引用本文

王天媛, 章立峰, 袁志宏, 杨涛. 基于原油类型聚类泊位分配的港炼一体化调度模型. 自动化学报, 2026, 52(6): 1157−1172 doi: 10.16383/j.aas.c250631

Wang Tian-Yuan, Zhang Li-Feng, Yuan Zhi-Hong, Yang Tao. Integrated terminal-refinery scheduling model based on crude oil type clustering berth allocation. Acta Automatica Sinica, 2026, 52(6): 1157−1172 doi: 10.16383/j.aas.c250631

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c250631

关键词

连续泊位分配，一体化调度，全流程优化，事件驱动建模，混合整数非线性规划

摘要

针对炼油全流程调度中传统序贯优化方法因忽略港口作业与生产各环节耦合关系而导致的储罐频繁切换、库存成本增加及装置原料供应不连续等问题, 采用按原油类型集中卸载的泊位分配策略, 基于事件的混合时间建模方法, 将泊位分配、原油卸载、储罐调度、蒸馏加工、二次加工和产品调配各环节集成, 构建港炼一体化调度模型. 模型综合刻画港口卸载与罐区库存的衔接约束、储罐切换与装置进料的时序关系及原油搭配与产品质量的耦合机制, 并采用归一化多参数分解技术对模型进行求解. 基于某炼化企业实际数据的案例研究结果表明, 所提模型能够有效优化泊位分配与原油卸载顺序, 显著改善罐区库存管理、常减压蒸馏装置进料连续性、二次加工装置运行及成品油调配等后续生产环节的运行状态. 与传统序贯优化方法相比, 该模型有效降低了总运行成本, 提高了调度效率.

文章导读

炼油工业作为典型的流程工业复杂系统, 在能源供应和化工产品生产中占据着不可替代的地位[1]. 实现从原油接卸到产品产出的全流程智能决策与协同优化, 是提升炼油企业运营效率和市场竞争力的关键[2]. 炼油企业的生产运营涵盖原油采购、运输、卸载、储存、加工、产品分销等多个环节, 具有多层次、多约束、多目标和强耦合的特征. 随着全球经济的持续发展和能源需求的不断增长, 炼油企业的生产规模日益扩大, 原油进口量逐年攀升. 据中国石油集团经济技术研究院发布的 《2024年国内外油气行业发展报告》, 2024年我国原油进口量为5.53亿吨, 石油对外依存度为71.9%[3]. 在这一背景下, 原油作为炼油企业最重要的生产原料, 其供应的稳定性和连续性直接影响炼油装置的正常运行和企业的经济效益. 港口泊位作为连接海上运输与陆地加工的关键节点, 其卸载效率和分配策略不仅影响油船在港等待时间和港口运营成本, 更是后续原油储运、加工生产等一系列环节的起点和源头. 泊位分配决策的合理性对整个炼油生产系统的运行效率具有全局性影响. 将港口原油接卸与炼厂生产纳入统一优化框架进行协同决策, 即港炼一体化调度优化, 成为提升炼油企业整体运营效率的关键. 然而, 实现港炼一体化调度优化面临诸多挑战.

本文针对港口泊位分配与炼厂生产一体化调度优化问题, 构建涵盖泊位分配、原油卸载、储罐调度、蒸馏加工及产品调配的全流程优化模型, 并发展相应的求解算法. 与已有研究相比, 本文工作具有以下特点: 1)在问题范围方面, 实现港口到炼厂的端到端全流程一体化优化. 现有研究多将港口泊位分配与炼厂生产调度分离处理, 这种分段优化虽降低了求解难度, 却忽略了港口资源约束对炼厂生产的影响及炼厂需求对泊位分配的反馈, 易陷入局部最优. 本文将船舶到港、泊位占用、储罐库存与炼厂生产在统一框架下协同决策, 突破了环节分割局限. 2)在建模策略方面, 提出混合时间建模框架, 即在同一模型中同时采用离散时间和连续时间两种时间表示方式, 兼顾精度与效率. 针对原油码头大批量、长周期卸载及油种频繁切换的特点, 本文提出按油种集中卸载的泊位分配策略, 减少管道清洗和交叉污染. Floudas等[34]系统比较连续时间与离散时间方法的优缺点, 指出基于事件的连续时间表示虽精确但模型规模随事件数增长, 离散时间表示虽简化建模但难以刻画非周期性事件. 本文对港口侧的泊位分配与卸载采用连续时间表示, 精确刻画离散事件时序; 对炼厂侧的生产加工与产品调配采用离散时间表示, 简化周期性操作建模. 该混合策略既保证关键事件的建模精度, 又有效控制变量和约束数量. 3)在求解方法方面, 发展基于归一化多参数分解的全局优化算法. 所建模型为含双线性项的大规模MINLP问题, 仅用求解器常因分支定界树过大而求解困难. 传统算法如外逼近法处理强非凸双线性约束时收敛慢且对初始点敏感. 本文采用归一化多参数分解技术, 该方法通过对双线性项的变量进行归一化处理并引入多个离散化参数, 将非凸MINLP问题分解为MILP主问题和NLP (nonlinear programming)子问题交替求解, 通过多参数策略在迭代中同时生成多个割平面加速收敛, 提高了计算效率并改善了解的质量.

