集成煉油企業(yè)生產(chǎn)與能量系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化

集成煉油企業(yè)生產(chǎn)與能量系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化趙浩;榮岡;馮毅萍【摘要】煉油企業(yè)通常由物料生產(chǎn)系統(tǒng)與能量系統(tǒng)組成。傳統(tǒng)的企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化通常以生產(chǎn)系統(tǒng)物流優(yōu)化為主，能量系統(tǒng)基于物料生產(chǎn)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)能優(yōu)化以滿足企業(yè)級(jí)能源供需平衡。此種優(yōu)化方法不僅壓縮了企業(yè)整體優(yōu)化空間并且降低了燃料油與瓦斯等中間產(chǎn)品的利用率?；谘b置能耗模型與能源供需以及中間產(chǎn)品的產(chǎn)耗質(zhì)量平衡關(guān)系，建立煉油企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)與能源系統(tǒng)的集成優(yōu)化模型，通過(guò)求解MINLP模型進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)物流與能流的集成優(yōu)化。案例實(shí)踐表明，相較于傳統(tǒng)分步優(yōu)化方法，集成優(yōu)化方法不僅有效降低了全廠的生產(chǎn)成本，并且實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的節(jié)能減排。%Atypicalrefineryconsistsoftheproductionsystemandtheutilitysystem.Traditionalrefinery-wideoptimizationiscarriedoutinasequentialprocesswhichnotonlymissesopportunitiesofincreasingtheoverallrefineryeconomicmargin,butalsoleadstotheeconomiclossesofextrafuelgasventandenvironmentalcostofharmfulgasemission.Anovelintegratedapproachwhichcouplestheproductionsystemandtheutilitysystemispresentedandoptimizedsimultaneouslyinarefinery-widemixed-integernonlinearprogramming(MINLP)model.Theproductionunitenergyconsumptionmodelisintroducedbyconsideringtherelationshipofenergyconsumption,unitthroughput,andoperationmodes.Materialbalanceofintermediateproductsuchasfuelgasandfueloilandenergygenerationandconsumptionbalanceofdifferentutilitiesareconsideredtoimproveenergyutilization.Arealindustrialexampleisinvestigatedtodemonstratetheperformanceoftheproposedmethodwhichleadstosharpdecreaseinrefinery-wideoperationcostandasignificantimprovementinenergysavingandemissionreducing.【期刊名稱】《化工學(xué)報(bào)》【年（卷），期】2015（000）001【總頁(yè)數(shù)】9頁(yè)（P228-236）【關(guān)鍵詞】過(guò)程系統(tǒng);集成;優(yōu)化;能源系統(tǒng);公用工程;節(jié)能;減排【作者】趙浩;榮岡;馮毅萍【作者單位】浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所，工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027;浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所，工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027;浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所，工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州I310027【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TQ021.8引言傳統(tǒng)的煉油企業(yè)包括加工物料為主的生產(chǎn)系統(tǒng)與為生產(chǎn)過(guò)程提供不同公用工程介質(zhì)的能量系統(tǒng)。