基于炼油厂全厂调度离散时间建模方法技术

本发明专利技术公开了属于工业智能控制优化技术领域的一种基于炼油厂全厂调度离散时间建模方法，具体说是一种炼油厂炼油生产过程时间控制优化模型。把整个炼油厂系统划分为原油供应、炼油生产、成品油调和交付三个部分，基于离散时间，从生产装置的运行模式、生产装置运行模式的过渡过程的角度进行建模，基于炼油企业的多品种成品油生产调度中模式切换与过渡过程的离散时间最优化操作控制，给出了炼油厂全厂调度控制，构建可实现生产过程的生产成本和物料存储的成本费用以及违反订单惩罚最小化的一种调度模型。以及满足订单需求的过程控制调度的最优化方法。本发明专利技术有效解决了不同生产模式的切换及其收率计算、各类油料储存等难题。

【技术实现步骤摘要】
基于炼油厂全厂调度离散时间建模方法
本专利技术属于工业智能控制优化
，特别涉及一种基于炼油厂全厂调度离散时间建模方法，具体说是一种炼油厂炼油生产过程时间控制优化模型。
技术介绍
为了提高企业总体的经营管理和生产水平，许多炼油厂建立了实时的计划管理系统-制造执行系统-过程控制系统(ERP-MES-PCS)三层结构系统。其中MES主要用于总体调度。由于炼制生产过程的复杂性，炼油厂的短期生产调度一直是研究热点与难点之一。近年来有多种针对炼油厂的调度方法及模型被提出。但它们都没有考察生产装置操作模式的可行性和模式切换导致的过渡过程。然而，炼制生产过程中的模式切换是不可避免的。在不同的生产模式下，生产装置的操作成本和产品产量、主要性能指标都有所不同。又由于连续生产具有惯性大的特性，因此，在炼油厂调度模型中考虑模式切换导致的过渡过程是非常有必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于炼油厂全厂调度离散时间建模方法，其特征在于，所述建模方法是一种考虑生产模式过渡过程的炼油生产过程和存储控制的离散时间调度建模方法。把整个炼油厂系统划分为原油供应、炼油生产、成品油调和交付三个部分，基于离散时间，从生产装置的运行模式、生产装置运行模式的过渡过程的角度进行建模，按以下步骤建模：步骤1：问题描述首先对建模对象进行分析，分析出模型中的决策变量；将一个典型的炼油厂系统划分为三部分：第一部分是原油供应，假定来自原油储罐的原油供应是充足的；第二部分是生产装置，包括常压蒸馏装置(ATM)、减压蒸馏装置(VDU)、流化催化裂化装置(FCCU)、加氢精制装置(HTU)、加氢脱硫装置(HDS)、催化重整装置(RF)、醚化装置(ETH)和甲基叔丁基醚装置(MTBE)；第三部分是成品油调和及交付，该建模对象中有一种供应原油和八种成品油，其中包括五种汽油(JIV93、JIV97、GIII90、GIII93、GIII97)和三种柴油(GIII0、GIIIM10、GIV0)，假定成品油均存放于储油罐中，以最大限度地满足订单要求同时最小化总生产成本代价为调度优化目标。步骤2：操作模式定义所述步骤1中不同炼油生产装置的操作模式不同，ATM和VDU装置具有汽油模式(G)和柴油模式(D)两种操作模式；FCCU、HDS和ETH装置具有汽油—汽油模式(GG)、汽油—柴油模式(GD)、柴油—汽油模式(DG)和柴油—柴油模式(DD)四种操作模式；HTU1和HTU2装置具有苛刻操作模式(H)和温和操作模式(M)两种操作模式；RF和MTBE都仅有一种操作模式。