煉廠原油混輸長周期調(diào)度排產(chǎn)建模

王文濤(中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578000)

0 引言

我國自改革開放以來，國民經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，原油加工量逐年增大。據(jù)統(tǒng)計，2019年，我國石油凈進(jìn)口量達(dá)到5.1 億噸，石油消費(fèi)量達(dá)6.5 億噸。進(jìn)口原油品種多樣化差異明顯，且針對國家對原油煉化過程中低碳環(huán)保生產(chǎn)和成品油規(guī)格要求越來越高，原油調(diào)合和調(diào)度優(yōu)化變得至關(guān)重要[1]。原油調(diào)度的對象包括油輪、碼頭罐、中間罐、裝置罐和原油蒸餾裝置(CDU)。原油調(diào)度流程包括原油從油輪的卸載、在碼頭罐區(qū)的存儲、從碼頭罐區(qū)到中間罐區(qū)以及裝置罐區(qū)的運(yùn)送、在裝置罐區(qū)的存儲、在裝置罐區(qū)到生產(chǎn)裝置的管道輸送。原油調(diào)度要根據(jù)原油計劃所確定的加工方案、加工量和原油混合比，輸送正確類型的原油到原油蒸餾裝置，并保證供應(yīng)的連續(xù)性。基于調(diào)度問題的復(fù)雜性，手工調(diào)度已不能滿足優(yōu)化生產(chǎn)的需要，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法解決原油調(diào)度，提高調(diào)度的科學(xué)性，已成為行業(yè)人員的共識[2]。

1 原油混輸長周期調(diào)度模型

針對煉油企業(yè)生產(chǎn)和調(diào)度特點(diǎn)，從煉油企業(yè)整體角度出發(fā)來構(gòu)建調(diào)度模型。同時，為保證模型的適用性，通過分步優(yōu)化建模方式，構(gòu)建模塊化的調(diào)度模型。

1.1 原油聚類分析模型

依據(jù)原油詳細(xì)評價性質(zhì)數(shù)據(jù)以及煉廠調(diào)度人員經(jīng)驗，將煉廠常煉原油進(jìn)行自動聚類劃分，依據(jù)劃分結(jié)果進(jìn)行原油加工方案的優(yōu)化建立。例如依據(jù)硫含量、密度可分為含硫中質(zhì)原油、低硫中質(zhì)、含硫輕質(zhì)、低硫中質(zhì)等類別。

1.2 原油選擇優(yōu)化模型

基于原油聚類分析結(jié)果，統(tǒng)計期初原油類別庫存結(jié)構(gòu)以及在途資源，設(shè)置合理安全庫存，確認(rèn)各類資源的消耗彈性區(qū)間，保證各類原油資源能夠正常不間斷供給。利用原油性質(zhì)和蒸餾裝置的性質(zhì)約束，構(gòu)建如下線性規(guī)劃方程，并引入各類原油資源的消耗彈性區(qū)間即加工比例上下限，以此優(yōu)化蒸餾裝置加工方案，完善裝置加工方案庫，為上層優(yōu)化模型提供優(yōu)化方案來源。

1.3 短周期模型分層策略的結(jié)構(gòu)

上層優(yōu)化模型是基于離散時間建模策略的優(yōu)化模型，該優(yōu)化模型的目標(biāo)是決定加工方案執(zhí)行的時刻和加工量以及加工方案的切換，同時決定每種單油的庫存及消耗量。在優(yōu)化模型中僅僅涉及與蒸餾裝置、調(diào)合頭以及長輸管道的轉(zhuǎn)輸方案決策相關(guān)的信息，而物料移動的具體細(xì)節(jié)由下層操作模型決定。上層優(yōu)化模型所計算出的變量將會作為下層系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，這些參數(shù)包括蒸餾裝置加工方案信息，原油轉(zhuǎn)輸信息。

1.4 上層優(yōu)化模型

上層優(yōu)化模型是以蒸餾裝置為源頭，逐步向裝置罐區(qū)、長輸管道、岸罐延伸。為保證蒸餾裝置加工穩(wěn)定，需優(yōu)化加工方案，保證平穩(wěn)切換。針對只有一套蒸餾裝置時，付油管道只存在單蒸餾裝置的方案切換，長輸管道輸送方案維持不變；當(dāng)上一加工方案庫存不足時，優(yōu)先切換中間罐區(qū)和碼頭罐區(qū)加工方案虛擬庫存最大的加工方案(保證加工方案可持續(xù)性)，長輸管道流速匹配蒸餾裝置加工流速。

1.5 下層操作模型

在調(diào)度模型中，下層操作模型指的是單罐調(diào)度模型，以單個罐為模型對象。其固有屬性包括最大罐容、實(shí)時罐容、實(shí)時油種、罐實(shí)時靜置時間、罐收油狀態(tài)。