生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化作為現(xiàn)代煉油企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，一直以來(lái)都以優(yōu)化全廠物流分配為目標(biāo)，即在給定（或可預(yù)測(cè)）的原油與產(chǎn)品供需情況下，基于裝置生產(chǎn)能力，優(yōu)化確定全廠裝置的產(chǎn)品加工方案，通過(guò)資源配置實(shí)現(xiàn)全廠生產(chǎn)利潤(rùn)最高（或操作成本最低）。能量系統(tǒng)（以公用工程系統(tǒng)為主）作為產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的附屬系統(tǒng)，為物料加工裝置提供能源需求［1］。如圖1所示，能量系統(tǒng)基于生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化得到裝置加工方案，估算得到周期內(nèi)裝置總能耗需求，從而在滿足需求情況下實(shí)現(xiàn)供能系統(tǒng)的資源配置與操作優(yōu)化。圖1煉油企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化流程Fig.1Traditionaloptimizationprocedureforrefineries煉油企業(yè)作為工業(yè)制造的重要行業(yè)，同時(shí)也是能源消耗的主要行業(yè)，近年來(lái)，隨著全球能源需求的快速增長(zhǎng)與國(guó)際原油價(jià)格的上漲，其工業(yè)生產(chǎn)的加工成本大幅度提高，煉油企業(yè)在制定生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)也越來(lái)越重視能源系統(tǒng)的計(jì)劃優(yōu)化。〃十二五”規(guī)劃節(jié)能減排指標(biāo)明確了2015年我國(guó)單位工業(yè)增加值能耗、二氧化碳排放量和用水量分別要比〃十一五”末降低18%、18%以上和30%，促使企業(yè)生產(chǎn)在滿足經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的同時(shí)必須兼顧能源的利用效率。近十年來(lái)，國(guó)外相關(guān)研究已經(jīng)試圖在生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化中兼顧物流與能流的集成優(yōu)化。早在2003年，Kim等［2］通過(guò)建立多周期優(yōu)化模型，研究裝置操作成本與能源需求波動(dòng)對(duì)能量系統(tǒng)能源供應(yīng)的影響。Moita等［3］開(kāi)發(fā)了一個(gè)動(dòng)態(tài)模型，用于集成優(yōu)化結(jié)晶鹽過(guò)程裝置和熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。Puigjaner［4］提出了針對(duì)間歇與半連續(xù)生產(chǎn)的集成企業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)框架。近年來(lái)，針對(duì)常減壓裝置模型，也有學(xué)者［5］研究裝置級(jí)操作優(yōu)化與換熱網(wǎng)絡(luò)的集成優(yōu)化。Alhajri等［6］提出一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃與氫氣、CO2管理的集成框架。針對(duì)米廠生產(chǎn)計(jì)劃，Lim等［7］提出一個(gè)集成物料加工與公用工程網(wǎng)絡(luò)的建模優(yōu)化框架。國(guó)內(nèi)近年來(lái)關(guān)于生產(chǎn)計(jì)劃與能源調(diào)度優(yōu)化集成研究也逐漸開(kāi)展，張冰劍等首次采用IDEF0方法描述生產(chǎn)計(jì)劃與公用工程相互關(guān)系，建立生產(chǎn)計(jì)劃與公用工程集成的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)裝置級(jí)操作優(yōu)化。蔡九菊等［11］將鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)分解為相互關(guān)聯(lián)的物質(zhì)流動(dòng)和能量流動(dòng)，考慮物質(zhì)流和能量流的相互關(guān)聯(lián)和制約，建立兩者的耦合模型。