步骤3：调度模型采用离散时间表述先不考虑模式切换过渡过程，则在每个时刻点上，生产装置的操作模式和输入物料量、用于调和的组分油油量和成品油的交付量都是确定的，yu,m,t表征生产装置u在时间间隔t内的操作模式是否为m；在调度模型中引入模式切换过渡过程后，需额外增加的决策变量：xu,m,m',t表征生产装置u在不同的时间间隔t内是否处于从操作模式m到m'的模式切换过渡过程；Cu,m,m',t表征生产装置u在时间间隔t-1与时间间隔t之间是否有从操作模式m到m'的切换。步骤4：问题公式化-构建数学模型基于离散时间表示的炼油厂全厂调度模型可构建为混合整数非线性规划(MINLP)数学模型，其具有各类必要的约束条件，包括：A运行模式切换约束：运行模式变量约束、模式切换变量约束、过渡过程变量约束和过渡过程保持时间约束；B物料平衡及容量、组分油调和及成品油交付的约束；步骤5：目标函数-构建的调度模型炼油厂调度问题的目标函数是最小化炼油厂的生产成本、物料储存成本以及订单缺货惩罚费用，目标函数的数学表达式如下：minf＝minΣT(QIATM,tOPC+ΣuΣmΣm'xu,m,m',tQIu,ttOpCostu,m,m'+ΣuΣm'yu,m',t(1-Σmxu,m,m',t)QIu,tOpCostu,m')(24)+Σtα(ΣoINVo,t+ΣocINVoc,t)+ΣlΣoβl(Rl,o-ΣtDl,o,t)QIATM,t为生产装置ATM处在时间间隔t内的输入流量；OPC为原油c的价格；tOpCostu,m,m'为生产装置u在操作模式从m到m'的过渡过程中的操作成本；OpCostu,m为生产装置u处于操作模式m的操作成本；α为每个时间间隔组分油和成品油的罐存成本；βl为每个时间间隔对订单l交付延迟的惩罚因子。目标函数式中第一项是购买原油的成本费用，第二项和第三项是生产装置在过渡过程和稳态运行过程中操作成本，第四项是物料储存费用，第五项是订单缺货惩罚。混合整数非线性规划模型如下：(P0)：minf＝ΣT(QIATM,tOPC+ΣuΣmΣm'xu,m,m',tQIu,ttOpCostu,m,m'+ΣuΣm'yu,m',t(1-Σmxu,m,m',t)QIu,tOpCostu,m')+Σtα(ΣoINVo,t+ΣocINVoc,t)+ΣlΣoβl(Rl,o-ΣtDl,o,t)步骤6：模型线性化以上构建的调度模型(P0)中涉及有双线性项和三线性项，双线性项是一个二进制变量与一个连续变量的乘积，三线性项是两个二进制变量与一个连续变量的乘积，可以通过引入额外的辅助变量将这些项线性化；具体来说，步骤4中约束条件(7)和步骤5目标函数中都涉及到相同的双线性项和三线性项；双线性项是xu,m,m',tQIu,t，其中，xu,m,m',t是二进制变量，QIu,t是连续变量；三线性项是yu,m',t(1-Σmxu,m,m',t)QIu,t，由xu,m,m',t的定义知，xu,m,m',t＝1表示生产装置u在时间间隔t内处于从m至m'的切换过渡过程，因为生产装置在时间间隔t-1上的操作模式唯一，故Σmxu,m,m',t的值不超过1，所以(1-Σmxu,m,m',t)可以视为二进制变量，yu,m',t是二进制变量，QIu,t是连续变量。