第7章

系統工程理論在煉油化工廠的應用系統工程應用內容企業管理：企業具有社會功能，生產計劃制定必須考慮社會需求、政府政策、庫存情況、生產能力、原料供應、產品運輸等生產管理：在滿足生產計劃的前提下，以最優的條件生產質量達標的產品第一節、最優化概念

一、目標函數

二、優化變量

三、約束條件

四、過程系統優化問題的類型及特點第二節、過程系統穩態優化問題的建立第三節、最優化理論在過程系統中的應用

一、在企業管理過程中的應用

二、在生產過程中的應用第一節、最優化概念最優化問題：最大化！？目標函數優化變量(手段)不等式約束條件等式約束條件第一節、最優化概念

一、目標函數

二、優化變量

三、約束條件

四、過程系統優化問題的類型及特點第二節、過程系統穩態優化問題的建立第三節、最優化理論在過程系統中的應用

一、在企業管理過程中的應用

二、在生產過程中的應用

一、目標函數目標函數(ObjectiveFunction)優化問題所追求的要達到的目標常用優化目標：

①系統的原料利用率最高；

②產品產量最大；

③經濟效益最大；

④能源消耗最小；

⑤操作成本最低；

⑥系統的投資成本最低；多目標優化問題的處理 ①突出主要目標；

②將多目標轉變為單目標；

③對相互矛盾的目標進行折衷處理；加權！加權！第一節、最優化概念

一、目標函數

二、優化變量

三、約束條件

四、過程系統優化問題的類型及特點第二節、過程系統穩態優化問題的建立第三節、最優化理論在過程系統中的應用

一、在企業管理過程中的應用

二、在生產過程中的應用

二、優化變量優化變量(OptimizationVariables)系統模擬方程:

f(w,x,z)=0w–決策變量

x–狀態變量

z–內部變量——實現目標的手段—可影響操作結果—受制于決策變量—設備內部變量決策變量數量？選擇優化變量時必須充分考慮其對目標函數的影響，也不能太多！第一節、最優化概念

一、目標函數

二、優化變量

三、約束條件

四、過程系統優化問題的類型及特點第二節、過程系統穩態優化問題的建立第三節、最優化理論在過程系統中的應用

一、在企業管理過程中的應用

二、在生產過程中的應用

三、約束條件約束條件(ConstrainedConditions)約束條件的類型1）不等式約束條件

g(w,x)02）

等式約束條件等式約束條件包括：①等式設計規定或工藝要求：h(w,x)=0②等式尺寸成本關系式：c(w,x,z)=0

③系統模擬方程：

f(w,x,z)=0最優化問題可行域：Ox2x1滿足所有約束條件的變量集合可行解第一節、最優化概念

一、目標函數

二、優化變量

三、約束條件

四、過程系統優化問題的類型及特點第二節、過程系統穩態優化問題的建立第三節、最優化理論在過程系統中的應用

一、在企業管理過程中的應用

二、在生產過程中的應用四、過程系統優化問題的類型及特點過程優化類型固定工藝流程和設備結構操作參數優化調整工藝流程或設備設計參數優化

改變流程或設備后必須進行操作優化離線優化(off-line)在線優化(on-line)過程優化模型類型穩態優化模型模型不考慮時間參數過程優化模型類型動態優化模型模型考慮時間參數

