DE10250325A1 - Process for controlling the operation of plants in a refinery or petrochemical complex - Google Patents

Process for controlling the operation of plants in a refinery or petrochemical complex Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zur Steuerung der Arbeitsweise der in einer Raffinerie oder einem petrochemischen Industriekomplex vorgesehenen Anlagen. Dabei erfolgt eine Aufteilung in eine Planungsebene, eine Scheduling-Ebene und eine Prozesskontrollebene. Die in der Scheduling-Ebene generierten Daten, die der Prozesskontrollebene als Führungsgrößen zur Verfügung gestellt werden, beruhen auf einer Dekomposition eines Ausrüstungssystems in mindestens zwei Einzelsysteme und einer in jedem Einzelsystem durchgeführten numerischen Optimierung von Variablen. Weiterhin erfolgt eine Koordinierung der Optimierung dadurch, dass in einem der Einzelsysteme ermittelte Faktoren bei der Optimierung im anderen Einzelsystem verwendet werden.The invention relates to a method and a tool for controlling the operation of the systems provided in a refinery or a petrochemical industrial complex. This is divided into a planning level, a scheduling level and a process control level. The data generated in the scheduling level, which are made available to the process control level as reference variables, are based on a decomposition of an equipment system in at least two individual systems and a numerical optimization of variables carried out in each individual system. The optimization is also coordinated by using factors determined in one of the individual systems for optimization in the other individual system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Arbeitsweise der in einer Raffinerie oder einem petrochemischen Industriekomplex vorgesehenen Anlagen.The invention relates to a method to control the operation of a refinery or a petrochemical Industrial complex provided facilities.

Bei Raffinerien handelt es sich um Mehrproduktanlagen, die aus unterschiedlichen Edukten eine große Anzahl von Produkten herstellen. Der kontinuierlichen Betriebsweise der Prozessanlagen steht hierbei eine im allgemeinen diskontinuierlich in sogenannten Kampagnen erfolgende Anlieferung bzw. Auslieferung der Edukte und Produkte gegenüber.Refineries are Multi-product plants, which are made up of different starting materials of products. The continuous operation of the Process plants are generally discontinuous in so-called campaigns delivery or delivery the starting materials and products.

Aufgabe der Produktionsplanung und -Steuerung in Raffinerien ist ein zeitgerechter Einkauf und die Auswahl geeigneter Edukte sowie die Bestimmung von Fahrweisen der Prozessanlagen mit dem Ziel einer Maximierung des im Werk erzielten Gewinnes. Weiterhin muss hierbei eine ebenfalls zeitgerechte Belieferung der Kundschaft mit spezifikationsgerechten Produkten gewährleistet werden.Task of production planning and - Control in refineries is timely purchasing and selection suitable educts as well as the determination of the operating modes of the process plants with the aim of maximizing the profit achieved in the factory. Farther this also requires timely delivery to customers be guaranteed with specification-compliant products.

Aufgrund der Komplexität des resultierenden Optimierungsproblems und auftretenden Unsicherheiten bei den zum Zeitpunkt der Produktionsplanung erforderlichen Daten existieren in Raffinerien im allgemeinen mehrere hierarchische Ebenen zur Produktionsplanung und -steuerung.Due to the complexity of the resulting Optimization problems and emerging uncertainties in the The data required for production planning exist Refineries generally have multiple hierarchical levels for production planning and control.

Zu diesen Ebenen gehört eine Planungsebene. Ziel dieser Planungsebene ist im wesentlichen die gewinnoptimale Erstellung grober Vorgaben für die einzukaufenden Edukt- und zu produzierenden Produktmengen. Benötigt werden hierzu von außen im wesentlichen Informationen über Edukt- und Produktpreise sowie vom Marketing abgeschätzte mögliche Absätze bestimmter Produkte. Die Dauer der betrachteten Planungszeiträume variiert typischerweise von etwa zwei Wochen bis zu einem Jahr. Häufig wird hierbei noch eine feinere Unterteilung im Sinne einer Kurzzeit-Planung (zwei bis vier Wochen) und einer Langzeit-Planung (ein bis sechs Monate) vorgenommen.One belongs to these levels Planning level. The main goal of this planning level is Profitable creation of rough specifications for the starting materials to be purchased and product quantities to be produced. This is essentially what is needed from the outside information about Educt and product prices as well as possible sales of certain products estimated by marketing. The duration of the planning periods considered typically varies from about two weeks to a year. Often there will be another finer subdivision in the sense of short-term planning (two to four Weeks) and long-term planning (one to six months).

Im Rahmen der Planungsebene wird im Allgemeinen die gesamte Raffinerie betrachtet. Die gesamte Komplexität dieses Werkes kann bei einer numerischen Lösung der auf der Planungsebene auftretenden Optimierungsprobleme nicht berücksichtigt werden. Bei der Abbildung des Ausrüstungs- und Verfahrenssystems werden hierzu starke Vereinfachungen vorgenommen. Dies betrifft insbesondere die Modellierung nichtlinearen Anlagenund Blendingverhaltens sowie die Modellierung von Tanks.As part of the planning level generally considered the entire refinery. The whole complexity of this The work can be done with a numerical solution at the planning level occurring optimization problems are not taken into account. In the Illustration of equipment and the procedural system, major simplifications are made. This applies in particular to the modeling of non-linear systems and Blending behavior and the modeling of tanks.

Genaue Zeitpunkte und Mengen für bestimmte Ein- und Verkäufe sind zum Zeitpunkt der Planung häufig nicht bekannt. Aus diesem Grund werden die entsprechenden Informationen abgeschätzt und agglomeriert über den Planungszeitraum oder über größere Abschnitte dieses Planungszeitraums betrachtet. Die agglomerierte Betrachtung dieser Daten ist ein charakteristisches Kennzeichen der Planungsebene.Exact times and quantities for certain Purchases and sales are common at the time of planning not known. For this reason, the relevant information estimated and agglomerates over the planning period or over larger sections of this planning period. The agglomerated view This data is a characteristic indicator of the planning level.

Zur Formulierung und Lösung der auf der Planungsebene vorhandenen Optimierungsprobleme finden Methoden der linearen Programmierung (LP) Verwendung.To formulate and solve the There are methods of optimization problems that exist at the planning level linear programming (LP) usage.

Die auf der Planungsebene erzeugten groben Vorgaben für den Einkauf und die Produktion sind zu ungenau und nicht ausreichend, um einen reibungslosen betrieblichen Produktionsablauf zu gewährleisten. Deshalb ist weiterhin eine Scheduling-Ebene vorgesehen. Diese dient zur Erzeugung von für einen reibungslosen betrieblichen Ablauf ausreichend genauen zeitlichen Verläufen aller auf der Prozesskontrollebene erforderlichen Führungsgrößen. Insbesondere erfolgt hierbei auch die Zuordnung von Aufträgen zu Ausrüstungen bei gleichzeitigem Vorhandensein mehrerer geeigneter Ausrüstungen. Auch auf der Sche duling-Ebene wird versucht, einen gewinnoptimalen Schedule zu erzeugen. Allerdings erfolgt hierbei häufig auch eine Berücksichtigung anderer Kriterien wie beispielsweise der Robustheit eines erzeugten Schedules.The generated at the planning level rough guidelines for purchasing and production are too imprecise and insufficient, to ensure a smooth operational production process. Therefore a scheduling level is also planned. This is used for Generation of for a smooth operational process with sufficiently precise timing courses all the key performance indicators required at the process control level. In particular the assignment of orders to equipment takes place at the same time The presence of several suitable pieces of equipment. Also at the duling level an attempt is made to generate an optimal schedule. Indeed often occurs here also a consideration other criteria such as the robustness of a generated one Schedules.

Die Dauer der im Rahmen des Scheduling betrachteten Zeiträume liegt im allgemeinen zwischen drei und vierzehn Tagen. Auch hier erfolgt eine Unterteilung in ein Kurzzeit-Scheduling und ein Langzeit-Scheduling, wobei eine genaue Zuordnung zu Dauern betrachteter Planungszeiträume allerdings ungenau ist.The duration of the schedule considered periods is generally between three and fourteen days. Here too there is a division into short-term scheduling and long-term scheduling, however, an exact assignment to the duration of the planning periods considered is inaccurate.

Falls die Entscheidungen über Lieferzeitpunkte und Liefermengen von Edukten wie Rohölen nicht innerhalb der Raffinerie in Absprache mit den Lieferanten getroffen werden, wird zum Scheduling ein genaues Mengen- und Termingerüst für Edukte benötigt. Andernfalls werden für das Scheduling die auf der Planungsebene bestimmten Eduktmengen benötigt. Die Bestimmung genauer Lieferzeitpunkte und Liefermengen erfolgt während des Scheduling-Prozesses. Des weiteren ist ein genaues Mengenund Termingerüst der an Kunden zu liefernden Produkte erforderlich.If the decisions about delivery times and delivery quantities of starting materials such as crude oils not within the refinery to be made in consultation with the supplier becomes scheduling an exact quantity and schedule structure for educts is required. Otherwise be for the scheduling the quantities of starting materials determined at the planning level needed. Exact delivery times and delivery quantities are determined while of the scheduling process. Furthermore, an exact quantity and scheduling framework of the products to be delivered to customers.

Die Genauigkeit der auf der Scheduling-Ebene verwendeten Modelle ist im Vergleich zur Planungsebene stark verbessert, so dass eine ausreichend genaue Vorgabe der Führungsgrößen für die Prozesskontrollebene gewährleistet werden kann. Beispielsweise werden hier verstärkt nichtlineare Aspekte der betrachteten Teilanlagen und des Blendings berücksichtigt. Dennoch handelt es sich hierbei meist nicht um rigorose Modelle. Es finden meist vereinfachte Modelle wie beispielsweise empirische Modelle Verwendung.The accuracy of that at the scheduling level used models is greatly improved compared to the planning level, so that a sufficiently precise specification of the reference variables for the process control level guaranteed can be. For example, nonlinear aspects of the considered subsystems and blending. Still acts these are usually not rigorous models. Mostly find it simplified models such as using empirical models.

Auch bei der Repräsentation der Zeit wird im Gegensatz zur übergeordneten Planungsebene eine Auflösung angestrebt, die die Erzeugung von für einen reibungslosen betrieblichen Ablauf ausreichend genauen zeitlichen Verläufen der Führungsgrößen für die Prozesskontrollebene ermöglicht. Hierbei wer den im Gegensatz zur übergeordneten Planungsebene Mengendaten zeitlich nur sehr beschränkt agglomeriert. Die erforderliche, sinnvolle Auflösung hängt im allgemeinen vom dynamischen Verhalten der betrachteten Anlagen ab. Zur Lösung der auf der Scheduling-Ebene auftretenden Optimierungsprobleme existieren zum großen Teil lediglich auf Simulationen basierende Softwaretools, die das betreffende Personal bei der Generierung von Schedules aufgrund manueller Vorgaben unterstützen.In contrast to the higher-level planning level, the resolution of time is also aimed at, which enables the generation of time profiles of the control parameters for the process control level that are sufficiently precise for a smooth operational process. In contrast to the higher-level planning level, quantity data is agglomerated only to a very limited extent. The required, sensible resolution generally depends on the dynamic behavior of the systems under consideration. to Most of the optimization problems that arise at the scheduling level only exist on simulation-based software tools that support the personnel concerned in generating schedules based on manual specifications.