步骤7：线性化后的约束和目标函数如步骤5、6所述，生产装置流出口物料平衡约束和目标函数可重新书写如下：minf'＝minΣT(QIATM,tOPC+ΣuΣmΣm'xQIu,m,m',ttOpCostu,m,m'+ΣuΣm'xyQIu,m',tOpCostu,m')(24’)+Σtα(ΣoINVo,t+ΣocINVoc,t)+ΣlΣoβl(Rl,o-ΣtDl,o,t)则最终重构的离散时间混合整数非线性规划调度模型如下：(P1)：minf'＝ΣT(QIATM,tOPC+ΣuΣmΣm'xQIu,m,m',ttOpCostu,m,m'+ΣuΣm'xyQIu,m',tOpCostu,m')+Σtα(ΣoINVo,t+ΣocINVoc,t)+ΣlΣoβl(Rl,o-ΣtDl,o,t)所述步骤1模型中的决策变量有：a)每个生产装置上运行的操作模式的次序及其起止时间，包括yu,m,t、Cu,m,m',t、xu,m,m',t；b)每个生产装置在每个时间点的产率(负荷)，包括QOu,s,t、QOu,oi,t；c)每个时间点上用于调和的组分油的品种和数量，包括Qoc,o,t、QOoc,t；d)每个时间点上存储或交付的成品油的品种和数量，包括Dl,o,t、QIo,t。模型中根据外部信息可确定的参数有：a)每个生产装置的运行操作模式Mu和相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于炼油厂全厂调度离散时间建模方法，其特征在于，所述建模方法是一种考虑生产模式过渡过程的炼油生产过程和存储控制的离散时间调度建模方法。把整个炼油厂系统划分为原油供应、炼油生产、成品油调和交付三个部分，基于离散时间，从生产装置的运行模式、生产装置运行模式的过渡过程的角度进行建模，按以下步骤建模： 步骤1：问题描述 首先对建模对象进行分析，分析出模型中的决策变量；将一个典型的炼油厂系统划分为三部分：第一部分是原油供应，假定来自原油储罐的原油供应是充足的；第二部分是生产装置，包括常压蒸馏装置(ATM)、减压蒸馏装置(VDU)、流化催化裂化装置(FCCU)、加氢精制装置(HTU)、加氢脱硫装置(HDS)、催化重整装置(RF)、醚化装置(ETH)和甲基叔丁基醚装置(MTBE)；第三部分是成品油调和及交付，该建模对象中有一种供应原油和八种成品油，其中包括五种汽油(JIV93、JIV97、GIII90、GIII93、GIII97)和三种柴油(GIII0、GIIIM10、GIV0)，假定成品油均存放于储油罐中，以最大限度地满足订单要求同时最小化总的生产成本代价为调度优化目标。 步骤2：操作模式定义 所述步骤1中不同炼油生产装置的操作模式不同，ATM和VDU装置具有汽油模式(G)和柴油模式(D)两种操作模式；FCCU、HDS和ETH装置具有汽油—汽油模式(GG)、汽油—柴油模式(GD)、柴 油—汽油模式(DG)和柴油—柴油模式(DD)四种操作模式；HTU1和HTU2装置具有苛刻操作模式(H)和温和操作模式(M)两种操作模式；RF和MTBE都仅有一种操作模式。 步骤3：调度模型采用离散时间表述。 先不考虑模式切换过渡过程，则在每个时刻点上，生产装置的操作模式和输入物料量、用于调和的组分油油量和成品油的交付量都是确定的，yu,m,t表征生产装置u在时间间隔t内的操作模式是否为m； 在调度模型中引入模式切换过渡过程后，需额外增加的决策变量：xu,m,m',t表征生产装置u在不同的时间间隔t内是否处于从操作模式m到m'的模式切换过渡过程；Cu,m,m',t表征生产装置u在时间间隔t‑1与时间间隔t之间是否有从操作模式m到m'的切换。 