CN111598306A - 一种炼油厂生产计划优化方法及装置 - Google Patents
一种炼油厂生产计划优化方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及炼油厂生产过程优化技术领域,公开了一种炼油厂生产计划优化方法、装置以及计算机存储介质,方法包括以下步骤:构建炼油厂生产流程的网络拓扑结构模型;收集炼油厂中二次加工装置的生产数据,以生产数据作为样本对神经网络进行训练,得到二次加工装置的过程模型;建立炼油厂中除二次加工装置以外其它装置的过程模型;根据网络拓扑结构模型以及各过程模型,以经济效益最大为目标,以加工能力、物料性质、市场供需以及物料平衡作为约束,建立生产计划优化模型;采用列队竞争算法对生产计划优化模型进行求解,得到最优生产方案。本发明在操作条件和进料性质发生较大改变时,生产计划的优化精度仍能保持较高水平。
Description
技术领域
本发明涉及炼油厂生产过程优化技术领域,具体涉及一种炼油厂生产计划优化方法、装置以及计算机存储介质。
背景技术
生产计划是炼油企业组织生产活动的预先安排,它确定了将来一段时间,企业要实现怎样的生产目标,以及如何实现这个目标。生产计划既是炼油企业经营和发展战略在生产端的反应和细化,连接上游的原油采购计划与下游的配送计划和需求计划,又是原油调度、装置与管道调度、油品调合的抽象归纳。生产计划优化是炼油企业解决生产效率问题的核心与关键。
炼油企业生产计划优化模型是对炼油企业复杂生产流程的简单归纳,模型的精度决定了优化结果的应用价值和指导意义。
建立炼油企业生产计划优化模型,关键在于建立关键加工装置(常减压蒸馏装置、催化裂化装置、加氢裂化装置、延迟焦化装置等)的过程模型。目前通用的技术是采用Delta-base技术来描述进料性质和操作条件对装置收率的影响。由于该技术本身为线性的,这样的模型系数只在一定的进料性质和操作条件变化范围内有效,而当进料性质和操作条件发生较大改变时,上述Delta-base数据将不再准确,需要修正。相对于操作条件,进料性质对Delta的影响的修正非常困难。
申请号为201210084962.0中国发明专利申请中公开了一种应用于炼油厂的非线性生产计划优化方法,其具体过程包括:
(1)建立炼油厂中炼油生产装置和物料侧线的逻辑网络,输入对应的原油采购量、物料流动方向、全局生产模型和油品输出数据;
(2)炼油生产装置中至少包括常减压蒸馏装置和催化裂化装置,并建立常减压蒸馏装置和催化裂化装置的非线性过程模型;
(3)利用中间物料储罐、油品物性、其他生产装置和市场关系的约束条件数据,以炼油过程的约束破坏值和计划周期的利润期望值建立两阶段目标函数的约束方程;
(4)确定计划周期内炼油生产的决策变量,根据步骤(3)中的约束方程,利用混合搜索方法获得计划周期内炼油生产的最优决策变量。
该方法使用包含工艺参数的经验模型来建立关键装置的过程模型。在一定范围内,这种经验模型可能是准确的,但当操作条件和进料性质发生较大改变时,经验模型的准确度就会降低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足,提供一种炼油厂生产计划优化方法、装置以及计算机存储介质,解决现有技术中建立的装置过程模型在操作条件和进料性质发生较大改变时,准确度降低,导致生产计划的优化精度降低的技术问题。
为达到上述技术目的,本发明的技术方案提供一种炼油厂生产计划优化方法,包括以下步骤:
构建炼油厂生产流程的网络拓扑结构模型;
收集炼油厂中二次加工装置的生产数据,以所述生产数据作为样本对神经网络进行训练,得到二次加工装置的过程模型;
建立炼油厂中除所述二次加工装置以外其它装置的过程模型;
根据所述网络拓扑结构模型以及各所述过程模型,以经济效益最大为目标,以加工能力、物料性质、市场供需以及物料平衡作为约束,建立生产计划优化模型;