图1  港口−炼厂集成调度优化框架

图2  原油船连续泊位分配的时空表示

图3  基于来船顺序的油船泊位分配方案

针对炼油企业从港口泊位分配到炼油装置生产的全流程协同调度问题, 本文基于事件驱动的混合时间建模方法构建了涵盖原油卸载、储运、加工全流程的一体化调度优化混合整数非线性规划模型, 突破了传统分段优化的局限性, 创新性地将原油码头泊位分配、罐区调度与炼油装置生产计划纳入统一的优化框架, 并采用归一化多参数分解技术进行求解. 基于12艘船舶、4种原油类型、30天调度周期的中小规模算例, 验证了一体化模型的数学正确性和NMDT求解方法的计算可行性. 本文所建立的一体化模型综合刻画了各环节的物料守恒、时序逻辑和资源约束, 实现了泊位分配、罐区调度与装置加工的全流程耦合优化, 能够在保证生产连续性的同时获得综合经济效益最优的调度方案. 相比于传统的分段序贯优化方法, 本文提出的一体化模型通过消除环节间的决策耦合损失, 能够有效降低总运营成本、减少储罐切换频次、提高生产计划的连续性和稳定性, 案例计算结果表明, 一体化模型使总收益提升1.62%, 库存成本降低31.50%, NMDT算法在27.69 s内求得最优性间隙为0.60%的解, 初步验证了一体化建模在该算例规模下的经济性优势和算法的计算效率. 同时, 模型中引入的按油种集中卸载的泊位分配策略与后续生产环节形成良好衔接, 进一步提升了一体化优化的效果. 需要指出的是, 本文算例规模相对有限, 模型在大规模复杂系统中的计算性能和鲁棒性尚需进一步验证. 本文主要针对确定性条件下的一体化调度问题进行了研究, 在未来研究中, 拟从以下三个方面深化: 一是在大规模实际案例上系统测试模型的可扩展性, 量化评估模型规模增长对求解时间和最优性间隙的影响规律, 明确模型的适用边界; 二是针对原油到港时间波动和装置计划外停机等典型不确定性场景, 发展基于场景树的两阶段随机规划模型或鲁棒优化模型, 并设计滚动时域优化框架实现动态调整; 三是针对模型规模扩大带来的计算挑战, 探索变量选择性精度调整和NMDT与空间分支定界相结合的算法, 以提升中大规模问题如更多船舶、更多原油类型、更长调度周期等的求解效率和解质量.

作者简介

王天媛

东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室博士研究生. 主要研究方向为炼油过程生产计划与调度优化的理论、方法及应用. E-mail: 2210367@stu.neu.edu.cn

章立峰

帝国理工学院化工系萨金特过程系统工程中心博士后. 主要研究方向为化工过程系统工程, 人工智能辅助分子设计与过程优化. E-mail: lifeng.zhang@imperial.ac.uk

袁志宏

清华大学化学工程系化工与低碳技术国家重点实验室长聘副教授. 主要研究方向为过程系统工程与智能自主决策基础理论和应用技术. E-mail: zhihongyuan@mail.tsinghua.edu.cn

杨涛

东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室教授. 主要研究方向为工业人工智能, 信息物理系统和分布式优化. 本文通信作者. E-mail: yangtao@mail.neu.edu.cn

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