TW200406485A - Method and system for operating a hydrocarbon production facility - Google Patents
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Description
200406485 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係相關於操作碳氫化合物生產設備之方法和系 統。尤其是，相關於使用包含線性解算機和非線性解算機 之電腦化處理模擬器最佳化操作碳氫化合物生產設備。 【先前技術】 碳氫化合物生產設備包含生產諸如汽油、柴油、及瀝 青等想要產品的複數整合控制化學及/或精煉處理。由於 諸如原料成分等許多處理變數；各種處理單元和裝置；如 處理率、溫度、壓力等操作變數；產品規格；諸如實用性 及產品價格等市場約束；機械約束；運輸或儲存約束；天 氣條件等等，在有效控制及最佳化此種整合處理上出現差 異性。例如，諸如提供到石油精煉廠的硫含量等原料成分 可能自一管線或油槽供應到下一個時改變。如果常常限制 精煉產品中的硫量，則儘管最大化整合處理的總效益，但 是未經加工的供給之硫含量變數可能導致生產和混合諸如 低硫柴油等適當產品中的差異性。因此，對生產想要的產 品和最大化效益而言，控制和最佳化精煉廠處理是相當重 要的。 精煉處理的控制典型上經由已知處理控制參數，諸如 通常由高度自動化和電腦化的複雜處理操作和控制技術所 實施之質量及能量平衡等。然而，儘管維持最大效益，但 是經常未能予於最佳化控制設定以生產想要產品。結果’ -4- (2) 200406485 對於碳氫化合物處理已應用各種最佳化技術和結構。一般 ，經由首先依據諸如質量和能量平衡等已知關係和約束， 及系統動力學等數學模型化或模擬假設處理之電腦模擬達 成最佳化，接著，解數學模型以達成一或多個想要變數的 最佳化，典型上是將處理的效益最大化。如果有上述的許 多處理變數，則此種數學模型非常大且複雜。
處理模型典型上可分成兩類，兩類皆遵循科學方法原 則’包括現象或一群現象的觀察和說明；假說的公式化以 說明現象；使用假說預測其他現象的存在，或數量上預測 新觀察的結果；及藉由幾個獨立實驗者和適當執行的實驗 執行預測的實驗測試。第一類是統計基模型，諸如那些利 用資料的多重回歸（多重變數）等。當使資料擬合於曲線 (函數）時’回歸是種透過改變係數以最小化實際資料對 上沿著預測曲線的資料之間的誤差之技術，例如，被稱作 線之曲線的斜率和截距。下面所說明的遞迴很類似，但是 用於方程式系統，而非僅用於單一方程式。第二類是第一 原理基模型，諸如那些利用有關化學熱電學和動力學之已 接受定律和理論等。 統計模型可被定義成使用已接受統計方法依據表示實 際處理之資料集所發展的任何數學關係（函數）或邏輯（ 若-則敘述）。一般，統計模型易傾向更須資料加強，因 爲匕們是依據自處理聚集的實際資料。例如，統計模型可 依據處理測試操作或實驗設計資料，它們可以人力加強及 實驗室加強加以聚集，就其本身而言並非自動化的。另外 -5- (3) 200406485 ，統計模型可依據逐日地處理的操作產量，它們可以是自 動化的並且使用預定例行程式當作資料源，但仍需要統計 分析。 第一原理模型可被定義成利用已接受科學理論或定律 (關係和邏輯）之任何數學關係或邏輯，藉以這些理論和 定律已經透過重複地實驗測試加以證實。儘管第一原理模 型的變異典型上小於統計模型，但是第一原理模型仍必須 以如下列簡化的方程式加以調整：
因變數 =A# (第一原理模型）+ 3 此處，爲了校正系統誤差，A及B是用於調整使得模型被 調整到更接近大約目前操作條件之係數。
一旦選定並且依據與模型化的假設處理結合之許多變 數發展模型種類（即統計或第一原理），則必須使用解模 型的方法（有時稱作解算機或最佳化工具）達成想要的目 標。如上述，明顯且最共同的商業目標係最大化效益。然 而，可能出現多於一個的目標，例如，符合操作處理的調 整需求或量身定做的產品規格，此種目標可視作模型上的 約束。再者，依據處理需求的工程設計標準等，存在工程 約束。如此，存在有多重商業目標或工程約束，此種目標 典型上變成最大化效益的主要目標上之約束。至於在考慮 到既存約束之下解模型以最大化效益，可如圖1所示一般 得到許多選擇，其以自Argonne國家實驗室及西北大學- -6 - (4) 200406485 能源系的全球資訊網上可得到之N E O S指導最佳化樹（參 照號碼200 )爲人所知。如自圖1可見，數學解算機可分 類成離散2 1 0和連續220，連續解算機更細分成未約束 2 2 5和約束2 3 〇。如果存在有上述約束，則用於處理模擬 器的典型解算機是連續及約束解算機，例如爲人所知的約 束線性程式2 3 5或約束非線性程式240之解算機。 線性程式提出受線性方程式及線性非方程式（關於同 一向量）的非零有限數管制之最小化或最大化線性函數之 問題。即線性程式（LP )可如下表示的程式（所謂標準形 式）： 最小化 C X 受限於 Ax = b x > =