Die Prozesskontrollebene dient zur Erzeugung geeigneter Steuergrößen für die Steuer- und Regelsysteme der in der Raffinerie vorhandenen Anlagen. Zielsetzung hierbei ist das möglichst genaue Nachführen des Anlagenbetriebspunktes anhand der von der Scheduling-Ebene vorgegebenen Führungsgrößen bei gleichzeitiger Gewährleistung eines sicheren Anlagenbetriebes. Andere Gesichtspunkte wie beispielsweise eine energiesparende Anlagenfahrweise können im Rahmen verbleibender Freiheitsgrade berücksichtigt werden, sind aber nur von untergeordneter Bedeutung. Die auf dieser Ebene berücksichtigten Zeiträume liegen im Bereich von Sekunden bis Minuten. Neben den durch die Scheduling-Ebene vorgegebenen zeitlichen Verläufen von Führungsgrößen werden auf dieser Ebene unterschiedliche Messgrößen aus dem laufenden Anlagenbetrieb benötigt und verwendet. Verwendet werden auf der Prozesskontrollebene vereinfachte, robuste Anlagenmodelle, die im allgemeinen die Steuerung und Regelung der Anlage in Echtzeit gewährleisten. Im Rahmen der Steuerung und Regelung verfahrenstechnischer Anlagen existieren eine große Anzahl von Methoden und etablierten kommerziellen Systemen, beispielsweise zur Advanced-Process-Control.The process control level is used for Generation of suitable tax parameters for the tax and control systems of the plants in the refinery. objective this is where possible exact tracking the system operating point based on the one specified by the scheduling level Leaders at simultaneous warranty safe plant operation. Other considerations such as An energy-saving system operation can remain within the scope Degrees of freedom taken into account are, but are only of minor importance. The one on this Level considered periods are in the range of seconds to minutes. In addition to the through the Scheduling level predefined temporal courses of management variables are at this level different metrics the ongoing system operation and used. At the process control level, simplified, robust plant models that generally control and regulation the system in real time. As part of the control and regulation of process engineering systems exist a big one Number of methods and established commercial systems, for example for advanced process control.

Aufgrund der Kompliziertheit und Komplexität der in einer Raffinerie auftretenden Schedulingprobleme sind typischerweise mehrere Personen mit dem Scheduling betraut. Oft sind hierbei die Aufgabenbereiche funktional gegliedert. Bekannt ist beispielsweise folgende Aufteilung: Because of the complexity and complexity of the scheduling problems encountered in a refinery are typical several people entrusted with the scheduling. Often they are Functional areas. For example, is known the following breakdown:

  • – Scheduling der an einer Pier entladenden bzw. beladenden Schiffe,- scheduling the ships unloading or loading at a pier,
  • – Scheduling des Einsatzes unterschiedlicher Rohölsorten und der betreffenden Rohöltanks sowie der Verarbeitung des atmosphärischen Residuums und der dazugehörigen Tanks,- scheduling the use of different types of crude oil and the relevant ones crude oil tanks as well as the processing of the atmospheric residual and the associated tanks,
  • – Scheduling des Flüssigkeitsgasproduktionsstranges und der betreffenden Produkttanks sowie Scheduling des Benzinproduktionsstranges und der betreffenden Komponenten- und Produkttanks und- scheduling of the liquid gas production line and the relevant product tanks and scheduling of the gasoline production line and the relevant component and product tanks and
  • – Scheduling des Kerosinproduktionsstranges und der betreffenden Komponenten- und Produkttanks.- scheduling of the kerosene production line and the relevant components and product tanks.

Je nach Aufbau und Organisationsstruktur innerhalb einer Raffinerie kann auch eine andere Aufteilung der Aufgaben erfolgen Das Scheduling der einzelnen Bereiche erfolgt im allgemeinen nicht automatisiert, sondern nach durch tägliche Erfahrungen gewonnenen Heuristiken. In vielen Fällen wird der Scheduler durch ein Softwaretool auf Spreadsheetbasis unterstützt.Depending on the structure and organizational structure Within a refinery, another division of the Tasks are carried out The individual areas are scheduled generally not automated, but based on daily experience won heuristics. In many cases the scheduler runs through supports a software tool based on spreadsheets.

Hiermit werden beispielsweise Tankstände für bestimmte Zeitpunkte eines bestimmten Planungszeitraums in Abhängigkeit von vom Scheduler vorgegebenen Betriebsparametern für die betrachteten Anlagen ermittelt. Die in diesem Tool verwendeten Anlagen- und Mischungsmodelle sind zum großen Teil selbst erstellt und können mit großen Ungenauigkeiten behaftet sein. Mit Hilfe dieses Tools versucht der Scheduler nun einen durchführbaren Schedule zu erstellen, der beispielsweise keine Tankstandsverletzungen aufweist. Diese Tätigkeit kann gerade in Situationen, in denen bereits ein großer Teil der vorhandenen Planungsfreiräume ausgenutzt ist, sehr zeitaufwendig werden.With this, for example, tank levels for certain Depending on the times of a certain planning period of operating parameters specified by the scheduler for the considered Attachments determined. The plant and mixture models used in this tool are great Part created and can with big Inaccuracies. With the help of this tool the Scheduler now a feasible one Schedule to create, for example, no fuel level violations having. This activity can be just in situations where a large part already the existing planning freedom is exploited to be very time consuming.

In den meisten Fällen fehlt bei dieser Art der Erstellung von Schedules jegliches Kriterium, um die Güte eines erstellten durchführbaren Schedules mit der eines anderen vergleichen zu können. Gütekriterien wie der bei Durchführung des Schedules erzielte Profit oder die Flexibilität des Schedules werden zwar intuitiv erfasst, lassen sich aber nur in den seltensten Fällen quantifizieren und in die Entscheidungsfindung miteinbeziehen. Weiterhin entstehen unabhängig von der Art der Aufteilung der Aufgabenbereiche stets Probleme bei der Koordinierung der unterschiedlichen Bereiche des Scheduling, da diese sich gegenseitig beeinflussen. Wird im oben angegebenen Beispiel der Schedule für die Belegung der Pier geändert, weil sich beispielsweise ein mit Rohöl beladener Tanker verspätet, verändert dies auch die Vorgaben für das Scheduling des Rohöls und somit auch die Schedules für die Gas-, Benzinund Kerosinproduktion. Oft werden die veränderten Informationen auch erst verspätet den verantwortlichen Personen mitgeteilt. Eine zentrale Haltung der für das Scheduling erforderlichen Daten ist im allgemeinen nicht gegeben. Aufgrund mangelnder oder unterschiedlicher Bewertungskriterien der jeweiligen Scheduler für die Güte der von Ihnen erstellten Schedules ist auch eine Entscheidung über eine Verbesserung der Güte eines Schedules auf Kosten der Güte eines anderen Schedules zumeist nicht möglich.In most cases, this type of is missing Creation of schedules any criterion to the quality of a created feasible To be able to compare schedules with someone else's. Quality criteria like that when performing the Profit schedules or the flexibility of the schedules are indeed intuitively recorded, but can only be quantified in the rarest of cases and involve in decision making. Continue to arise independently problems with the type of division of tasks coordination of the different areas of scheduling, because they influence each other. Will be given in the above Example of the schedule for the occupancy of the pier changed, because, for example, a tanker loaded with crude oil is late, this changes also the requirements for the scheduling of crude oil and thus also the schedules for gas, petrol and kerosene production. Often the changed Information too late communicated to the responsible persons. A central attitude the for The data required for scheduling is generally not provided. Due to insufficient or different evaluation criteria of the respective scheduler for the goodness the schedules you create is also a decision about one Improvement of goodness of a schedule at the expense of goodness another schedule is usually not possible.

Wie bereits oben dargestellt, ergibt sich der letztendlich für einen Zeitraum anzuwendende Schedule für die gesamte Raffinerie aus mehreren Iterationsschritten voneinander nahezu unabhängig entwickelter Pläne der einzelnen Scheduler. Der so entstandene Gesamtschedule wird meist im Rahmen einer täglichen oder schichtweisen Besprechung mit den für die Anlage verantwortlichen Führungspersonen diskutiert. Eventuell hier sichtbar werdende Probleme können eine erneute Änderung des Schedules verursachen, bevor dieser letztendlich umgesetzt wird.As already shown above results ultimately for a schedule to apply for the entire refinery several iteration steps developed almost independently of each other Plans of the single scheduler. The resulting overall schedule is mostly as part of a daily or a layered discussion with those responsible for the system leaders discussed. Problems that may become visible here can be a problem another change of the schedule before it is finally implemented.

Nachteilig für die derzeitige Situation ist demnach, dass Entscheidungen im lokalen Zuständigkeitsbereich getroffen werden, wobei die jeweiligen Entscheidungsträger die Situation vorgeschalteter oder nachgeschalteter Aggregate nur unzureichend kennen. Derzeit nutzen Entscheidungsträger im allge meinen Excel-Sheets für ihre Analyse. Die notwendige globale Entscheidung wird in einem Meeting getroffen.A disadvantage for the current situation is accordingly that decisions are made in the local area of responsibility the respective decision-makers upstream the situation or insufficient knowledge of downstream units. Currently use decision makers generally my Excel sheets for their analysis. The necessary global decision is made in one Meeting.

Weiterhin bekannte erste simulationsgestützte Realisierungen, beispielsweise die SIPP-II-Lösung der Firma Chemtech oder das Schedule++ von OR Soft, arbeiten mit einfachen Modellen.Known first simulation-based implementations, for example the SIPP-II solution from Chemtech or the Schedule ++ from OR Soft work with simple models.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Datenermittlung in der Scheduling-Ebene zu verbessern, so dass den Steuer- und Regeleinheiten der Anlagen der Raffinerie verbesserte Führungsdaten zur Verfügung stehen.Based on this state of the art is the object of the invention, the data determination in the scheduling level improve so that the control and regulating units of the plants the refinery improved management data to disposal stand.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Ansprüche 13 bis 21 betreffen ein Werkzeug zur Steuerung der Arbeitsweise der in einer Raffinerie oder einem petrochemischen Industriekomplex vorgesehenen Anlagen.This task is accomplished through a process solved with the features specified in claim 1. Advantageous configurations and further developments of the invention are specified in the dependent claims. The Expectations 13 to 21 relate to a tool for controlling the mode of operation that in a refinery or a petrochemical industrial complex provided facilities.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass durch die Dekomposition eines Gesamtproblems stabile, nachvollziehbare Teillösungen ermöglicht werden und ferner die Möglichkeit einer Einbeziehung komplexerer, qualitativ hochwertiger Modelle geschaffen wird. Beispielsweise können bei der Modellierung der Produkteigenschaften entlang der Wertschöpfungskette Oktanzahlen und die Klopffestigkeit berücksichtigt werden. Es erfolgt eine Optimierung von Größen und nicht nur eine Simulation.The advantages of the invention exist especially in that by decomposing an overall problem stable, comprehensible partial solutions allows and also the possibility including more complex, high quality models is created. For example, when modeling the Product properties along the value chain octane numbers and knock resistance is taken into account become. There is an optimization of sizes and not just a simulation.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgenommene ganzheitliche Betrachtung führt in Richtung eines globalen Optimums für eine gesamte Anlage. Die erhaltenen Ergebnisse sind reproduzierbar und dokumentierbar, die Qualität der Ergebnisse ist verbessert.Those according to the present invention holistic view leads towards a global Optimums for an entire facility. The results obtained are reproducible and documentable, the quality the results are improved.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigenOther advantageous properties the invention will emerge from its exemplary explanation based on of the figures. Show it

1 Diagramme zur Erläuterung des Prinzips der horizontalen und vertikalen Dekomposition innerhalb von Raffinerien, 1 Diagrams to explain the principle of horizontal and vertical decomposition within refineries,

2 Diagramme zur Erläuterung eines Dekompositionskonzeptes für eine numerische Optimierung, 2 Diagrams for explaining a decomposition concept for numerical optimization,

3 ein Diagramm, welches eine Verallgemeinerung der horizontalen Dekomposition und eine Koordinierung zweier Einzelsysteme veranschaulicht, 3 1 shows a diagram which illustrates a generalization of the horizontal decomposition and a coordination of two individual systems,

4 ein Diagramm, welches eine Dekomposition in vier Einzelsysteme und eine Koordinierung dieser vier Einzelsysteme veranschaulicht, 4 1 shows a diagram which illustrates a decomposition into four individual systems and a coordination of these four individual systems,

