作者簡(jiǎn)介：

    蘇宏業(yè)（1969-），男,博士,教授/博導,中共黨員。1995年6月畢業(yè)于浙江大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位； 2000年12月被聘為浙江大學(xué)教授；2001年12月被聘為浙江大學(xué)博士生導師；1999年10月起至今任浙江大學(xué)智能系統與控制研究所（原名先進(jìn)控制研究所）副所長(cháng)。

    主要研究復雜工業(yè)過(guò)程建模、控制與優(yōu)化的理論、技術(shù)及實(shí)現。先后作為項目負責人承擔國家杰出青年科學(xué)基金、國家科技攻關(guān)項目、國家教育部高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師教學(xué)和科研獎勵基金、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）重點(diǎn)項目等國家和省部委縱向課題十余項。與他人合作出版專(zhuān)著(zhù)三部，在國內外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文100余篇，其中SCI收錄60余篇，SCI他引50余次。申請國家發(fā)明專(zhuān)利16項，已授權8項。研制開(kāi)發(fā)了先進(jìn)控制與優(yōu)化工程化系列軟件與實(shí)施技術(shù)，并大力進(jìn)行應用推廣，目前該系列軟件及技術(shù)已應用60余套，廣泛應用于流程工業(yè)重大與關(guān)鍵復雜生產(chǎn)裝置與企業(yè)，取得顯著(zhù)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，較好地實(shí)現了科研成果向生產(chǎn)力的轉化。

    摘要：本論文提出了煉化企業(yè)瓦斯平衡與優(yōu)化調度的整體解決方案，其核心思想為基于瓦斯產(chǎn)需預測模型和瓦斯系統優(yōu)化調度模型，實(shí)現瓦斯系統的“事前調度”和“定量調度”。實(shí)踐證明，該解決方案可以明顯提高煉化企業(yè)瓦斯系統的調度和管理水平，并通過(guò)減少瓦斯排放和節約補烴量，取得了明顯的節能減排效果。

    關(guān)鍵詞：瓦斯系統 產(chǎn)需預測 優(yōu)化調度 節能減排

    1 引言

    瓦斯，俗稱(chēng)煉廠(chǎng)氣、燃料氣、不凝氣、干氣等，是石化企業(yè)最重要的二次能源之一，來(lái)自于石化企業(yè)的各類(lèi)一次和二次加工裝置，同時(shí)也是各加工裝置加熱爐和鍋爐的最主要燃料來(lái)源。由產(chǎn)瓦斯裝置、輸送瓦斯單元（包括低壓瓦斯管網(wǎng)、高壓瓦斯管網(wǎng)、瓦斯壓縮機）、氣柜和火炬系統、耗瓦斯裝置等組成的系統，稱(chēng)之為瓦斯系統。

    瓦斯系統是石化企業(yè)能源浪費和環(huán)境污染較為嚴重的環(huán)節。目前，國內大部分石化企業(yè)的瓦斯系統普遍存在如下幾個(gè)問(wèn)題：

    （1）瓦斯產(chǎn)耗檢測手段不夠完善，也沒(méi)有統一的公用工程（包括瓦斯系統）實(shí)時(shí)監控平臺，無(wú)法從源頭上控制亂排亂放現象的發(fā)生；

    （2）調度人員憑經(jīng)驗對瓦斯系統進(jìn)行調度，無(wú)法準確預估全廠(chǎng)瓦斯產(chǎn)需平衡的變化規律和趨勢，當瓦斯產(chǎn)大于耗、氣柜超限時(shí)，需要通過(guò)燃放火炬來(lái)平衡，當瓦斯產(chǎn)小于耗、高壓瓦斯管網(wǎng)壓力不足時(shí)，需要補充重整碳五、液化氣等輕烴資源，不可避免地造成了環(huán)境污染和大量資源的浪費；

    （3）調度人員憑經(jīng)驗對瓦斯系統進(jìn)行調度，經(jīng)常需要通過(guò)生產(chǎn)裝置改變操作工況來(lái)穩定瓦斯系統，造成操作成本增加和安全隱患。

