考慮長(zhǎng)輸管線輸油過(guò)程的原油調(diào)度模型

周智菊，房 ，張 蕾

(中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司，北京 100083)

在煉油企業(yè),作為計(jì)劃制定和生產(chǎn)操作的橋梁,調(diào)度過(guò)程對(duì)于計(jì)劃方案的落地實(shí)施起著重要作用?；诠芾砹?xí)慣,可以將整個(gè)調(diào)度過(guò)程分為原油調(diào)度、生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品調(diào)合和交貨調(diào)度過(guò)程[1]。原油調(diào)度方案決定著原油的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、調(diào)合和加工過(guò)程,是保證裝置安全、平穩(wěn)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)高效利用機(jī)會(huì)原油和節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本的基礎(chǔ)和關(guān)鍵之一。目前,多數(shù)企業(yè)采用人工排產(chǎn)的方式確定原油調(diào)度方案。這種工作模式對(duì)調(diào)度員的能力要求較高,同時(shí)會(huì)造成計(jì)劃方案編制周期較長(zhǎng),且只能編制出可行性方案,而無(wú)法編制出優(yōu)化方案。為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)高質(zhì)量生產(chǎn),許多科研人員選擇開發(fā)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型去進(jìn)行原油調(diào)度的智能編排。

根據(jù)原油輸送環(huán)節(jié)不同,調(diào)度工藝流程可以分為:由油輪、儲(chǔ)罐和原油蒸餾裝置組成的三級(jí)儲(chǔ)運(yùn)流程,由油輪、碼頭罐、廠區(qū)罐和蒸餾裝置組成的四級(jí)儲(chǔ)運(yùn)流程,由油輪、碼頭罐、管線、廠區(qū)罐和原油蒸餾裝置組成的五級(jí)儲(chǔ)運(yùn)流程,其調(diào)度流程如圖1所示。在三級(jí)原油儲(chǔ)運(yùn)流程中,企業(yè)會(huì)進(jìn)行油輪卸載操作、儲(chǔ)罐收油操作、罐內(nèi)油調(diào)合操作、儲(chǔ)罐付油操作和蒸餾加工操作。在四級(jí)原油儲(chǔ)運(yùn)流程中,除上述操作外企業(yè)還會(huì)進(jìn)行由儲(chǔ)罐到儲(chǔ)罐的原油輸送操作。五級(jí)原油儲(chǔ)運(yùn)流程最為復(fù)雜,除上述操作流程外,還涉及到原油管道調(diào)合操作和管道輸送操作。長(zhǎng)距離輸油管線(長(zhǎng)輸管線)是五級(jí)原油儲(chǔ)運(yùn)流程中具有特征性的設(shè)備對(duì)象。因?yàn)檩斢凸芫€的長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)十千米、甚至數(shù)百千米,所以原油進(jìn)入管線后要經(jīng)歷數(shù)十小時(shí)才能離開管線,延遲效應(yīng)大大增加了原油調(diào)度方案的編制難度。

學(xué)者對(duì)三級(jí)[2-5]和四級(jí)[6-10]原油儲(chǔ)運(yùn)流程問(wèn)題研究較為廣泛,但對(duì)長(zhǎng)輸管線的輸油過(guò)程研究仍較少。目前,對(duì)長(zhǎng)輸管線輸油過(guò)程的建模思路主要有2類:第一類方法[11-13]以原油“先進(jìn)先出”的運(yùn)行特征為立足點(diǎn),根據(jù)原油的入線方案,更新管線內(nèi)的原油分布并確定原油的出線方案。該類方法利用大量變量和約束來(lái)抽象原油“平推流”式的移動(dòng)過(guò)程,而且常常不允許發(fā)生原油管道調(diào)合操作[11-12],這些都降低了模型的適用性。第二類方法[14-15]以固定時(shí)間長(zhǎng)度作為原油在管線中的輸送時(shí)間,簡(jiǎn)化描述管線延遲輸送過(guò)程。該類方法實(shí)施簡(jiǎn)單,但只適用于以恒定速率連續(xù)輸送的情況,而無(wú)法描述間斷或變速輸油過(guò)程。因此,第二類方法無(wú)法完全解決五級(jí)原油儲(chǔ)運(yùn)流程問(wèn)題,迫切需要在第二類方法的基礎(chǔ)上研發(fā)一種新的連續(xù)時(shí)間數(shù)學(xué)規(guī)劃模型,不事先固定延遲時(shí)間,而通過(guò)原油入線方案來(lái)推測(cè)管線延遲輸油過(guò)程,以指導(dǎo)原油輸送方案的規(guī)劃和實(shí)施。

