石化企业生产与能量系统集成建模与优化研究-控制科学与工程专业毕业论文

致谢致谢致谢致谢光阴似箭，求是园中的博士生涯即将结束，值此论文完成之际，谨向在博士阶段给予我指导，帮助和关心的老师，同学，朋友和亲人们表示衷心的感谢和崇高的敬意。首先，衷心的感谢导师荣冈教授多年来对我孜孜不倦的教育和指导。荣老师将我领入供给链优化研究的大门，不仅给予我悉心的指导，而且为我提供了宽松，和谐的研究环境，引导我在科研工作中不断进步。荣老师扎实的专业根底，严谨的治学态度，平易近人的学者风范潜移默化的影响了我，是我今后学习和工作的典范。谨向荣老师致以最衷心的感谢。特另4感谢冯毅萍老师在我学习和工作中的热情指导和帮助。感谢美国罗格斯大学MarianthiG．Ierapetritou教授在我访学期间对我的指导与帮助，她对待科学研究的探索精神和执着追求，让我体会到科研的魅力，也鼓励着我前行。特别感谢童凯亮博士与胡云苹师兄在五年博士生涯里对我科研上的指导，你们的帮助让我获得长足进步。感谢Dr．NikishaK．Shah在合作研究期间对我的帮助，她对学术问题的严谨态度令我受益匪浅。衷心感谢RGLab实验室的许华博士，王继帅博士，刘苏昱博士，陈俊豪，周泽伟，张国泽，陈嘹，刘笑，张睿，朱峰，刘苏，王征宇，王子豪，李诚，齐瑞超，陈浩，徐佳东，王成龙，肖俊，周培杰，董晓杨，张鹏飞，李爽，张益，潘戈，张鹏飞(小)，姚舰航，朱治亮，金炫智，冯海杰，杨胜蓝等兄弟姐妹对我的帮助与支持，与你们共同学习，生活和娱乐是我人生中一段难忘的美好时光。另外，感谢控制系，感谢所有老师对我的关心帮助，感谢所有关心和帮助过我的同学和朋友们表示由衷的谢意。感谢国家高技术研究开展方案工程?面向石油化工的节能环保与平安管控MES开发及应用?(2023AA040701)的经费资助。最后，衷心感谢我的父母，你们给予了我生命和健康的体魄，你们一如既往的支持和鼓励以及无私的爱，是我努力奋斗，不断进步的源动力，对你们的爱和感谢无以言表。万方数据致谢致谢九年求是园求学，心中感谢，不胜言表。赵浩2023年6月于老和山下求是园万方数据摘要摘要摘要摘要随着整个社会对能源问题的日益关注，如何提高石化企业生产和管理效率，同时降低生产本钱和能耗，已成为企业亟待解决的问题。能量系统作为石化企业的能源产耗核心系统，其运行优化不仅可以提高企业的经济效益，同时也能促进生产过程节能降耗。然而，目前学术界和工程界对石化企业生产方案优化的研究主要从物流方面展开，对能量系统的运行优化，尤其是在生产方案中兼顾能量系统优化的研究与应用还较少。本文首先回忆了国内外石化企业以物流为主的生产方案研究现状和能量系统运行优化进展，根据石化企业工艺生产的实际情况，按照空间和生产流程分解，以炼厂和乙烯厂为典型对象，分别构建集成工艺操作条件的生产方案非线性优化模型，能量系统多周期混合整数线性规戈lJ(Mixed．integerprogramming，MILP)运行优化模型。以此为根底，建立集成炼厂生产系统与能量系统的混合整数非线性规戈lJ(Mixed-integernonlinearprogramming，MINLP)模型，集成能耗和工艺条件的乙烯厂方案优化模型，以及集成上游炼厂与下游乙烯厂的多周期生产方案模型。通过对多系统集成优化进行系统而深入的研究，说明未来石化企业实现多介质多系统多周期集成优化的必要性与可行性。本文的主要内容和创新点如下：11针对目前炼油企业生产方案与实际生产操作脱离较大的应用现状，根据炼油厂的实际生产情况，采用数学规划方法，在装置物料平衡模型中引入可变产率约束条件，建立集成常减压装置(CrudeoilDistillationUnit，CDU))切割温度和催化裂化装置(FluidCatalyticCracker，FCC)转化率的非线性规划模型。提出基于物料质量平衡和产品质量指标约束的集成优化框架，优化求解确定具体的装置操作条件，提高炼厂生产方案的可执行度。2)提出石化企业能量系统各类产耗能设备的通用建模方法，构建能源量系统运行优化框架，采用数学规划法思想，引入分段线，I生(piecewiselinear)方法对锅炉、透平等重点产能设备进行线性回归建模。通过混合整数线性规划数学模型来描述蒸汽动力系统的运行状况，从物料传递、能量平衡、环境影响三方面建立石化企业能量系统多周期运行优化模型，为石化企业能量系统的操作优化，以及接下来与物流系统的集成提供建模根底。万方数据摘要摘要3)通过分析炼厂生产工艺特点，提出物流与能流系统的耦合建模方法，在考虑能源供需平衡、生产单元能耗核算与环境影响的前提下，建立系统间物料与能源多周期质量平衡约束模型，关联负荷与操作方案的生产装置能产能耗核算模型，以及耦合调和物性和锅炉燃料消耗的物性传递模型。从而构建面向炼厂节能减排的生产方案模型，通过对多场景案例验证，为企业的高效生产与节能减排提供优化决策支持。4)针对集成物流与能流的生产方案模型复杂度高与求解时间长等问题，提出一种基于启发式的模型分解策略，引入传统序列分步优化策略确定模型寻优起始点。通过对生产工艺与耦合模型的非凸性分析，对模型双线性约束进行松弛。将原集成混合整数非线性规划模型分解为一个混合整数线性规划模型和一个非线性模型，并迭代求解，通过多场景案例说明算法的实用性。5)针对目前乙烯生产方案优化中，对能源产耗与工艺条件影响考虑缺乏的现状，构建集成炉管出口温度(Coiloutlettemperature，COT)、结焦深度等核心工艺条件的裂解炉半机理非线性产率模型和能源产耗模型。通过分析乙烯生产过程中各单元工艺特点，建立集成过程操作和能耗的乙烯装置多周期混合整数非线性规划模型。以某真实化工厂为例，分析集成模型的优化结果，包括装置物流走向、能源产耗方案、设备运行负荷与组合以及蒸汽供需平衡，验证模型实效性。6)从石化企业上下游生产物料和库存平衡，以及生产与能量系统间的能源产耗平衡角度，分析炼厂与乙烯装置间物料与能源工艺耦合关系，建立石化企业多系统集成的混合整数非线性规划模型。基于炼厂和乙烯装置的产品质量平衡与能源供需平衡特点，采用拉格朗日分解算法将原集成模型分解为一个非线性规划炼厂模型，一个混合整数非线性规划乙烯厂模型和一个混合整数线性规划能量系统模型。通过迭代求解，从整个企业网络层面，同时完成炼厂生产方案优化、乙烯装置调度、中间产品库存管理和能量系统运行优化。通过实际案例确定该集成模型与算法的有效性，突出该集成模型在提高生产利润空间与物料利用率方面的优势。7)本研究提出的多系统集成建模框架，立足于石化生产工艺特点，基于国内某大型石化企业中的炼油厂和化工厂生产流程，建立能源设备和生产工艺通用数学模型，可组合为面向炼厂或乙烯厂的生产方案模型，为企业生产运营集成建IV万方数据摘要摘要模奠定了根底。同时，生产系统与能量系统的集成优化，深化了生产过程中物流与能流关系，提高了企业经济效益和能效。关键词：石化企业；炼厂；乙烯装置；方案调度；能量系统；集成优化V万方数据ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACTOilrefiningindustriesaccountforanimportantpartofglobaleneogYconsumptionandthemainpartoftheenergyofoilrefiningisutilitygeneration·Inthecullrentglobalmarket，thepressurefortheimprovementofenergyutilizationefnciencvandmorestrictenvironmentalrestrictionshaveunitedtoforcetheenterprisetoenhancetheexistingoptimizationapproachfortheenterprise。