CN113110336B - 一种考虑调度约束的原油动态调合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑调度约束的原油动态调合方法，该方法通过扩增原油调合搜索范围至生产加工工艺前端，将在港油轮和岸罐所储原油一同纳入原油调合备选组分原油库，同时考虑原油调度约束以验证调合配方实际可执行性，滚动优化出成本与性质更佳的可执行原油调合配方。该方法在企业连续稳定生产的前提下降低了基础投资费用和原油生产加工成本，提高了产品质量，从而利用有限的资源实现精益化的原油加工生产，使企业原油加工生产精细化，提升企业经济效益。

Description

一种考虑调度约束的原油动态调合方法

技术领域

本发明涉及石油化工领域的原油调合和调度领域，具体为一种考虑调度约束的一种新型原油调合方法。

背景技术

近年来我国原油加工量越来越大，加工的品种越来越多对厂区内原油储罐的罐容和数量要求越来越高，基础投资压力越来越大。

目前炼化企业采用的原油调合优化系统在进行原油调合时，组分原油往往都是从企业厂区储罐中搜索选择。而受限于厂区有限罐容，原油调合优化系统往往难以找到合适的加工配方。若能向生产加工工艺的前端延伸，把码头罐区和在港油轮的原油充分考虑进来，则不仅可以降低原油调合对厂区储罐要求的压力，还可以进一步提升原油管输调度效率，实现敏捷化原油调度与调合，为常减压装置(CDU)提供了优质、经济的原料。

由于将调合范围进行了扩充，在考虑调合时必须将管输调度纳入考虑，以保证参与调合的原油在现有调度条件下可以顺利执行。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种考虑调度约束的原油动态调合方法。该方法通过扩增原油调合搜索范围至生产加工工艺前端，在每个滚动跟踪周期优化原油调合配方，并考虑原油调度约束为原油加工提供灵活、高效的动态调合方案，具体包括以下步骤：

1)配置初始参数，包括原油调合起始时间t₀、原油调合周期T_K、滚动跟踪周期T_C，其中T_K＝P×T_C,P∈N⁺，P表示滚动跟踪周期个数；

2)获取可供调合待加工组分原油的性质和价格；

3)设定目标函数并结合混合原油性质范围和工艺约束条件，从当前滚动跟踪周期内的待加工组分原油中优化计算出进入常减压装置k的各组分原油调合比X_c,k；

4)计算各组分原油的瞬时加工流量F_DM,c,k＝F_TOC,k×X_c,k，其中X_c,k为进入常减压装置k加工的各组分原油调合比，F_TOC,k为常减压装置k的额定加工流速；

5)将F_DM,c,k作为当前滚动跟踪周期的原油调合配方M送至原油调度系统，验证M是否可确保常减压装置连续加工生产T_C小时，若满足则转步骤7)，否则转步骤6)；

6)优先调运M中的紧缺组分油，保留配方M至下一滚动跟踪周期使用，并沿用上一滚动跟踪周期的原油调合配方M₀进行调度预测，转步骤8)；

7)使用原油调合配方M进行调度预测；

8)判断是否已完成全部P轮优化求解，若已完成则输出各个滚动跟踪周期确定的原油调合配方，否则返回步骤2)。

具体的，步骤2)所述可供调合的待加工组分原油是指在港油轮、码头罐区和厂内罐区所储的可用于调合的组分原油。

具体的，步骤5)中原油调度系统对原油调合配方M的约束验证是指M仅在可确保常减压装置连续加工生产时实施，即：

上式中F_CD,n,k,c,t表示t时刻由厂内罐区第n个储罐付组分油c至常减压装置k时的输油管线流量，F_DM,k,c,t表示t时刻原油调合配方给出的常减压装置k加工所需要的组分油c的瞬时加工量F_DM,c,k，D_CD,n,k,c,t为0-1决策变量，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提供组分油c，0为不输油，1为输油，S_NC表示NC个厂内储罐的集合{1...NC}，S_NCDU表示NCDU个常减压装置的集合{1...NCDU}，S_NCR表示NCR个待加工组分油的集合{1...NCR}，S_T表示调度周期内T个时间间隔的集合{1,...,T}。