    針對國內石化企業(yè)瓦斯系統的具體特點(diǎn)，研究瓦斯產(chǎn)需預測、瓦斯管網(wǎng)模擬、瓦斯系統優(yōu)化調度等關(guān)鍵技術(shù)，建設瓦斯系統實(shí)時(shí)監控和優(yōu)化調度平臺，將基于經(jīng)驗的調度提升到基于模型的“事前調度”和“定量調度”，可以明顯提高瓦斯系統的操作安全性和經(jīng)濟性，減少瓦斯放火炬時(shí)間，減少瓦斯系統補烴量，為企業(yè)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。 

    2 瓦斯平衡與優(yōu)化調度模型的建立

    為從根本上解決對瓦斯系統產(chǎn)需變化無(wú)法準確把握、完全憑經(jīng)驗進(jìn)行調度的現狀，必須對瓦斯產(chǎn)需情況進(jìn)行準確預測。瓦斯產(chǎn)需預測的主要內容是，對煉化企業(yè)各生產(chǎn)裝置未來(lái)一段時(shí)間內的瓦斯產(chǎn)需變化進(jìn)行建模與預測，提供未來(lái)各裝置瓦斯產(chǎn)需的準確預測信息，從而實(shí)現基于模型的調度。

    在瓦斯系統產(chǎn)需預測模型中，借鑒了軟測量的思想，即用與瓦斯生成量或需求量緊密相關(guān)的輔助變量來(lái)預測瓦斯生成量或需求量。所不同的是，在瓦斯系統產(chǎn)需預測模型中，是用當前時(shí)刻和過(guò)去一段時(shí)間的輔助變量數據來(lái)預測各生產(chǎn)裝置在未來(lái)一段時(shí)間內的瓦斯生成量或需求量。同時(shí)，在瓦斯系統產(chǎn)需預測模型中，也借鑒了時(shí)間序列建模的思想，即用當前時(shí)刻和過(guò)去一段時(shí)間內的瓦斯生成量或消耗量數據來(lái)預測未來(lái)一段時(shí)間內的瓦斯生成量或需求量。因此，瓦斯系統產(chǎn)需預測模型綜合了軟測量和時(shí)間序列建模思想。

    在實(shí)現瓦斯產(chǎn)耗預測的基礎上，可以建立瓦斯系統優(yōu)化調度模型，其核心思想是以未來(lái)一段時(shí)間內的瓦斯系統總的操作成本最小為目標，通過(guò)優(yōu)化壓縮機操作負荷、優(yōu)化液化氣、輕烴等貴重資源的氣化策略、優(yōu)化燃料油的補充策略，減少瓦斯放火炬時(shí)間，減少補烴量，實(shí)現節能減排目標。

    瓦斯系統優(yōu)化調度模型由目標函數、約束條件和操作變量構成。瓦斯系統優(yōu)化調度模型的目標函數為：

   

    瓦斯系統優(yōu)化調度模型的約束條件包括物料平衡約束、能量平衡約束、能量需求約束、操作約束和裝置約束等。

    物料平衡約束：

   

    能量平衡約束：

   

    能量需求約束：

   

    操作約束：

   
   

    裝置（氣柜）約束：

   

    裝置（高壓瓦斯管網(wǎng)）約束：

   
   

    裝置（加熱爐鍋爐）約束：

   

    在式(1)～(13)中，瓦斯產(chǎn)量需求量正是瓦斯系統產(chǎn)需預測模型的輸出結果。因此，所建立的瓦斯系統優(yōu)化調度模型是基于預測數據的。

    由目標函數式(1)和約束條件式(2)～(13)構成瓦斯系統優(yōu)化調度模型，該模型由于存在0-1變量，需要采用混合整數線(xiàn)性規劃方法進(jìn)行求解。

    3 瓦斯平衡與優(yōu)化調度系統整體架構

    浙江中控軟件技術(shù)有限公司經(jīng)過(guò)多年的科研攻關(guān)和現場(chǎng)實(shí)踐，首次提出了由“2”個(gè)集成平臺、“4”套系統架構的石化企業(yè)瓦斯系統平衡與優(yōu)化調度整體解決方案，如圖1所示。

               