步骤4：问题公式化‐构建数学模型 基于离散时间表示的炼油厂全厂调度模型可构建为混合整数非线性规划(MINLP)数学模型，其具有各类必要的约束条件，包括： A运行模式切换约束：运行模式变量约束、模式切换变量约束、过渡过程变量约束和过渡过程保持时间约束；B物料平衡及容量、组分油调和及成品油交付的约束； 步骤5：目标函数‐构建的调度模型 炼油厂调度问题的目标函数是最小化炼油厂的生产成本、物料储存成本以及订单缺货惩罚费用，目标函数的数学表达式如下： minf＝minΣT(QIATM,tOPC+ΣuΣmΣm'xu,m,m',tQIu,ttOpCostu,m,m'+ΣuΣm'yu,m',t(1‑Σmxu,m,m',t)QIu,tOpCostu,m')                 (24)+Σtα(ΣoINVo,t+ΣocINVoc,t)+ΣlΣoβl(Rl,o‑ΣtDl,o,t) QIATM,t为生产装置ATM处在时间间隔t内的输入流量； OPC为原油c的价格； tOpCostu,m,m'为生产装置u在操作模式从m到m'的过渡过程中的操作成本； OpCostu,m为生产装置u处于操作模式m的操作成本； α为每个时间间隔组分油和成品油的罐存成本； βl为每个时间间隔对订单l交付延迟的惩罚因子。 目标函数式中第一项是购买原油的成本费用，第二项和第三项是生产装置在过渡过程和稳态运行过程中操作成本，第四项是物料储存费用，第五项是订单缺货惩罚。 混合整数非线性规划模型如下： (P0)： min f＝ΣT(QIATM,tOPC+ΣuΣmΣm'xu,m,m',tQIu,ttOpCostu,m,m'+ΣuΣm'yu,m',t(1‑Σmxu,m,m',t)QIu,tOpCostu,m')+Σtα(ΣoINVo,t+ΣocINVoc,t)+ΣlΣoβl(Rl,o‑ΣtDl,o,t) 步骤6：模型线性化 以上构建的调度模型(P0)中涉及有双线性项和三线性项，双线性项是一个二进制变量与一个连续变量的乘积，三线性项是两个二进制变量与一个连续变量的乘积，可以通过引入额外的辅助变量将这些项线性化； 具体来说，步骤4中约束条件(7)和步骤5目标函数中都涉及 到相同的双线性项和三线性项；双线性项是xu,m,m',tQIu,t，其中，xu,m,m',t是二进制变量，QIu,t是连续变量；三线性项是yu,m',t(1‑Σmxu,m,m',t)QIu,t，由xu,m,m',t的定义知，xu,m,m',t＝1表示生产装置u在时间间隔t内处于从m至m'的切换过渡过程。因...

【技术特征摘要】
1.一种基于炼油厂全厂调度离散时间建模方法，其特征在于，所述建模方法是一种考虑生产模式过渡过程的炼油生产过程和存储控制的离散时间调度建模方法，把整个炼油厂系统划分为原油供应、炼油生产、成品油调和交付三个部分，基于离散时间，从生产装置的运行模式、生产装置运行模式的过渡过程的角度进行建模，按以下步骤建模：步骤1：问题描述首先对建模对象进行分析，分析出模型中的决策变量；将一个典型的炼油厂系统划分为三部分：第一部分是原油供应，假定来自原油储罐的原油供应是充足的；第二部分是生产装置，包括常压蒸馏装置(ATM)、减压蒸馏装置(VDU)、流化催化裂化装置(FCCU)、加氢精制装置(HTU)、加氢脱硫装置(HDS)、催化重整装置(RF)、醚化装置(ETH)和甲基叔丁基醚装置(MTBE)；第三部分是成品油调和及交付，该建模对象中有一种供应原油和八种成品油,所述八种成品油包括五种汽油和三种柴油，其中，五种汽油为JIV93、JIV97、GIII90、GIII93、GIII97；三种柴油为GIII0、GIIIM10、GIV0；假定成品油均存放于储油罐中，以最大限度地满足订单要求同时最小化总的生产成本代价为调度优化目标；步骤2：操作模式定义所述步骤1中不同炼油生产装置的操作模式不同，ATM和VDU装置具有汽油模式(G)和柴油模式(D)两种操作模式；FCCU、HDS和ETH装置具有汽油