1.6 接卸調(diào)度模型

接卸調(diào)度的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)油輪卸油作業(yè)安排，整個流程涉及合理安排油輪卸油，選擇合適的管線進(jìn)行輸油，選擇合適油罐存儲原油。模型輸入為采購計劃，包括原油到港信息和原油參數(shù)信息，模型關(guān)鍵參數(shù)包括碼頭、油罐和管道設(shè)備的相關(guān)參數(shù)。此模型最主要是根據(jù)原油月度加工計劃推薦月度來油計劃，作為短期調(diào)度模型的邊界輸入條件。以實(shí)際來油計劃合理安排接卸模型。將實(shí)際來油計劃帶入原油混輸短期調(diào)度模型中，判斷各油種來油接卸的可能性，如不滿足碼頭罐容量約束，將以推薦來油模型計算該油最合理來油時間。

1.7 模型優(yōu)化求解

以短期調(diào)度模型搭配接卸調(diào)度模型構(gòu)建煉廠原油混輸長周期調(diào)度排產(chǎn)模型，長周期排產(chǎn)建模實(shí)質(zhì)上是由多層次模型交叉搭建完成，規(guī)模大、復(fù)雜性高，在長周期(一個月)迅速得到一個合理的可行解成為關(guān)鍵問題。

1.8 人工經(jīng)驗修正排產(chǎn)

通過長周期調(diào)度排產(chǎn)模型生成的調(diào)度計劃，會因為加工目標(biāo)、原油到港情況、蒸餾裝置負(fù)荷等排產(chǎn)條件變化需要靈活調(diào)整。在排產(chǎn)結(jié)果引入人工修正機(jī)制，針對調(diào)度計劃任意時間點(diǎn)的任意作業(yè)類型進(jìn)行調(diào)整，固化調(diào)整時間點(diǎn)的排產(chǎn)結(jié)果，以調(diào)整點(diǎn)為期初更新調(diào)整安排，代入長周期調(diào)度排產(chǎn)模型中自動生成調(diào)整時間點(diǎn)之后的調(diào)度計劃。經(jīng)多次修正后，調(diào)度計劃更具實(shí)際原油加工的指導(dǎo)意義。

2 某煉廠案例研究

根據(jù)某煉廠原油加工業(yè)務(wù)背景建立長周期調(diào)度排產(chǎn)模型，一套蒸餾裝置，煉油一次加工能力920 萬噸/年。兩個原油罐區(qū)，其中主罐區(qū)為廠內(nèi)原油罐區(qū)，12 個原油罐，均為單油組分罐，有10 個10×104m3，兩個5×104m3，可用罐容為85×104m3。從碼頭油輪接卸原油優(yōu)先進(jìn)廠內(nèi)原油罐，其次進(jìn)商儲原油罐。商儲原油不能直接調(diào)合加工，需轉(zhuǎn)輸進(jìn)廠內(nèi)原油罐。碼頭卸油進(jìn)原油罐需經(jīng)過8h 商檢時間。原油罐需靜置24h 脫水后才可付蒸餾裝置加工。

因商儲罐區(qū)的特殊性，模型將其儲罐理想化，不以具體罐建模，不限罐容，無限制進(jìn)油。廠內(nèi)每個罐根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)置安全低限和高限，以某煉廠某一天為排產(chǎn)起始點(diǎn)，原油罐區(qū)狀態(tài)為實(shí)際調(diào)度情形為模型對比數(shù)據(jù)，排產(chǎn)周期21d，原油期初資源如表1 所示。常減壓加工流速1100t/h，當(dāng)前加工方案確定。

2.1 原油聚類分析

統(tǒng)計期初各原油庫存情況，并進(jìn)行聚類分析。依據(jù)各類原油在途運(yùn)輸情況，確定各類原油消耗流速。

2.2 原油選擇優(yōu)化建立加工方案庫

以原油性質(zhì)、各類原油消耗上下限以及蒸餾裝置加工約束給出優(yōu)化加工方案如表2。

表1 期初原油資源

表2 優(yōu)化加工方案

2.3 長周期調(diào)度排產(chǎn)模型求解結(jié)果

將優(yōu)化加工方案庫結(jié)合原油到港情況代入長周期調(diào)度排產(chǎn)模型中，得到計劃原油加工安排，如表3。

表3 來油接卸對比

從模型輸出來看，針對排產(chǎn)周期內(nèi)的既定來油資源，調(diào)度模型給出詳細(xì)的來油接卸方案，與實(shí)際來油相比，實(shí)際新增來油Oil10。實(shí)際的加工過程更加靈活，調(diào)度模型按照一定的啟發(fā)式規(guī)則會沿著既定的路線尋找到可行解，再輔以人工經(jīng)驗修正，就能大致與實(shí)際相切合。

3 結(jié)語

從滿足調(diào)度的可行性的角度出發(fā)，結(jié)合調(diào)度實(shí)際過程的經(jīng)驗操作轉(zhuǎn)換為模型啟發(fā)式規(guī)則，構(gòu)建離散時間多層次模塊化調(diào)度模型?？紤]原油從來船接卸收儲、轉(zhuǎn)輸調(diào)合、加工整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。以某煉廠生產(chǎn)例子為案例研究，說明模型單罐區(qū)單整流裝置多油種多加工方案的適用性。本文只是針對平穩(wěn)工況的長周期調(diào)度安排，沒有實(shí)時考慮原油加工優(yōu)化的問題，還有待進(jìn)一步研究。