專利名稱：操作碳?xì)浠衔锷a(chǎn)設(shè)施的方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及操作碳?xì)浠衔锷a(chǎn)設(shè)施的方法與系統(tǒng)，尤其涉及用包含線性解算器與非線性解算器系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)化過程模擬器優(yōu)化碳?xì)浠衔锷a(chǎn)設(shè)施操作的方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
碳?xì)浠衔锷a(chǎn)設(shè)施一般包括多種集成控制的化學(xué)和/或提煉處理，用于生產(chǎn)汽油、柴油和柏油等所需的產(chǎn)品。有效地控制和優(yōu)化這種集中處理，存在各種難題有大量過程變量，如原料成分等；有種類繁雜的處理單元與設(shè)備；各種操作變量，如處理速率、溫度、壓力等；產(chǎn)品指標(biāo)；市場(chǎng)限制，如實(shí)用性與產(chǎn)品價(jià)格；機(jī)械限制條件；儲(chǔ)運(yùn)限制條件；氣候條件等。例如送到煉油廠的原油硫含量等原料成分，會(huì)從一條管道或油罐供到下一管道或油罐發(fā)生變化。倘若煉制品的硫量通常受限制，則在生產(chǎn)與混合低硫柴油等合適制品同時(shí)使集中處理總有效性最大時(shí)，原油加料的硫含量變化會(huì)造成困難。因此，為生產(chǎn)期望的產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)最大有效性，控制和優(yōu)化提煉過程很重要。
提煉過程控制一般通過已知的過程控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)，諸如由高度自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)化的復(fù)雜的過程操作與控制技術(shù)實(shí)施的質(zhì)量與能量平衡。然而，控制設(shè)定值經(jīng)常未被優(yōu)化成在保持最大有效性的同時(shí)生產(chǎn)期望的產(chǎn)品，結(jié)果對(duì)碳?xì)浠衔锷a(chǎn)過程應(yīng)用了各種優(yōu)化技術(shù)與方案。一般優(yōu)化通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)，即先根據(jù)諸如質(zhì)量與能量平衡、系統(tǒng)動(dòng)作學(xué)等已知的關(guān)系與限制條件對(duì)指定的過程作數(shù)學(xué)模型或模擬，再求解該數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)期望變量的優(yōu)化，一般是使過程有效性最大。若有大量前述的過程變量，這種數(shù)學(xué)模型就極大而復(fù)雜。
過程模擬一般分成兩類，都遵循科學(xué)方法的原理，包括觀察與描繪某種現(xiàn)象或成組現(xiàn)象；提出說明現(xiàn)象的假設(shè)；用假設(shè)預(yù)測(cè)存在的其它現(xiàn)象或定量預(yù)測(cè)新觀察結(jié)果；并用若干獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)和適當(dāng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)作實(shí)驗(yàn)測(cè)試。第一類是基于統(tǒng)計(jì)的模型，如應(yīng)用多次數(shù)據(jù)回歸(多變量)的模型。在對(duì)曲線(函數(shù))擬合數(shù)據(jù)時(shí)，回歸法是一種通過改變系數(shù)如為直線的預(yù)測(cè)曲線的截距與斜率，把實(shí)際數(shù)據(jù)與沿該曲線的數(shù)據(jù)之間的誤差減至最小的技術(shù)。下面討論的遞歸法也相似，但用于一方程系統(tǒng)，不只用于單個(gè)方程。第二類是基于第一原理的模型，諸如應(yīng)用對(duì)化學(xué)熱力學(xué)和/或動(dòng)力學(xué)接受的定律與理論的模型。
統(tǒng)計(jì)模型定義為對(duì)數(shù)據(jù)組應(yīng)用接受的統(tǒng)計(jì)方法所產(chǎn)生的任一種數(shù)學(xué)關(guān)系(函數(shù))或邏輯(或……，則……)，代表實(shí)際的過程。統(tǒng)計(jì)模型因基于收集自過程的實(shí)際數(shù)據(jù)，通常資源更密集，例如它可以基于過程試運(yùn)行或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，因數(shù)據(jù)收集一般非自動(dòng)化，故人為與實(shí)驗(yàn)都很密集。統(tǒng)計(jì)模型還可基于過程的日常操作結(jié)果，過程可以自動(dòng)化并將預(yù)先安排的日常實(shí)驗(yàn)樣示用作數(shù)據(jù)源，但仍要作統(tǒng)計(jì)分析。
第一原理模型定義為應(yīng)用接受的科學(xué)理論或定律(關(guān)系與邏輯)的任一種數(shù)學(xué)關(guān)系成邏輯，因而這些理論與定律早已通過重復(fù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到過證實(shí)。雖然第一原理模型一般比統(tǒng)計(jì)模型更少變化，但如以下簡(jiǎn)化公式所示，仍須作調(diào)整。
因變量＝A*(第一原理模型)+B為校正系統(tǒng)誤差，A、B是被調(diào)系數(shù)，使模型調(diào)整為更緊密地接近當(dāng)前操作狀態(tài)。
模型種類一經(jīng)選用(即統(tǒng)計(jì)或第一原理)并根據(jù)與指定被模擬過程關(guān)聯(lián)的眾多變量形成，就必須應(yīng)用該模型的求解法(有時(shí)稱為解算器或優(yōu)化器)實(shí)現(xiàn)希望的目的。如前所述，最常見的商業(yè)目的是使有效性(受益性，profitability)最大。但目的可能不止一個(gè)，例如符合常規(guī)的過程操作要求或用戶的產(chǎn)品指標(biāo)，這類目的稱為模型限制條件。另還存在基于過程設(shè)備工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等的工程限制。這樣，在有多個(gè)商業(yè)目的或工程限制的場(chǎng)合，這些目的通常對(duì)使有效性最大的主要目的變成了限制條件。對(duì)于在給定的現(xiàn)有限制條件下求解使有效性最大的模型，

