基于分解方法的初餾塔與常壓塔多目標協(xié)同優(yōu)化策略與實踐一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景在石油煉化行業(yè)中，常減壓蒸餾裝置作為核心環(huán)節(jié)，肩負著將原油分離為不同餾分的關(guān)鍵任務(wù)，這些餾分進一步加工后成為各類燃料和化工原料，其運行狀況直接影響著后續(xù)生產(chǎn)流程的質(zhì)量與效率。常減壓蒸餾裝置主要包括初餾塔、常壓塔和減壓塔，其中初餾塔和常壓塔在整個裝置中占據(jù)著舉足輕重的地位。初餾塔能夠預(yù)先分離出原油中的輕組分，減輕常壓塔的負荷，同時可以有效避免常壓塔塔頂餾出物中攜帶過多重組分，提高產(chǎn)品質(zhì)量。常壓塔則是生產(chǎn)汽油、煤油、柴油等輕質(zhì)油品的主要場所，其分離效果直接決定了產(chǎn)品的收率和質(zhì)量。然而，隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油需求持續(xù)增長，同時環(huán)保要求日益嚴格，對石油煉化行業(yè)提出了更高的挑戰(zhàn)。一方面，企業(yè)需要提高生產(chǎn)效率，以滿足市場對石油產(chǎn)品的需求；另一方面，要降低能耗和污染物排放，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在這種背景下，初餾塔和常壓塔的協(xié)同運行優(yōu)化顯得尤為重要。目前，許多煉油廠的初餾塔和常壓塔在運行過程中存在操作參數(shù)不合理、能源利用效率低等問題。例如，一些裝置的回流比過大，導(dǎo)致能耗增加，同時產(chǎn)品質(zhì)量并未得到顯著提升；部分裝置的塔板效率較低，使得分離效果不理想，產(chǎn)品收率下降。此外，由于原油性質(zhì)的波動以及市場需求的變化，如何及時調(diào)整初餾塔和常壓塔的操作參數(shù)，實現(xiàn)兩者的協(xié)同優(yōu)化，成為了石油煉化行業(yè)亟待解決的問題。1.1.2研究意義對初餾塔和常壓塔進行多目標協(xié)同運行優(yōu)化，具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。從現(xiàn)實角度來看，首先，優(yōu)化能夠顯著提升生產(chǎn)效率。通過合理調(diào)整操作參數(shù)，如進料溫度、回流比、塔板數(shù)等，可以使初餾塔和常壓塔的分離效果達到最佳，從而提高輕質(zhì)油品的收率，滿足市場對高質(zhì)量石油產(chǎn)品的需求。例如，某煉油廠通過優(yōu)化初餾塔和常壓塔的操作，將輕質(zhì)油品收率提高了5%，有效提升了企業(yè)的市場競爭力。其次，優(yōu)化能夠降低能耗。在石油煉化過程中，能源消耗占據(jù)了較大的成本比例。通過優(yōu)化，可以減少加熱爐的負荷、降低冷卻水量以及合理利用余熱等，實現(xiàn)能源的高效利用。有研究表明，通過對常減壓蒸餾裝置的優(yōu)化，可使裝置能耗降低10%-20%，為企業(yè)節(jié)省大量的能源成本。再者，優(yōu)化有助于增加經(jīng)濟效益。提高生產(chǎn)效率和降低能耗的直接結(jié)果就是降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)的利潤。同時，優(yōu)化后的產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu)，能夠以更高的價格出售，進一步提升企業(yè)的經(jīng)濟效益。從理論價值方面分析，本研究豐富了石油煉化過程的優(yōu)化理論和方法。通過深入研究初餾塔和常壓塔的協(xié)同運行機制，建立更加準確的數(shù)學(xué)模型，為石油煉化裝置的優(yōu)化設(shè)計和操作提供了新的思路和方法。此外，本研究的成果也可以為其他類似的化工分離過程提供借鑒，推動整個化工行業(yè)的技術(shù)進步。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在初餾塔和常壓塔模擬方面，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究。早期，主要運用簡單的數(shù)學(xué)模型對塔內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱過程進行初步模擬。隨著計算機技術(shù)和化工模擬軟件的發(fā)展，如AspenPlus、Pro/II等，模擬精度得到顯著提升。這些軟件能夠綜合考慮塔板效率、進料組成、操作條件等多種因素，準確模擬出初餾塔和常壓塔的溫度分布、壓力分布以及氣液相分布等。例如，文獻[具體文獻1]采用AspenPlus軟件對某煉油廠的常減壓裝置進行模擬，得到了初餾塔和常壓塔各塔板的溫度、壓力以及氣液相組成等詳細信息，模擬結(jié)果與實際數(shù)據(jù)的誤差在可接受范圍內(nèi)，為后續(xù)的優(yōu)化研究提供了可靠的基礎(chǔ)。在優(yōu)化算法研究領(lǐng)域，多種算法被應(yīng)用于初餾塔和常壓塔的優(yōu)化。傳統(tǒng)的優(yōu)化算法如梯度下降法、單純形法等，通過對目標函數(shù)求導(dǎo)或迭代搜索來尋找最優(yōu)解，但這些算法在處理復(fù)雜的非線性問題時，容易陷入局部最優(yōu)解。為了克服這一缺陷，智能優(yōu)化算法應(yīng)運而生。遺傳算法（GA）模擬生物進化過程，通過選擇、交叉和變異等操作，在解空間中搜索全局最優(yōu)解；粒子群優(yōu)化算法（PSO）則模擬鳥群覓食行為，通過粒子間的信息共享和協(xié)作來尋找最優(yōu)解。文獻[具體文獻2]運用遺傳算法對常壓塔的操作參數(shù)進行優(yōu)化，以產(chǎn)品收率和能耗為優(yōu)化目標，結(jié)果表明，優(yōu)化后的產(chǎn)品收率提高了[X]%，能耗降低了[X]%。此外，模擬退火算法（SA）、蟻群算法（ACO）等也在相關(guān)研究中得到應(yīng)用，取得了較好的優(yōu)化效果。在初餾塔和常壓塔協(xié)同運行優(yōu)化方面，一些研究從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，綜合考慮兩者的相互關(guān)系和約束條件，建立了聯(lián)合優(yōu)化模型。例如，文獻[具體文獻3]通過分析初餾塔和常壓塔的物料平衡、能量平衡以及質(zhì)量平衡關(guān)系，建立了兩者的協(xié)同優(yōu)化模型，并采用多目標粒子群優(yōu)化算法（MOPSO）對模型進行求解，實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量、收率和能耗的多目標優(yōu)化。然而，目前的協(xié)同運行優(yōu)化研究仍存在一些不足之處。一方面，部分研究僅考慮了少數(shù)幾個優(yōu)化目標，難以全面滿足企業(yè)的實際需求；另一方面，在模型建立過程中，對一些復(fù)雜因素的考慮不夠充分，如原油性質(zhì)的動態(tài)變化、設(shè)備的故障影響等，導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果與實際情況存在一定偏差。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞基于分解方法的初餾塔和常壓塔多目標協(xié)同運行優(yōu)化展開，具體內(nèi)容如下：建立初餾塔和常壓塔的數(shù)學(xué)模型：深入研究初餾塔和常壓塔的傳質(zhì)、傳熱過程，綜合考慮塔板效率、進料組成、操作條件等關(guān)鍵因素，運用嚴格的熱力學(xué)方程和質(zhì)量、能量守恒定律，建立準確描述初餾塔和常壓塔運行的數(shù)學(xué)模型。例如，采用平衡級模型對塔內(nèi)的氣液相平衡進行建模，考慮塔板效率對傳質(zhì)的影響，以提高模型的準確性。同時，結(jié)合實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對模型進行參數(shù)估計和驗證，確保模型能夠真實反映塔的運行特性。分析初餾塔和常壓塔的運行特性：利用建立的數(shù)學(xué)模型，對初餾塔和常壓塔在不同操作條件下的運行特性進行深入分析。研究進料溫度、回流比、塔板數(shù)等操作參數(shù)對塔內(nèi)溫度分布、壓力分布、氣液相組成以及產(chǎn)品質(zhì)量和收率的影響規(guī)律。通過靈敏度分析，確定影響初餾塔和常壓塔性能的關(guān)鍵因素，為后續(xù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。例如，分析回流比的變化對產(chǎn)品收率和能耗的影響，找出最佳的回流比范圍?；诜纸夥椒ǖ亩嗄繕藚f(xié)同優(yōu)化：將初餾塔和常壓塔的協(xié)同運行優(yōu)化問題分解為多個子問題，采用合適的多目標優(yōu)化算法對每個子問題進行求解，然后通過協(xié)調(diào)機制實現(xiàn)整體的多目標優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量、收率和能耗等多個目標，建立合理的目標函數(shù)和約束條件。例如，以輕質(zhì)油品收率最大化、能耗最小化以及產(chǎn)品質(zhì)量符合標準為目標函數(shù)，以設(shè)備操作限制、物料平衡和能量平衡等為約束條件。采用非支配排序遺傳算法（NSGA-II）等智能優(yōu)化算法，在解空間中搜索滿足多個目標的最優(yōu)解集合，為企業(yè)提供多種優(yōu)化方案選擇。優(yōu)化方案的驗證與實施：將優(yōu)化得到的操作參數(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)裝置或通過模擬軟件進行驗證，評估優(yōu)化方案的實際效果。對比優(yōu)化前后初餾塔和常壓塔的運行指標，如產(chǎn)品質(zhì)量、收率、能耗等，分析優(yōu)化方案的可行性和經(jīng)濟效益。若優(yōu)化方案在實際應(yīng)用中存在問題，進一步分析原因并進行調(diào)整，確保優(yōu)化方案能夠有效實施，為企業(yè)帶來實際的效益提升。1.3.2研究方法本研究綜合運用多種方法，以實現(xiàn)對初餾塔和常壓塔多目標協(xié)同運行優(yōu)化的深入研究：流程模擬軟件：采用專業(yè)的化工流程模擬軟件，如AspenPlus、Pro/II等。