具体的，步骤6)中通过向调度目标函数添加惩罚项加速调运原油调合配方M紧缺的组分油c，即：

上式中C_TOL表示原油调度系统目标函数的固有部分，α表示调运紧缺组分油c的惩罚系数，α>0，V_C,n,c,t表示t时刻厂内罐区第n个储罐组分油c的储油量，S_NCR′表示NCR′个需优先调运的待加工组分油集合{1...NCR′}，T表示时间间隔的数量，NC表示厂内储罐的数量。

具体的，步骤2)中原油的性质包含原油密度、硫含量和酸值。

具体的，步骤3)中工艺约束条件为：

301)组分数量限制约束：

上式中，NCR表示待加工组分油的数量，D_M,c,k为0-1决策变量，表示是否选择组分油c参与原油调合供常减压装置k使用，1为选择，0为不选择；

302)配比约束：

上式中X_c,k表示常减压装置k的组分油c的调合比；

303)配比上下限约束：

上式中β表示组分油c的最低调合比，S_NCR表示NCR个待加工组分油的集合{1...NCR}；

304)调合油性质上下限约束：

上式中U_j,k表示送常减压装置k加工的调合油第j种性质，L_low,j,k、L_high,j,k分别表示在常减压装置k生产过程中该种性质的容许下限与上限，S_NA表示NA个原油性质的集合{1...NA}。

具体的，引入罐含原油的密度、硫含量和酸值的计算等式作为步骤3)中混合原油性质范围约束条件：

311)调合油密度的计算：

上式中U_0,k表示送常减压装置k加工的调合油密度，

表示送常减压装置加工的组分油c的密度，NCR表示待加工组分油的数量；

312)调合油硫含量的计算：

上式中U_1,k表示送常减压装置k加工的调合油硫含量，

表示送常减压装置k加工的组分油c的硫含量；

313)调合油酸值的计算：

上式中U_2,k表示送常减压装置k加工的调合油酸值，

表示送常减压装置k加工的组分油c的酸值。

具体的，原油调合优化的目标函数为：

式中θ_c表示组分油c的价格，λ_j表示原油第j个性质的权重，U_j,k表示送常减压装置k加工的调合油第j种性质，U_j,k ^*表示送常减压装置k加工的调合油第j种性质期望值，NCDU表示常减压装置的数量，NCR表示待加工组分油的数量，m表示性质总数。

具体的，滚动跟踪周期T_C满足T_C≥8h。

附图说明

图1为某炼化企业原油储罐调度工艺流程图；

图2为一种考虑调度约束的原油动态调合方法流程图；

图3为实施例中1号码头罐区的调度预测结果；

图4为实施例中2号码头罐区的调度预测结果；

图5为实施例中厂内罐区的调度预测结果；

图6为实施例中1号与2号常减压加工的调度预测结果。

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合过程中的实施效果。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。

本发明所述考虑调度约束的原油动态调合方法，通过扩增原油调合搜索范围至原油生产加工工艺前端，将在港油轮和码头罐区所储油一同纳入原油调合备选组分库进行优化，再由原油调度系统验证优化所得调合配方的可执行性，其所涉及的某炼化企业原油储罐调度工艺流程如图1所示。

图2为考虑调度约束的原油动态调合流程图。下面以某炼化企业2020年12月1日0:00至4日0:00共计72小时的原油动态调合配方求解过程为例，具体实施步骤如下：

1)配置初始参数，原油调合起始时间t₀为12月1日0:00，原油调合周期T_K＝72h，滚动跟踪周期T_C＝8h，即时间长度为72h的原油调合周期被分割为P＝9个时间长度为8h的滚动跟踪周期。

2)获取待加工组分原油的性质和价格如表1所示，包括巴士拉轻、科威特、福迪斯、巴士拉重、卡斯蒂利亚。在不影响优化的前提下，表1中给出的价格为相对价格。

表1.待加工组分原油的性质和价格

序号	油种名称	密度g/cm<sup>3</sup>	硫含量wt％	酸值mgKOH/g	相对价格
						0	巴士拉轻	0.88	2.12	0.46	1.03
1	科威特	0.88	2.88	0.01	1.05
						2	福迪斯	0.83	0.40	0.09	1.18
3	巴士拉重	0.91	4.05	0.14	1.16
						4	卡斯蒂利亚	0.94	1.57	0.28	1.12