李安學(xué)等［12］針對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃與能量系統(tǒng)的并行特性，用并行工程方法提出了確定業(yè)務(wù)流程的業(yè)務(wù)過(guò)程模型，為集成軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。李初福等［13］提出化工過(guò)程生產(chǎn)裝置非線性能耗模型，從而在生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化中考慮了能耗成本。羅向龍等［14］采用柔性優(yōu)化設(shè)計(jì)模型和求解方法，對(duì)煉油廠蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了柔性優(yōu)化設(shè)計(jì)。Liao等［15］實(shí)現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)換熱系統(tǒng)與水循環(huán)系統(tǒng)之間的能流物流集成優(yōu)化。羅祎青等［16］對(duì)乙醇生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)進(jìn)行能值分析，通過(guò)循跡法建立復(fù)雜系統(tǒng)能值計(jì)算，確定系統(tǒng)中各種能值分配。趙浩等［17］在煉油廠的全廠生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化中引入過(guò)程工藝條件，從而實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)級(jí)的計(jì)劃與操作優(yōu)化集成。Zhang等［18］近期又提出了蒸汽介質(zhì)層的煉油企業(yè)過(guò)程裝置和公用工程的換熱系統(tǒng)的集成優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)能效。以上研究基本都建立在兩個(gè)系統(tǒng)的分步優(yōu)化基礎(chǔ)上，或針對(duì)單個(gè)裝置進(jìn)行優(yōu)化，或應(yīng)用于離散制造行業(yè)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)石化企業(yè)生產(chǎn)物料系統(tǒng)與能源系統(tǒng)的同步優(yōu)化，因?yàn)椴荒鼙ＷC煉油企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的全局最優(yōu)，從而失去全廠經(jīng)濟(jì)效益有效提升空間。因此，如何在煉油企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)與能量系統(tǒng)的集成優(yōu)化，既提高整個(gè)煉油企業(yè)的生產(chǎn)效益，又實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)，已經(jīng)成為企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃制定中迫切需要解決的難題。1問(wèn)題定義如圖2所示，生產(chǎn)系統(tǒng)在通過(guò)一次加工過(guò)程、二次加工過(guò)程處理原油和側(cè)線產(chǎn)品時(shí)，除了生產(chǎn)進(jìn)入調(diào)和裝置生產(chǎn)汽油、柴油等最終產(chǎn)品的中間產(chǎn)品外，同時(shí)還會(huì)附帶生產(chǎn)燃料油和瓦斯等中間產(chǎn)品，這些產(chǎn)品雖然不會(huì)作為企業(yè)生產(chǎn)最終產(chǎn)品出售，但卻可以作為公用工程系統(tǒng)中鍋爐等產(chǎn)能設(shè)備的進(jìn)口燃料使用；另一方面生產(chǎn)系統(tǒng)加工過(guò)程既有裝置會(huì)消耗蒸汽、電等公用工程，同時(shí)也有裝置附帶產(chǎn)生中壓蒸汽等能源介質(zhì)。這些中間產(chǎn)品或能源介質(zhì)價(jià)值在傳統(tǒng)的煉廠分步優(yōu)化過(guò)程并不能得到充分利用，因此本文引入加工裝置的產(chǎn)率模型、物料加工裝置的能源產(chǎn)耗模型與公用工程的多工況產(chǎn)能模型，基于燃料油與瓦斯等能源介質(zhì)在兩個(gè)系統(tǒng)間的質(zhì)量平衡關(guān)系以及高、中、低壓蒸汽以及電力的供需平衡關(guān)系，建立企業(yè)級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化模型，最終實(shí)現(xiàn)全廠物料與能源的集成優(yōu)化，從而確定加工裝置與產(chǎn)能裝置的最優(yōu)負(fù)荷組合，以及原料、能源采購(gòu)與回收最佳方案。與此同時(shí)，通過(guò)研究環(huán)境排放成本對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響，表明集成優(yōu)化在企業(yè)減排優(yōu)化方面的優(yōu)勢(shì)。