圖1示出許多選用方案。圖1是眾所周知的NEOS指導(dǎo)優(yōu)化樹(標(biāo)號(hào)200)，可在萬維網(wǎng)上得到，由能源部-Argonne國(guó)立實(shí)驗(yàn)室與西北大學(xué)編制。由圖1可知，數(shù)學(xué)解標(biāo)器分為離散型210或連續(xù)型220，后者還細(xì)分成非限制型225與限制型230。若存在上述限制條件，一般用于過程模擬器的解算器為連續(xù)的限制型解算器，如有名的限制型線性程序235或限制型非線性程序240。
線性程序針對(duì)線性函數(shù)(相對(duì)于一矢量)在非零有限數(shù)量的線性方程與線性不等式(相對(duì)于同一矢量)的條件下的最小化或最大化問題，即線性程序(LP)是一個(gè)可表達(dá)如下(所謂的標(biāo)準(zhǔn)形式)的問題使cx最小假定Ax＝bx≥0其中x是被求解變量的矢量，A是已知系數(shù)的矩陣，c和b是已知系數(shù)的矢量。cx稱為目標(biāo)函數(shù)，方程Ax＝b稱為限制條件。當(dāng)然，所有這些實(shí)體必須一致的量鋼，符號(hào)可按需要更換。矩陣A一般不是方陣，不能通過簡(jiǎn)單地顛倒(invert)矩陣A來求解LP。通常A的列多于行，因而Ax＝b很可能欠定(under-determined)，選擇使cx最小的x時(shí)有很大寬容度。而且線性程序像最小化那樣容易地處理最大化問題(實(shí)際上只是把矢量c乘以-1)。
非線性程序(NLP)是一個(gè)如下形式的問題使F(x)最小假定gi(x)＝0(i＝1，……m1，m1≥0)hj(x)≥0(j＝1，……m，m≥m1)即在一個(gè)或多個(gè)其它此類用來限制或限定這些變量值的函數(shù)的條件下，若干變量(x為矢量)的要最小化的標(biāo)量值函數(shù)F。F稱為目標(biāo)函數(shù)，其它函數(shù)稱為限制條件。F乘-1可最大化。
用線性解算器求解被模擬的過程顯現(xiàn)非線性特性的模型，估計(jì)會(huì)出現(xiàn)誤差。另外，非線性解算器要用大量時(shí)間求解模型，在模擬所含的過程變量的初值或假設(shè)遠(yuǎn)離實(shí)際求解值時(shí)尤其如此，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)求解要作多次迭代或遞歸。本發(fā)明針對(duì)過程與系統(tǒng)對(duì)優(yōu)化碳?xì)浠衔锷a(chǎn)設(shè)施操作的要求，可精密地模擬線性與非線性兩種過程特性，迅速求出解法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種操作碳?xì)浠衔锘蚧瘜W(xué)生產(chǎn)設(shè)施的方法，包括數(shù)學(xué)模擬該設(shè)施；用線性解算器與非線性解算器的組合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；并根據(jù)優(yōu)化法產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)品配方。在一實(shí)施例中，數(shù)學(xué)模型還包括許多帶過程變量與相應(yīng)系數(shù)的過程方程，并較佳地用過程變量與相應(yīng)系數(shù)形成線性程序的矩陣。線性程序通常遞歸或分布遞歸執(zhí)行。在通過連續(xù)遞歸后，用線性解算器與非線性解算器計(jì)算一部分過程變量與相應(yīng)系數(shù)的更新值，并將這些更新值代入矩陣。遞歸一直繼續(xù)下去，直到與前一次遞歸通過的相應(yīng)值相比，線性程序?qū)Ξ?dāng)前遞歸通過計(jì)算的過程變量與相應(yīng)系數(shù)的更新值落在指定的容差內(nèi)。在一實(shí)施例中，生產(chǎn)設(shè)施是煉油廠或其某個(gè)單元如原油蒸餾、碳?xì)浠衔镎麴s、重整、芳香族提取、甲苯歧化、溶劑脫瀝青、流化催化裂解(FCC)、粗柴油加氫、蒸餾物加氫處理、異構(gòu)化、硫酸烷基化和廢能發(fā)電，由非線性解算器來模擬。在一實(shí)施例中，產(chǎn)生的配方用于一種或多種下述產(chǎn)品氫、燃?xì)?、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷、汽油、再生汽油、煤油、航空燃油、高硫柴油、低硫柴油、高硫粗柴油、低硫粗柴?gas oil)與瀝青。
本發(fā)明還提供一種操作碳?xì)浠衔锘蚧瘜W(xué)生產(chǎn)設(shè)施的計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)，包括主控(host)設(shè)施數(shù)學(xué)模型的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過線性解算器與非線性解算器的組合優(yōu)化該數(shù)學(xué)模型，根據(jù)優(yōu)化解法產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)品配方。在一實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)的過程控制器接口，根據(jù)優(yōu)化解法提出設(shè)定點(diǎn)。在另一實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)控制煉油廠里的產(chǎn)品混合系統(tǒng)，生產(chǎn)以下一種或多種產(chǎn)品氫、燃?xì)?、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷、汽油、再生汽油、煤油、航空燃料、高硫柴油、低硫柴油、高硫粗柴油、低硫粗柴油與瀝青。
