炼油厂生产计划及氢网络研究
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摘要
当前全球市场竞争越来越激烈，我国已经加入WTO，这给炼油企业带来各种挑战和机遇，炼油企业必须合理地选购原油、优化工艺流程和装置操作条件、优化产品方案、优化油品调和方案，充分利用企业内外部可用资源，降低生产成本、提高产品质量，获取更好的经济效益，才能在激烈的竞争中立于不败之地。炼油厂的各种优化研究，就是解决这些问题的主要途径之一。
对炼油厂工艺过程如此复杂的大系统，本文采用了逐级优化策略，首先在生产管理层进行了全局优化，制定生产计划方案，然后对公用工程、氢网络、生产装置等子系统，根据生产计划优化的结果以及子系统的实际情况进行优化，以节省子系统的运行费用或少耗多产，并把优化信息反馈到生产计划层，反复修正以得到较优方案。本文分别对生产计划和氢网络子系统两个层次进行了以下优化研究：
(1)本文在分析现有炼油厂生产计划编制方法的基础上，发现在炼油企业的内外部环境中普遍存在的不确定性条件下，现有的优化方法只能“硬”性地对存在的不确定作精确化处理，如此考虑问题不够细致、合理，与实际情况常不相符合。本文提出用模糊线性规划方法编制炼油企业生产计划。建立了兰州炼油厂的生产计划模糊模型，该模型综合考虑了原油供给的不确定性、生产装置的生产负荷和收率分布的不确定性、原油价格的不确定性，并进行了求解，求解结果和申迪公司图形建模优化排产软件模型结果作了对比，证明模糊优化方法编制炼油厂生产计划的可实现性和优越性。该生产计划模型可用于短、中、长期的生产计划制定，并可以方便地扩展到时间更长、不确定因素更复杂的企业战略规划问题的优化。
(2) 本文讨论了炼油厂氢网络子系统超结构的构建和优化方法，综合考虑了氢系统的供氢装置、耗氢装置、提纯装置、压缩机、管网，以及系统压力的约束条件，建立了所有可能的氢源与氢阱之间的连接。以充分利用氢资源，满足耗氢装置的要求，以氢网络运行费用最低为目标，合成最优的氢网络结构。本文以镇海炼化氢网络系统为例，建立氢网络超结构优化模型并进行了求解，得到了最优氢网络结构，和目前的氢网络结构对比，氢网络的费用从71748.45￥／hr降到60152.48￥／hr。
Currently, facing the drastic competition in worldwide market and challenges after joining WTO, oil refineries must optimize the purchasing of crude oils, processing and equipment operation, production scheduling, oil products blending scheduling to make full use of inside and outside resources available. To keep the competitive position, refineries must reduce costs, improve the quality of products and get a better economic performance. The optimization researches of oil refineries are the major ways to solve these problems.
Based on the analysis of optimization of oil refineries in every level, since a refinery is a very complex system, a level-by-level strategy is suggested. The upper level is management level, production planning. The lower level is sub-site, say hydrogen network and utility system and production equipment. We first optimize the upper level in overall-site and find an optimal result, with which we optimize the sub-site to reduce costs and feed back the result to the upper level. Thus the best production planning can be got by times recycles. In this paper, production planning and hydrogen network optimization will be studied individually as follow.
(1) Based on the analysis of methods how to workout a production plan for oil refineries, we find that the present methods deal with uncertainties in the environment by assuming they are hard. It isn't very reasonable to deal with uncertainties in this way, disaccording with facts. We propose using fuzzy linear programming to workout a production plan. We set up a fuzzy linear programming mode! of production planning of lanzhou refinery & chemical co. considering uncertainty of crude oils supplying, uncertainty of the capability and yield of equipments, uncertainty of the price of crude oils. The result is compared with the result found by PROS VI.5, verifying the advantage and realizability of fuzzy linear programming. The model can be used to workout a short-term, middle-term, long-term production plan, also it can be modified to optimize stratagem programming with more uncertainties.
(2) Also, we discuss how to set up a hydrogen network super structure and a optimization model of oil refineries. The advantage of the super structure is considering suppliers, consumers, purifier, compressors, pipes and pressure constraints, and connecting all
possible links from sources to sinks. The objective of hydrogen network is the lowest cost, making full use of hydrogen resources and meeting the demands of consumers. We build the hydrogen network superstructure and the optimization model of ZRCC for example. The result is compared with the present hydrogen network, the total cost being reduced from 71748. 45 Y/hr to 60152. 48Y/hr.