此處，X是待解的變數之向量’ A是已知係數的矩陣，及 〇和b是已知係數的向量。式子cx被稱作目標函數及方 程式A X = b被稱作約束。所有這些實體當然必須具有一 致因次，及視需要可傳渡符號。矩陣A —般不是方形的 ，因此LP不是簡單顛倒A就可解答。通常，A的行比列 多，Ax = b因此非常可能不足以做出決定，使得在用於最 小化cx之X選擇中有很大的自由空間。再者’線性程式 可如同處理最小化一樣簡單地處理最大化問題（實際上’ 向量c僅乘上-1 )。 -7- (5)200406485 非線性程式（npl )是可放入該形式的問題： 最小化 F (X) 受限於gi(x) = 0 關於i = 1，…，nil其中ml > = 0 hj(x) > = 0 關於 j = ml + l，…，m 其中 m>=ml
即具有幾個變數（此處x是向量）中的一個純量値函數F ，其被最小化且受限於（或許）一或多個其他此種函數以 致於用於約束或定義這些變數的値。F被稱作目標函數’ 而各種其他函數被稱作約束。藉由將F乘上可達成最 大化。
一.如預期地’誤差可能出現在線性解算機用於解答處 理被模型化顯示非線性行爲的模型之處。而且，非線性解 算機爲模型收斂解答需要許多時間，尤其是含在模型中的 處理變數之初値或猜測與實際收斂解答値相去甚遠之處， 如此需要許多重複或遞迴通過以獲得解答。本發明提出處 理的需求及藉由儘管迅速收斂於解答上但準確模擬線性及 非線性處理行爲加以最佳化操作碳氫化合物生產設備之系 統。 【發明內容】 本發明提供操作碳氫化合物或化學生產設備之方法， 包Q數學模型化設備；利用線性及非線性解算機之組合最 it化數學模型；及依據最佳化解達產生一或多個產品製作 -8- (6) 200406485
法。在實施例中，數學模型另外包含具有處理變數及對應 係數之複數處理方程式，並且其中處理變數及對應係數用 於建立線性程式中的矩陣較佳。可透過遞迴或分佈遞迴執 行線性程式。依據連續遞迴通過，藉由線性解算機和藉由 非線性解算機計算一部分處理變數及對應係數專用更新値 ，及更新値取代處理變數及對應係數到矩陣中。遞迴繼續 ，直到當比較緊接先前遞迴通過的它們對應値時，由目前 遞迴通過的線性程式所計算之處理變數及對應係數的更新 値在指定的公差內。在實施例中，生產設備是石油精煉廠 或其此種由非線性解算機模擬的原油蒸餾，碳氫化合物蒸 餾、重組、芳香劑萃取、甲苯歧化作用、溶劑脫瀝青、流 體媒床催化裂解（FCC )、汽油氫化處理、蒸餾氫化處理 、異構化作用、硫酸烷化、及氣電共生之單元。在實施例 中，所產生的製造法用於選自氫、燃料氣、丙烷、丙烯、 丁烷、丁烯、戊烷、汽油、再形成汽油、煤油、航空燃料 、高硫柴油、低硫柴油、高硫汽油、低硫汽油、及瀝青中 的一或多個產品。 本發明另外提供用以操作碳氫化合物或化學生產設備 的電腦化系統，包含主機登入服務設備的數學模型之電腦 ，其中電腦藉由執行線性及非線性解算機之組合加以最佳 化數學模型，並且依據最佳化解答產生一或多個產品製造 法。在實施例中，在生產設備內電腦接合有處理控制器以 依據最佳化解答提供設定點。在另一實施例中，電腦控制 石油精煉廠內的產品混合系統以生產選自氫、燃料氣、丙 -9 - (7) (7)200406485 烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷、汽油、再形成汽油、煤油 、航空燃料、高硫柴油、低硫柴油、高硫汽油、低硫汽油 、及瀝青中的一或多個產品。 【實施方式】 本發明可適用於任何碳氫化合物生產設備，諸如石油 精煉廠、化學裝置等。設備或裝置模型（有時稱作模擬器 )備製在表示最佳化的整個處理之電腦系統上，及此種模 型可包含任何數目的適當程式設計層或模型組件（通常對 應於生產處理內的分開處理單元），它們可操作式彼此耦 合作爲通訊用，諸如位置模型、子模型等。處理工程師典 型上包含備製此種模型以準確地模擬生產設備的實際操作 。模型組件包含電腦程式或應用軟體較佳，它們藉由諸如 事件、方法、傳呼等物件導向程式設計機構和技術可操作 式耦合。實施本發明的適當電腦語言包括C + +、C #、 Java、視覺化 Basic、應用程式視覺化Basic (VBA)、 Net、Fortran等。適當物件導向技術包括物件鍵結和嵌入 (OLE )、組件物件模型（COM, C0M +，DLLs )、主動式 資料物件（ADO )、資料存取物件、（DAO )、媒介語言 (XML )等。