圖2生產(chǎn)系統(tǒng)與能量系統(tǒng)關(guān)系Fig.2Relationshipbetweenproductionandutilitysystem2煉油企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化模型模型分別建立傳統(tǒng)的生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)劃模型、能量系統(tǒng)操作優(yōu)化模型以及兩個(gè)系統(tǒng)間的關(guān)系耦合模型，最終根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的不同，分別構(gòu)建傳統(tǒng)的分步優(yōu)化模型和集成優(yōu)化模型。模型中假定各產(chǎn)品需求量、銷(xiāo)售價(jià)格和原料價(jià)格已知。2.1生產(chǎn)系統(tǒng)模型需求約束為表示產(chǎn)品銷(xiāo)售量需大于產(chǎn)品需求量。質(zhì)量平衡與庫(kù)存約束為表示各側(cè)線兩端同一種中間產(chǎn)品的產(chǎn)耗質(zhì)量平衡。表示最終產(chǎn)品加工量等于產(chǎn)品銷(xiāo)售量。調(diào)和約束為表示調(diào)和裝置各物料產(chǎn)耗質(zhì)量平衡。式中，質(zhì)量指標(biāo)約束f(Pc,p)是質(zhì)量指標(biāo)的線性化表示，調(diào)和質(zhì)量指標(biāo)包含辛烷值(汽油調(diào)和)、凝點(diǎn)(柴油調(diào)和)、含硫量以及含碳量。裝置產(chǎn)率模型為表示裝置單個(gè)加工方案能力約束，xu,m是0-1變量，表示裝置u是否采用m方案。裝置加工能力約束為式(8)表示裝置總輸出等于各方案加工量之和。式(9)表示每個(gè)裝置只允許一個(gè)操作方案。式(10)表示各方案下裝置產(chǎn)出總量等于裝置對(duì)各原料消耗量總和。式(11)表示側(cè)線各產(chǎn)品各方案下產(chǎn)量為加工量乘以方案下側(cè)線產(chǎn)率。2.2能量系統(tǒng)模型煉油企業(yè)的能量系統(tǒng)主要由鍋爐、汽輪機(jī)、蒸汽管網(wǎng)、減溫減壓器等設(shè)備組成，其中自產(chǎn)蒸汽與電能、與生產(chǎn)系統(tǒng)附帶生產(chǎn)蒸汽等進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)能源供需平衡。其中鍋爐通過(guò)燃燒燃料油、瓦斯與天然氣等燃料生產(chǎn)高中壓蒸汽，汽輪機(jī)通過(guò)消耗蒸汽來(lái)產(chǎn)生電能。傳統(tǒng)研究中，為了降低模型復(fù)雜度，鍋爐效率一般設(shè)為固定值［10］，但這并不能準(zhǔn)確地反映鍋爐的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。本文采用Piecewise線性近似方法來(lái)對(duì)實(shí)際的鍋爐效率曲線進(jìn)行分段線性化處理來(lái)表達(dá)鍋爐的多區(qū)間工況操作狀態(tài)，同時(shí)降低了非線性模型帶來(lái)的模型復(fù)雜度。式(12)與式(13)分別表示鍋爐燃料消耗和蒸汽輸出。式(14)表示一個(gè)設(shè)備只有在一個(gè)工況區(qū)間有效，同時(shí)只能燃燒一類燃料。式(15)表示各個(gè)工況區(qū)間的取值范圍。式(16)表示每個(gè)工況的狀態(tài)組合就是單個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。yu是0-1變量，表示設(shè)備u是否運(yùn)行。本研究中5臺(tái)鍋爐(Bl1、Bl2、Bl3、Bl4、Bl5)模型經(jīng)過(guò)Piecewise方法處理后效率曲線如圖3所示。圖3本研究中5臺(tái)鍋爐效率曲線Fig.3Efficientcurvesforfiveboilers同樣，汽輪機(jī)模型采用Piecewise線性近似方法來(lái)表示多段工況操作效率。式(17)與式(18)分別表示耗氣量和發(fā)電量。供需與操作約束為表示能源系統(tǒng)外購(gòu)電量上限。式(23)表示減溫減壓器流量限制。2.3生產(chǎn)系統(tǒng)與能源系統(tǒng)耦合模型本文提出建立裝置能耗模型(物流生產(chǎn)與能源消耗的關(guān)系)、中間燃料庫(kù)存平衡模型(物流生產(chǎn)與能源需求之間關(guān)系)、氣體排放關(guān)聯(lián)模型(能源消耗與氣體排放之間關(guān)系)與各能源介質(zhì)供需平衡關(guān)系(能源產(chǎn)耗平衡關(guān)系)模型，有效實(shí)現(xiàn)煉油企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)與能源系統(tǒng)的集成建模，從而完成物流與能流之間的耦合關(guān)系定義。裝置能耗模型為式(25)與式(26)分別為生產(chǎn)裝置的耗能模型與產(chǎn)能模型，表示生產(chǎn)系統(tǒng)各加工裝置能源產(chǎn)耗不僅與加工量有關(guān)，還和加工方案以及固定能耗相關(guān)。