1 問(wèn)題描述

以中國(guó)A企業(yè)的原油調(diào)度過(guò)程為例,建立的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型解決其原油調(diào)度問(wèn)題,但模型并不局限于解決此問(wèn)題。圖2為A企業(yè)原油儲(chǔ)運(yùn)流程。由圖2可知:A企業(yè)擁有Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)碼頭罐區(qū),Ⅰ罐區(qū)儲(chǔ)罐(ST1～ST12)與泊位(BE)相連,直接接收油輪來(lái)油;Ⅱ罐區(qū)儲(chǔ)罐(LT1～LT6)通過(guò)一條海底管線(ZL)接收Ⅰ罐區(qū)來(lái)油。這兩個(gè)罐區(qū)均可通過(guò)一條長(zhǎng)輸管線(PL,163 km)向廠內(nèi)罐區(qū)Ⅲ儲(chǔ)罐(CT1～CT9)付油。另外,該企業(yè)有2套蒸餾裝置(CD1和CD2),CD1可以加工含硫高酸原油,由罐CT1～CT4供料;CD2可以加工高硫含酸原油,由罐CT5～CT9供料。

圖2 A企業(yè)原油儲(chǔ)運(yùn)流程示意ST1～ST12—Ⅰ區(qū)儲(chǔ)罐; LT1～LT6—Ⅱ區(qū)儲(chǔ)罐; CT1～CT9—廠內(nèi)Ⅲ區(qū)儲(chǔ)罐; CD1～CD2—蒸餾裝置; BE—泊位; V1～V6—油輪; ZL—海底管線; PL—長(zhǎng)輸管線

為了便于海關(guān)檢驗(yàn)計(jì)量,Ⅰ罐區(qū)只能進(jìn)行單儲(chǔ)操作,并且收油以后需要靜置9 h才能向外付油。Ⅰ罐區(qū)的單罐罐容較小(50 000 m3),除去罐底后最多可裝原油45 000 m3,為了盡快釋放Ⅰ罐區(qū)的儲(chǔ)罐資源,避免油輪滯期,原油可在海底管線ZL的入口處以及Ⅱ罐區(qū)的儲(chǔ)罐內(nèi)進(jìn)行混合操作。Ⅰ、Ⅱ罐區(qū)內(nèi)原油最終還會(huì)在長(zhǎng)輸管線PL的入口處發(fā)生混合操作,最終保證符合蒸餾裝置進(jìn)料設(shè)防值的要求。廠內(nèi)Ⅲ罐區(qū)在收油以后會(huì)靜置48 h以上,使罐內(nèi)原油充分脫鹽脫水,確保裝置安全生產(chǎn)。在A企業(yè),所有原油儲(chǔ)罐均不允許同時(shí)執(zhí)行收油和付油任務(wù),以保證計(jì)量、混合等操作的完成質(zhì)量。

不難看出,A企業(yè)的原油調(diào)度問(wèn)題較為復(fù)雜,油輪來(lái)油最長(zhǎng)將經(jīng)過(guò)Ⅰ罐區(qū)、ZL、Ⅱ罐區(qū)、PL、廠內(nèi)Ⅲ罐區(qū)5個(gè)節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)蒸餾裝置。其原油儲(chǔ)運(yùn)流程較長(zhǎng),具有長(zhǎng)輸管線這樣的復(fù)雜輸送環(huán)節(jié),原油進(jìn)入長(zhǎng)輸管線后要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間才能離開管線。該儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程操作復(fù)雜,原油調(diào)合形式復(fù)雜多樣,如儲(chǔ)罐調(diào)合和管道調(diào)合等,而且調(diào)合環(huán)節(jié)多,可發(fā)生3次調(diào)合。同時(shí),Ⅰ罐區(qū)常常發(fā)生多罐并行收油過(guò)程,這是因?yàn)閱未瓦\(yùn)輸量大(超過(guò)100 000 t),而單罐罐容小(50 000 m3);而且,泊位卸油速率上限高(6 667 t/h),而單罐收油速率上限低(5 500 m3/h)。此外,Ⅲ罐區(qū)的單罐罐容小(低至30 000 m3),儲(chǔ)罐數(shù)量少(CD1供料罐4座、CD2供料罐5座),且要求收油靜置48 h以上,這迫使調(diào)度員必須合理安排廠內(nèi)Ⅲ罐區(qū)的儲(chǔ)罐資源,否則蒸餾裝置無(wú)法連續(xù)加工。面對(duì)如此多高難度問(wèn)題,開發(fā)一個(gè)性能優(yōu)秀的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型,高效計(jì)算出可行的原油調(diào)度方案,幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”地生產(chǎn),是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的課題。

