CN112947325A - 一种面向原油调合的储罐动态调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向原油调合的储罐动态调度方法,该方法针对原油储罐调度工艺,通过将原油调合加工方案需求纳入原油储罐调度,连续监测原油调合动态调度需求单的变化情况,在原油调合动态调度需求单发生变化时,及时校正原油储罐调度方案以适应原油调合需求。该方法加强了原油调度与调合的协调能力,在确保炼化企业生产平稳运行的同时降低原油储运费用,使原油调度精细化,提升企业经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及炼化企业的生产调度领域,具体为一种面向原油调合的储罐动态调度方法。
背景技术
原油调度与原油调合生产上紧密关联,相互影响。原油调度首先将油轮到达港口后的原油进行岸罐接储,完成卸油;然后调配管线输送到炼化企业厂区进行厂罐收储,从而为原油调合提供合适来油。当调度来油时间、顺序、数量与调合生产需求不匹配时,进罐原油长时间占用储罐,减少了可用于周转的有效罐容;同时也易造成调合难以选择到合适的组分原油,进而给常减压装置(CDU)的稳定生产带来影响。可见,调度与调合在时序上紧密关联,在业务逻辑上环环相扣。两者一旦衔接不畅,极易造成调度安排被动,调合及后续生产加工出现波动。
目前许多炼化企业已引入原油调合优化系统,该系统能够为CDU加工生产提供精细化的混合原油加工方案,改变了原先粗放式的原油调合加工方式。精细化的原油调合考虑的因素较多,这导致调合配方(原油种类和数量)常常会根据生产加工的实际情况发生变化。这些变化会造成现有的静态调度方法或人工调度反复排产,调度人员难以应付。因此,目前在炼化行业亟需一种能够适应精细化原油调合的调度新方法,能够将调合需求纳入考虑范畴实现精益化的原油调度,在满足炼化企业连续稳定生产的前提下综合降低原油储运、油轮滞期及生产操作成本,提高企业调度的精细化管控水平。
发明内容
本发明针对上述问题,提出了一种面向原油调合的储罐动态调度方法。该方法通过将原油调合加工方案需求融入原油储罐调度,辅以连续监测和动态校正,为原油加工提供储罐动态调度方案,具体包括以下步骤:
1)将时间长度为N小时的总调度周期分割为P个时间长度为T小时的滚动优化周期,其中N=P×T;
2)获取当前滚动优化周期的期初数据,其中期初数据包含各储罐的安全库容上下限,各储罐的初始库存量及其初始库存油种,管线流速,CDU加工流速,各油种密度、硫含量及酸值,到港油轮原油量及其油种;
3)针对当前调度周期内的未来T小时,从原油调合优化系统获取原油调合动态调度需求单,该调度需求单确定了每小时提供给常减压加工的混合原油的组成油种及其对应混合比例;
4)通过原油调合动态调度需求单所给单种油c的调合比例Xc与常减压装置k的额定加工流速FTOC,k得到常减压装置k中的单种油c的瞬时加工量FDM,c=FTOC,k×Xc;
5)监测原油调合动态调度需求单是否发生变化,若发生变化则使用新的原油调合动态调度需求单,反之则保持原有原油调合动态调度需求单;
6)建立混合整数规划调度模型,具体步骤如下:
a)确定决策变量,具体包含:油轮v至码头s输油管线流量FVS,s、码头s至厂内管线流量FSC,s、厂内至常减压加工管线流量FCD、油轮储油量VV、码头s储罐储油量VS,s、厂内储罐储油量VC、操作油轮v向码头s储罐输送原油的0-1决策变量DVS,s、操作码头s储罐向厂内储罐输送原油的0-1决策变量DSC,s、操作厂内储罐向常减压输送原油的0-1决策变量DCD、码头s付油储罐切换决策变量ZS、常减压加工储罐切换决策变量ZCDU;
b)确定约束条件组CONs,包括油轮卸油操作规则、码头与厂内罐区储罐操作规则、不同码头罐区向厂内罐区转输原油操作规则、油轮及各储罐物料平衡约束、任意罐区的任意一个储罐只存一种原油逻辑约束、输油管线流量约束、储罐储油量约束和付油储罐切换约束,具体包括:
