原油采购生产调度集成模型与全局优化

Nowadays, oil-refining industry in China is facing great pressure for its development. To ensure its sustainable and stable development, it is crucial to improve its profit margin and reduce operating cost. The key issue on profit margin maximization and operating cost minimization is to reasonably purchase crudes and high-effectively utilize cheap crudes. This project is to carry out research on modeling and global optimization of integrated crude oil procurement and scheduling of operations. First, the relationship between crude oil procurement and crude blending and scheduling operations is explored. Based on the relationship, a general network diagram for the integrated crude oil procurement and scheduling operations is developed. Then, a non-convex mixed-integer nonlinear optimization formulation is proposed to model the network. Second, the piecewise-linear relaxation technology is applied to relax nonlinear terms and develop tight piecewise-linear relaxation formulation for this project. Combining with spatial branch and bound algorithm, a global optimization algorithm incorporating piecewise-linear relaxation model and software package are developed, and global optimality is theoretically guaranteed. Several large-scale industrial examples are solved to generate and demonstrate optimal schedules for crude oil procurement, blending and scheduling operations. It is believed that through this project, refinery industry can systematically model and optimize crude oil procurement and scheduling operations. Furthermore, it provides scientific theory and methodology for reasonable crude oil procurement, high effective utilization of cheap crudes, and optimal scheduling of crude oil operations.

目前，我国炼油工业发展压力巨大，如何提高其利润、降低生产成本对保障我国炼油工业持续稳定发展至关重要。实现其利润最大化、降低生产成本的关键是合理采购、高效利用廉价原油。本项目重点研究原油采购生产调度系统，探索原油采购过程（包括：原油供应商、种类和数量）与原油混合配比、炼制生产调度过程之间的相互作用关系，构建原油采购生产调度集成系统网络图，建立非凸的混合整数非线性数学优化模型，并完成模型验证；研究分段线性松弛方法在本项目中的应用，并提出全局优化算法及算法软件包；从理论上保证可行解的全局最优性；根据大规模的案例计算分析，获得最佳的原油采购、混合配比，以及生产调度决策方案。通过本项目的研究，可实现我国炼油工业原油采购生产调度集成过程的系统化和模型化，为我国炼油工业合理采购、高效利用廉价原油及优化排产的科学决策提供相关理论和方法支持。

炼油工业在我国经济社会发展中居于基础地位。随着社会经济的快速发展，我国炼油工业正面临日趋严峻的挑战，如何提高其利润、降低生产操作成本对保障我国炼油工业持续稳定发展至关重要。原油成本占整个炼油工业利润的80%，因此实现炼油工业利润最大化、降低生产操作成本的关键是合理采购、高效利用廉价原油。而廉价原油往往因其品质低下会给后续炼制工艺带来困难，影响成品油的质量。实现其高效利用的关键途径是与昂贵优质原油进行最佳混合配比，同时满足炼制工艺生产要求。这就迫切需要对原油采购生产调度集成系统进行优化研究。. 本项目成功建立了准确描述原油采购生产调度集成系统的规模小、高效数学模型并完成了模型验证，此模型在数学上表述为大规模非凸混合整数非线性优化模型，非凸主要来源于描述不同原油的混合操作；基于分段线性方法，获得了紧凑分段线性松弛模型；在此基础上成功开发了求解本项目优化模型的空间分支定界全局优化算法，可在理论上保证获得最优解的全局最优性，而不是局部最优。空间分支定界全局优化算法不仅集成了分段线性松弛模型，还集成了一些切实可行启发式方法，比如变量紧凑上下界获取方法、循环求解混合整数线性和非线性模型快速获取高质量可行解方法以及不可行调度方案微调方法。工业案例计算表明，我们非常成功地获得了误差范围2%以内的全局最优决策方案；全局最优决策方案实际可行，相比文献最佳调度方案利润增长了0.1~ 0.6个百分点，最大程度可节省67500吨优质原油。. 本项目提出的空间分支定界全局优化算法可应用于含有“双线性”非凸特征的混合整数非线性模型全局优化，极大丰富了非凸混合整数非线性全局优化理论和方法；实现了大规模原油采购生产调度集成系统的全局优化，使原油采购生产调度系统化和模型化，为我国炼油工业合理采购、高效利用廉价原油及调度优化排产的科学决策提供方法，实现炼油工业利润最大化和降低生产操作成本，因此增强了非凸混合整数非线性模型优化理论和方法求解大规模实际问题的应用。更重要的是，大部分化工石化生产过程如汽油调和过程都存在物料混合操作，在数学模型上表述为典型的“双线性”非凸特征，本项目提出的空间分支定界全局优化算法可应用解决这些化工石化生产过程的全局优化。