wldeplanning．Duetosignificantinteractionsbetweentheproductionsystemandutilitysvstem．itisimperativetoconsiderthesimukaneousoptimizationofthe觚osystemsfortheglobaloptimalsolution．Inthisthesis，afterreviewingrecentresearchesontheplanningoptimizationfortheproductionsystemandutilitysysteminbothpetroleumrefincryandtheethyleneplant，weproposeseveralnovelmodelsintegratingtheDroductionandtheutilitysystemforthepetrochemicalcomplex．Thesemodelsincludestheproductionplanningmodelforrefinery，energyoperationaloptimizatlonmodelforthepetrochemicalenterprise，theintegratedoptimizationmodeloftheproductionandutilitysystemintherefinery，theproductionplanningmodeloftheethyleneplantintegratingenergyconsumption，andtheintegratedmodelfortherefinerYandtheethyleneplant．Thedetailsarelistedasfollows：1．Arefinery．wideproductionplanningmodelintegratingprocessoperatlon8constraintswhichincludethecutpointsofCDU(theCrudeoilDistillationUnit、andtheconversionofFCC(theFluidCatalyticCracker)wasproposedtoobtaintheoptimalrefineryproductionplanandtoachievetheoptimizationplanoftheunitoperatingconditionssimultaneously．Themassbalanceofthematerials．productqualityconstraintsandthemajorprocessmodelswithoperationconditionwereincorporatedintheproposedmathematicalmodel·Themodelwasillustratedbyacasestudyofarealrefinery．Theoptimizationresuhsofproductionplanningprovedaneffectiveguidancetotherealindustrialproductionduetoitsprocessoperationintegration·2．AgeneralmodelingframeworkforoperationoptimizationofenergysysteminDetrochemicalenterpriseisproposedasamulti。periodsmathematicalmodelincorporatingthedetailedsemi—kineticmodelofkeyequipmentforenergYconsumptionandgeneration．Piecewiselinearapproximationmethodisusedforaccuratecharacterizationoftheloadconditionofboilerandturbines．TheproposedoptimizationapproachoffersaneffectiveguidanceV¨万方数据———————————————————A—B—S—T—RA—C—T————～for———————————————————A—B—S—T—RA—C—T————～forindustrialoperationandbasisforfollowingintegratedoptimization．3．AnovelintegratedoptimizationapproachwhichcouplestheproductionsYstemandtheutilitysystemofarefineryisproposedtoexplorethepotentlalofincreasingtheoverallrefinerymarginandreducingtheeconomiclossesofenergywastecomparedwiththetraditionalapproachwherethetwosYstemsare optimizedinsequentialprocedure．Amulti-period嗍nery-widemixed-integernonlinearprogramming(MINLP)modelistonnuJatedtooptimizetheproductionplanningoftheprocessingunitandtheoperationalplanningoftheutilityequipmentsimultaneously．Theenergyconsumptionandgenerationmodelofprocessingunitisintroducedtoco玳Jatethetwosystemsintheenergyaspectbylinkingthe锄ountofenergyconsumptionandgenerationwithunitthroughput，productpropertyandoperationmode·MaterialbalanceoffueloilandfuelgasiscOnsideredtoIntegratetheMosystemsinthematerialaspectforimprovingenergyutilizationmmulti’periodplanningsite．Anindustrialex锄pleshowsthattheIntegrateQapproachnotonlyobtainstheoptimalunitoperationsandgains1mprovementinoverallprofitoftherefineryproduction，butalsoleadstoslgnificantperformanceinenergysavingandemissionreductioncomDaredwiththesequentialapproach．