采用列队竞争算法对所述生产计划优化模型进行求解,得到最优生产方案。
本发明还提供了炼油厂生产计划优化装置,包括处理器以及存储器,所述存储器上存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,实现所述炼油厂生产计划优化方法。
本发明还提供计算机存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现所述炼油厂生产计划优化方法。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括:本发明采用神经网络建立二次加工装置的过程模型,所建立的过程模型是非线性规划模型,因此在对生产收率进行预测时,即使操作条件和进料性质发生较大改变,预测结果也能保持较高准确率。同时,由于过程模型是非线性规划模型,因此基于该过程模型建立的生产计划优化模型,无法采用混合搜索方程等方法求解,本发明采用列队竞争算法对其进行求解,得到最后的最优生产方案。
附图说明
图1是本发明提供的炼油厂生产计划优化方法一实施方式的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示,本发明的实施例1提供了炼油厂生产计划优化方法,包括以下步骤:
S1、构建炼油厂生产流程的网络拓扑结构模型;
S2、收集炼油厂中二次加工装置的生产数据,以所述生产数据作为样本对神经网络进行训练,得到二次加工装置的过程模型;
S3、建立炼油厂中除所述二次加工装置以外其它装置的过程模型;
S4、根据所述网络拓扑结构模型以及各所述过程模型,以经济效益最大为目标,以加工能力、物料性质、市场供需以及物料平衡作为约束,建立生产计划优化模型;
S5、采用列队竞争算法对所述生产计划优化模型进行求解,得到最优生产方案。
本实施例首先构建了炼油厂生产流程的网络拓扑结构模型,网络拓扑结构模型包括炼油厂中加工装置的种类及数量,物料的名称及在各加工装置中的流动方向。炼油厂中加工装置主要分为一次加工装置和二次加工装置两大类。其中一次加工装置通常为常减压蒸馏装置,二次加工装置主要包括催化裂化装置、催化重整装置、加氢裂化装置和延迟焦化装置等。物料主要分为三大类,分别是原料、中间产物和产品。其中原料除了原油外,可能根据生产需要购买MTBE(甲基叔丁基醚,一种高辛烷值汽油添加剂),产品即需要生产的最终目标产品。物料的流动方向,既包括原油的流动方向,也包括中间产物和产品的流动方向。网络拓扑结构描述了整个生产流程中的物料流向,用于将各不同装置的过程模型连接起来,为后续建立生产计划优化模型做铺垫。
然后收集炼油厂中二次加工装置的生产数据,运用人工神经网络技术,建立二次加工装置中输入流股与输出流股关系的过程模型。更优选的,可选取关键的二次加工装置进行神经网络的训练建模,关键二次加工装置包括:催化裂化装置、加氢裂化装置和延迟焦化装置。炼油厂中,除关键二次装置外,其余装置按照简化的线性模型进行建模。
然后根据炼油厂生产流程的网络拓扑结构模型,将建立的各加工装置的过程模型串联起来,以经济效益最大为目标,以装置加工能力、物料性质、市场供需和物料平衡等为约束,建立炼油厂生产计划数学优化模型;
最后,对生产计划优化模型进行求解即可得到最优生产方案,由于建立的生产计划优化模型为非线性规划(NLP)模型。因此本实施例采用列队竞争算法对该数学模型进行求解,求解结果即为最优生产方案。
本发明实施例以二次加工装置实际生产数据为基础,采用人工神经网络技术建立的关键二次加工装置的过程模型,进而建立整个炼油厂生产计划优化模型,使得生产计划优化模型的精度更高,更贴合炼油厂实际生产过程;同时,采用列队竞争算法对生产计划优化模型求解,能在短时间内得到最优解,根据求解结果指导炼油厂编制生产计划,进而提高企业经济效益;通用性强,适用于大多数炼油厂的生产计划的编制。