附圖簡(jiǎn)介現(xiàn)參照附圖詳述本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例，其中圖1是NEOS指導(dǎo)優(yōu)化樹；圖2是按本發(fā)明優(yōu)化的過程圖；和圖3是本發(fā)明生產(chǎn)產(chǎn)品配方的實(shí)施例的流程圖。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述本發(fā)明用于任一碳?xì)浠衔锷a(chǎn)設(shè)施，如煉油廠、化學(xué)廠等。在計(jì)算系統(tǒng)上制作一個(gè)代表整個(gè)被優(yōu)化過程的設(shè)施或工廠模型(有時(shí)稱為模擬器)，這種模型包括任何數(shù)量合適的編程層或模型元件(通常對(duì)應(yīng)于生產(chǎn)過程內(nèi)的獨(dú)立處理單元)，操作時(shí)相互耦合通信，諸如現(xiàn)場(chǎng)模型、子模型等。過程工程師一般涉及制作這類模型，以準(zhǔn)確地模擬生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)際性能。模型元件較佳地包括計(jì)算機(jī)程序或應(yīng)用程序，操作通過目標(biāo)定向編程裝置與技術(shù)耦接，諸如事件、方法、調(diào)用等。適合實(shí)施本發(fā)明的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，包括C++、C#、Java、Visual Basic、應(yīng)用程序Visual Basic(VBA)、Net、Fortran等。合適的目標(biāo)定向技術(shù)包括目標(biāo)聯(lián)接與埋置(OLE)、元件目標(biāo)模型(COM，COM+，DLL)、活動(dòng)X數(shù)據(jù)目標(biāo)(ADO)、數(shù)據(jù)存取目標(biāo)(DAO)、元語(yǔ)言(XML)等。主控本發(fā)明的合適計(jì)算平臺(tái)包括Windows XP、OSX等。
圖2是碳?xì)浠衔锷a(chǎn)設(shè)施模型的框圖，該設(shè)施是Atofina石化公司設(shè)在德州海灣的Port Arthur提煉廠。碳?xì)浠衔锷a(chǎn)設(shè)施通常包括許多集成為整個(gè)生產(chǎn)設(shè)施的獨(dú)立的處理單元。多設(shè)備模型300包括若干操作上耦接的子模型，用來模擬提煉廠內(nèi)特定的處理單元。多設(shè)備模型300包括提煉現(xiàn)場(chǎng)模型305和蒸汽裂化室現(xiàn)場(chǎng)模型310，它們操作上相互耦接通信，諸如箭頭307與309所指的數(shù)據(jù)交換。提煉現(xiàn)場(chǎng)模型305用于模擬一般提煉處理單元，諸如原油單元、再生、提取芳香族、溶劑脫瀝青、流化觸媒裂解(FCC)、粗柴油加氫、餾份加氫、異構(gòu)化、硫酸烷基化、廢熱發(fā)電等。蒸汽裂化室現(xiàn)場(chǎng)模型310模擬石腦油蒸汽裂化過程，生產(chǎn)用于乙烯與丙烯生產(chǎn)的原料?，F(xiàn)場(chǎng)模型305和310較佳為線性程序，更佳為用過程工業(yè)模型系統(tǒng)(PIMS)構(gòu)成的線性程序，如購(gòu)自Aspen技術(shù)公司的Aspen PIMSTM線性程序模型或購(gòu)自Haverly Systems公司的GRTMPS，這里統(tǒng)稱PIMS-LP。PIMS-LP應(yīng)用基本的(underlying)線性解算器CPLEX_或XPRESS_，提供遞歸與分布遞歸功能等(非線性功能)，在至少一次通過該線性解算器后，允許用戶通過稱為PIMS-SI的模擬器接口(SI)查詢基本的線性程序矩陣。
現(xiàn)場(chǎng)模型還包括操作上耦接的與前述特定單元相關(guān)的子模型，這類子模型可以是任一合適的類別(即第一原理或統(tǒng)計(jì)類)，應(yīng)用任一合適的解算器(如線性、非線性等)。例如，提煉現(xiàn)場(chǎng)模型305還包括操作上耦接提煉廠LP以作箭頭317與319所指通信的UOP DEMEX處理單元(脫金屬提取單元，也稱為溶劑脫瀝青，用于瀝青生產(chǎn))模擬器315，和操作上耦接提煉廠LP以作箭頭322與324所指通信的TDP-13TX(甲苯歧化反應(yīng)器和苯、甲苯與二甲苯分餾)模擬器320。UOP DEMEX處理單元模擬器315優(yōu)選應(yīng)用非線性解算器的統(tǒng)計(jì)學(xué)多次回歸模型，較好根據(jù)得自UOP DEMEX處理單元的試運(yùn)行數(shù)據(jù)用諸如購(gòu)自微軟公司的EXCEL等電子數(shù)據(jù)表構(gòu)制。TDP-BTX模擬器320優(yōu)選應(yīng)用非線性解算器的第一原理模型，更優(yōu)選購(gòu)自Sim Sci的PRO/II_。蒸汽裂化室子模型310還包括操作上耦接蒸汽裂化室LP以作箭頭327與329所指通信的蒸汽裂化室加熱器模擬器325，優(yōu)選第一原理非線性模型，如購(gòu)自Techwip-Coflesip的SPYRO_。雖然圖2中未示出，但還可對(duì)FCC、重整裝置和粗柴油加氫器等單元應(yīng)用附加的子模型，優(yōu)選的模擬器有購(gòu)自KBS Advance Techwology的Profimatiss、購(gòu)自Hyprotech的HYSYS或其它合適的市售模擬器。
本發(fā)明一實(shí)施例包括一種三層系統(tǒng)，其中用非線性模型元件模擬單元層面的特性(即優(yōu)化單元層面與產(chǎn)品混合操作)，用線性模型元件模擬工廠層面的特性(即優(yōu)化學(xué)廠層面操作)，諸線性模型還被聯(lián)成模擬設(shè)施層面的工廠之間的特性重迭(即對(duì)多工廠設(shè)施的集中生產(chǎn)過程作總體優(yōu)化)。為了在限制條件下在適時(shí)的方式內(nèi)找到使利益最大的準(zhǔn)確解法，發(fā)現(xiàn)將LP與本文所述的NLP法相結(jié)合有好處，用戶由此可同時(shí)得到及時(shí)性與精度二者。LP通常能迅速地描繪材料的費(fèi)用與制定路線(總重迭(overall overlap))，但很難有時(shí)間描繪局部的單元處理操作(局部互作用)。NLP通常能更準(zhǔn)確地反映過程，但要以犧牲速度為代價(jià)。