i.油轮卸油操作规则:
①在任意时刻t,第v艘油轮只能向码头罐区s的一个储罐转储原油:
式(1)中DVS,v,p,t,s为0-1决策变量,其代表t时刻第v艘油轮决定是否向码头罐区s的第p个储罐输油,0为不输油,1为输油,SNV为调度周期内到港油轮的集合{1,...,NV},ST为调度周期内时间间隔的集合{1,...,T},SS为码头罐区的集合{1,...,S},SNST,s为码头罐区s的集合{1,...,NSTs};
②在任意时刻t,第v艘油轮根据收油限制标识limitM确定码头罐区s储罐是否能收油:
式(2)中DVS,v,p,t,s为0-1决策变量,其代表t时刻第v艘油轮决定是否向码头罐区s第p个储罐输油,0为不输油,1为输油,limitMST,p,s,t为t时刻码头罐区s的第p个储罐的收油限制标识,1为允许收油,0为不允许收油;
ii.码头罐区s储罐操作规则:
①在任意时刻t,码头罐区s的第n个储罐只能向厂内罐区的一个储罐转储原油:
式(3)中DSC,p,n,t,s为0-1决策变量,其代表t时刻码头罐区s的第p个储罐决定是否向厂内罐区第n个储罐输油,0为不输油,1为输油;
②在任意时刻t,不允许码头罐区s任一储罐边进边出:
厂内罐区储罐操作规则与码头罐区s储罐操作规则逻辑一致,这里不再赘述;
iii.不同码头罐区储罐向厂内罐区转输原油操作规则:
在任意时刻t,厂内罐区任一收油限制标识limitM未标记不可收油的储罐只能从码头罐区{1,...,S}中任意一个储罐收油:
式(5)中DSC,p,n,t,s为0-1决策变量,其代表t时刻码头罐区s的第p个储罐决定是否向厂内罐区第n个储罐输油,0为不输油,1为输油,limitMCT,n,t为t时刻厂内罐区的第n个储罐的收油限制标识,1为允许收油,0为不允许收油;
iv.油轮物料平衡约束:
式(6)中VV,v,c,t表示t时刻第v艘油轮油种c的储油量,VV,v,c,0表示第v艘油轮油种c在当前调度周期的初始储油量,FVS,v,n,c,i,s表示i时刻第v艘油轮向码头罐区s的第p个储罐输油时的输油管线油种c的流量FVS,其中i<=t,SCR为油种的集合{1,...,CR};
码头罐区s储罐物料平衡约束和厂内罐区储罐物料平衡约束与油轮物料平衡约束逻辑一致,这里不再赘述;
v.任意罐区的任意一个储罐只能存储一种原油逻辑约束:
以厂内罐区为例,其逻辑表达式为:
其中VC,n,c,t表示t时刻厂内罐区第n个储罐油种c的储量,SNC为厂内罐区储罐的集合{1,...,NC},由于式(7)为逻辑约束不可引入混合整数规划调度模型,此处需将其转换为混合整数线性约束如式(8)所示:
vi.油轮卸油管线流量约束:
式(9)中FVS,v,p,s,min表示由第v艘油轮向码头罐区s第p个储罐卸油时输油管线的最小流量,FVS,v,p,s,max表示由第v艘油轮向码头罐区s第p个储罐卸油时输油管线的最大流量,FVS,v,p,c,t,s表示t时刻第v艘油轮向码头罐区s第p个储罐卸油c时输油管线的流量FVS;
码头至厂内输油管线流量约束与油轮卸油管线流量约束逻辑一致,这里不再赘述;
vii.码头罐区s储罐储油量约束:
式(10)中VS,p,s,min表示码头罐区s的第p个储罐储油量下限值,VS,p,s,max表示码头罐区s的第p个储罐储油量上限值;
厂内罐区储罐储油量约束、油轮储油量约束逻辑与码头罐区s储罐储油量约束逻辑一致,这里不再赘述;
viii.码头罐区s向厂内罐区付油储罐切换约束:
式(11)中ZS,h,g,n,t,s表示t时刻码头罐区s向厂内罐区的第n个储罐输送原油时从第h个储罐切换到第g个储罐的0-1型决策变量ZS,此处h不等于g,0表示未切换,1表示已切换,DSC,g,n,t,s为表示t时刻由码头罐区s的第g个储罐向厂内罐区的第n个储罐输送原油的0-1型决策变量,0为输油,1为不输油,DSC,g,n,t-1,s为表示t的上一时刻由码头罐区s的第g个储罐向厂内罐区的第n个储罐输送原油的0-1型决策变量,对于t为0的情况此处的决策变量DSC,g,n,t-1,s取用上一调度周期末时刻的DSC求解结果;
ix.CDU加工切换约束:
式(12)中ZCDU,h,g,n,t表示t时刻厂内罐区向常减压装置k输送原油供加工时从第h个储罐切换到第g个储罐的0-1型决策变量ZCDU,此处h不等于g,0表示未切换,1表示已切换,DCD,g,k,c,t为表示t时刻由厂内罐区的第g个储罐向常减压装置k输送油c的0-1决策变量,0为输油,1为不输油,DCD,g,k,c,t-1为表示t时刻的上一时刻由厂内罐区的第g个储罐向常减压装置k输送油c的0-1决策变量,对于t为0的情况此处的决策变量DCD,g,k,c,t-1取用上一调度周期末时刻的DCD求解结果;
c)引入原油调合动态调度需求单:
式(13)中FCD,n,k,c,t表示t时刻由厂内罐区第n个储罐付油c至常减压装置k时输油管线的流量FCD,FDM,k,c,t表示t时刻原油调合动态调度需求单给出的常减压装置k加工所需要的油种c的瞬时加工量,DCD,n,k,c,t为0-1决策变量,其代表t时刻厂内罐区第n个储罐决定是否向常减压装置k提供油c用于加工,0为不输油,1为输油,SNCDU为常减压装置的集合{1,...,NC};
f)确定目标函数:
式(14)中min(Cost)表示该目标函数目标为最小化操作成本,CWAIT,v表示第v艘油轮单位时间停泊码头的单位体积原油滞期费用,VV,v,c,t表示t时刻第v艘油轮油种c的储油量,CST,q,s表示码头罐区s第q个储罐的单位体积原油储存费用,VS,q,c,t,s表示t时刻码头罐区s的第q个储罐油种c的储油量,CCT,n表示厂内罐区第n个储罐的单位体积原油储存费用,VC,n,c,t表示t时刻厂内罐区第n个储罐油种c的储油量,CTRS,s表示码头罐区s向厂内罐区付油储罐切换一次的操作费用,ZS,k,r,j,t,s表示t时刻码头罐区s向厂内罐区的第j个储罐输送原油时从第k个储罐切换到第r个储罐的0-1决策变量ZS,此处k不等于r,0表示未切换,1表示已切换,CTRD表示常减压装置加工储罐切换一次的操作费用,ZCDU,k,r,j,t表示t时刻厂内罐区向常减压装置j输送原油供加工时从第k个储罐切换到第r个储罐的0-1决策变量ZCDU,此处k不等于r,0表示未切换,1表示已切换;
7)对当前调度周期带有原油调合动态调度需求单约束约束的混合整数规划调度模型进行求解,求解出符合原油调合需求的当前调度周期优化求解结果并输出;
8)判断是否已完成全部P轮优化求解,若已完成则输出总调度方案,若未完成则取当前周期的优化求解结果作为下一个周期的期初数据,转步骤2。
有益效果:
本发明公开了一种面向原油调合的储罐动态调度方法,该方法将精细化的原油调合需求纳入原油储运调度优化中,及时根据调合变化自动生成新的调度方案,可在满足炼化企业连续稳定生产的前提下,综合降低原油储运、油轮滞期及生产操作成本,提高企业调度的精细化管控水平。
附图说明
图1为本发明实施例中某炼化企业原油储罐调度工艺流程图;
图2为本发明实施例中一种面向原油调合的储罐动态调度方法流程图;
图3为本发明实施例中所求得的1号码头罐区调度方案;
图4为本发明实施例中所求得的2号码头罐区调度方案;
图5为本发明实施例中所求得的厂内罐区调度方案;
