陳偉睿，陳夕松，陶思琦，梅 彬

(1.東南大學自動化學院，南京 210096；2.南京富島信息工程有限公司)

近年來基于近紅外光譜的原油在線調合技術已經在我國原油加工企業(yè)逐步推廣，給企業(yè)的常減壓蒸餾裝置(CDU)進料提供了更準確的原油性質分析，穩(wěn)定了進料性質，優(yōu)化了進料結構，給企業(yè)帶來了可觀的經濟效益[1]。在這種新型的原油調合系統(tǒng)中，有時原油加工配方中包含一些低成本、性價比更高的原油，但這些原油可能尚未抵達廠內罐區(qū)，需要調度盡快安排上述原油進廠加工。

隨著計算機技術的發(fā)展，出現了不少可行的原油調度方法[2]。例如，通過混合整數規(guī)劃(MIP)法[3]、約束規(guī)劃(CP)法[4]或基于事件樹的優(yōu)化方法[5]對原油轉輸加以指導，但這些方法建立的模型規(guī)模龐大，求解時間長。文獻[6]提出了基于模型預測控制的原油調度方法，證實了滾動優(yōu)化在原油調度中應用的可行性，增強了調度模型的自適應能力，但并沒有將原油調合納入考慮范圍。而原油調度與原油調合在生產上緊密關聯，相互影響。一方面，當調度來油時間、順序、數量與調合生產需求不匹配時，進罐原油會長時間占用儲罐，減少了可用于周轉的有效罐容，同時也易導致調合難以選擇到合適的組分原油，進而給CDU的穩(wěn)定生產帶來影響。另一方面，因精細化原油調合需要考慮的因素較多，調合配方常常會根據生產加工的實際情況發(fā)生變化，易造成現有的靜態(tài)調度方法反復排產，使調度人員難以應付。因此，研究如何結合調合需求進行原油調度很有必要。

本研究針對某煉油企業(yè)的原油管輸調度工藝流程，通過將調合需求納入考慮范圍實現精益化原油調度，使用MIP法建立原油管輸調度模型，采用滾動優(yōu)化法加以求解，協助原油調合優(yōu)化系統(tǒng)調運急需原油，并從調度供給層面確保調合需求得到滿足，從而在保障煉油企業(yè)連續(xù)穩(wěn)定生產的前提下，綜合降低原油儲運、油輪滯期費用及生產操作成本，提高企業(yè)調度的精細化管控水平。

1 面向在線調合的原油滾動調度方法設計

1.1 目標函數的確定

本研究以煉油行業(yè)典型的原油管輸調度工藝為對象，其示意見圖1：具有2個分布在不同地區(qū)的碼頭(1號碼頭和2號碼頭)可供油輪停泊，每個碼頭都有可供卸油的碼頭罐區(qū)，油輪到達碼頭后通過碼頭管線向碼頭罐區(qū)卸油。1號碼頭罐區(qū)(STA1～STA10，共計10個儲罐)通過1號碼頭罐區(qū)-廠內線向廠內罐區(qū)(CT1～CT9，共計9個儲罐)轉輸原油，2號碼頭罐區(qū)(STB1～STB6，共計6個儲罐)類似。廠內罐區(qū)再向CDU1和CDU2供油用于加工，原油輸送過程均通過輸油泵組實現，可以通過調節(jié)輸油泵組和閥門來控制輸油管線流量。

原油管輸調度模型中的目標函數一般包括油輪滯期費用、儲罐庫存成本、切換付油儲罐操作成本以及切換CDU加工儲罐操作成本，如式(1)所示。

(1)

式中：CWAIT，v為油輪v停泊碼頭的單位時間單位體積原油滯期費用；VV，v，c，t為t時刻油輪v中組分油c的儲量，m3；CST，q，s為碼頭罐區(qū)s儲罐q的單位體積原油儲存費用；VS，q，c，t，s為t時刻碼頭罐區(qū)s儲罐q中組分油c的儲量，m3；CCT，n為廠內罐區(qū)儲罐n的單位體積原油儲存費用；VC，n，c，t為t時刻廠內罐區(qū)儲罐n中組分油c的儲量，m3；CTRS，s為碼頭罐區(qū)s向廠內付油儲罐切換一次的操作費用；ZS，k，r，j，t，s為t時刻碼頭罐區(qū)s向廠內儲罐j輸油時從儲罐k切換到儲罐r(k≠r)的0～1決策變量；CTRD表示供CDU加工用油儲罐切換一次的操作費用；ZCDU，k，r，j，t為t時刻廠內罐區(qū)向CDUj輸油時從儲罐k切換到儲罐r(k≠r)的0～1決策變量；SNV為調度周期內到港油輪的集合{1，…，NV}；ST為調度周期內時間的集合{1，…，T}；SS為碼頭罐區(qū)的集合{1，…，S}；SNST，s為碼頭罐區(qū)s中儲罐的集合{1，…，NSTs}；SNC為廠內罐區(qū)儲罐的集合{1，…，NC}；SCR為待加工組分油的集合{1，…，CR}；SNCDU為CDU的集合{1，…，NCDU}。由于油輪滯期費用、儲存費用、切換費用在不同的煉油企業(yè)具有不同的價格，且往往波動較大，為排除這一因素的影響，在不影響優(yōu)化結果的前提下，上述費用均為相對價格。