燃料油與瓦斯產(chǎn)耗平衡為其中燃料油的生產(chǎn)與外購(gòu)量之和不僅可以滿足銷(xiāo)售需求量，還可作為鍋爐燃料進(jìn)料供應(yīng)；生產(chǎn)過(guò)程附帶產(chǎn)生的瓦斯不具有銷(xiāo)售價(jià)值，但可以作為鍋爐燃料進(jìn)料。氣體排放計(jì)算如下表示鍋爐的SO2與CO2排放量與鍋爐負(fù)荷以及各燃料排放系數(shù)有關(guān)。表示各燃料油SO2與CO2的排放系數(shù)與燃料油和瓦斯的各產(chǎn)品在生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)和或混合過(guò)程物性相關(guān)。各等級(jí)蒸汽與電量供需平衡為表示生產(chǎn)系統(tǒng)附帶產(chǎn)生各等級(jí)蒸汽與能源系統(tǒng)提供各等級(jí)蒸汽大于生產(chǎn)系統(tǒng)裝置加工過(guò)程蒸汽需求。式(32)表示外購(gòu)電量與發(fā)電量大于生產(chǎn)過(guò)程電能需求。2.4模型對(duì)比本文根據(jù)目前已有生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化模型特點(diǎn)首先構(gòu)建傳統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃分步優(yōu)化模型，同時(shí)提出集成兩個(gè)系統(tǒng)的同步優(yōu)化模型。分步優(yōu)化模型由生產(chǎn)系統(tǒng)模型和能源系統(tǒng)模型分別組成。生產(chǎn)系統(tǒng)模型由式(1)~式(11)組成，以式(33)為目標(biāo)函數(shù)，表示在滿足產(chǎn)品需求下，優(yōu)化實(shí)現(xiàn)全廠生產(chǎn)成本最低。能源系統(tǒng)模型由式(13)~式(23)、式(27)~式(32)組成，基于生產(chǎn)系統(tǒng)模型優(yōu)化物流結(jié)果，分別通過(guò)式(24)與式(25)計(jì)算裝置能源產(chǎn)耗，以式(34)為目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)滿足生產(chǎn)裝置能源需求目標(biāo)下，操作成本最小，其中式(34)后兩項(xiàng)為SO2與CO2氣體排放環(huán)境污染成本。集成優(yōu)化模型聯(lián)合式(1)~式(32)，以式(35)為目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)滿足產(chǎn)品需求要求下，全廠生產(chǎn)操作成本最低，即生產(chǎn)物料成本、能源成本、設(shè)備操作費(fèi)用以及環(huán)境成本。3案例分析3.1案例描述本案例基于中國(guó)某煉油企業(yè)，其產(chǎn)品生產(chǎn)流程如圖4所示。包括一次加工裝置：常減壓(crudeoildistillationunit,CDU)。二次加工裝置：催化裂化(fluidcatalyticcracker,FCC)、催化重整(catalyticreformingunit,CRU)、加氫精制(hydrotreatingunit,HT)、加氫脫硫(hydro-desulfurizationunit,HDS)、延遲焦化(delayedcokingunit,DCU)和瓦斯脫硫(gasdesulfurizationunit,DS)。調(diào)和裝置：汽油調(diào)和(gasolineblender)和柴油裝置(dieselblender)。還包括MTBE、瓦斯氣柜(gastank)、煤油罐(kerosene)和燃料油混合(fueloil)等存儲(chǔ)裝置。最終產(chǎn)品包括90#汽油(90#gasoline)、93#汽油(93#gasoline)、0#柴油(0#diesel)、-10#柴油(-10#diesel)以及燃料油(fueloil)o本案例中各生產(chǎn)裝置具有多種加工方案，加工方案不僅和裝置產(chǎn)率有關(guān)，同時(shí)會(huì)影響裝置能耗。裝置加工方案數(shù)量和加工能力見(jiàn)表1。圖4煉廠產(chǎn)品生產(chǎn)流程Fig.4Refineryproductionscheme圖5為該煉油企業(yè)的公用工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中包括5臺(tái)鍋爐（Bl1、Bl2、Bl3、Bl4、Bl5），進(jìn)料可以選擇燃料油（fo）、瓦斯（fg）和天然氣（ng），其中Bl1與Bl2產(chǎn)生高壓蒸汽（HP），Bl3、Bl4與Bl5產(chǎn)生中壓蒸汽（MP）。6臺(tái)汽輪機(jī)（T1、T2、T3、T4、T5、T6）消耗高壓蒸汽或中壓蒸汽產(chǎn)生電能，并同時(shí)產(chǎn)出低等級(jí)蒸汽。生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)蒸汽管網(wǎng)與公用工程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連通。