用以主機登入服務之適當電腦平台包括 Windows XP、OSX 等。 圖2爲位在Texas Gulf Coast上的At of ina石油化學 公司的Port Arthur精煉廠之碳氫化合物生產設備的模型 之方塊圖。碳氫化合物生產設備典型上包含結合到整座生 -10- (8) 200406485 產設備中之複數分開的處理單元。多重裝置模型300 一些可操作式輔合子模型，它們用於模型化精煉廠內 定處理單元。多重裝置模型3 0 0包含可操作式彼此耦 爲諸如資料交換等通訊之用（如箭頭3 07及309所示 精煉廠位置模型3 0 5及蒸汽裂解器位置模型3 1 0 °精 位置模型3 0 5用於模型化典型的精煉廠處理單元’諸 油單元、重組、芳香劑萃取、溶劑脫瀝青、流體媒床 裂解（F C C )、汽油氫化處理、蒸餾氫化處理、異構 用、硫酸烷化、及氣電共生等。蒸汽裂解器位置模型 用於模型化輕油的蒸汽裂解之處理以生產乙烯及丙烯 用原料。位置模型3 0 5及3 1 0是線性程式較佳，是使 理工業模型化系統（PIMS )建立的線性程式更好’ 自Aspen技術公司可買到之Aspen PIMStm線性程式 、或自Haverly系統公司可買到之GRTMPS，在此處 個皆整體稱作PIMS-LP。PIMS-LP使用提供遞迴及分 迴功能（非線性功能）等之基本線性解算機（ CPLEX®就是XPRESS®)，並且在至少其中之一通過 解算機之後，讓使用者透過爲人所知的PIMS-SI之模 介面（SI )可存取到基本線性程式矩陣。 位置模型另外包含與諸如上述提及之特定單元有 可操作式耦合子模型，及此種子模型可以是任何種類 即第一原理或統計）並且使用任何適當解算機（例如 '非線性等）。例如，精煉廠位置模型3 05另外包含 DEMEX處理單元（脫金屬萃取器單元，也稱作溶劑 包含 的特 合作 )的 煉廠 如原 催化 化作 3 10 生產 用處 例如 模型 每一 佈遞 不是 線性 擬器 關的 的（ 線性 UOP 脫瀝 -11 . 200406485 Ο)
青，用於瀝青生產）模擬器3 1 5，可操作式耦合於精煉廠 LP作爲如箭頭317及319所示的通訊之用，及TDP-BTX (甲苯歧化作用反應器和苯、甲苯、及混合二甲苯分餾） 模擬器3 20，可操作式耦合於精煉廠LP作爲如箭頭322 及3 24所示的通訊之用。UPO DEMEX處理單元模擬器 3 1 5是使用線性型解算機之統計和多重回歸模型較佳，使 用諸如可自Microsoft公司取得之EXCEL等試算表，並且 依據自UOP DEMEX處理單元獲得的測試操作資料加以實 施較佳。TDP-BTX模擬器3 20是使用非線性解算機之第 一原理模型較佳，而且是自SimSci可買到的PRO/II.®更好 。蒸汽裂解器子模型3 1 0另外包含蒸汽裂解器加熱器模擬 器3 2 5，可操作式耦合於蒸汽裂解器LP作爲如箭頭327 及3 2 9所示的通訊之用，該蒸汽裂解器LP是自Technip-Coflexip可買到之眾所皆知的SPYRO之第一原理和非線 性模型較佳。儘管未圖示在圖2，但是額外子模型可用於 諸如FCC、重組器、及汽油氫化處理器等單元，自 KBC 先進技術可買到之眾所皆知的Profimatics，自Hyprotech 可買到的Η Y S Y S，或其他適當市面上可買到的模擬器較 佳。 本發明的實施例包含三層系統，其中非線性模型組件 用於單元等級的模型行爲（即最佳化單元等級和生產混合 操作），線性模型組件用於裝置等級的模型行爲（即最佳 化裝置等級操作），及另外鏈結的線性模型以模型化設備 等級中的裝置之間行爲重疊處（即全面最佳化多重裝置設 -12- (10) 200406485 備的整合生產處理）。爲了發現準確的解答用以最大化在 及時方式內受限於約之下的效益，如此處所說明一般，結 合LP與NLP方法已發現是有助益的，藉以讓使用者可同 時獲得及時與準確。LP典型上能夠快速地說明原料的成 本和路線安排（全部重疊處）’但是具有說明局部單元處 理操作（局部互動）的困難時間。NLP典型上能夠更準確 地反應處理而非在速度的成本上。
已發展遞迴和分佈遞迴（DR )技術結合用以在解答 模型時增加不準確資料之不同的最佳化方法。遞迴是解模 型、使用外部程式檢驗最佳化解答、計算具體財產資料、 使用計算資料更新模型、及再次解模型的處理。重複此處 理直到計算資料的變化在指定公差內。在簡單遞迴中，使 用者猜測和在外部電腦程式中所計算之最佳化解答値之間 的差被更新和重新最佳化。