4’As01utionstrategybasedonheuristicstosolvetheintegratedmodeloftheretlnery’stwosystems(theproductionsystemandtheutilitysystemltodealwith1nconSlstencybetweensolutionqualityandtimeresultingfromthebilineartermSforthecorrelationoftheblendingprocessandgasemissionintheoriginalMINLPmodel．Theintegratedmodelisdecomposedintomlxed。Integerlinearprogramming(MILP)modelandanonlinearp阳伊锄ming(NLP)modelwhichthensolvediterativelythroughVarlablestransferringtofurtherreducethesolutiontime．Thes01utionofthetraditionalsequentialmethodisincorporatedtogeneratebe他rinitialestlmatesforthedecomposedmodeltogainbettersolutionaualityandefficiency．5·Anovelshort-termplanningmodeloftheethyleneplantthatincorporatestheoperatingVariablesandenergyutilizationinboththethe咖alcrackingandthedown’streamprocessisproposedtoexplorethepotentialforincreasingtheproductionmarginandreducingtheenergylosses．Amulti-periodV111万方数据ABSTRACTmixed-integerABSTRACTmixed-integernonlinearprogrammingmodelisformulatedtoattaintheschedulingofparallelfurnacesandtheenergydistributionoftheoverallplant，alongwiththedeterminationofthekeyprocessoperationinvolvingthecoiloutlettemperature(COT)andcokedeposition．ThebehavioroftheproductyieldsandcokeformationintermsofvaryingCOTprofilesisinvestigatedtoenhancetheprofitabilityofthewholeplant．Arealindustrialexampleisinvestigatedtoexploittheperformanceoftheproposedmodel．Theresultsshowthattheintegratedapproachattainsanimprovementinoverallprofitandachievessignificantenhancementinenergysavings，comparedwiththeoriginaloptimizationapproach．6．Anovelintegratedoptimizationapproachwhichcouplestheup-streamrefineryandthedown—streamethyleneplantisproposedtoexplorethepotentialofincreasingtheoverallmarginandreducingtheeconomiclossesofintermediateproductscomparedwiththetraditionalapproachwherethetwocomplexesoptimizedinsequentialprocedure．Amulti-periodenterprise．．widemixed··integernonlinearprogrammingmodelisformulatedtooptimizetheproductionplanningoftheprocessingunitandtheoperationoftheenergysystemintherefineryandtheethyleneplantsimultaneously．Materialbalanceofrawmaterialtotheethylenecrackingproducedbytheprocessingunitandtheintermediateproductstransportedfromtheethyleneplanttotherefineryisconsideredtointegratethetwocomplexesinthematerialaspectinmulti-periodplanningsite．Energybalanceofvariousutilitiesbetweentheenergysystemandtheproductionsystemintherefineryandtheethyleneplantisconsideredtointegratethematerialandenergyflows．TheLagrangianalgorithmisappliedtodecomposetheintegratedmathematicalmodelintoMILPproblemfortheproductionplanningmodelofrefineryandsmall-scaleMINLPproblemforcrackingfurnaces’scheduling，alongwiththeheuristicandmodelrelaxationstrategy，toproducebettersolutionsfortheintegratedplanningproblem．Resultsoftheshowthattheintegratedapproachobtainstheoptimalunitoperationsandgainsimprovementinoverallprofitoftherefineryproductioncomparedwiththetraditionalsequentialapproach．IX万方数据ABSTRACTKeywords：petrochemicalABSTRACTKeywords：petrochemicalenterprise；refinery；ethyleneplant；productionplanning；energysystem；integratedoptimizationX万方数据表目录表目录表目录表目录表2．1典型原油馏分油的沸程范围．．42表2．2原料市场供给量与产品市场需求量以及价格．45表2．3不同方案下优化后的原料采购量及油品产量．．46表2．4原油b在两种方案下的CDU侧线切割温度与收率范围．．46表4．