柴油调合工艺与短期调度集成优化方法研究

何仁初，谈 宁，彭 鑫

（华东理工大学，能源化工过程智能制造教育部重点实验室，上海 200237）

随着我国信息化建设的全面推进，石化行业通过信息技术建立集成平台，实现技术升级已经刻不容缓[1]。柴油调合是油品生产中不可或缺的一环，各组分油的调合配方及调度决策关系到炼化企业的实际生产效益。所谓柴油调合技术，就是在出厂前将多种组分油按照一定比例进行混合并按需加入柴油调合添加剂，使得调合出的成品柴油既要符合国家标准，还要尽量满足企业上下游装置工艺条件、储罐资源配置等约束[2]。采用柴油调合调度优化技术，优化柴油调合配方，实现企业柴油调合的效益最大化[3]。生产调度过程指的是计划部门每个月会根据组分油的生产情况和市场需求安排柴油生产方案。将各存储罐中的组分油输送到对应的成品油罐中，并根据短期内的订单要求将产品在指定时间内输转。柴油的实际生产过程中，排产计划通常需要相关生产部门手动测算完成，过程繁琐且考虑的约束条件较少，很难在满足成品柴油的质量指标规定的基础上实现优化目标；且柴油调合调度过程中存在柴油油品属性波动较大难以预测和一次调合率要求高等实际应用难题，因此，建立柴油调合调度优化模型，并集成至决策系统得到优化结果对于指导实际生产具有重要意义[4-5]。

本研究设计了一种适合实际工程应用的柴油调合配方与短期调度计划集成优化方法，结合国内某炼油厂的柴油调合调度现状，建立柴油调合配方优化模型和柴油短期调度优化模型，构建数据库并创建关联数据表，并将模型集成至基于MVC 模型开发的柴油调合调度优化软件系统，求解得到调合调度优化结果，实现成品油的质量指标卡边，资源的配置优化以及经济效益最大化，为柴油的实际生产过程提供理论指导。

1 柴油调合优化

1.1 柴油调合工艺流程

常用的柴油调合按照调合容器可分为罐式调合和管道调合2 大类[6]。其中罐式调合是指将基础组分油和添加剂按比例直接送入油品调合罐，经过搅拌后即为成品油，可分为泵循环喷嘴和机械搅拌2种。管道调合则是将各组分和添加剂按预定比例同时送入总管和管道混合器进行均匀调合的方法。在管道混合器中，流体逐次流过混合器内每一混合元件前缘时，即被分割一次并交替变换，最后由分子扩散达到均匀混合状态。

相较于罐式调合，管道调合具有的优点：1）组分油存储罐而按需减少数量甚至取消，成品油随调随用，避免资源浪费；2）对于大批量油品调合，准确控制组分油及添加剂用量，避免指标过剩，提高一次调合合格率；3）取消油泵转送和混合搅拌的环节，从而节省时间和人力成本；4）管道调合的密闭操作环境可降低氧化蒸发，减少损耗。

管道调合适用于大批量的调合。既可通过计算机实现自动操作，也可使用常规自控仪表、人工给定调合比例的手动操作实现管道调合，同时还可采用微机监测、监控的半自动调合系统。国内某炼化企业柴油调合采用双调合头工艺，可同时生产2种牌号的柴油产品，其工艺流程如图1所示。

图1 柴油管道调合工艺流程Fig 1 Process flow of diesel pipeline blending

1.2 柴油调合调度优化现状

柴油调合调度优化问题可以被拆解为柴油配方优化问题和调度优化问题。成品油调合是炼厂成品油在出厂前的最后一道工序，对产品质量起着至关重要的作用，成品油调合调度优化方案直接关系着石化企业的生产效益。

针对实际油品调合调度问题，研究人员建立了大量的数学模型通过应用于实际油品调度调合问题。GLISMANN 和GRUHN 对成品油调合问题提出了1个双层优化方法，其中的非线性模型用于配方优化，另1个混合整数线性规划用于油品调度优化[7]；李进等在满足成品油牌号质量指标约束及调合关系的基础上，提高解的收敛速度，建立了油品调合的非线性指标及调合优化模型。

随着信息化的不断普及，近几年，基于信息技术的优化调合技术被用来确定配方优化方案。CHRYSSOLOURIS 对基于连续时间表示开发了1种新模型，并将其集成至仿真系统[8]。在国内，石油化工企业为进一步降低生产成本、提高资源利用率，积极运用计算机技术优化生产工艺过程、追求效益最大化，Aspen Orion 在炼油生产调度优化方面有着极其广泛的应用[9-10]。九江炼油生产调度优化系统就是基于Aspen Orion 开发调度排产系统，实现精细化管理。