分佈遞迴（DR )模型結構自LP解答外部移動誤差計 算到LP矩陣本身內部，爲鏈結的上游及下游處理變數提 供誤差可見度。在使用起初具體財產估計或猜測解目前矩 陣之後，自解答估算新値並且插入另一 LP解答的矩陣中 。DR及簡單遞迴之間的主要差別是猜測和稱作”誤差”的 臨時解答之間的差之處理。當使用者在LP模型的遞迴池 之具體財產中猜測時，因爲使用者典型上不準確地猜測， 所以產生誤差。但是，在DR遞迴模型中，原料的上游生 產者察覺到下游生產者的需求，反之亦然。此使DR模型 可利用更完整的整座設備或被模型化的處理之圖像加以經 -13- (11) 200406485 濟地平衡生產成本。
如上述，最佳化技術的一個或其組合可用於發現將原 油轉換成精煉產品或將化學原料轉換成化學產品之最大效 益。但是，已發現使用LP和NLP最佳化技術的組合具有 以及時方式生產用以製造可接受品質的碳氫化合物產品之 製造法的助益，其中NLP技術另外在此處被定義成包括 除了 LP技術之外的所有其他技術。遞迴、DR等是引進 非線性到LP之技術，其中在每一連續通過中，利用反應 保持所有其他自變數恆定，而對自變數的有限變化之因變 數的變化之更準確値加以更新線性程式矩陣的係數。然而 ’根據本發明，一些處理變數的更新値是自非線性模擬器 獲得並且通過到，線性程式中，而非取代自線性程式的每一 連續通過之先前通過所獲得的更新値（及繼續遞迴通過直 到收斂於解答上）。
較佳地是，本發明的實施例利用與約束非線性模型組 件結合成一整體的約束線性組件，例如LP與NLP結合成 一整體。更好的是，本發明利用與約束及非線性模型組件 結合成一整體之眾所皆知的PIMS-LP之線性模型組件。 最好的是，PIMS-LP另外包含CPLEX®線性解算機，具有 與一或多個非線性處理模擬器結合成一整體之矩陣，經由 執行期間記憶體（與再生資料或存取儲存資料相比）與非 線性模擬器直接接合，使得可直接存取輸入及輸出 CPLEX®矩陣。 PIMS-LP被設計在諸如EXCEL試算表等試算表或諸 •14- (12) (12)200406485 如ACCESS資料庫等資料庫附近（即PIMS-LP的矩陣產 自一或多個EXCEL試算表及/或ACCESS資料庫中所含的 資料），並且另外包含眾所皆知的PIMS-LP (模擬介面） 之應用程式設計介面，使得其他模型組件（如非線性模擬 器）可與PIMS-LP接合，例如，在基本試算表中交換或 更新諸如處理變數或係數等資訊。另外，諸如非線性模擬 器等模型組件可透過EXCEL的應用程式視覺化Basic ( VBA )與 PIMS-LP 接合。 在本發明的實施例中，蒸汽裂解器子模型 3 1 0是 PIMS-LP，透過使用含經由PIMS-SI可存取到PIMS-LP及 SPYRO%輸入及輸出試算表之EXCEL工作簿介面，可操 作式耦合於SPYRO®模擬器3 25。較佳地是，使用四試算 表-兩個用於來自PIMS-LP的輸入（表1)及輸出（表2) ，兩個用於來自SPYRO®的輸入（表3 )及輸出（表4 ) 。例如，輸入試算表是用於將來自PIMS-LP的資訊輸入 到SPYRQ®模擬器，例如供給率、供給特性（組件、指定 重力、硫等）、單元操作參數（溫度、壓力、比例、嚴謹 、選擇性）、及一般PIMS-LP資訊（通過數目、超出公 差的項目、目標函數、解答狀態、情況數目等）等。輸出 試算表是用於輸出來自SPYRO®模擬器的資訊到PIMS-LP ’例如改變線性程式矩陣中的係數値之向量（如產量基向 量' 供給特性向量、單元操作參數向量等）及諸如傳遞品 質資訊的遞迴列、容量列資訊等。爲了最小化收斂的處理 時間’這些輸入及輸出試算表在由線性程式的遞迴期間保 -15- (13) (13)200406485 持打開較佳，而非在每一遞迴通過期間被打開、儲存、及 關閉。更好地是，試算表藉由使用在PIMS-LP版12.31及 更高中的開關變數保持打開。可另外藉由強加規則在線性 程式（如PIMS-LP)及非線性模擬器（如SPYRO®)之間 的EXCEL介面上最小化處理時間，例如利用到非線性模 擬器的其中一傳呼操作多重情況；在特定數目的線性程式 之遞迴通過之後僅操作非線性模擬器；若線性程式可行則 僅操作非線性模擬器；在每一通過之間的組件之變數是在 指定公差內之處不操作非線性模擬器；及不爲具有在指定 公差內的變數之組件重新計算新係數等等。可應用此種規 則當作藉由物件導向程式設計技術和事件處理協定使用 EXCEL VB A的方法。下面是顯示EXCEL中的事件如何會g 夠觸發用於控制收斂速度的方法之虛擬碼的例子：
Private Sub Worksheet —Calculate()
Dim sh As Excel. Worksheet
Dim shl As Excel. Worksheet
Set sh = Excel· Worksheets (“Input”）
Set shl = Excel. Worksheets (“Spyroln”）