間歇過程

連續裝置的開工與停工過程

緊急情況等都屬于動態過程

某一點的狀態隨時間發生變化統計優化模型依托數理統計方法建立模型第一節、最優化概念

一、目標函數

二、優化變量

三、約束條件

四、過程系統優化問題的類型及特點第二節、過程系統穩態優化問題的建立第三節、最優化理論在過程系統中的應用

一、在企業管理過程中的應用

二、在生產過程中的應用

第二節、過程系統穩態優化問題的建立穩態優化問題的建立過程模擬模型給定參數優化變量{經濟模擬模型經濟參數過程約束條件經濟約束條件經濟特性指標最優化程序過程模擬模型過程參數經濟模擬模型調整優化變量優化問題的求解可行路徑優化方法計算效率低，其根本原因是拋棄大量超出可靠域的試算點優化方法在每個搜索點處不一定滿足等約束方程（流程方程），但在最優點處可以保證約束方程收斂模擬與優化同步收斂系統模擬優化采用的最優化方法評述直接搜索法它應用簡便，計算比較可靠，但優化計算每迭代一次都要做一次全流程模擬計算，屬于可行路徑法用這種方法即使計算變量很少的優化問題（如5個變量），也需要5~400次全流程模擬，計算效率很低。因此在早期的的研究工作中報道較多，目前已很少被采用。罰函數型和拉格朗日函數型的優化方法曾被廣泛用于處理有約束的非線性問題，但隨著問題維數的增多，其數學性質變得復雜，條件變壞，求解困難，而且罰函數的選擇和修正帶有很大的任意性。因而，僅用于解決大系統參數優化問題。序列線性逼近法（SLP）該法適應性強，能處理大規模的優化問題，但收斂速度慢。序列二次規劃法（SQP）屬于不可行路徑法，它具有很好的性質：收斂速度快，計算效率高，是當前公認的最好的優化方法之一。但SQP法不能直接用于維數過多的優化問題，須輔以變量分解法以縮小變量空間。廣義簡約梯度法（GRG）該法是一種很有吸引力的方法，它適應性好，收斂速度快，特別是可以直接用于處理大規模優化問題，但在過程優化方面應用的報道不多

GRG2每次迭代都需收斂等式約束，屬可行路徑法

MINOS為不可行路徑法第一節、最優化概念

一、目標函數

二、優化變量

三、約束條件

四、過程系統優化問題的類型及特點第二節、過程系統穩態優化問題的建立第三節、最優化理論在過程系統中的應用

一、在企業管理過程中的應用

二、在生產過程中的應用

第三節、最優化理論在過程系統中的應用

一、在企業管理過程中的應用㈠合理進行資源分配使經濟效益最佳

某工廠用鋼與橡膠生產3種產品A、B、C，有關消耗與利潤的數據如表所示：產品單位產品鋼材消耗量單位產品橡膠消耗量單位產品利潤A2340B3345C1224

已知每天可獲得100單位的鋼材和120單位的橡膠，問每天生產各多少A、B、C可使總利潤最大。設定優化變量：x=A的日產量，y=B的日產量，z=C的日產量優化目標：問題：問每天生產各多少A、B、C可使總利潤最大？

利潤=產量單位利潤優化變量產量解∶設定優化變量：x=A的日產量，y=B的日產量，z=C的日產量優化目標：約束條件：鋼材供應橡膠供應excel求解㈡多產品生產過程的排產計劃例：某煉油廠將原油加工成5個中間汽油系列產品，然后再調合成兩個級別的成品汽油出售。每種中間產品和成品油的有關數據列于下表，滿足合同銷售后的成品油及中間油品均可進入市場銷售。要求制訂一個下一年度的生產計劃，使全年純利最大。加工統計表中間產品產量i桶／年辛烷值i售價Ci(3)美元/桶成本Ci(4)美元/桶混合成本i(5)美元/桶1200,000703024.001.002400,000803527.001.003400,000853628.501.004500,000904234.501.005500,000996040.001.50銷售價(美元／桶)成品油合同銷售i最低辛烷值i合同價Cj(1)市場價Cj(2)常規汽油500,0008540.0046.00高級汽油400,0009555.0060.00凈利潤：=產品銷售收入—生產成本—調合成本油品i常規高級直銷xiyizi關鍵：每個中間油品的物流平衡

常規汽油和高級汽油的物料平衡解：1.設優化變量：中間油品i

：xi----用于調和常規油品yi----用于調和高級油品zi----用于直接銷售成品油j

：uj----合同銷售量vi----市場銷售量2.繪制物料流向圖3.列約束方程①中間產品i的物料平衡方程②成品油的物料平衡③摻合后汽油的辛烷值要求不低于技術指標④要求滿足合同銷售量4.列目標函數純利=產品及中間產品的總銷售收入-

（生產成本+摻合加工成本）目標函數∶5.優化問題(OP)：excel求解最佳調合方案凈利潤：28,000,000中間產品銷售：21,150,000㈢企業生產計劃的制訂例：某煉油廠可選擇三種不同來源的原油中的一種或幾種進行加工。根據長期的生產經驗已獲得每種原油進行常壓蒸餾時的收率情況。工藝流程3種原油常壓塔熱重整重整減壓塔催化裂化催化聚合建模關鍵：產品和損失分布數據進料來源變量和產品去向每個設備的處理能力產品的質量要求產品供求關系原料和產品的價格和加工成本1）工藝條件約束（1）常壓蒸餾塔