1场景1中双层模型循环迭代示范结果(第3次外循环的内循环结果)．．．．．．{；：!表4．2场景1中不同算法求解效果比拟．82表4．3场景2中双层模型循环迭代示范结果(第2次外循环的内循环结果)．．．．．．．．．83表4．4场景2中不同算法求解效果比拟．84表4．5场景1原料、能源产耗、气体排放与利润比照结果．84表4．6场景2原料、能源产耗、气体排放与利润比照结果86表5．12023-2023年世界十大乙烯生产国产能94表5．2集成与原始模型产品产量比照109表6．1原料消耗与采购比照139表6．2炼厂至乙烯装置中间物流优化比照结果139表6．3乙烯装置至炼厂中间物流优化比照结果139表6．4炼厂装置负荷139表6．5乙烯装置裂解炉负荷140X1万方数据图目录图目录图目录图目录图2．1模型计算流程图 ．．44图2．2某炼厂生产流程图 ．．45图2．3三种原油TBP曲线 45图2．4两种方案下常减压装置质量收率比照图 ．．47图3．1石化企业中蒸汽动力系统与生产系统关系图 ．．50图3．2蒸汽动力系统内外部交互图 ．．51图3．3 炼厂蒸汽动力系统流程图 53图3．4蒸汽动力系统公用工程拓扑结构图 ．54图3．5锅炉原始效率曲线 ．57图3．6本研究中5台锅炉线性化效率曲线 ．58图3．7汽轮机抽气乏汽示意图 ．．59图3．8减温减压器结构原理图 60图3．9离心式压缩机的操作示意图 。61图4．1炼厂物流与能流系统传统优化思路 ．64图4．2炼厂物流与能流详细交互图 。66图4．3炼油厂物料加工系统多周期公用工程需求变化 ．67图4．4炼油企业生产过程物流与能流交互图 一68图4．5炼厂物流结构图 ．．69图4．6炼厂蒸汽动力系统流程图 ．．7l图4．7多段线性化处理后锅炉效率曲线 ．72图4．8物流系统与能量系统的非线性工艺关联特性 ．76图4．9模型分解策略 ．．77图4．10基于启发式的集成模型分解算法流程图 79图4．11场景1的各产品需求 80图4．12场景2的各产品需求 81图4．13场景1中算法求解效果例如图(比照序列法与标准MINLP求解器效果) 81XIII万方数据图目录图4．14场景2中算法求解效果图目录图4．14场景2中算法求解效果例如图(比照序列法与标准MINLP求解器效果1 一83图4．15场景1中C02与S02排放量比照．85图4．16序列优化方法的中生产系统蒸汽需求量与能量系统中蒸汽产量86图4．17集成优化方法中的生产系统蒸汽需求量与能量系统中蒸汽产量86图4．18场景2中COz与S02排放量比照一87图4．19序列优化方法中的生产系统蒸汽需求量与能量系统中蒸汽产量88图4．20集成优化方法中的生产系统蒸汽需求量与能量系统中蒸汽产量88图4．21高压蒸汽外购比拟88图4．22不同排放本钱下的整体生产利润89图4．23不同排放本钱下的C02排放量．89图4．24不同排放本钱下的S02排放量．90图4．25不同排放本钱下的燃料消耗量比拟 90图5．1裂解炉COT对乙烯和丙烯产率影响关系 96图5．2炉管结焦对不同裂解炉乙烯产率影响效果．．96图5．3乙烯装置内物料与能源耦合关系．97图5．4乙烯装置物流生产流程．．98图5．5乙烯装置简化蒸汽管网．．98图5．6裂解炉ball0产品产率和COT比照．．108图5．7裂解炉ball3产品产率和COT比照一108图5．8各裂解炉COT优化结果．109图5．9燃料气产量与外购量比照110图5．10高压蒸汽产量与中压蒸汽外送量比照．110图5．11裂解单元进料种类与负荷比照．．11l图5．12集成与原始模型裂解炉耗气量比照．．111图5．13裂解炉高压蒸汽产量比照。l12图5．14裂解炉bal01产品产率与COT优化结果比照 112图5．15裂解炉ball4产品产率与COT优化结果比照 113图6．1炼厂与乙烯厂厂间多系统、多介质交互关系116图6．2炼厂与乙烯厂中物流／能流图．．118XTV万方数据图目录图6。3炼厂与乙烯厂多系统集成流程具体示意图图目录图6。3炼厂与乙烯厂多系统集成流程具体示意图 120图6．4多系统关联变量定义示意图 127图6．5拉格朗日求解算法 135图6．6炼厂产品优化结果比照 140图6．7炼厂至乙烯装置中间物流优化比照结果 141图6．8外购天然气结果比照 141图6．9乙烯装置产品产量比照 142图6．10炼厂至乙烯装置中间物流优化比照结果 ．142图6。11乙烯装置至炼厂中间物流优化比照结果 142图6．12外购天然气结果比照 ．．143图6。13拉格朗日算法求解过程效果 ．144万方数据图目录(此页留空)图目录(此页留空)XVI万方数据’目录目录’目录目录致谢 ．．I摘要 一IIIABSTRACT ． ．．VII表目录 一xI图目录 XIII目录 一XVIIl 绪论 一231．1 引言 ．231．2 石化企业生产工艺特点 ．241．2．1 炼厂生产工艺特点 ．241．2．2 乙烯厂生产工艺特点 ．251．3 石化企业生产方案与调度研究与应用现状 261．3．1 炼厂生产方案研究综述 261．3．2 乙烯装置调度研究综述 271．4 石化企业能量系统运行优化研究 281．4．1 能量系统优化研究综述 281．4．2 优化方法综述 ．291．5 生产与能量系统集成建模优化研究现状 ．311．5．1 耦合建模技术 ．311．5．2 复杂模型求解策略 ．321．6 本文研究内容 ．341．7 小结 一36XVII万方数据目录2目录2 集成过程操作的炼油企业生产方案优化 372．2 问题说明 382．2．1 生产方案的可执行性分析 382．2．2 重点工艺条件集成 。382．3 炼厂生产方案优化建模框架 392．3．1 数学建模 -392．3．2 常减压装置与催化裂化工艺条件集成 4l2．4 案例分析 ．442．4．1 流程描述 ．442．4．2 计算结果与比照分析 ．462．4．3 集成模型创新性分析 ．472．5 结论 一473 石化企业能量系统运行优化模型 493．1 引言 ．493．2 问题描述 ．503．2．1 保证生产能需 ．503．2．2 环境污染最小 ．513．3 蒸汽动力系统设备特点与建模分析 523．3．1 炼厂蒸汽动力系统构成 523．3．2 蒸汽系统通用建模方法 533．4 蒸汽动力系统通用数学模型 543．4．1 目标函数 ．543．4．2 通用约束 ．553．4．3 锅炉模型 ．56XVTTT万方数据目录3．4．4目录3．4．4 汽轮机模型 ．583．4．5 减温减压器模型 ．603．4．6 压缩机模型 ．603．4．7 环境气体排放模型 ．613．5 结论 ．．624 炼厂生产系统与蒸汽动力系统的集成优化策略 634．2 背景介绍 ．644．2．1 传统分步优化方法局限性 644．2．2 节能减排需求 ．644．3 问题定义 ．654．3．1 流程描述 ．654．3．2 系统间公用工程供需平衡 ．674．3．3 系统间多介质循环利用 674．4 炼厂物流与能流耦合建模方法与框架 ．684．4．1 生产系统的多周期生产方案模型 ．684．4．2 能量系统运行优化模型 714．4．3 物流与能流耦合模型 ．744．5 集成M1NLP模型求解策略 。764．5．1 基于工艺特点的非凸性分析 ．764．5．2 模型分解方法 ．774．5．3 基于启发式算法的求解策略 774．6 案例分析 ．794．6．1 场景设计 ．794．6．2 求解过程分析 ．81XⅨ万方数据目录4．6．3目录4．6．3 优化结果比照 ．844．