对炼油厂工艺过程如此复杂的大系统，本文采用了逐级优化策略，首先在生产管理层进行了全局优化，制定生产计划方案，然后对公用工程、氢网络、生产装置等子系统，根据生产计划优化的结果以及子系统的实际情况进行优化，以节省子系统的运行费用或少耗多产，并把优化信息反馈到生产计划层，反复修正以得到较优方案。本文分别对生产计划和氢网络子系统两个层次进行了以下优化研究：
(1)本文在分析现有炼油厂生产计划编制方法的基础上，发现在炼油企业的内外部环境中普遍存在的不确定性条件下，现有的优化方法只能“硬”性地对存在的不确定作精确化处理，如此考虑问题不够细致、合理，与实际情况常不相符合。本文提出用模糊线性规划方法编制炼油企业生产计划。建立了兰州炼油厂的生产计划模糊模型，该模型综合考虑了原油供给的不确定性、生产装置的生产负荷和收率分布的不确定性、原油价格的不确定性，并进行了求解，求解结果和申迪公司图形建模优化排产软件模型结果作了对比，证明模糊优化方法编制炼油厂生产计划的可实现性和优越性。该生产计划模型可用于短、中、长期的生产计划制定，并可以方便地扩展到时间更长、不确定因素更复杂的企业战略规划问题的优化。
(2) 本文讨论了炼油厂氢网络子系统超结构的构建和优化方法，综合考虑了氢系统的供氢装置、耗氢装置、提纯装置、压缩机、管网，以及系统压力的约束条件，建立了所有可能的氢源与氢阱之间的连接。以充分利用氢资源，满足耗氢装置的要求，以氢网络运行费用最低为目标，合成最优的氢网络结构。本文以镇海炼化氢网络系统为例，建立氢网络超结构优化模型并进行了求解，得到了最优氢网络结构，和目前的氢网络结构对比，氢网络的费用从71748.45￥／hr降到60152.48￥／hr。
Currently, facing the drastic competition in worldwide market and challenges after joining WTO, oil refineries must optimize the purchasing of crude oils, processing and equipment operation, production scheduling, oil products blending scheduling to make full use of inside and outside resources available. To keep the competitive position, refineries must reduce costs, improve the quality of products and get a better economic performance. The optimization researches of oil refineries are the major ways to solve these problems.
Based on the analysis of optimization of oil refineries in every level, since a refinery is a very complex system, a level-by-level strategy is suggested. The upper level is management level, production planning. The lower level is sub-site, say hydrogen network and utility system and production equipment. We first optimize the upper level in overall-site and find an optimal result, with which we optimize the sub-site to reduce costs and feed back the result to the upper level. Thus the best production planning can be got by times recycles. In this paper, production planning and hydrogen network optimization will be studied individually as follow.
(1) Based on the analysis of methods how to workout a production plan for oil refineries, we find that the present methods deal with uncertainties in the environment by assuming they are hard. It isn't very reasonable to deal with uncertainties in this way, disaccording with facts. We propose using fuzzy linear programming to workout a production plan. We set up a fuzzy linear programming mode! of production planning of lanzhou refinery & chemical co. considering uncertainty of crude oils supplying, uncertainty of the capability and yield of equipments, uncertainty of the price of crude oils. The result is compared with the result found by PROS VI.5, verifying the advantage and realizability of fuzzy linear programming. The model can be used to workout a short-term, middle-term, long-term production plan, also it can be modified to optimize stratagem programming with more uncertainties.
(2) Also, we discuss how to set up a hydrogen network super structure and a optimization model of oil refineries. The advantage of the super structure is considering suppliers, consumers, purifier, compressors, pipes and pressure constraints, and connecting all
possible links from sources to sinks. The objective of hydrogen network is the lowest cost, making full use of hydrogen resources and meeting the demands of consumers. We build the hydrogen network superstructure and the optimization model of ZRCC for example. The result is compared with the present hydrogen network, the total cost being reduced from 71748. 45 Y/hr to 60152. 48Y/hr.
