的工作效率急剧下降，无法达到理论上的操作结果，同样会对现场生产产生不良后果。因此必须同时从工艺条件和设备运行状况对装置的现状进行分析，才能找到出现问题的真正原因轻烃回收系统优化1、流程图1级增压1级冷却2级增压2级冷却大冷箱换热器蒸发制冷器液烃节流阀1气分膨胀机2气分脱乙烷塔小冷箱换热器轻烃换热器液化气塔轻烃冷却器液化气冷却器增压机2、自由度分析设备变量数设计规定设备变量数设计规定11出口压力112绝热多变效率*，出口压力21出口温度122绝热，出口压力31出口压力132塔底温度、操作压力(脱C2塔)41出口温度141冷热出口温度51热流入口与冷流出口温差153回流比、塔底温度、压力(液化气塔)61出口温度161出口温度71热流入口与冷流出口温差171绝热多变效率*（功与膨胀机输出功耦合）81出口温度181出口压力92绝热，出口压力191热流入口与冷流出口温差101密封气分割比201出口温度总数

26

3、流程计算顺序的确定不可分隔子系统及计算顺序：{1},{2},{3},{4},{5,6,7,8,9,10,11,12,13,18,19},{17},{14,15},{16},{20}子系统一子系统二4、回路断裂子系统一：简单回路：回路矩阵：有效断裂组：{19,21,22,25}Upadhye-Grens断裂法（II）Westerberg算法替代规则最佳断裂组：7919断裂流股数3断裂流股数4流股2-9组成与进料相同！仅需迭代温度！最佳断裂{8,10,19,26},{8,11,19,26},{8,12,19,26},{10,19,22,25},11,19,22,25},{12,19,22,25}{10,19,22,24},{11,19,22,24},{12,19,22,24},{13,20,22,25},{8,13,20,26},{13,20,22,24}{8,19,21},{8,20,18},{9,19,22},{7,9,19},{6,9,19}子系统二：存在流股：{15},{16}1414子系统1已求出15仅需迭代温度15最佳断裂15断裂方式：最佳断裂