開發(fā)的遞歸與分布遞歸(DR)技術(shù)結(jié)合了不同的優(yōu)化法，可改善模型中被求解的不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。遞歸過程為求解模型，用外程序?qū)彶閮?yōu)化法，計(jì)算物理特性數(shù)據(jù)，用算出的數(shù)據(jù)修正模型，并再次求解模型。該過程一直重復(fù)到計(jì)算的數(shù)據(jù)變化落在規(guī)定的容差內(nèi)。在簡(jiǎn)單的遞歸法中，用戶的推測(cè)與外接計(jì)算機(jī)程序算出的優(yōu)解值之差，經(jīng)修正后再作優(yōu)化。
分布遞歸(DR)模型結(jié)構(gòu)把誤差計(jì)算從偏出LP解法移到LP矩陣本身內(nèi)部，為聯(lián)接的上下游過程變量提供誤差可視度(error visibility)。用初始物理特性估值或推測(cè)求出當(dāng)前矩陣后，從解中計(jì)算出新值并插入該矩陣求另一LP解。DR與簡(jiǎn)單遞歸的主要區(qū)別是處理推測(cè)與中間解之差，該差稱為“誤差”。當(dāng)用戶推測(cè)LP模型中遞歸庫(kù)的物理特性時(shí)，由于一般都猜錯(cuò)，故產(chǎn)生誤差。但在DR遞歸模型中，上游的材料生產(chǎn)者知道下游生產(chǎn)者的要求，反之亦然，因而DR模型能經(jīng)濟(jì)地平衡生產(chǎn)成本，對(duì)于整個(gè)設(shè)施或被模擬過程有更完全的了解。
如前所述，可用一種或組合的優(yōu)化技術(shù)找出原油轉(zhuǎn)化為精煉產(chǎn)品或化學(xué)原料轉(zhuǎn)化為化學(xué)制品的最大利益。但已發(fā)現(xiàn)，LP與NLP優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，可及時(shí)地制出用于制造合格碳?xì)浠衔锂a(chǎn)品的配方，這里還把NLP技術(shù)定義為包括LP技術(shù)之外的所有技術(shù)。遞歸、DR等都是對(duì)LP引入非線性的技術(shù)，每次連續(xù)通過時(shí)，線性程序矩陣的系數(shù)都被更準(zhǔn)確的值修正，該值反映出因變量對(duì)自變量有限變化的變化，保持所有其它自變量不變。但根據(jù)本發(fā)明，不是對(duì)每次連續(xù)的通過將得自前一次通過的修正值代入線性程序(并繼續(xù)遞歸通過直至求出解)，有些過程變量的修正值得自非線性模擬器并傳入該線性程序。
較佳地，本發(fā)明一實(shí)施例應(yīng)用了與約束的非線性模型元件集成在一起的約束的線性元件，例如LP與NLP相集成。更佳地，本發(fā)明應(yīng)用與約束的非線性模型元件集成的線性模型元件(稱為PIMS-LP)。最佳地，PIMS-LP還包括CPLEX_線性解算器，其具有一矩陣，該矩陣與一個(gè)或多個(gè)非線性過程模擬器集成，非線性模擬器通過運(yùn)行時(shí)間存儲(chǔ)器直接接口(與再生數(shù)據(jù)或存取被存數(shù)據(jù)相反)，從而可直接查詢對(duì)CPLEX_矩陣的輸入與輸出。
PIMS-LP根據(jù)EXCEL等電子數(shù)據(jù)表或ACCESS等數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)(即PIMS-LP矩陣由包含在一個(gè)或多個(gè)EXCEL電子數(shù)據(jù)表和/或ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)形成)，其還包括稱為PIMS-SI(模擬接口)的應(yīng)用程序接口，可讓其它模型元件(如非一性模擬器)與PIMS-LP接口，例如交換或修正信息，諸如基本電子數(shù)據(jù)表里的過程變量或系數(shù)。或者，非線性模擬器等模型元件可通過EXCEL的VisualBasic for Applications(VBA)與PIMS-LP接口。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，蒸汽裂化室子模型310是PIMS-LP，操作上通過使用含輸入與輸出電子數(shù)據(jù)表的EXCEL工作手冊(cè)接口耦接SPYRO_模擬器325，PIMS-LP和SPYRO_通過PIMS-SI可查詢這些電子數(shù)據(jù)表。較佳地，使用四張電子數(shù)據(jù)表，兩張用于來自PIMS-LP的輸入(表1)與輸出(表2)，兩張用于來自SPYRO_的輸入表(表3)的輸出(表4)。例如，一張輸入電子數(shù)據(jù)表用于把來自PIMS-LP的信息輸入SPYRO_，諸如進(jìn)料速率，進(jìn)料特性(組分、比重、硫等)、單元操作參數(shù)(溫度、壓力、比率、剛度、選擇性等)，一般PIMS-LP信息(通過次數(shù)、偏離容差項(xiàng)、目標(biāo)函數(shù)、熔液狀態(tài)、箱號(hào)等)。輸出電子數(shù)據(jù)表用于把來自SPYRO_模擬器的信息輸入PIMS-LP，諸如改變線性程序矩陣中系數(shù)值的矢量(如產(chǎn)出基本矢量、進(jìn)料特性矢量、單元操作參數(shù)矢量等)，和諸如傳遞質(zhì)量信息的遞歸行、容量行等PIMS-LP信息。為盡量減少收斂(convergence)的處理時(shí)間，在線性程序遞歸期間較佳地打開這些輸入輸出電子數(shù)據(jù)表，而不是在每次遞歸通過期間打開、保存與關(guān)閉。更佳地，用PIMS-LP型12.31版和更高版里的開關(guān)保持打開電子數(shù)據(jù)表。通過對(duì)線性程序(例如PIMS-LP)與非性線模擬器(如SPYRO_)之間的EXCEL接口強(qiáng)加一些規(guī)則，可進(jìn)一步減少處理時(shí)間，諸如調(diào)用一次非性線模擬器運(yùn)行多種情況；只在線性程序作了指定次數(shù)的遞歸通過后運(yùn)行非線性模擬器；只在線性程序可行時(shí)運(yùn)行非線性模擬器；在每次通過之間的元件變化落在指定容差內(nèi)時(shí)就不運(yùn)行非線性模擬器；對(duì)在指定容差內(nèi)變化的元件不再重新計(jì)算新的系數(shù)。這類規(guī)則可以用作通過目標(biāo)定向編程技術(shù)與事件處理協(xié)議使用EXCEL VBA的方法。下面的一例偽代碼表明EXCEL里的事件觸發(fā)收斂速度控制法的情況