模型變量：2號汽油：直接調合汽油1號汽油：2號汽油加添加劑

辛烷值增加1常壓塔收率分布

餾分進料收率%去向模型變量x1x2x3油氣0.450.270.30燃料x4丙烷0.250.030.3丙烷x5

燃料x6丁烷0.90.80.9丁烷x7

一號汽油x8

二號汽油x9

燃料x10初閃蒸油6.008.006.80燃料閃蒸油x11

熱重整x12

一號汽油x13

二號汽油x14

初閃蒸油x15常壓塔收率分布（續）直餾汽油9.0011.5010.2熱重整x16

四號航空油x17

重整x18煤油25.632.431.5重整x19

四號航空油x20

燈油x21

柴油x22一號渣油57.3

減壓x23

燃料油x24二號渣油

46.5

減壓x25

燃料油x26三號渣油

49.5減壓x27

燃料油x28損失0.50.50.5損失x29常壓塔約束條件：油氣餾分∶0.0045x1+0.0027x2+0.0030x3x4=0丙烷餾分∶0.0025x1+0.0003x2+0.0030x3x5x6=0丁烷餾分∶0.009x1+0.008x2+0.009x3x7x8x9x10=0初閃蒸油餾分∶0.06x1+0.08x2+0.068x3x11x12x13x14x15=0直餾汽油餾分∶0.09x1+0.115x2+0.102x3x16x17x18=0煤油餾分∶0.256x1+0.324x2+0.315x3x19x20x21x22=0渣油餾分∶0.573x1x23x24=00.465x2x25x26=00.495x3x27x28=0損失餾分∶0.005x1+0.005x2+0.005x3x29=0

（2）重整

進料收率%

餾分x18，x19去向模型變量油氣8.00燃料x30丙烷4.00丙烷x31

燃料x32丁烷4.50丁烷x33

燃料x34汽油81.50一號汽油x35

二號汽油x36損失2.00損失x37

重整收率重整約束：油氣餾分∶0.08x18+0.08x19

x30=0丙烷餾分∶0.04x18+0.04x19x31x32=0丁烷餾分∶0.045x18+0.04x19x33x34=0汽油餾分∶0.815x18+0.815x19x35x36=0損失餾分∶

0.02x18+0.02x19x37=0（3）熱重整

進料收率%

餾分x12，x16去向模型變量油氣29.00燃料x38汽油

65.00

5.00一號汽油二號汽油燃料油x39x40x41損失1.00損失x42熱重整收率熱重整約束：油氣餾分∶0.29x12+0.29x16

x38=0汽油餾分∶0.65x12+0.65x16x39x40=0渣油餾分∶0.05x12+0.05x16x41=0損失餾分∶

0.01x12+0.01x16

x42=0（4）減壓

進料收率%

餾分x23，x25，x27去向模型變量蠟油47.00催化裂化x43粗柴油5.00粗柴油x44

渣油43.00

瀝青燃料油燃料x45x46x47損失5.00損失x48減壓收率減壓約束蠟油餾分∶0.47x23+0.47x25+0.47x27

x43=0粗柴油餾分∶0.05x23+0.05x25+0.05x27x44=0渣油餾分∶0.43x23+0.43x25+0.43x27x45x46x47=0損失餾分∶

0.05x23+0.05x25+0.05x27x48=0（5）催化裂化

進料收率%餾分x42去向模型變量油氣3.50燃料x49催化聚合油7.50催化聚合油x50

汽油22.00

一號汽油二號汽油x51x52輕循環油

32.00

粗柴油燃料油x53x54重循環油28.50粗柴油燃料油x55x56損失6.50

x57催化裂化收率催化裂化約束油氣餾分∶0.035x43x49=0聚合油餾分∶0.075x43x50=0汽油餾分∶0.22x43x51x52=0輕循環油餾分∶0.32x43x53x54=0重循環油餾分∶0.285x43x55x56=0損失餾分∶