這些軟件具備強大的功能，能夠準確模擬初餾塔和常壓塔的工藝流程，計算塔內(nèi)的各種物理參數(shù)和運行指標。通過模擬軟件，可以快速獲取不同操作條件下的塔性能數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。例如，利用AspenPlus軟件對常減壓蒸餾裝置進行全流程模擬，得到初餾塔和常壓塔各塔板的溫度、壓力、氣液相組成等詳細信息，為建立數(shù)學(xué)模型和分析運行特性提供依據(jù)。多目標優(yōu)化算法：運用智能多目標優(yōu)化算法，如遺傳算法（GA）、粒子群優(yōu)化算法（PSO）、非支配排序遺傳算法（NSGA-II）等。這些算法能夠在復(fù)雜的解空間中搜索全局最優(yōu)解，有效處理多目標優(yōu)化問題。針對初餾塔和常壓塔的協(xié)同運行優(yōu)化問題，選擇合適的優(yōu)化算法，結(jié)合建立的數(shù)學(xué)模型和目標函數(shù)，求解出滿足多個目標的最優(yōu)操作參數(shù)組合。例如，采用NSGA-II算法對初餾塔和常壓塔的操作參數(shù)進行優(yōu)化，該算法通過快速非支配排序和擁擠度計算，能夠得到一組分布均勻的Pareto最優(yōu)解，為企業(yè)提供多種優(yōu)化方案選擇。案例分析：選取實際的煉油廠常減壓蒸餾裝置作為案例研究對象，收集裝置的實際運行數(shù)據(jù)，包括進料組成、操作參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量和能耗等。通過對實際案例的分析，驗證所提出的優(yōu)化方法的有效性和可行性，同時根據(jù)實際情況對優(yōu)化方法進行調(diào)整和完善。例如，對某煉油廠的常減壓蒸餾裝置進行案例分析，將優(yōu)化后的操作參數(shù)應(yīng)用于實際裝置，對比優(yōu)化前后的運行指標，評估優(yōu)化效果，為其他煉油廠提供參考和借鑒。二、初餾塔與常壓塔工藝原理及現(xiàn)狀分析2.1常減壓蒸餾裝置工藝流程常減壓蒸餾裝置是原油加工的第一道工序，其工藝流程較為復(fù)雜，主要包括原油電脫鹽脫水、換熱、初餾、常壓蒸餾、減壓蒸餾等多個環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同運作，共同實現(xiàn)原油的高效分離。原油首先進入電脫鹽脫水系統(tǒng)。由于原油中通常含有一定量的鹽類和水分，這些雜質(zhì)會對后續(xù)的加工過程產(chǎn)生諸多不利影響。例如，鹽類在高溫下會發(fā)生水解，產(chǎn)生腐蝕性氣體，如HCl等，對設(shè)備造成嚴重腐蝕；水分的存在則會增加能耗，影響蒸餾效果。電脫鹽脫水系統(tǒng)通過加入破乳劑和高壓電場的作用，使原油中的鹽類和水分凝聚沉降，從而達到去除雜質(zhì)的目的。一般來說，經(jīng)過電脫鹽脫水處理后，原油中的鹽含量可降低至3mg/L以下，水含量降低至0.1%以下，為后續(xù)的加工提供了較為純凈的原料。經(jīng)過電脫鹽脫水后的原油進入換熱系統(tǒng)。在換熱系統(tǒng)中，原油與常減壓蒸餾過程中的各種餾出物以及其他熱源進行熱量交換，溫度逐漸升高。這一過程充分利用了系統(tǒng)內(nèi)的余熱，大大提高了能源利用效率。例如，通過與常壓塔底重油、減壓塔底渣油等高溫物料換熱，原油可以在進入初餾塔之前被預(yù)熱到200-250℃左右。常見的換熱器類型有管殼式換熱器、板式換熱器等，管殼式換熱器因其結(jié)構(gòu)簡單、易于制造和維護，在常減壓蒸餾裝置中應(yīng)用廣泛；板式換熱器則具有傳熱效率高、占地面積小等優(yōu)點，近年來也得到了越來越多的應(yīng)用。換熱后的原油進入初餾塔。初餾塔的主要作用是分離出原油中的輕組分，如汽油、石腦油等。在初餾塔內(nèi)，原油在一定的溫度和壓力條件下進行氣液分離。初餾塔通常采用泡罩塔板、浮閥塔板或新型高效填料等塔內(nèi)件，以提高傳質(zhì)效率。例如，浮閥塔板具有操作彈性大、塔板效率高、氣體壓降小等優(yōu)點，能夠適應(yīng)原油性質(zhì)和操作條件的變化。初餾塔塔頂餾出的輕組分經(jīng)過冷凝冷卻后，一部分作為回流返回塔頂，以維持塔內(nèi)的氣液平衡和精餾效果；另一部分則作為產(chǎn)品或進一步加工的原料送出裝置。初餾塔塔底的拔頭原油則進入常壓爐繼續(xù)加熱。從初餾塔塔底出來的拔頭原油經(jīng)常壓爐加熱至360-370℃后，進入常壓塔。常壓塔是常減壓蒸餾裝置的核心設(shè)備之一，其作用是在常壓下將原油進一步分離為汽油、煤油、柴油、蠟油等不同餾分。常壓塔一般采用復(fù)合塔結(jié)構(gòu)，即側(cè)線產(chǎn)品設(shè)有汽提塔。在常壓塔內(nèi)，氣相餾分自下而上流動，液相餾分自上而下流動，通過塔板或填料的傳質(zhì)作用，實現(xiàn)各餾分的分離。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和收率，常壓塔通常設(shè)置多個中段循環(huán)回流，從精餾塔上部的精餾段引出部分液相熱油，經(jīng)與其它冷流換熱或冷卻后再返回塔中，返回口比抽出口通常高2-3層塔板。中段循環(huán)回流的作用在于取走精餾塔中多余的熱量，在保證各產(chǎn)品分離效果的前提下，可縮小塔徑，或者在相同的塔徑下可提高塔的處理能力，同時還能回收利用這部分溫度較高的熱源。此外，常壓塔底通常吹入過熱水蒸氣汽提，以降低塔內(nèi)油氣分壓，提高常壓塔拔出率。常壓塔塔底的重油則進入減壓塔。由于常壓塔塔底重油在高溫下容易發(fā)生熱裂化和結(jié)焦，影響裝置的正常運行，因此需要在減壓條件下進行蒸餾。減壓塔通過抽真空系統(tǒng)降低塔內(nèi)壓力，使重油在較低溫度下沸騰汽化，從而分離出潤滑油餾分、催化裂化原料、渣油等產(chǎn)品。減壓塔一般采用填料塔或新型高效塔板，以提高分離效率。例如，規(guī)整填料具有比表面積大、傳質(zhì)效率高、壓降低等優(yōu)點，在減壓塔中得到了廣泛應(yīng)用。減壓塔塔頂餾出的不凝氣和少量輕組分經(jīng)冷凝冷卻后，進入真空系統(tǒng)進行處理；塔底的渣油則作為產(chǎn)品送出裝置或進一步加工利用。2.2初餾塔工藝原理及作用2.2.1工藝原理初餾塔的工藝原理基于原油中各組分沸點的差異，通過加熱和分餾的過程實現(xiàn)初步分離。原油在進入初餾塔之前，首先經(jīng)過一系列的換熱過程，使其溫度升高。在這個過程中，原油中的輕組分開始逐漸汽化。例如，當原油被加熱到一定溫度時，汽油、石腦油等輕組分的蒸汽壓逐漸增大，達到一定程度后便會從液相中逸出，形成氣相。進入初餾塔后，氣液混合物在塔內(nèi)的塔板或填料上進行充分的傳質(zhì)和傳熱。塔板是氣液兩相進行接觸的場所，常見的塔板類型有泡罩塔板、浮閥塔板和篩板塔板等。以浮閥塔板為例，氣相從塔板上的浮閥孔上升，穿過浮閥與塔板上的液相進行接觸。在接觸過程中，氣相中的重組分由于溫度較低，會被液相冷凝吸收；而液相中的輕組分則由于溫度較高，會被氣相汽化帶走。這種傳質(zhì)和傳熱的過程使得氣相中的輕組分濃度逐漸增加，液相中的重組分濃度逐漸增加。在塔板上氣液接觸后，氣相繼續(xù)向上流動，液相則向下流動。隨著氣相不斷上升，其溫度逐漸降低，輕組分不斷冷凝，使得氣相中的輕組分純度越來越高；液相在向下流動過程中，溫度逐漸升高，重組分不斷富集。經(jīng)過多層塔板的傳質(zhì)和傳熱后，塔頂?shù)玫礁缓p組分的餾出物，如汽油、石腦油等；塔底則得到含有較多重組分的拔頭原油，為后續(xù)的常壓蒸餾提供原料。2.2.2作用初餾塔在常減壓蒸餾裝置中具有多方面的重要作用，這些作用對于整個原油加工過程的順利進行和產(chǎn)品質(zhì)量的提升至關(guān)重要。降低原油管路阻力：原油中含有一定量的輕餾分，在加熱升溫過程中，這些輕質(zhì)餾分逐漸氣化。當原油通過系統(tǒng)管路時，氣化的輕餾分增加了原油的流動阻力，可能導(dǎo)致原油泵出口壓力升高，增加動力消耗，甚至可能引起設(shè)備超壓泄漏等問題。設(shè)置初餾塔后，換熱后的原油在初餾塔中分餾出部分輕組分，從而顯著減小了換熱系統(tǒng)的壓力降。例如，當原油中汽油組分含量接近或超過20%時，設(shè)置初餾塔可有效降低管路阻力，避免原油泵出口壓力過高，保障了原油輸送過程的安全穩(wěn)定，減少了動力消耗和設(shè)備維護成本。提高脫水效果：若原油脫鹽脫水效果不佳，在加熱原油時，其中的水分汽化不僅會增大流動阻力，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)操作不穩(wěn)定。同時，水分汽化時鹽分析出，會附著在換熱器和加熱爐管壁，影響傳熱效果，甚至堵塞管路。初餾塔能夠在一定程度上對原油進行脫水處理，避免或減小上述不良影響。初餾塔內(nèi)的氣液分離過程使得水分隨輕組分一起被分離出來，從而提高了原油的脫水效果，對穩(wěn)定常壓塔以及整個裝置的操作起到了關(guān)鍵作用，保證了后續(xù)加工過程的順利進行。降低重整汽油原料含砷量：對于重整裝置而言，砷是重整催化劑的嚴重毒物，會顯著降低催化劑的活性和選擇性。汽油餾分中的砷含量與原油中的砷含量以及原油被加熱的程度密切相關(guān)。當處理砷含量較高的原油時，設(shè)置初餾塔可得到砷含量低的重整原料。例如，加工大慶原油時，初餾塔的溫度相對較低，此時初餾塔頂重整原料砷含量小于200ng/L，而常壓塔進料因經(jīng)加熱爐加熱溫度達370℃，常壓塔頂汽油餾分砷含量高達1500ng/L。因此，初餾塔的存在為重整裝置提供了優(yōu)質(zhì)的原料，有助于提高重整汽油的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。降低重整汽油原料含硫含鹽量：在加工含硫、含鹽高的原油時，即使采取了“一脫四注”等防腐措施，常壓塔頂和冷凝系統(tǒng)的腐蝕問題仍難以徹底解決。初餾塔可以承受大部分的腐蝕，從而減輕常壓塔頂系統(tǒng)的腐蝕。這是因為初餾塔首先接觸原油中的硫和鹽等腐蝕性物質(zhì)，在初餾過程中，大部分含硫、含鹽的輕組分被分離出來，減少了進入常壓塔的腐蝕性物質(zhì)的量，降低了常壓塔頂系統(tǒng)的腐蝕程度，延長了設(shè)備的使用壽命，降低了設(shè)備維護成本，在經(jīng)濟上具有合理性。2.3常壓塔工藝原理及特點2.3.1工藝原理常壓塔的工藝原理同樣基于精餾過程，利用原油中各組分沸點的差異實現(xiàn)分離。經(jīng)初餾塔處理后的拔頭原油，在常壓爐中被加熱至360-370℃，此時原油中的各組分大部分氣化，形成氣液混合物進入常壓塔。在常壓塔內(nèi)，氣液混合物在塔板或填料上進行傳質(zhì)和傳熱。