5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des in der Scheduling-Ebene erfolgenden Optimierungsverfahrens, 5 1 shows a flowchart to illustrate the optimization process taking place at the scheduling level,

6 ein Diagramm eines Anwendungsbeispiels und die 6 a diagram of an application example and the

710 Diagramme zur Veranschaulichung von ermittelten und abgeschätzten Zielfunktionswerten. 7 - 10 Diagrams to illustrate determined and estimated target function values.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Arbeitsweise der in einer Raffinerie oder einem petrochemischen Industriekomplex vorgesehenen Anlagen. Gemäß diesem Verfahren werden in einer Planungsebene grobe Vorgaben für benötigte Ausgangsmaterialien und zu produzierende Produktmengen ermittelt. Die in der Planungsebene ermittelten groben Vorgaben werden in einer Scheduling-Ebene in Daten umgesetzt, die zeitlichen Verläufen von Führungsgrößen entsprechen. Die in der Scheduling-Ebene ermittelten Daten werden als Führungsgrößen den in den Anlagen der Raffinerie vorgesehenen Steuer- und Regeleinheiten zugeführt. Diese generieren jeweils unter Berücksichtigung der genannten Führungsgrößen Steuergrößen für die jeweiligen Anlage. In diese Ermittlung der Steuergrößen gehen außer den Führungsgrößen auch Messgrö ßen ein, die aus dem laufenden Anlagenbetrieb gewonnen werden.The present invention relates to a method of controlling the operation of a refinery or a petrochemical industrial complex. According to this At a planning level, procedures become rough specifications for the required raw materials and product quantities to be produced. The one in the planning level Rough specifications are determined in a scheduling level Implemented data that correspond to the timelines of performance indicators. The in the Data determined at the scheduling level are used as reference values in the systems of the Refinery provided control units. This generate taking into account of the reference variables mentioned, control variables for the respective Investment. This determination of the control variables goes beyond the Leaders too Measurands, which are obtained from the ongoing plant operation.

Auf der Planungsebene erfolgt eine raffinerieweite Planung für Zeiträume von einem bis zu sechs Monaten. Auf dieser Ebene finden im Wesentlichen Methoden der linearen Programmierung (LP) Verwendung. Erweitert wird die strikt lineare Programmierung durch rekursive Methoden, die beispielsweise die Darstellung der Mischung von Strömen erlauben. Nichtlineares Verhalten von Anlagen wird innerhalb der sogenannten LP-Modelle durch stückweise lineare Modellierung nur eingeschränkt abgebildet. Innerhalb der Planungsebene werden im wesentlichen die Arten und Mengen der einzukaufenden Rohöle und die daraus zu produzierenden Mengen von Endprodukten bestimmt. Ziel ist eine Maximierung des Profites für die gesamte Raffinerie im betrachteten Planungszeitraum. Entscheidungsvariablen auf dieser Ebene der Dekomposition sind für den betrachteten Planungszeitraum die zu kaufenden Mengen unterschiedlicher Rohöle, die Verteilung der Stoffströme innerhalb der Raffinerie, die Anlagenfahrweisen und die Verteilung der Blending-Komponenten auf die Endprodukte. Nebenbedingungen für die Optimierungsprobleme in der Planungsebene sind im wesentlichen obere und untere Grenzen für die Mengen von Einkäufen und Verkäufen, obere und untere Grenzen für Durchsätze durch Teilanlagen sowie Produktspezifikationen. Die auf der Planungsebene erzeugten Vorgaben, wie beispielsweise die Menge der eingekaufte Rohöle, werden unter anderem beim Scheduling des Benzinstrangs berücksichtigt.At planning level there is a refinery planning for periods from one to six months. At this level you will find essentially Linear programming (LP) methods use. extended strictly linear programming through recursive methods, which allow, for example, the representation of the mixture of streams. Non-linear behavior of systems is determined piece by piece within the so-called LP models linear modeling only shown to a limited extent. Within the Planning levels are essentially the types and quantities of those to be purchased crude oils and determines the quantities of end products to be produced from it. The goal is to maximize the profit for the entire refinery in the considered Period. Decision variables at this level of decomposition are for the considered planning period, the quantities to be purchased differ crude oils, the distribution of the material flows within the refinery, plant operations and distribution of the blending components on the end products. Supplementary conditions for the optimization problems in the planning level there are essentially upper and lower limits for the Amounts of purchases and sales, upper and lower limits for Throughputs through Sub-systems and product specifications. The one at the planning level generated specifications, such as the amount of purchased crude oils, are taken into account when scheduling the fuel line, among other things.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein systematischer Ansatz für die Optimierung der in der Scheduling-Ebene ermittelten Führungsgrößen. Ausgangspunkt für die Notwendigkeit einer derartigen Optimierung sind im allgemeinen kurzfristige Ereignisse oder Gegebenheiten, die eine Änderung der Fahrweise der Anlagen notwendig machen. Ein Beispiel für ein derartiges Ereignis ist die kurzfristige Verfügbarkeit von besonders billigem Rohöl auf dem Spotmarkt. In diesem Fall kann – soweit die Lager- und Verarbeitungskapazitäten der Raffinerie dies erlauben – kurzfristig die Produktionsmenge gesteigert werden, um vom derzeit billigen Rohöl zu profitieren. Ein weiteres Beispiel für ein derartiges Ereignis ist der kurzfristige Ausfall eines Aggregats, welcher mit einer vorübergehenden Reduzierung der Tankkapazität verbunden ist. In diesem Fall muss ggf. die Produktion sinnvoll gedrosselt werden, um dem kurzfristigen Ereignis gerecht zu werden. Im Rahmen dieser Anpassung des Betriebs der Anlagen an kurzfristige Ereignisse oder Gegebenheiten müssen technologische, logistische und ökonomische Aspekte berücksichtigt werden.The subject of the present invention is, in particular, a systematic approach for optimizing the reference variables determined at the scheduling level. The starting point for the need for such optimization is generally short-term events or circumstances that make it necessary to change the way the systems are operated. An example of such an event is the short-term availability of particularly cheap crude oil on the spot market. In this case - as far as the storage and ver the refinery's work capacities allow this - the production volume can be increased in the short term in order to benefit from the currently cheap crude oil. Another example of such an event is the short-term failure of an aggregate, which is associated with a temporary reduction in the tank capacity. In this case, the production may have to be sensibly reduced in order to cope with the short-term event. As part of this adaptation of the operation of the systems to short-term events or conditions, technological, logistical and economic aspects must be taken into account.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das Scheduling im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung unter Berücksichtigung eines möglichst großen Bilanzraumes durchzuführen, beispielsweise der gesamten Raffinerie. Die Erfindung erlaubt eine Einbeziehung qualitativ hochwertiger Prozessmodelle, insbesondere eine Modellierung von Produkteigenschaften entlang der Wertschöpfungskette. Die Modellierung kann nichtlinear sein. Es erfolgt eine mathematische Optimierung von Variablen.A basic idea of the invention is in scheduling in the sense of a holistic view considering one if possible huge Balance room, for example the entire refinery. The invention allows one Inclusion of high quality process models, in particular a modeling of product properties along the value chain. The modeling can be non-linear. There is a mathematical Optimization of variables.

Dies wird im wesentlichen dadurch bewerkstelligt, dass zunächst eine Dekomposition eines Ausrüstungssystems in mindestens zwei Einzelsysteme erfolgt, wobei jedes dieser Systeme mindestens eine für eine numerische Optimierung geeignete Variable aufweist. Anschließend wird eine Koordinierung derart vorgenommen, dass zunächst eine Optimierung der Variablen eines der Einzelsysteme erfolgt und dann bei dieser Optimierung ermittelte Faktoren bei der Optimierung der Variablen im anderen Einzelsystem verwendet werden, und umgekehrt. Ist eine derartige Koordinierung in Horizontalrichtung erfolgt, dann wird im Sinne eines Integrationskonzeptes bzw. eines Konzeptes zur vertikalen Koordinierung eine Anbindung an weitere Entscheidungsebenen vorgenommen.This is essentially because of this accomplished that first a decomposition of an equipment system takes place in at least two individual systems, each of these systems at least one for a numerical optimization has a suitable variable. Then will coordination was carried out in such a way that the variables were first optimized one of the individual systems takes place and then during this optimization determined factors when optimizing the variables in the other Single system can be used, and vice versa. Is one Coordination takes place in the horizontal direction, then in the sense an integration concept or a concept for vertical Coordination made a connection to other decision levels.

Im Rahmen der horizontalen oder räumlichen Dekomposition erfolgt eine Aufteilung eines übergeordneten Optimierungsproblems nach funktionalen Kriterien. So wird beispielsweise die gesamte Raffinerie in Anlagenstränge und diese wiederum in einzelne Anlagen untergliedert. Dies ist in der 1 veranschaulicht, die auf der linken Seite ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der horizontalen Dekomposition innerhalb einer Raffinerie zeigt. Dabei sind mit der Bezugszahl 1 die gesamte Raffinerie, mit der Bezugszahl 2 die einzelnen Produktionsstränge der Raffinerie und mit der Bezugszahl 3 die Prozesseinheiten bzw. Anlagen der Raffinerie bezeichnet. Der Pfeil 4 symbolisiert die bei abnehmender Komplexität der Optimierungsprobleme steigende Genauigkeit der jeweils verwendeten Modelle.In the context of horizontal or spatial decomposition, a superordinate optimization problem is divided according to functional criteria. For example, the entire refinery is divided into plant strings, which in turn are divided into individual plants. This is in the 1 illustrated, which shows a diagram on the left to explain the principle of horizontal decomposition within a refinery. Doing so with the reference number 1 the entire refinery, with the reference number 2 the individual production lines of the refinery and with the reference number 3 the process units or plants of the refinery. The arrow 4 symbolizes the increasing accuracy of the models used as the complexity of the optimization problems decreases.

Im Rahmen der vertikalen oder zeitlichen Dekomposition erfolgt die Aufteilung eines übergeordneten Optimierungsproblems nach zeitlichen Aspekten. So kann ein Planungszeitraum in mehrere kürzere Zeiträume unterteilt werden, die einzeln für sich optimiert werden. Dies ist auf der rechten Seite der 1 gezeigt. Dabei sind mit der Bezugszahl 6 die Planungsebene, mit der Bezugszahl 7 die Scheduling-Ebene und mit der Bezugszahl 8 die Prozesskontrollebene veranschaulicht, die jeweils über der Zeitachse aufgetragen sind. Der Pfeil 5 symbolisiert die steigende Komplexität der Optimierungsprobleme, je länger der betrachtete Zeitraum ist.In the context of vertical or temporal decomposition, a higher-level optimization problem is divided according to temporal aspects. In this way, a planning period can be divided into several shorter periods, which are individually optimized. This is on the right side of the 1 shown. Doing so with the reference number 6 the planning level, with the reference number 7 the scheduling level and with the reference number 8th illustrates the process control level, each plotted over the time axis. The arrow 5 symbolizes the increasing complexity of the optimization problems, the longer the period under consideration.

Die 2 zeigt Diagramme eines entwickelten Dekompositionskonzeptes, welches zur numerischen Optimierung der Produktionsplanung und -steuerung des Benzinstrangs einer Raffinerie verwendet werden kann. Die entsprechenden Dekompositionsebenen entstehen dabei durch eine kombinierte Anwendung von horizontaler und vertikaler Dekomposition. In der Dekompositionsstruktur zur numerischen Optimierung wird hierbei die in der Dekompositionsstruktur gemäß 1 vorhandene Scheduling-Ebene in zwei Ebenen aufgeteilt, nämlich eine Langzeit-Scheduling-Ebene 7a und eine Kurzzeit-Scheduling-Ebene 7b.The 2 shows diagrams of a developed decomposition concept, which can be used for the numerical optimization of the production planning and control of the gasoline line of a refinery. The corresponding levels of decomposition are created by a combined application of horizontal and vertical decomposition. In the decomposition structure for numerical optimization, the one in the decomposition structure according to 1 existing scheduling level divided into two levels, namely a long-term scheduling level 7a and a short-term scheduling level 7b ,

Ansonsten stimmen die Strukturen gemäß 1 und 2 überein.Otherwise the structures are correct 1 and 2 match.

