CN112669912A - 考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法，包括：获取不同裂解原料投放进不同炉型裂解炉中的平均结焦量与乙烯产品量，获得调度模型的目标函数，建立约束条件，构造MINLP模型，使用DICOPT求解器对MINLP模型进行优化求解。本发明综合考虑乙烯生产中产率随时间衰减的特性，兼顾裂解原料负荷的变化，为每个裂解炉规划调度时间范围内的批次、批处理时间、清焦顺序以及批次原料进料量的最佳安排。此外，本发明可以在清焦阶段减少污染物的排放，在牺牲少量利润的代价下，获取更加可观的环境效益，为乙烯工厂的节能减排、优化排产提供了理论依据。

Description

考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法

技术领域

本发明涉及乙烯生产技术领域，尤其涉及一种考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法。

背景技术

乙烯是石化/化工行业最重要的有机化合物，其产量大大超过其他石化产品。广泛的乙烯衍生物在人们的日常生活中起着极其重要的作用，如环氧乙烷，乙酸乙烯酯，二氯化乙烯和高/低密度聚乙烯等。蒸汽热裂解是乙烯装置的第一个操作部分，在很大程度上决定了下游产品的收率和整个装置的能耗。如今，随着利润率越来越紧缩和原料市场波动，鼓励乙烯工厂多样化原料组合，并在面对原材料不确定性的情况下提高其运营弹性。

随着目前我国对于乙烯工业生产中节能减排、低碳环保日益严格的背景下，如何有效减少乙烯工厂的污染物排放是需要特别重视，而减少裂解炉结焦量可以从根源上达到环保要求。因此，对于裂解炉炉群***的改进与优化已经提上日程。由于先前的研究大多集中在单台裂解炉的操作优化上，实际工业中是由多台裂解炉并行生产乙烯产品。因此，需要对裂解炉炉群生产进行原料调度，从而达到相应的优化目标。

发明内容

为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法，包括：

获取不同裂解原料投放进不同炉型裂解炉中的平均结焦量与乙烯产品量；

根据所述平均结焦量与所述乙烯产品量，获得调度模型的目标函数，所述目标函数用于最小化单位乙烯产量的平均结焦量，所述目标函数的表达式如下：

其中，F_i,j,k为原料进料速率，

表示在间歇操作过程中原料i在裂解炉j中进行裂解时，乙烯产率随着时间动态变化的产率模型，a_i,j、b_i,j和c_i,j为所述产率模型的拟合参数；

建立约束条件，所述约束条件包括原料平衡约束、时间约束、整数约束、非同步清焦约束、变量上下限约束和附加约束；

考虑裂解原料负荷变化，通过模拟获得不同负荷水平下乙烯收率模型，所述裂解原料负荷仅在操作条件发生变化时在进料范围内进行调整优化，在单个调度周期内保持不变；

根据所述目标函数、所述约束条件和所述乙烯收率模型，形成炉群调度的MINLP模型；

使用DICOPT求解器对所述MINLP模型进行优化求解，使用子求解器CPLEX和子求解器CONOPT分别处理MILP问题和NLP问题。

可选的，所述乙烯收率模型是关于时间与负荷的函数关系，所述乙烯收率模型的表达式如下：

a_i,j(D_i,j)＝pma_i,j×F_i,j+pna_i,j (2)

b_i,j(D_i,j)＝pmb_i,j×F_i,j+pnb_i,j (3)

c_ij(D_ij)＝pmc_ij×F_ij+pnc_ij (4)

可选的，所述原料平衡约束的表达式如下：

G_i≤(Dup_i-Dlo_i)H (9)

Flo_i，jgy_i，j，k≤F_i，j，k≤Fup_i，jgy_i，j，k (10)

所有裂解炉裂解的总进料量在原料供应的范围内，调度时间范围H内的进料i的消耗量，Gi代表所述进料i超出下限的过量，所述裂解原料的进料量在预设范围内进行调整，y_i,j,k为二元逻辑变量，若所述进料i未分配给第j炉的第k个批次生产运行，所述裂解原料的进料量F_i,j,k为0。