Excel. Worksheets (“Spyroln”）. Select If shl. Range (UJ1?,) = 1 Then Worksheets (“Input”）. Select CS = sh. Range (“ConvergeSwitch”）. Value If sh. Range (“PASS”）. Value = 1 Then sh. Range(sh. Cells(3?13)?sh. Cells(62?l 13)).Clear -16- (14) (14)200406485
End If ?Log information from this pass sh. Range (“B3:B61”）. Copy sh. Cells (3，sh. Range (“PASS，，）· Value + 12)· PasteSpecial xlValues sh. Cells (62，sh. Range (“PASS”）· Value + 12) = CS ’Save input if we call Spyro If CS = 0 Then Call Savelnput End If End Sub 在本發明的實施例中，精煉廠位置模型3 05是PIMS-LP，透過使用具有含輸入及輸出試算表的EXCEL工作簿 之PIMS-SI介面可操作式耦合於DEMEX模擬器315。輸 入試算表是用於將來自PIMS-LP的資訊輸入到DEMEX模 擬器，例如下面例子： -17- (15) 200406485
輸出試算表是用於輸出來自 SPYRO模擬器的資訊到 DEMEX中，例如下面例子： 18- 200406485
圖3爲稱作精煉廠製造法產生器丨〇的本發明之實施 ’其中具有實際操作、實驗、及管理資料（短畫線區 1 5內表示）之實際處理（短畫線區13內表示）使用整合 的線性及非線性模型組件加以模型化，用於生產碳氫化合 物產品規格（以位在區1 3及1 5之間的模型化區1 6表示 )’尤其是，用於生產諸如汽油、柴油、#6油、及來自 石油精煉廠的瀝青等混合產品的最佳化製造法。製造法產 19- (17) (17)200406485 生器1 〇可經由連接器42及5 8加以存取。儘管圖3的實 施例係相關於原油的精煉，但是其方法可應用於任何碳氫 化合物或其他化學生產設備。 圖3的區13表示具體碳氫化合物及/或化學處理或包 含輸入或提供到處理之被模型化的裝置。尤其是，在石油 精煉廠的背景中，原油供應1 2在精煉廠處理1 6被精煉以 生產精煉產品22。原油供應1 2可包含諸如那些在電腦網 站上的財產目錄可購得之各種原料、可在市面上買到之其 他原料（如油槽、管線等）、及其組合。精煉廠處理16 可以是精煉處理、單元、及混合設備之任何適當組合以生 產想要的精煉產品。精煉廠處理1 6包含複數處理控制器 ，諸如溫度控制器、壓力控制器、成分控制器、·流率控制 器、等級控制器、閥控制器、裝備控制器等。此種控制器 係經由對應處理控制設定1 8 (有時工廠稱作設定點）電 腦控制較佳。處理控制設定典型上儲存在電腦資料儲存中 (如資料庫等），可透過電腦網路具體分開和鏈結及透過 連接器1 4可存取到模型化區，利用本文所揭示的其他連 接器，該模型化區可人爲及/或自動存取並且可以用於資 料輸入及/或輸出。精煉廠處理1 6包含通常對應於類似控 制器之複數處理感測器，諸如溫度感測器，壓力感測器、 成分感測器、流率感測器等級感測器、閥感測器、裝備感 測器等。這些感測器產生未調和處理資料和約束24，典 型上儲存在如上述的電腦資料儲存並且透過連接器20可 存取到模型化區1 6。未調和處理資料意指直接自感測器 -20- (18) 200406485 取出並且未經過任何修正或諸如質量及/或能量平衡調和 等調和之原始處理資料。未調和處理資料24提供處理的 實際操作條件之瞬像。
圖3的操作、實驗、及管理資料區1 5表示區1 3所代 表的具體碳氫化合物及/或化學處理上之實際約束，並且 另外包含精煉廠操作程序4 0、精煉廠管理輸入3 6、目前 供應資訊28、及歷史供應資訊30，透過連接器34及38 每一個皆可存取到模型化區1 6。精煉廠管理輸入3 6包含 諸如操作目標、最佳化目標、技術服務、及資訊技術等幾 個因子的輸入，典型上是人爲而非自動輸入。實質上，這 是把對精煉廠的目前操作之管理決策和商業目標作爲因子 計入用以模型化處理的關係中。儘管精煉廠操作程序40 類似精煉廠管理決策，但是被建立諸如設計、安全環境、 及其他類似約束等用以操作精煉廠的指導方針。目前外部 資訊2 8可包括諸如硏發資訊和產品和原料（如原油檢定 )白勺實驗室測試結果等技術資料與諸如商品/產品價格（ 如New York商業交易資料）及能源成本（如platts全球 能ί原資料*)等金融資訊。雖然歷史外部資訊3 〇可包括與 目前外部資訊2 8相同或類似的資料（例如，調和處理資 料*'歷史產品價格、季節性成本及價格趨勢、能源成本、 ’但是包括歷史周期使得趨勢（趨勢資料） 可放Λ模型中。當目前外部資訊28及歷史外部資訊3 0典 型1 ± g $來自實際操作處理的外部之來源（可取得當作 A g周和]Ε ί里資料24之資料）時稱作外部，並且儲存及存 -21 - (19) 200406485 取自資料儲存單元3 2較佳。
