炼化企业生产计划优化软件现状分析及展望

孙若琳，房 韡，王鑫磊

（中石化石油化工科学研究院有限公司，北京 100083）

炼化企业依据制定的生产计划指导企业的生产经营活动。由于生产流程的复杂性，需要借助专业优化软件开展生产优化工作，很多大型炼化企业和研究机构都开发了具有自主知识产权的计划优化决策软件。

多数的计划优化软件是以线性规划（LP）技术为核心建立的系统。LP技术是通过构建炼厂的LP模型解决资源的最优分配问题。计划优化软件帮助企业在复杂生产计划中快速找到最优方案；从建立计划模型、运算到结果分析全流程更加简便快捷，节约人力成本。目前，计划优化软件已成为企业进行战略规划、低碳转型和资源优化的重要支撑。

1 国外计划优化软件

1.1 PIMS软件

1.1.1 PIMS基本架构

PIMS系统通过Windows窗口（PIMSWIN）和模型树管理，外观为模型树和装置罗列的形式，用户可通过模型树的树枝（所挂功能）进入相应模块，通过导入表格完成建模。

1.1.2 PIMS特点

PIMS软件的优点是：简化了规划项目中的重复工作，便于进行多方案比较，可节省大量人力；具有诊断和警告错误信息功能，可以帮助开发人员找到模型出现错误的位置，更快调试模型；所有模型均在电子表格中建立，具有一键式操作特点。同时，PIMS也有其局限性：模型构建指引性差，建模过程中容易出错；非图形化的形式不能直观展示工艺流程；输出的报告可视化效果差，查找数据不便捷。

2010年，PIMS 18.2版本中新增了PIMS-AO功能，具有XNLP求解功能（PIMS中的一种非线性求解算法），PIMS-AO功能中，参数分析功能实用性较强、应用频次较多，可利用此功能方便地进行原料、产品链和操作参数优化[1]。2020年，Aspen公司推出Aspen Unified，此平台将计划和调度集成在同一环境中，并与先进控制（APC）、动态优化等闭环自动化系统相协调。其中，Aspen Unified PIMS具有全厂装置图形化界面，弥补了PIMS直观性差的不足；同时能够多方位地展示优化结果。

1.2 RPMS软件

1.2.1 RPMS基本架构

RPMS系统在操作上与Windows界面相似，包括4个功能模块。RPMS可建立从原材料采购，到二次加工、产品调和、产品销售的模型。用户在项目管理窗口创建模型时，系统会创建只包含边界变量的空白模板，其他数据需要在Data Factory中的Excel表中输入。

1.2.2 RPMS特点

该软件具有图形界面，可显示装置流程，工艺流程和物料平衡检查更直观，亲和度好；运算速度和收敛速度更快。但缺点是不具有包含完整信息的解报告；提示清晰程度低于PIMS，很难定位模型问题；制作案例比PIMS步骤更多，需要制作与基础模型一样的完整模型。

除PIMS和RPMS外，Haverly公司的GRTMPS软件和Schneider公司的AVEVA Spiral plan在国外也有较多应用。GRTMPS主要分布在欧洲，其特点是通用性强、计划活动覆盖面广及数据库驱动。我国2010年引进GRTMPS，主要在化工企业应用。AVEVA Spiral plan采用图形化建模，国外市场占有率较高，国内只应用于宝来利安德巴赛尔石化。

2 国内计划优化软件

2.1 S-GROMS软件

2.1.1 S-GROMS基本架构

S-GROMS采用数据库模型体系，按照物流关系建模，模型采用模型级、企业级、计划期级、子模型级、装置级、装置方案级、侧线级、去向级的层级结构。其中，子模型级结构包括资源采购、一次加工、二次加工、成品流向、成品调和、约束汇总、公用工程、期初库存、期末库存、流程报表等10个子模型。

2.1.2 S-GROMS特点

S-GROMS具有非线性三次元算法，能够高效获得全局优解；其错误索引和错误定位更直观，软件指导性更强；可共享模型且报表图表可继承；全中文界面、菜单操作形式更符合国内用户的操作习惯；可直接导入PIMS模型生成S-GROMS模型。

2.2 RIPO软件

2.2.1 RIPO基本架构

RIPO采用“平台＋应用”建设模式，其计划优化模型包括原料购买模型、原油数据库及常减压模型、二次装置模块产品调和模型、约束模型、产品销售模型等，为了使模型精细化，还设置了库存模块、物性传递模块、全局控制模块和自定义控制模块。用户依次构建好各具体子模型后，可以在自定义控制模块中灵活定义自定义变量及相关方程。

2.2.2 RIPO特点

RIPO使用类Excel操作图形化建模，建立碳排放模型、多目标定义更简便；建模更高效，支持多用户同时更改同模型的不同模块；对于多方案对比和灵敏度分析，其图形化对比更加直观。