可选的，所述时间约束的表达式如下：

所述进料i的连续处理时间设置在预设的最小值和最大值之内，若所述进料i未分配给第j炉的第k个批次生产运行，所述处理时间为0；

Ts_j,k为所有裂解炉的裂解批次的开始时间，Te_j,k为所有裂解炉的裂解批次的结束时间，当前批次的裂解开始时间点等于上一批次的裂解结束时间点加上两批次之间的停炉清焦时间，当前批次的结束时间点等于当前批次的开始时间点加上批处理时间，所有裂解炉第一批次的开始时间均为0，若批处理启动时间点大于调度时间范围H，开始时间Ts_j,k等于0；

引入二进制变量y_i,j,k表示所述进料i是否分配给第j炉的第k个批次生产运行，若所述裂解原料已经分配，二进制变量y_i,j,k为1，若所述裂解原料尚未分配，二进制变量y_i,j,k为0，若第k个批次没有生产运行，所述第k个批次的开始和结束时间相同。

可选的，所述整数约束的表达式如下：

所有裂解炉的第一个批次始终用来裂解进料，每个批次最多只能裂解一种进料，在整个调度时间范围内，所有类型的原料至少处理一次，整个调度过程依次先后使用前一批次和后一批次，若裂解炉的某个批次未使用，所述裂解炉的后续批次都不会使用。

可选的，所述非同步清焦约束的表达式如下：

不同裂解炉清焦的时间间隔禁止具有重叠部分，使用两个起点之间的时间差和两个终点之间的时间差对所述非同步清焦约束进行描述，所述两个起点的时间差和所述两个终点的时间差之间的乘积小于或等于0。

可选的，所述变量上下限约束的表达式如下：

Tp_i,j,k≥0,G_i≥0,y_i,j,k∈{0,1}，H＞0 (22)

所述开始时间Ts_j,k的上限为0，所述结束时间Te_j,k的下限H，所述调度时间范围H大于0，所述二元逻辑变量y_i,j,k为0或1，其他变量不小于0。

可选的，所述附加约束的表达式如下：

所述附加约束为每种调度方案的日平均利润。

本发明具有下述有益效果：

本发明考虑裂解炉实际生产过程，摒弃了原有模型中某种原料进入某裂解炉所有批次时间相等的假设，引入二元变量来表示原料是否进入裂解炉的第k个批次进行裂解，更加符合实际生产情况。同时，考虑裂解炉负荷变化的情况能够更好地优化每种原料对于各台裂解炉的进料负荷，以及每台裂解炉所投放原料的组合。本发明还充分考虑乙烯生产过程中非同步清焦的生产特性，从而保证调度的正常稳健进行。本发明可以有效地模拟乙烯化工炉群调度生产，有效提升环境效益，从而有效应对目前愈加严重的环境污染，可以对实际生产起到参考与指导作用。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的裂解炉炉群调度模型的调度示意图。

图2a为本发明实施例一提供的乙烯裂解产率随时间变化的一种示意图。

图2b为本发明实施例一提供的乙烯裂解产率随时间变化的另一种示意图。

图3a为本发明实施例一提供的结焦量随运行时间的变化的一种趋势图。

图3b为本发明实施例一提供的结焦量随运行时间的变化的另一种趋势图。

图3c为本发明实施例一提供的结焦量随运行时间的变化的又一种趋势图。

图4a为本发明实施例一提供的基础模型调度方案的一种示意图。

图4b为本发明实施例一提供的基础模型调度方案的另一种示意图。

图4c为本发明实施例一提供的基础模型调度方案的又一种示意图。

图5a为本发明实施例一提供的改进模型调度方案的一种示意图。

图5b为本发明实施例一提供的改进模型调度方案的另一种示意图。

图5c为本发明实施例一提供的改进模型调度方案的又一种示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法进行详细描述。