如同圖3所示並且在此更詳細說明一般，模型化區 16經由連接器14，20，3 4,及38可操作式耦合在具有由區 1 3表示的具體碳氫化合及/或化學處理和由區1 5表示的操 作、實驗、及管理資料之反饋迴路關係中。圖3的模型化 區1 6另外包含模型備製步驟26、解算機陣列43、及模型 輸出步驟56。在模型備製步驟26中，發展或程式設計處 理模擬模型，典型上包含一或多個處理工程師及/或電腦 程式設計師。如上述，模型可以是諸如統計及/或第一原 理等任何適當種類，並且可另外包含任何適當數目的模型 組件（對應於處理內的單元較佳），包括諸如上述那些可 買得到的適當組件。模型典型上依據眾所皆知的數學及工 程關係和諸如質量及能量平衡、化學反應動力學等約束， 與如上述的其他實際操作約束。在備製模型中，自包括精 煉廠操作程序40、精煉廠管理輸入36、目前外部資訊28 、及歷史外部資訊3 0、及未調和處理資料2 4之處理輸入 實際操作資料和約束。 利用包含如上述與一或多個非線性模擬器5 2 (對應 於圖2的模擬器3 1 5, 3 20,及3 25 )結合成一整體之線性程 式4 1 (對應於圖2的線性程式3 0 5 )的解算機陣列4 3解 模型備製步驟2 6所備製的數學模型。線性程式4 1使用在 收斂於解答上之遞迴或分佈遞迴較佳，若是PIMS-LP更 好。線性程式4 1另外包含矩陣產生器44、線性解算機46 、及比較器或估算步驟48。矩陣產生器44是用以產生來 -22- (20) 200406485 自一組數學公式及方程式的矩陣之電腦應用程式或程式， 並且建立適於利用線性解算機46 ( CPLEX®線性解算機較 佳）解答之矩陣。較好的是，矩陣產生器44是PIMS-LP 的一組件並且符合CPLEX®線性解算機的輸入需求或API °矩陣對應於如上述的線性程式標準形式，及包含因處理 變數及自處理變數與係數，或由矩陣產生器44建立這些 變數每一個的”調整因子”。二二矩陣的簡化例子是：
汽油產量（x，y) a c < "X" le ，柴油產量（x，y)_ b d_ r Y
此處，下面是具有自變數的係數之點乘積 汽油產量=aX + bY 柴油產量=cX + d Y
及此處X及Υ表示處理變數，及a，b，c及d是用以 調整對應變數的値之係數。換言之，係數a，b, c及d表 示關係的互動，該每一關係具有一或多個自變數（X及Y )及一或多個因變數（汽油產量及柴油產量）。具體而言 ，向量表示具有數値及方向的量，即速度。例如，利用陳 述其正以每小時5英里的速度行進並不足以定義物體的速 度。也需要物體的方向，即物體正以5 mi/hr行進到東北 方。然而，東北方有點含糊，而物體正以4 mi/hr朝向北 方及3 mi/hr朝向東方是較具描述性的但其速度仍是5 mi/hr。類似地，上述簡化的矩陣例子將汽油的產量分到 處理成分中。例如，在經由FCC單元處理汽油時，若反 -23- (21) (21)200406485 應器的溫度（x )增加，則汽油的產量（輕）增加（”a”具 有正數値），若催化劑對汽油比率（Y )增加，則汽油也 增加（”b”也具有正數値）。同樣地’隨著溫度增加，經 由FCC的柴油產量增加（”c”也具有正數値），但催化劑 對汽油比率增加時，柴油產量則會減少（”d”具有負數値 )。因此，碳氫化合物流可被表示成它們有影響的處理成 分之總產出說明它們的產量之向量。較佳地是，矩陣的行 包含自處理變數及矩陣的列包含因處理變數。係數存在用 於每一變數，在自變數及因變數之間無關係時，係數爲零 〇 在模型備製步驟2 6中，提供矩陣中的變數和係數之 初値（有時稱作初猜側），依據歷史資料、先前模擬、工 程估算等較佳。這些値被傳遞到線性解算機46以產生變 數和係數的計算値（第一通過値對應於第一遞迴通過，第 二通過値對應於第二遞迴通過等）。可使用任何適當線性 解算機’例如’自 A s p e η技術公司、F r ο n 11 i n e系統公司 、ILOG等可購得的CLPEX®或XPRESS®。當對變數的猜 測實際上確定是不準確時，爲了收斂在解答上，將需要許 多遞迴或分佈遞迴通過。指定通過的計算變數與一組約束 或公差比較以決定是否線性程式已收斂在解答上。在決定 線性程式是否收斂時，目前通過値比較於緊接先前通過値 以決定差。若差大於公差，則估算錯誤及線性程式並未收 敛在可接受的解答上。如此’必須藉由先前說明的係數以 δ周整變數的値。