2 模型描述

原油調(diào)度問(wèn)題是一個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題,涉及時(shí)間和空間兩個(gè)維度。按照是否預(yù)先規(guī)定操作發(fā)生的可能起止時(shí)間,數(shù)學(xué)規(guī)劃模型被分為離散時(shí)間模型[7,16]和連續(xù)時(shí)間模型[2,10,17]。由于時(shí)間劃分可調(diào)變,連續(xù)時(shí)間模型具有更小的模型規(guī)模,更易表現(xiàn)出優(yōu)秀的計(jì)算性能。基于此,對(duì)于五級(jí)儲(chǔ)運(yùn)流程問(wèn)題建立了基于異步時(shí)間段[10]的連續(xù)時(shí)間(MILP)數(shù)學(xué)模型。

2.1 模型約束條件

模型共包含7類約束,分別是時(shí)間約束、油輪卸載約束、儲(chǔ)罐的收付油操作、蒸餾裝置進(jìn)料約束、長(zhǎng)輸管線輸送約束、原油性質(zhì)約束、設(shè)備能力約束[13]。由于篇幅限制,此處重點(diǎn)介紹長(zhǎng)輸管線輸送約束,并選擇幾種代表設(shè)備類型來(lái)描述其他類型的約束形式。

2.1.1 長(zhǎng)輸管線輸送約束

長(zhǎng)輸管線具有延遲輸送的特征,即廠區(qū)罐從輸油管線接收原油的時(shí)間晚于碼頭罐向輸油管線付油的時(shí)間。如果能夠建立數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確計(jì)算出這兩種時(shí)間,模型編制的儲(chǔ)運(yùn)方案即為可行的儲(chǔ)運(yùn)方案。與文獻(xiàn)[14-15]固定管線輸油時(shí)長(zhǎng)易導(dǎo)致編制方案不可行不同,研發(fā)模型將整個(gè)調(diào)度周期劃分成多個(gè)時(shí)間段,通過(guò)設(shè)置二元變量bsopl(s,s′,p)和beopl(s,s′,p)來(lái)確定原油開始離開和完全離開管線的時(shí)間段編號(hào),然后結(jié)合時(shí)間段的開始時(shí)間tsipl(s,p)和原油進(jìn)入管線的體積vipl(s,p)確定出原油開始離開和完全離開管線的準(zhǔn)確時(shí)間,因此,研發(fā)模型編制的方案一定是可行方案。長(zhǎng)輸管線輸送相關(guān)約束的數(shù)學(xué)形式如式(1)～式(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.1.2 時(shí)間約束

時(shí)間約束是原油調(diào)度模型的基礎(chǔ)。設(shè)置每個(gè)設(shè)備在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行不超過(guò)一次收油或付油操作,然后將每個(gè)時(shí)間段內(nèi)和不同時(shí)間段間的設(shè)備操作限制轉(zhuǎn)化成模型約束,完成模型搭建,進(jìn)而確定完整的調(diào)度方案。由于基于異步時(shí)間段約束的模型,比基于優(yōu)先段模型[18]更易輕松描述儲(chǔ)罐庫(kù)存變化,比同步時(shí)間段模型[2]需要更少的時(shí)間段數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的原油輸送操作,因而本研究采用異步時(shí)間段約束搭建研究模型。以油輪為例,相關(guān)時(shí)間約束的數(shù)學(xué)形式如式(5)～式(10)所示。其他設(shè)備和油輪的約束形式相同,僅變量設(shè)置有區(qū)別,此處不再贅述。