0.065x43x57=0（6）催化聚合

進料收率%餾分x50去向模型變量丙烷

10.00

丙烷燃料x58x59

丁烷30.00

丁烷燃料x60x61汽油60.00

一號汽油二號汽油x62x63催化聚合收率催化聚合約束丙烷餾分∶0.10x50x58x59=0丁烷餾分∶0.30x50x60x61=0汽油餾分∶

0.60x50x62x63=02）設備生產能力約束

裝置的設計處理量裝置進料變量名稱生產能力(噸)常壓x1，x2，x35000重整x18，x19500熱重整x12，x16250減壓x23，x25，x27無限制催化裂化x43400催化聚合x50無限制加工能力約束方程：x1+x2+x35000x18+x19500x12+x16250x434003）燃料、消耗和市場需求約束額外要求：市場銷售100噸燃料。各裝置的燃料消耗裝置進料變量名稱燃料消耗(噸)/100噸進料常壓x1，x2，x32.50重整x18，x198.00熱重整x12，x165.00減壓x23，x25，x270.2催化裂化x43無催化聚合x50無燃料約束燃料的需求量∶0.025(x1+x2+x3)+0.08(x18+x19)+0.05(x12+x16)+0.002(x23+x25+x27)+100燃料的生產量∶常壓∶x4+x6+x10+0.91x11重整∶x30+x32+x34熱重整∶x38減壓∶x47催化裂化∶x49催化聚合∶x59+x61燃料的供求平衡方程∶0.025(x1+x2+x3)+0.08(x18+x19)+0.05(x12+x16)+0.002(x23+x25+x27)+100(x4+x6+x10+0.91x11+x30+x32+x34+x38+x47+x49+x59+x61)=0x11初閃蒸油熱值較低，修正！4)產品需求量約束

產品需求量(噸)丙烷12丁烷20初閃蒸油40一號和二號汽油600四號航空油40煤油70瀝青150產品產量約束∶丙烷∶x5+x31+x58=12丁烷∶x7+x33+x60=20初閃蒸油∶x15=40汽油∶四號航空油∶x17+x20=40煤油∶x21=70瀝青∶x45=1505)汽油質量約束

汽油的性質參數來源模型變量比重1/辛烷值蒸汽壓丁烷x8，x90.581.7249555直餾汽油x13，x140.6851.468010重整x35，x360.761.3161015熱重整x30，x400.761.316898催化裂化x51，x520.771.2991008催化聚合x62，x630.721.3891108二號汽油：直接調和一號汽油：加添加劑成本0.33美元/噸,辛烷值增加1，二號汽油辛烷值約束(1.724)(95)(x8+x9)+(1.46)(80)(x13+x14)+(1.316)(101)(x35+x36)+(1.316)(89)(x30+x40)+(1.299)(100)(x51+x52)+(1.389)(110)(x62+x63){94[1.724(x8+x9)+1.46(x13+x14)+1.316(x35+x36)+1.316(x30+x40)+1.299(x51+x52)+1.389(x62+x63)]}0丁烷直餾汽油重整熱重整催化聚合催化裂化各汽油餾分對成品油的貢獻所有餾分汽油的體積貢獻汽油總蒸汽壓約束：(1.724)(55)(x8+x9)+(1.46)(10)(x13+x14)+(1.316)(5)(x35+x36)+(1.316)(8)(x30+x40)+(1.299)(8)(x51+x52)+(1.389)(8)(x62+x63){9[1.724(x8+x9)+1.46(x13+x14)+1.316(x35+x36)+1.316(x30+x40)+1.299(x51+x52)+1.389(x62+x63)]}0添加劑對蒸汽壓無影響6）燃料油的質量約束要求：粘度系統不大于36.86cP粘度指標裝置餾分模型變量粘度常壓渣油

x1x2436.50

渣油

x2x2634.80

渣油

x3x2835.00減壓渣油x4645.50催化裂化輕循環油x5411.00

重循環油x5623.48熱重整渣油x4136.52粘度約束條件:36.50x24+34.80x26+35x28+45.50x46+11x54+23.48x56+36.52x41[36.86(x24+x26+x28+x46+x54+x56+x41)]07）目標函數-(14x1+16x2+15x3)1號原油價格2號原油價格3號原油價格-0.33(x8+x13+x35+x39+x51+x62)1號汽油調和成本1號汽油產量+25(x22+x44+x53+x55)柴油價格柴油產量+12(x24+x26+x28+x41+x46+x54+x56)燃料油價格燃料油產量產量固定的產品成本不需考慮變量數：63約束條件：47excel求解進料數量(噸)產品數量(噸)原油

x13536.5二號汽油600.0原油

x31463.5柴油1580.9原油合計5000.0燃料油2117.7重整264.2丙烷12.0催化裂化400.0丁烷20.0催化聚合30.0初閃蒸油40.0熱重整250.0四號航空油40.0減壓851.1煤油70.0二號汽油:辛烷值為94，蒸汽壓為9瀝青150.0初餾燃料油85.8燃料氣171.7燃料10.5損失101.3目標值6330.6第一節、最優化概念