实施例一

本实施例的目的在于：以单位乙烯产品的平均结焦量为目标函数，兼顾考虑原料负荷变化，构建改进的乙烯裂解炉炉群调度模型，求解后给出可靠、高效的炉群调度解决方案，为乙烯企业提高生产效率、降低环境污染提供技术支撑与技术参考。本实施例确立以单位乙烯产品的平均结焦量最小化为目标函数，通过乙烯实际生产过程建立相应的约束条件、考虑原料负荷变化、对炉群调度问题进行建模、对所建模型进行优化求解。

本实施例提供的目标函数需要引入平均结焦量的概念。本实施例定义平均结焦量avecoke为裂解炉每生产1吨乙烯，炉管内壁所生成的焦炭质量。这里使用变量output来表示在调度时间范围内裂解炉***中乙烯产品的总产量，变量cokemass表示在调度时间范围内裂解炉***中生成的总焦炭质量。通过COILSIM1D所仿真得到的裂解炉炉管结焦量随时间变化的拟合函数关系，其中P₁、P₂、P₃、P₄都是拟合参数。本实施例对裂解炉炉群***中所有裂解炉，所有批次的乙烯产量与炉管结焦量求和，从而计算炉群***总的平均结焦量，进一步得到平均结焦量。

本实施例提供的约束条件包括原料平衡约束、时间约束、整数约束、非同步清焦约束、变量上下限约束以及附加约束。本实施例考虑原料负荷变化，裂解原料的进料量(原料负荷)可根据实际工况在一定范围内进行调整。通过模拟得到不同负荷水平下乙烯收率模型，原料负荷仅在操作条件变化下才在进料范围内进行调整优化，在一个调度周期内保持不变。

本实施例建立调度优化模型，综合上述目标函数和约束变量，建立基本的裂解炉炉群调度的MINLP数学模型。本实施例提供的模型求解使用GAMS求解，求解MINLP问题的求解器则选用DICOPT，并采用子求解器CPLEX和CONOPT来分别处理其中的MILP和NLP问题。本实施例提供一种考虑平均结焦量与负荷变化的乙烯裂解炉炉群调度建模方法，用于优化炉群调度过程，通过改进模型的目标函数与约束条件，可以提高模型的精度，并得到更好的优化结果。本实施例可以实现最优目标值下调度方案的获取，从而起到优化的作用并给出指导方案。

本实施例可以有效应用于并行多进料、多产品的乙烯裂解炉炉群调度***中。图1为本发明实施例一提供的裂解炉炉群调度模型的调度示意图。如图1所示。通过***的最优调度，可以在牺牲少量利润的代价下有效地减少单位产品的平均结焦量。本实施例提出一种新的MINLP模型，以考虑产品产率随时间呈指数衰减的限制下，获取最大裂解炉***环境效益的调度策略。图2a为本发明实施例一提供的乙烯裂解产率随时间变化的一种示意图。图2b为本发明实施例一提供的乙烯裂解产率随时间变化的另一种示意图。乙烯产率与时间的关系如图2a和图2b所示。

本实施例给定以下信息：原料负荷上下限；不同裂解炉裂解不同原料的产品收率模型；各裂解炉裂解不同进料时的清焦时间；批处理时间的上下限；清焦与配置费用；产品价格指数；给定的调度时间范围；每个裂解炉炉管内壁结焦速率随时间变化的拟合函数。可通过最佳调度确定的信息包括：为每个裂解炉分配的批次数量；在每批操作中处理的进料类型；每批次裂解操作的开始时间点Ts_j,k和结束时间点Te_j,k；整个裂解炉***的具体除焦操作顺序。

本实施例建立目标函数，调度模型的目标函数是最小化每单位乙烯产品的平均结焦量，表达式如下：

本实施例兼顾考虑原料负荷变化，乙烯收率关于时间和负荷的函数关系如下所示：

a_i,j(D_i,j)＝pma_i,j×F_i,j+pna_i,j (2)

b_i,j(D_i,j)＝pmb_i,j×F_i,j+pnb_i,j (3)

c_ij(D_ij)＝pmc_ij×F_ij+pnc_ij (4)