7 结论．． ． 一915 集成能耗与过程操作的乙烯装置生产方案优化 935．2 问题定义 ．955．3 裂解炉建模 ．975．3．1 工艺特点 ．975．3．2 过程模型建立 ．995．4 乙烯装置运行优化模型框架 ．．1005．4．1 通用约束 IOl5．4．2 各单元模型 1025．4．3 能量系统模型 1045．4．4 目标函数 106SS 暴馘分歌 1065。5。l 案例设计 1065．5．2 优化结果比照 1075．5．3 集成模型创新性分析 ． 一1135．6 结论 ．1146 面向炼厂和乙烯装置的物流与能流集成生产方案优化 ．1156．1 引言 1156．2 问题定义 1176．3 流程描述 1196．4 面向炼厂与乙烯装置集成的物流与能流耦合建模方法 一1206．4．1 炼厂方案模型 1216．4．2 乙烯装置运行优化模型 一122XX万方数据目录6．4．3目录6．4．3 能量系统运行优化模型 1256．4．4 多系统耦合模型 1276．5 基于拉格朗日的集成模型分解算法 1326．5．1 拉格朗日分解框架 1326．5．2 求解步骤 1356．5。3 乘子更新与条件 1366．6 案例分析 1386．6．1 场景l 1396．6．2 场景2 1406．6．3 场景3 1416．6．4 求解效果 1436．7 结论 一1447 总结与展望 。1457．1 研究工作总结 1457．2 研究展望 146附录A 模型参数与结果 149A．1 第4章案例结果 ．149A．2 第5章模型参数与结果 。．150A．3 第5章过程模型拟合结果 一156附录B 符号说明 167B．1 第2章数学模型 167B．2 第3章数学模型 168B．3 第4章数学模型 170B．4 第5章数学模型 173B．5 第6章数学模型 178XXI万方数据目录参考文献目录参考文献 ．187个人简历 ．201作者在学期间所取得的科研成果 ．203XXII万方数据绪论1绪论绪论1绪论摘要：本章从方案调度视角，分别对石化企业中炼厂与乙烯装置的物流研究和应用背景做了详细介绍。然后从能量系统运行优化角度，对石化企业能流优化背景和进展做了具体探讨，对国内外研究物流与能流优化现状进行了总结。继而从石化企业物流与能流建模方法和求解方法两个角度入手，立足于目前企业在物流与能流集成方案优化方面的研究和应用现状，阐述了本文研究工作的出发点和意义。关键词：石化企业；方案调度；生产系统；能量系统；集成优化；综述1．1引言根据“十二五〞总体规划，我国政府对能源能源消费总量与效率提出目标：截止2023年，国内生产总值能耗需减少至0．87标准煤／吨，较2023年下降16％，能源效率需提高至38％，炼油产业能耗需下降至63千克标油／吨。随着“十三五〞的开启，我国开始更加重视魂晶污染防治方面工作，对节能减排等提出更高约束要求。因此，推进建立节能减排、资源以及环境友好型社会是我国经济建设的重点任务。我国能源消费利用有两大特点，一是我国人口基数大，截止2023年人均能源消费量位2．7吨标准煤／年，已接近世界平均水平，但与兴旺国家还有一定差距，是美国的27．6％，德国的49．6％，以及日本的52．6％[1，2]；二是目前能源利用效率低下，2023年我国国内生产总值占全世界GDP9％左右，但能源消耗却翻了一番，到达19％，其中单位GDP能耗是世界平均水平的2．5倍，美国的3．3倍，能源利用效率只有约38．2％E31，比兴旺国家低10％左右[1,21。目前能源消耗主要集中在工业，约占全国总能耗70％，其中，石油化工等行业占全国总能耗50％。随着石油化工行业节能降耗研究的逐渐加深，能量系统优化技术逐渐被引入到石化企业节能减排应用中来，这给企业解决能源问题带来全新视角，石化企业能量系统的优化技术范围也从最初的单装置逐渐扩大至整个系统甚至整厂。23万方数据绪论绪论石化企业中传统的生产方案与能量系统优化采取分步求解策略，即先生产计划再能量系统，两者的关系实际为主从关系，即生产方案的物流优化结果断定了能量系统的能源消耗量。在上世纪末时，由于石油价格低廉，这样的优化顺序对能源的额外消耗对企业的整体利润影响不大。然而随着近年世界石油市场竞争的加剧，在新的市场环境和开展趋势下，石油化工已经成为微利行业，市场对石油产品需求的不断变化，逼迫企业必须对市场波动做出更敏捷和准确的运营决策，因此企业必须改良传统的生产优化策略，石化企业物流与能流的集成优化正是在这样的背景下逐渐被重视起来。但由于传统的观点认为生产方案与能量系统的关联不大，从而致使这两局部的研究工作一直独立进行，生产方案与能量系统之间的集成优化在学术界目前几近空白。另一方面，虽然近年来我国石油化工企业的节能工作取得很大进步，大局部装置能耗已接近甚至超过世界先进水平，但整个石化企业的单位原油加工能耗那么比高出世界先进水平很多，主要表现在全厂的蒸汽动力系统、原料和产品储运系统及其它系统的能耗较高【4】。随着生产过程与能量系统的集成优化，生产方案安排的改变，必然需要全厂能量做出相应调整，而以固定工况设计的能量系统，很难进行对应变动。因此在生产过程中，集成能量系统运行操作，让企业及时调整生产的用能需求，从而到达最大经济效益，具有重要意义。1．2石化企业生产工艺特点1．2．1炼厂生产工艺特点炼厂作为石化行业中的龙头企业，在对原油进行加工后，除局部可供销售的炼制产品外，还会生产大量可供下游化工产业迸行二次处理的化工原料。作为典型的流程工业产业，其生产工艺具有以下特点：一、工艺复杂以及工序繁多；整个生产过程包含多个关联环节，从原油进入原油储罐起，依次经一次加工装置一一常减压装置处理，再经二次加工装置一一催化裂化装置、延迟焦化装置、加氢裂化装置、加氢精制以及催化重整装置等，到中间产品罐区、油品调和、成品罐区以及出厂等，构成从原料到产品的生产全过程。另外因为生产过程中物料和能源的交错与循环使用，各个生产装置间能流和物流耦合紧密。二、产品结构复杂；炼油工艺中，除汽油、柴油和煤油等主产品外，还伴随大量副产品和中间产品的24万方数据绪论绪论生产，各产品间关联较大。同时产品性质规格各异，同类产品根据质量规格可以分为多个品种，例如在油品调和过程中，不同规格产品相互调和可以生成更多规格产品。三、生产过程伴随能源产耗；炼油生产过程中，对能量系统要求较高，需要大量公用工程如水、电、汽等二次能源供给，从而保证各装置物理或化学反应过程所需能量供给，同时局部装置如催化裂化装置，也会副产瓦斯等一次能源，可以作为能量系统的燃料供给使用。1．2．2乙烯厂生产工艺特点乙烯厂作为化工企业中典型的下游产业，与上游炼厂联系紧密，其裂解原料如石脑油和常压柴油等主要来自上游炼厂生产产品。国内乙烯装置大多采用顺序别离流程，即原料经裂解炉反响得到的裂解气经急冷后，进入压缩机各段压缩脱除重烃和水，然后进入碱洗塔脱除酸性气体，经枯燥器深度枯燥后，再经冷箱系统别离出氢气，此后进入脱甲烷塔，别离出甲烷和氢气，釜液送至脱乙烷塔，由脱乙烷塔塔顶别离出C2组分，剩余局部送至脱丙烷塔。依此按碳组分顺序别离，最终由乙烯精馏塔、丙烯精馏塔、脱丁烷塔分别得到乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、混合C4、裂解汽油等主副产品【5I。整个工艺过程主要包括裂解、压缩、别离三个工段。