原油管网智能化排产系统的开发与应用

2023-08-30沈定金王军防李长俊余红梅

石油工程建设 2023年4期

矫捷，沈定金，王军防，李长俊，余红梅

1.国家管网集团东部原油储运有限公司，江苏徐州 220005

2.西南石油大学，四川成都 610500

原油管网排产计划的编制是一个需要考虑原油种类、分储、炼厂计划、输送工艺等多约束条件的复杂工作，目前常采用的人工编制原油管网管输计划存在过度依赖经验、科学性与经济性不强、人工劳动强度大等问题，很难达到排产最优化的目的[1]。可见，依托先进的优化排产算法与计算机语言，开发一套能够为原油管网提供优化排产方案的智能化排产系统，对于优化原油管网管理、提高管网效能具有十分重要的意义。

目前，原油管网的优化排产及智能化软件的开发已经依托数学规划、智能搜索、约束规划等理论大量展开[2]，但对原油管网排产优化技术的研究尚不成熟，还未形成统一的模型与算法，现有的原油管网排产商业软件及公司主要有Honeywell的Production Scheduler[3]、Aspen Petroleum Sched⁃uler[4]及Haverly H/SCHED 排产系统的原油调排产模块H/COSS[5]。这些原油管网排产软件都是基于电子表格的模拟系统，系统本身只能辅助原油排产计算，不能根据实际情况自动生成优化的原油排产方案，在实际的原油管网排产中仍然是排产人员根据经验进行人工排产[6]。原油管网难以实现智能化排产的原因，首先在于原油管网通常规模庞大，同时存在油库、港口、长距离管道来油等多个油源以及多个下游炼化企业；其次，不同的管网结构与运行情况存在差异；再次，部分管网还存在特殊化的需求，如炼化企业需求批次多且不规律、油轮到达码头时间不固定、输油站流程限制等[7]。上述因素与具体需求不仅大幅提高了排产模型的建模成本与模型规模，还增加了大量的非线性约束与离散决策变量，使得各类优化方法的通用性和可移植性较差。同一种建模及求解方法在面临不同管网的最优化排产问题时，存在着建模难度、求解稳定性与求解速度上的显著差异[8]。可见要实现开发智能化排产系统的目标，必须解决因管网差异性所产生的模型臃肿、变量繁多、求解不稳定以及求解速度缓慢的问题。

本文针对存在多个油源及下游炼化企业的大型原油管网，在综合考虑油品批次输送、管道运行水力条件的基础上，基于建立的原油管网优化排产方案模型，编制了原油管网智能化排产系统，能够根据原油管网的具体情况快速得到满足排产现场实际需求并且可以保证管网安全平稳运行的排产计划。

1 软件功能及主要特点

本文介绍的图形界面化的原油管网智能化排产系统，以基于图论和排列组合理论的原油管网排产方案计算方法为核心，主要包括原油管网结构自由组态、确定炼厂需求油品位置、穷举可行排产方案、方案优选推荐最佳方案、连接SCADA系统数据实时更新、排产方案导出Excel 表格等功能。用户根据炼厂油品需求、码头来油情况、管网中油品存储状态，在排产系统中输入相应的参数后进行排产计算。

1.1 原油管网结构自由组态

本软件基于图论理论建立原油管网拓扑结构的方法，能够根据管网的具体结构建立与之对应的拓扑结构[9]，通过对拓扑结构的分析处理从而达到识别管网的目的，能够实现在软件中根据管网实际结构自由组态，因此软件具有良好的通用性。

由原油管网的特点可知，原油管网与交通、水电网络的结构和功能类似，抽象成网络结构图之后都具有拓扑性质，因此对原油管网进行分析时会把管网抽象成节点和弧段组成的图[10]。原油管网的结构和组成十分复杂，需要对其进行合理的简化，具体内容包括：

1）将原油管网中的元件划分为输油站、炼厂、码头、管道四类；

2）油库作为属性隶属于输油站中，不作为单独的元件；

3）储罐作为属性隶属于油库中，不作为单独的元件。

矩阵是研究图的一种有力工具，特别是利用计算机来研究有关图的算法时，首先遇到的问题就是如何让计算机来识别图，这种情况下就不得不借助矩阵，主要有关联矩阵和邻接矩阵两种表示方法[11]。

关联矩阵的行对应于图的顶点，列对应于图的边（弧）。当用关联矩阵A表达有向图时，其元素aij定义为：

当用邻接矩阵B表达有向图时，其元素bij可定义为：

邻接矩阵主对角线上的元素全为0，该矩阵的元素全为0 或1。无向图的邻接矩阵为一对称阵，其每一行或每一列元素值之和等于与相应顶点相关联的边数[12]。

当图的顶点和边（弧）的编号确定之后，关联矩阵和邻接矩阵就与图建立了确定的一一对应关系，因而可用关联矩阵或邻接矩阵来表达图。一般来说，图的邻接矩阵比关联矩阵小，而且还可将矩阵的元素定义为边或弧的权，因而在存储和计算时用的较多[13]。图1为实际的原油管网结构。

图1 原油管网实际结构

在软件中自由组态搭建的原油管网模型见图2。

图2 原油管网结构自由组态

1.2 确定炼厂需求油品位置

根据建立的原油管网拓扑结构获得了能够用数学方法表示管网结构的邻接矩阵，基于广度优先遍历方法对邻接矩阵进行遍历，获得炼厂在管网中油品搜索的路径[14]。炼厂根据自身油品需求沿搜索路径逐站搜索，直至满足炼厂油品需求为止。

用户通过点击炼厂元件对该炼厂的油品需求信息进行输入，输入完成后，软件根据炼厂的油品需求以及当前管网中油品存储状态计算得到炼厂需求油品所在的输油站、油库、储罐的位置。

1.3 穷举可行排产方案

在确定所有炼厂需求油品所在位置后，即可根据输油站需要外输的油品以及油品去往的炼厂生成对应的输油方案。由于输油站内会存在多种满足炼厂需求的油品，且上游输油站的输送方案会影响下游输油站的输送方案，因此为了能够获得全部的输油方案，基于图论、拓扑学和排列组合方法在油品搜索结果的基础上穷举生成可行方案集。由于输油方案是按照油品输送的逻辑步骤生成的，而为了能够计算油品输送的时间，就需要考虑油品输送过程中的配泵情况。根据输油方案中油品的输送方向以及该方向中的配泵方案，实现对输油方案的扩充。

1.4 方案优选推荐最佳方案

穷举得到的排产方案数量规模庞大，需要对方案进行评价比选以获得最优的排产方案。基于原油管网排产方案的经济性、操作便捷性与安全性，确定了3 个原油管网排产方案的评价指标即：方案运行操作成本、重新配泵次数、管道停输时间。基于主观赋权法对各指标的权重进行计算[15]，针对各评价指标的量纲和量级差异，利用向量规范法对各指标进行归一化处理，从而实现原油管网排产方案优化模型的建立与求解。