本实施例建立约束条件，所述约束条件包括原料平衡约束、时间约束、整数约束、非同步清焦约束、变量上下限约束以及附加约束。

对于原料平衡约束，所有裂解炉裂解的总进料量应该在原料供应的范围内。调度时间范围H内的进料i的消耗量，其中Gi代表进料i超出下限的过量。本实施例中，裂解原料的进料量(原料负荷)可根据实际工况在一定范围内进行调整，y_i,j,k为二元逻辑变量，如果进料i未分配给第j炉的第k个批次生产运行，则裂解原料的进料量F_i,j,k为0，表达式如下：

G_i≤(Dup_i-Dlo_i)H (9)

Flo_i，jgy_i，j，k≤F_i，j，k≤Fup_i，jgy_i，j，k (10)

对于时间约束，从管理和操作的角度看，进料i的连续处理时间在实际上允许的最小值和最大值之内。如果进料i未分配给第j炉的第k个批次生产运行，则该批次的处理时间为0。定义了所有裂解炉的裂解批次的开始时间Ts_j,k和结束时间Te_j,k。当前批次的裂解开始时间点等于上一批次的裂解结束时间点加上两批次之间的停炉清焦时间。当前批次的结束时间点等于其开始时间点加上批处理时间。

假设在时间范围开始时所有裂解装置都是干净的，且所有裂解炉第一批次的开始时间均为0。如果批处理启动时间点大于调度时间范围H，则说明该批处理实际未使用，即Tp_j,k等于0。引入二进制变量y_i,j,k来表述进料i是否分配给第j炉的第k个批次生产运行。如果原料分配，那么二进制变量y_i,j,k为1，反之，则为0。需要注意，一个批次的开始和结束时间是这样安排的:如果第k个批次实际上没有被利用，那么它的开始和结束时间点将是相同的，表达式如下：

对于整数约束，在实际生产中，所有裂解炉的第一个批次必须始终使用来裂解进料。对于所有的裂解炉，每个批次最多只能裂解一种进料。在整个调度时间范围内，所有类型的原料必须至少处理一次。整个调度过程中，使用后一批次之前必须先使用前一批次。若裂解炉的某个批次未使用，则该裂解炉的后续批次都不会使用，表达式如下：

对于非同步清焦约束，不同裂解炉清焦的时间间隔不应该有重叠部分，如图1所示。可以使用两个起点之间的时间差和两个终点之间的时间差来描述该约束，这两类时间差之间的乘积应该小于或等于0。注意，此约束不能应用于每个炉子的最后一次清理，即所有装置的最后生产运行中同时清焦是可行的，表达式如下：

对于变量上下限约束，Ts_j,k与Te_j,k的上、下限分别为0和H；调度时域H应大于0；二元变量y_i,j,k只能取0或1；其他变量则需要不小于0，表达式如下：

Tp_i,j,k≥0,G_i≥0,y_i,j,k∈{0,1}，H＞0 (22)

对于附加约束，将每种调度方案下的日平均利润作为该调度模型的附加约束，表达式如下：

通过上述步骤，可以建立以公式(1)为目标函数，公式(2)-(23)为约束条件的新的MINLP优化模型。为了突出本实施例的效果，将未考虑原料负荷变化的旧的基础模型与新模型进行对比分析。

本实施例提供的案例来源于国内某乙烯工厂，研究了3种炉型的裂解炉，分别为GK-VI型、GK-V型以及GK-III型，分别用1、2、3表示；加工三种裂解原料，轻石脑油(NAP)，轻石脑油(LNAP)以及液化石油气(LPG)，分别用A、B、C表示。调度时域H为200天。调度模型中所需要的相关参数如表1所示：