裂解单元包括裂解炉和急冷两大系统，其任务就是接收不同种类的原料送入裂解炉，加稀释蒸汽(Dilutionsteam，DS)进行裂解，产生的裂解气经废热锅炉急冷，再经油冷、水冷至规定温度，回收局部热量，把其中大局部油类产品别离后送入后续工序，并将蒸汽冷凝成工艺水送稀释蒸汽发生系统；同时接收高压锅炉给水并将其转化为高压蒸汽，接收别离单元返回的甲烷氢和补充的碳四余油等物料，经混合、汽化后作为裂解炉、蒸汽过热炉的燃料气。裂解炉是乙烯装置的主要能耗物耗设备，整个装置各组分比例在裂解炉反响过程得以确定，因此其运行状况优劣直接影响整个装置的经济指标。目前，提高乙烯装置经济指标，降低生产能耗的重要方法包括延长裂解炉运行周期、提高裂解炉热效率、提高高价值副产品收率。裂解单元主要由原料供给系统、裂解反响系统、高压蒸汽发生系统和燃料消耗系统组成。压缩单元主要任务是压缩来自裂解单元的裂解气，将裂解气压力提高到轻组分产品别离所需压力，为下一别离工段提供条件。裂解气在压缩过程中，逐段冷25万方数据绪论绪论却和别离，除去重烃和水，并脱除裂解气中的酸性气体，为别离单元供给合格的裂解气。乙烯装置精馏别离单元的主要任务是将来自压缩单元的裂解气经枯燥、深冷、加氢、精馏等过程，获得高纯度的乙烯和丙烯产品，同时得到其他副产品。1．3石化企业生产方案与调度研究与应用现状1．3．1炼厂生产方案研究综述国际上炼油企业生产方案的非线性建模优化研究，始于上世纪90年代末期。最早于1998年，Moro等人在其炼厂生产方案案例应用中引入了物性表达的非线性关系，并参加了各装置的线性产率模型描述，最终实现柴油生产的非线性调和[6]。Pinto等人通过建立进料物性和操作参数之间的关系，建立了非线性的炼油厂生产方案优化模St71，但其中局部过程采用简单的线性关系，因而降低了模型的预测精度。Zhang等人通过对常减压装置、催化裂化装置等装置进行线性的固定收率假设‘引，从而求解大规模炼油生产规划问题，但从机理上还有很大优化空间。Pinto等【9】在Moro提出的炼厂通用生产方案模型根底上，提出了炼厂多周期生产方案通用建模框架。Guerra在炼厂生产方案模型中集成了常减压装置和催化裂化装置的非线性机理模型，并且分别说明了该详细装置模型的应用效果【10，11】。Li等人于2023年建立了以非线性CDU经验模型为主的炼油企业生产方案模型，并对原油物性和各产品收率有较深入的研Etl2】。更进一步，产品质量特性也被引入基于经验的半机理过程模型中，提高了非线性生产方案优化模型的复杂度【l引。2023年，Alattas提出针对CDU馏分指数的非线性模型，在生产方案中引入非线性的CDU机理模型【Ⅻ。Omar等‘15〞翻利用原油蒸馏曲线和原油特性分布曲线建立了经验模型，使得模型准确性进一步提高。2023年，Handogo从全厂利润角度出发，通过软件仿真得到CDU的最正确操作条件【l〞，但未将全厂的其他装置操作条件考虑进来。生产过程周期库存和装置能耗与气体排放管理也在制定炼厂生产方案时被分别考虑进来‘18—91。近两年，Grossmann改良了传统生产方案中的常减压切割温度模型【201，从而提出更为精确的原油蒸馏过程模型。另外，单调插值方法也被用于炼厂多组分油品调和模型，从而提高炼厂生产方案中产品调和的精确度【21]。26万方数据绪论1．3．2绪论1．3．2 乙烯装置调度研究综述在乙烯生产的流程设计优化方面，前人已有不少研究。Diaz和Bandoni最早于1996年提出一个混合整数线性规划数学模型，基于非线性优化技术和过程仿真的结合，实现单个乙烯装置操作优化【221。Tjoa随后提出考虑操作条件的装置级混合整数非线性规划调度模型，重点研究涉及储罐与物流运输的库存管理[231。Gubitoso和Pinto在此根底上提出集成操作条件的乙烯装置非线性方案优化模型【241。Zhao分别对实际生产过程中，考虑乙烷回流的循环调度【251_9动态调度‘261进行了深入研究。Goethem基于工艺反响机理研究，提出单个裂解炉蒸汽裂解乙烷的最优化操作条件，从而有效提高了单炉乙烯产率[271。基于面向蒸馏系统乙烯生产经济效益优化技术，Khor提出了烯烃别离过程的最优流程确定方法[281。近年来，为了提高整体生产利润并降低企业操作本钱，装置级甚至整厂级的方案调度研究越来越受到重视。值得注意的是，在乙烯装置的裂解系统多组调度与设计优化研究中，越来越重视如炉管结焦等过程操作条件。Grossmann和Lim先后提出了考虑裂解过程结焦现象的乙烯装置中裂解炉炉群的循环调度策略，从而确定最正确的清焦时间【29’3们。Riverol和Pilipovik通过模糊规划技术，在乙烷裂解优化过程中引入转化率，蒸汽占进料比例，以及原料入口温度和压力等工艺条件【3l】。Schulz在裂解炉炉组调度中引入过程操作，并将结焦反响过程与操作时间关系线性化处理，得到考虑裂解炉启停、清焦操作的调度策略[32，331。另一方面，由于乙烯生产过程中的原料裂解、裂解气压缩与急冷别离单元等都伴随着公用工程的产耗发生。随着乙烯生产管理水平的提高，乙烯装置对节能降耗提出了更高的要求，以降低产品本钱，提高企业竞争力。已有学者致力于整个装置的换热网络集成与能源设备设计优化等相关研究中。Pandey和Rangaiah基于Aspen仿真模型，面向乙烯装置冷却端别离过程，提出一种多目标优化策略来实现能耗损失与公用工程需求的同时降低【341。Hirata和Kakiuchi通过过程集成技术，对乙烯装置的丙烯冷却系统进行优化，从而降低整个装置电能消耗【341。通过仿真比拟两种基于不同热集成网络的序列别离塔，Sob06an和Glavi否提出一种针对石脑油裂解制乙烯的过程集成技术【351。Han建立了一种应用于化工装置中冷凝式汽轮机的在线优化系统，从而实现生产降耗，并实时预测化工企业生产过程中的汽轮机运行效果[3刚。27万方数据绪论1．4石化企业能量系统运行优化研究绪论1．4石化企业能量系统运行优化研究从系统工程的角度来看，流程工业过程通常包括工艺生产系统、蒸汽动力系统和换热网络。其中，蒸汽动力系统与换热网络共同组成石化企业的能量系统【371。蒸汽动力系统，作为石化企业能量系统的主要组成局部，因为提供各等级蒸汽和电力等生产系统需要消耗的能源介质，且附带消耗瓦斯等燃料气体，从而占据整个能量系统80％以上能源产耗【38'391。同时它包含锅炉、透平等多种产能设备，整体运行优化空间较大。因此近年来石化企业的厂级能量系统优化主要集中于蒸汽动力系统优化研究。1．4．1能量系统优化研究综述目前，国内外对石化企业能量系统尤其是蒸汽动力系统设计和运行优化方面展开了大量学术研究和工程应用。在蒸汽动力系统设计方面，Papoulias和Grossmann[401最早基于给定蒸汽和动力需求，通过数学规划方法来对蒸汽动力系统进行结构和参数优化，并且随后将模型拓展至多周期，同时考虑了生产工艺过程中的需求变化。Petroulas和Reklaitis[4l】同时考虑蒸汽压力条件和装置动力需求分配问题，基于动态规划方法对蒸汽动力系统的做功过程进行优化。Colmenares和Seidertl42J在换热网络超结构分析根底上，提出集成蒸汽动力系统与工艺过程的非线性规划模型。Maiat43]等人使用模拟退火方法来解决设备的分段不连续负荷问题，通过系统能量综合分析提出分段费用函数。张冰剑等Ⅲ】采用MILP模型来描述蒸汽动力系统的超结构，在他们的研究中，预先设定了设备停产维护等特殊情况。廖祖维等【45】考虑了实际生产过程中数据缺失的问题，研究在不确定条件下对于蒸汽动力系统的调度策略进行模糊建模。在蒸汽动力系统的运行优化方面，Papoulias等[46]采用混合整数线性规划(MILP)方法率先对蒸汽动力系统的参数优化进行探索。