图6为本发明实施例中所求得的1号与2号常减压加工调度方案。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,由具体的操作流程说明本方法在原油调度过程中的实施效果。本实施案例在以本发明技术方案为前提下进行实施,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明所述调度方法涉及的某炼化企业原油储罐调度工艺流程如图1所示。油轮到达码头后通过码头管线向码头罐区卸油,1号码头罐区通过1号码头罐区-厂内线向厂内罐区转输原油,2号码头罐区类似。厂内罐区再向CDU1和CDU2供油用于加工,原油输送过程均通过输油泵组实现,可以通过调节输油泵组和阀门来控制输油管线流量。
本实施例以某炼化企业2020年2月21日0:00至24日0:00共计72小时的调度方案求解为例,这一时间段内用于原油加工共计5种原油:巴士拉轻、科威特、福迪斯、巴士拉重和卡斯蒂利亚,具体性质指标如表1所示。
表1用于原油加工的5种原油性质指标
序号 | 油种名称 | 相对密度g/cm<sup>3</sup> | 硫含量wt% | 酸值mgKOH/g |
0 | 巴士拉轻 | 0.88 | 2.12 | 0.457 |
1 | 科威特 | 0.88 | 2.88 | 0.01 |
2 | 福迪斯 | 0.83 | 0.79 | 0.09 |
3 | 巴士拉重 | 0.91 | 4.05 | 0.135 |
4 | 卡斯蒂利亚 | 0.94 | 1.57 | 0.28 |
CDU1的额定加工流速FTOC,0为360t/h,CDU2的额定加工流速FTOC,1为1000t/h。各管线的流速限制如表2所示。
表2输油管线流速参数表
流速参数名称 | 流速下限 | 流速上限 |
1号码头卸油流速t/h | 0 | 6500 |
2号码头卸油流速t/h | 0 | 6500 |
1号码头罐区-厂内线流速m<sup>3</sup>/h | 200 | 2000 |
2号码头罐区-厂内线流速m<sup>3</sup>/h | 200 | 2000 |
本实施例需调度的时间段内共有两艘油轮来油,其具体计划如表3所示。
表32020年2月21日0:00至24日0:00来油计划表
本实施例流程如图2所示,具体的实施步骤如下:
1)将时间长度N=72小时的总调度周期分割为P=72个时间长度为T=1小时的滚动优化周期。
2)获取当前滚动优化周期的期初数据,具体为各储罐状态数据如第一次滚动优化的期初数据表4所示。
表42020年2月21日0:00各储罐状态表
3)从原油调合优化系统获取原油调合动态调度需求单,该调度需求单确定了每小时提供给常减压加工的混合原油的组成油种及其对应混合比例。
4)判断原油调合动态调度需求单是否变更,若变更则使用变更后的原油调合动态调度需求单,否则保持原有原油调合动态调度需求单。
5)求取每个油种的瞬时加工量FDM,c,如CDU1中油种巴士拉轻的加工比例X0=0.50,则对应CDU1中油种巴士拉轻的瞬时加工量FDM,0=FTOC,0×X0=180.00。在本实施例中,原油调合动态调度需求单发生了一次变更。其中,在2020年2月21日00:00至2月23日02:00期间使用表5所示的初始原油调合动态调度需求单。
表5初始原油调合动态调度需求单
出于精细化原油调合的需要,该企业于2020年2月23日02:00对原油调合动态调度需求单进行变更,因此在2020年2月23日02:00至24日00:00使用表6所示的变更后的原油调合动态调度需求单。
表6变更后的原油调合动态调度需求单
6)建立混合整数规划调度模型,具体包括以下步骤:
a)首先,确定决策变量为油轮v至码头s输油管线流量FVS,s、码头s至厂内管线流量FSC,s、厂内至常减压加工管线流量FCD、油轮储油量VV、码头s储罐储油量VS,s、厂内储罐储油量VC、操作油轮v向码头s储罐输送原油的0-1决策变量DVS,s、操作码头s储罐向厂内储罐输送原油的0-1决策变量DSC,s、操作厂内储罐向常减压输送原油的0-1决策变量DCD、码头s付油储罐切换决策变量ZS、常减压加工储罐切换决策变量ZCDU。