1.3 柴油调合优化问题

在实际生产过程中，通常计划部门每个月会根据组分油的生产情况和市场需求安排柴油生产计划。该计划需要相关生产部门手动测算完成，过程繁琐且考虑的约束条件较少。

同时，针对柴油调合调度优化，还存在柴油质量指标波动比较大关键质量指标难以预测，柴油调合重调风险高，流量控制不稳定，产品罐中的分层现象严重等问题。

因此，若对柴油调合优化问题决策得当，可在达到质量标准的同时，减少质量过剩，同时充分利用原料优化组分配方比例，减少修正和重调。而针对柴油的短期调度优化问题，需要考虑满足产品需求，产品与组分罐容约束以及操作运作规则，在满足成本最小化等优化目标的基础上得出短期调度方案。

2 柴油调合集成优化模型开发

2.1 柴油调合配方优化模型的构建

在柴油调合过程中，由于不同种类成品油需要满足不同的标准，组分油需要根据生产条件和相关标准要求，合理的分配比例进行混合。

根据实际生产需求，以某种高利润目标成品柴油产量最大，其他非目标成品柴油质量指标向下卡边为目标，建立柴油调合配方优化模型。具体目标函数表达式为：

式中，Y为质量指标向下卡边的目标函数表达式，w1为目标成品柴油产量最大的权重系数，w2为质量指标向下卡边的权重系数，i表示第i种组分油，共有n种组分油，p表示第p种成品柴油，共有m种成品柴油，k表示第k项质量指标，共有K项指标，d(i)表示第i种组分油的密度，x(i,p)表示用于调合第p种成品柴油的第i种组分油的体积，q(i,k)表示第i种组分油的第k项质量指标，qmin(p,k)表示第p种成品柴油的第k项质量指标的下限，第p=1 种成品柴油为要求产量最大的目标成品柴油。

1）质量指标约束：

式中，F(i)表示第i种组分油的供给量。要求组分油全部用于调合成品柴油，无剩余。

根据上述模型可合理的分配可调各组分流量，从而在保证成品柴油产品合格的前提下，防止质量指标过剩，尽量多地生产目标成品柴油。

2.2 柴油调合调度优化模型

对于柴油调度问题而言，需要找到一组最佳的调度方案混合组分油，使其在实现质量指标合格，资源配置优化，成本最小化的基础上，满足不同产品的质量指标和订单需求。

将整个调度周期以天为单位拆分，以某种高利润目标成品柴油产量最大为目标函数建立柴油调合调度优化模型，目标函数具体形式为：

2.3 系统设计

2.3.1 系统功能

由于传统的柴油调合调度存在手动测算过程繁琐，考虑约束条件少，模型计算不够准确等弊端，因此搭建柴油调合调度优化系统，集成柴油调合优化模型和短期调度优化模型获取最优操作方案，为柴油调合在线优化系统提供调度指导。

根据实际需求，该系统需要实现以下功能：1）实现优化系统方案配置的数据在线管理，包括成品油质量指标高低限，组分油的种类的名称，质量指标，配方高低限，还可设置各质量指标的约束是否启用等初始化信息；2）根据从数据库读取的成品柴油配方，计算出调合后成品柴油的属性值，验证配方的可行性并对配方结果可视化；3）集成柴油调合配方优化模型，通过优化计算得到一组成品柴油配方，预测调合后成品柴油的质量指标；4）实现柴油短期调度决策，以天为单位的离散时间域，通过建立柴油的短期调度优化模型求解一组优化的短期调度策略。柴油调合调度优化系统功能模块如图2。

图2 柴油调合调度优化系统功能模块Fig 2 Function module of diesel blending scheduling optimization system

2.3.2 技术选型

系统除了需要展示成品油柴油基本数据之外，还需要针对需求对柴油调合调度进行优化并在线展示优化结果，简化了人工分析报表的过程。

系统主要可划分为数据模型层、业务逻辑层和用户界面层。数据模型层对应MVC 模式的Model层，主要包括负责与数据库交互以及日志记录[11]；业务逻辑层对应MVC模式的Controller层，主要包括用户输入指令发送进程，柴油调合优化模型和短期调度优化模型；用户界面层对应MVC模式的View 层，包括数据显示模块、交互回显模块、指令输入模块，与用户实现交互。

经过对比分析，基于采用Visual Studio 2015，基于ASP. NET MVC 框架开发，同时运用Jquery、EasyUI、Razor 技术以及Entity Frame Work、Sql Server 2008 R2数据库开发。技术选型如图3所示。