在他们的研究中，系统对于公用工程的需求量相对固定，主要研究思路是基于不同介质的平衡关系推导。在此根底上，他们对于蒸汽动力系统多周期调度时各周期需求变化的情况进行了深入研究[47]。在连续时间模型研究方面，Zhang和Sargent[48]对于Pantelias[46]等提出的“资源．任务〞网络概念进行了推广，建立了适用于批处理和连续操作的连续时间模型。Yokoyarna[49]等提出了一种针对热电联产系统年度方案排产的28万方数据绪论绪论优化策略，可以将系统的运行优化问题分解为非线性规划和混合整数线性规划问题求解。Wellonstl[5研建立一套包含半机理非线性装置模型的适用于热电联产的在线优化系统，可用于装置的实时运行优化。Mavromatis和Kokossis[51，521提出一种硬件集成工具，面向蒸汽动力系统的透平网络进行集成建模与运行优化。Strouvalis和Heck[531针对蒸汽系统考虑设备维修的运行优化问题，提出基于分支定界算法面向线性规划问题的求解器。在此根底上，Strouvalis和Heck[54】通过改进的分支定界算法实现了蒸汽动力系统设备维修方案的最优方案确定。Grossmann先后对通用的炼厂蒸汽动力系统建模框架进行从管网结构到产能设备的深入研究【55，5刚。Varbanov等【571对于蒸汽轮机和燃气轮机的模型进行了改良，提升了优化空间，降低了生产和调度本钱。Shang提出了涵盖蒸汽轮机的公用工程热电联产全厂模型[581。戴文智等【591利用改良型PSO算法来求解考虑了设备维护和启停费用的蒸汽动力系统数学模型，从而确定系统运行的最优状态。Luo分别在热电联产操作优化中考虑了环境本钱㈣与装置故障维修㈣因素。对蒸汽轮的运行表现评估分析与改造方案也被集成到炼厂的操作优化中来【621。另外，炼厂的瓦斯系统调度[631以及乙烯生产工艺中制冷系统[641也被引入到能量系统操作优化当中，以提高石化企业的能源利用效率。在蒸汽动力最优设计和运行的同步优化方面，lyer和Grossmann[65】最早提出了蒸汽动力系统的设计与运行优化集成建模框架，并提出模型双层分解策略来解决集成多周期模型的规模指数性增大所带来的求解难度提高的问题，通过分解原问题为最优设计子问题和最优运行优化子问题，并在求解过程中插值剪切，实现模型快速收敛求解。在此模型根底上，Francisco和Matos[删对其进行升级，考虑系统燃料燃烧气体排放引起的环境问题，使用多目标优化算法实现生产本钱与环境污染的平衡。1．4．2优化方法综述国内外对于蒸汽动力系统的优化方法研究一直比拟活泼。其中数学规划方法由于在求解凸优化问题时能够高效的搜索到全局最优解，且能够对最优解进行评估，因此在方案调度研究中得到广泛的推广和应用。结合蒸汽动力系统的优化调度而言，首先需要采用数学形式描述系统中多种能源介质的供需关系，锅炉和透平等设备的运行负荷，然后建立蒸汽动力系统的数学模型。模型的目标函数通常29万方数据绪论绪论选择最小化本钱或者最大化收益。不同类型的模型有不同的求解策略。对于MILP模型而言，常用的有效求解策略有分支定界法、割平面法等，而当问题升级为非线性规划问题时，可以选择牛顿迭代法、梯度下降法、外近似法等。在上述模型中，涉及设备运行的负荷参数如锅炉燃料消耗量、蒸汽产量、透平进出口蒸汽流量及输出功、透平发电量等参数可以用连续性变量进行表示。而涉及设备运行状态的参数，如锅炉或者透平的开启、关闭以及开备、进料切换行为，那么使用0．1变量进行表述。目前，数学规划方法在石化企业能量系统尤其是蒸汽动力系统的工业应用上已经得到了广泛应用。Chi．WaiHui[671等针对石化企业蒸汽动力系统的运行升级提出了混合整数线性规划建模方法。吕择华【68]等在化工企业蒸汽动力系统优化中引入转轴搜索可行方向法来确定生产最优操作方案。张国喜【69]等建立了蒸汽动力系统方案调度问题的混合整数线性规划模型。Iyer和Grossmann【55J首次提出使用最短路径规划法来求解面向蒸汽动力系统的MILP模型。Kim和Han[圳、Varbanov等【711以及Han等【361针对前人研究中，系统中设备大多采用线性模型导致和实际运行状态偏差较大等问题，各自引入产耗能设备的非线性模型，从而构建蒸汽动力系统的混合整数非线性规划模型。邱庆刚等[72】提出实现复杂线性公用工程中流程结构与蒸汽参数同步优化的建模方法，并采用混合连续进化算法求解，从而真实反映系统非线性。Yi等【73]针对蒸汽动力系统多周期运行优化当中系统能源产耗数据的波动性问题，引入启发式策略来进行系统的再调度排产。Hirata等【741首次提出多个蒸汽动力系统的联合调度，实现多厂能量系统的全局最优操作。廖等【45】针对生产过程中的数据不精确性，基于模糊规划方法，提出不确定性情况下的蒸汽动力系统调度策略，并且引入满意度法和必然性测度法对模型进行求解处理。Sajad等【751将蒸汽轮机作为气陷引入公用工程的建模当中，综合评价了集成后的装置经济效益。Luo等‘761考虑装置故障与预留操作冗余，建立了MILP模型，通过对实际运行周期分解，在满足正常运行的蒸汽需求前提下，考虑装置临时故障的虚拟周期，从而降低操作本钱。30万方数据绪论1．5生产与能量系统集成建模优化研究现状绪论1．5生产与能量系统集成建模优化研究现状1．5．1耦合建模技术近十年来，国内外相关研究已经试图在生产方案优化中兼顾物流与能流的协同优化。早在2023年，Kim等通过建立多周期优化模型，研究装置操作本钱与能源需求波动对能量系统能源供给的影响[771。Moita开发了一个动态模型，用于集成优化结晶盐过程装置和热电联产装置[781。Puigjaner提出了针对I'耳-J歇与半连续生产的集成企业热电联产框架[791。Zhang面向生产过程建立了MILP模型，实现热电联产装置级操作优化【8叭。近年来，针对常减压装置模型，也有学者研究装置级操作优化与换热网络的集成优化研究【8¨。Alhajri提出一个可以实现生产计划与氢气、C02管理的集成框架【821。Zhang提出了针对炼油企业过程装置和能量系统的换热系统的蒸汽介质集成优化，从而提高生产能效‘831。Agha[841引入RTN方法来表征炼厂生产系统与能量系统间的多介质耦合关系，从而提出蒸汽动力系统对生产系统的柔性供气策略。国内近年来对于生产方案与能量系统运行优化集成研究才刚刚起步。张冰剑等[85‘871首次采用IDEF0方法描述生产方案与能量系统相互关系，建立生产方案与能量系统集成的混合整数线性规划模型，实现热电联产装置级操作优化。蔡九菊等[881将钢铁企业的生产系统分解为相互关联的物质流动和能量流动，考虑物质流和能量流的相互关联和制约，建立两者的耦合模型。李安学等【89】针对生产方案与能量系统的并行特性，用并行工程方法提出了确定业务流程的业务过程模型，为集成软件系统的开发奠定了根底。李初福等【别提出化工过程生产装置非线性能耗模型，从而在生产方案优化中考虑了能耗本钱。罗棉清等【91】对乙醇生产过程系统进行能值分析，通过循迹法建立复杂系统能值计算，确定系统中各种能值分配。张冰剑[92】近期又提出了蒸汽介质层的炼油企业过程装置和能量系统的换热系统的集成优化，从而提高生产能效。以上研究根本都建立在两个系统的分步优化根底上，或针对单个装置进行优化，或应用于离散制造行业，没有实现石化企业生产物料系统与能量系统的同步优化。因为不能保证炼油企业生产方案的全局最优，从而失去全厂经济效益有效提升空间。