<pre listing-type="program-listing">Private Sub Worksheet_Calculate()Dim sh As Excel.WorksheetDim sh1 As Excel.WorksheetSet sh＝Excel.Worksheets(″Input″)Set sh1＝Excel.Worksheets(″SpyroIn″)Excel.Worksheets(″SpyroIn″).SelectIf sh1.Range(″J1″.)＝1.ThenWorksheets(″Input″).SelectCS＝sh.Range(″ConvergeSwitch″).ValueIf sh.Range(″PASS″).Value＝1 Thensh.Range(sh.Cells(3，13)，sh.Cells(62，113)).Clear&lt;br/&gt;End IfLog information from this passsh.Range(″B3B61″).Copysh.Cells(3，sh.Range(″PASS″).Value+12).PasteSpecial xlValuessh.Cells(62，sh.Range(″PASS″).Value+12)＝CS′Save input if we call SpyroIf CS＝0 Then Call SaveInputEnd IfEnd Sub</pre>在本發(fā)明一實(shí)施例中，提煉廠現(xiàn)場(chǎng)模型305是通過使用PIMS-SI接口與DEMEX模擬器315操作連接的PIMS-LP，而PIMS-SI接口有包含輸入輸出電子數(shù)據(jù)表的EXCEL工作手冊(cè)。輸入電子數(shù)據(jù)表用于把來自PIMS-LP的信息輸入DEMEX模擬器，實(shí)例如下* DEMEX NON-LINEAR SIMULATOR INPUT VARIABLES** PIMS System Vorlables*Tag valve***

** Operating Parameter shift Vorlobles*

** Feed Quality shift Voriablas*

輸出電子數(shù)據(jù)表把來自SPYRO模擬器的信息輸入DEMEX，實(shí)例如下*DEMEX NON-LINEAR SIMULATOR OUTPUT VARIABLES**Produet Yields*Row columnvahue*** *Preduet Qunlitias** *Operating Paromater shift Vncters* *Feed Quality Paromatar shift vnctnrs* 前述這些技術(shù)都可將收斂處理時(shí)間減至最小。
圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其涉及提煉配方發(fā)生器10，其中具有實(shí)際操作、實(shí)驗(yàn)與管理數(shù)據(jù)(虛線部分15內(nèi)表示)的實(shí)際過程(虛線部分13內(nèi)表示)用集成的線性與非線性模型元件模擬，用于產(chǎn)生碳?xì)浠衔锂a(chǎn)品指標(biāo)(由部分13與15之間的模擬部分16表示)，尤其可用于產(chǎn)生優(yōu)化的混合產(chǎn)品配方，諸如來自煉油廠的汽油、柴油、#6油與瀝青。配方發(fā)生器10可通過連接器42與58使用(accessible)。雖然圖3的實(shí)施例針對(duì)原油提煉，但其中的方法適用于任一種碳?xì)浠衔锘蚱渌瘜W(xué)生產(chǎn)設(shè)施。
圖3的部分13代表被模擬的物理碳?xì)浠衔锖?或化學(xué)過程或工廠，其包括過程的進(jìn)料輸入、碳?xì)浠衔锖?或化學(xué)合成和過程的輸出或產(chǎn)品。在更具體的石油提煉方面，原油供應(yīng)12在提煉過程16中經(jīng)提煉而生產(chǎn)提煉產(chǎn)品22。原油供應(yīng)12包括各種原料，諸如當(dāng)?shù)貛?kù)原料、市售的其它原料(如油罐、管道等)和二者相結(jié)合。提煉過程16是任一種適合生產(chǎn)所需煉制品的提煉過程、單元與混合設(shè)施的組合，它包括許多過程控制器，如溫度控制器、壓力控制器、成分控制器、流速控制器、料位控制器(level controller)、閥控制器、設(shè)備控制器等。這類控制器較佳地通過相應(yīng)地過程控制設(shè)備值18(有時(shí)被業(yè)界稱為設(shè)定點(diǎn)(setpoint))被計(jì)算機(jī)控制。過程控制設(shè)定值通常存貯在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里(如數(shù)據(jù)庫(kù)等)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理上分開或經(jīng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)聯(lián)接，可通過連接器14供模擬部使用，而連接器14與這里揭示的其它連接器一樣，可以手動(dòng)和/或自動(dòng)接通，供數(shù)據(jù)輸入和/或輸出。提煉過程16包括許多通常對(duì)應(yīng)于同類控制器的過程傳感器，如溫度、壓力、成分、流速、料位、閥設(shè)備等傳感器。這類傳感器產(chǎn)生通常存貯在前述計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里的不一致過程數(shù)據(jù)與限制條件24，可通過連接器20供模擬部分16使用。不一致過程數(shù)據(jù)指直接取自傳感器而未經(jīng)任何修正或調(diào)和(如質(zhì)量和/或能量平衡調(diào)和)的原始過程數(shù)據(jù)。不一致的過程數(shù)據(jù)24對(duì)過程的實(shí)際操作條件提供一幅快照。
