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    作者簡(jiǎn)介：

    蘇宏業(yè)（1969-），男,博士,教授/博導(dǎo),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(dǎo)師；1999年10月起至今任浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所（原名先進(jìn)控制研究所）副所長(zhǎng)。

    主要研究復(fù)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(xiàn)。先后作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目、國(guó)家教育部高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師教學(xué)和科研獎(jiǎng)勵(lì)基金、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）重點(diǎn)項(xiàng)目等國(guó)家和省部委縱向課題十余項(xiàng)。與他人合作出版專著三部，在國(guó)內(nèi)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(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利16項(xiàng)，已授權(quán)8項(xiàng)。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(yīng)用推廣，目前該系列軟件及技術(shù)已應(yīng)用60余套，廣泛應(yīng)用于流程工業(yè)重大與關(guān)鍵復(fù)雜生產(chǎn)裝置與企業(yè)，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，較好地實(shí)現(xiàn)了科研成果向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化。

    摘要：本論文提出了煉化企業(yè)瓦斯平衡與優(yōu)化調(diào)度的整體解決方案，其核心思想為基于瓦斯產(chǎn)需預(yù)測(cè)模型和瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)瓦斯系統(tǒng)的“事前調(diào)度”和“定量調(diào)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(tǒng)的調(diào)度和管理水平，并通過(guò)減少瓦斯排放和節(jié)約補(bǔ)烴量，取得了明顯的節(jié)能減排效果。

    關(guān)鍵詞：瓦斯系統(tǒng) 產(chǎn)需預(yù)測(cè) 優(yōu)化調(diào)度 節(jié)能減排

    1 引言

    瓦斯，俗稱煉廠氣、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(jī)）、氣柜和火炬系統(tǒng)、耗瓦斯裝置等組成的系統(tǒng)，稱之為瓦斯系統(tǒng)。

    瓦斯系統(tǒng)是石化企業(yè)能源浪費(fèi)和環(huán)境污染較為嚴(yán)重的環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)大部分石化企業(yè)的瓦斯系統(tǒng)普遍存在如下幾個(gè)問(wèn)題：

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

    （2）調(diào)度人員憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)瓦斯系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)估全廠瓦斯產(chǎn)需平衡的變化規(guī)律和趨勢(shì)，當(dāng)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(dāng)瓦斯產(chǎn)小于耗、高壓瓦斯管網(wǎng)壓力不足時(shí)，需要補(bǔ)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(fèi)；

    （3）調(diào)度人員憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)瓦斯系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，經(jīng)常需要通過(guò)生產(chǎn)裝置改變操作工況來(lái)穩(wěn)定瓦斯系統(tǒng)，造成操作成本增加和安全隱患。

    針對(duì)國(guó)內(nèi)石化企業(yè)瓦斯系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，研究瓦斯產(chǎn)需預(yù)測(cè)、瓦斯管網(wǎng)模擬、瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)瓦斯系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度平臺(tái)，將基于經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度提升到基于模型的“事前調(diào)度”和“定量調(diào)度”，可以明顯提高瓦斯系統(tǒng)的操作安全性和經(jīng)濟(jì)性，減少瓦斯放火炬時(shí)間，減少瓦斯系統(tǒng)補(bǔ)烴量，為企業(yè)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 

    2 瓦斯平衡與優(yōu)化調(diào)度模型的建立

    為從根本上解決對(duì)瓦斯系統(tǒng)產(chǎn)需變化無(wú)法準(zhǔn)確把握、完全憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)度的現(xiàn)狀，必須對(duì)瓦斯產(chǎn)需情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。瓦斯產(chǎn)需預(yù)測(cè)的主要內(nèi)容是，對(duì)煉化企業(yè)各生產(chǎn)裝置未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的瓦斯產(chǎn)需變化進(jìn)行建模與預(yù)測(cè)，提供未來(lái)各裝置瓦斯產(chǎn)需的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)信息，從而實(shí)現(xiàn)基于模型的調(diào)度。

    在瓦斯系統(tǒng)產(chǎn)需預(yù)測(cè)模型中，借鑒了軟測(cè)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(yù)測(cè)瓦斯生成量或需求量。所不同的是，在瓦斯系統(tǒng)產(chǎn)需預(yù)測(cè)模型中，是用當(dāng)前時(shí)刻和過(guò)去一段時(shí)間的輔助變量數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)各生產(chǎn)裝置在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的瓦斯生成量或需求量。同時(shí)，在瓦斯系統(tǒng)產(chǎn)需預(yù)測(cè)模型中，也借鑒了時(shí)間序列建模的思想，即用當(dāng)前時(shí)刻和過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)的瓦斯生成量或消耗量數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的瓦斯生成量或需求量。因此，瓦斯系統(tǒng)產(chǎn)需預(yù)測(cè)模型綜合了軟測(cè)量和時(shí)間序列建模思想。