               圖1 石化企業(yè)瓦斯系統平衡與優(yōu)化調度整體解決方案架構圖

    該解決方案具有如下特點(diǎn)：

    （1）建設 “2”個(gè)集成平臺——公用工程信息集成和實(shí)時(shí)監控平臺，瓦斯系統優(yōu)化調度平臺；

    （2）公用工程信息集成和實(shí)時(shí)監控平臺實(shí)現企業(yè)主要公用工程介質(zhì)的實(shí)時(shí)監控、故障診斷和綜合管理，從源頭控制亂排亂放現象，提高公用工程的操作安全和平穩性；

    （3）瓦斯系統優(yōu)化調度平臺，基于瓦斯產(chǎn)耗預測和瓦斯管網(wǎng)模擬模型，以調度周期內燃料消耗成本最低和操作最平穩為目標，建立優(yōu)化調度模型，給出未來(lái)調度周期內的優(yōu)化調度建議，實(shí)現基于模型的“定量調度”和“事前調度”，通過(guò)減少瓦斯排放，優(yōu)化燃料配置，節約輕烴資源，取得節能減排效果。 

    （4）該解決方案具有在煉油、石化、化工、鋼鐵企業(yè)廣泛的適用性、開(kāi)放性和可移植性，可以為企業(yè)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

    4 應用效果

    瓦斯平衡與優(yōu)化調度整體解決方案在中國特大型煉化企業(yè)鎮海煉化得到了成功應用，取得了如下應用效果：

    （1）基于公用工程信息集成和實(shí)時(shí)監控平臺，實(shí)現了企業(yè)整個(gè)公用工程（包括瓦斯、蒸汽、氫氣、氮氣等子系統）的實(shí)時(shí)監控和綜合管理，成為調度人員的日常必備工具，有效避免了亂排亂放現象的發(fā)生；

    （2）基于瓦斯產(chǎn)耗預測系統，可以準確預測未來(lái)一段時(shí)間內（如24小時(shí)內）瓦斯產(chǎn)耗平衡的變化量和變化趨勢，主要裝置瓦斯預測模型的平均預測誤差絕大多數在3～10%之間，提高了調度的預判性，為調度人員實(shí)現“事前調度”提供了有力支撐；

    （3）基于瓦斯管網(wǎng)在線(xiàn)模擬系統，準確獲得了低壓和高壓瓦斯管網(wǎng)內部每個(gè)節點(diǎn)和每個(gè)管段的詳細信息（包括溫度、壓力、流量、組成、熱值、壓降和流向等），主要節點(diǎn)熱值預測誤差約為4%～7%，為調度人員實(shí)現精確調度和“定量調度”提供了有力支撐，提高了瓦斯系統的安全性和操作平穩性；

    （4）基于瓦斯產(chǎn)耗預測和瓦斯管網(wǎng)在線(xiàn)模擬模型，建立了優(yōu)化調度模型和專(zhuān)家系統，優(yōu)化調度模型給出的調度方案與現場(chǎng)的匹配度大于90%，實(shí)現了有效的瓦斯系統優(yōu)化調度，降低了瓦斯系統補烴量，減少了瓦斯排放，瓦斯基本不放火炬，取得顯著(zhù)的節能減排效果。

               

                        圖2 瓦斯平衡與優(yōu)化調度系統界面示意圖

    通過(guò)對比瓦斯平衡與優(yōu)化調度系統在鎮海煉化投運前后一年的統計數據，其經(jīng)濟效益核算如下：

    （1) 低壓瓦斯排放時(shí)間從投運前的207小時(shí)減少到投運后的15小時(shí)，同比減少192小時(shí)（即減少92.8%），累計減少低壓瓦斯排放230噸；

    （2) 瓦斯系統補烴量從投運前的14045噸減少到7996噸，同比減少6049噸（即減少43.1%）。

    5 結束語(yǔ)

    瓦斯平衡與優(yōu)化調度系統填補了國內石化企業(yè)瓦斯系統平衡與優(yōu)化調度信息化平臺技術(shù)的空白，屬于國內首創(chuàng )，其成功應用于鎮海煉化，為企業(yè)帶來(lái)明顯經(jīng)濟效益，獲得用戶(hù)高度評價(jià)。