表1煉廠各加工裝置能力與方案數(shù)量Table1Unitcapacityandoperationmodes裝置方案數(shù)量加工能力/（萬(wàn)噸/^CDU4380FCC3200HT3100CRU250HDS250DCU280DS15.83.2模型求解本文中分步模型與集成模型統(tǒng)一在GAMS[19]24.2環(huán)境中優(yōu)化求解。其中分步模型的生產(chǎn)系統(tǒng)模型與能源系統(tǒng)模型分別為MILP模型，采用GAMS24.2的MILP求解器CPLEX依次進(jìn)行求解，分別用時(shí)8.518s和12.262s。集成模型為MINLP模型，包含binary非線性化關(guān)系式，因此采用以上分步模型中各變量求解結(jié)果作為集成模型各變量初始值，采用GAMS24.2中MINLP求解器SBB（分支定界法）進(jìn)行求解（relativegap小于3%），用時(shí)48.256s，同時(shí)采用GAMS24.2中的BARON[20]求解器求解全局最優(yōu)解（用時(shí)約30min）,驗(yàn)證求解結(jié)果（relativegap小于1%）。雖然SBB求解結(jié)果容差較BARON大，但因?yàn)閮?yōu)化結(jié)果效益較分步模型優(yōu)化結(jié)果取得了較大改進(jìn)，同時(shí)3%的容差優(yōu)化效果既滿足了求解時(shí)間要求，又提高了工業(yè)生產(chǎn)效益，所以優(yōu)先選擇SBB作為求解方法，而用BARON作為驗(yàn)證。3.3結(jié)果分析表2原料采購(gòu)對(duì)比Table2Comparisonbetweenmaterialpurchasing項(xiàng)目原油/tMTBE/t購(gòu)電量/t天然氣/m3燃料油/t分步368.38x10420.6x1041.22x10405.56x104集成369.35x10421x1041.25x10401.83x104表3不同能源介質(zhì)產(chǎn)耗對(duì)比Table3Comparisonbetweenenergyconsumption項(xiàng)目瓦斯產(chǎn)量/mB瓦斯消耗/m3瓦斯空排/m3燃料油消耗/m3燃料油產(chǎn)量（出售除外）/t分步5787.8x104577710.812.4x1046.8x104集成6991x1046991010.2x1048.3x104圖5煉廠公用工程系統(tǒng)流程Fig.5Schemeofutilitysystemofrefinery模型求解結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2~表4。由表可以看出，相較于分步優(yōu)化模型，集成優(yōu)化模型提高了瓦斯回收利用率，避免了分步優(yōu)化中的空排浪費(fèi)，同時(shí)由于增加了瓦斯消耗替代燃料油，從而大大降低了燃料油的消耗量與采購(gòu)量，另外，集成優(yōu)化模型的SO2與CO2排放量皆有所下降，總操作成本為1627283萬(wàn)元，較分步優(yōu)化降低了23834萬(wàn)元。表4總成本與氣體排放量對(duì)比Table4Comparisonbetweentotalcostandgasemission項(xiàng)目總成本/元生產(chǎn)系統(tǒng)成本/元能源系統(tǒng)成本/元CO2排放/t，02排放/七分步1627283x1041554942x10471341x10414.743x1040.387x104集成1603449x10411.404x1040.247x104圖6生產(chǎn)裝置加工負(fù)荷對(duì)比Fig.6Comparisonbetweenproductionunitloads圖7能量系統(tǒng)設(shè)備負(fù)荷對(duì)比Fig.7Comparisonbetweenutilityequipmentloads圖6與圖7分別為生產(chǎn)加工裝置與能源系統(tǒng)產(chǎn)能設(shè)備的負(fù)荷對(duì)比。能源系統(tǒng)中的鍋爐可以選取多種燃料作為輸入，其中燃料油的特點(diǎn)是成本低，價(jià)格低廉，但含碳量與含硫量很高，容易造成C02、S02的高排放量，瓦斯氣體屬于生產(chǎn)過(guò)程中間產(chǎn)品，含碳量較低，無(wú)成本，經(jīng)過(guò)除硫裝置（DS）處理后含硫量較低。天然氣屬于外購(gòu)燃料，成本較高，但其燃燒產(chǎn)生的C02與S02是3種燃料中排放最低的?！笆濉币?guī)劃中提出節(jié)能減排的新要求，企業(yè)生產(chǎn)溫室氣體以及污染氣體排放指標(biāo)逐步提高，氣體排放成本對(duì)企業(yè)的能源系統(tǒng)優(yōu)化決策的作用越來(lái)越大。圖8與圖9分別為以碳排放為例，研究不同的CO2排放成本下，分步優(yōu)化與集成優(yōu)化模型中企業(yè)整體操作成本（TC）與CO2排放量變化（圖8），以及能量系統(tǒng)各能源介質(zhì)消耗關(guān)系（圖9）?？