当前位置: 主页 > 学术动态 >

考虑调度操作安全平稳性的炼油化工生产过程调度优化

作者:   文章来源:   点击数:   更新日期: 2023-04-07

中文题目:考虑调度操作安全平稳性的炼油化工生产过程调度优化

论文题目Refining production process scheduling optimization considering safety and smoothness of scheduling operations

录用期刊/会议化工学报(EI)

原文DOI10.11949/0438-1157.20230012

原文链接:https://hgxb.cip.com.cn/CN/10.11949/0438-1157.20230012

录用/见刊时间:202331

封面图片:

封面摘要:本文提出一种考虑调度操作平稳性的炼油化工生产调度优化模型,以解决常规调度优化模型优化产生的调度调整易使生产波动从而导致调度方案不可行的难题。

作者列表

1 高小永 中国石油大学(北京)信息科学与工程学院 自动化系 教师

2 黄付宇 中国石油大学(北京)信息科学与工程学院 控制科学与工程 20

3 郑万鹏 中国石油大学(北京)信息科学与工程学院 控制科学与工程 19

4     中国石油大学(北京)信息科学与工程学院 控制科学与工程 21

5 中国石油大学(北京)信息科学与工程学院 控制科学与工程 21

6 黄德先 清华大学 信息科学技术学院 自动化系 教师

文章简介:

平稳运行是炼油化工企业本质安全运行、生产经济效益和挖潜增效的重要保证,针对炼油化工生产装置的多操作模式运行已成为普遍现象,调度调整也日渐频繁。因此本文在考虑调度操作安全平稳性的情况下构建了基于离散时间表达的调度优化模型,通过操作模式的切换与装置加工速率的波动综合表征系统平稳性,建立以生产成本最低为目标的调度优化模型。

摘要:

平稳运行是炼油化工企业本质安全运行、生产经济效益和挖潜增效的重要保证,然而由于原油供应以及产品需求多变,炼油化工生产装置的多操作模式运行已成为普遍现象,调度调整也日渐频繁。现有的研究方法未考虑到装置多模式切换等调度调整对平稳操作带来的影响,甚至会导致调度操作方案实际不可行。为此,本文提出一种考虑调度操作平稳性的炼油化工生产调度优化模型,以解决常规调度优化模型优化产生的调度调整易使生产波动从而导致调度方案不可行的难题。考虑调度操作平稳性的调度优化模型采用离散时间表示,通过操作模式的切换与装置加工速率的波动综合表征系统平稳性,建立以生产成本最低为目标的调度优化模型。为了验证所提出模型在解决实际工业问题时的有效性,采用JuliaJuMP包调用Gurobi求解器对典型案例进行仿真求解。案例仿真结果验证了所提出模型的正确性及可实施性。与常规调度优化相比,以过程动态为表征的调度操作的平稳性提高了10%以上。

背景与动机:

平稳生产是炼油企业生产安全和经济效益的重要保障。由炼油生产过程导致的事故往往会对生命、财产、生态系统和企业造成不可估量的损失。对于以“安、稳、长、满、优”为目标的炼油化工生产过程而言,调度方案的可操作性、调度操作的平稳性至关重要。

设计与实现:

本文以平稳度表示系统平稳性的程度,以量化对比不同调度方案的平稳性,我们定义平稳

计算公式如下:



(1)

调度优化模型的主要约束条件如下:

1操作模式约束



(2)

2操作模式转换约束





(3)



(4)



(5)



(6)

3加工装置产率平衡约束



(7)



(8)



(9)



(10)



(11)



(12)



(13)



(14)



(15)

4调和装置产率平衡约束



(16)



(17)



(18)

5装置加工能力约束



(19)

6装置加工波动约束



(20)



(21)



(22)

7进料比例约束



(23)

8储罐容量约束



(24)



(25)



(26)



(27)



(28)



(29)



(30)

9成品油性质约束





(33)





(34)

10产品需求约束



(35)

实验结果及分析:

为了验证本文对三个典型案例进行了仿真验证,三个案例的规模情况如表1所示

1 案例规模

案例名

时间片段数

产品需求个数

案例1

8

13

案例2

8

20

案例3

12

40

注:产品需求非零个数表示参数

非零的个数

2 案例1求解统计

Table 2 Statistics of solutions for case 1

参数

模型Ⅰ

模型Ⅱ

模型Ⅲ

模型Ⅳ

约束总数

10919

11101

10919

11101

变量总数

9655

9655

9655

9655

二元变量数

1280

1280

1280

1280

求解耗时()

600.0

49.0

3.0

22.3

相对Gap

5.90%

0.01%

0.00%

0.00%

操作成本()

16689749.7

18268224.6

17470639.3

112882537.2

模式切换次数

10

12

0

0

平稳度

81.36%

93.24%

85.22%

96.24%



1 案例1装置加工甘特图

3 案例2求解统计

参数

模型Ⅰ

模型Ⅱ

模型Ⅲ

模型Ⅳ

约束总数

10919

11101

10919

11101

变量总数

9655

9655

9655

9655

二元变量数

1280

1280

1280

1280

求解耗时()

600.0s

139.0s

5.3s

234.0s

相对Gap

0.07%

0.01%

0.00%

0.00%

操作成本()

35696277.6

37803820.8

38446318.6

38545371.2

模式切换次数

10

9

0

0

平稳度

81.21%

92.17%

86.74%

95.93%



2 案例2装置加工甘特图

4 案例3求解统计

参数

模型Ⅰ

模型Ⅱ

模型Ⅲ

模型Ⅳ

约束总数

16523

16809

16523

16809

变量总数

14467

14467

14467

14467

二元变量数

12547

12547

12547

12547

求解耗时()

600.0

600.0

164.0

600.0

相对Gap

3.42%

8.65%

0.00%

2.82%

操作成本()

36522116.2

37694269.1

37941169.1

37969474.6

模式切换次数

12

6

0

0

平稳度

75.06%

94.69%

82.46%

96.34%









3 案例3装置加工甘特图

结论:

本文建立了一种考虑调度操作安全平稳性的炼油化工生产调度优化模型,在以经济性为目标的调度优化模型中考虑了调度操作安全平稳性的影响,调度模型通过添加装置加工速率波动限制并增加模式切换损失以间接体现操作模式切换的影响。通过几个典型案例的仿真结果验证了所提模型的正确性及可实施性。所提出的建模方式可为流程工业的调度优化建模提供参考。

通讯作者简介:

高小永,副教授,博士生导师,石大学者,校青年拔尖人才,自动化系主任,自动化专业及控制科学与工程学科建设负责人。北京自动化学会常务理事、中国自动化学会过程控制专业委员会委员、中国化工学会信息技术应用专业委员会委员、中国系统工程学会过程系统工程专业委员会委员。研究领域为复杂石油石化工业过程智能制造,主要方向有:机理与数据驱动的故障诊断、复杂工业过程建模与优化控制、工业过程计划与调度优化等。主持国家自然科学基金项目2项、北京市自然科学基金面上项目1项、校企联合项目10多项,发表SCI/EI等各类论文50多篇。

Emailx.gao@cup.edu.cn