就每一變數而言，檢驗在連續通過期間所 -24- (22) (22)200406485 產生的差以決定線性解算機是否準確地代表變數的行爲。 儘管其他變數被編碼在以NLP更新的模型中，但是某些 變數被編碼在以LP更新的模型中，此種編碼可被更新以 反映關於時間的結果，無論是模型化結果，實際處理結果 ，或二者。就顯示線性行爲（及如編碼在LP內）的變數 而言，此種變數的係數並未在P IMS-LP中改變。即自變 數以逐步方式改變以最大化使用典型LP方法的目標函數 。當在上次遞迴通過中的自變數（也稱活動性）之間的差 與在想要的公差內之目前通過相同時，遞迴停止。在此例 中，係數變成對應於有關每一個別保持所有其他相同的自 變數之線性方程式的斜率之恆定値。此外，就被識別成顯 示非線性行爲（及如透過輸入/輸出檔編碼到NLP較佳） 之變數而言’非線性解算機系統5 2可自外部添加到 P I M S - L P框架以調整此種變數專用的係數。非線性解算機 系統5 2可包含比一個多的非線性解算機，非線性解算機 系統或模擬器包括先前說明並且圖示於圖2的那些較佳。 接在線性程式的指定通過之後，非線性解算機系統5 2透 過連接器5 0存取變數和顯示非線性行爲之對應係數。來 自PIMS-LP模型的輸出資料被放置當作到非線性模型的 輸入。非線性模型爲在預定步驟或保持其他每件事恆定之 增加尺寸內的每一自變數計算新線性係數（斜率）。位在 指定通過之後的矩陣中之係數可透過連接器54存取和調 整’藉以提供係數的更新値給下一遞迴通過中的線性程式 使用。使用更新係數（就線性和非線性變數而言），在每 -25- (23) (23)200406485 一遞迴通過期間由估算步驟48檢驗來自線性解算機46的 結果，及當所有變數皆在公差內時，線性程式已收斂在解 答上，並且傳遞到模型輸出步驟5 6。 模型輸出步驟5 6包含最佳化解答較佳，用以就指定 操作條件、原料、約束等而言，操作精煉廠及/或生產產 品以達成最佳目標、最大化效益。較佳地是，模型輸出步 驟56包含諸如氫、燃料氣、液化石油氣（LPG )、丙烷 、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷、汽油、再形成汽油、煤油、 航空燃料、高硫柴油、低硫柴油、高硫汽油、低硫汽油、 # 6油、及瀝青等產品製造法或產品混合公式。模型輸出 另外包含資料、資訊、更新等較佳，用於碳氫化合物及/ 或化學處理的操作及管理以達成想要的最佳化。例如，模 型輸出包含更新處理控制設定1 8較佳，其被反饋到（人 爲或自動化較佳）區1 3所表示的碳氫化合物及/或化學處 理以控制和操作處理而達到想要的最佳化。模型輸出另外 包含原料規格和後勤補給與對精煉廠操作程序和指導方針 之更新，用以達成最佳化操作。 例子 下面是先前說明的DEMEX用矩陣之一小部分的例子 。萃取器圓柱被設置用以自包含脫金屬油（DMO )、樹脂 、及瀝青的真空塔接收底（重）部位。自萃取圓柱的頂部 ，DMO及樹脂被收集並且遞送到閃光磁鼓以生產DMO及 樹脂的分開產品。自萃取器圓柱的底部收集瀝青。就此例 •26- (24) (24)200406485 而言，因變數表示來自萃取器圓柱的產品產量而自變數表 示萃取器圓柱的溫度，因此，因爲質量平衡約束，所以添 加進料器和產品的活動性必須等於零。尤其是，說明來自 萃取器圓柱的產量之關係如下z 產量（DMO ) = aDM0* Text 產量（樹脂）=a樹脂* T e x t 產量（瀝青）=ag青*Text 溫度是自變數，因此是矩陣中的行元素，而產量是因 變數，因此是列元素。因爲質量不滅定律，所以溫度活動 性的關係需要等於零。 aDM〇 + a樹脂 + a瀝青 =0 而且 ’ a〇M〇 + a樹脂 =-a瀝青 儘管已圖示說明本發明的較佳實施例，但是只要不違 背本發明的精神及原理，精於本技藝之人士可做任何修正 。因此’本文所說明的實施例僅是示範性而非限制。該系 統和裝置的許多變型和修正是可以的並且在本發明範圍內 。因此’保護範圍並不侷限於本文所說明的實施例，而僅 限制於後面包括所有申請範圍的主題之同等物的申請專利 範圍。 【圖式簡單說明】 爲了更詳細說明本發明的較佳實施例，現在將參考附 圖，其中： 圖1爲NEOS指導最佳化樹； -27- (25) 200406485 圖2爲根據本發明最佳化的處理圖； 圖3爲用以生產產品製造法之本發明的實施例之流程 圖。 【主要元件對照表】 10 精 煉 廠 製 造 法 產 生器 12 原 油 供 應 13 短 畫 線 1品 14 連 接 器 15 短 畫 線 區 16 模 型 化 1^ 16 ，精 煉 廠 處 理 18 對 應 處 理 控 制 設 定 20 連 接 器 22 精 煉 產 品 24 未 調 和 處 理 資 料 26 模 型 備 製 步 驟 28 目 刖 供 應 資 訊 28 目 刖 外 部 資 訊 30 歷 史 供 應 資 訊 30 歷 史 外 部 資 訊 32 資 料 儲 存 單 元 34 連 接 器 36 精 煉 廠 管 理 輸 入