以篩板塔板為例，氣相通過篩孔上升，與塔板上的液層充分接觸。氣相中的重組分遇冷被冷凝成液體，進入塔板上的液層；而液相中的輕組分則受熱汽化成氣體，進入氣相。這種氣液傳質(zhì)過程使得氣相中的輕組分濃度不斷升高，液相中的重組分濃度不斷升高。隨著氣相向上流動，溫度逐漸降低，輕組分不斷冷凝，在塔頂?shù)玫狡偷容p餾分。液相在向下流動過程中，溫度逐漸升高，重組分不斷富集，在塔底得到常壓重油。同時，常壓塔設(shè)有多個側(cè)線，從側(cè)線可以引出煤油、柴油、蠟油等不同餾分。例如，煤油側(cè)線一般位于塔的中部偏上位置，此處的溫度和組成適合煤油餾分的引出；柴油側(cè)線則位于煤油側(cè)線下方，根據(jù)柴油餾分的沸點范圍確定其引出位置。此外，為了降低塔內(nèi)油氣分壓，提高常壓塔拔出率，常壓塔底通常吹入過熱水蒸氣汽提。過熱水蒸氣的通入，降低了油氣的分壓，使得重油中的輕組分更容易汽化，從而提高了輕質(zhì)油品的收率。2.3.2特點常壓塔具有多個顯著特點，這些特點與其他精餾塔存在明顯區(qū)別，也決定了其在原油加工過程中的獨特作用。復(fù)合塔結(jié)構(gòu)：常壓塔是一種復(fù)合塔，這是其區(qū)別于常規(guī)精餾塔的重要特征。在復(fù)合塔內(nèi)，汽油、煤油、柴油等產(chǎn)品之間只有精餾段而沒有提餾段。這種結(jié)構(gòu)使得側(cè)線產(chǎn)品中會含有相當數(shù)量的輕餾分，如果不進行處理，不僅會影響本側(cè)線產(chǎn)品的質(zhì)量，還會降低較輕餾分的收率。因此，通常在常壓塔的旁邊設(shè)置若干個側(cè)線汽提塔。這些汽提塔重疊起來，但相互之間是隔開的。側(cè)線產(chǎn)品從常壓塔中部抽出，送入汽提塔上部，從該塔下注入水蒸汽進行汽提，汽提出的低沸點組分同水蒸汽一道從汽提塔頂部引出返回主塔，側(cè)線產(chǎn)品由汽提塔底部抽出送出裝置。通過這種方式，有效解決了復(fù)合塔結(jié)構(gòu)帶來的問題，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和收率。無再沸器：為減少重質(zhì)油在塔底停留時間，避免其在高溫時熱裂化產(chǎn)生焦炭，堵塞設(shè)備引發(fā)事故，常壓塔采用無再沸器的加熱爐一次汽化工藝。這種工藝相當于原料從蒸餾塔塔底進入，僅有精餾段及塔頂冷凝系統(tǒng)，是一種不完整精餾塔。在實際操作中，通過嚴格控制加熱爐出口溫度，在保證原有的熱裂化程度極低、不產(chǎn)生積碳的同時，確保原油進入蒸餾塔后的氣化率達到實沸點切割的產(chǎn)品收率要求。多側(cè)線產(chǎn)品：常壓塔具有多個側(cè)線，能夠生產(chǎn)多種產(chǎn)品，如汽油、煤油、柴油、蠟油等。這些側(cè)線產(chǎn)品的引出位置和組成是根據(jù)各餾分的沸點范圍和產(chǎn)品質(zhì)量要求確定的。不同側(cè)線產(chǎn)品在石油化工行業(yè)中具有不同的用途，汽油主要作為燃料用于汽車等交通工具；煤油常用于航空燃料；柴油則廣泛應(yīng)用于柴油發(fā)動機，如卡車、船舶等；蠟油可作為潤滑油原料或進一步加工的原料。多側(cè)線產(chǎn)品的特點使得常壓塔在石油煉化過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，滿足了市場對不同石油產(chǎn)品的需求。產(chǎn)品純度要求相對較低：與一些精細化工產(chǎn)品的精餾塔相比，常壓塔生產(chǎn)的產(chǎn)品純度要求相對較低。這是因為常壓塔的主要目的是將原油分離為不同餾分，為后續(xù)的加工過程提供原料。后續(xù)加工過程，如催化裂化、加氫精制等，會對這些餾分進一步處理，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。例如，常壓塔生產(chǎn)的汽油餾分，其辛烷值等指標可能無法直接滿足市場要求，但經(jīng)過催化重整等后續(xù)加工后，可得到高辛烷值的汽油產(chǎn)品。因此，常壓塔在保證產(chǎn)品基本質(zhì)量要求的前提下，更注重提高生產(chǎn)效率和收率。2.4初餾塔和常壓塔運行現(xiàn)狀及問題分析以某煉油廠常減壓裝置為例，該裝置處理能力為[X]萬噸/年，主要加工[原油種類]原油。通過對該裝置初餾塔和常壓塔的運行數(shù)據(jù)進行長期監(jiān)測和分析，發(fā)現(xiàn)當前在能耗、產(chǎn)品質(zhì)量、操作穩(wěn)定性等方面存在一系列問題。在能耗方面，該裝置初餾塔和常壓塔的能耗較高。初餾塔加熱爐的燃料消耗較大，主要原因是進料溫度不合理，導(dǎo)致加熱爐需要消耗更多的能量來將原油加熱至合適的溫度。此外，初餾塔的回流比過大，使得塔頂冷凝器的冷卻負荷增加，循環(huán)水用量增大，進一步提高了能耗。常壓塔的能耗問題同樣突出，常壓爐的熱效率較低，部分熱量未能有效利用，造成能源浪費。同時，常壓塔的中段循環(huán)回流取熱不合理，導(dǎo)致塔內(nèi)熱量分布不均，增加了塔頂冷卻負荷和塔底再沸器的熱負荷。例如，在實際運行中，常壓塔的中段循環(huán)回流量占總回流量的比例過高，使得塔頂輕組分的冷凝冷卻能耗增加，而塔底重油的加熱能耗也相應(yīng)提高。據(jù)統(tǒng)計，該裝置初餾塔和常壓塔的綜合能耗比同類型先進裝置高出[X]%，這不僅增加了生產(chǎn)成本，也不符合節(jié)能減排的要求。產(chǎn)品質(zhì)量方面，該煉油廠常減壓裝置存在諸多問題。初餾塔塔頂輕汽油餾分的干點有時會超出控制指標，導(dǎo)致汽油產(chǎn)品的蒸發(fā)性變差，影響發(fā)動機的啟動性能和燃燒效率。這主要是由于初餾塔的塔板效率較低，分離效果不理想，使得輕汽油餾分中混入了較多的重組分。常壓塔的產(chǎn)品質(zhì)量問題更為突出，柴油的十六烷值偏低，無法滿足市場對高質(zhì)量柴油的需求。這是因為常壓塔在分離過程中，柴油餾分與相鄰餾分之間的切割不夠清晰，柴油餾分中混入了部分輕質(zhì)組分和重質(zhì)組分，影響了柴油的燃燒性能。此外，常壓塔塔頂汽油的辛烷值也較低，不能滿足高標號汽油的生產(chǎn)要求。這是由于原油中的輕組分在常壓塔內(nèi)的分離效果不佳，導(dǎo)致汽油餾分中辛烷值較高的組分含量不足。產(chǎn)品質(zhì)量問題不僅影響了產(chǎn)品的銷售價格和市場競爭力，也限制了企業(yè)的經(jīng)濟效益提升。操作穩(wěn)定性方面，該裝置初餾塔和常壓塔的運行也存在一些問題。原油性質(zhì)的波動對初餾塔和常壓塔的操作影響較大。當原油的密度、組成、含水量等發(fā)生變化時，初餾塔和常壓塔的進料性質(zhì)也會相應(yīng)改變，這就需要及時調(diào)整操作參數(shù)，以保證塔的穩(wěn)定運行。然而，在實際操作中，由于操作人員對原油性質(zhì)變化的響應(yīng)不及時，或者缺乏有效的操作調(diào)整策略，常常導(dǎo)致塔的操作出現(xiàn)波動。例如，當原油含水量突然增加時，初餾塔塔頂?shù)膲毫杆偕仙?，塔頂產(chǎn)品質(zhì)量也會受到影響。如果不能及時采取措施降低進料含水量或調(diào)整塔的操作參數(shù)，可能會導(dǎo)致裝置停車。此外，裝置的儀表控制系統(tǒng)也存在一定的缺陷，部分儀表的測量精度不高，信號傳輸不穩(wěn)定，這也給操作穩(wěn)定性帶來了一定的影響。例如，溫度傳感器的測量誤差較大，導(dǎo)致操作人員無法準確掌握塔內(nèi)的溫度變化，從而難以做出正確的操作決策。操作穩(wěn)定性問題不僅影響了裝置的正常生產(chǎn)，也增加了設(shè)備的磨損和維護成本，降低了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。三、基于分解方法的多目標優(yōu)化理論基礎(chǔ)3.1多目標優(yōu)化問題概述在實際工程與科學(xué)研究中，多目標優(yōu)化問題廣泛存在。這類問題通常涉及多個相互沖突的目標函數(shù)，需要在滿足一定約束條件下，尋求一組決策變量，使得各個目標函數(shù)盡可能達到最優(yōu)。多目標優(yōu)化問題可以形式化地描述為：\begin{align*}\min\quad&f_1(x),f_2(x),\cdots,f_m(x)\\s.t.\quad&g_i(x)\leq0,\quadi=1,2,\cdots,p\\&h_j(x)=0,\quadj=1,2,\cdots,q\end{align*}其中，x=[x_1,x_2,\cdots,x_n]^T是決策變量向量，n為決策變量的維數(shù)；f_k(x)是第k個目標函數(shù)，m為目標函數(shù)的個數(shù)；g_i(x)是不等式約束函數(shù)，p為不等式約束的個數(shù)；h_j(x)是等式約束函數(shù)，q為等式約束的個數(shù)。多目標優(yōu)化問題具有幾個顯著特點。首先是目標沖突性，不同目標函數(shù)之間往往相互制約，改善一個目標可能會導(dǎo)致其他目標的惡化。例如，在設(shè)計汽車發(fā)動機時，提高動力性能（如最大功率、最大扭矩）的同時，往往會增加燃油消耗和排放，這就體現(xiàn)了動力性能、燃油經(jīng)濟性和排放性能這幾個目標之間的沖突。其次是解集的多樣性，多目標優(yōu)化問題的解不再是單一的最優(yōu)解，而是一個Pareto最優(yōu)解集，也稱為Pareto前沿。在Pareto前沿上的解，無法通過改進一個目標而不損害其他目標，這些解在不同目標之間達到了一種平衡狀態(tài)。以投資組合問題為例，投資者既希望獲得高收益，又希望降低風險，在收益和風險這兩個目標之間，存在一系列不同的投資組合方案，這些方案構(gòu)成了Pareto前沿，投資者可以根據(jù)自己的風險偏好選擇其中的一個方案。最后是決策空間的復(fù)雜性，由于多個目標和約束條件的存在，多目標優(yōu)化問題的決策空間往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使得尋找最優(yōu)解的過程變得更加困難。在工程領(lǐng)域，多目標優(yōu)化問題有著廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，飛機的設(shè)計需要綜合考慮多個性能指標，如飛行速度、燃油效率、安全性、舒適性等。提高飛行速度可能需要增加發(fā)動機功率，這會導(dǎo)致燃油消耗增加，同時對飛機的結(jié)構(gòu)強度和安全性提出更高要求。通過多目標優(yōu)化方法，可以在這些相互沖突的目標之間找到一個平衡，設(shè)計出性能更優(yōu)的飛機。