第7章系统工程理论在炼油化工厂的用N

第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用系统工程应用内容企业管理：企业具有社会功能，生产计划制定必须考虑社会需求、政府政策、库存情况、生产能力、原料供应、产品运输等生产管理：在满足生产计划的前提下，以最优的条件生产质量达标的产品第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用第一节、最优化概念一、目标函数二、优化变量三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用第一节、最优化概念第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用最优化问题：min()..()()fxstgxhx00max()min{()}fxfx最大化！？目标函数()fx优化变量(手段)x不等式约束条件()gx等式约束条件()hx第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用第一节、最优化概念一、目标函数二、优化变量三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用一、目标函数第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用目标函数(ObjectiveFunction)优化问题所追求的要达到的目标常用优化目标：①系统的原料利用率最高；②产品产量最大；③经济效益最大；④能源消耗最小；⑤操作成本最低；⑥系统的投资成本最低；第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用多目标优化问题的处理①突出主要目标；②将多目标转变为单目标；③对相互矛盾的目标进行折衷处理；加权！加权！第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用第一节、最优化概念一、目标函数二、优化变量三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用二、优化变量第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用优化变量(OptimizationVariables)系统模拟方程:f(w,x,z)=0w–决策变量x–状态变量z–内部变量——实现目标的手段—可影响操作结果—受制于决策变量—设备内部变量决策变量数量？选择优化变量时必须充分考虑其对目标函数的影响，也不能太多！第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用第一节、最优化概念一、目标函数二、优化变量三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用三、约束条件第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用约束条件(ConstrainedConditions)约束条件的类型1）不等式约束条件g(w,x)02）等式约束条件等式约束条件包括：①等式设计规定或工艺要求：h(w,x)=0②等式尺寸成本关系式：c(w,x,z)=0③系统模拟方程：f(w,x,z)=0第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用最优化问题可行域：Ox2x1min..232360400012121212xxstxxxxxx满足所有约束条件的变量集合10x1240xx122360xx20x可行解第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用第一节、最优化概念一、目标函数二、优化变量三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用四、过程系统优化问题的类型及特点第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用过程优化类型固定工艺流程和设备结构操作参数优化调整工艺流程或设备设计参数优化改变流程或设备后必须进行操作优化离线优化(off-line)在线优化(on-line)第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用过程优化模型类型稳态优化模型模型不考虑时间参数min(,)..(,,)0(,,)0(,)0(,)0fwxstfwxzcwxzhwxgwx第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用过程优化模型类型动态优化模型模型考虑时间参数间歇过程连续装置的开工与停工过程紧急情况等都属于动态过程某一点的状态随时间发生变化统计优化模型依托数理统计方法建立模型第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用第一节、最优化概念一、目标函数二、优化变量三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用第二节、过程系统稳态优化问题的建立第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用稳态优化问题的建立过程模拟模型给定参数优化变量{经济模拟模型经济参数过程约束条件经济约束条件经济特性指标最优化程序过程模拟模型过程参数经济模拟模型调整优化变量第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用优化问题的求解求解模拟方程组在可行域内决定优化变量新值，使目标函数得到改善(a)可行路径法在全部区域内同时求解满足模拟方程组与约束条件的优化变量数值(b)不可行路径法可行路径优化方法计算效率低，其根本原因是抛弃大量超出可靠域的试算点优化方法在每个搜索点处不一定满足等约束方程（流程方程），但在最优点处可以保证约束方程收敛模拟与优化同步收敛第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用系统模拟优化采用的最优化方法评述直接搜索法它应用简便，计算比较可靠，但优化计算每迭代一次都要做一次全流程模拟计算，属于可行路径法用这种方法即使计算变量很少的优化问题（如5个变量），也需要5~400次全流程模拟，计算效率很低。因此在早期的的研究工作中报道较多，目前已很少被采用。第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用罚函数型和拉格朗日函数型的优化方法曾被广泛用于处理有约束的非线性问题，但随着问题维数的增多，其数学性质变得复杂，条件变坏，求解困难，而且罚函数的选择和修正带有很大的任意性。