—汽油模式(GG)、汽油—柴油模式(GD)、柴油—汽油模式(DG)和柴油—柴油模式(DD)四种操作模式；HTU1和HTU2装置具有苛刻操作模式(H)和温和操作模式(M)两种操作模式；RF和MTBE都仅有一种操作模式；步骤3：调度模型采用离散时间表述先不考虑模式切换过渡过程，则在每个时刻点上，生产装置的操作模式和输入物料量、用于调和的组分油油量和成品油的交付量都是确定的，yu,m,t表征生产装置u在时间间隔t内的操作模式是否为m；在调度模型中引入模式切换过渡过程后，需额外增加的决策变量；xu,m,m',t表征生产装置u在不同的时间间隔t内是否处于从操作模式m到m'的模式切换过渡过程；Cu,m,m',t表征生产装置u在时间间隔t-1与时间间隔t之间是否有从操作模式m到m'的切换；步骤4：问题公式化-构建数学模型基于离散时间表示的炼油厂全厂调度模型可构建为混合整数非线性规划(MINLP)数学模型，其具有各类必要的约束条件，包括：A运行模式切换约束：运行模式变量约束、模式切换变量约束、过渡过程变量约束和过渡过程保持时间约束；B物料平衡及容量、组分油调和及成品油交付的约束；步骤5：目标函数-构建的调度模型炼油厂调度问题的目标函数是最小化炼油厂的生产成本、物料储存成本以及订单缺货惩罚费用，目标函数的数学表达式如下：QIATM,t为生产装置ATM处在时间间隔t内的输入流量；OPC为原油c的价格；tOpCostu,m,m'为生产装置u在操作模式从m到m'的过渡过程中的操作成本；OpCostu,m’为生产装置u处于操作模式m'的操作成本；α为每个时间间隔组分油和成品油的罐存成本；βl为每个时间间隔对订单l交付延迟的惩罚因子；INVoc,t为时间间隔t结束时组分油oc的罐存量；INVo,t为时间间隔t结束时成品油o的罐存量；Dl,0,t为时间间隔t内订单l的成品油o交付量；QIu,t是连续变量；Rl,o是每个订单要求的交付时间及所需成品油油量；目标函数式中第一项是购买原油的成本费用，第二项和第三项是生产装置在过渡过程和稳态运行过程中操作成本，第四项是物料储存费用，第五项是订单缺货惩罚；混合整数非线性规划模型如下：(P0)：步骤6：模型线性化以上构建的调度模型(P0)中涉及有双线性项和三线性项，双线性项是一个二进制变量与一个连续变量的乘积，三线性项是两个二进制变量与一个连续变量的乘积，可以通过引入额外的辅助变量将这些项线性化；具体来说，步骤4中的7个约束条件和步骤5目标函数中都涉及到相同的双线性项和三线性项；双线性项是xu,m,m',tQIu,t，其中，xu,m,m',t是二进制变量，QIu,t是连续变量；三线性项是yu,m',t(1-Σmxu,m,m',t)QIu,t，由xu,m,m',t的定义知，xu,m,m',t＝1表示生产装置u在时间间隔t内处于从m至m'的切换过渡过程，因为生产装置在时间间隔t-1上的操作模式唯一，故Σmxu,m,m',t的值不超过1，所以(1-Σmxu,m,m',t)可以视为二进制变量，yu,m',t是二进制变量，QIu,t是连续变量；步骤7：线性化后的约束和目标函数如步骤5、6所述，生产装置流出口物料平衡约束和目标函数可重新书写如下：则最终重构的离散时间混合整数非线性规划调度模型如下：(P1)：2.