圖3的操作、實(shí)驗(yàn)與管理數(shù)據(jù)部15代表對(duì)部分13所表示的物理碳?xì)浠衔锖?或化學(xué)過程實(shí)際的限制條件，還包括提煉操作步驟40、提煉管理輸入36、當(dāng)前供給信息28、歷史供給信息30，它們都可通過連接器34和38供模擬部16使用。提煉管理輸入36包括一般用人工而非自動(dòng)輸入的若干因素，如操作目標(biāo)，優(yōu)化目標(biāo)、技術(shù)服務(wù)和信息技術(shù)，實(shí)際上是把對(duì)當(dāng)前提煉操作作出的管理決定和經(jīng)營(yíng)目的分解成模擬過程的關(guān)系。與提煉管理決定類似的提煉操作步驟40，是對(duì)操作提煉廠建立的指南，諸如設(shè)計(jì)、安全、環(huán)境與其它類似的限制條件。當(dāng)前外部信息28包括產(chǎn)品與原料的研發(fā)信息與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果(如原油檢驗(yàn))等技術(shù)數(shù)據(jù)和商品/產(chǎn)品報(bào)價(jià)(如紐約貿(mào)易交易數(shù)據(jù))與能源費(fèi)用(如Platts全球能源數(shù)據(jù))等財(cái)務(wù)信息。歷史外部信息30包括與當(dāng)前外部信息28相機(jī)或相似的數(shù)據(jù)(如一致的過程數(shù)據(jù)、歷史產(chǎn)品報(bào)價(jià)、季節(jié)性價(jià)格與報(bào)價(jià)趨勢(shì)、能源費(fèi)用、原油檢驗(yàn)等)，但包含了歷史周期，可將趨勢(shì)(趨向性數(shù)據(jù))包括在模擬中。當(dāng)前外部信息28和歷史外部信息30之所以被稱為外部，是因?yàn)樗鼈兺ǔ５米詫?shí)際操作過程的外部來源(可作為不一致過程數(shù)據(jù)24的數(shù)據(jù))，而且較佳地被存貯在并可從數(shù)據(jù)存貯單元32得到。
如圖3所示和這里詳述的那樣，模擬部16通過連接器14、20、34和38以反饋回路關(guān)系與部分13代表的物理碳?xì)浠衔锖?或化學(xué)過程和部分15代表的操作、實(shí)驗(yàn)與管理數(shù)據(jù)操作連接。圖3的模擬部16還包括模擬制作步驟26、解算器陣列43和模型輸出步驟56。在模型制作步驟26中，研制或編制過程模擬模型，一般涉及一名或多名過程工程師和/或計(jì)算機(jī)編程師。如前所述，模型為任一合適的類別，如統(tǒng)計(jì)型和/或第一原理型，還包括數(shù)量合適的模型元件(較佳地對(duì)應(yīng)于過程內(nèi)的諸單元)，包括前述市售的元件。模型通?；谫|(zhì)量與能量平衡、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等成熟的數(shù)字與工程關(guān)系和限制條件以及前述的實(shí)際操作限制條件。制作模型時(shí)，實(shí)際操作數(shù)據(jù)與限制條件來自過程，包括提煉操作步驟40、提煉管理輸入36，當(dāng)前外部信息28與歷史外部信息30及不一致的過程數(shù)據(jù)24。
在模型制作步驟26中制出的數(shù)學(xué)模型用解算器陣列43求解，而陣列43包括如前述集成了一個(gè)或多個(gè)非線性模擬器52(對(duì)應(yīng)于圖2中的模擬器315、320與325)的線性程序41(對(duì)應(yīng)于圖2中的線性程序305)。線性程序41較佳地用遞歸法或分布遞歸求解，更佳為PIMS-LP。線性程序41還包括矩陣發(fā)生器44、線性解算器46和比較器或評(píng)價(jià)步驟48。矩陣發(fā)生器44是一種根據(jù)成組數(shù)學(xué)公式與方程產(chǎn)生矩陣的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序或程序，它建立適合用線性解算器46(優(yōu)選CPLEX_線性解算器)求解的矩陣。較佳地，矩陣發(fā)生器44是PIMS-LP的一個(gè)元件，符合CPLEX_線性解算器的輸入要求或API。該矩陣對(duì)應(yīng)于前述的線性程序標(biāo)準(zhǔn)形式，包括過程自變量與因變量以及矩陣發(fā)生器44對(duì)每一變量建立的系數(shù)或“調(diào)節(jié)因子”。一例簡(jiǎn)化的二乘二矩陣為 下面是諸系數(shù)與自變量的點(diǎn)積汽油產(chǎn)量＝aX+bY柴油產(chǎn)量＝cX+dy其中x、y代表過程變量，a～d是調(diào)節(jié)相應(yīng)變量值的系數(shù)。換言之，系數(shù)a～d代表相互關(guān)系的互作用，每種關(guān)系有一個(gè)或多個(gè)自變量(x與y)和一個(gè)或多個(gè)因變量(汽油產(chǎn)量與柴油產(chǎn)量)。從物理上講，矢量代表具有大小與方向的量，即速度。例如，定義目標(biāo)速度時(shí)，把它表為每小時(shí)5英里的速度運(yùn)行是不夠的，還需要目標(biāo)的方向，即目標(biāo)正以5英里/小時(shí)的“東北”運(yùn)行。然而，“東北”有點(diǎn)含糊，更多的說法是目標(biāo)正以4英里/小時(shí)向“北”行進(jìn)，同時(shí)以3英里/小時(shí)向“東”行進(jìn)，而其速度仍為5英里/小時(shí)。同樣地，上述簡(jiǎn)化的矩陣?yán)影哑彤a(chǎn)量分成過程分量。如在通過FCC單元處理粗柴油時(shí)，若增高反應(yīng)器溫度(x)，汽油(輕)產(chǎn)量就增大(a具有正幅值)，若增大觸媒/柴油比率(y)，則汽油也增多(b也具有正幅值)，而所有這些影響的和積得出汽油總量。類似地，柴油產(chǎn)量通過FCC隨溫度增高而增大(c也具有正幅值)，但隨著觸媒/柴油比的增大而減少(d具有負(fù)幅值)。因此，可將碳?xì)浠衔镎羝硎緸槭噶?，其影響處理分量的和積描述其產(chǎn)量。較佳地，矩陣的列包括自變的過程變量，其行包括因變的過程變量。各變量有一系數(shù)，而當(dāng)自變量與因變量無關(guān)系時(shí)，系數(shù)為零。