    在實(shí)現(xiàn)瓦斯產(chǎn)耗預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，可以建立瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，其核心思想是以未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的瓦斯系統(tǒng)總的操作成本最小為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化壓縮機(jī)操作負(fù)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(bǔ)充策略，減少瓦斯放火炬時(shí)間，減少補(bǔ)烴量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

    瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型由目標(biāo)函數(shù)、約束條件和操作變量構(gòu)成。瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為：

   

    瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)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(tǒng)產(chǎn)需預(yù)測(cè)模型的輸出結(jié)果。因此，所建立的瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型是基于預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的。

    由目標(biāo)函數(shù)式(1)和約束條件式(2)～(13)構(gòu)成瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，該模型由于存在0-1變量，需要采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法進(jìn)行求解。

    3 瓦斯平衡與優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)整體架構(gòu)

    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(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，首次提出了由“2”個(gè)集成平臺(tái)、“4”套系統(tǒng)架構(gòu)的石化企業(yè)瓦斯系統(tǒng)平衡與優(yōu)化調(diào)度整體解決方案，如圖1所示。

               

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

    該解決方案具有如下特點(diǎn)：

    （1）建設(shè) “2”個(gè)集成平臺(tái)——公用工程信息集成和實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)，瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度平臺(tái)；

    （2）公用工程信息集成和實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)企業(yè)主要公用工程介質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷和綜合管理，從源頭控制亂排亂放現(xiàn)象，提高公用工程的操作安全和平穩(wěn)性；

    （3）瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度平臺(tái)，基于瓦斯產(chǎn)耗預(yù)測(cè)和瓦斯管網(wǎng)模擬模型，以調(diào)度周期內(nèi)燃料消耗成本最低和操作最平穩(wěn)為目標(biāo)，建立優(yōu)化調(diào)度模型，給出未來(lái)調(diào)度周期內(nèi)的優(yōu)化調(diào)度建議，實(shí)現(xiàn)基于模型的“定量調(diào)度”和“事前調(diào)度”，通過(guò)減少瓦斯排放，優(yōu)化燃料配置，節(jié)約輕烴資源，取得節(jié)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(jì)效益和社會(huì)效益。

    4 應(yīng)用效果

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

    （1）基于公用工程信息集成和實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)整個(gè)公用工程（包括瓦斯、蒸汽、氫氣、氮?dú)獾茸酉到y(tǒng)）的實(shí)時(shí)監(jiān)控和綜合管理，成為調(diào)度人員的日常必備工具，有效避免了亂排亂放現(xiàn)象的發(fā)生；

    （2）基于瓦斯產(chǎn)耗預(yù)測(cè)系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)（如24小時(shí)內(nèi)）瓦斯產(chǎn)耗平衡的變化量和變化趨勢(shì)，主要裝置瓦斯預(yù)測(cè)模型的平均預(yù)測(cè)誤差絕大多數(shù)在3～10%之間，提高了調(diào)度的預(yù)判性，為調(diào)度人員實(shí)現(xiàn)“事前調(diào)度”提供了有力支撐；

    （3）基于瓦斯管網(wǎng)在線模擬系統(tǒng)，準(zhǔn)確獲得了低壓和高壓瓦斯管網(wǎng)內(nèi)部每個(gè)節(jié)點(diǎn)和每個(gè)管段的詳細(xì)信息（包括溫度、壓力、流量、組成、熱值、壓降和流向等），主要節(jié)點(diǎn)熱值預(yù)測(cè)誤差約為4%～7%，為調(diào)度人員實(shí)現(xiàn)精確調(diào)度和“定量調(diào)度”提供了有力支撐，提高了瓦斯系統(tǒng)的安全性和操作平穩(wěn)性；

    （4）基于瓦斯產(chǎn)耗預(yù)測(cè)和瓦斯管網(wǎng)在線模擬模型，建立了優(yōu)化調(diào)度模型和專家系統(tǒng)，優(yōu)化調(diào)度模型給出的調(diào)度方案與現(xiàn)場(chǎng)的匹配度大于90%，實(shí)現(xiàn)了有效的瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度，降低了瓦斯系統(tǒng)補(bǔ)烴量，減少了瓦斯排放，瓦斯基本不放火炬，取得顯著的節(jié)能減排效果。

               

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

    通過(guò)對(duì)比瓦斯平衡與優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)在鎮(zhèn)海煉化投運(yùn)前后一年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其經(jīng)濟(jì)效益核算如下：

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

    （2) 瓦斯系統(tǒng)補(bǔ)烴量從投運(yùn)前的14045噸減少到7996噸，同比減少6049噸（即減少43.1%）。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    瓦斯平衡與優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)石化企業(yè)瓦斯系統(tǒng)平衡與優(yōu)化調(diào)度信息化平臺(tái)技術(shù)的空白，屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，其成功應(yīng)用于鎮(zhèn)海煉化，為企業(yè)帶來(lái)明顯經(jīng)濟(jì)效益，獲得用戶高度評(píng)價(jià)。