具体的,以国内某炼油厂作为研究对象,其生产数据获取自车间现场。该生产流程包括:
350万吨常减压蒸馏装置(减渣);
300万吨常减压蒸馏装置(沥青);
80万吨蜡油加氢装置;
50万吨延迟焦化装置;
100万吨延迟焦化装置;
140万吨催化裂化装置;
55万吨催化裂化装置;
85万吨汽油加氢装置;
120万吨汽柴油加氢装置;
25万吨汽柴油加氢装置;
70万吨催柴裂解装置;
40万吨半再生重整装置;
70万吨连续重整装置;
碳四精制装置;
轻烃回收装置;
10万吨高沸点芳烃溶剂装置;
40万吨气体分离装置;
30万吨气体分离装置;
汽油调合设备;
柴油调合设备;
原油输入Bachaquero和Aquila,原料输入MTBE(甲基叔丁基醚);
产品输出包括:石脑油、加氢汽油、重整汽油、轻质调油用油、SA1000、SA1500、重质调油用油、常压柴油、裂解柴油、加氢柴油、抽余油、C5、苯、甲苯、二甲苯、醚后C4、MTBE、丙烷、丙烯、石油焦、沥青、92#汽油、混合丁烷;
关键二次加工装置包括:催化裂化装置、加氢裂化装置和延迟焦化装置。该炼油厂2套催化裂化装置、4套加氢裂化装置和2套延迟焦化装置。根据收集的实际生产数据,采用BP神经网络技术,分别建立这8套装置的过程模型,即收率与主要因素的数学模型。
优选的,收集炼油厂中二次加工装置的生产数据,以所述生产数据作为样本对神经网络进行训练,得到二次加工装置的过程模型,具体为:
收集所述二次加工装置的输入流股数据以及输出流股数据;
以所述输入流股数据作为输入样本,以相应的所述输出流股数据作为输出样本,对神经网络进行训练,得到二次加工装置的过程模型;
计算当前过程模型的RMS值,判断所述RMS值是否小于设定阈值,如果小于,则输出所述过程模型,否则继续进行训练。
具体的,设定阈值可根据需求进行设定,本实施例中设定阈值的取值范围设为0.001-0.1。
关键二次加工装置包括:催化裂化装置、加氢裂化装置和延迟焦化装置。这些加工装置生产工艺复杂、操作变量多,关键操作参数的变化对装置产品分布有较大的影响。建立催化裂化装置的过程模型,需要考虑的主要因素包括:提升管反应温度、原料预热温度、反应-再生系统取热负荷、催化剂活性,原料的馏程、密度、碱性氮含量、残碳值;建立加氢裂化装置的过程模型,需要考虑的主要因素包括:反应温度、反应压力、空速、氢油比,原料的密度、残碳值;建立延迟焦化装置的过程模型,需要考虑的主要因素包括:加热炉出口温度、焦化塔顶温度、循环比,原料的密度、残碳值。
通常情况下,催化裂化装置的输入流股包括:减压蜡油、加氢蜡油等,输出流股包括:催化汽油、催化柴油、液化气、干气、油浆等;加氢裂化装置的输入流股包括:氢气、减压蜡油、焦化蜡油等,输出流股包括:加氢柴油、加氢蜡油、硫化氢、燃料气等;延迟焦化装置的输入流股包括:减压渣油等,输出流股包括:焦化柴油、焦化蜡油、液化气、焦化汽油、干气、硫化氢、石油焦等。
因此,现有的线性建模难以准确描述二次加工装置的输入流股与输出流股之间的非线性关系。
本发明中所采用的人工神经网络,主要通过大量高度互联的神经元组成复杂的网络计算系统,通过神经元之间的相互作用来实现网络信息的处理。常用的网络类型包括:BP神经网络、RBF神经网络和GRNN神经网络。本实施例采用BP神经网络技术对炼油厂关键二次装置输入流股和输出流股进行建模。
本实施例中BP神经网络主要由输入层、隐藏层和输出层构成。BP网络的学习过程由信号的正向传播与误差的反向传播构成,当训练得到的过程模型到达最低RMS值时,网络训练完毕。
优选的,所述RMS值为:
优选的,所述二次加工装置的过程模型,具体为:
Y=F(Factor)
其中,Y为所述二次加工装置的产品收率向量,F为所述二次加工装置通过神经网络训练得到的网络函数,Factor为影响二次加工装置产品收率的因素向量。
二次加工装置的过程模型,描述的是产品收率向量(输出流股)与因素向量(操作条件以及输入流股)之间的非线性函数关系。