一、目標函數

二、優化變量

三、約束條件

四、過程系統優化問題的類型及特點第二節、過程系統穩態優化問題的建立第三節、最優化理論在過程系統中的應用

一、在企業管理過程中的應用

二、在生產過程中的應用

二、在生產過程中的應用工藝優化計算軟件應備功能：①模擬功能在模擬方式下，軟件將變為一個快速的假想生產裝置。工藝工程師可在計算機上任意改變操作條件進行假想操作，考察操作條件的改變對生產結果的影響，而不必擔心為此付出任何代價。該功能也可用于新上崗操作工的崗前培訓，可大大提高培訓效果

二、在生產過程中的應用二、在生產過程中的應用工藝計算軟件應備功能：②設計功能在設計方式下，軟件將根據現場提供的各種產品的質量標準，自動尋找使產品質量符合要求的生產條件，及時反饋給用戶。現場根據計算所得的結果，調整操作條件可得到質量符合各項指標的產品設計功能在進料條件發生較大變化，或在裝置開車時特別有用。軟件可向現場提供改進操作的參考數據，大大縮短達到平穩生產所需的時間，減少不合格生產產品的時間工藝計算軟件應備功能：③優化功能在優化功能下，軟件將根據用戶指定的優化目標函數，計算得到使產品質量達到或超過質量標準的操作條件。現場按此操作條件進行生產，將能得到最優的效益二、在生產過程中的應用流程優化優化計算步驟：自由度分析決策變量確定系統分析子系統最佳斷裂位置確定子系統順序求解優化目標確定優化變量的優選約束條件的確定優化模型求解流程模擬二、在生產過程中的應用注意事項

模擬和優化軟件可從理論模擬操作結果，尋找最優操作條件。但實際裝置的影響因素是十分復雜的。不僅與工藝條件有關，而且還與設備的操作條件有關。當操作條件超出設備的允許操作范圍后，設備的工作效率急劇下降，無法達到理論上的操作結果，同樣會對現場生產產生不良后果。因此必須同時從工藝條件和設備運行狀況對裝置的現狀進行分析，才能找到出現問題的真正原因輕烴回收系統優化1、流程圖1級增壓1級冷卻2級增壓2級冷卻大冷箱換熱器蒸發制冷器液烴節流閥1氣分膨脹機2氣分脫乙烷塔小冷箱換熱器輕烴換熱器液化氣塔輕烴冷卻器液化氣冷卻器增壓機2、自由度分析設備變量數設計規定設備變量數設計規定11出口壓力112絕熱多變效率*，出口壓力21出口溫度122絕熱，出口壓力31出口壓力132塔底溫度、操作壓力(脫C2塔)41出口溫度141冷熱出口溫度51熱流入口與冷流出口溫差153回流比、塔底溫度、壓力(液化氣塔)61出口溫度161出口溫度71熱流入口與冷流出口溫差171絕熱多變效率*（功與膨脹機輸出功耦合）81出口溫度181出口壓力92絕熱，出口壓力191熱流入口與冷流出口溫差101密封氣分割比201出口溫度總數

26

3、流程計算順序的確定不可分隔子系統及計算順序：{1},{2},{3},{4},{5,6,7,8,9,10,11,12,13,18,19},{17},{14,15},{16},{20}子系統一子系統二4、回路斷裂子系統一：簡單回路：回路矩陣：有效斷裂組：{19,21,22,25}Upadhye-Grens斷裂法（II）Westerberg算法替代規則最佳斷裂組：7919斷裂流股數3斷裂流股數4流股2-9組成與進料相同！僅需迭代溫度！最佳斷裂{8,10,19,26},{8,11,19,26},{8,12,19,26},{10,19,22,25},11,19,22,25},{12,19,22,25}{10,19,22,24},{11,19,22,24},{12,19,22,24},{13,20,22,25},{8,13,20,26},{13,20,22,24}{8,19,21},{8,20,18},{9,19,22},{7,9,19},{6,9,19}子系統二：存在流股：{15},{16}1414子系統1已求出15僅需迭代溫度15最佳斷裂15斷裂方式：最佳斷裂