3)针对两套CDU的实际情况设定的目标调合油性质范围如表2所示。

表2.各CDU的目标调合油性质范围

CDU名称	CDU1	CDU2
			目标调合油性质类别	轻质含硫	重质高硫
调合油密度下限	0.50	2.00
			调合油密度上限	2.00	2.60
调合油硫含量下限	0.80	0.90
			调合油硫含量上限	0.89	0.98
调合油酸值下限	0.00	0.00
			调合油酸值上限	0.50	0.50

根据设定的目标混合原油性质范围、工艺约束条件和目标函数，从当前滚动跟踪周期内的待加工组分油集合中，优化计算出进入各CDU加工的各组分原油调合比X_c，本实施例中CDU1的主炼油为福迪斯，CDU2的主炼油为卡斯蒂利亚。

表3.各CDU初始原油调合配方

CDU名称	巴士拉轻	科威特	福迪斯	巴士拉重	卡斯蒂利亚
						CDU1	0.00	0.00	0.50	0.28	0.22
CDU2	0.00	0.00	0.00	0.30	0.70

由于第1次跟踪周期不做优化计算，直接采用表3所示的初始原油调合配方，此处的组分原油调合比优化计算以第2个跟踪周期求解结果为例，根据下式求解组分原油调合比X_c，此处最低调合比例β＝0.05。

求解得如表4所示的原油调合配方。

表4.第2个跟踪周期求解的各CDU的原油调合比例

CDU名称	巴士拉轻	科威特	福迪斯	巴士拉重	卡斯蒂利亚
						CDU1	0.28	0.00	0.50	0.22	0.00
CDU2	0.00	0.14	0.00	0.23	0.64

4)计算各组分原油的瞬时加工流量F_DM,c,k＝F_TOC,k×X_c,k，其中X_c,k为进入常减压装置k加工的各组分原油调合比，F_TOC,k为常减压装置k的额定加工流速，CDU1的额定加工流速F_TOC,0为360t/h，CDU2的额定加工流速F_TOC,1为1000t/h。如对于CDU1的组分油巴士拉轻，由表4知其调合比例X_0,0＝0.28，因此其瞬时加工流量为F_DM,0,0＝F_TOC,0×X_0,0＝360×0.28＝101.09t/h。计算所得各CDU组分原油瞬时加工流量如表5所示。

表5.第2个跟踪周期求解的各CDU的组分原油瞬时加工流量(t/h)

CDU名称	巴士拉轻	科威特	福迪斯	巴士拉重	卡斯蒂利亚
						CDU1	101.09	0.00	180.00	78.91	0.00
CDU2	0.00	137.30	0.00	225.10	637.60

5)使用原油调度系统验证当前滚动跟踪周期新生成的的原油调合配方是否可确保CDU连续加工生产T_C＝8小时，若可连续加工生产则转步骤7)，否则转步骤6)，约束条件如下式所示：

以第2个跟踪周期为例，第2个跟踪周期期初12月1日16:00的各储罐状态如表6所示。

表6.2020年12月01日16:00各储罐状态表

可见，表5所示的原油调合配方中，厂内罐区缺少组分油巴士拉轻供CDU1加工，缺少组分油科威特供CDU2加工，该调合配方在第2个跟踪周期内无法持续生产加工8小时。

6)保留该调合配方至下一跟踪周期使用，同时继续使用上一个跟踪周期的原油配方进行原油调度预测，且通过变更下式所示的原油调度系统目标函数的惩罚项，以加快巴士拉轻和科威特转储厂内罐区的调运速度：

上式中C_TOL表示原油调度系统固有的目标函数部分，α表示调运紧缺组分油c的惩罚系数，本实施例中取α＝10，V_C,n,0,t表示t时刻厂内罐区第n个储罐组分油巴士拉轻的储油量，V_C,n,0,t表示t时刻厂内罐区第n个储罐组分油科威特的储油量。