梢钥吹诫S著CO2單位排放成本的提高，集成優(yōu)化模型的CO2的排放量在逐漸減少，隨之燃料油（FO）的消耗量在逐步下降，天然氣（NG）的消耗量在逐步提高。而分步模型的CO2排放量在排放單位成本小于400時(shí)基本保持不變，而在大于400以后用天然氣完全替代了燃料油的消耗，雖然使得排放量得到了很大降低，但生產(chǎn)總成本較集成優(yōu)化模型卻大大增加。兩個(gè)模型瓦斯（FG）的消耗量隨CO2的排放成本增加變化不大，這是因?yàn)橥咚棺鳛橹虚g產(chǎn)品不具有銷(xiāo)售價(jià)值，因此兩類模型優(yōu)化的目標(biāo)主要是實(shí)現(xiàn)瓦斯氣體的高效回收利用。可以看到，集成優(yōu)化模型在相同的排放成本下，較分步優(yōu)化模型不僅很大程度降低了生產(chǎn)總成本，同時(shí)有效減少了碳排放量。圖8不同CO2排放成本下生產(chǎn)成本以及排放量?jī)?yōu)化結(jié)果對(duì)比Fig.8ComparativeresultsoftotalcostandCO2emissionunderincreasingemissioncost4結(jié)論本文通過(guò)建立煉油企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)與能源系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃集成優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)物流與能流的集成優(yōu)化，改進(jìn)了傳統(tǒng)方法將兩個(gè)系統(tǒng)分割優(yōu)化的局限性。基于某煉油廠生產(chǎn)實(shí)例研究，通過(guò)集成優(yōu)化模型得到更優(yōu)的全廠原料采購(gòu)計(jì)劃與裝置設(shè)備加工負(fù)荷組合，生產(chǎn)成本較傳統(tǒng)優(yōu)化方法降低了1.4%，同時(shí)提高了全廠的能源利用效率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)碳排放與硫排放分別降低29.3%與36.4%，進(jìn)一步通過(guò)研究氣體排放成本與企業(yè)級(jí)生產(chǎn)成本與能源消耗的關(guān)系，證明集成優(yōu)化在節(jié)能減排方面具有較大優(yōu)勢(shì)。圖9不同排放成本下能源消耗優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Fig.9Comparativeresultsoffuelconsumptionunderincreasingemissioncost符號(hào)說(shuō)明Aq,u,c鍋爐u的消耗q段0-1變量Bq,u汽輪機(jī)u的消耗q段0-1變量C—物料與能源介質(zhì)集合CC——原料集合CDu,m,c裝置u在操作方案m下的公用工程固定消耗，t或MWCF——燃料（燃料油/燃料氣）集合CGu,m,c裝置u在操作方案m下的公用工程固定產(chǎn)量，t或MWCIu,m裝置u在操作方案m下的進(jìn)料集合COc——燃料c的CO2排放因子COu,m裝置u在操作方案m下的出料集合CP——最終產(chǎn)品集合CS——高/中/低壓蒸汽集合CU——公用工程（高/中/低壓蒸汽、電）集合CV——中間產(chǎn)品集合DPc—產(chǎn)品市場(chǎng)需求，tEDu,m,c裝置u在操作方案m下的公用工程c需求量，t或MWEGu,m,c裝置u在操作方案m下的公用工程c產(chǎn)量，t或MWEP——外購(gòu)電量，MWETu——汽輪機(jī)u的發(fā)電量，MWFBu,c鍋爐u的燃料c消耗量，t或m3FCu,m,c裝置u在操作方案m下的物料c消耗量，tFFu,m裝置u在操作方案m下的加工量，tFPu,m,c裝置u在操作方案m下的產(chǎn)品c產(chǎn)量，t或m3FUu——裝置u總加工量，tLSIc——減溫減壓閥蒸汽c流入量，tLSOc——減溫減壓閥蒸汽c流出量，tM——操作方案集合MU——裝置u的操作方案集合Pc,p產(chǎn)品c的物性pPCc——原料c的夕卜購(gòu)量，tQpiecewise效率曲線數(shù)目集合SBu,c鍋爐u消耗燃料c產(chǎn)蒸汽量，tSCc——最終產(chǎn)品c銷(xiāo)售量，tSOc——燃料c的SO2排放因子STCu,c汽輪機(jī)u的蒸汽c抽入量，tSTGu汽輪機(jī)u的蒸汽c產(chǎn)出量，tTC——總成本，元U——裝置集合UB——鍋爐集合UBL——調(diào)和裝置集合UP——過(guò)程裝置集合UT——汽輪機(jī)集合UU——公用工程設(shè)備集合XCu,c——裝置u的CO2排放量，tXETq,u汽輪機(jī)u的蒸汽在q段最大抽出量，tXFBq,u,c鍋爐u的燃料c在q段最大消耗量，tXSu,c——裝置u的SO2排放量，tXSBq,u,c鍋爐u的蒸汽在q段最大產(chǎn)量，tXSTq,u汽輪機(jī)u的蒸汽在q段最大消耗量，txu,m——0-1變量表示生產(chǎn)裝置u是否取操作方案myu——0-1變量，表示裝置u是否運(yùn)行au,m,c裝置u在操作方案m下的側(cè)線產(chǎn)品c產(chǎn)率pq,u,c鍋爐u的在q段的從0到1連續(xù)變量Yq，u汽輪機(jī)u的在q段的從0到1連續(xù)變量入u,m,c裝置u在操作方案m下的公用工程c消耗率叫,m,c裝置u在操作方案m下的公用工程c產(chǎn)率nu裝置u的單位產(chǎn)出操作費(fèi)用，元3CO2——CO2排放因子與燃料殘含量關(guān)聯(lián)系數(shù)3SO2——SO2排放因子與燃料硫含量關(guān)聯(lián)系數(shù)上角標(biāo)lo——下限up上限下角標(biāo)c―物料m操作方案p物性qpiecewise分段數(shù)stm不同等級(jí)蒸汽u——裝置References【相關(guān)文獻(xiàn)】AdonyiR,RomeroJ,PuigjanerL,etal.Incorporatingheatintegrationinbatchprocessscheduling[J].AppliedThermalEngineering,2003,23(14):1743-1762KimJ,YiH,HanC,etal.Plant-widemultiperiodoptimalenergyresourcedistributionandbyproductgasholderlevelcontrolintheironandsteelmakingprocessundervaryingenergydemands[J].ComputerAidedChemicalEngineering,2003,15:882-887MoitaRD,MatosHA,FernandesC,etal.Dynamicmodellingandsimulationofacogenerationsystemintegratedwithasaltrecrystallizationprocess[J].Computers&ChemicalEngineering,2005,29(6):241-285PuigjanerL.Extendedmodelingframeworkforheatandpowerintegrationinbatchandsemi-continuousprocesses[J].ChemicalProductandProcessModeling,2007,2(3):1934-2659ZhangN,SmithR,BulatovI,etal.Sustaininghighenergyefficiencyinexistingprocesseswithadvancedprocessintegrationtechnology[J].AppliedEnergy,2013,101:26-32AlhajriI,SaifY,ElkamelA,etal.OverallintegrationofthemanagementofH2andCO2withinrefineryplanningusingrigorousprocessmodels[J].ChemicalEngineeringCommunications,2013,200(1):139-161LimJS,AbdulMananZ,HashimH,etal.Optimalmulti-siteresourceallocationandutilityplanningforintegratedricemillcomplex[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch,2013,52(10):3816-3831ZhangBingjian(張冰劍)，HuaBen(華賁)，LuMingliang(陸明亮'Simultaneousoptimizationofproductionplanningandenergysystemforrefineryoperations[J].ComputersandAppliedChemistry(計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué))，2005,22(12):1083-1088ZhangBingjian(張冰劍)，HuaBen(華賁)，LuMingliang(陸明亮).Multiperiodintegrationoptimizationforproductionplanningandutilltysysteminrefineryindustries[J].ActaPetroleiSinica:PetroleumProcessingSection(石油學(xué)報(bào):石油加工)，2006,22(2):56-68ZhangB,HuaB.EffectiveMILPmodelforoilrefinery-wideproductionplanningandbetterenergyutilization[J].JournalofCleanerProduction,2007,15(5):439-448CaiJiuju（蔡九菊）,WangJianjun（王建軍），LuZhongwu（陸鐘武）,etal.Materialflowandenergyflowiniron&steelindustryandcorrelationbetweenthem[J].JournalofNortheasternUniversity:NaturalScience（東北大學(xué)學(xué)報(bào)：