tevl(s,v)≥tsvl(s,v) ?s∈SL1,v∈VL

(5)

tsvl(s+1,v)≥tevl(s,v) ?s∈SL2,v∈VL

(6)

tsvl(s,v)≤tsbe(s,b)+[1-bvlbe(s,v,b)]×LP?s∈SL1,v∈VL,b∈BE

(7)

tsvl(s,v)≥tsbe(s,b)-[1-bvlbe(s,v,b)]×LP?s∈SL1,v∈VL,b∈BE

(8)

tevl(s,v)≤tebe(s,b)+[1-bvlbe(s,v,b)]×LP?s∈SL1,v∈VL,b∈BE

(9)

tevl(s,v)≥tebe(s,b)-[1-bvlbe(s,v,b)]×LP?s∈SL1,v∈VL,b∈BE

(10)

式(5)表示油輪v第s個(gè)時(shí)間段的結(jié)束時(shí)間晚于其開始時(shí)間;式(6)表示油輪v第s+1個(gè)時(shí)間段的開始時(shí)間晚于第s個(gè)時(shí)間段的結(jié)束時(shí)間;式(7)～式(10)表示,當(dāng)油輪v第s個(gè)時(shí)間段在泊位b處卸油時(shí)[即二元變量bvlbe(s,v,b)=1],油輪v和泊位b第s個(gè)時(shí)間段的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間相等。

2.1.3 油輪卸載約束

油輪卸油決策的影響因素:油輪只有到港后才能開始靠泊卸油,并且只能停靠在1個(gè)泊位處?？紤]這些因素,結(jié)合物料平衡限制,形成約束(11)～(13)。

(11)

tsvl(s,v)≥TARVL(v) ?s∈SL1,v∈VL

(12)

(13)

式(11)表示油輪v只能在一個(gè)泊位處?？啃队?式(12)表示油輪v只有到港后才能靠泊;式(13)表示油輪v卸油過(guò)程遵守物料平衡約束。

2.1.4 儲(chǔ)罐收付油操作約束

為了實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程穩(wěn)定,保證蒸餾裝置進(jìn)料性質(zhì),煉油廠會(huì)盡量避免儲(chǔ)罐同時(shí)執(zhí)行收油和付油操作?？紤]這一操作限制,結(jié)合物料平衡,以碼頭罐為例形成儲(chǔ)罐收付油操作約束(14)和(15)。其他儲(chǔ)罐和碼頭罐的約束形式相同,僅變量設(shè)置有區(qū)別,此處不再贅述。

bist(s,i)+bost(s,i)≤1 ?s∈SL1,i∈ST

(14)

vst(s,i)=vst(s-1,i)+vist(s,i)-vost(s,i)?s∈SL3,i∈ST

(15)

式(14)表示碼頭罐i不能同時(shí)執(zhí)行收油操作和付油操作約束;式(15)表示碼頭罐i的物料平衡約束。

2.1.5 蒸餾裝置進(jìn)料約束

影響蒸餾裝置加工方案編制的關(guān)鍵因素有:不同類型的原油性質(zhì)差距較大,為了保證原油品質(zhì),煉油企業(yè)常常將適合某蒸餾裝置加工的原油儲(chǔ)存到固定的一組儲(chǔ)罐中;同時(shí),除計(jì)劃停工以外,蒸餾裝置必須連續(xù)加工。據(jù)此形成蒸餾裝置進(jìn)料約束(16)～(18)。

vctcd(s,j,d)=0?s∈SL1,j∈NCTCD(d),d∈CDU

(16)

(17)

(18)

式(16)表示,如果工藝上不支持廠區(qū)罐j向蒸餾裝置d付油,那么二者之間不會(huì)發(fā)生原油輸送操作;式(17)表示蒸餾裝置必須連續(xù)加工;式(18)表示蒸餾裝置u的物料平衡約束。

2.1.6 原油性質(zhì)約束

以廠區(qū)罐為例,原油性質(zhì)相關(guān)約束的數(shù)學(xué)形式如式(19)所示,其表示儲(chǔ)罐內(nèi)存量等于所有組分油存量之和。