引文
1． Frontline Systems, Inc., Premium Solver Plus Version 3． 5 Solver User' s Guide
2． Gavin P. Towler, Reg Mann, Arnaud J-L. Serriere and Cecile M. D. Gabaude, Refinery Hydrogen Management: Cost Analysis of Chemically-Integrated Facilities , Industrial & Engineering Chemistry Research, 1996, 35(7) , 2378-2388
3． H. J. Zimmermann, Fuzzy set theory and its application 1984
4． Ichiro Nishizaki, Masatoshi Sakawa, Fuzzy cooperative games arising from linear production programming problems with fuzzy parameters , Fuzzy Sets and Systems,2000, 114, 11-21
5． J. C. M. Hartmann, Decision-making and modeling in petroleum refining, Hydrocarbon Processing, 1997, November, 77-81
6． J. C. M. Hartmann, Distinguish between scheduling and planning models, Hydrocarbon Processing, 1998, July, 93-100
7． J. Zhang, X. X. Zhu and G. P. Towler, A Level-by-Level Debottlenecking Approach in Refinery Operation, Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(6) , 1528-1540
8． J. Zhang, X. X. Zhu and G. P. Towler, A Simultaneous Optimization Strategy for Overall Integration in Refinery Planning, Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(12) , 2640-2653
9． Masahiro Inuiguchi, Jaroslav Ramik, Possibilistic linear programming: a brief review of fuzzy mathematical programming and a comparison with stochastic programming in portfolio selection problem, Fuzzy Sets and Systems 2000, 111, 3-28
10． Ming Long Liu and Nikolaos V. Sahinidis, Theory and Methodology Process planning in a fuzzy environment, European Journal of Operational Research, 1997, (100) , 142-169
11． Nan Zhang, Ph.D. Thesis, University of Manchester Institute of Science and Technology, 2000
12． N. Hallale and F.Liu, Refinery hydrogen management for clean fuels production, Advances in Environmental Research, 2001, (6) , 81-98
13． S. Peramanu, B. G.Cox and B.B.Pruden, Economics of hydrogen recovery processes for the purification of hydroprocessor purge and off-gases, International Journal of Hydrogen Energy, 1999, 24, 405-424
14． V. Ravi, P. J. Reddy and D. Dutta, Application of fuzzy nonlinear goal programming to a refinery mode, Computers Chem. Engineering, 1998, 22(4/5) , 709-712
15．侯祥麟，中国炼油技术，中国石化出版社，1991
16．李淑培，石油加工工艺学(上、中、下册)，中国石化出版社，1991
17．杨松林．工程模糊论方法及其应用．北京：国防工业出版社，1996
18．陈丙珍，沈静珠，石油化工企业生产优化管理，清华大学出版社，1990
19．邓先礼，最优化技术，重庆大学出版社，1998
20．谢胜智，陈戈止，运筹学，西南财经大学出版社，1999
21．裘俊红，浙江大学博士论文，1991
22．厉小军，浙江大学博士论文，2001
23．唐家福，汪定伟．模糊优化理论与方法综述．控制理论与应用，2000，17(2)：159—164
24．张建勋，一类模糊系数线性规划的解法及在生产计划中的应用，重庆师范学院学报(自然科学版)，1999，16(1)：73—78
25．刘树安，尹新等，目标函数系数模糊型的模糊线性规划问题，东北大学学报(自然科学版)，1998，19(6)：614-617
26．王绪柱，袁礼荣等，水泥配比的模糊规划模型，系统工程，1993，11(4)，45—51
27．黄冠华，模糊线性规划在灌区规划与管理中的应用，水利学报，1991，(5)，36-40
28．刘维仲，模糊系统理论在电力工程领域的应用，中国电机工程学报，1990，10(增刊)，61-65