Im Folgenden wird eine allgemeine Form des horizontalen Dekompositionskonzeptes gemäß der Erfindung vorgestellt.The following is a general one Form of the horizontal decomposition concept according to the invention presented.

Voraussetzung für eine Koordinierung nach dem entwickelten Konzept ist die Erzeugung von Lagrange-Faktoren oder vergleichbaren Informationen bei der Lösung des jeweiligen Optimierungsproblems. Optimierungsalgorithmen wie zufällige Suchverfahren oder auf Heuristiken beruhende Algorithmen sind für die vorgestellte Koordinierungsstrategie ungeeignet. Ein Beispiel für den Lagrange-Faktoren vergleichbare Informationen sind die im Rahmen des Simplex-Verfahrens erzeugten Schattenpreise.Prerequisite for coordination after developed concept is the generation of Lagrangian factors or comparable information when solving the respective optimization problem. Optimization algorithms like random Search methods or algorithms based on heuristics are for the presented Unsuitable coordination strategy. An example of the Lagrangian factors comparable information is that in the context of the simplex process generated shadow prices.

Eine weitere Voraussetzung für eine Koordinierung ist das Vorhandensein von Marktpreisen für die die Systemgrenzen überschreitenden Ströme. Außerdem müssen zu Beginn der Optimierung gültige Startwerte für die Optimierungsvariablen vorhanden sein. Diese gültigen Startwerte können auf vorhandenen Erfahrungswerten beruhen, im Rahmen einer Simulation gewonnen werden oder auch im Rahmen eines Optimierungsverfahrens ermittelt werden.Another prerequisite for coordination is the existence of market prices for those crossing the system boundaries Streams. Moreover have to Valid at the beginning of the optimization Initial values for the optimization variables are present. These valid starting values can based on existing empirical values, as part of a simulation be won or as part of an optimization process be determined.

Die Anlagen bzw. Ausrüstungssysteme der in der verfahrenstechnischen, kontinuierlichen Produktion betrachteten Optimierungsprobleme lassen sich im allgemeinen horizontal in zwei Systeme geringeren Umfangs aufteilen. Auch die entstandenen Systeme können wiederum bis zu einem vom verfahrenstechnischen Standpunkt sinnvollen Maß in zwei weitere Teilsysteme aufgeteilt werden. Auf diese Weise kann ein gesamtes Ausrüstungssystem in einzelne Systeme mit für eine numerische Optimierung geeigneten Größen zerlegt werden. Die Aufteilung eines solchen Systems in zwei einzelne Systeme mit einer beliebigen Anzahl von die Systemgrenzen überschreitenden und zwischen den Teilsystemen fließenden Strömen ist in der 3 dargestellt.The plants or equipment systems of the optimization problems considered in the process engineering, continuous production can generally be divided horizontally into two smaller systems. The resulting systems can also be divided up to a reasonable extent from a process engineering point of view into two further subsystems. In this way, an entire equipment system can be broken down into individual systems with sizes suitable for numerical optimization. The division of such a system into two individual systems with an arbitrary number of currents which cross the system boundaries and flow between the subsystems is shown in FIG 3 shown.

Dabei sind mit der Bezugszahl 9 das Gesamtsystem und mit den Bezugszahlen 10 und 11 die beiden Teilsysteme bezeichnet, in welche das Gesamtsystem aufgeteilt wird. Die in der 3 dargestellten Pfeile symbolisieren dabei Ströme, die in das System fließen, dieses verlassen oder zwischen den Teilsystemen fließen. Jeder einzelne dieser Ströme lässt sich durch einen Stromvektor beschreiben, dessen Komponenten den Massenoder Volumenstrom und die Eigenschaften des entsprechenden Stroms beschreiben. Typische Eigenschaften sind beispielsweise die Research Oktanzahl RON, die Motoroktanzahl MOZ und die Dichte.Doing so with the reference number 9 the overall system and with the reference numbers 10 and 11 denotes the two subsystems into which the overall system is divided. The in the 3 The arrows shown symbolize currents that flow into the system, leave it or flow between the subsystems. Each of these flows can be described by a flow vector, the components of which describe the mass or volume flow and the properties of the corresponding flow. Typical properties are, for example, the research octane number RON, the motor octane number MOZ and the density.

Die Vorgehensweise ist wie folgt:
Zunächst wird für einen gültigen Betriebspunkt des Gesamtsystems ein Optimierungsproblem für das zweite System 11 gelöst, bei dem die Stromvektoren für die in das System 10 zurückgeführten Ströme auf die durch den Startpunkt der Optimierung vorgegebenen Werte fixiert bleiben. Bei dieser ersten Lösung des Optimierungsproblems werden Lagrange-Faktoren erzeugt, aus denen Wichtungsfaktoren für die vom System 10 in das System 11 fließenden Ströme im Startbetriebspunkt bestimmt werden können. Die so ermittelten Wichtungsfaktoren werden in der Zielfunktion f1 des jetzt zu lösenden Optimierungsproblems für das System 10 verwendet. Die zu maximierende Zielfunktion lautet wie folgt:

Figure 00130001
The procedure is as follows:
First, there is an optimization problem for the second system for a valid operating point of the overall system 11 solved where the current vectors for those in the system 10 returned currents remain fixed at the values specified by the starting point of the optimization. With this first solution of the optimization problem, Lagrangian factors are generated, from which weighting factors for those of the system 10 in the system 11 flowing currents can be determined at the starting operating point. The weighting factors determined in this way are in the objective function f 1 of the optimization problem for the system that is now to be solved 10 used. The objective function to be maximized is as follows:
Figure 00130001

Dabei bezeichnet ω einen Vektor der Wichtungsfaktoren, S einen Stromvektor, P einen Prozessgrößenvektor, B die Betriebskosten und E den Erlös. Die Indizes i bezeichnen alle Ströme, die vom System 10 in das System 11 fließen. Nebenbedingungen des hier zu lösenden Optimierungsproblems sind die Mengen und Eigenschaften der in das System 10 eingehenden Ströme, obere und untere Mengenbeschränkungen für Zwischenprodukte, Spezifikationen und Preise von Zwischenprodukten, Anlagenmodelle für das System 10 und Beschränkungen für Schrittweiten.Here ω denotes a vector of the weighting factors, S a current vector, P a process variable vector, B the operating costs and E the revenue. The indices i denote all streams by the system 10 in the system 11 flow. Additional conditions of the optimization problem to be solved here are the quantities and properties of those in the system 10 incoming flows, upper and lower quantity restrictions for intermediate products, specifications and prices of intermediate products, plant models for the system 10 and restrictions on step sizes.

Es erfolgt nun die Vorgabe der aus der Lösung dieses Optimierungsproblems resultierenden Stromvektoren in die Nebenbedingungen für das nun zu lösende Optimierungsproblem des Systems 11. Hierzu werden aus der vorangegangenen Lösung des Optimierungsproblems für das System 10 die Wichtungsfaktoren der vom System 11 in das System 10 fließenden Ströme ermittelt und in der Zielfunktion f2 für das Optimierungsproblem des System 11 verwendet. Die zu maximierende Zielfunktion lautet wie folgt:

Figure 00140001
The current vectors resulting from the solution to this optimization problem are now specified in the constraints for the system's optimization problem to be solved 11 , To do this, the previous solution to the optimization problem for the system 10 the weighting factors of the system 11 in the system 10 flowing currents determined and in the objective function f 2 for the optimization problem of the system 11 used. The objective function to be maximized is as follows:
Figure 00140001

Die Indizes i bezeichnen dabei alle Ströme, die vom System 11 in das System 10 fließen. Die Nebenbedingungen für dieses Optimierungsproblem sind die Mengen und Eigenschaften der in das System 11 eingehenden Ströme, obere und untere Mengenbeschränkungen für Zwischenprodukte, Spezifikationen und Preise von Zwischenprodukten, Anlagenmodelle für das System 11 und Beschränkungen für Schrittweiten.The indices i denote all currents from the system 11 in the system 10 flow. The constraints on this optimization problem are the quantities and properties of those in the system 11 incoming flows, upper and lower quantity restrictions for intermediate products, specifications and prices of intermediate products, plant models for the system 11 and restrictions on step sizes.

Im Folgenden wird nun überprüft, ob das Abbruchkriterium für die Optimierung erfüllt ist. Um eine Konvergenz der zwischen den Systemen fließenden Ströme zu gewährleisten, wird überprüft, ob die Änderung aller Stromvektorkomponenten dieser Ströme zwischen zwei Durchläufen der Iteration bestimmte Werte unterschreiten. Ändert sich zwischen zwei Durchläufen keine der entsprechenden Stromvektorkomponenten um einen signifikanten Wert, wird die Optimierung abgebrochen und es erfolgt eine Ausgabe der Ergebnisse. Ist noch keine Konvergenz der Ströme erreicht, werden die für das System 11 ermittelten neuen optimalen Stromvektoren in den Nebenbedingungen für das System 10 verwendet und es wird eine erneute Optimierung durchgeführt.In the following it is checked whether the termination criterion for the optimization is fulfilled. In order to ensure a convergence of the currents flowing between the systems, it is checked whether the change of all current vector components of these currents between two runs of the iteration fall below certain values. If none of the corresponding current vector components changes by a significant value between two runs, the optimization is terminated and the results are output. If the currents have not yet converged, they are used for the system 11 determined new optimal current vectors in the constraints for the system 10 is used and a new optimization is carried out.

Der Stromvektor kann Informationen über den Massenstrom, über Zusammensetzungen, über Temperatur und Druck, sowie über physikalische Eigenschaften wie beispielsweise Dichte und Oktanzahl enthalten.The current vector can contain information about the mass flow, about compositions, about temperature and pressure, as well as about physical properties such as density and octane number th.

Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise wird nachfolgend anhand des in der 5 gezeigten Flussdiagrammes näher erläutert.The procedure described above is described below using the 5 shown flowchart explained in more detail.