(19)

2.1.7 設(shè)備能力約束

原油的輸送和存儲(chǔ)操作會(huì)受到油泵輸油能力和儲(chǔ)罐存儲(chǔ)能力的限制。以碼頭罐為例,設(shè)備能力相關(guān)約束的數(shù)學(xué)形式如式(20)和式(21)所示。

VLST(i)≤vst(s,i)≤VUST(i) ?s∈SL1,i∈ST

(20)

vost(s,i)≤FUST(i)×[test(s,i)-tsst(s,i)]?s∈SL1,i∈ST

(21)

式(20)表示碼頭罐i的存量不能超過(guò)儲(chǔ)存能力上下限限制;式(21)表示碼頭罐i的付油速率不能超過(guò)付油速率上限約束。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

蒸餾裝置是煉油廠的龍頭裝置,其穩(wěn)定生產(chǎn)是下游裝置穩(wěn)定生產(chǎn)的基礎(chǔ)。油輪滯期費(fèi)用高昂,一艘超級(jí)油輪(VLCC)的滯期罰款高達(dá)10～13萬(wàn)美元/d。企業(yè)總是希望“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”地生產(chǎn),為此,原油調(diào)度流程以最小化蒸餾裝置進(jìn)料油種切換和最小化油輪離港時(shí)間為目標(biāo)函數(shù),如式(22)所示。

(22)

3 計(jì)算與討論

3.1 案例介紹

以A企業(yè)的歷史工況為例,為其編排240 h內(nèi)的調(diào)度方案。在這240 h內(nèi),按計(jì)劃將有4艘油輪到港,需要調(diào)配9種單一原油,具有13種原油混合方案,CD1和CD2分別以616 t/h和875 t/h的進(jìn)料量連續(xù)加工。表1～表7是企業(yè)提供的單油種原油信息、混油方案、船期計(jì)劃、儲(chǔ)罐能力、儲(chǔ)罐和長(zhǎng)輸管線的初始庫(kù)存情況,以及設(shè)備的輸送能力要求。

表1 單油種原油性質(zhì)

表2 原油混合方案

表3 單一原油儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存能力

表4 儲(chǔ)罐初始庫(kù)存

表5 船期計(jì)劃

表6 長(zhǎng)輸管線初始原油存量

表7 原油輸送速率限制

3.2 模型求解性能

將研發(fā)模型作為測(cè)試模型;保持其他約束和目標(biāo)函數(shù)不變,選擇文獻(xiàn)[11]中長(zhǎng)輸管線相關(guān)約束組成對(duì)比模型。在工作站借助GUROBI10.0求解器對(duì)2個(gè)模型進(jìn)行測(cè)算,工作站的CPU型號(hào)是Intel(R) Xeon(R) Gold 6248R CPU@3.00 GHz,內(nèi)存為256 GB。

GUROBI求解MILP模型的算法框架為分支定界法:一方面,在極限情況下,搜索樹的分支數(shù)為2n(n為二元變量數(shù));另一方面,變量數(shù)和約束數(shù)越多,每個(gè)分支的松弛LP模型求解越困難。因此,小規(guī)模模型的計(jì)算性能大概率優(yōu)于大規(guī)模模型。表8統(tǒng)計(jì)了測(cè)試模型和對(duì)比模型的變量數(shù)和約束數(shù)。由表8可以看出,與對(duì)比模型相比,測(cè)試模型的二元變量數(shù)、連續(xù)變量數(shù)和約束數(shù)分別下降了6.88%,12.89%,5.80%,說(shuō)明測(cè)試模型可能具有更好的計(jì)算性能。