在模型制作步驟26中，較佳地根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、前幾次模擬、工程估值等設(shè)置矩陣中變量與系數(shù)的初值(有時(shí)稱為初步推測(cè))，這些值傳到線性解算器46，產(chǎn)生變量和系數(shù)的計(jì)算值(第一次傳送值對(duì)應(yīng)于第一次遞歸通過，第二次傳送變量對(duì)應(yīng)于第二次遞歸通過，依次類推)?？蓱?yīng)用任一合適的線性解算器，如AspenTechnology、Frontline System、ILOG等公司出售的CLPEX_或XPRESS_。由于對(duì)變量推測(cè)幾乎肯定有錯(cuò)，為了求解，要求多次遞歸或分布遞歸通過。對(duì)某次通過計(jì)算的變量與成組限制條件或容差作比較，判斷該線性程序是否求出了解。在判斷線性程序是否收斂時(shí)，把當(dāng)前通過值與前一次通過值作比較，以確定差值。若差值大于容差，則評(píng)估錯(cuò)誤，線性程序未求出合格的解，因而必須改變前述的系數(shù)來調(diào)整變量值。對(duì)每一變量，檢查連續(xù)通過期間產(chǎn)生的差值，以判斷線性解算器是否準(zhǔn)確代表了變量特性。有些變量在被LP修正的模型中編碼，其它變量在被NLP修正的模型中編碼，這類編碼可以修正成反映對(duì)時(shí)間的結(jié)果，無論是模擬結(jié)果還是實(shí)際過程結(jié)果或者兩者都是。對(duì)于顯示線性特征(因此在LP內(nèi)編碼)的變量，其系數(shù)在PIMS-LP中不變，即自變量呈階躍變化，以便用一般LP法使目標(biāo)函數(shù)最大。當(dāng)自變量(也稱為活動(dòng)性)在最后一次遞歸通過中的差值與當(dāng)前通過同樣在期望的容差內(nèi)，遞歸便停止。此時(shí)，該系數(shù)變成一恒值，對(duì)應(yīng)于該線性方程與各獨(dú)立的自變量的斜率，其它保持不變。另外，對(duì)于被認(rèn)為顯示非線性特性(并較佳地通過NLP的輸入/輸出文檔如此編碼)的變量，可對(duì)PIMS-LP構(gòu)架外加一非線性解算器系統(tǒng)52，調(diào)節(jié)這類變量的系數(shù)。非線性解算器系統(tǒng)52包括一個(gè)以上的非線性解算器，優(yōu)選的非線性解算器系統(tǒng)或模擬器包括前述圖2所示的那種。在線性程序指定的一次通過后，非線性解算器系統(tǒng)52經(jīng)連接器50查詢(得到)顯現(xiàn)非線性特性的變量與相應(yīng)系數(shù)。
PIMS-LP模型的輸出數(shù)據(jù)作為該非線性模型的輸入。非線性模型在一預(yù)定步驟內(nèi)計(jì)算每一自變量新的線性系數(shù)(斜率)，即保持其它不變的增量大小。在指定的一次通過后留在矩陣?yán)锏南禂?shù)經(jīng)連接器54被查詢和調(diào)節(jié)，從而為線性程序在下次遞歸通過所用的系數(shù)提供修正值。應(yīng)用修正的系數(shù)(對(duì)線性與非線性兩種變量)，評(píng)估步驟48在每次遞歸通過期間檢查線性解算器46的結(jié)果，當(dāng)所有變量都在容差內(nèi)時(shí)，線性程序就求出解(solution)，并把解傳到模型輸出步驟56。
模型輸出步驟56包括操作提煉廠和/或生產(chǎn)產(chǎn)品的優(yōu)化法，以對(duì)給定的操作條件、原料、限制條件等實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的目標(biāo)，較佳使有效性最大。較佳地，模型輸出步驟56包括用于諸如下列產(chǎn)品的生產(chǎn)配方或混合配方氫、燃?xì)?、液化石油?LPG)、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷、汽油、再生汽油、煤油、航空燃料、高硫柴油、低硫柴油、高硫粗柴油、低硫粗柴油、#6油與瀝青。模型輸出較佳地還包括操作和管理碳?xì)浠衔锖?或化學(xué)過程以實(shí)現(xiàn)期望優(yōu)化的數(shù)據(jù)、信息、修正等，例如包括以手動(dòng)或較佳地自動(dòng)方式反饋給部分13所代表的碳?xì)浠衔锖?或化學(xué)過程的修正的過程控制設(shè)定值18，以控制和操作該過程實(shí)現(xiàn)期望的優(yōu)化。較佳地，模型輸出還包括原料指標(biāo)與后勤服務(wù)以及為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化操作而對(duì)提煉操作步驟與指南所作的修正。
實(shí)例下例是前述DEMEX單元的一小部分矩陣。提供一提取柱，以接收從含脫金屬油(DMD)、樹脂與瀝青的真空塔里的底部(重組分)。此外還提供作為提取溶劑的丙烷與丁烷。DMD與樹脂從提取柱頂部收集后傳到閃蒸鼓，以生產(chǎn)分離的DMO與樹脂產(chǎn)品。瀝青則從提取柱底部收集。對(duì)該例而言，因變量代表提取柱的產(chǎn)品產(chǎn)量，自變量代表提取柱的溫度，因此進(jìn)料與生產(chǎn)合起來的活動(dòng)必須為零，因?yàn)橛匈|(zhì)量平衡限制。更具體地說，描繪提取柱產(chǎn)量的關(guān)系為產(chǎn)量(DMO)＝aDMO·Text產(chǎn)量(樹脂)＝a樹脂·Text產(chǎn)量(瀝青)＝a瀝青·Text溫度為自變量，故在矩陣中是一列元，而產(chǎn)量為因變量，是一行元。為保持質(zhì)量，溫度活動(dòng)關(guān)系要求為零。
aDMO+a樹脂+a瀝青＝0而且aDMO+a樹脂＝-a瀝青雖已圖示和描述了本發(fā)明較佳的諸實(shí)施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對(duì)其作出修正而不違背本發(fā)明的精神或內(nèi)容，因而這里描述的實(shí)施例只供示例而不作限制?？蓪?duì)系統(tǒng)與裝置作許多變動(dòng)與修改且包括在本發(fā)明范圍內(nèi)，所以保護(hù)的范圍不限于本文所描述的諸實(shí)施例，只受下述的權(quán)項(xiàng)限制，而權(quán)項(xiàng)的范圍應(yīng)包括所有權(quán)項(xiàng)主題的等效物。
權(quán)利要求
1.一種操作碳?xì)浠衔锘蚧瘜W(xué)生產(chǎn)設(shè)施的方法，其特征在于，包括數(shù)學(xué)模擬所述設(shè)施；以線性解算器與非線性解算器的組合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；和按優(yōu)化的方法產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)生產(chǎn)配方或操作設(shè)定點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中數(shù)學(xué)模型還包括多個(gè)有過程變量與相應(yīng)系數(shù)的過程方程。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中過程變量與相應(yīng)系數(shù)用于在線性程序中形成矩陣。