图3 技术选型SQL Sever 2008R2Fig 3 Technical selection of SQL Sever 2008R2

3 仿真实验

3.1 仿真分析

某炼化企业生产的成品柴油有出口柴油和车用柴油，参调组分油分别为老区的I 加氢裂化和VII柴油加氢（组分油1）、新区的II加氢裂化（组分油2）、IV/V柴油加氢（组分油3）、VI柴油加氢（组分油4）。涉及的质量指标包括十六烷值指数CET、初馏点D50、多环芳烃质量分数POL、密度DEN。

组分油属性及产品质量指标如表1和表2所示。

表1 组分油属性Tab 1 Component oil properties

表2 成品柴油质量标准Tab 2 Finished diesel quality standards

3.1.1 柴油调合配方优化仿真

由于车用柴油的利润较大，因此以车用柴油产量最大，出口柴油质量指标十六烷值向下卡边为目标，仿真柴油调合配方优化模型。参调组分油老区的I 加氢裂化和VII 柴油加氢（组分油1）、新区的II 加氢裂化（组分油2）、IV/V 柴油加氢（组分油3）、VI 柴油加氢（组分油3）产量分别为4、5、5、5 kt/d。为了防止所有组分油全部其中用于生产车用柴油，因此车用柴油的产量上限为17 kt/d。

参调组分油低限为0，高限设置如表3所示。

表3 参调组分油高限Tab 3.The production limit of reference component oil

通过Lingo11可以计算得到调合配方如表4。

表4 调合配方Tab 4.Blending formula

调合后成品柴油的质量指标十六烷值指数、初馏点、多环芳烃含量、密度如表5，符合质量指标要求。

表5 调合后成品油属性Tab 5.Properties of finished oil after blending

综上，该调合配方中车用柴油产量达到上限17 kt/d，出口柴油的十六烷值指标向下卡边。

3.1.2 柴油调合调度优化仿真

在为期4 d的短期柴油短期调度计划中，该炼化企业的产品车用柴油和出口柴油的初始库存均为8 kt和4 kt。参调组分油老区的I加氢裂化和VII柴油加氢（组分油1）、新区的II 加氢裂化（组分油2）、IV/V 柴油加氢（组分油3）、VI 柴油加氢（组分油4）的初始库存均为2 kt。

产品罐及组分罐的罐容限制如表6所示。

表6 储存罐容信息Tab 6 Tank capacity information

每日组分油输送量和产品油订单量分别中如表7和表8所示。

表7 组分油的输送量Tab 7.Conveyance of component oil

表8 产品油每日订单量Tab 8.Daily order volume of product oil

通过Lingo11 可以计算得到4 天的短期调度方案如表9所示。

表9 短期调度方案Tab 9 Short-term dispatch plan

在短期柴油调度优化中，十六烷指数和多环芳烃的变化趋势以及2种成品油的储罐库存如表10所示。

表10 柴油的CET、多环芳烃和库存的变化Tab 10.Changes in CET,PAHs and Stocks of Diesel Oil

线性规划求解得到的调度甘特图如图4所示。

图4 调度甘特图Fig 4 Scheduling Gantt chart

根据Lingo11求解柴油短期调度优化模型可以得到最优目标车用柴油的产量为49.227 kt，且此时每日生产的成品柴油均满足质量标准和订单需求，且该调度方案满足实际生产条件。

3.2 系统开发

柴油调合调度优化系统在编程语言上采用C#，基于Visual Studio和SQL Sever开发，见图5。

图5 网页框架Fig 5 Web page framework

该网页架构主要包含3 个方面的内容：1）方案配置数据管理部分，将数据存储在SQL Sever数据库中，负责对柴油成品油，组分油及其约束条件进行整理和展示，并根据用户操作指令对进行数据修改和保存；2）是配方优化部分，调取数据库的基本数据通过控制层的柴油配方调合模型计算得到一组柴油调合配方方案，成品柴油的十六烷值等质量指标用于指导实际生产；3）是短期调度决策部分，调用短期组分油供给量，成品柴油需求量以及质量指标等基础数据，求解柴油短期调度优化模型，并在前端视图层展现调度批次方案以及调合结果。

配方优化界面如图6所示。

图6 配方优化界面Fig 6 Formula optimization interface

4 结 论

设计了一种适合实际工程应用的柴油调合配方与短期调度计划集成优化方法，结合国内某炼油厂的柴油调合调度现状，开发了柴油调合配方优化与调度决策系统，并为某炼化公司的柴油调合提供配方管理和短期调度优化，集成配方优化与柴油短期调度优化模型，摆脱传统的计划部门手动测算过程繁琐，考虑约束条件少等弊端，对成品柴油的调合质量提高和成本降低有重要意义。同时，针对需求对柴油调合调度进行优化并在线展示优化结果，简化了人工分析报表的过程。系统集成了多目标优化模型，为短期调度决策模块提供较为理想的短期调度优化结果。