表8 模型規(guī)模對(duì)比

設(shè)定求解時(shí)間上限為1 h,測(cè)試2個(gè)模型的計(jì)算性能。對(duì)2個(gè)模型分別測(cè)算3次,以防止求解算法的隨機(jī)性影響到結(jié)果判斷。兩個(gè)模型的求解性能如表9所示。由表9可知:測(cè)試模型多次測(cè)算均在1 min內(nèi)獲得可行解,其中2次測(cè)算在3 min內(nèi)獲得了最優(yōu)解,并且均在30 min內(nèi)完成最優(yōu)解證明,即gap=0(gap表示模型當(dāng)前最佳可行解的目標(biāo)函數(shù)值和目標(biāo)函數(shù)邊界值之間的差距,可用以衡量當(dāng)前最佳可行解的優(yōu)化空間);而對(duì)比模型在前2次測(cè)算中均不能在1 h內(nèi)獲得可行解,第3次測(cè)算時(shí)在5 min內(nèi)獲得可行解,但在1 h后仍不能證明最優(yōu)解(gap=8.21%),比測(cè)試模型的最差情況高3.52%。這說(shuō)明,測(cè)試模型的計(jì)算魯棒性和計(jì)算效率均明顯優(yōu)于對(duì)比模型。

表9 兩個(gè)模型求解性能對(duì)比

3.3 方案分析

選擇測(cè)試模型第1次計(jì)算時(shí)的最優(yōu)解作為方案分析對(duì)象。圖3為優(yōu)化方案中各流程的甘特圖。圖中橫軸為輸送時(shí)間,縱軸為設(shè)備信息;橫條表示某設(shè)備在對(duì)應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)的操作任務(wù);橫條內(nèi)的數(shù)字表示原油體積,m3;橫條數(shù)字下方的字母表示操作油種編號(hào);由于碼頭罐中的原油會(huì)去向ZL和PL,因此碼頭罐的綠色橫條內(nèi)還包含原油的去向信息。例如,V1的第1個(gè)橫條表示V1在第6 h至第 21.75 h內(nèi)卸載F原油120 731 m3(105 000 t)。

圖3 優(yōu)化方案甘特圖■—輸出操作; ■—輸入操作

3.3.1 方案可行性分析

由圖3可直觀地觀察到,模型方案完全滿足:所有儲(chǔ)罐均不同時(shí)收油和付油,儲(chǔ)罐內(nèi)原油存量介于罐底量和罐容量之間,原油卸載、輸送和加工速率均受到一定限制,蒸餾裝置連續(xù)生產(chǎn)的操作限制。以下對(duì)部分重要約束條件進(jìn)行詳細(xì)分析:

結(jié)合表1和表4,由圖3(c)可知,所有儲(chǔ)罐均實(shí)現(xiàn)了單儲(chǔ)操作,而且儲(chǔ)罐在結(jié)束收油后至少靜置了14.94 h(>8 h)才開始執(zhí)行付油操作,為原油質(zhì)檢留出了充足時(shí)間。

結(jié)合表2和表4,由圖3(e)可知,廠內(nèi)罐區(qū)所有儲(chǔ)罐均同時(shí)只存儲(chǔ)一種混合原油,去除了臨近裝置加工前的原油調(diào)合環(huán)節(jié),既降低了操作難度,又減少了裝置進(jìn)料性質(zhì)波動(dòng);收油結(jié)束后,廠區(qū)罐最少等待了49.14 h才開始付油,這保證原油可以充分脫鹽脫水。

由圖3(b)可知,長(zhǎng)輸管線輸送方案滿足管線“邊進(jìn)邊付”和“先進(jìn)先出”的運(yùn)行特征。雖然該模型基于入線原油延遲離開管線特點(diǎn)開發(fā),但對(duì)于間隔輸送情況,模型仍能提供正確的輸送方案。如由于PL在第20.72小時(shí)至第22.30小時(shí)期間停止輸送,在輸送初始前2.28 h內(nèi)進(jìn)入管線的原油M9在第22.30小時(shí)后開始離開管線。這證明模型能夠正確描述長(zhǎng)輸管線的輸送過(guò)程,為上下游設(shè)備提供可行的操作方案。

3.3.2 優(yōu)化性分析

由于該模型方案的gap值等于0(表9),說(shuō)明該方案是全局最優(yōu)方案。在優(yōu)化方案下,CD1可持續(xù)加工M2,無(wú)進(jìn)料切換操作;由于原油資源量有限和脫鹽脫水時(shí)間較長(zhǎng),導(dǎo)致CD2進(jìn)行了2次進(jìn)料切換。其過(guò)程如下:

如果CD2首先加工M8原油,在扣除罐底油后,廠區(qū)罐庫(kù)存僅有42 869 t,只能供CD2加工48.99 h。因?yàn)轫敵鯬L期初存油(M2為40 884 m3,M12為5 116 m3)至少需要21.90 h,即使原油可以從Ⅰ、Ⅱ罐區(qū)瞬間到達(dá)廠區(qū)罐,由于需要靜置脫鹽脫水處理,CD2最早要在第69.90小時(shí)才能繼續(xù)加工M8,因此CD2要在第48.99小時(shí)后開始加工M12原油?，F(xiàn)有原油資源量(包括油輪載油、儲(chǔ)罐庫(kù)存、長(zhǎng)輸管線存油)最多可調(diào)合出67 205 t M12混合原油,供CD2加工76.81 h,即CD2可以在第125.80小時(shí)后開始加工另一種原油。在這種情況下,CD2共產(chǎn)生了2次進(jìn)料切換。與此類似,如果首先加工M12原油,CD2也至少會(huì)發(fā)生2次進(jìn)料切換。

上述分析說(shuō)明,模型方案的長(zhǎng)輸管線輸送操作合理,能夠協(xié)調(diào)好2套蒸餾裝置的加工需求,保證裝置穩(wěn)定生產(chǎn)。

按照模型方案執(zhí)行,4艘油輪到港后均能立即以最大速率卸空原油[圖3(a)],不會(huì)導(dǎo)致因可用儲(chǔ)罐不足而導(dǎo)致的油輪滯期現(xiàn)象。在此案例中,油輪到港時(shí)間分布較密,前49 h內(nèi)有2艘油輪(V1、V2)到港,其載油量共計(jì)250 661 m3,需要6座空罐才能卸載所有原油。模型方案充分利用Ⅱ罐區(qū)和廠區(qū)罐區(qū)資源,快速放空Ⅰ罐區(qū)儲(chǔ)罐,最終實(shí)現(xiàn)了油輪快速卸油。

圖4展示了長(zhǎng)輸管線內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的原油分布情況。圖中橫軸表示原油輸送時(shí)間,縱軸表示長(zhǎng)輸管線某橫切面與入線口之間的原油體積,Mi表示油種編號(hào)。例如,在t0時(shí)刻,從管線入口到出口依次為混合原油M8,M9,M12,M2。

圖4 長(zhǎng)輸管線內(nèi)原油分布情況

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)五級(jí)原油儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題,研發(fā)出連續(xù)時(shí)間原油調(diào)度MILP模型。所建模型以管線輸油時(shí)間差為基礎(chǔ),輔以監(jiān)控原油出離管線情況來(lái)描述長(zhǎng)輸管線的輸送過(guò)程。

(2)所建模型計(jì)算方案符合長(zhǎng)輸管線“邊收邊付”“先進(jìn)先出”的運(yùn)行特征,為企業(yè)編制出了可行的原油調(diào)度方案。

(3)所建模型的變量數(shù)和約束條件較少,具有良好的求解性能。針對(duì)A企業(yè)原油調(diào)度的復(fù)雜問(wèn)題,所建模型能夠在3 min內(nèi)計(jì)算出為期240 h的優(yōu)化原油調(diào)度方案,通過(guò)合理安排上下游資源,實(shí)現(xiàn)了蒸餾裝置連續(xù)穩(wěn)定加工、油輪快速卸油無(wú)滯期的目標(biāo)。

符號(hào)說(shuō)明

索引

b——第b個(gè)泊位;

c——第c種原油組分油;

d——第d套蒸餾裝置;

i——第i座碼頭罐;

j——第j座廠區(qū)罐;

p——第p條長(zhǎng)輸管線;

s,s′,s″——第s,s′,s″個(gè)時(shí)間段編號(hào),無(wú)特殊的隱含邏輯;

u——第u套蒸餾裝置;

v——第v艘油輪;

集合

BE——泊位集合;

CDU——蒸餾裝置集合;

CT——廠區(qū)罐集合;

NCTCD(d)——不能向蒸餾裝置d供料的廠區(qū)罐集合;

PL——長(zhǎng)輸管線集合;

SC——原油組分油集合;

SL1——包含所有時(shí)間段的時(shí)間段集合;