表1裂解炉炉群***的相关参数值

图3a为本发明实施例一提供的结焦量随运行时间的变化的一种趋势图。图3b为本发明实施例一提供的结焦量随运行时间的变化的另一种趋势图。图3c为本发明实施例一提供的结焦量随运行时间的变化的又一种趋势图。其中，NAP为石脑油，LNAP为轻石脑油，LPG为液化石油气，GK-VI代表GK-VI型号裂解炉，GK-V代表GK-V型号裂解炉，CBL-III代表CBL-III型号裂解炉。图4a为本发明实施例一提供的基础模型调度方案的一种示意图。图4b为本发明实施例一提供的基础模型调度方案的另一种示意图。图4c为本发明实施例一提供的基础模型调度方案的又一种示意图。原料批处理次序为：1号裂解炉:A-B-C；2号裂解炉:A-B-C；3号裂解炉:A-B-C。图5a为本发明实施例一提供的改进模型调度方案的一种示意图。图5b为本发明实施例一提供的改进模型调度方案的另一种示意图。图5c为本发明实施例一提供的改进模型调度方案的又一种示意图。原料批处理次序为：1号裂解炉:C-A-C-B；2号裂解炉:B-C-A；3号裂解炉:A-B-A-C。

如图4a、图4b、图4c与图5a、图5b、图5c所示，基础模型与改进模型均采用GAMS进行求解，求解器采用DICOPT。MINLP问题分解为MILP和NLP子问题，分别通过CPLEX求解器和CONOPT求解器完成求解。总循环时间为200天。基础模型平均结焦量为0.173kg/t乙烯，日平均利润为735070元/天。新的改进模型平均结焦量为0.164kg/t乙烯，日平均利润为764890元/天。日平均利润与平均结焦量均可得改进。

两个模型的对比在图3a、图3b、图3c与图4a、图4b、图4c最优调度优化方案可以发现，改进后的模型原料处理顺序和改进前有很大差异。实际生产原料并不会按照规定顺序一批一批加入，且同种原料不同批次的处理时间也不会完全相同。因此，对于原料批次的安排更加合理，其平均利润对比原模型也有一定的提高。

由表2的计算结果可知，考虑平均结焦量的裂解炉炉群调度建模优化方法可以在牺牲少量利润前提下，取得更高的结焦量减少，从而达到更好的环境效益。本发明充分考虑乙烯生产过程中非同步清焦的生产特性，从而保证调度的正常稳健进行。本发明可以有效地模拟乙烯化工炉群调度生产，有效提升环境效益，从而有效应对目前愈加严重的环境污染，可以对实际生产起到参考与指导作用。

表2旧模型与新模型的计算结果

本实施例提供一种考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法，包括：获取不同裂解原料投放进不同炉型裂解炉中的平均结焦量与乙烯产品量，获得调度模型的目标函数，建立约束条件，构造MINLP模型，使用DICOPT求解器对MINLP模型进行优化求解。本实施例综合考虑乙烯生产中产率随时间衰减的特性，兼顾裂解原料负荷的变化，为每个裂解炉规划调度时间范围内的批次、批处理时间、清焦顺序以及批次原料进料量的最佳安排。此外，本实施例可以在清焦阶段减少污染物的排放，在牺牲少量利润的代价下，获取更加可观的环境效益，为乙烯工厂的节能减排、优化排产提供了理论依据。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法，其特征在于，包括：