根据权利要求1所述一种基于炼油厂全厂调度离散时间建模方法，其特征在于，所述步骤1模型中的决策变量有：a)每个生产装置上运行的操作模式的次序及其起止时间，包括yu,m,t、Cu,m,m',t、xu,m,m',t；b)每个生产装置在每个时间点的产率(负荷)，包括QOu,s,t、QOu,oi,t；c)每个时间点上用于调和的组分油的品种和数量，包括Qoc,o,t、QOoc,t；d)每个时间点上存储或交付的成品油的品种和数量，包括Dl,o,t、QIo,t；模型中根据外部信息可确定的参数有：a)每个生产装置的运行操作模式Mu和相应的过渡过程；b)每个生产装置在稳态运行时的收率Yieldu,s,m及过渡过程中的收率tYieldu,s,m,m'；c)每个生产装置在稳态运行时的运行成本OpCostu,m及过渡过程中的运行成本tOpCostu,m,m'；d)每个过渡过程的时长(过渡过程持续时间)TTu,m,m'；e)成品油的关键特性值范围，包括f)每个订单要求的交付时间及所需成品油油量，包括Tl1、Tl2、Rl,o；g)生产装置的最小输入流量值和最大输入流量值h)所有储油罐的容量限度，包括i)组分油的最小调和比例值及最大调和比例值j)原油价格OPC；k)物料储存成本α和订单缺货惩罚值βl；l)调度时间跨度范围T。3.根据权利要求1所述一种基于炼油厂全厂调度离散时间建模方法，其特征在于，所述步骤2中不同生产装置的操作模式如下：所述生产装置具有多种操作模式，其中，a)ATM和VDU对于ATM和VDU，有两种分馏操作运行模式：汽油模式(G)和柴油模式(D)；汽油模式下装置会尽可能多的产出汽油馏分，柴油模式下装置会尽可能多的产出柴油馏分；b)FCCUFCCU有两个主要部分：反应部分和分馏部分，与ATM、VDU装置相似，这两个部分的操作模式也分为汽油模式和柴油模式，同样，汽油模式下装置会尽可能多的产出汽油馏分，柴油模式下装置会尽可能多的产出柴油馏分；因此将两部分相结合，FCCU共有四个操作模式，分别命名为：汽油—汽油模式(GG)，汽油—柴油模式(GD)，柴油—汽油模式(DG)，柴油—柴油模式(DD)；c)HDS和ETH对HDS来说，产出物的收率和关键性能指标都与来自FCCU的待处理物料的种类相关；如果FCCU的操作模式发生变化，则FCCU的产出物种类会发生变化，相应地HDS的生产处理过程也要发生变化，即进行操作模式切换；将这些不同的处理过程定义成不同的操作模式，模式名称与FCCU装置的模式名称完全相同；ETH装置的生产过程与上述相似，产出物的收率和关键性能指标都与来自HDS的待处理物料的种类相关，采用与分析HDS相同的方法定义ETH的操作模式；d)HTU1和HTU2对HTU1和HTU2来说，共有两种操作模式：苛刻操作模式(H)和温和操作模式(M)；与温和操作模式相比，苛刻操作模式产出的组分油有更低的含硫量和更高的十六烷值；相应的，苛刻操作模式的运行成本也更高；e)RF和MTBERF和MTBE都仅有一种操作模式，假定在过渡过程中，运行成本的变化与收率的变化保持一致，采用积分后求平均的方法得到过渡过程的固定运行成本与收率；与稳态运行过程相比，过渡过程的操作成本更高而收率更低。4.根据权利要求1所述一种基于炼油厂全厂调度离散时间建模方法，其特征在于，所述步骤4构建数学模型，是将基于离散时间表示的炼油厂全厂调度模型构建为混合整数非线性规划(MINLP)数学模型，其中包括：A运行模式切换约束A.1运行模式变量约束任何一种生产装置在任何时间只能有一种运行模式，其中，yu,m,t＝1表示生产装置u在时间间隔t的运行模式是否为m；U为生产装置的集合；T为...

【专利技术属性】
技术研发人员：江永亨，黄德先，王凌，施磊，张璐，高小永，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11