b)确定混合整数规划调度模型中的约束条件组CONs,包括常规原油调度约束式(1)~式(12),其中式(8)的权重取w=1.0×105。
c)接着,向约束条件组CONs中引入原油调合动态调度需求单约束:
本例中,下角标c选择范围为0、1、2、3、4,分别对应5种原油:巴士拉轻、科威特、福迪斯、巴士拉重和卡斯蒂利亚,下角标k选择范围为0、1,分别对应CDU1和CDU2。
对于初始原油调合动态调度需求单,该约束具体表达为:
同理,对于变更后的原油调合动态调度需求单,该约束具体表达为:
d)最后,考虑到油轮停泊码头的滞期费用、码头罐区和厂内罐区储罐的原油储存费用、码头罐区向厂内罐区转输储罐切换费用和常减压装置加工储罐切换费用,确定目标为最小化操作成本的目标函数为:
式中任一油轮停泊码头滞期费用CWAIT,v取100元/m3·h,任一码头罐区的任一储罐单位体积原油储存费用CST,q,s取10元/m3,任一码头罐区输油储罐的切换操作费用CTRS,s为100000元/次,任一常减压装置加工储罐的切换操作费用CTRD为100000元/次。
7)求解混合整数规划模型,本例在Python3.8环境下使用Gurobi 9.10求解器对本例所建混合整数规划模型进行优化求解。
8)判断是否已完成全部72轮优化求解,若未完成则取当前周期的优化求解结果作为下一个优化周期的期初数据,转步骤2开始下一轮滚动优化求解,若已完成则将全部72轮滚动优化求解结果合并为总调度方案。
输出总调度方案可得到1、2号码头罐区、厂内罐区和1、2号常减压加工调度方案分别如图3、图4、图5和图6所示。
图3给出了本实施例得到的1号码头罐区调度方案,从中可以看到,1号码头罐区在1、2号油轮来油时,可以在第一时间开始接收油轮卸下来的油,避免滞期费用的产生,且具有较好的收油操作连续性,符合实际工艺要求。图4给出了2号码头罐区调度方案,可见2号码头罐区可连续向厂内罐区付油,且在整个调度时间段内切换次数仅有两次,有效控制了切换成本。图5给出了厂内罐区调度方案,对于收油和付油操作最为复杂的厂内罐区,本实施例所给结果能够尽可能减少加工储罐的切换次数,并在调度需求单变化时及时调整供常减压装置的加工储罐。
图6给出了CDU1和CDU2的加工调度方案,在23日02:00时,本方法求解得出的调度方案完全适应原油调合动态调度需求单的变化,及时调整供常减压加工的原油油种和流量。
综上所述,本方法通过将原油调合环节纳入原油储运调度环节中,从而适应现有原油调合优化系统的精细化要求,在最大程度确保炼化企业生产平稳运行的同时,可有效降低原油调度费用,使得企业在原油储运和原油加工生产两个环节上进一步实现集约化生产、精细化加工。
Claims (7)
1.一种面向原油调合的储罐动态调度方法,其特征在于通过将原油调合加工方案需求融入原油储罐调度,辅以连续监测和动态校正,为原油加工提供储罐动态调度方案,具体包括以下步骤:
1)将时间长度为N小时的总调度周期分割为P个时间长度为T小时的滚动优化周期,其中N=P×T;
2)获取当前滚动优化周期的期初数据;
3)针对当前调度周期内的未来T小时,从原油调合优化系统获取原油调合动态调度需求单,该调度需求单确定了每小时提供给常减压加工的混合原油的组成油种及其对应混合比例;
4)监测原油调合动态调度需求单是否发生变化,若发生变化则使用新的原油调合动态调度需求单,反之则保持原有原油调合动态调度需求单;
5)通过原油调合动态调度需求单所给单种油c的调合比例Xc与常减压装置k的额定加工流速FTOC,k得到常减压装置k中的单种油c的瞬时加工量FDM,c=FTOC,k×Xc;
6)建立混合整数规划调度模型,包括:
a)确定决策变量;
b)确定混合整数规划调度模型中的约束条件组CONs,包括油轮卸油操作规则、码头与厂内罐区储罐操作规则、不同码头罐区向厂内罐区转输原油操作规则、油轮及各储罐物料平衡约束、任意罐区的任意一个储罐只存一种原油逻辑约束、输油管线流量约束、储罐储油量约束和付油储罐切换约束;