因此，如何在炼油企业生产方案优化中，实现生产系统与能量系统的31万方数据绪论绪论集成优化，既提高整个炼油企业的生产效益，又实现企业节能减排目标，已经成为企业生产方案制定中迫切需要解决的难题。1．5．2复杂模型求解策略优化调度问题中的调度决策需要通过模型求解之前方可获得。评判求解方法好坏的两个重要指标是求解时间的长短以及求解结果的优劣。为了能在最快的求解时间内得到最优的调度决策，不少学者对优化问题的求解方法进行了深入的研究。根据优化求解原理的不同，求解方法可分为以下几类：数学规划方法、智能优化方法和基于仿真的方法。数学规划算法将所研究的实际物理对象抽象为一个数学模型，用数学规划问题来代替原有的优化问题，进而结合模型的特点和类型，选择一个合理的求解算法在满足模型约束的前提下，寻找最大化利润或者最小化本钱的最优解。因为数学规划算法在求解凸优化问题时能够高效的搜索到全局最优解，且能够对最优解进行评估，因此在优化调度研究中得到了广泛的推广和应用。不同类型的模型有不同的求解策略。对于MILP模型而言，常用的有效求解策略有分支定界法或者割平面法等。而当问题升级为非线性规划问题时，可以选择牛顿迭代法、梯度下降法、外近似法等。目前在优化调度领域，有关改良数学规划算法并加以应用的研究已经较为成熟。对于一般的调度问题，Quesada和Grossmann㈣在处理包含别离机、混合机和多组分流的网络优化时，采用了一种再形成线性化的策略来确定全局最优解的下界，对于其中包含的LP问题采用了分支定界研究方法。Lee掣941在炼厂库存管理调度问题中，为了最优化原油卸货量、输送管路、炉料流量和精馏塔的流量，建立了炼厂原油调度的MILP模型，并且采用了优先分支定界和特殊命令集获取模型最优解。针对类似的问题，Rejowski等‘951建立了满足所有管路的物料平衡约束、分发约束、产品约束、顺序约束以及逻辑约束的MILP模型，并创新地采用割平面法对模型进行求解。当实际问题包含大量的离散变量时，Pinto等【96]在传统的分支定界法根底上，结合析取规划法，大幅缩减寻找最优解所需遍历树的节点数。在蒸汽动力系统调度研究方面，2023年，Yeo等【971针对化工企业的公用工程系统操作优化建立了MILP模型，在他们的模型中考虑了燃煤锅炉和燃油锅炉的负荷配比。Cheung等【981建立了流程工业考虑物流系统和能流系统的全局32万方数据绪论绪论MILP调度模型，在模型中同时考虑了产品需求、设备运行负荷约束、生产系统中间产物供需、全厂物料平衡等约束。通过优化全厂设备的维护策略、原料库存和中间产物的购置或者外售，提高能源利用效率。他们在上述模型根底上，进一步将设备维护的调度策略拆分为两个阶段一一长期调度和短期调度。长期调度用于决定设备在2．5年的开备组合，而短期调度用于决定设备在4．10周内关闭的具体时间、检查时长和再启动时间【991。Agha等[1001将生产系统调度和能源系统优化集成在一个混合整数线性规戈JJ(MILP,mixed-integerprogramming)模型中，并且在研究案例中取得了较好的应用效果。在实际的化工过程中，存在着诸多非线性环节，包含非线性因子的模型往往是非凸的。尽管目前对于数学规划算法中的线性问题求解已经研发了大量的成熟策略，但对于非线性问题，仍旧难以在合理的时间要求内寻得全局最优解。对于MINLP等非线性问题，往往根据实际的问题选择求解策略。常见的求解策略包括：分解策略、聚合策略、启发式方法等[10l】。分解策略将原始的混合整数非线性规划问题拆分为一系列混合整数线性规划子问题和一系列非线性规划子问题。通过对子问题的求解获取原问题的最优解或者次优解。常用的分解方法有拉格朗日分解法、广义Benders分解法、等式松弛外近似法(OA／ER)等【1021。Wu和Ierapetritou[1031在求解大规模的调度问题时，采用了拉格朗日分解法对于模型进行求解，同时引入基于启发式的分解方法。在他们的研究命题中，拉格朗日松弛问题提供了模型解的上界，而模型解的下界那么通过启发式方法获得，最后文中提出了一种迭代求解框架用于寻找最优或者满意的调度方案。Joly等[1叫在研究炼厂的方案调度问题时建立了MINLP模型，基于线性规划方法选择分支定界法来求解MILP子问题，采用MINOS5对NLP子问题进行求解。当满足DICOPT++停止条件时，算法将停止搜索。Papalexandri等‘1051在对石化企业能源系统进行建模与优化时，考虑了透平效率等不确定因素，以此探索灵活的操作场景，应对现场实际的不确定性问题。针对文中所建立的M1NLP问题，采用了Geoffrion[1061提出的广义Benders分解(GBD)策略寻找最优解。实际问题可能涉及到大量的连续或者离散变量而导致模型规模太大，这时单单通过模型分解很难起到较好的求解效果。因此，需要进一步结合聚合方法等其他策略。Iyer和Grossmanntm71在设计海上油气设施的投资调度方案时，搭建了包含上千个O．1变量的MILP模型，其中包括多种离散决策变量和连续决策变量，如各周期储罐的选择、油气井选址、33万方数据绪论绪论钻井和平台安装、平台产能等。为降低求解难度，首先对于油井和操作周期进行聚合，然后采用分支定界法进行求解。VandenHeever等[1081对于相同的研究命题建立了MINLP模型，提出了一种基于逻辑方法的迭代聚合／解集的算法，同时在求解过程中集成了上下两层分解、聚合时间等策略。此外，文中引入动态规划子问题对于每次迭代后的聚合方案进行改良。在上述研究中，当面临的模型过于复杂时，为了在合理的时间内获得最优解或者满意解，需要在求解时间和效果之间进行折衷，放宽了对解的最优性要求，以求通过尽可能小的计算量获取尽可能满意的可行解，这便是启发式方法的思想[1091。启发式方法在实际的执行中对于人们积累的工程经验和专家知识具有很强的依赖性，在有限的解空间内执行较少的搜索。因此对于大规模的系统优化问题需要结合其他的求解方法和策略。Bassett0J提出了一种分解策略，提高了石化企业大规模优化调度问题的求解效率，同时他们的研究中对于离散时间分解方法的利弊进行了细致的分析。Yee和Shant¨lj分析了求解混合整数线性规划(MILP)的难点和改良思路。他们的关注点在于尽可能缩小原MILP问题最优解和原MILP问题对应的LP最优解的差距。同时，文中就不同的测试案例分别采用了两种方法进行求解，结果说明所述方法能够改良离散时间模型的求解效率。Lee等‘1121结合批处理等调度问题的独特性，开发出一套新的非均匀时间离散化方法。在他们的研究中，引入了多种有效约束，用0．1变量表示每个时间段中调度指令的执行与否。另外针对石化企业中多系统或者多网络间的侧线耦合关系导致的双线性非凸性问题，例如原油调度问题【93，1131以及方案和调度集成‘114，¨51问题，前人已有研究提出对应的模型分解或两步随机规划[116】求解策略。1．6本文研究内容本文对炼油企业和乙烯装置的物流与能流集成优化进行了系统地研究，根据石化企业工艺生产的实际情况，首先建立了企业物流生产方案建模优化框架，并在模型中引入生产工艺特性等重点操作条件，提高生产方案可执行性，然后基于石化企业能源系统特点，提出以能量系统为主的能源系统运行优化建模框架，并对其中的关键产能设备进行数学描述。以此为根底，分别针对炼油企业和乙烯企业生产特性，构建出面向炼厂和乙烯装置的物流与能流集成优化模型，并且提出一种基于启发式的MINLP模型分解策略，并将这种方法应用于炼油企业的生产34万方数据绪论绪论系统与能量系统集成优化策