具体的,所述二次加工装置包括催化裂化装置、加氢裂化装置以及延迟焦化装置;
所述催化裂化装置的过程模型为:
YFCC=FFCC(FactorFCC)
其中,YFCC为催化裂化装置的产品收率向量,FFCC为催化裂化装置通过神经网络训练得到的网络函数,FactorFCC为影响催化裂化装置产品收率的因素向量;
所述加氢裂化装置的过程模型为:
YMHC=FMHC(FactorMHC)
其中,YMHC为加氢裂化装置的产品收率向量,FMHC为加氢裂化装置通过神经网络训练得到的网络函数,FactorMHC为影响加氢裂化装置产品收率的因素向量;
所述延迟焦化装置的过程模型为:
YDCU=FDCU(FactorDCU)
其中,YDCU为延迟焦化装置的产品收率向量,FDCU为延迟焦化装置通过神经网络训练得到的网络函数,FactorDCU为影响延迟焦化装置产品收率的因素向量。
优选的,以经济效益最大为目标,具体为:
MAX OBJ=XSSR-YLCB-JGCB
其中,OBJ为计划周期内炼油厂的利润,即目标函数,XSSR为计划周期内炼油厂所有产品的销售收入,YLCB为计划周期内炼油厂所有原料的采购成本,JGCB为计划周期内炼油厂加工成本总和。
优选的,计划周期内炼油厂所有产品的销售收入,具体为:
其中,pp为产品p的销售单价,productp为产品p的销售量,P为产品总数量;
计划周期内炼油厂所有原料的采购成本,具体为:
其中,cpc为原料c的价格,crudec为原料c购买的数量,C为原料总数量;
计划周期内炼油厂加工成本总和,具体为:
其中,ccu为加工装置u单位时间内的加工费用,amountu为加工装置u的加工量,tu为加工装置u的加工时间,U为加工装置的数量。
优选的,以加工能力、物料性质、市场供需以及物料平衡作为约束,具体为:
物料平衡约束条件包括每个加工装置的物料平衡,加工装置的物料平衡具体为:
其中INu,i为加工装置u的第i个输入流股的流量,INu为加工装置u的输入流股的总数量,OUTu,j为加工装置u的第j个输出流股的流量,OUTu为加工装置u的输出流股的总数量;
根据各加工装置的收率计算各加工装置的物料平衡约束条件:
其中,Fu,j为加工装置u的第j个输出流股的收率;
产品调合性质约束条件包括每一调和设备内各性质值约束条件,具体包括:
辛烷值约束:
其中,OCTb,k为调合设备b第k个输入流股的辛烷值,BINb,k为调合设备b第k个输入流股的流量,BINb为调和设备的总数量,OCTb为调合产品b的辛烷值指标,BPb为调合产品b的产量;
硫含量约束:
SOXb,k为调合设备b第k个输入流股的硫含量,SOXb为调合设备b的硫含量指标;
加工装置的加工能力约束条件具体为:
UClowu≤UCu≤UCupu
其中,UClowu为加工装置u的加工能力下限,UCupu为装置u的加工能力上限,
UCu为加工装置u的加工量;
市场供需约束条件包括原料供应约束以及产品需求约束;
所述原料供应约束为:
crudec≤CDc
其中,CDc为原料c的供应上限,crudec为原料c的实际供应量;
所述产品需求约束为:
productp≥PDp
其中,PDp为产品p的需求下限,productp为产品p的实际生产量。
优选的,采用列队竞争算法对所述生产计划优化模型进行求解,得到最优生产方案,具体为:
将有约束的生产计划优化模型转换为无约束的生产计划优化模型;
根据所述生产计划优化模型的约束条件确定初始搜索空间,在初始搜索空间内随机生成多个家族,每个家族包括多个生产方案对应的个体;
计算每一家族中各个体的目标函数值,根据目标函数值的大小对各所述家族进行降序排序;根据各家族在列队中排序位置分配搜索空间;各家族在各自搜索空间内进行无性繁殖变异,并计算变异后每一家族中各个体的目标函数值,保留每一家族中目标函数值最大的最优个体作为相应家族的代表个体;
