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    作者簡介：

    蘇宏業（1969-），男,博士,教授/博導,中共黨員。1995年6月畢業于浙江大學工業自動化專業，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。

    主要研究復雜工業過程建模、控制與優化的理論、技術及實現。先后作為項目負責人承擔國家杰出青年科學基金、國家科技攻關項目、國家教育部高等學校優秀青年教師教學和科研獎勵基金、國家高技術研究發展計劃（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，在國內外學術刊物發表論文100余篇，其中SCI收錄60余篇，SCI他引50余次。申請國家發明專利16項，已授權8項。研制開發了先進控制與優化工程化系列軟件與實施技術，并大力進行應用推廣，目前該系列軟件及技術已應用60余套，廣泛應用于流程工業重大與關鍵復雜生產裝置與企業，取得顯著的經濟效益和社會效益，較好地實現了科研成果向生產力的轉化。

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

    關鍵詞：瓦斯系統 產需預測 優化調度 節能減排

    1 引言

    瓦斯，俗稱煉廠氣、燃料氣、不凝氣、干氣等，是石化企業最重要的二次能源之一，來自于石化企業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。由產瓦斯裝置、輸送瓦斯單元（包括低壓瓦斯管網、高壓瓦斯管網、瓦斯壓縮機）、氣柜和火炬系統、耗瓦斯裝置等組成的系統，稱之為瓦斯系統。

    瓦斯系統是石化企業能源浪費和環境污染較為嚴重的環節。目前，國內大部分石化企業的瓦斯系統普遍存在如下幾個問題：

    （1）瓦斯產耗檢測手段不夠完善，也沒有統一的公用工程（包括瓦斯系統）實時監控平臺，無法從源頭上控制亂排亂放現象的發生；

    （2）調度人員憑經驗對瓦斯系統進行調度，無法準確預估全廠瓦斯產需平衡的變化規律和趨勢，當瓦斯產大于耗、氣柜超限時，需要通過燃放火炬來平衡，當瓦斯產小于耗、高壓瓦斯管網壓力不足時，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境污染和大量資源的浪費；

    （3）調度人員憑經驗對瓦斯系統進行調度，經常需要通過生產裝置改變操作工況來穩定瓦斯系統，造成操作成本增加和安全隱患。

    針對國內石化企業瓦斯系統的具體特點，研究瓦斯產需預測、瓦斯管網模擬、瓦斯系統優化調度等關鍵技術，建設瓦斯系統實時監控和優化調度平臺，將基于經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濟性，減少瓦斯放火炬時間，減少瓦斯系統補烴量，為企業帶來明顯的經濟效益和社會效益。 

    2 瓦斯平衡與優化調度模型的建立

    為從根本上解決對瓦斯系統產需變化無法準確把握、完全憑經驗進行調度的現狀，必須對瓦斯產需情況進行準確預測。瓦斯產需預測的主要內容是，對煉化企業各生產裝置未來一段時間內的瓦斯產需變化進行建模與預測，提供未來各裝置瓦斯產需的準確預測信息，從而實現基于模型的調度。

    在瓦斯系統產需預測模型中，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的輔助變量來預測瓦斯生成量或需求量。所不同的是，在瓦斯系統產需預測模型中，是用當前時刻和過去一段時間的輔助變量數據來預測各生產裝置在未來一段時間內的瓦斯生成量或需求量。同時，在瓦斯系統產需預測模型中，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的瓦斯生成量或消耗量數據來預測未來一段時間內的瓦斯生成量或需求量。因此，瓦斯系統產需預測模型綜合了軟測量和時間序列建模思想。

    在實現瓦斯產耗預測的基礎上，可以建立瓦斯系統優化調度模型，其核心思想是以未來一段時間內的瓦斯系統總的操作成本最小為目標，通過優化壓縮機操作負荷、優化液化氣、輕烴等貴重資源的氣化策略、優化燃料油的補充策略，減少瓦斯放火炬時間，減少補烴量，實現節能減排目標。

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

   

    瓦斯系統優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）約束：

   
   

    裝置（加熱爐鍋爐）約束：

   

    在式(1)～(13)中，瓦斯產量需求量正是瓦斯系統產需預測模型的輸出結果。因此，所建立的瓦斯系統優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性規劃方法進行求解。

    3 瓦斯平衡與優化調度系統整體架構

    浙江中控軟件技術有限公司經過多年的科研攻關和現場實踐，首次提出了由“2”個集成平臺、“4”套系統架構的石化企業瓦斯系統平衡與優化調度整體解決方案，如圖1所示。

               

               圖1 石化企業瓦斯系統平衡與優化調度整體解決方案架構圖

    該解決方案具有如下特點：

    （1）建設 “2”個集成平臺——公用工程信息集成和實時監控平臺，瓦斯系統優化調度平臺；

    （2）公用工程信息集成和實時監控平臺實現企業主要公用工程介質的實時監控、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）瓦斯系統優化調度平臺，基于瓦斯產耗預測和瓦斯管網模擬模型，以調度周期內燃料消耗成本最低和操作最平穩為目標，建立優化調度模型，給出未來調度周期內的優化調度建議，實現基于模型的“定量調度”和“事前調度”，通過減少瓦斯排放，優化燃料配置，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、鋼鐵企業廣泛的適用性、開放性和可移植性，可以為企業帶來明顯的經濟效益和社會效益。

    4 應用效果

    瓦斯平衡與優化調度整體解決方案在中國特大型煉化企業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時監控平臺，實現了企業整個公用工程（包括瓦斯、蒸汽、氫氣、氮氣等子系統）的實時監控和綜合管理，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生；

    （2）基于瓦斯產耗預測系統，可以準確預測未來一段時間內（如24小時內）瓦斯產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，為調度人員實現“事前調度”提供了有力支撐；

    （3）基于瓦斯管網在線模擬系統，準確獲得了低壓和高壓瓦斯管網內部每個節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），主要節點熱值預測誤差約為4%～7%，為調度人員實現精確調度和“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）基于瓦斯產耗預測和瓦斯管網在線模擬模型，建立了優化調度模型和專家系統，優化調度模型給出的調度方案與現場的匹配度大于90%，實現了有效的瓦斯系統優化調度，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，取得顯著的節能減排效果。

               

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

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

    （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

    瓦斯平衡與優化調度系統填補了國內石化企業瓦斯系統平衡與優化調度信息化平臺技術的空白，屬于國內首創，其成功應用于鎮海煉化，為企業帶來明顯經濟效益，獲得用戶高度評價。