2.3 其他国产计划优化软件及特点

GIOPIMS是清华大学开发的图形建模优化系统，该软件特点是具有丰富的图形编辑形式、多样的数据录入方式、超结构的表示及切割点的优化，提高了生产计划优化的全局性[2]。VISPRO是中石化石油化工科学研究院有限公司（简称石科院）开发的炼化资源可视化智能优化系统，其特点是建立了炼化企业典型装置库，建模更方便、对新手更友好；可以由VISPRO模型导出PIMS模型。

3 国内外计划软件应用现状

3.1 国内外计划软件应用情况

全球有400余家炼厂将PIMS应用于日常生产经营管理，在同类软件里占比最高。中国石化自2000年引进PIMS软件后，其下属各个炼厂全部采用该软件进行生产计划的优化排产工作。张成等[3]利用PIMS模型测算了多种原油的保本价和高、低硫及轻、重质原油价差，通过测算不同负荷下轻、重质原油的搭配，优化原油采购方案。宫向阳等[4]研究对比了单厂PIMS模型与炼化一体XPIMS模型，优化结果表明，采用XPIMS整体优化模型提高了石脑油链烷烃含量高的原油采购量，从而增加了化工产品收入。在加工流程方面，中间物料的流向对全厂的加工流程影响较大，进而影响企业经济效益。林敏[5]应用PIMS模型对荆门石化重油加工流程进行优化，得到最优的重油加工方案。

RPMS在全球炼化企业中的应用少于PIMS，国外有100多家石化企业应用RPMS，国内，中国石油自2004年引进RPMS软件后，使用基本覆盖其下属所有大型炼化企业。在装置规划方面，咸廷伟等[6]以某炼化企业为例，建立了RPMS模型并对乙烯装置扩建前后的全厂物流进行模拟，优化了乙烯装置原料和产品。在加工流程方面，魏文平等[7]通过建立R炼厂的RPMS模型，实现了汽油产品质量的优化和减渣流向的优化，提升了炼厂的经济效益。Popescu[8]利用RPMS测算研究了甲基叔丁基醚（MTBE）组分和汽油组分之间的价格差异对催化重整装置在2种方案下运行的影响。在节能应用方面，杨璐[9]考察了某炼厂RPMS模型电能随电价的变化规律及炼厂效益变化情况，规划了炼厂的节能流程。

相比于国外软件，国产计划优化软件起步较晚，但近10年进步较大，已逐步应用于国内炼厂。目前，S-GROMS在中国石化青岛炼化、湛江东兴、中原石化等炼厂完成试点工作，并应用在中国石化2023年第二季度的排产对接中。黄茂生[10]基于S-GROMS软件，建立了1 200万吨/年的虚拟炼厂全流程模型，测算了不同价格体系下重油加工的最优路线，完成了虚拟炼厂全流程的设计与优化。孙雪婷等[11]利用S-GROMS软件对某炼厂进行了原油排序测算。邵敏[12]通过SGROMS进行原油采购和生产方案优化的测算，验证了模型对生产计划的全局优化能力。RIPO已在中国石油的四川石化、华北石化、广东石化、克拉玛依石化、吉林石化等企业推广应用。汪洪涛等[13]利用RIPO平台为某企业建立了3种原油选购模型，通过测算得出不同方案的原油品种结构和主要利润指标，综合分析原料成本、销售收入和装置负荷等，找到成本和收入双优的原油组合。

3.2 计划软件和流程模拟的结合应用

炼厂二次加工装置的收率不是一成不变的，物料的收率和性质随进料性质和操作条件的变化而变化，因此计划模型引入流程模拟来准确描述和预测二次装置的产品收率，目前已应用于催化加氢、常减压、气体分离、乙烯裂解等装置。

董晓杨等[14]基于流程模拟软件建立了常减压装置操作与生产计划的集成优化策略，通过流程模拟验证生产计划的可达性，使生产计划得到最优解的同时，确定装置的工艺条件。蒋东等[15]将计划优化软件和流程模拟软件结合，构建了某炼厂气体分离装置生产计划和工艺条件的集成优化模型，并给出实现最优计划的装置操作指标。罗德鸿等[16]制定了基于PIMS-SPYRO集成的乙烯生产计划，采用联动SPYRO迭代计算方式，实现了MPIMS模型优化计算过程中的多方案计算和Delta-Base模型中生产数据的动态模拟，使乙烯生产计划优化整体方案合理可行，达到设计目标。