检验是否满足终止条件,如果满足,则排在第一位的家族中的代表个体即为最优解,最优解对应的生产方案为最优生产方案;如果不满足,则对每个家族的搜索空间进行收缩,并转上一步。
采用神经网络所建立的过程模型为非线性规划模型,其“非线性”体现在二次加工装置的过程模型,即输出流股的收率与操作条件及输入流股的性质呈非线性关系。本发明采用列队竞争算法对非线性的炼油厂生产计划优化模型进行求解。
本实施例中生产计划方案的决策变量包括:两套常减压蒸馏装置的切割温度;每套二次加工装置输入流股与输出流股流量;调合设备的输入流股流量;产品的产量。
列队竞争算法的参数设置如下:
收缩比:0.9;
家族数:5;
家族包含的个体数:10;
子代家族数:10;
最大演化代数:1000;
列队竞争算法的步骤具体如下:
使用罚函数法将将有约束的生产计划优化模型转换为无约束的生产计划优化模型;
根据约束条件确定初始搜索空间,在初始搜索空间内随机生成5个家族,每个家族包括10个个体,10个个体对应10个初始生产方案;
按每个家族中所包含的10个个体的目标函数平均值的大小,对5个家族降序排序;
根据各个家族在列队中的位置,分配搜索空间,所分配搜索空间的大小与家族在列队中的排序号呈正比,即在列队中处于第一位的家族搜索空间最小,处于最末位的搜索空间最大;
5个家族在各自的搜索空间内进行无性繁殖变异,具体为每一家族的10个个体在相应搜索空间内随机衍生值,产生10个彼此差异性尽可能大的子代家族群体;
计算变异后每一家族中多个个体的目标函数值,保留每个家族中的最优个体作为代表,最优个体对应每个家族中目标函数值最大的个体;
检验是否满足终止条件,本实施例中终止条件为变异次数达到最大演化代数,(终止条件还可设置为搜索空间收缩至某一点等),如果满足,则排在第一位的家族中的代表个体即为最优解,最优解对应的生产方案为最优生产方案;如果不满足,则对每个家族的搜索空间按收缩比0.9进行收缩,并转进行下一次无性繁殖变异,直至达到终止条件得到最优解。
实施例2
本发明的实施例2提供了炼油厂生产计划优化装置,包括处理器以及存储器,所述存储器上存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,实现实施例1提供的炼油厂生产计划优化方法。
本发明实施例提供的炼油厂生产计划优化装置,用于实现炼油厂生产计划优化方法,因此,炼油厂生产计划优化方法所具备的技术效果,炼油厂生产计划优化装置同样具备,在此不再赘述。
实施例3
本发明的实施例3提供了计算机存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现实施例1提供的炼油厂生产计划优化方法。
本发明实施例提供的计算机存储介质,用于实现炼油厂生产计划优化方法,因此,炼油厂生产计划优化方法所具备的技术效果,计算机存储介质同样具备,在此不再赘述。
以上所述本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种炼油厂生产计划优化方法,其特征在于,包括以下步骤:
构建炼油厂生产流程的网络拓扑结构模型;
收集炼油厂中二次加工装置的生产数据,以所述生产数据作为样本对神经网络进行训练,得到二次加工装置的过程模型;
建立炼油厂中除所述二次加工装置以外其它装置的过程模型;
根据所述网络拓扑结构模型以及各所述过程模型,以经济效益最大为目标,以加工能力、物料性质、市场供需以及物料平衡作为约束,建立生产计划优化模型;
采用列队竞争算法对所述生产计划优化模型进行求解,得到最优生产方案。
2.根据权利要求1所述的炼油厂生产计划优化方法,其特征在于,收集炼油厂中二次加工装置的生产数据,以所述生产数据作为样本对神经网络进行训练,得到二次加工装置的过程模型,具体为:
收集所述二次加工装置的输入流股数据以及输出流股数据;
以所述输入流股数据作为输入样本,以相应的所述输出流股数据作为输出样本,对神经网络进行训练,得到二次加工装置的过程模型;