因而，仅用于解决大系统参数优化问题。序列线性逼近法（SLP）该法适应性强，能处理大规模的优化问题，但收敛速度慢。序列二次规划法（SQP）属于不可行路径法，它具有很好的性质：收敛速度快，计算效率高，是当前公认的最好的优化方法之一。但SQP法不能直接用于维数过多的优化问题，须辅以变量分解法以缩小变量空间。第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用广义简约梯度法（GRG）该法是一种很有吸引力的方法，它适应性好，收敛速度快，特别是可以直接用于处理大规模优化问题，但在过程优化方面应用的报道不多GRG2每次迭代都需收敛等式约束，属可行路径法MINOS为不可行路径法第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用第一节、最优化概念一、目标函数二、优化变量三、约束条件四、过程系统优化问题的类型及特点第二节、过程系统稳态优化问题的建立第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用二、在生产过程中的应用第三节、最优化理论在过程系统中的应用一、在企业管理过程中的应用第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用㈠合理进行资源分配使经济效益最佳某工厂用钢与橡胶生产3种产品A、B、C，有关消耗与利润的数据如表所示：产品单位产品钢材消耗量单位产品橡胶消耗量单位产品利润A2340B3345C1224已知每天可获得100单位的钢材和120单位的橡胶，问每天生产各多少A、B、C可使总利润最大。第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用设定优化变量：x=A的日产量，y=B的日产量，z=C的日产量优化目标：maxzxyz404524问题：问每天生产各多少A、B、C可使总利润最大？利润=产量单位利润优化变量产量第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用解∶设定优化变量：x=A的日产量，y=B的日产量，z=C的日产量优化目标：maxzxyz404524约束条件：231003321200xyzxyzxyz,,钢材供应橡胶供应excel求解第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用㈡多产品生产过程的排产计划例：某炼油厂将原油加工成5个中间汽油系列产品，然后再调合成两个级别的成品汽油出售。每种中间产品和成品油的有关数据列于下表，满足合同销售后的成品油及中间油品均可进入市场销售。要求制订一个下一年度的生产计划，使全年纯利最大。第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用加工统计表中间产品产量i桶／年辛烷值i售价Ci(3)美元/桶成本Ci(4)美元/桶混合成本i(5)美元/桶1200,000703024.001.002400,000803527.001.003400,000853628.501.004500,000904234.501.005500,000996040.001.50销售价(美元／桶)成品油合同销售i最低辛烷值i合同价Cj(1)市场价Cj(2)常规汽油500,0008540.0046.00高级汽油400,0009555.0060.00第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用净利润：=产品销售收入—生产成本—调合成本油品i常规高级直销xiyizi关键：每个中间油品的物流平衡常规汽油和高级汽油的物料平衡第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用解：1.设优化变量：中间油品i：xi----用于调和常规油品yi----用于调和高级油品zi----用于直接销售成品油j：uj----合同销售量vi----市场销售量第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用2.绘制物料流向图12345常规燃料油高级燃料油合同销售,u1市场销售,v1合同销售,u2市场销售,v2中间燃料油直接销售xiyizi200,000400,000400,000500,000400,000500,000500,000第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用3.列约束方程①中间产品i的物料平衡方程xyziiii②成品油的物料平衡xuvyuvii1122③掺合后汽油的辛烷值要求不低于技术指标111222iiiixuvxuv④要求满足合同销售量ujj第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用4.列目标函数纯利=产品及中间产品的总销售收入-（生产成本+掺合加工成本）目标函数∶cucvczcxyzcxyjjjjiiiiiiiii()()()()()()()12345第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用5.优化问题(OP)：5,,10,,000,400000,500)(959990858070)(859990858070000,500000,500000,400000,400000,200..5.415.355.2928)(25205.75.78660465540max2122543211154321225432111543215554443332221115544332211543212121izyxuuvuyyyyyvuxxxxxvuyyyyyvuxxxxxzyxzyxzyxzyxzyxtsyxyxyxyxyxzzzzzvvuuiiiexcel求解第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用12345常规燃料油高级燃料油合同销售市场销售合同销售市场销售中间燃料油直接销售200,000400000500,000325000175000400000500000400,000200,000400,000500,00075000325000500,000350000550000最佳调合方案净利润：28,000,000中间产品销售：21,150,000第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用㈢企业生产计划的制订例：某炼油厂可选择三种不同来源的原油中的一种或几种进行加工。根据长期的生产经验已获得每种原油进行常压蒸馏时的收率情况。第7章系统工程理论在炼油化工厂的应用油气丙烷初闪蒸油直馏汽油煤油渣油损失常压x1,x2,x3油气丙烷丁烷汽油损失油气渣油汽油损失重整热重整蜡油粗柴油渣油损失减压油气催化聚合油汽油损失催化裂化轻循环油