-28· (26) 連接器
精煉廠操作程序 線性程式 連接器 解算機陣列 矩陣產生器 線性解算機 比較器 估算步驟 連接器 非線性模擬器 非線性解算機系統 連接器 模型輸出步驟 連接器
NEOS指導最佳化樹 離散 連續 未約束 約束 約束線性程式 約束非線性程式 多重裝置模型 精煉廠位置模型 -29- (27) 箭頭 箭頭 蒸汽裂解器位置模型 脫金屬萃取器單元模擬器 箭頭 箭頭 甲苯、及混合二甲苯 甲苯歧化作用反應器和苯 分餾模擬器 箭頭 箭頭 蒸汽裂解器加熱器模擬器 箭頭 箭頭
-30-
Claims (1)
- (1) 200406485 拾、申請專利範圍 1 · 一種操作碳氫化合物或化學生產設備之方法，包含 數學的模型化該設備； 利用線性和非線性解算機之組合以最佳化數學模型； 及 依據最佳化以解答產生一或多個產品製造法或操作設 定點。2 ·根據申g靑專利範圍第1項之方法，其中數學模型另 外包含具有處理變數和對應係數之複數處理方程式。 3 .根據申請專利範圍第2項之方法，其中處理變數和 對應係數用於建立線性程式中的矩陣。 4 ·根據申請專利範圍第3項之方法，其中透過遞迴執 行線性程式。5 ·根據申請專利範圍第3項之方法，其中透過分佈遞 迴執行線性程式。 6 ·根據申請專利範圍第4項之方法，其中依據連續遞 迴通過，利用線性解算機計算一部分處理變數和對應係數 專用的更新値。 7·根據申請專利範圍第6項之方法，其中依據連續遞 迴通過，利用非線性解算機計算一部分處理變數和對應係 數專用的更新値。 8 ·根據申請專利範圍第7項之方法，其中更新値取代 處理變數和對應係數到矩陣中。 -31 - (2) 200406485 9 ·根據申請專利範圍第8項之方法，其中遞迴繼續， 直到當比較緊接先前遞迴通過的它們對應値時，由目前遞 迴通過的線性程式所計算之處理變數及對應係數專用更新 値在指定的公差內。 1 〇 ·根據申請專利範圍第9項之方法，其中線性程式 是PIMS-LP (處理工業模型化系統-線性程式）。1 1 .根據申請專利範圍第1 0項之方法，其中線性解算 機是 CPLEX 或 XPRESS 〇 1 2 ·根據申請專利範圍第11項之方法，其中矩陣的處 理變數和對應係數被儲存在一或多個試算表或資料庫中。 1 3 .根據申請專利範圍第1 2項之方法，其中非線性解 算機透過PIMS-SI (處理工業模型化系統-模擬器介面） 存取試算表。 1 4 ·根據申請專利範圍第1 2項之方法，其中非線性解 算機透過應用程式視覺化Basic ( VBA )存取試算表。15·根據申請專利範圍第13項之方法，其中生產設備 是石油精煉廠。 1 6 ·根據申請專利範圍第1 5項之方法，其中選自原油 蒸餾’碳氫化合物蒸餾、重組、芳香劑萃取、甲苯歧化作 用、溶劑脫瀝青、流體媒床催化裂解（FCC )、汽油氫化 處理、蒸餾氫化處理、異構化作用、硫酸烷化、及氣電共 生之石油精煉廠的一部分由非線性解算機模擬。 17.根據申請專利範圍第16項之方法，其中所產生的 製造法是用於選自氫、燃料氣、液化石油氣（LPG )、丙 -32- (3) 200406485 烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷、汽油、再形成汽油、煤油 、航空燃料、高硫柴油、低硫柴油、高硫汽油、低硫汽油 、# 6油、及瀝青中的一或多個產品。 1 8 ·根據申請專利範圍第1 7項之方法，其中處理變數 包括到精煉廠的未加工原料之成分。 1 9 ·根據申請專利範圍第1 8項之方法，另外包含依據 最佳化解答’在到精煉廠的一或多種未加工原料之中選擇 〇 2 0 ·--種操作碳氫化合物或化學生產設備之電腦化系 統，包含主機登入服務設備的數學模型之電腦，其中電腦 藉由執行線性及非線性解算機之組合最佳化數學模型，並 且依據最佳化解答產生一或多個產品製造法。 2 1 ·根據申請專利範圍第20項之系統，其中電腦與生 產設備內的處理控制器接合以依據最佳化解答提供設定點2 2.根據申請專利範圍第21項之系統，其中電腦控制 在石油精煉廠內的產品混合系統以生產選自氫、燃料氣、 液化石油氣（LPG )、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷、 汽油、再形成汽油、煤油、航空燃料、高硫柴油、低硫柴 油、高硫汽油、低硫汽油、# 6油、及瀝青中的一或多個 產品。 -33-
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