29．张克邦，黄炳章等，模糊规划问题的数值解及其应用，上海交通大学学报，1991，25(1)129—133
30．毛加祥，张秀军等，炼油企业提高整体经济效益的若干途径，石油炼制，1993，24(7)，42—46
31．曹晓晞，原油优化分配模型建模工作小结，石油炼制，1989，6，47—53
32．胡泽新，邵惠鹤等，化工企业生产计划建模与优化研究，华东化工学院学报，1987，13(6)，713—718
33．丁峰，扬家本等，基于炼油过程仿真的优化生产计划系统的开发与应用，石油炼制与化工1998，29(11)58—61
34．兰鸿森，王树青等，论炼油厂加工多种原油方案之优化决策控制问题，炼油化工自动化，1996，62(4)，62—65
35．张蓉生，炼油厂生产管理最优化与生产装置的优化控制，石油炼制与化工1997，28(7)55-59
36．华贲，发展石油化工过程技术，石油炼制与化工1996，27(12)49-53
37．刘多，扬家本，丁峰等，改进炼油厂生产计划编制方法的研究，石油炼制与化，1996，27(6)，47—51
38．戴绍利，谭跃进等，生产调度方法的系统研究，系统工程，1999，17(1)41—45
39．张日勇，罗建强，用EXCEL软件建立炼油厂优化加工模型，石油炼制与化，1995，26(9)，32—35
40．于静江，周春晖，大型工业装置的计算机集成系统，控制与决策，1995，10(5)，417-421
41．姚建初，刘伯龙等，过程工业CIMS体系结构及其优化策略，华中理工大学学报，1995，23(6)，79-82
42．王思忠，建立总体优化下的具有信息反馈通道的闭环经济型CIMS，科技开发动态，1999，(3)，6-12
43．M.Glidewell著，胡尧良，炼油厂的一体化管理—原油采购运输炼制和产品分销一体化，南炼科技，1999，6(8)，52-54，46
44．何银仁，陈先芽等，炼油和石油化工生产计划模型中公用工程的优化，石油炼制与化工，1996，27(12)，45—48
45．沈静珠，姚晓丽等，全国炼油生产计划的专家系统，石油炼制，1989，(11)，55-60
46．兰鸿森，黄河清等，基于炼油过程仿真的原油混炼比优化，石油炼制与化工，1997，28(11)，50-53
47．王众讬，田聿新，燃料、润滑油、石蜡型炼厂生产计划的模型和优化，大连工学院学报1984，23(4)123-127
48．兰州炼油厂生产装置的生产手册和标定报告
49．上海申迪软件工程有限公司，炼油厂图形建模计划优化系统(PROS V1.5)用户手册
50．F.P.Wilcher等，丁帮明译，从炼厂气体中分离并回收氢气，石化译文，1997，(1)，25—27
51．侯芙生，加氢裂化—进入21世纪的主要炼油技术，石油炼制与化工，2000，31(9)1—5
52．钱伯章，炼油厂氢气回收和制氢技术进展，炼油，2000，(4)，58—72
53．王艳辉，吴迪镛等，氢能及制氢的应用技术现状及发展趋势，化工进展，2001，(1)，6—8
54．扬存性，炼油厂氢气资源及其综合利用，油气综合利用工程，1999，5(3)，5—8
55．S.C.Che等著，欧阳业译，制氢技术综述，1997，(1)，21—24
56．镇海炼化氢网络的工艺技术规程、标定报告和技术月报
57．刘贤福，浙江大学硕士论文，2002
2． Gavin P. Towler, Reg Mann, Arnaud J-L. Serriere and Cecile M. D. Gabaude, Refinery Hydrogen Management: Cost Analysis of Chemically-Integrated Facilities , Industrial & Engineering Chemistry Research, 1996, 35(7) , 2378-2388
3． H. J. Zimmermann, Fuzzy set theory and its application 1984
4． Ichiro Nishizaki, Masatoshi Sakawa, Fuzzy cooperative games arising from linear production programming problems with fuzzy parameters , Fuzzy Sets and Systems,2000, 114, 11-21
5． J. C. M. Hartmann, Decision-making and modeling in petroleum refining, Hydrocarbon Processing, 1997, November, 77-81
6． J. C. M. Hartmann, Distinguish between scheduling and planning models, Hydrocarbon Processing, 1998, July, 93-100
7． J. Zhang, X. X. Zhu and G. P. Towler, A Level-by-Level Debottlenecking Approach in Refinery Operation, Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(6) , 1528-1540
8． J. Zhang, X. X. Zhu and G. P. Towler, A Simultaneous Optimization Strategy for Overall Integration in Refinery Planning, Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(12) , 2640-2653
9． Masahiro Inuiguchi, Jaroslav Ramik, Possibilistic linear programming: a brief review of fuzzy mathematical programming and a comparison with stochastic programming in portfolio selection problem, Fuzzy Sets and Systems 2000, 111, 3-28