Mit der Bezugszahl 19 ist der Start des Optimierungsvorganges des Gesamtsystems 9 bezeichnet. Gemäß dem Schritt 20 erfolgt eine Lösung des Optimierungsproblems für das System 11 mit fixierten Stromvektoren. Danach erfolgt im Schritt 21 eine Bestimmung neuer Wichtungsfaktoren für das System 10. Unter Berücksichtigung dieser neuen Wichtungsfaktoren erfolgt im Schritt 22 eine Lösung des Optimierungsproblems für das System 10. Danach werden gemäß dem Schritt 23 neue Stromvektoren für das System 11 vorgegeben. Im nachfolgenden Schritt 24 werden neue Wichtungsfaktoren für das System 11 ermittelt. Diese neuen Wichtungsfaktoren werden im Schritt 25 zur Lösung des Optimierungsproblems für das System 11 verwendet. Im Schritt 26 erfolgt eine Abfrage, ob das vorliegende Abbruchkriterium erfüllt ist. Ist das Abbruchkriterium nicht erfüllt, dann werden im Schritt 29 neue Stromvektoren für das System 10 vorgegeben und es erfolgt ein Rücksprung zum Schritt 21. Ist hingegen das Abbruchkriterium erfüllt, dann werden im Schritt 27 die Ergebnisse ausgegeben. Der Schritt 28 bezeichnet das Ende der Optimierung des Gesamtsystems 9.With the reference number 19 is the start of the optimization process of the overall system 9 designated. The optimization problem for the system is solved in accordance with step 20 11 with fixed current vectors. A determination of new weighting factors for the system then takes place in step 21 10 , Taking these new weighting factors into account, the optimization problem for the system is solved in step 22 10 , Thereafter, according to step 23, new current vectors for the system 11 specified. In the following step 24 new weighting factors for the system 11 determined. These new weighting factors are used in step 25 to solve the optimization problem for the system 11 used. In step 26, a query is made as to whether the abort criterion is met. If the termination criterion is not met, then new current vectors for the system are generated in step 29 10 predefined and there is a return to step 21. If, on the other hand, the termination criterion is met, the results are output in step 27. Step 28 denotes the end of the optimization of the overall system 9 ,

Die 4 zeigt ein Diagramm, welches eine Dekomposition eines Gesamtsystems 12 in vier Einzelsysteme 13, 14, 15, 16 und eine Koordinierung dieser vier Einzelsysteme veranschaulicht. Bei diesem System erfolgt zunächst auf dieselbe Weise, wie sie im Zusammenhang mit den 3 und 5 beschrieben wurde, eine Optimierung bezüglich der Systeme 14 und 16, um ein neues System 17 zu bilden. Anschließend erfolgt eine Optimierung bezüglich der beiden Systeme 15 und 17 unter Bildung eines neuen Systems 18. Schließlich erfolgt eine Optimierung bezüglich der Systeme 13 und 18. Im Laufe dieser vorstehend beschriebener Koordinierung der Einzelsysteme wird in jedem Iterationsschritt eine erneute Optimierung der jeweils vorher gebildeten neuen Systeme erforderlich.The 4 shows a diagram showing a decomposition of an overall system 12 in four individual systems 13 . 14 . 15 . 16 and illustrates a coordination of these four individual systems. This system is initially done in the same way as in connection with the 3 and 5 an optimization regarding the systems has been described 14 and 16 to a new system 17 to build. The two systems are then optimized 15 and 17 forming a new system 18 , Finally, the systems are optimized 13 and 18 , In the course of this coordination of the individual systems described above, it is necessary to re-optimize the previously formed new systems in each iteration step.

Wie aus dem gezeigten Beispiel deutlich wird, steigt der Aufwand für die Koordinierung mit der Zahl der zu koordinierenden Systeme. Es ist daher bereits im Rahmen einer horizontalen Dekomposition abzuwägen, ob eine Unterteilung in eine große Anzahl von kleinen Systeme den entstehenden Koordinierungsaufwand rechtfertigt.As is clear from the example shown the effort for coordination with the number of systems to be coordinated. It is therefore already to be considered in the context of a horizontal decomposition whether a division into a large one Number of small systems the resulting coordination effort justifies.

Mit der oben dargestellten Vorgehensweise ist prinzipiell auch die Einbindung der Optimierung des Benzinstranges in eine Optimierung der gesamten Raffinerie möglich. Hierzu könnte beispielsweise das zumeist in Raffinerien existierende LP-Model für das nicht zum Benzinstrang gehörende Ausrüstungssystem verwendet werden. Die erforderlichen Schnittstelleninformationen zur Bestimmung der Zielfunktionsänderung der einzelnen zu optimierenden Systeme in Abhängigkeit der Änderung von Nebenbedingungen können aus den Schattenpreisen des LP-Models bzw. aus den Lagrange-Faktoren des Optimierungsproblems für den Benzinstrang gewonnen werden.Using the procedure outlined above is in principle also the integration of the optimization of the gasoline line in an optimization of the entire refinery possible. For example, this could the LP model, which mostly exists in refineries, for that not for the gasoline train belonging equipment system be used. The required interface information to determine the change in objective function of the individual systems to be optimized depending on the change of constraints can from the shadow prices of the LP model or from the Lagrangian factors of the optimization problem for the gasoline train be won.

Eine Möglichkeit zur Koordinierung der verschiedenen vertikalen Planungsebenen besteht in der Vorgabe von Ergebnissen aus der Optimierung der übergeordneten Ebene als Nebenbedingungen für das Optimierungsproblem der jeweils untergeordneten Dekompositionsebene.A way to coordinate of the various vertical planning levels is the default results from the optimization of the higher level as secondary conditions for the Optimization problem of the respective lower decomposition level.

Wie auch im Rahmen der entwickelten Dekompositionsstrategie möglich, kann so beispielsweise auf der übergeordneten Ebene des Langzeit-Scheduling eine Anzahl von optimalen Blendingrezepten ermittelt werden. Diese Rezepte werden innerhalb der Nebenbedingungen der untergeordneten Ebene des Schedulings verwendet, um auf dieser Ebene durch die Bestimmung einer optimalen Rezeptreihenfolge eine bestimmte Zielfunktion zu optimieren.As in the context of the developed Decomposition strategy possible, can, for example, on the parent Long-term scheduling a number of optimal blending recipes be determined. These recipes are within the constraints the lower level of scheduling used to be on this Level by determining an optimal recipe order optimize certain objective function.

Auch die Zielfunktion der untergeordneten Ebene kann benutzt werden, um die auf der oberen Ebene verfolgte Intention auf der unteren Dekompositionsebene zu berücksichtigen. So können auf der unteren Planungsebene Abweichungen zu auf der übergeordneten Planungsebene erstellten Vorgaben minimiert werden. Im vorgestellten Dekompositionskonzept können beispielsweise auf der untergeordneten Planungsebene des Scheduling durch eine optimale zeitliche Anordnung von Rezepten die Abweichungen zu Tankständen am Periodenende des Langzeit-Scheduling-Optimierungsproblems minimiert werden.Also the objective function of the subordinate Level can be used to track those on the upper level Intention to be considered at the lower decomposition level. So can on the lower planning level deviations from on the higher one Planning level created specifications are minimized. In the featured Can decomposition concept for example at the lower planning level of scheduling the deviations due to an optimal chronological arrangement of recipes to gas stations be minimized at the end of the period of the long-term scheduling optimization problem.

Im Folgenden wird genauer auf ein geeignetes Konzept zur Koordinierung der durch Dekomposition entstandenen Unterprobleme im Rahmen der Produktionsplanung und Produktionssteuerung des Benzinstranges eingegangen.The following is a closer look at one Suitable concept for coordinating the decomposition Sub-problems in the context of production planning and production control of the petrol line.

Für das System Reformer-Blendinganlage einer Raffinerie wird zunächst für einen Zeitabschnitt ein Koordinierungskonzept für die Optimierungsprobleme dargestellt, die aus einer Dekomposition des Optimierungsproblems für die Langzeit-Scheduling-Ebene entstehen.For the system reformer blending system of a refinery is initially for one Period a coordination concept for the optimization problems shown, which is from a decomposition of the optimization problem for the Long-time scheduling level arise.

Das hier betrachtete Gesamtsystem 30, welches in der 6 gezeigt ist, besteht aus den Teilsystemen Reformer 32 und Blender 24. In den Bilanzraum dieses Gesamtsystems 30 gehen eine Reihe von Eduktströmen wie beispielsweise der Reformerfeedstrom 31 und Komponenten 36 zum Benzinblending ein. Weiterhin verlässt eine Reihe von Strömen den Bilanzraum. Hierbei handelt es sich im Falle der Blendinganlage 24 um nach bestimmten Spezifikationen gefertigte Produkte 35 und im Falle der Reformeranlage 32 um Zwischenprodukte 37 wie beispielsweise Wasserstoff. Innerhalb des betrachteten Systems wird der den Reformer 32 verlassende Reformatstrom 33 als Komponente für das Blending 24 verwendet.The overall system considered here 30 which in the 6 shown consists of the subsystems reformer 32 and blender 24 , In the balance area of this overall system 30 go a number of educt streams such as the reformer feed stream 31 and components 36 for gasoline blending. Furthermore, a number of streams leave the balance area. This is the case with the blending system 24 to products manufactured according to specific specifications 35 and in the case of the reformer plant 32 about intermediates 37 such as hydrogen. Within the system under consideration, it becomes the reformer 32 leaving reformate stream 33 as a component for blending 24 used.

Jeder einzelne Strom innerhalb dieses Gesamtsystems wird durch einen sogenannten Stromvektor S i beschrieben, dessen Komponenten Sij den Massen- oder Volumenstrom und Eigenschaften des entsprechenden Stroms enthalten. Der Index i bezeichnet hierbei einen bestimmten Strom, der Index j bezeichnet eine bestimmte Komponente des betreffenden Stromvektors. Typische Eigenschaften sind zum Beispiel die Research Oktanzahl RON, die Motoroktanzahl MOZ oder die Dichte ρ. Es gilt: S i = f (P t) Each individual stream within this overall system is described by a so-called stream vector S i , the components S ij of which contain the mass or volume flow and properties of the corresponding stream. The index i denotes a specific current, the index j denotes a specific component of the current vector in question. Typical properties are, for example, the research octane number RON, the motor octane number MOZ or the density ρ. The following applies: S i = f (P t )

Hierbei beschreibt der Vektor P t die im Teilsystem t eingestellte Anlagenfahrweise. Dieser Vektor beinhaltet alle im Teilssystem zu optimierenden Prozessgrößen, wie Drücke, Temperaturen oder im Falle des Blendings verblendete Volumenströme einzelner Komponenten je Endprodukt.Here, the vector P t describes the plant operating mode set in the subsystem t. This vector contains all process variables to be optimized in the subsystem, such as pressures, temperatures or, in the case of blending, volume flows of individual components that are blinded for each end product.

Im Rahmen einer Optimierung auf der Langzeit-Scheduling-Ebene sind eine für das gesamte System gewinnoptimale Fahrweise des Reformers und gewinnoptimale Verteilungen der anfallenden Blendingkomponenten auf die unterschiedlichen Endprodukte zu bestimmen. Der im gesamten System erzielte Gewinn setzt sich hierbei additiv aus den in beiden Systemen erzielten Gewinnen zusammen.As part of an optimization at the Long-term scheduling levels are optimal for the entire system Driving style of the reformer and optimal distribution of the accruing Determine blending components on the different end products. The profit achieved in the entire system is additive from the profits made in both systems.

Für die Koordinierung der beiden Systeme stellt sich nun die Frage, wie eine Veränderung der Optimierungsvariablen eines Teilsystems sich auf die Zielfunktion des anderen Teilsystems auswirkt. Bei Vorhandensein solcher quantitativer Informationen kann eine iterative Vorgehensweise entwickelt werden, die von einem gültigen Betriebspunkt des Gesamtsystems ausgehend, die Betriebspunkte der einzelnen Systeme so verändert, dass letztendlich ein verbesserter Betriebszustand für das Gesamtsystem erreicht wird.For the coordination of the two systems now raises the question like a change of the optimization variables of a subsystem affect the target function of the other subsystem. In the presence of such quantitative Information an iterative approach can be developed that of a valid Starting point of the overall system, the operating points of the individual systems so changed that ultimately an improved operating condition for the overall system is achieved.

Wie im Folgenden gezeigt werden wird, lassen sich durch die Analyse der Lagrange-Faktoren am Optimum eines Teilsystems 2 Informationen über die partielle Änderung der Zielfunktion f dieses Teilsystems in Abhängigkeit von den Änderungen der Stromvektorkomponenten Si,j des von System 1 in System 2 fließenden Stromes Si gewinnen. Der Vektor dieser Wichtungsfaktoren wird im folgenden als i bezeichnet:

Figure 00190001
As will be shown below, the analysis of the Lagrangian factors at the optimum of a subsystem 2 Information about the partial change in the objective function f of this subsystem as a function of the changes in the current vector components S i, j of the system 1 in system 2 win flowing current S i . The vector of these weighting factors is referred to as i below:
Figure 00190001

Ist der Vektor i für einen Strom Si bekannt, der vom System 1 in das System 2 fließt, lässt sich in einem bestimmten Bereich um das jeweilige Optimum von System 2 die Änderung der Zielfunktion dieses Systems in Abhängigkeit von Veränderungen des in System 1 erzeugten Stromes und somit von veränderten Prozessgrößen von System 1 vorhersagen. Die Berechnung der veränderten Stromvektoren in Abhängigkeit von den veränderten Prozessgrößen erfolgt hierbei über das Anlagenmodell.Is the vector i known for a current S i by the system 1 in the system 2 flows, can be in a certain range around the respective optimum of the system 2 the change in the objective function of this system depending on changes in the system 1 generated electricity and thus changed process variables of the system 1 predict. The calculation of the changed current vectors as a function of the changed process variables takes place here via the system model.