SL2——除最后一個(gè)時(shí)間段外的時(shí)間段集合;

SL3——除第一個(gè)時(shí)間段外的時(shí)間段集合;

ST——碼頭罐集合;

VL——油輪集合;

參數(shù)

FUPL(p)——第p條長(zhǎng)輸管線的輸送速率上限,m3/h;

FUST(i)——第i座碼頭罐的付油速率上限,m3/h;

LP——調(diào)度周期長(zhǎng)度,h;

NSL——時(shí)間段數(shù);

TARVL(v)——第v艘油輪的到港時(shí)間,h;

VLST(i)——第i座碼頭罐的庫(kù)存下限,m3;

VUPL(p)——第p條長(zhǎng)輸管線的容積,m3;

VUST(i)——第i座碼頭罐的庫(kù)存上限,m3;

φ——最小化蒸餾裝置進(jìn)料油種切換目標(biāo)的優(yōu)化權(quán)重;

η——最小化油輪離港時(shí)間目標(biāo)的優(yōu)化權(quán)重;

連續(xù)變量

scdu(s,u)——取值為0和1,取值1表示第u套蒸餾裝置第s和s-1個(gè)時(shí)間段的加工油種不同,否則取值0;

tebe(s,b)——第b個(gè)泊位第s個(gè)時(shí)間段的結(jié)束時(shí)間,h;

tecd(s,d)——第d套蒸餾裝置第s個(gè)時(shí)間段的結(jié)束時(shí)間,h;

tedk(v)——第v艘油輪的離港時(shí)間,h;

teopl(s,p)——第s個(gè)時(shí)間段進(jìn)入第p條長(zhǎng)輸管線的原油完全離開管線的時(shí)間,h;

tevl(s,v)——第v艘油輪第s個(gè)時(shí)間段的結(jié)束時(shí)間,h;

tsbe(s,b)——第b個(gè)泊位第s個(gè)時(shí)間段的開始時(shí)間,h;

tscd(s,d)——第d套蒸餾裝置第s個(gè)時(shí)間段的開始時(shí)間,h;

tsipl(s,p)——第p條長(zhǎng)輸管線第s個(gè)時(shí)間段的開始時(shí)間,h;

tsopl(s,p)——第s個(gè)時(shí)間段進(jìn)入第p條長(zhǎng)輸管線的原油離開管線的開始時(shí)間,h;

tsvl(s,v)——第v艘油輪第s個(gè)時(shí)間段的開始時(shí)間,h;

vcct(s,j,c)——第j座廠區(qū)罐在第s個(gè)時(shí)間段結(jié)束時(shí)組分油c的庫(kù)存量,m3;

vct(s,j)——第j座廠區(qū)罐在第s個(gè)時(shí)間段結(jié)束時(shí)的庫(kù)存量,m3;

vctcd(s,j,d)——第j座廠區(qū)罐在第s個(gè)時(shí)間段內(nèi)向第d套蒸餾裝置輸送的原油量,m3;

vicd(s,d)——第d套蒸餾裝置在第s個(gè)時(shí)間段內(nèi)的收油量,m3;

vipl(s,p)——第p條長(zhǎng)輸管線在第s個(gè)時(shí)間段內(nèi)的收油量,m3;

vost(s,i)——第i座碼頭罐在第s個(gè)時(shí)間段內(nèi)的付油量,m3;

vst(s,i)——第i座碼頭罐在第s個(gè)時(shí)間段結(jié)束時(shí)的庫(kù)存量,m3;

vvl(s,v)——第v艘油輪在第s個(gè)時(shí)間段結(jié)束時(shí)的載油量,m3;

二元變量

beopl(s,s′,p)——取值為1時(shí)表示第s個(gè)時(shí)間段進(jìn)入第p條長(zhǎng)輸管線的原油在第s′個(gè)時(shí)間段完全離開管線;

bsopl(s,s′,p)——取值為1時(shí)表示第s個(gè)時(shí)間段進(jìn)入第p條長(zhǎng)輸管線的原油在第s′個(gè)時(shí)間段開始離開管線;

bvlbe(s,v,b)——取值為1時(shí)表示第v艘油輪在第s個(gè)時(shí)間段內(nèi)?？吭诘赽個(gè)泊位處。