7)使用原油调度系统对原油调合配方进行调度预测；

8)判断是否已完成全部9轮优化求解，若已完成则输出各个滚动跟踪周期确定的原油调合配方，若未完成则返回步骤2)。

经过9轮优化求解，得到各个滚动跟踪周期确定的原油调合配方如表7所示。

表7.各个滚动跟踪周期确定的原油调合配方表

由表7和图5可见，第1-8小时，由于第1次跟踪周期不做优化计算，CDU1与CDU2均使用表3所示的初始原油调合配方，此时由于掺炼油巴士拉重与主炼油卡斯蒂利亚存量较低，如图3、图4所示原油调度系统在这一周期内分别优先调运卡斯蒂利亚和巴士拉重至厂内罐区。

第9-16小时，将码头罐区与油轮上的储油(巴士拉轻和科威特)纳入调合范围，生成新的原油调合配方，但这两种原油尚未输送至厂内，故需沿用上一个区间的初始原油调合配方，并由原油调度系统优先向厂内调运上述两种原油到厂内。

第17-24小时，由图3可见科威特经过上个跟踪周期已由1号码头罐区转至厂内，而巴士拉轻此时刚到码头正在卸油，尚未转到厂内，故允许CDU2切换至表4所示新生成的原油调合配方，CDU1仍保持表3所示的初始原油调合配方。

第25-56小时，由图3可见巴士拉轻亦转至厂内，CDU1切换至表4所示新生成的原油调合配方，CDU2保持上个区间使用的原油调合配方。

第57-64小时，CDU1与CDU2两者使用的掺炼油巴士拉重出现了短缺的情况，故由原油调度系统优先向厂内调运巴士拉重，同时保持先前的原油调合配方。

第65-72小时，厂内各油种储量充足，保持先前的原油调合配方正常生产。

整合第1-72小时的CDU加工情况如图6所示，可见所述原油调合方法完全满足CDU生产加工的需求，生产连续稳定进行。

综上所述，本方法通过扩增原油调合搜索范围至生产加工工艺前端，将在港油轮和岸罐所储原油一同纳入原油调合备选组分原油库，再考虑原油调度约束由原油调度系统验证调合配方的实际可执行性，在炼化企业连续稳定生产的前提下降低基础投资费用和原油生产加工成本，优化CDU加工性质，提高产品质量，从而利用有限的资源实现精益化的原油加工生产，有效提高企业经济效益，进一步提高企业原油加工生产的精细化管控水平。

Claims (9)

1.一种考虑调度约束的原油动态调合方法，其特征在于通过扩增原油调合搜索范围从厂内罐区至在港油轮，在每个滚动跟踪周期动态优化原油调合配方，并交由原油调度系统进行约束验证，具体包括以下步骤：

1)配置初始参数，包括原油调合起始时间t₀、原油调合周期T_K、滚动跟踪周期T_C，其中T_K＝P×T_C,P∈N⁺，P表示滚动跟踪周期个数；

2)获取可供调合待加工组分原油的性质和价格；

3)设定目标函数并结合混合原油性质范围和工艺约束条件，从当前滚动跟踪周期内的待加工组分原油中优化计算出进入常减压装置k的各组分原油调合比X_c,k；

4)计算各组分原油的瞬时加工流量F_DM,c,k＝F_TOC,k×X_c,k，其中X_c,k为进入常减压装置k加工的各组分原油调合比，F_TOC,k为常减压装置k的额定加工流速；

5)将F_DM,c,k作为当前滚动跟踪周期的原油调合配方M送至原油调度系统，验证M是否可确保常减压装置连续加工生产T_C小时，若满足则转步骤7)，否则转步骤6)；

6)优先调运M中的紧缺组分油，保留配方M至下一滚动跟踪周期使用，并沿用上一滚动跟踪周期的原油调合配方M₀进行调度预测，转步骤8)；

7)使用原油调合配方M进行调度预测；

8)判断是否已完成全部P轮优化求解，若已完成则输出各个滚动跟踪周期确定的原油调合配方，否则返回步骤2)。

2.根据权利要求1所述的一种考虑调度约束的原油动态调合方法，其特征在于步骤2)所述可供调合的待加工组分原油是指在港油轮、码头罐区和厂内罐区所储的可用于调合的组分原油。