计算当前过程模型的RMS值,判断所述RMS值是否小于设定阈值,如果小于,则输出所述过程模型,否则继续进行训练。
4.根据权利要求1所述的炼油厂生产计划优化方法,其特征在于,所述二次加工装置的过程模型,具体为:
Y=F(Factor)
其中,Y为所述二次加工装置的产品收率向量,F为所述二次加工装置通过神经网络训练得到的网络函数,Factor为影响二次加工装置产品收率的因素向量。
5.根据权利要求1所述的炼油厂生产计划优化方法,其特征在于,以经济效益最大为目标,具体为:
MAX OBJ=XSSR-YLCB-JGCB
其中,OBJ为计划周期内炼油厂的利润,XSSR为计划周期内炼油厂所有产品的销售收入,YLCB为计划周期内炼油厂所有原料的采购成本,JGCB为计划周期内炼油厂加工成本总和。
7.根据权利要求1所述的炼油厂生产计划优化方法,其特征在于,以加工能力、物料性质、市场供需以及物料平衡作为约束,具体为:
物料平衡约束条件包括每个加工装置的物料平衡,加工装置的物料平衡具体为:
其中INu,i为加工装置u的第i个输入流股的流量,INu为加工装置u的输入流股的总数量,OUTu,j为加工装置u的第j个输出流股的流量,OUTu为加工装置u的输出流股的总数量;
根据各加工装置的收率计算各加工装置的物料平衡约束条件:
其中,Fu,j为加工装置u的第j个输出流股的收率;
产品调合性质约束条件包括每一调和设备内各性质值约束条件,具体包括:
辛烷值约束:
其中,OCTb,k为调合设备b第k个输入流股的辛烷值,BINb,k为调合设备b第k个输入流股的流量,BINb为调和设备的总数量,OCTb为调合产品b的辛烷值指标,BPb为调合产品b的产量;
硫含量约束:
SOXb,k为调合设备b第k个输入流股的硫含量,SOXb为调合设备b的硫含量指标;
加工装置的加工能力约束条件具体为:
UClowu≤UCu≤UCupu
其中,UClowu为加工装置u的加工能力下限,UCupu为装置u的加工能力上限,
UCu为加工装置u的加工量;
市场供需约束条件包括原料供应约束以及产品需求约束;
所述原料供应约束为:
crudec≤CDc
其中,CDc为原料c的供应上限,crudec为原料c的实际供应量;
所述产品需求约束为:
productp≥PDp
其中,PDp为产品p的需求下限,productp为产品p的实际生产量。
8.根据权利要求1所述的炼油厂生产计划优化方法,其特征在于,采用列队竞争算法对所述生产计划优化模型进行求解,得到最优生产方案,具体为:
将有约束的生产计划优化模型转换为无约束的生产计划优化模型;
根据所述生产计划优化模型的约束条件确定初始搜索空间,在初始搜索空间内随机生成多个家族,每个家族包括多个生产方案对应的个体;
计算每一家族中各个体的目标函数值,根据目标函数值的大小对各所述家族进行降序排序;根据各家族在列队中排序位置分配搜索空间;各家族在各自搜索空间内进行无性繁殖变异,并计算变异后每一家族中各个体的目标函数值,保留每一家族中目标函数值最大的最优个体作为相应家族的代表个体;
检验是否满足终止条件,如果满足,则排在第一位的家族中的代表个体即为最优解,最优解对应的生产方案为最优生产方案;如果不满足,则对每个家族的搜索空间进行收缩,并转上一步。
9.一种炼油厂生产计划优化装置,其特征在于,包括处理器以及存储器,所述存储器上存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,实现如权利要求1-8任一所述的炼油厂生产计划优化方法。
10.一种计算机存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时,实现如权利要求1-8任一所述的炼油厂生产计划优化方法。
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