获取不同裂解原料投放进不同炉型裂解炉中的平均结焦量与乙烯产品量；

根据所述平均结焦量与所述乙烯产品量，获得调度模型的目标函数，所述目标函数用于最小化单位乙烯产量的平均结焦量，所述目标函数的表达式如下：

其中，F_i,j,k为原料进料速率，

表示在间歇操作过程中原料i在裂解炉j中进行裂解时，乙烯产率随着时间动态变化的产率模型，a_i,j、b_i,j和c_i,j为所述产率模型的拟合参数；

建立约束条件，所述约束条件包括原料平衡约束、时间约束、整数约束、非同步清焦约束、变量上下限约束和附加约束；

考虑裂解原料负荷变化，通过模拟获得不同负荷水平下乙烯收率模型，所述裂解原料负荷仅在操作条件发生变化时在进料范围内进行调整优化，在单个调度周期内保持不变；

根据所述目标函数、所述约束条件和所述乙烯收率模型，形成炉群调度的MINLP模型；

使用DICOPT求解器对所述MINLP模型进行优化求解，使用子求解器CPLEX和子求解器CONOPT分别处理MILP问题和NLP问题。

2.根据权利要求1所述的考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法，其特征在于，所述乙烯收率模型是关于时间与负荷的函数关系，所述乙烯收率模型的表达式如下：

a_i,j(D_i,j)＝pma_i,j×F_i,j+pna_i,j (2)

b_i,j(D_i,j)＝pmb_i,j×F_i,j+pnb_i,j (3)

c_ij(D_ij)＝pmc_ij×F_ij+pnc_ij (4)

3.根据权利要求1所述的考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法，其特征在于，所述原料平衡约束的表达式如下：

G_i≤(Dup_i-Dlo_i)H (9)

Flo_i，jgy_i，j，k≤F_i，j，k≤Fup_i，jgy_i，j，k (10)

所有裂解炉裂解的总进料量在原料供应的范围内，调度时间范围H内的进料i的消耗量，Gi代表所述进料i超出下限的过量，所述裂解原料的进料量在预设范围内进行调整，y_i,j,k为二元逻辑变量，若所述进料i未分配给第j炉的第k个批次生产运行，所述裂解原料的进料量F_i,j,k为0。

4.根据权利要求3所述的考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法，其特征在于，所述时间约束的表达式如下：

所述进料i的连续处理时间设置在预设的最小值和最大值之内，若所述进料i未分配给第j炉的第k个批次生产运行，所述处理时间为0；

Ts_j,k为所有裂解炉的裂解批次的开始时间，Te_j,k为所有裂解炉的裂解批次的结束时间，当前批次的裂解开始时间点等于上一批次的裂解结束时间点加上两批次之间的停炉清焦时间，当前批次的结束时间点等于当前批次的开始时间点加上批处理时间，所有裂解炉第一批次的开始时间均为0，若批处理启动时间点大于调度时间范围H，开始时间Ts_j,k等于0；

引入二进制变量y_i,j,k表示所述进料i是否分配给第j炉的第k个批次生产运行，若所述裂解原料已经分配，二进制变量y_i,j,k为1，若所述裂解原料尚未分配，二进制变量y_i,j,k为0，若第k个批次没有生产运行，所述第k个批次的开始和结束时间相同。

5.根据权利要求4所述的考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法，其特征在于，所述整数约束的表达式如下：

所有裂解炉的第一个批次始终用来裂解进料，每个批次最多只能裂解一种进料，在整个调度时间范围内，所有类型的原料至少处理一次，整个调度过程依次先后使用前一批次和后一批次，若裂解炉的某个批次未使用，所述裂解炉的后续批次都不会使用。

6.根据权利要求5所述的考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法，其特征在于，所述非同步清焦约束的表达式如下：

不同裂解炉清焦的时间间隔禁止具有重叠部分，使用两个起点之间的时间差和两个终点之间的时间差对所述非同步清焦约束进行描述，所述两个起点的时间差和所述两个终点的时间差之间的乘积小于或等于0。

7.根据权利要求6所述的考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法，其特征在于，所述变量上下限约束的表达式如下：

Tp_i,j,k≥0,G_i≥0,y_i,j,k∈{0,1}，H＞0 (22)

所述开始时间Ts_j,k的上限为0，所述结束时间Te_j,k的下限H，所述调度时间范围H大于0，所述二元逻辑变量y_i,j,k为0或1，其他变量不小于0。

8.根据权利要求7所述的考虑平均结焦量与原料负荷的乙烯裂解炉炉群调度方法，其特征在于，所述附加约束的表达式如下：

所述附加约束为每种调度方案的日平均利润。

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