Die auf der Langzeit-Scheduling-Ebene auftretenden Optimierungsprobleme können beschrieben werden als: min f(x ) unter Berücksichtigung der Nebenbedingungen g in der Form: gg (xx ) = 0The optimization problems that arise at the long-term scheduling level can be described as: min f (x) taking into account the secondary conditions g in the form: gg (xx) = 0

Typische Nebenbedingungen des Multiblend-Optimierungsproblems sind beispielsweise Volumenbilanzen und Mischungsregeln zur Erfüllung von Produktspezifikationen. Eine solche Mischungsregel gibt den funktionalen Zusammenhang zwischen den Optimierungsvariablen des Multiblendproblems x , also den in ein bestimmtes Produkt verblendeten Mengen von Komponentenströmen, den in den Stromvektoren S i enthaltenen Eigenschaften der Komponentenströme und einer Eigenschaft des hergestellten Produktes wieder. Diese Nebenbedingungen sind im Allgemeinen folgendermaßen formuliert, wobei die Konstante ek einem durch Spezifikationen vorgegebenen Wert entspricht: gk(x ,S 1,S 2, ... S n) – ek = 0Typical constraints of the multiblend optimization problem are, for example, volume balances and mixing rules to meet product specifications. Such a mixing rule reflects the functional relationship between the optimization variables of the multi-blending problem x, that is to say the quantities of component streams blended into a specific product, the properties of the component streams contained in the current vectors S i and a property of the product produced. These secondary conditions are generally formulated as follows, where the constant e k corresponds to a value specified by specifications: g k (x, S 1 , S 2 , ... S n ) - e k = 0

Für Optimierungsprobleme mit Nebenbedingungen ist die Lagrange-Funktion L mit dem Vektor λ der zu den Nebenbedingungen gehörenden Lagrange-Faktoren λk folgendermaßen definiert: L(x ) = f(xx ) + ∙g(x )For optimization problems with constraints, the Lagrangian function L is defined with the vector λ of the Lagrangian factors λ k belonging to the constraints as follows: L (x) = f (xx) + ∙ g (x)

Im Allgemeinen erfolgt eine Bestimmung der entsprechenden Lagrange-Faktoren λk bei der Anwendung numerischer Optimierungsverfahren.The corresponding Lagrangian factors λ k are generally determined using numerical optimization methods.

Im Folgenden wird zunächst exemplarisch auf die Berechnung der Änderung ω des optimalen Wertes einer Zielfunktion f in Abhängigkeit der Änderung einer Stromvektorkomponente S ein gegangen, die lediglich in einer einzigen Nebenbedingung g des Optimierungsproblems vorkommt.The following is an example on the calculation of the change ω of the optimal Value of a target function f depending on the change a current vector component S gone in only one only constraint g of the optimization problem occurs.

Es sei f* der Wert der Zielfunktion am Optimum xx *, welches wiederum von der betrachteten Stromvektorkomponente S abhängt: f* = f(x *(S)) Let f * be the value of the target function at optimum xx *, which in turn depends on the current vector component S considered: f * = f (x * (S))

Weiterhin gilt für die betrachtete Nebenbedingung g*: g* = g(x *(S)) = 0 sowie die Kuhn-Tucker-Bedingung: ∇f* + λ*(S)∙∇g* = 0 The following also applies to the secondary condition g * considered: g * = g (x * (S)) = 0 as well as the Kuhn-Tucker condition: ∇f * + λ * (S) ∙ ∇g * = 0

Nach der Allgemeinen Kettenregel gilt:

Figure 00210001
According to the general chain rule:
Figure 00210001

Für die Änderung der Zielfunktion in Abhängigkeit der Stromvektorkomponente S gilt mit der Kettenregel:

Figure 00210002
With the chain rule for the change of the target function depending on the current vector component S:
Figure 00210002

Es folgt:

Figure 00210003
It follows:
Figure 00210003

Es folgt für die gesuchte Änderung der Zielfunktion in Abhängigkeit der Eigenschaft S:

Figure 00220001
For the change of the target function depending on the property S follows:
Figure 00220001

Da eine Stromvektorkomponente nicht nur in einer Nebenbedingung eines Optimierungsproblems auftauchen kann, wird der obige Ansatz auf alle n Nebenbedingungen des betrachteten Optimierungsproblems erweitert. Hierfür folgt:

Figure 00220002
Since a current vector component cannot only appear in a constraint of an optimization problem, the above approach is extended to all n constraints of the optimization problem under consideration. For this follows:
Figure 00220002

Mithilfe dieser Gleichung kann so über die Lagrange-Faktoren von Nebenbedingungen eines Optimierungsproblems und über die partiellen Ableitungen dieser Nebenbedingungen nach den Stromvektorkomponenten S der Wichtungsfaktor ω bezüglich einer in diesen Nebenbedingungen vorkommenden Stromvektorkomponente berechnet werden.Using this equation, we can use the Lagrangian factors of constraints of an optimization problem and over the partial derivatives of these constraints according to the current vector components S the weighting factor ω with respect to one current vector component occurring in these constraints become.

Die unmittelbare Gültigkeit der ermittelten Wichtungsfaktoren zur Vorhersage der Zielfunktionsänderung bei Veränderung der zugehörigen Nebenbedingung ist nur für infinitesimal kleine Änderungen der jeweiligen Nebenbedingungen gegeben. Dieses begründet sich folgendermaßen:The immediate validity the determined weighting factors for predicting the change in objective function with change the associated Constraint is only for infinitesimally small changes given the respective secondary conditions. This is justified as follows:

  • – Die Abschätzung der Änderung einer nichtlinearen Zielfunktion durch einen konstanten Term entspricht einer Lineari sierung der Zielfunktion und kann deshalb nur in unmittelbarer Nähe des bestimmten Optimums gültig sein.- The appraisal of change a nonlinear objective function by a constant term corresponds to one Linearization of the target function and can therefore only in immediate Near the certain optimums his.
  • – Eine Verbesserung des Optimums in einer bestimmten Richtung wird unter Umständen durch andere Nebenbedingungen eingeschränkt. Auch in diesem Fall wird eine erneute Bestimmung des Wichtungsfaktors erforderlich.- One Improvement of the optimum in a certain direction is under circumstances limited by other constraints. In this case too a new determination of the weighting factor is required.

Im Folgenden wird anhand eines typischen Multiblend-Optimierungsproblems überprüft, inwiefern die erhaltenen Wichtungsfaktoren zur Vorhersage der Zielfunktionsänderung in Abhängigkeit der Änderung von Nebenbedingungen benutzt werden können.The following is based on a typical Multiblend optimization problems checked to what extent the weighting factors obtained for predicting the change in objective function dependent on of change of constraints can be used.

Das hierbei betrachtete Optimierungsproblem wurde anhand eines realen Mengen- und Termingerüstes für Produkte und Edukte erstellt. Ebenso wurden die verwendeten Blendingmodelle nach realen Betriebsdaten kalibriert.The optimization problem considered here was created based on a real quantity and schedule structure for products and starting materials. The blending models used were also based on real operating data calibrated.

Im Rahmen der folgenden Untersuchung wurde zunächst das Beispieloptimierungsproblem gelöst. Das so gefundene Optimum f*alt ist in den 710 durch die senkrechte Achse gekennzeichnet.The sample optimization problem was first solved in the course of the following investigation. The optimum f * old found in this way is in the 7 - 10 identified by the vertical axis.

Am gefundenen Optimum wurden die Wichtungsfaktoren ωi,j bezüglich ausgewählter Stromeigenschaften und des Volumenstroms des Reformats nach der oben beschriebenen Methode ermittelt.At the optimum found, the weighting factors ω i, j with respect to selected flow properties and the volume flow of the reformate were determined using the method described above.

Mithilfe der so erhaltenen Wichtungsfaktoren wurden nun neue optimale Werte der Zielfunktion f*neu,geschätzt in Abhängigkeit der Veränderung einer Komponente eines Stromvektors ΔSi,j abgeschätzt:

Figure 00230001
Using the weighting factors obtained in this way, new optimal values of the objective function f * new, estimated as a function of the change in a component of a current vector ΔS i, j, were estimated:
Figure 00230001

Diese so erhaltenen Werte wurden mit den Werten f*neu verglichen, die sich durch eine wirkliche Veränderung der Glei chungsnebenbedingung um ΔSi,j und anschließende erneute Lösung des Optimierungsproblems mit der veränderten Nebenbedingung bei gleichzeitigem Konstanthalten aller anderen Nebenbedingungen ergab. Konnte das Optimierungsproblem durch die Veränderung einer Nebenbedingung nicht länger gelöst werden, erfolgte kein entsprechender Eintrag für f*neu in den Abbildungen.These values obtained in this way were compared with the values f * new , which resulted from a real change in the equation constraint by ΔS i, j and then a new solution to the optimization problem with the modified constraint while at the same time keeping all other constraints constant. If the optimization problem could no longer be solved by changing a constraint, there was no corresponding entry for f * new in the figures.

Als zu untersuchende Komponenten eines Stromvektors wurden der Dampfdruck, RON, MON und der Volumenstrom des Reformats ausgewählt. Es fanden hierbei nichtlineare Blendingmodelle zur Bestimmung der betrachteten Stromeigenschaften der hergestellten Produkte Verwendung.As components to be examined of a flow vector were the vapor pressure, RON, MON and the volume flow of the reformate. Nonlinear blending models were found to determine the considered current properties of the manufactured products use.

Um eine Vergleichbarkeit der einzelnen Optimierungsergebnisse trotz unterschiedlicher Größenordnungen der betrachteten Stromvektorkomponenten und zu den Nebenbedingungen gehörenden Lagrange-Faktoren zu gewährleisten, wurde der betrachtete Bereich der Stromvektoren für die Untersuchung auf Werte beschränkt, bei denen die vorhergesagte Änderung der Zielfunktion nicht mehr als zehn Prozent des Ausgangswertes betrug.To compare the individual Optimization results despite different orders of magnitude the considered current vector components and the constraints belonging To ensure Lagrangian factors became the considered range of current vectors for the investigation limited to values, where the predicted change the target function not more than ten percent of the initial value scam.

In der 7 erfolgt die Darstellung der abgeschätzten und ermittelten Werte der Zielfunktion um das Optimum f*alt bei einer Veränderung des Dampfdruckes. Die abgeschätzten und ermittelten Werte für die Zielfunktion stimmen über einen weiten Bereich des Dampfdrucks überein.In the 7 the estimated and determined values of the target function are displayed by the optimum f * old when the vapor pressure changes. The estimated and determined values for the target function agree over a wide range of vapor pressure.

In der 8 ist die Änderung der Zielfunktion in Abhängigkeit einer Veränderung der Research Oktanzahl dargestellt. Hier stimmen die vorhergesagten Änderungen in einem engen Bereich um den Ausgangswert gut mit den wahren Änderungen überein, im Bereich höherer Oktanzahlen wird die Änderung jedoch unterschätzt. Bei einer starken Absenkung der Oktanzahl des Reformats auf etwa 94 ROZ kann keine Lösung für das Optimierungsproblems mehr erreicht werden.In the 8th the change in the objective function depending on a change in the research octane number is shown. Here, the predicted changes in a narrow range around the initial value agree well with the true changes, but the change is underestimated in the area of higher octane numbers. If the octane number of the reformate is greatly reduced to approximately 94 RON, no solution to the optimization problem can be achieved.