c)在约束条件组CONs中引入原油调合动态调度需求单:
上式中FCD,n,k,c,t表示t时刻由厂内罐区第n个储罐付油c至常减压装置k时输油管线的流量FCD,FDM,k,c,t表示t时刻原油调合调度需求单给出的常减压装置k加工所需要的油种c的瞬时加工量,DCD,n,k,c,t为0-1决策变量,其代表t时刻厂内罐区第n个储罐决定是否向常减压装置k提供油c,0为不输油,1为输油,SNC表示所有厂内储罐的集合{1...NC},SNCDU表示所有常减压装置的集合{1...NCDU},SCR表示厂内常炼原油油种的集合{1...CR},ST表示调度周期内时间间隔的集合{1,...,T};
d)确定混合整数规划调度模型中的目标函数;
7)求解当前调度周期带有原油调合动态调度需求约束的混合整数规划调度模型,并输出结果;
8)判断是否已完成全部P轮优化求解,若已完成则输出总调度方案,若未完成则取当前周期的优化求解结果作为下一个周期的期初数据,返回步骤2。
2.根据权利要求1所述的一种面向原油调合的储罐动态调度方法,其特征在于厂内罐区的储罐向常减压装置付油c的输油流速等于原油调合动态调度需求单所指定的对应油种c的瞬时加工量。
3.根据权利要求1所述的一种面向原油调合的储罐动态调度方法,其特征在于任一时刻t厂内罐区所有储罐向常减压付油c的总量等于原油调合动态调度需求单所指定的对应油种c的瞬时加工量。
4.根据权利要求1所述的一种面向原油调合的储罐动态调度方法,其特征在于所建立的混合整数规划模型中模型约束组CONs的油轮卸油操作规则为:
i.在任意时刻t,第v艘油轮只能向码头罐区s的一个储罐转储原油;
ii.在任意时刻t,第v艘油轮不可向已标记不可收油的码头罐区s储罐转储原油。
5.根据权利要求1所述的一种面向原油调合的储罐动态调度方法,其特征在于所建立的混合整数规划模型中模型约束组CONs的码头与厂内罐区储罐操作规则为:
i.在任意时刻t,码头罐区s的第n个储罐只能向厂内罐区的一个储罐付油;
ii.在任意时刻t,不允许码头罐区s任一储罐边进边出;
iii.在任意时刻t,厂内罐区的第n个储罐只能向一个常减压装置付油加工;
iv.在任意时刻t,不允许厂内罐区任一储罐边进边出。
6.根据权利要求1所述的一种面向原油调合的储罐动态调度方法,其特征在于所建立的混合整数规划模型中模型约束组CONs的不同码头罐区储罐向厂内罐区转输原油操作规则为:在任意时刻t,厂内罐区任一未标记不可收油的储罐只能从码头罐区{1,...,S}中任意一个储罐收油。
7.根据权利要求1所述的一种面向原油调合的储罐动态调度方法,其特征在于所建立的混合整数规划模型中目标函数为:
上式中min(Cost)表示该目标函数目标为最小化操作成本,CWAIT,v表示第v艘油轮单位时间停泊码头的单位体积原油滞期费用,VV,v,c,t表示t时刻第v艘油轮油种c的储油量,CST,q,s表示码头罐区s第q个储罐的单位体积原油储存费用,VS,q,c,t,s表示t时刻码头罐区s的第q个储罐油种c的储油量,CCT,n表示厂内罐区第n个储罐的单位体积原油储存费用,VC,n,c,t表示t时刻厂内罐区第n个储罐油种c的储油量,CTRS,s表示码头罐区s向厂内罐区付油储罐切换一次的操作费用,ZS,k,r,j,t,s表示t时刻码头罐区s向厂内罐区的第j个储罐输送原油时从第k个储罐切换到第r个储罐的0-1决策变量ZS,此处k不等于r,0表示未切换,1表示已切换,CTRD表示常减压装置加工储罐切换一次的操作费用,ZCDU,k,r,j,t表示t时刻厂内罐区向常减压装置j输送原油供加工时从第k个储罐切换到第r个储罐的0-1决策变量ZCDU,此处k不等于r,0表示未切换,1表示已切换。
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