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中線性程序通過遞歸法執(zhí)行。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中線性程序通過分布遞歸法執(zhí)行。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中在遞歸連續(xù)通過后，線性解算器計(jì)算出一部分過程變量與相應(yīng)系數(shù)的修正值。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中在遞歸連續(xù)通過后，非線性解算器計(jì)算出一部分過程變量與相應(yīng)系數(shù)的修正值。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中把過程變量與相應(yīng)系數(shù)的修正值代入矩陣。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中遞歸法一直繼續(xù)到線性程序?qū)Ξ?dāng)前遞歸通過計(jì)算的過程變量與相應(yīng)系數(shù)的修正值與其前一次遞歸通過的對(duì)應(yīng)值相比落在指定的容差內(nèi)為止。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中線性程序是PIMS-LP。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中線性解算器是CPLEX或XPRESS。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中矩陣的過程變量與相應(yīng)系數(shù)存貯在一張或多張電子數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中非線性解算器經(jīng)PIMS-SI查詢電子數(shù)據(jù)表。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中非線性解算器經(jīng)Visual Basic forApplications(VBA)查詢電子數(shù)據(jù)表。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中生產(chǎn)設(shè)施是煉油廠。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中非線性解算器模擬煉油廠的一部分，所述部分選自原油蒸餾、碳?xì)浠衔镎麴s、重整、芳香族提取、甲苯歧化、溶劑脫瀝青、液化觸媒裂化(FCC)、粗柴油加氫、餾份加氫、異構(gòu)化、硫酸烷基化與廢熱發(fā)電。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中對(duì)選自以下的一種或多種產(chǎn)品產(chǎn)生配方氫、燃?xì)?、LPG、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷、汽油、再生汽油、煤油、航空燃料、高硫柴油、低硫柴油、高硫粗柴油、低硫粗柴油、#6油與瀝青。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中過程變量包括提煉的原油原料的組分。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括根據(jù)優(yōu)化方案選擇提煉的一種或多種原油原料。
20.一種操作碳?xì)浠衔锘蚧瘜W(xué)生產(chǎn)設(shè)施的計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)，其特征在于，包括主控所述設(shè)施數(shù)學(xué)模型的計(jì)算機(jī)，其中計(jì)算機(jī)通過組合線性解算器與非線性解算器化優(yōu)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)優(yōu)化方案產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)品配方。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)的過程控制器接口并按優(yōu)化方案設(shè)置設(shè)定點(diǎn)。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中計(jì)算機(jī)控制煉油廠里的生產(chǎn)混合系統(tǒng)，生產(chǎn)選自以下的一種或多種產(chǎn)品氫、燃?xì)?、LPG、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷、汽油、再生汽油、煤油、航空燃料、高硫柴油、低硫柴油、高硫粗柴油、低硫粗柴油、#6油與瀝青。
全文摘要
一種操作碳?xì)浠衔锘蚧瘜W(xué)生產(chǎn)設(shè)施的計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)與方法，包括數(shù)學(xué)模擬該設(shè)施，用組合的線性解算器成非線性解算器優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)優(yōu)化方案產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)品配方。在一實(shí)施例中，數(shù)學(xué)模型還包括多個(gè)有過程變量與相應(yīng)系數(shù)的過程方程，較佳地用過程變量與相應(yīng)系數(shù)在線性程序中形成一矩陣。線性程序通過遞歸法或分布遞歸法執(zhí)行。遞歸成功通過后，線性解算器與非線性解算器算出一部分過程變量和相應(yīng)系數(shù)從修正值，并把修正值代入矩陣。
文檔編號(hào)G05B13/04GK1688994SQ03824475
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2003年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月23日
發(fā)明者T·G·梅斯, J·M·肯克爾三世 申請(qǐng)人:弗納技術(shù)股份有限公司