Auch für die in 9 dargestellte Abhängigkeit des optimalen Zielfunktionswertes von der Motoroktanzahl gilt für den Großteil der Werte eine gute Übereinstimmung zwischen vorhergesagtem und wahrem Wert. Allerdings wird bei dieser Messreihe ein Problem der nichtlinearen Optimierung deutlich: Einer der Werte f*neu liegt deutlich über dem entsprechenden Wert von f*neu,geschätzt. Die rechts von diesem Wertepaar liegenden Punkte f*neu müssten mindestens den gleichen Zielfunktionswert aufweisen, da durch eine weitere Steigerung der Motoroktanzahl, für die durch Spezifikationen keine Obergrenze vorgegeben ist, keine Verschlechterung des optimalen Zielfunktionswertes entstehen dürfte. Offensichtlich wurde bei diesen Punkten aufgrund der Vorgabe ungeeigneter Startwerte lediglich ein lokales Optimum erreicht.Also for those in 9 The dependency of the optimal target function value on the number of engine octets shows that for the majority of the values there is a good agreement between the predicted and the true value. However, a problem of nonlinear optimization becomes clear in this series of measurements: One of the values f * new is significantly above the corresponding value of f * new, estimated . The points f * new to the right of this pair of values should have at least the same target function value, since a further increase in the number of engine octets, for which no upper limit is specified by specifications, should not result in a deterioration in the optimal target function value. Obviously, only a local optimum was achieved at these points due to the specification of unsuitable starting values.

Ähnlich wie in der 9 werden auch in der 10 wiederum die Schwierigkeiten bei der nichtlinearen Programmierung deutlich. Während im Bereich erhöhter Volumenströme zwar eine gute Vorhersagegenauigkeit erreicht wird, liegen die optimierten Werte im Bereich eines gegenüber dem Basisfall gesenkten Volumenstroms ausschließlich über den durch Abschätzung erhaltenen Werten. Weiterhin wird für diese Punkte zum Teil ein besserer Zielfunktionswert erreicht als im Bereich höherer Volumenströme. Da die obere Tankstandsgrenze für Reformat beim betrachteten Optimierungsproblem nicht limitierend war, ist auch dieses Verhalten wiederum auf ein lokales Optimum zurückzuführen, das vom Optimierungsalgorithmus aufgrund der vorgegebenen Startwerte gefunden wurde.Similar to that in the 9 are also in the 10 again, the difficulties with nonlinear programming are clear. While a good prediction accuracy is achieved in the area of increased volume flows, the optimized values in the area of a volume flow reduced compared to the base case are exclusively above the values obtained by estimation. Furthermore, a better target function value is achieved for these points than in the area of higher volume flows. Since the upper tank level limit for reformate was not limiting for the optimization problem under consideration, this behavior is again due to a local optimum that was found by the optimization algorithm on the basis of the specified start values.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass in allen betrachteten Fällen die Tendenz der Einwirkung von Änderungen der Nebenbedingungen auf die Zielfunktion richtig vorhergesagt wurde. In vielen Fällen wird für das jeweilige, wenn auch lokale Optimum, eine sehr gute Übereinstimmung erreicht. Die entwickelte Methode ist also grundsätzlich geeignet, um in einem engen Bereich um die jeweiligen Optima die Änderung der Zielfunktion vorherzusagen. Aufgrund dieses Ergebnisses ist die Ent wicklung einer schrittweisen Koordinierungsstrategie für die betrachteten Optimierungsprobleme möglich.In summary it can be said that in all considered cases the tendency to change the constraints on the target function were correctly predicted. In many cases is for the respective, albeit local optimum, a very good agreement reached. The developed method is basically suitable to change within a narrow range around the respective optima to predict the objective function. Because of this result the development of a step-by-step coordination strategy for those considered Optimization problems possible.

Wie dargestellt wurde, lassen sich die Wichtungsfaktoren benutzen, um Änderungen des optimalen Zielfunktionswertes in Abhängigkeit der Änderungen von Stromvektoren vorherzusagen. Diese Informationen lassen sich nutzen, um gezielt die Fahrweise der dem Blending vorgeschalteten Anlagen so zu verändern, dass durch die so veränderten Eigenschaften und Mengen von Blendingkomponentenströmen im Gesamtsystem ein höherer Gewinn erzielt wird.As has been shown, use the weighting factors to make changes to the optimal objective function value dependent on of changes of predicting current vectors. This information can be use to specifically control the driving style of the blending Modify systems so that through the so changed Properties and quantities of blending component flows in the overall system a higher one Profit is made.

Im ersten Schritt erfolgt eine Vorgabe von Werten für die Stromvektoren des Reformats. Diese Stromvektoren sollten einer möglichen Fahrweise des Reformers, beispielsweise der zum Planungszeitpunkt aktuellen Fahrweise, entsprechen.In the first step, a specification is made of values for the current vectors of the reformate. These current vectors should be one potential Driving style of the reformer, for example at the time of planning current driving style.

Im zweiten Schritt wird nun das jeweilige Multiblendoptimierungsproblem mit dem vorgegebenen Stromvektor für den Reformatstrom gelöst. Neben der Bestimmung von optimalen Werten für die Optimierungsvariablen und dem Wert der Zielfunktion am Optimum erfolgt im Rahmen dieser Optimierung die Berechnung der Lagrange-Faktoren für alle Nebenbedingungen des Optimierungsproblems.In the second step, the respective Multi-glare optimization problem with the given current vector for the reformate current solved. In addition to determining optimal values for the optimization variables and the value of the target function at the optimum takes place within this Optimization of the calculation of the Lagrangian factors for all constraints the optimization problem.

Mithilfe dieser auf die einzelnen Nebenbedingungen bezogenen Lagrange-Faktoren werden nun die Wichtungsfaktoren bezüglich der einzelnen Komponenten des Stromvektors des Reformats ermittelt.Using this on the individual Lagrange factors related to constraints now become the weighting factors in terms of of the individual components of the current vector of the reformate.

Nun erfolgt die Lösung des separaten Reformeroptimierungsproblems. Hierbei soll der Vektor mit den Betriebsparametern des Reformers so verändert werden, dass eine möglichst hohe Steigerung des Gewinns des aus Reformer und Blender bestehendem Gesamtsystems gegenüber dem jetzigen Zustand erreicht wird. Hierbei werden folgende Sachverhalte betrachtet: Now the separate reformer optimization problem is solved. Here, the vector with the operating parameters of the reformer is to be changed in such a way that the greatest possible increase in the profit of the overall system consisting of reformer and blender is achieved compared to the current state. The following issues are considered:

  • – Änderungen des im Rahmen des Blendings erzielter Gewinns. Die Abschätzung erfolgt hierbei über die ermittelten Wichtungsfaktoren bezüglich einer Komponente des Reformatstromvektors;- changes of the profit made from the blending. The estimate is made here about the determined weighting factors relating to a component of the Reformatstromvektors;
  • – Änderung der Betriebskosten des Reformers, die durch eine veränderte Betriebsweise erzeugt wurden;- Modification the operating costs of the reformer caused by a changed mode of operation were generated;
  • – Änderungen der Erlöse, die durch die Veränderung von im Reformer hergestellten, verkaufbaren Zwischenprodukten entstehen.- changes the proceeds, by change of sellable intermediate products produced in the reformer.

Durch Zusammenfassung der zum Stromvektor gehörigen Wichtungsfaktoren erhält man die Zielfunktion des Reformeroptimierungsproblems.By summarizing the current vector related Weighting factors the objective function of the reformer optimization problem.

max fRef = Ref[S Ref(P Ref,neu) – S Ref(P Ref,alt)] – [B Ref(P Ref,neu) – B Ref(P Ref,alt) + [E Ref(P Ref,neu) – E Ref, (P Ref,alt)]max f Ref  = Ref [S Ref (P Ref, new ) - p Ref (P Ref, old )] - [B Ref (P Ref, new ) - B Ref (P Ref, old ) + [E Ref (P Ref, new ) - E Ref , (P Ref, old )]

Nebenbedingungen des hier zu lösenden Optimierungsproblems sind die Mengen und Eigenschaften der in das System eingehenden Ströme, obere und untere Mengenbeschränkungen für Zwischenprodukte, Spezifikationen und Preise von Zwischenprodukten, das Reformermodell und Grenzen für Schrittweiten.Supplementary conditions of the optimization problem to be solved here are the quantities and properties of those entering the system currents upper and lower quantity restrictions for intermediate products, specifications and prices of intermediates, the reformer model and limits for increments.

Das Reformermodell stellt hierbei den Zusammenhang zwischen den Betriebsparametervektoren und dem Stromvektor des Reformats her. Weiterhin werden durch das Modell auch die Stromvektoren der Zwischenprodukte und die Betriebskosten ermittelt.The reformer model provides here the relationship between the operating parameter vectors and the Current vector of the reformate. Furthermore, through the model also the electricity vectors of the intermediate products and the operating costs determined.

Eine besondere Bedeutung haben die Nebenbedingungen zur Begrenzung von Schrittweiten zwischen altem und neuem Satz von Betriebsparametern einzelner Iterationsschritte.They have a special meaning Supplementary conditions for limiting increments between old ones and new set of operating parameters of individual iteration steps.

Wie bereits angesprochen ist die Gültigkeit der Vorhersage von Zielfunktionsänderungen auf einen engen Bereich um das jeweilige Optimum beschränkt. Um diesen Bereich nicht zu verlassen, sollten die Änderungen des neuen Betriebszustandes gegenüber dem alten Zustand begrenzt werden, um Konvergenzprobleme bei der iterativen Lösung der beiden Optimierungsprobleme zu vermeiden. Mögliche Strategien zur Festlegung der Schrittweiten sind:As already mentioned, the validity predicting changes in objective function limited to a narrow range around the respective optimum. Around The changes in the new operating status should not leave this area across from the old state to be limited to convergence problems in the iterative solution to avoid the two optimization problems. Possible strategies for defining the increments are:

  • – eine Beschränkung der absoluten Änderung von Komponenten der Prozessgrößenvektoren von neuem zu altem Zustand: |Pneu,I – Palt,I| ≤ εl Hierbei gibt der Wert εl eine Obergrenze für die Änderung eines Betriebsparameters Pneu,l des Reformers gegenüber dem vorherigen Iterationsschritt an.- a restriction of the absolute change of components of the process variable vectors from new to old state: | P new, I - P old, I | ≤ ε l Here, the value ε 1 specifies an upper limit for the change in an operating parameter P new, 1 of the reformer compared to the previous iteration step.
  • – eine Beschränkung der absoluten Änderung von Stromvektorkomponenten von neuem zu altem Zustand: |Sneu,i,j – Salt,i,j| ≤ εi,j - a restriction of the absolute change of current vector components from new to old state: | S new, i, j - p old, i, j | ≤ ε i, j
  • Hierbei gibt der Wert ei,j eine obere Grenze für die Änderung einer Komponente eines Stromvektors gegenüber dem vorherigen Iterationsschritt anThe value e i, j specifies an upper limit for the change in a component of a current vector compared to the previous iteration step
  • – eine Beschränkung der vorhergesagten Änderung der Zielfunktion durch Änderung einzelner Stromvektorkomponenten: ωi,j∙[Si,j(P neu) – Si,j(P alt) ≤ ε- A restriction of the predicted change in the target function by changing individual current vector components: ω i, j ∙ [S i, j (P new ) - S i, j (P old ) ≤ ε

Der Parameter e ist hierbei eine vom Benutzer zu definierende Schranke für die Obergrenze der durch die Änderung der Stromvektorkomponente erzeugten Zielfunktionsänderung.The parameter e is one User-defined barrier to the upper limit of the change of the current vector component generated objective function change.