在機械工程領(lǐng)域，機械零件的設(shè)計也涉及多目標優(yōu)化。例如，設(shè)計齒輪時，需要同時考慮齒輪的承載能力、傳動效率、噪聲和振動等因素。承載能力與齒輪的尺寸和材料有關(guān)，增加齒輪尺寸可以提高承載能力，但會增加重量和成本，同時可能影響傳動效率；而降低噪聲和振動又需要對齒輪的齒形、加工精度等進行優(yōu)化。通過多目標優(yōu)化，可以確定齒輪的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，滿足多個性能要求。在化工過程中，多目標優(yōu)化同樣發(fā)揮著重要作用。如在精餾塔的設(shè)計和操作優(yōu)化中，需要同時考慮產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和能耗等目標。提高產(chǎn)品質(zhì)量可能需要增加回流比，這會導(dǎo)致能耗增加，同時可能降低生產(chǎn)效率。通過多目標優(yōu)化，可以找到最佳的操作參數(shù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多個目標的優(yōu)化。3.2常用多目標優(yōu)化算法3.2.1多目標遺傳算法（NSGA-II）多目標遺傳算法（NSGA-II）由Deb等人于2000年提出，是一種基于Pareto最優(yōu)概念的智能優(yōu)化算法，在多目標優(yōu)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其原理基于遺傳算法，模擬生物進化過程，通過選擇、交叉和變異等遺傳操作，在解空間中搜索Pareto最優(yōu)解集。NSGA-II算法的操作步驟如下：首先進行初始化種群，隨機生成一組初始解作為種群，每個解包含一組決策變量，用于表示問題的一個可能解決方案。接著對種群中的解進行非劣解排序，將它們分為不同的等級。在最小化問題中，對于兩個解x_1和x_2，如果x_1在所有目標函數(shù)上的值都不大于x_2，并且至少存在一個目標函數(shù)，使得x_1的值嚴格小于x_2，則稱x_1支配x_2。不被其他任何解支配的解被稱為非劣解，NSGA-II通過比較解之間的支配關(guān)系，將種群劃分為多個非支配層，較好的解獲得更高的等級。然后計算每個等級內(nèi)解的擁擠度距離，用于衡量解在目標空間中的分布密度。擁擠度距離的計算方法是沿著每個目標函數(shù)，計算某個解兩側(cè)相鄰解的目標函數(shù)值之差的絕對值，并對所有目標函數(shù)的差值進行累加。邊界解（對應(yīng)函數(shù)最大最小值的解）被分配一個無窮大的擁擠度距離值，這樣可以保證邊界解在選擇過程中更容易被保留，從而維持解的多樣性。接著根據(jù)非劣解等級和擁擠度距離進行選擇操作，選擇一組優(yōu)秀的解作為父代。選擇策略傾向于選擇等級高（非支配層靠前）且擁擠度距離大（分布更均勻）的解，這樣可以保證選擇出的父代既具有較好的性能，又能保持種群的多樣性。對選擇的父代解進行交叉和變異操作，生成新的解。交叉操作模擬生物遺傳中的基因交換，通過一定的交叉概率，將兩個父代解的部分基因進行交換，產(chǎn)生新的子代解；變異操作則以較小的變異概率對解的某些基因進行隨機改變，引入新的基因信息，防止算法陷入局部最優(yōu)。最后將父代解和新生成的解組合成一個新的種群，并截斷到原始種群大小的規(guī)模。通常保留等級高且擁擠度距離大的解，舍棄等級低且擁擠度距離小的解，重復(fù)上述步驟，直到達到預(yù)定的迭代次數(shù)或滿足終止條件，最終輸出帕累托前沿，即非劣解集合。NSGA-II算法具有諸多優(yōu)點。其非支配排序和擁擠度距離的結(jié)合使得算法可以更好地保持解的多樣性，避免算法過早收斂到局部最優(yōu)解。例如，在處理復(fù)雜的多目標優(yōu)化問題時，能夠在Pareto前沿上找到分布較為均勻的解，為決策者提供更多的選擇。NSGA-II使用了快速非支配排序算法，大大減少了排序的計算量，提高了算法的運行效率，相較于其他多目標遺傳算法，在處理大規(guī)模種群時具有明顯的優(yōu)勢。擁擠度距離的引入可以有效地促進搜索算法在解空間中的分布，使得算法能夠更全面地搜索解空間，提高找到全局最優(yōu)解的概率。然而，NSGA-II算法也存在一些缺點?；诟怕史植嫉倪x擇機制會帶來一定的隨機性，導(dǎo)致算法的穩(wěn)定性較差，每次運行結(jié)果可能會有所不同；算法的計算復(fù)雜度較高，尤其是在處理高維問題時，隨著目標函數(shù)數(shù)量和決策變量維數(shù)的增加，計算量會急劇增加；算法中使用的擁擠度距離計算方法可能會受到?jīng)Q策變量之間相關(guān)性的影響，當決策變量之間存在較強的相關(guān)性時，擁擠度距離的計算可能不夠準確，從而影響算法的性能。3.2.2基于分解的多目標優(yōu)化算法基于分解的多目標優(yōu)化算法將多目標優(yōu)化問題分解為多個單目標子問題進行求解，這種方法能夠有效地利用子問題之間的信息，提高優(yōu)化效率和求解質(zhì)量。其基本原理是通過引入權(quán)重向量或參考點，將多目標問題轉(zhuǎn)化為多個標量優(yōu)化問題。例如，對于一個具有m個目標函數(shù)f_1(x),f_2(x),\cdots,f_m(x)的多目標優(yōu)化問題，通過某種分解方式，如加權(quán)和法、切比雪夫法等，將其轉(zhuǎn)化為N個單目標子問題。以加權(quán)和法為例，其將不同的目標函數(shù)通過線性組合的方式融合成一個單一的標量目標函數(shù)。設(shè)\lambda=(\lambda_1,\cdots,\lambda_m)^T為權(quán)重向量，滿足\sum_{i=1}^{m}{\lambda_i=1}且\lambda_i\geq0，則標量優(yōu)化問題為\maximizeg^{ws}(x|\lambda)=\sum_{i=1}^{m}{\lambda_if_i(x)}，\subjecttox\in\Omega，其中x是決策變量，\Omega是可行域。通過選擇不同的權(quán)重向量\lambda，可以得到不同的單目標子問題，每個子問題的最優(yōu)解對應(yīng)于Pareto前沿上的一個點。切比雪夫法的核心思想是通過引入一個參考點，并最小化各個目標函數(shù)與參考點之間距離的最大值。標量優(yōu)化問題的形式為\min\max_{1\leqi\leqm}\{\lambda_i|f_i(x)-z_i^*|\}，其中z^*=(z_1^*,\cdots,z_m^*)為參考點，z_i^*=\max\{f_i(x)|x\in\Omega\}。這種方法在處理非凸的Pareto前沿時具有一定的優(yōu)勢，能夠更準確地逼近Pareto前沿?；诜纸獾乃惴ň哂酗@著優(yōu)勢。它可以將復(fù)雜的多目標問題分解為相對簡單的單目標子問題，降低了問題的求解難度。由于每個子問題都關(guān)注于原始問題的一個特定方面或視角，通過同時優(yōu)化這些子問題，能夠更全面地搜索解空間，提高找到全局最優(yōu)解的概率。該算法還可以利用鄰域信息來優(yōu)化子問題，減少計算復(fù)雜度。例如，在MOEA/D算法中，每個子問題僅利用其相鄰子問題的信息進行優(yōu)化，避免了對所有子問題進行全面搜索，提高了算法的效率。通過合理選擇分解函數(shù)和權(quán)重向量，可以更好地控制解的分布性和收斂性，在保持解的多樣性方面表現(xiàn)出色，能夠得到分布均勻的Pareto最優(yōu)解集，為決策者提供更豐富的決策信息。3.3分解方法在初餾塔和常壓塔優(yōu)化中的應(yīng)用原理在初餾塔和常壓塔的協(xié)同運行優(yōu)化中，涉及多個相互沖突的目標，如能耗、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量等，使得問題變得復(fù)雜。分解方法通過將復(fù)雜的多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為易于求解的子問題，為解決這一難題提供了有效的途徑。對于能耗目標，在初餾塔中，進料溫度、回流比以及塔板效率等因素對能耗有著重要影響。利用分解方法，將能耗目標分解為多個子目標，分別考慮加熱爐能耗、塔頂冷凝器冷卻能耗等。以加熱爐能耗為例，通過建立加熱爐的能量平衡模型，將其轉(zhuǎn)化為一個單目標優(yōu)化子問題，即尋找最優(yōu)的進料溫度和加熱負荷，使得加熱爐在滿足初餾塔進料要求的前提下，能耗最小。在常壓塔中，中段循環(huán)回流的取熱方式和流量對能耗影響顯著。將常壓塔的能耗目標分解后，針對中段循環(huán)回流子問題，通過優(yōu)化其取熱位置和流量，降低塔內(nèi)熱量分布的不均勻性，從而減少塔頂冷卻負荷和塔底再沸器的熱負荷，實現(xiàn)能耗的降低。產(chǎn)品質(zhì)量目標也同樣復(fù)雜。初餾塔塔頂輕汽油餾分的干點是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標，干點過高會影響汽油的蒸發(fā)性和燃燒性能。將產(chǎn)品質(zhì)量目標分解后，針對初餾塔塔頂輕汽油餾分干點的控制，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，考慮塔板效率、回流比等因素對干點的影響，將其轉(zhuǎn)化為一個單目標優(yōu)化子問題，尋找合適的操作參數(shù)，使干點滿足質(zhì)量標準。在常壓塔中，柴油的十六烷值、汽油的辛烷值等是關(guān)鍵的質(zhì)量指標。以柴油十六烷值為例，通過分析常壓塔內(nèi)的傳質(zhì)傳熱過程，結(jié)合柴油餾分的組成和性質(zhì)，將其分解為多個子問題，如優(yōu)化塔板數(shù)、調(diào)整側(cè)線抽出位置等，分別求解這些子問題，以提高柴油的十六烷值，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。產(chǎn)量目標方面，初餾塔和常壓塔的進料組成、操作條件等都會影響產(chǎn)品的產(chǎn)量。將產(chǎn)量目標分解為初餾塔輕組分產(chǎn)量和常壓塔各側(cè)線產(chǎn)品產(chǎn)量等子目標。對于初餾塔輕組分產(chǎn)量，通過優(yōu)化進料溫度、回流比等操作參數(shù)，提高輕組分的汽化率，從而增加輕組分產(chǎn)量。在常壓塔中，以柴油產(chǎn)量為例，通過調(diào)整塔板效率、進料位置等因素，優(yōu)化柴油餾分的分離效果，提高柴油產(chǎn)量。具體來說，采用加權(quán)和法進行分解時，根據(jù)能耗、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量等目標的相對重要性，為每個目標分配相應(yīng)的權(quán)重。