10． Ming Long Liu and Nikolaos V. Sahinidis, Theory and Methodology Process planning in a fuzzy environment, European Journal of Operational Research, 1997, (100) , 142-169
11． Nan Zhang, Ph.D. Thesis, University of Manchester Institute of Science and Technology, 2000
12． N. Hallale and F.Liu, Refinery hydrogen management for clean fuels production, Advances in Environmental Research, 2001, (6) , 81-98
13． S. Peramanu, B. G.Cox and B.B.Pruden, Economics of hydrogen recovery processes for the purification of hydroprocessor purge and off-gases, International Journal of Hydrogen Energy, 1999, 24, 405-424
14． V. Ravi, P. J. Reddy and D. Dutta, Application of fuzzy nonlinear goal programming to a refinery mode, Computers Chem. Engineering, 1998, 22(4/5) , 709-712
15．侯祥麟，中国炼油技术，中国石化出版社，1991
16．李淑培，石油加工工艺学(上、中、下册)，中国石化出版社，1991
17．杨松林．工程模糊论方法及其应用．北京：国防工业出版社，1996
18．陈丙珍，沈静珠，石油化工企业生产优化管理，清华大学出版社，1990
19．邓先礼，最优化技术，重庆大学出版社，1998
20．谢胜智，陈戈止，运筹学，西南财经大学出版社，1999
21．裘俊红，浙江大学博士论文，1991
22．厉小军，浙江大学博士论文，2001
23．唐家福，汪定伟．模糊优化理论与方法综述．控制理论与应用，2000，17(2)：159—164
24．张建勋，一类模糊系数线性规划的解法及在生产计划中的应用，重庆师范学院学报(自然科学版)，1999，16(1)：73—78
25．刘树安，尹新等，目标函数系数模糊型的模糊线性规划问题，东北大学学报(自然科学版)，1998，19(6)：614-617
26．王绪柱，袁礼荣等，水泥配比的模糊规划模型，系统工程，1993，11(4)，45—51
27．黄冠华，模糊线性规划在灌区规划与管理中的应用，水利学报，1991，(5)，36-40
28．刘维仲，模糊系统理论在电力工程领域的应用，中国电机工程学报，1990，10(增刊)，61-65
29．张克邦，黄炳章等，模糊规划问题的数值解及其应用，上海交通大学学报，1991，25(1)129—133
30．毛加祥，张秀军等，炼油企业提高整体经济效益的若干途径，石油炼制，1993，24(7)，42—46
31．曹晓晞，原油优化分配模型建模工作小结，石油炼制，1989，6，47—53
32．胡泽新，邵惠鹤等，化工企业生产计划建模与优化研究，华东化工学院学报，1987，13(6)，713—718
33．丁峰，扬家本等，基于炼油过程仿真的优化生产计划系统的开发与应用，石油炼制与化工1998，29(11)58—61
34．兰鸿森，王树青等，论炼油厂加工多种原油方案之优化决策控制问题，炼油化工自动化，1996，62(4)，62—65
35．张蓉生，炼油厂生产管理最优化与生产装置的优化控制，石油炼制与化工1997，28(7)55-59
36．华贲，发展石油化工过程技术，石油炼制与化工1996，27(12)49-53
37．刘多，扬家本，丁峰等，改进炼油厂生产计划编制方法的研究，石油炼制与化，1996，27(6)，47—51
38．戴绍利，谭跃进等，生产调度方法的系统研究，系统工程，1999，17(1)41—45
39．张日勇，罗建强，用EXCEL软件建立炼油厂优化加工模型，石油炼制与化，1995，26(9)，32—35
40．于静江，周春晖，大型工业装置的计算机集成系统，控制与决策，1995，10(5)，417-421
41．姚建初，刘伯龙等，过程工业CIMS体系结构及其优化策略，华中理工大学学报，1995，23(6)，79-82
42．王思忠，建立总体优化下的具有信息反馈通道的闭环经济型CIMS，科技开发动态，1999，(3)，6-12
43．M.Glidewell著，胡尧良，炼油厂的一体化管理—原油采购运输炼制和产品分销一体化，南炼科技，1999，6(8)，52-54，46
44．何银仁，陈先芽等，炼油和石油化工生产计划模型中公用工程的优化，石油炼制与化工，1996，27(12)，45—48
45．沈静珠，姚晓丽等，全国炼油生产计划的专家系统，石油炼制，1989，(11)，55-60
46．兰鸿森，黄河清等，基于炼油过程仿真的原油混炼比优化，石油炼制与化工，1997，28(11)，50-53
47．王众讬，田聿新，燃料、润滑油、石蜡型炼厂生产计划的模型和优化，大连工学院学报1984，23(4)123-127
48．兰州炼油厂生产装置的生产手册和标定报告
49．上海申迪软件工程有限公司，炼油厂图形建模计划优化系统(PROS V1.5)用户手册
50．F.P.Wilcher等，丁帮明译，从炼厂气体中分离并回收氢气，石化译文，1997，(1)，25—27
51．侯芙生，加氢裂化—进入21世纪的主要炼油技术，石油炼制与化工，2000，31(9)1—5
52．钱伯章，炼油厂氢气回收和制氢技术进展，炼油，2000，(4)，58—72
53．王艳辉，吴迪镛等，氢能及制氢的应用技术现状及发展趋势，化工进展，2001，(1)，6—8
54．扬存性，炼油厂氢气资源及其综合利用，油气综合利用工程，1999，5(3)，5—8
55．S.C.Che等著，欧阳业译，制氢技术综述，1997，(1)，21—24
56．镇海炼化氢网络的工艺技术规程、标定报告和技术月报
57．刘贤福，浙江大学硕士论文，2002