作者簡介：

    蘇宏業(yè)（1969-），男,博士,教授/博導,中共黨員。1995年6月畢業(yè)于浙江大學工業(yè)自動化專業(yè)，獲工學博士學位； 2000年12月被聘為浙江大學教授；2001年12月被聘為浙江大學博士生導師；1999年10月起至今任浙江大學智能系統(tǒng)與控制研究所（原名先進控制研究所）副所長。

    主要研究復雜工業(yè)過程建模、控制與優(yōu)化的理論、技術(shù)及實現(xiàn)。先后作為項目負責人承擔國家杰出青年科學基金、國家科技攻關(guān)項目、國家教育部高等學校優(yōu)秀青年教師教學和科研獎勵基金、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）重點項目等國家和省部委縱向課題十余項。與他人合作出版專著三部，在國內(nèi)外學術(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)明專利16項，已授權(quán)8項。研制開發(fā)了先進控制與優(yōu)化工程化系列軟件與實施技術(shù)，并大力進行應(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)鍵復雜生產(chǎn)裝置與企業(yè)，取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，較好地實現(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)測模型和瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)瓦斯系統(tǒng)的“事前調(diào)度”和“定量調(diào)度”。實踐證明，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，并通過減少瓦斯排放和節(jié)約補烴量，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 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，來自于石化企業(yè)的各類一次和二次加工裝置，同時也是各加工裝置加熱爐和鍋爐的最主要燃料來源。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(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)能源浪費和環(huán)境污染較為嚴重的環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)大部分石化企業(yè)的瓦斯系統(tǒng)普遍存在如下幾個問題：

    （1）瓦斯產(chǎn)耗檢測手段不夠完善，也沒有統(tǒng)一的公用工程（包括瓦斯系統(tǒng)）實時監(jiān)控平臺，無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)驗對瓦斯系統(tǒng)進行調(diào)度，無法準確預(yù)估全廠瓦斯產(chǎn)需平衡的變化規(guī)律和趨勢，當瓦斯產(chǎn)大于耗、氣柜超限時，需要通過燃放火炬來平衡，當瓦斯產(chǎn)小于耗、高壓瓦斯管網(wǎng)壓力不足時，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(diào)度人員憑經(jīng)驗對瓦斯系統(tǒng)進行調(diào)度，經(jīng)常需要通過生產(chǎn)裝置改變操作工況來穩(wěn)定瓦斯系統(tǒng)，造成操作成本增加和安全隱患。

    針對國內(nèi)石化企業(yè)瓦斯系統(tǒng)的具體特點，研究瓦斯產(chǎn)需預(yù)測、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)實時監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度平臺，將基于經(jīng)驗的調(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)濟性，減少瓦斯放火炬時間，減少瓦斯系統(tǒng)補烴量，為企業(yè)帶來明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。 

    2 瓦斯平衡與優(yōu)化調(diào)度模型的建立

    為從根本上解決對瓦斯系統(tǒng)產(chǎn)需變化無法準確把握、完全憑經(jīng)驗進行調(diào)度的現(xiàn)狀，必須對瓦斯產(chǎn)需情況進行準確預(yù)測。瓦斯產(chǎn)需預(yù)測的主要內(nèi)容是，對煉化企業(yè)各生產(chǎn)裝置未來一段時間內(nèi)的瓦斯產(chǎn)需變化進行建模與預(yù)測，提供未來各裝置瓦斯產(chǎn)需的準確預(yù)測信息，從而實現(xiàn)基于模型的調(diào)度。

    在瓦斯系統(tǒng)產(chǎn)需預(yù)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)的輔助變量來預(yù)測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)測模型中，是用當前時刻和過去一段時間的輔助變量數(shù)據(jù)來預(yù)測各生產(chǎn)裝置在未來一段時間內(nèi)的瓦斯生成量或需求量。同時，在瓦斯系統(tǒng)產(chǎn)需預(yù)測模型中，也借鑒了時間序列建模的思想，即用當前時刻和過去一段時間內(nèi)的瓦斯生成量或消耗量數(shù)據(jù)來預(yù)測未來一段時間內(nèi)的瓦斯生成量或需求量。因此，瓦斯系統(tǒng)產(chǎn)需預(yù)測模型綜合了軟測量和時間序列建模思想。

    在實現(xiàn)瓦斯產(chǎn)耗預(yù)測的基礎(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一段時間內(nèi)的瓦斯系統(tǒng)總的操作成本最小為目標，通過優(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，減少瓦斯放火炬時間，減少補烴量，實現(xiàn)節(jié)能減排目標。

    瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型由目標函數(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)測數(shù)據(jù)的。

    由目標函數(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)過多年的科研攻關(guān)和現(xiàn)場實踐，首次提出了由“2”個集成平臺、“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：

    （1）建設(shè) “2”個集成平臺——公用工程信息集成和實時監(jiān)控平臺，瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度平臺；

    （2）公用工程信息集成和實時監(jiān)控平臺實現(xiàn)企業(yè)主要公用工程介質(zhì)的實時監(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，基于瓦斯產(chǎn)耗預(yù)測和瓦斯管網(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，建立優(yōu)化調(diào)度模型，給出未來調(diào)度周期內(nèi)的優(yōu)化調(diào)度建議，實現(xiàn)基于模型的“定量調(diào)度”和“事前調(diào)度”，通過減少瓦斯排放，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、開放性和可移植性，可以為企業(yè)帶來明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

    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時監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了企業(yè)整個公用工程（包括瓦斯、蒸汽、氫氣、氮氣等子系統(tǒng)）的實時監(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)測系統(tǒng)，可以準確預(yù)測未來一段時間內(nèi)（如24小時內(nèi)）瓦斯產(chǎn)耗平衡的變化量和變化趨勢，主要裝置瓦斯預(yù)測模型的平均預(yù)測誤差絕大多數(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)，準確獲得了低壓和高壓瓦斯管網(wǎng)內(nèi)部每個節(jié)點和每個管段的詳細信息（包括溫度、壓力、流量、組成、熱值、壓降和流向等），主要節(jié)點熱值預(yù)測誤差約為4%～7%，為調(diào)度人員實現(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)場的匹配度大于90%，實現(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

    通過對比瓦斯平衡與優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)在鎮(zhèn)海煉化投運前后一年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其經(jīng)濟效益核算如下：

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

    （2) 瓦斯系統(tǒng)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(jié)束語

    瓦斯平衡與優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)填補了國內(nèi)石化企業(yè)瓦斯系統(tǒng)平衡與優(yōu)化調(diào)度信息化平臺技術(shù)的空白，屬于國內(nèi)首創(chuàng)，其成功應(yīng)用于鎮(zhèn)海煉化，為企業(yè)帶來明顯經(jīng)濟效益，獲得用戶高度評價。