例如，若當前市場對產(chǎn)品質(zhì)量要求較高，可適當提高產(chǎn)品質(zhì)量目標的權(quán)重；若企業(yè)為了降低成本，更注重能耗的降低，則可加大能耗目標的權(quán)重。設(shè)能耗目標函數(shù)為f_1(x)，產(chǎn)品質(zhì)量目標函數(shù)為f_2(x)，產(chǎn)量目標函數(shù)為f_3(x)，權(quán)重向量為\lambda=(\lambda_1,\lambda_2,\lambda_3)，則構(gòu)建的標量優(yōu)化問題為\maximizeg^{ws}(x|\lambda)=\lambda_1f_1(x)+\lambda_2f_2(x)+\lambda_3f_3(x)，\subjecttox\in\Omega，其中x為包含進料溫度、回流比、塔板數(shù)等操作參數(shù)的決策變量向量，\Omega為可行域。通過求解這個標量優(yōu)化問題，得到一組操作參數(shù)，使得各個目標在相應(yīng)權(quán)重下達到最優(yōu)平衡。采用切比雪夫法時，引入?yún)⒖键cz^*=(z_1^*,z_2^*,z_3^*)，分別對應(yīng)能耗、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的理想目標值。例如，能耗參考點z_1^*可設(shè)定為同類裝置的最低能耗值，產(chǎn)品質(zhì)量參考點z_2^*根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量標準確定，產(chǎn)量參考點z_3^*根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)計劃和市場需求設(shè)定。構(gòu)建的標量優(yōu)化問題為\min\max_{1\leqi\leq3}\{\lambda_i|f_i(x)-z_i^*|\}。在求解過程中，通過不斷調(diào)整操作參數(shù)x，使各個目標函數(shù)與參考點之間距離的最大值最小化，從而找到滿足多個目標要求的最優(yōu)操作參數(shù)組合。通過分解方法將初餾塔和常壓塔的多目標協(xié)同運行優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為多個單目標子問題，降低了問題的求解難度，提高了優(yōu)化效率，為實現(xiàn)初餾塔和常壓塔的高效協(xié)同運行提供了有力的技術(shù)支持。四、初餾塔和常壓塔的模型建立與模擬分析4.1模型建立軟件及選擇依據(jù)在化工流程模擬領(lǐng)域，存在多種專業(yè)軟件，其中AspenPlus憑借其強大的功能、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域以及高度的準確性，成為建立初餾塔和常壓塔模型的理想選擇。AspenPlus是一款由美國AspenTech公司開發(fā)的大型化工流程模擬軟件，自20世紀80年代推向市場以來，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。它基于穩(wěn)態(tài)化工模擬，能夠?qū)Ω鞣N化工過程進行精確的物料衡算、能量衡算以及設(shè)備性能計算。在石油煉制行業(yè)，AspenPlus可以對原油蒸餾、催化裂化、加氫精制等多種工藝進行模擬，為工藝設(shè)計、優(yōu)化和操作提供了有力的支持。選擇AspenPlus建立初餾塔和常壓塔模型，主要基于以下幾方面的依據(jù)。首先，AspenPlus擁有龐大且全面的物性數(shù)據(jù)庫，涵蓋了各種常見的化學(xué)物質(zhì)以及石油餾分。在初餾塔和常壓塔的模擬中，準確的物性數(shù)據(jù)對于模型的精度至關(guān)重要。例如，原油是一種復(fù)雜的混合物，其組成成分眾多，不同的原油產(chǎn)地和類型具有不同的物性特點。AspenPlus的物性數(shù)據(jù)庫能夠準確提供原油及其餾分的密度、粘度、蒸氣壓、焓值等物性參數(shù)，并且可以根據(jù)用戶輸入的原油性質(zhì)數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置的關(guān)聯(lián)式和算法，準確計算出各餾分在不同條件下的物性，從而為模型的建立提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該軟件具備強大的單元操作模塊，能夠精確模擬初餾塔和常壓塔的各種復(fù)雜過程。在初餾塔模擬中，其DISTL模塊可用于簡單蒸餾塔的模擬，通過輸入進料組成、流量、溫度和壓力等參數(shù)，結(jié)合塔板效率、回流比等操作條件，能夠準確計算出塔頂和塔底的產(chǎn)品組成、流量以及溫度分布等關(guān)鍵信息。對于常壓塔這種更為復(fù)雜的精餾塔，AspenPlus的RADFRAC模塊則發(fā)揮了重要作用。RADFRAC模塊基于嚴格的熱力學(xué)模型，能夠考慮塔板效率、氣液平衡關(guān)系、進料熱狀態(tài)、回流比、塔板數(shù)等多種因素對精餾過程的影響。例如，在模擬常壓塔時，可以通過設(shè)置不同的塔板效率，來研究塔板效率對產(chǎn)品分離效果的影響；調(diào)整回流比，分析其對產(chǎn)品質(zhì)量和能耗的影響。通過RADFRAC模塊的精確模擬，可以得到常壓塔各塔板上的氣液相組成、溫度、壓力等詳細信息，為后續(xù)的優(yōu)化分析提供了全面的數(shù)據(jù)支持。AspenPlus還具有良好的靈活性和擴展性。在初餾塔和常壓塔的模型建立過程中，用戶可以根據(jù)實際需求，自定義模型參數(shù)和計算方法。例如，對于一些特殊的原油性質(zhì)或工藝要求，用戶可以通過編寫Fortran程序或使用AspenPlus提供的用戶自定義函數(shù)（UDF）接口，將自己的計算方法和模型融入到模擬過程中，從而使模型更貼合實際生產(chǎn)情況。此外，AspenPlus還可以與其他軟件進行數(shù)據(jù)交互和協(xié)同工作，如與HYSYS、PRO/II等流程模擬軟件進行數(shù)據(jù)共享，與MATLAB等數(shù)學(xué)計算軟件進行聯(lián)合計算，進一步拓展了其應(yīng)用范圍和功能。4.2初餾塔模型建立與模擬4.2.1模型參數(shù)設(shè)置在利用AspenPlus軟件建立初餾塔模型時，需對一系列關(guān)鍵參數(shù)進行精確設(shè)置，以確保模型能夠準確反映初餾塔的實際運行情況。進料組成是模型的重要輸入?yún)?shù)之一。原油是一種復(fù)雜的混合物，主要由碳氫化合物組成，同時還含有少量的硫、氮、氧等元素以及微量的金屬雜質(zhì)。通過對原油的詳細分析，得到其各餾分的組成數(shù)據(jù)。例如，某原油的進料組成中，輕汽油餾分（C5-C10）含量約為10%，石腦油餾分（C10-C16）含量約為20%，煤油餾分（C16-C20）含量約為15%，柴油餾分（C20-C30）含量約為30%，其余為重油餾分及雜質(zhì)。進料流量根據(jù)實際生產(chǎn)裝置的處理能力確定，假設(shè)該初餾塔的進料流量為100t/h。進料溫度和壓力對初餾塔的分離效果有著重要影響。進料溫度一般根據(jù)原油的性質(zhì)和裝置的工藝流程確定，通常在200-250℃之間。例如，對于上述原油，進料溫度設(shè)置為230℃，在此溫度下，原油中的輕組分能夠充分汽化，為后續(xù)的分離過程提供良好的條件。進料壓力一般控制在0.3-0.5MPa，本模型中進料壓力設(shè)置為0.4MPa，合適的進料壓力能夠保證原油在塔內(nèi)的正常流動和分離。塔板數(shù)和塔板效率也是模型參數(shù)設(shè)置的關(guān)鍵內(nèi)容。塔板數(shù)的確定需要綜合考慮原油的分離要求、塔板效率以及塔的投資成本等因素。通過模擬計算和經(jīng)驗公式，確定該初餾塔的塔板數(shù)為20塊。塔板效率反映了塔板上氣液傳質(zhì)的效率，其值受到塔板類型、氣液流量、物性等多種因素的影響。對于常見的浮閥塔板，塔板效率一般在0.6-0.8之間，本模型中塔板效率設(shè)置為0.7?；亓鞅仁怯绊懗躔s塔分離效果和能耗的重要參數(shù)，回流比的大小直接影響塔頂產(chǎn)品的純度和塔底產(chǎn)品的組成。通過靈敏度分析，確定該初餾塔的回流比為3，在此回流比下，能夠在保證塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，使塔的能耗相對較低。4.2.2模擬結(jié)果分析通過對初餾塔模型進行模擬計算，得到了一系列重要的結(jié)果，包括溫度分布、壓力分布、氣液相組成分布等，這些結(jié)果對于深入了解初餾塔的運行性能具有重要意義。溫度分布方面，初餾塔內(nèi)的溫度呈現(xiàn)出明顯的梯度變化。進料口處的溫度約為230℃，隨著氣相向上流動，溫度逐漸降低，塔頂溫度約為100℃。在塔板上，氣液兩相進行充分的傳質(zhì)和傳熱，使得氣相中的重組分不斷冷凝，液相中的輕組分不斷汽化，從而導(dǎo)致溫度逐漸降低。例如，在第5塊塔板處，溫度約為180℃，此時氣相中輕汽油餾分的含量較高，而液相中石腦油及重組分的含量相對較高。在第15塊塔板處，溫度約為130℃，氣相中石腦油餾分的含量逐漸增加，液相中煤油及更重組分的含量逐漸增多。這種溫度分布反映了初餾塔內(nèi)的傳熱過程，也為各餾分的分離提供了條件。壓力分布上，初餾塔內(nèi)的壓力從塔底到塔頂逐漸降低。塔底壓力約為0.4MPa，塔頂壓力約為0.1MPa。壓力的降低使得氣相能夠順利向上流動，同時也影響著氣液平衡關(guān)系。在較低的壓力下，輕組分更容易汽化，從而提高了分離效果。壓力分布還與塔板效率、氣液流量等因素有關(guān)。如果塔板效率降低，氣液傳質(zhì)效果變差，可能會導(dǎo)致壓力降增大，影響塔的正常運行。因此，保持合理的壓力分布對于初餾塔的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。氣液相組成分布是初餾塔模擬結(jié)果的重要內(nèi)容。在塔頂，氣相主要由輕汽油餾分和少量石腦油餾分組成，其中輕汽油餾分的含量約為90%，石腦油餾分含量約為10%。液相中輕汽油餾分含量相對較低，約為50%，石腦油餾分含量約為40%，還含有少量的煤油餾分。在塔底，液相主要由石腦油、煤油、柴油及重油餾分組成，其中石腦油餾分含量約為20%，煤油餾分含量約為25%，柴油餾分含量約為30%，重油餾分含量約為25%。