Bei den ersten beiden Vorgehensweisen wird vorausgesetzt, dass eine ausreichende Vorhersagegenauigkeit der Wichtungsfaktoren in einem bestimmten, absoluten Bereich von Stromvektor- bzw. Prozessgrößenvektorkomponenten um das ermittelte Optimum gegeben ist. Im dritten Fall wird dagegen davon ausgegangen, dass die Genauigkeit der Abschätzung mithilfe von Wichtungsfaktoren von der Änderung der Zielfunktion abhängt.The first two approaches it is assumed that there is sufficient prediction accuracy the weighting factors in a certain, absolute range of Current vector or process variable vector components around the optimum determined. The third case is against assumed that the accuracy of the estimate using of weighting factors from the change depends on the objective function.

Weiterhin werden im Gegensatz zu den ersten beiden Vorgehensweisen bei der letzten dargestellten Vorgehensweise die zu den Stromvektorkomponenten gehörenden Wichtungsfaktoren berücksichtigt.Furthermore, in contrast to the first two approaches to the last approach shown the weighting factors belonging to the current vector components are taken into account.

Zum Teil nehmen Wichtungsfaktoren für Stromvektorkomponenten sehr hohe Werte an. Diese Werte sind meist nur in einem äußerst engen Bereich um das jeweilige Optimum gültig. Durch eine Beschränkung der Schrittweite mit Nebenbedingungen wird die zulässige Schrittweite für Stromvektorkomponenten mit hohen Wichtungsfaktoren im Vergleich zur Schrittweite für andere Stromvektorkomponenten stärker eingeschränkt.Weighting factors take part for current vector components very high values. These values are usually only in an extremely narrow range Range valid around the respective optimum. By limiting the Increment with constraints becomes the allowable increment for current vector components with high weighting factors compared to the step size for others Current vector components stronger limited.

Die Qualität der einzelnen Strategien sowie die Weite der jeweils verwendeten Schritte ist noch durch Optimierungsrechnungen zu überprüfen. Eventuell kann sich auch eine Kombination einzelner Strategien als wirkungsvoll erweisen.The quality of each strategy as well as the width of the steps used in each case is still through optimization calculations to check. Perhaps A combination of individual strategies can also be effective prove.

Im Folgenden wird nun überprüft, ob das Abbruchkriterium für die Optimierung erfüllt worden ist. Mögliche Abbruchkriterien sind beispielsweise:In the following it is checked whether that Termination criterion for the optimization met has been. Possible Examples of termination criteria are:

  • – ein überschreiten einer maximalen Anzahl Iterationsschritten,- exceed one a maximum number of iteration steps,
  • – ein überschreiten einer maximalen Anzahl von Iterationsschritten mit keiner oder nur einer bestimmten marginalen Verbesserung oder- exceed one a maximum number of iteration steps with none or only a certain marginal improvement or
  • – ein Unterschreiten einer minimalen Veränderung von Stromvektoren zwischen zwei Iterationsschritten.- on Falling below a minimal change in current vectors between two iteration steps.

Ist das Abbruchkriterium nicht erfüllt, werden die aus der Lösung des Reformeroptimierungsproblems resultierenden, verbesserten Stromvektoren als neue Stromvektoren für das Multiblendoptimierungsproblem vorgegeben.If the termination criterion is not met, be the from the solution the improved current vectors resulting from the reformer optimization problem as new current vectors for predefined the multi-glare optimization problem.

Dann erfolgt eine erneute Lösung des Multiblendoptimierungsproblems und anschließend des Reformeroptimierungsproblems bis zur Erfüllung des Optimierungskriteriums.Then the multi-glare optimization problem is solved again and then the refor problem of optimization up to the fulfillment of the optimization criterion.

Claims (21)

Verfahren zur Steuerung der Arbeitsweise der in einer Raffinerie oder einem petrochemischen Industriekomplex vorgesehenen Anlagen, wobei – in einer Planungsebene grobe Vorgaben für benötigte Ausgangsmaterialien und zu produzierende Produktmengen ermittelt werden, – die in der Planungsebene ermittelten groben Vorgaben in einer Scheduling-Ebene in Daten umgesetzt werden, die zeitlichen Verläufen von Führungsgrößen entsprechen, – die in der Scheduling-Ebene ermittelten Daten als Führungsgrößen den in den Anlagen vorgesehenen Steuer- und Regeleinheiten zugeführt werden und – die Steuer- und Regeleinheiten der Anlagen jeweils unter Berücksichtigung der Führungsgrößen Steuergrößen für die jeweilige Anlage generieren, dadurch gekennzeichnet, dass – zur Erzeugung der in der Scheduling-Ebene generierten Daten eine Dekomposition eines Ausrüstungssystems in mindestens zwei Einzelsysteme mit jeweils mindestens einer für eine numerische Optimierung geeigneten Variablen vorgenommen wird, – eine Optimierung der Variablen eines der Einzelsysteme erfolgt und – bei dieser Optimierung ermittelte Faktoren zum Zwecke einer Koordinierung bei der Optimierung der Variablen im anderen Einzelsystem verwendet werden.Process for controlling the operation of the plants provided in a refinery or a petrochemical industrial complex, whereby - rough specifications for required starting materials and product quantities to be produced are determined in a planning level, - the rough specifications determined in the planning level are converted into data in a scheduling level , which correspond to the temporal courses of reference variables, - the data determined in the scheduling level are supplied as reference variables to the control and regulation units provided in the plants and - the control and regulation units of the installations generate control variables for the respective installation taking into account the reference variables , characterized in that - to generate the data generated in the scheduling level, a decomposition of an equipment system into at least two individual systems, each with at least one variable suitable for numerical optimization is carried out, - the variables of one of the individual systems are optimized and - factors determined in this optimization are used for the purpose of coordination when optimizing the variables in the other individual system. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich jedes Einzelsystems eine Zielfunktion vorgegeben wird und die Zielfunktion im Rahmen des Optimierungsvorganges durch die im jeweils anderen Einzelsystem ermittelten Faktoren verändert wird.A method according to claim 1, characterized in that regarding each individual system is given a target function and the target function as part of the optimization process by each other Determined individual system factors is changed. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielfunktion in Abhängigkeit von Mengen und Eigenschaften fließender Stoffströme verändert wird.A method according to claim 2, characterized in that the objective function is dependent of quantities and properties of flowing material flows is changed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung einer Variablen unter Verwendung eines Iterationsvorganges erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that using a variable optimization an iteration process takes place. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Iterationsvorganges eine Überprüfung erfolgt, ob die jeweils ermittelte Variable ein Abbruchkriterium erfüllt.A method according to claim 4, characterized in that a check is carried out as part of the iteration process to determine whether the determined variable met an abort criterion. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn eines Optimierungsvorganges Startwerte für die zu optimierenden Variablen vorgegeben werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that start values at the beginning of an optimization process for the variables to be optimized are specified. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dekomposition eine horizontale Dekomposition und die Optimierung der Variablen der Einzelsysteme eine horizontale Koordinierung ist.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the decomposition is a horizontal decomposition and the optimization of the variables of the individual systems a horizontal Coordination is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheduling-Ebene in zwei Unterebenen aufgeteilt wird, von denen eine eine Langzeit-Scheduling-Ebene und die andere eine Kurzzeit-Scheduling-Ebene ist.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the scheduling level is divided into two sub-levels one of which is a long-term scheduling level and the other is a short-term scheduling level. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vertikale Koordinierung vorgenommen wird, bei welcher eine Ebene mit mindestens einer weiteren Ebene verknüpft wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that there is vertical coordination, at which a level is linked to at least one other level. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Koordinierung durch eine Vorgabe von Ergebnissen aus der Optimierung einer jeweils übergeordneten Ebene als Nebenbedingungen für das Optimierungsproblem der untergeordneten Ebene oder durch eine Benutzung der Zielfunktion einer jeweils untergeordneten Ebene, um die auf der jeweils oberen Ebene verfolgte Zielsetzung auf der unteren Ebene zu berücksichtigen, vorgenommen wird.A method according to claim 9, characterized in that vertical coordination by specifying results from the optimization of a higher level as ancillary conditions for the Optimization problem at the lower level or through use the objective function of a respective subordinate level, to which the the objective pursued at the upper level in each case at the lower level to take into account is made. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Optimierungsvorgang qualitativ hochwertige Prozessmodelle verwendet werden, die einer Modellierung von Produkteigenschaften entsprechen.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that high quality during the optimization process Process models are used that are used to model product properties correspond. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine nichtlineare Modellierung vorgenommen wird.A method according to claim 11, characterized in that a non-linear modeling is carried out men will. Werkzeug zur Steuerung der Arbeitsweise der in einer Raffinerie oder einem petrochemischen Industriekomplex vorgesehenen Anlagen, wobei zur Erzeugung der in der Scheduling-Ebene generierten Daten eine Dekomposition eines Ausrüstungssystems in mindestens zwei Einzelsysteme mit jeweils mindestens einer für eine numerische Optimierung geeigneten Variablen vorgenommen wird, welches Werkzeug Mittel zur Optimierung der Variablen eines der Einzelsysteme und zu einer Verwendung von bei dieser Optimierung ermittelten Faktoren zum Zwecke einer Koordinierung bei der Optimierung der Variablen im anderen Einzelsystem aufweist.Tool to control the operation of the in a Refinery or a petrochemical industrial complex Attachments, being used to generate those generated at the scheduling level Data a decomposition of an equipment system in at least two individual systems, each with at least one for a numerical one Optimization of suitable variables is carried out which tool Means for optimizing the variables of one of the individual systems and on the use of factors determined in this optimization for the purpose of coordinating the optimization of the variables in the other individual system. Werkzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel aufweist, die bezüglich jedes Einzelsystems zur Vorgabe einer Zielfunktion und zur Veränderung der Zielfunktion im Rahmen des Optimierungsvorganges durch die vom jeweils anderen Einzelsystem ermittelten Faktoren vorgesehen sind.Tool according to claim 13, characterized in that it has means related to each individual system for setting a target function and for changing the objective function in the course of the optimization process by the of factors determined for each other individual system are provided. Werkzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zur Veränderung der Zielfunktion in Abhängigkeit von Mengen und Eigenschaften fließender Stoffströme aufweist.Tool according to claim 14, characterized in that there are means of change depending on the objective function of quantities and properties of flowing material flows. Werkzeug nach einem der Ansprüche 13 – 15, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zur Optimierung einer Variablen unter Verwendung eines Iterationsvorganges aufweist.Tool according to one of claims 13 - 15, characterized in that that it's using means to optimize a variable an iteration process. Werkzeug nach einem der Ansprüche 13 – 16, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zur Durchführung einer horizontalen Dekomposition und einer horizontalen Koordinierung aufweist.Tool according to one of claims 13 - 16, characterized in that that there are means to carry out horizontal decomposition and horizontal coordination having. Werkzeug nach einem der Ansprüche 13 – 17, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zur Durchführung einer vertikalen Koordinierung aufweist.Tool according to one of claims 13 - 17, characterized in that that there are means to carry out vertical coordination. Werkzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zur vertikalen Koordinierung durch eine Vorgabe von Ergebnissen aus der Optimierung einer jeweils übergeordneten Ebene als Nebenbedingung für das Optimierungsproblem der untergeordneten Ebene oder durch eine Benutzung der Zielfunktion einer jeweils untergeordneten Ebene, um die auf der jeweils oberen Ebene verfolgte Zielsetzung auf der unteren ebene zu berücksichtigen, aufweist.Tool according to claim 18, characterized in that there are means of vertical coordination by default Results from the optimization of a higher level as a secondary condition for the Optimization problem at the lower level or through use the objective function of a respective subordinate level, to which the The objective pursued at the upper level in each case at the lower level to take into account having. Werkzeug nach einem der Ansprüche 13 – 19, dadurch gekennzeichnet, dass es Daten aufweist, welche einer Modellierung von Produkteigenschaften entsprechen.Tool according to one of claims 13 - 19, characterized in that that it has data indicating a modeling of product properties correspond. Werkzeug nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Modelle nichtlinear sind.Tool according to claim 20, characterized in that the models are non-linear.
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