4 国产计划优化软件技术展望

4.1 计划优化软件向分子水平发展

现有计划优化技术描述原料性质、操作条件等对产品收率的影响是通过Delta-Base结构完成表述，算法进步和算力发展可以支持计划优化软件向更细颗粒度发展，以分子管理为驱动，实现原油分子资源的总体优化利用。分子水平模型是炼油向智能化、集成化发展的必然方向，近年来，其开发已取得了实质性进展。对于二次加工过程，石科院连续攻克催化重整、固体酸烷基化等石脑油馏分段的分子水平模型研发[17]；对于油品调和过程，辛孚科技开发了分子级汽油调和优化系统。未来可以将复杂的机理模型加入计划决策模型中，利用分子水平模型与计划优化软件深度集成，实现分子水平模型与计划模型的数据传输，使计划模型实现更精准的模拟和更灵活的优化，能够在整个炼厂的背景下对反应途径进行分子建模与优化。

4.2 建设计划调度一体化优化平台

在计划方案的应用中，因无法考虑原油船期等调度问题，当前计划模型的可执行性差，而调度系统主要关注点在于调度的模拟和方案的可行性，无法从全局角度实现调度的优化[18]。如何将二者结合，实现计划调度一体化优化是炼化企业的重要研究方向。

实现一体化优化可以从以下2个方面考虑：①数据集成。数据通过一体化平台在不同业务部门之间进行传递共享和更新，将计划优化的结果作为调度系统的入口，完成调度排产、模拟和优化等过程，根据反馈数据对生产计划做出调整，使计划—调度—操作层形成闭环。②模型集成。模型是智能炼厂实现的核心和关键，已有文献报道，可通过拉格朗日分解算法集成原油调度和生产计划模型，实现计划和调度协同优化[19]。

与单独优化相比，计划优化和调度的综合优化能带来更好的收益，但面临的主要挑战是2个优化的时间尺度差异。未来的一体化平台要重点开发多尺度的建模方法，能够提供定制化的用户界面，对已完成和未完成的计划进行滚动展示，根据当前设备能力等条件对计划做出实时调整，生成最优的生产计划。

4.3 业务应用场景的拓展

计划优化软件在能源、腐蚀、安全、环保的优化应用上还有很多的拓展空间。

能源的优化应用方面，可利用软件分析和识别能源消耗的瓶颈和低效点，提高能源利用效率；此外，氢气的附加值高，未来需解决炼厂氢气管理经验化和粗糙化的问题，使计划模型中的氢气网络模型更加精细化。腐蚀的优化应用方面，计划优化软件可以整合先进的腐蚀模型和数据分析技术，预测设备腐蚀的可能性并提供降低腐蚀的方案，通过考虑腐蚀因素来优化计划。安全的优化应用方面，计划优化软件可以集成安全指标和约束条件，减少潜在事故的发生概率，优化装置的维护计划。环保的优化应用方面，可以建立废水和废气排放模型，追踪装置的废水、废气排放；建立原料和产品的碳排放模型等。未来可以从以下几点在碳排放方向做优化：一是交易与管理，利用软件集成碳排放交易机制（包括碳排放配额市场、碳交易市场、碳税和清洁发展机制等），跟踪炼厂的碳排放情况，优化计划以符合碳排放配额或获取碳信用；二是能源转型和碳中和策略，利用软件评估不同能源替代方案的可行性和碳排放情况来优化生产计划，如，可再生能源的利用，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的应用等；三是数据分析与预测，软件利用大数据分析和机器学习技术，分析历史数据和实时数据，预测和优化碳排放量，利用数据模型和算法识别影响炼厂碳排放的主要因素并提供措施减少碳排放。

4.4 建立智能优化系统

智能优化系统可校验模型错误，帮助计划人员完成初步的模型分析，解决模型与生产实际不匹配问题；引入强化学习和人工智能技术，使智能优化系统能够根据反馈信息自主学习和优化炼化计划。通过与环境的交互和试错，系统逐步调整决策策略并在长期优化中实现更好的性能，使计划优化更加智能化。系统的共享平台支持不同炼厂之间分享经验、交流最佳实践成果；协作平台集成多厂信息，通过案例库可进行对比分析，帮助用户做出优化方案的选择。

在炼化计划优化应用中，张红[20]分析并设计了支持流程企业一体化优化管理的决策支持系统，对决策支持系统总体架构以及数据仓库的建立、运行系统功能模型、人机对话界面等进行了研究。未来，智能优化系统将更加注重实时性和响应能力，注重数据集成和云计算的应用以及数据驱动的决策支持能力。

5 结语

开发具有自主知识产权的国产计划软件有着非同寻常的意义。在过去10年中，国产计划优化软件蓬勃发展，已经取得了良好成绩，但和国外最先进的软件相比尚有一定差距。未来，计划优化软件的开发者应遵循“数据＋平台＋应用”模式[21]，开拓创新，在集成分子水平模型、建设计划调度一体化优化平台、拓展业务应用场景、建立智能优化系统等几个方面做出努力，向实时性、智能化和协同化发展，不断提升软件的纵向贯通性和业务覆盖度。