(2)

1.2 約束條件的構建

在構建原油管輸調度模型的過程中，需要考慮儲罐收油限制約束、油輪卸油操作規(guī)則約束、碼頭與廠內罐區(qū)儲罐操作規(guī)則約束、油輪及各儲罐物料平衡約束、輸油管線流量約束、儲罐邊進邊出限制約束、儲罐儲油量約束和付油儲罐切換約束等，這些約束在多個文獻中已有描述[6-7]，本研究側重介紹除上述基本約束外與原油調合有關的約束。

圖2 原油調合配方引入調度模型原理

根據上述原理，構建原油調合配方關鍵約束。對原油調合配方進行處理，根據進入CDUk的各組分原油調合比Xc，k和CDUk的額定加工流速FTOC，k，計算得到各組分油的瞬時加工流量FDM，c，k=FTOC，k×Xc，k，再將FDM，c，k通過如式(3)和式(4)所示的約束條件引入原油管輸調度模型。

FCD，n，k，c，t=FDM，k，c，tDCD，n，k，c，t，?n∈SNC，?k∈SNCDU，?t∈ST，?c∈SCR

(3)

(4)

式中：FCD，n，k，c，t為t時刻由廠內罐區(qū)儲罐n付組分油c至CDUk時的輸油管線流量，t/h；FDM，k，c，t為t時刻根據原油調合配方得出的CDUk加工所需要的組分油c的瞬時加工流量，t/h；DCD，n，k，c，t為0～1決策變量，代表t時刻廠內罐區(qū)儲罐n決定是否向CDUk提供組分油c。當選中廠內儲罐n向CDUk付加工組分油c時，式(3)和式(4)將共同限制該儲罐的付油流速為CDUk對組分油c需求的瞬時加工流量。

2 案例驗證與分析

2.1 案例驗證

為了驗證上述方法的有效性，以如圖1所示的煉油行業(yè)典型調度工藝為基礎，對上述在原油調合配方可變背景下調度周期為168 h的原油管輸調度問題進行建模和優(yōu)化求解。

該案例對2020年2月21日0：00至28日0：00共計168 h的調度方案進行求解，這一時間段內用于加工的原油共計5種：巴士拉輕油、科威特原油、福迪斯原油、巴士拉重油和卡斯蒂利亞原油，其性質如表1所示。

表1 5種原油的性質

假設該案例中1號與2號碼頭卸油流速均為0～6 500 t/h，1號碼頭罐區(qū)-廠內線流速與2號碼頭罐區(qū)-廠內線流速均為200～2 000 t/h，CDU1額定加工流速為360 t/h，CDU2額定加工流速為1 000 t/h。

本案例調度的時間段內共有兩艘油輪來油，1號油輪(V1)于2020年2月21日1：00載運195 000 t巴士拉輕油?？吭?號碼頭，2號油輪(V2)于2020年2月22日07：00載運195 000 t卡斯蒂利亞原油同樣?？吭?號碼頭。

本案例中1號與2號碼頭罐區(qū)儲罐期初庫存情況如表2所示，廠內罐區(qū)期初庫存如表3所示。

表2 1號與2號碼頭罐區(qū)儲罐期初庫存

表3 廠內罐區(qū)儲罐期初庫存

在本案例中，原油調合配方發(fā)生了一次變更。對于CDU1，在2020年2月21日0：00至23日2：00期間使用初始原油調合配方[w(巴士拉輕油)∶w(科威特原油)∶w(福迪斯原油)=0.50∶0.20∶0.30]，在2月23日2：00至28日0：00期間使用成本更低的原油調合配方[w(福迪斯原油)∶w(巴士拉重油)∶w(卡斯蒂利亞原油)=0.23∶0.17∶0.60]。對于CDU2，在2月21日0：00至23日2：00期間使用初始原油調合配方[w(科威特原油)∶w(巴士拉重油)∶w(卡斯蒂利亞原油)=0.20∶0.20∶0.60]，在2月23日2：00至28日0：00期間使用成本更低的原油調合配方[w(巴士拉輕油)∶w(科威特原油)∶w(卡斯蒂利亞原油)=0.24∶0.48∶0.28]。