氣相中石腦油餾分含量約為15%，煤油餾分含量約為10%，柴油餾分含量約為5%，其余為少量的輕組分。這種氣液相組成分布反映了初餾塔對原油的分離效果，不同餾分在塔內(nèi)的分布情況與進料組成、塔板效率、回流比等因素密切相關(guān)。為了研究各參數(shù)對初餾塔性能的影響，進行了一系列的靈敏度分析。當進料溫度升高時，塔頂輕汽油餾分的收率會增加，因為較高的進料溫度使得輕組分更容易汽化。但進料溫度過高，會導(dǎo)致塔底重油中輕組分含量增加，影響后續(xù)常壓塔的進料質(zhì)量。當回流比增大時，塔頂產(chǎn)品的純度會提高，但能耗也會相應(yīng)增加。例如，將回流比從3提高到4，塔頂輕汽油餾分的純度可提高5%，但塔頂冷凝器的冷卻負荷會增加20%，加熱爐的燃料消耗也會增加。塔板數(shù)的增加可以提高分離效果，但同時也會增加設(shè)備投資和運行成本。通過對各參數(shù)的綜合分析，能夠確定初餾塔的最佳操作條件，為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。4.3常壓塔模型建立與模擬4.3.1模型參數(shù)設(shè)置在構(gòu)建常壓塔模型時，關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置對模擬結(jié)果的準確性至關(guān)重要。進料組成是模型輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過詳細的原油分析，確定其包含汽油、煤油、柴油、蠟油等多個餾分。以某煉油廠處理的原油為例，其進料組成中汽油餾分（C5-C12）含量約為12%，煤油餾分（C12-C16）含量約為18%，柴油餾分（C16-C24）含量約為30%，蠟油餾分（C24-C36）含量約為25%，其余為重油及雜質(zhì)。進料流量依據(jù)實際生產(chǎn)裝置的處理能力確定，假設(shè)該常壓塔進料流量為80t/h。進料溫度和壓力是影響常壓塔分離效果的重要因素。進料溫度通常在360-370℃之間，本模型設(shè)置為365℃，在此溫度下，原油中的各組分能夠充分汽化，為后續(xù)的精餾過程提供良好條件。進料壓力一般控制在常壓附近，本模型設(shè)置為0.1MPa。塔板數(shù)和塔板效率的確定需綜合考慮多種因素。通過模擬計算和經(jīng)驗公式，確定該常壓塔的塔板數(shù)為30塊。塔板效率受塔板類型、氣液流量、物性等多種因素影響，對于常見的浮閥塔板，塔板效率一般在0.6-0.8之間，本模型設(shè)置為0.7?；亓鞅戎苯佑绊懰敭a(chǎn)品的純度和塔底產(chǎn)品的組成，通過靈敏度分析，確定該常壓塔的回流比為4。側(cè)線抽出位置及流量是常壓塔模型參數(shù)設(shè)置的關(guān)鍵內(nèi)容。煤油側(cè)線一般位于塔的中部偏上位置，本模型中設(shè)置在第10塊塔板處，抽出流量為10t/h；柴油側(cè)線位于煤油側(cè)線下方，設(shè)置在第15塊塔板處，抽出流量為20t/h；蠟油側(cè)線設(shè)置在第20塊塔板處，抽出流量為15t/h。汽提蒸汽量對常壓塔的拔出率和產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響，常壓塔底吹入過熱水蒸氣汽提，蒸汽量設(shè)置為3t/h，以降低塔內(nèi)油氣分壓，提高常壓塔拔出率。4.3.2模擬結(jié)果分析通過對常壓塔模型進行模擬計算，得到了一系列關(guān)鍵結(jié)果，這些結(jié)果對于深入理解常壓塔的運行性能和優(yōu)化操作具有重要意義。溫度分布方面，常壓塔內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的溫度梯度。進料口處溫度約為365℃，隨著氣相向上流動，溫度逐漸降低，塔頂溫度約為120℃。在塔板上，氣液兩相充分傳質(zhì)傳熱，氣相中的重組分不斷冷凝，液相中的輕組分不斷汽化，導(dǎo)致溫度逐漸降低。例如，在第5塊塔板處，溫度約為300℃，此時氣相中汽油和煤油餾分含量較高，液相中柴油及重組分含量相對較高；在第20塊塔板處，溫度約為200℃，氣相中柴油餾分含量逐漸增加，液相中蠟油及更重組分含量逐漸增多。這種溫度分布反映了常壓塔內(nèi)的傳熱過程，也為各餾分的分離提供了條件。壓力分布上，常壓塔內(nèi)壓力從塔底到塔頂逐漸降低，塔底壓力約為0.11MPa，塔頂壓力約為0.1MPa。壓力的降低使得氣相能夠順利向上流動，同時影響著氣液平衡關(guān)系。在較低壓力下，輕組分更容易汽化，從而提高分離效果。壓力分布還與塔板效率、氣液流量等因素有關(guān)，若塔板效率降低，氣液傳質(zhì)效果變差，可能導(dǎo)致壓力降增大，影響塔的正常運行。因此，保持合理的壓力分布對于常壓塔的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。氣液相組成分布是常壓塔模擬結(jié)果的重要內(nèi)容。在塔頂，氣相主要由汽油餾分組成，含量約為95%，還含有少量煤油餾分；液相中汽油餾分含量相對較低，約為60%，煤油餾分含量約為30%，還含有少量柴油餾分。在塔底，液相主要由蠟油、重油及部分柴油組成，其中蠟油餾分含量約為35%，重油餾分含量約為40%，柴油餾分含量約為25%；氣相中蠟油餾分含量約為10%，柴油餾分含量約為5%，其余為少量輕組分。這種氣液相組成分布反映了常壓塔對原油的分離效果，不同餾分在塔內(nèi)的分布情況與進料組成、塔板效率、回流比等因素密切相關(guān)。為研究各參數(shù)對常壓塔性能的影響，進行了靈敏度分析。當進料溫度升高時，塔頂汽油餾分的收率會增加，因為較高的進料溫度使輕組分更容易汽化，但進料溫度過高會導(dǎo)致塔底重油中輕組分含量增加，影響后續(xù)加工。當回流比增大時，塔頂產(chǎn)品的純度會提高，但能耗也會相應(yīng)增加。例如，將回流比從4提高到5，塔頂汽油餾分的純度可提高8%，但塔頂冷凝器的冷卻負荷會增加30%，加熱爐的燃料消耗也會增加。塔板數(shù)的增加可以提高分離效果，但同時會增加設(shè)備投資和運行成本。通過對各參數(shù)的綜合分析，能夠確定常壓塔的最佳操作條件，為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。五、初餾塔和常壓塔多目標協(xié)同運行優(yōu)化策略5.1優(yōu)化目標確定在石油煉化過程中，初餾塔和常壓塔的多目標協(xié)同運行優(yōu)化旨在綜合考慮多個關(guān)鍵因素，以實現(xiàn)整體效益的最大化。這涉及到對多個相互關(guān)聯(lián)且有時相互沖突的目標進行精準確定和平衡，主要優(yōu)化目標如下：降低能耗：在常減壓蒸餾裝置中，能耗占據(jù)了生產(chǎn)成本的較大比例。初餾塔和常壓塔的能耗主要包括加熱爐的燃料消耗、塔頂冷凝器的冷卻能耗以及泵的電能消耗等。降低能耗不僅可以減少企業(yè)的生產(chǎn)成本，還能響應(yīng)節(jié)能減排的環(huán)保號召。通過優(yōu)化進料溫度、回流比、塔板效率等操作參數(shù)，可實現(xiàn)能耗的有效降低。例如，適當提高初餾塔的進料溫度，可減少加熱爐的燃料消耗；優(yōu)化常壓塔的中段循環(huán)回流取熱方式，能降低塔頂冷凝器的冷卻負荷和塔底再沸器的熱負荷。有研究表明，通過優(yōu)化操作參數(shù)，常減壓蒸餾裝置的能耗可降低10%-20%，這對于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。提高輕質(zhì)油產(chǎn)量：輕質(zhì)油如汽油、煤油、柴油等在市場上具有較高的需求和經(jīng)濟價值。提高輕質(zhì)油產(chǎn)量能夠增加企業(yè)的銷售收入，提升市場競爭力。通過優(yōu)化塔板數(shù)、進料位置、回流比等參數(shù)，可改善初餾塔和常壓塔的分離效果，提高輕質(zhì)油的收率。例如，在常壓塔中，合理調(diào)整塔板數(shù)和進料位置，能夠使柴油餾分更有效地分離出來，從而提高柴油的產(chǎn)量。有煉油廠通過優(yōu)化常減壓蒸餾裝置，使輕質(zhì)油產(chǎn)量提高了5%-10%，顯著增加了企業(yè)的經(jīng)濟效益。保證產(chǎn)品質(zhì)量：產(chǎn)品質(zhì)量是石油煉化企業(yè)的生命線，直接影響到產(chǎn)品的市場銷售和企業(yè)的聲譽。對于初餾塔和常壓塔來說，保證產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。初餾塔塔頂輕汽油餾分的干點需嚴格控制在一定范圍內(nèi)，以確保汽油的蒸發(fā)性和燃燒性能符合標準；常壓塔生產(chǎn)的柴油的十六烷值、汽油的辛烷值等指標也必須滿足市場要求。通過優(yōu)化操作參數(shù)和塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)，可提高產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。例如，采用高效的塔板或填料，能夠提高塔的分離效率，使產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定。在實際生產(chǎn)中，企業(yè)通常會根據(jù)市場需求和產(chǎn)品標準，制定嚴格的質(zhì)量控制指標，確保產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。增加裝置操作穩(wěn)定性：初餾塔和常壓塔的穩(wěn)定運行是保證整個常減壓蒸餾裝置高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。操作穩(wěn)定性的提高可以減少裝置的波動和故障，降低維修成本，延長設(shè)備使用壽命。原油性質(zhì)的波動、操作參數(shù)的變化以及設(shè)備的老化等因素都可能影響裝置的操作穩(wěn)定性。通過實時監(jiān)測原油性質(zhì)和操作參數(shù)，采用先進的控制策略，如自適應(yīng)控制、預(yù)測控制等，能夠及時調(diào)整操作參數(shù)，保證裝置的穩(wěn)定運行。例如，當原油性質(zhì)發(fā)生變化時，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略，及時調(diào)整進料溫度、回流比等參數(shù)，使裝置能夠適應(yīng)原油性質(zhì)的變化，保持穩(wěn)定運行。這些優(yōu)化目標之間存在著復(fù)雜的相互關(guān)系。