3.根据权利要求1所述的一种考虑调度约束的原油动态调合方法，其特征在于步骤5)中原油调度系统对原油调合配方M的约束验证是指M仅在可确保常减压装置连续加工生产时实施，即：

上式中F_CD,n,k,c,t表示t时刻由厂内罐区第n个储罐付组分油c至常减压装置k时的输油管线流量，F_DM,k,c,t表示t时刻原油调合配方给出的常减压装置k加工所需要的组分油c的瞬时加工量F_DM,c,k，D_CD,n,k,c,t为0-1决策变量，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提供组分油c，0为不输油，1为输油，S_NC表示NC个厂内储罐的集合{1...NC}，S_NCDU表示NCDU个常减压装置的集合{1...NCDU}，S_NCR表示NCR个待加工组分油的集合{1...NCR}，S_T表示调度周期内T个时间间隔的集合{1,...,T}。

4.根据权利要求1所述的一种考虑调度约束的原油动态调合方法，其特征在于步骤6)中通过向调度目标函数添加惩罚项加速调运原油调合配方M紧缺的组分油c，即：

上式中C_TOL表示原油调度系统目标函数的固有部分，α表示调运紧缺组分油c的惩罚系数，α>0，V_C,n,c,t表示t时刻厂内罐区第n个储罐组分油c的储油量，S_NCR′表示NCR′个需优先调运的待加工组分油集合{1...NCR′}，T表示时间间隔的数量，NC表示厂内储罐的数量。

5.根据权利要求1所述的一种考虑调度约束的原油动态调合方法，其特征在于步骤2)中原油的性质包含原油密度、硫含量和酸值。

6.根据权利要求1所述的一种考虑调度约束的原油动态调合方法，其特征在于步骤3)中工艺约束条件为：

301)组分数量限制约束：

上式中，NCR表示待加工组分油的数量，D_M,c,k为0-1决策变量，表示是否选择组分油c参与原油调合供常减压装置k使用，1为选择，0为不选择；

302)配比约束：

上式中X_c,k表示常减压装置k的组分油c的调合比；

303)配比上下限约束：

上式中β表示组分油c的最低调合比，S_NCR表示NCR个待加工组分油的集合{1...NCR}；

304)调合油性质上下限约束：

上式中U_j,k表示送常减压装置k加工的调合油第j种性质，L_low,j,k、L_high,j,k分别表示在常减压装置k生产过程中该种性质的容许下限与上限，S_NA表示NA个原油性质的集合{1...NA}。

7.根据权利要求1所述的一种考虑调度约束的原油动态调合方法，其特征在于引入罐含原油的密度、硫含量和酸值的计算等式作为步骤3)中混合原油性质范围约束条件：

311)调合油密度的计算：

上式中U_0,k表示送常减压装置k加工的调合油密度，

表示送常减压装置加工的组分油c的密度，NCR表示待加工组分油的数量；

312)调合油硫含量的计算：

上式中U_1,k表示送常减压装置k加工的调合油硫含量，

表示送常减压装置k加工的组分油c的硫含量；

313)调合油酸值的计算：

上式中U_2,k表示送常减压装置k加工的调合油酸值，

表示送常减压装置k加工的组分油c的酸值。

8.根据权利要求1所述的一种考虑调度约束的原油动态调合方法，其特征在于原油调合优化的目标函数为：

式中θ_c表示组分油c的价格，λ_j表示原油第j个性质的权重，U_j,k表示送常减压装置k加工的调合油第j种性质，U_j,k ^*表示送常减压装置k加工的调合油第j种性质期望值，NCDU表示常减压装置的数量，NCR表示待加工组分油的数量，m表示性质总数。

9.根据权利要求1所述的一种考虑调度约束的原油动态调合方法，其特征在于滚动跟踪周期T_C满足T_C≥8h。

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