2.2 結果分析

針對上述案例進行求解，得到的168 h全時段調度方案以甘特圖表示，如圖3～圖5所示，任一儲罐或CDU在原油轉輸過程中涉及的油輪和收付油儲罐及輸油流速均在圖中時間塊上標注。

圖3為優(yōu)化求解得到的1號碼頭罐區(qū)調度方案，以2月21日1：00 V1來油195 000 t巴士拉輕油為例，1號碼頭罐區(qū)調度方案在2月21日1：00油輪V1到港的第一時間就安排了卸油作業(yè)，以最大卸油流速6 500 t/h向STA4卸油。連續(xù)轉儲11 h后，STA4累計收巴士拉輕油81 250 m3，若再向STA4卸油，只能再卸3 750 m3巴士拉輕油，故調度方案選擇切換至STA6卸油以獲取最大卸油流速。以此類推，其余卸油操作均符合調度方法設計要求?？梢?號碼頭罐區(qū)在油輪V1和V2來油時能第一時間開始卸油，避免了滯期費用的產生，且具有較好的收油操作連續(xù)性，符合工藝要求。

圖3 1號碼頭罐區(qū)調度方案

圖4為廠內罐區(qū)調度方案。由圖4可見，對于收油和付油操作最為復雜的廠內罐區(qū)，調度方案能夠盡可能減少CDU加工時供油儲罐的切換次數。在2月23日2：00調合配方變化時，針對CDU1的供油儲罐，能迅速從先前的CT2、CT7切換到CT1、CT8，且由于變化前后的調合配方均有福迪斯原油，為盡可能減少切換次數，調度方案選擇保留CT4繼續(xù)供CDU1加工。同理，CDU2的供油儲罐在盡可能減少切換的情況下配合調合配方完成了付油儲罐的切換。綜上所述，調度方案能通過最低限度的CDU加工時供油儲罐的切換操作，及時調整供CDU加工用油的廠內儲罐，確保了原油調合配方切換前后CDU生產加工的連續(xù)性。

此外，由表3可知，2月21日0：00調度排產期初，組分油巴士拉輕油、科威特原油、福迪斯原油、巴士拉重油和卡斯蒂利亞原油的廠內庫儲量分別為79 892，136 621，16 349，76 701，75 891 m3，此時福迪斯原油儲量在低水平，屬于緊缺組分油。結合圖4可知，2月21日0：00至22日18：00期間調度方案均優(yōu)先從STB1調度福迪斯原油，在累計轉輸42 h后使其儲量回升至84 000 m3?？梢?，求解所得調度方案可優(yōu)先安排緊缺組分油進廠加工。

圖5為CDU1和CDU2的加工調度方案。由圖5可見，在調合配方變化時(2月23日2：00)，求解所得的調度方案完全適應原油調合配方的變化，及時調整了用于CDU加工的組分油和對應的瞬時加工量。不論在調合配方變化前，還是在調合配方變化后，CDU按照原油調合配方的比例開展連續(xù)穩(wěn)定的加工生產，且其額定加工流速(各組分油瞬時加工量之和)保持穩(wěn)定不變。對照表1、圖4和圖5，通過組分油體積密度換算可知，CDU加工的組分油的加工流速與對應廠內儲罐組分油付CDU流速完全一致。

圖4 廠內罐區(qū)調度方案

圖5 CDU1與CDU2加工調度方案

綜合比對圖3～圖5、表2和表3，可知該案例求解所得的原油調度方案可優(yōu)先安排緊缺組分油進廠加工，并根據任一時刻原油調合優(yōu)化系統(tǒng)給出的原油調合配方，進行最低限度的收付油儲罐切換操作，及時適應配方變化，柔性調整CDU加工的組分原油，滿足連續(xù)平穩(wěn)、減少切換的原油生產加工工藝要求。

3 結 論

(1)證明了將原油在線調合需求納入到原油調度中是完全可行的，通過在原油管輸調度模型中的目標函數和約束條件中引入原油調合需求，能夠使其及時響應原油調合需求的變化，并優(yōu)先安排緊缺組分油進廠加工。

(2)采用滾動優(yōu)化的方法對原油管輸調度模型進行求解，可有效降低單次優(yōu)化模型求解規(guī)模，減少求解時間，增強調度模型的自適應能力。

(3)案例分析結果表明，本研究所述方法能夠在原油調合配方發(fā)生變化時及時校正原油管輸調度方案，以適應原油調合需求，在滿足煉油企業(yè)連續(xù)穩(wěn)定生產的前提下，綜合降低原油儲運、油輪滯期費用及生產操作成本，有助于提升我國煉化企業(yè)經濟效益。