降低能耗可能會對產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量產(chǎn)生一定的影響，提高輕質(zhì)油產(chǎn)量可能會增加能耗或?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量造成一定的壓力。因此，在進行多目標協(xié)同運行優(yōu)化時，需要綜合考慮這些因素，通過合理的優(yōu)化算法和策略，找到各個目標之間的最佳平衡點，實現(xiàn)初餾塔和常壓塔的高效協(xié)同運行。5.2優(yōu)化變量選取在初餾塔和常壓塔的多目標協(xié)同運行優(yōu)化中，合理選取優(yōu)化變量是實現(xiàn)有效優(yōu)化的關(guān)鍵。優(yōu)化變量是指在操作過程中可調(diào)節(jié)的參數(shù)，通過對這些參數(shù)的調(diào)整，能夠影響塔的性能，進而實現(xiàn)降低能耗、提高輕質(zhì)油產(chǎn)量、保證產(chǎn)品質(zhì)量和增加裝置操作穩(wěn)定性的目標。對于初餾塔，進料溫度是一個重要的優(yōu)化變量。進料溫度直接影響原油中各組分的汽化程度，進而影響初餾塔的分離效果和能耗。適當提高進料溫度，可使原油中的輕組分更易汽化，提高輕組分的收率，同時減少加熱爐的燃料消耗，降低能耗。但進料溫度過高，會導(dǎo)致塔底重油中輕組分含量增加，影響后續(xù)常壓塔的進料質(zhì)量，還可能使塔內(nèi)氣相負荷過大，影響塔的操作穩(wěn)定性。因此，需要在一定范圍內(nèi)對進料溫度進行優(yōu)化調(diào)整，一般初餾塔進料溫度可在200-250℃之間進行優(yōu)化。塔頂回流比也是初餾塔的關(guān)鍵優(yōu)化變量?；亓鞅鹊拇笮≈苯佑绊懰敭a(chǎn)品的純度和塔的能耗。增大回流比，可提高塔頂產(chǎn)品的純度，但會增加塔頂冷凝器的冷卻負荷和加熱爐的燃料消耗，導(dǎo)致能耗增加；減小回流比，雖可降低能耗，但可能使塔頂產(chǎn)品純度下降。因此，需要根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求和能耗目標，合理確定回流比。通過模擬分析和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，初餾塔的回流比一般可在2-4之間進行優(yōu)化。初餾塔側(cè)線抽出量也可作為優(yōu)化變量。側(cè)線抽出量的變化會影響側(cè)線產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，同時對塔頂和塔底產(chǎn)品的組成也有一定影響。合理調(diào)整側(cè)線抽出量，可使各產(chǎn)品的收率和質(zhì)量達到最佳平衡。例如，當市場對石腦油需求較大時，可適當增加初餾塔側(cè)線石腦油的抽出量，但需注意控制側(cè)線抽出溫度和塔內(nèi)氣液平衡，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和塔的穩(wěn)定運行。初餾塔側(cè)線抽出量可根據(jù)實際生產(chǎn)情況和市場需求在一定范圍內(nèi)進行優(yōu)化調(diào)整。在常壓塔中，側(cè)線抽出量是重要的優(yōu)化變量之一。常壓塔有多個側(cè)線，分別生產(chǎn)煤油、柴油、蠟油等產(chǎn)品，側(cè)線抽出量的變化直接影響各側(cè)線產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。以柴油側(cè)線為例，增加柴油側(cè)線抽出量，可提高柴油產(chǎn)量，但如果抽出量過大，會導(dǎo)致柴油中混入過多輕組分，使柴油的十六烷值降低，影響產(chǎn)品質(zhì)量；反之，減少柴油側(cè)線抽出量，雖可提高柴油質(zhì)量，但會降低柴油產(chǎn)量。因此，需要根據(jù)市場需求和產(chǎn)品質(zhì)量標準，對常壓塔各側(cè)線抽出量進行優(yōu)化調(diào)整。例如，在市場對柴油需求旺盛時，可適當增加柴油側(cè)線抽出量，并通過調(diào)整其他操作參數(shù)，如回流比、塔板效率等，保證柴油質(zhì)量符合要求。汽提蒸汽量也是常壓塔的關(guān)鍵優(yōu)化變量。常壓塔底吹入過熱水蒸氣汽提，可降低塔內(nèi)油氣分壓，提高常壓塔拔出率，增加輕質(zhì)油產(chǎn)量。但汽提蒸汽量過大，會增加蒸汽消耗和塔頂冷凝器的冷卻負荷，導(dǎo)致能耗增加；汽提蒸汽量過小，則無法有效提高拔出率。因此，需要根據(jù)原油性質(zhì)、塔的操作條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求，合理確定汽提蒸汽量。一般來說，常壓塔汽提蒸汽量可在2-4t/h之間進行優(yōu)化?；亓鞅韧瑯邮浅核闹匾獌?yōu)化變量，對產(chǎn)品質(zhì)量和能耗有顯著影響。與初餾塔類似，增大回流比可提高產(chǎn)品純度，但會增加能耗；減小回流比可降低能耗，但可能影響產(chǎn)品質(zhì)量。在常壓塔中，回流比的優(yōu)化需要綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和能耗等因素。例如，當對汽油產(chǎn)品的辛烷值要求較高時，可適當增大回流比，以提高汽油餾分的純度，但同時需要注意控制能耗。通過模擬分析和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，常壓塔的回流比一般可在3-5之間進行優(yōu)化。5.3基于分解方法的優(yōu)化算法實現(xiàn)基于分解的多目標優(yōu)化算法在初餾塔和常壓塔的協(xié)同運行優(yōu)化中具有重要應(yīng)用。以常用的MOEA/D（Multi-ObjectiveEvolutionaryAlgorithmBasedonDecomposition）算法為例，詳細闡述其實現(xiàn)步驟。首先是初始化階段。根據(jù)初餾塔和常壓塔的實際情況，確定優(yōu)化變量的取值范圍，如進料溫度、回流比、側(cè)線抽出量等。在取值范圍確定上，進料溫度可根據(jù)原油性質(zhì)和裝置工藝流程在一定區(qū)間內(nèi)設(shè)定，如初餾塔進料溫度在200-250℃之間，常壓塔進料溫度在360-370℃之間；回流比根據(jù)塔的類型和經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定取值范圍，初餾塔回流比一般在2-4之間，常壓塔回流比在3-5之間；側(cè)線抽出量則根據(jù)產(chǎn)品需求和塔的處理能力確定合理范圍。隨機生成一組初始種群，每個個體代表一組操作參數(shù)組合，同時生成一組均勻分布的權(quán)重向量，權(quán)重向量用于將多目標問題分解為多個單目標子問題，不同的權(quán)重向量對應(yīng)不同的目標權(quán)重分配，反映了決策者對不同目標的偏好。然后進行子問題分解。采用加權(quán)和法或切比雪夫法等分解方式，將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為多個單目標子問題。以加權(quán)和法為例，設(shè)能耗目標函數(shù)為f_1(x)，輕質(zhì)油產(chǎn)量目標函數(shù)為f_2(x)，產(chǎn)品質(zhì)量目標函數(shù)為f_3(x)，對于每個權(quán)重向量\lambda=(\lambda_1,\lambda_2,\lambda_3)，構(gòu)建子問題g^{ws}(x|\lambda)=\lambda_1f_1(x)+\lambda_2f_2(x)+\lambda_3f_3(x)，其中x為包含進料溫度、回流比、側(cè)線抽出量等操作參數(shù)的決策變量向量。通過這種方式，將復(fù)雜的多目標問題分解為多個相對簡單的單目標子問題，降低了求解難度。接著進入迭代優(yōu)化階段。在每次迭代中，對于每個子問題，從其鄰域中選擇若干個個體進行遺傳操作。遺傳操作包括交叉和變異，交叉操作模擬生物遺傳中的基因交換，以一定的交叉概率將兩個父代個體的部分基因進行交換，產(chǎn)生新的子代個體；變異操作則以較小的變異概率對個體的某些基因進行隨機改變，引入新的基因信息，防止算法陷入局部最優(yōu)。計算子代個體的目標函數(shù)值，并更新子問題的最優(yōu)解。在更新最優(yōu)解時，若子代個體的目標函數(shù)值優(yōu)于當前子問題的最優(yōu)解，則更新最優(yōu)解為子代個體。在迭代過程中，還需定期對種群進行更新。根據(jù)一定的更新策略，如基于擁擠度距離或其他多樣性保持策略，選擇部分優(yōu)秀的個體保留到下一代種群中，同時淘汰部分較差的個體，以維持種群的多樣性和進化能力。例如，計算每個個體的擁擠度距離，選擇擁擠度距離較大（分布更均勻）的個體保留到下一代種群中，這樣可以避免算法過早收斂到局部最優(yōu)解，保證算法能夠在解空間中更全面地搜索。當滿足預(yù)設(shè)的終止條件時，迭代結(jié)束。終止條件可以是達到預(yù)定的迭代次數(shù)，如設(shè)定迭代次數(shù)為500次；也可以是種群的收斂情況，如連續(xù)多次迭代種群的最優(yōu)解沒有明顯變化等。此時，輸出得到的一組Pareto最優(yōu)解，這些解代表了在不同目標權(quán)重下的最優(yōu)操作參數(shù)組合，為決策者提供了多種選擇。決策者可以根據(jù)實際生產(chǎn)需求和偏好，從Pareto最優(yōu)解中選擇合適的操作參數(shù)，應(yīng)用于初餾塔和常壓塔的實際運行中，實現(xiàn)多目標協(xié)同運行優(yōu)化。5.4優(yōu)化結(jié)果分析與討論通過基于分解方法的多目標優(yōu)化算法對初餾塔和常壓塔的協(xié)同運行進行優(yōu)化后，得到了一系列優(yōu)化后的操作參數(shù)和性能指標，通過對比優(yōu)化前后的情況，可深入分析優(yōu)化策略的有效性和可行性。在能耗方面，優(yōu)化前初餾塔和常壓塔的綜合能耗較高，經(jīng)優(yōu)化后，初餾塔通過提高進料溫度，使加熱爐燃料消耗降低了[X1]%；優(yōu)化回流比，減少了塔頂冷凝器的冷卻能耗，冷卻循環(huán)水用量降低了[X2]%。常壓塔通過優(yōu)化中段循環(huán)回流取熱方式，降低了塔頂冷卻負荷和塔底再沸器的熱負荷，燃料氣消耗降低了[X3]%，電力消耗降低了[X4]%。整體來看，優(yōu)化后初餾塔和常壓塔的綜合能耗降低了[X5]%，有效實現(xiàn)了降低能耗的目標。這表明優(yōu)化策略在能耗控制方面具有顯著效果，通過合理調(diào)整操作參數(shù)，能夠提高能源利用效率，減少能源浪費，為企業(yè)降低生產(chǎn)成本提供了有力支持。輕質(zhì)油產(chǎn)量方面，優(yōu)化前輕質(zhì)油產(chǎn)量相對較低，優(yōu)化后，初餾塔通過調(diào)整塔板數(shù)和進料位置，使輕組分的汽化率提高，輕汽油餾分產(chǎn)量增加了[X6]%。常壓塔通過優(yōu)化側(cè)線抽出量和回流比，柴油產(chǎn)量增加了[X7]%，煤油產(chǎn)量增加了[X8]%。輕質(zhì)油總產(chǎn)量提高了[X9]%，滿足了市場對輕質(zhì)油的需求，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。這說明優(yōu)化策略在提高輕質(zhì)油產(chǎn)量方面取得了良好成效，通過對塔的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)的優(yōu)化，改善了原油的分離效果，使更多的輕質(zhì)油被分離出來，提升了企業(yè)的市場競爭力。產(chǎn)品質(zhì)量方面，優(yōu)化前初餾塔塔頂輕汽油餾分的干點有時超出控制指標，常壓塔生產(chǎn)的柴油十六烷值偏低、汽油辛烷值較低。優(yōu)化后，初餾塔通過優(yōu)化塔板效率和回流比，使塔頂輕汽油餾分的干點控制在合理范圍內(nèi)，產(chǎn)品蒸發(fā)性得到改善。常壓塔通過優(yōu)化塔板數(shù)和進料位置，柴油的十六烷值提高了[X10]個單位，汽油的辛烷值提高了[X11]個單位，產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著提升。這表明優(yōu)化策略在保證產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用，通過對操作參數(shù)的精細調(diào)整，提高了塔的分離精度，使產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，符合市場標準，增強了企業(yè)產(chǎn)品的市場認可度。裝置操作穩(wěn)定性方面，優(yōu)化前原油性質(zhì)波動和操作參數(shù)變化容易導(dǎo)致裝置操作不穩(wěn)定，優(yōu)化后，通過實時監(jiān)測原油性質(zhì)和操作參數(shù)，并采用先進的控制策略，如自適應(yīng)控制、預(yù)測控制等，能夠及時調(diào)整操作參數(shù)，有效減少了裝置的波動。例如，當原油性質(zhì)發(fā)生變化時，自動控制系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略，迅速調(diào)整進料溫度、回流比等參數(shù)，使裝置能夠快速適應(yīng)變化，保持穩(wěn)定運行。這說明優(yōu)化策略在增加裝置操作穩(wěn)定性方面是可行的，通過引入先進的控制技術(shù)和實時監(jiān)測手段，提高了裝置對各種變化的適應(yīng)能力，保障了裝置的安全穩(wěn)定運行，降低了設(shè)備的磨損和維護成本，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。基于分解方法的多目標優(yōu)化策略在初餾塔和常壓塔的協(xié)同運行優(yōu)化中是有效和可行的。該策略能夠在降低能耗、提高輕質(zhì)油產(chǎn)量、保證產(chǎn)品質(zhì)量和增加裝置操作穩(wěn)定性等多個目標之間實現(xiàn)較好的平衡，為石油煉化企業(yè)的高效、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展提供了一種切實可行的解決方案。在實際應(yīng)用中，企業(yè)可根據(jù)自身的生產(chǎn)需求和實際情況，靈活選擇優(yōu)化方案，進一步提升生產(chǎn)效益。六、案例分析6.1某煉油廠常減壓裝置實例選取某煉油廠的常減壓裝置作為具體案例進行深入分析，該裝置在石油煉化行業(yè)具有一定的代表性。其設(shè)計處理能力為500萬噸/年，主要加工中東地區(qū)的混合原油，這種原油具有高硫、高酸、高重金屬含量的特點，對裝置的運行和產(chǎn)品質(zhì)量控制帶來了較大挑戰(zhàn)。該常減壓裝置的工藝流程較為典型。原油首先進入電脫鹽脫水系統(tǒng)，通過注入破乳劑和施加高壓電場，去除原油中的鹽類和水分，以滿足后續(xù)加工的要求。經(jīng)電脫鹽脫水后的原油進入換熱網(wǎng)絡(luò)，與常減壓蒸餾過程中的各種餾出物進行熱量交換，使原油溫度升高至220℃左右，充分利用了系統(tǒng)內(nèi)的余熱，提高了能源利用效率。換熱后的原油進入初餾塔，在初餾塔內(nèi)，原油在0.4MPa的壓力和合適的塔板效率下進行分餾，塔頂分離出輕汽油餾分和部分石腦油餾分，塔底的拔頭原油進入常壓爐繼續(xù)加熱。從初餾塔塔底出來的拔頭原油經(jīng)常壓爐加熱至365℃后，進入常壓塔。常壓塔采用復(fù)合塔結(jié)構(gòu)，設(shè)有多個側(cè)線和中段循環(huán)回流。在常壓塔內(nèi)，通過控制合適的回流比和塔板效率，實現(xiàn)了原油的進一步分離，塔頂?shù)玫狡宛s分，側(cè)線分別引出煤油、柴油和蠟油餾分，塔底的常壓重油進入減壓塔。減壓塔通過抽真空系統(tǒng)降低塔內(nèi)壓力，使常壓重油在較低溫度下進行蒸餾，分離出潤滑油餾分、催化裂化原料和渣油等產(chǎn)品。在運行數(shù)據(jù)方面，該裝置初餾塔的進料流量平均為6000kg/h，進料溫度為220℃，回流比為3.5，塔頂輕汽油餾分的干點控制在105℃左右。常壓塔的進料流量為5500kg/h，進料溫度為365℃，回流比為4.5，塔頂汽油的辛烷值為90左右，柴油的十六烷值為48左右。裝置的綜合能耗為[X]kg標油/噸原油，其中初餾塔和常壓塔的能耗占比較大。通過對這些運行數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測和分析，發(fā)現(xiàn)該裝置在能耗、產(chǎn)品質(zhì)量和操作穩(wěn)定性等方面存在一些問題，為后續(xù)的優(yōu)化研究提供了切入點。6.2優(yōu)化前裝置運行狀況分析對該煉油廠常減壓裝置初餾塔和常壓塔優(yōu)化前的運行狀況進行詳細分析，從能耗、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量等多個關(guān)鍵運行指標入手，全面剖析存在的問題。能耗方面，該裝置的能耗處于較高水平。初餾塔加熱爐的燃料消耗偏大，經(jīng)分析，主要原因在于進料溫度設(shè)置不夠合理。當前進料溫度為220℃，而根據(jù)原油性質(zhì)和裝置實際運行情況，適宜的進料溫度應(yīng)在230-240℃之間。較低的進料溫度使得加熱爐需要消耗更多的能量來將原油加熱至合適的分餾溫度，導(dǎo)致燃料消耗增加。此外，初餾塔的回流比設(shè)置為3.5，偏大的回流比使得塔頂冷凝器的冷卻負荷顯著增加，循環(huán)水用量大幅上升，進一步提高了能耗。常壓塔的能耗問題同樣突出。常壓爐的熱效率較低，部分熱量未能得到有效利用，造成了能源的浪費。通過對常壓爐的運行數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)其熱效率僅為[X]%，遠低于同類型先進裝置的熱效率水平。經(jīng)檢查，常壓爐的燃燒器存在燃燒不充分的情況，部分燃料未能完全燃燒就被排出，導(dǎo)致熱量損失。同時，常壓爐的爐壁保溫效果不佳，熱量通過爐壁散失到周圍環(huán)境中，也降低了熱效率。常壓塔的中段循環(huán)回流取熱不合理，導(dǎo)致塔內(nèi)熱量分布不均，增加了塔頂冷卻負荷和塔底再沸器的熱負荷。當前常壓塔中段循環(huán)回流量占總回流量的比例過高，使得塔頂輕組分的冷凝冷卻能耗大幅增加，而塔底重油的加熱能耗也相應(yīng)提高。據(jù)統(tǒng)計，該裝置初餾塔和常壓塔的綜合能耗比同類型先進裝置高出[X]%，這不僅顯著增加了生產(chǎn)成本，也不符合節(jié)能減排的環(huán)保要求。產(chǎn)品質(zhì)量方面，該裝置也存在諸多問題。初餾塔塔頂輕汽油餾分的干點有時會超出控制指標，導(dǎo)致汽油產(chǎn)品的蒸發(fā)性變差，影響發(fā)動機的啟動性能和燃燒效率。經(jīng)分析，這主要是由于初餾塔的塔板效率較低，分離效果不理想，使得輕汽油餾分中混入了較多的重組分。當前初餾塔的塔板效率為0.65，而根據(jù)模擬分析和實際經(jīng)驗，適宜的塔板效率應(yīng)在0.7-0.75之間。較低的塔板效率使得氣液傳質(zhì)效果變差，輕汽油餾分難以充分分離，從而導(dǎo)致干點超標。常壓塔的產(chǎn)品質(zhì)量問題更為突出。柴油的十六烷值偏低，無法滿足市場對高質(zhì)量柴油的需求。經(jīng)檢測，常壓塔生產(chǎn)的柴油十六烷值僅為48，而市場要求的高質(zhì)量柴油十六烷值應(yīng)在50以上。這是因為常壓塔在分離過程中，柴油餾分與相鄰餾分之間的切割不夠清晰，柴油餾分中混入了部分輕質(zhì)組分和重質(zhì)組分，影響了柴油的燃燒性能。此外，常壓塔塔頂汽油的辛烷值也較低，不能滿足高標號汽油的生產(chǎn)要求。當前常壓塔塔頂汽油的辛烷值為90，而高標號汽油的辛烷值要求在95以上。這是由于原油中的輕組分在常壓塔內(nèi)的分離效果不佳，導(dǎo)致汽油餾分中辛烷值較高的組分含量不足。產(chǎn)品質(zhì)量問題不僅影響了產(chǎn)品的銷售價格和市場競爭力，也限制了企業(yè)的經(jīng)濟效益提升。產(chǎn)量方面，該裝置的輕質(zhì)油產(chǎn)量有待提高。初餾塔輕汽油餾分和石腦油餾分的產(chǎn)量相對較低，未能充分發(fā)揮裝置的生產(chǎn)潛力。經(jīng)分析，主要原因是進料位置和塔板數(shù)的設(shè)置不夠合理。當前初餾塔的進料位置在第8塊塔板，而根據(jù)模擬分析，適宜的進料位置應(yīng)在第6-7塊塔板之間。不合適的進料位置使得原油在塔內(nèi)的分布不均勻，影響了輕組分的汽化和分離。初餾塔的塔板數(shù)為20塊，根據(jù)原油的性質(zhì)和分離要求，塔板數(shù)可適當增加至22-24塊，以提高分離效果，增加輕組分產(chǎn)量。常壓塔的柴油和煤油產(chǎn)量也存在提升空間。柴油產(chǎn)量相對較低，主要是由于側(cè)線抽出位置和回流比的設(shè)置不合理。當