AT500606B1 - Verfahren zur optimierung von verfahrensabläufen - Google Patents

Description

2 AT 500 606 B1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Optimierung von Verfahrensabläufen in einer Stoffspeicher, z.B. einen Erdöltank, die jeweils einen Minimal- und einen Maximalfüllstand aufweisen, enthaltenden Anlage, z.B. eine Raffinerie, wobei in einem vorgegebenen Zeitraum verschiedene Rohstoffe, z.B. Rohöle, nacheinander in einer definierten Anzahl von Rohstoffmengeneinheiten zugeliefert werden, Stoffspeichern zugeführt werden, in wenigstens einer Verarbeitungsanlage, z.B. Rohöldestillation, zu Primärprodukten verarbeitet werden, die in weiteren Stoffspeichern gelagert werden und gegebenenfalls für eine weitere Produktionsstufe oder zur Auslieferung zur Verfügung stehen, wobei zur Ermittlung der optimalen Reihenfolge der Zulieferung und Verarbeitung von Rohstoffmengeneinheiten in dem vorgegebenen Zeitraum die Rangposition jeweils einer Rohstoffmengeneinheit nacheinander derart optimiert wird, dass die Summe der Infeasibilitäten, wie z.B. Überfüllungs- bzw. Unterfüllungszeitintervalle, für die Stoffspeicher minimiert bzw. vermieden wird.

In der Prozessindustrie im allgemeinen und in der Mineralölindustrie im besonderen läuft die Produktion auf mehreren hintereinadergeschalteten Ebenen ab. Jede dieser Stufen besteht aus dem eigentlichen Produktionsschritt und der Lagerung der dabei produzierten Mengen in dafür vorgesehenen Stoffspeichern bzw. Tanks, die dann für den nächsten Produktionsschritt zur Verfügung stehen. Für das Produktionssystem einer Erdölraffinerie sieht dies folgendermaßen aus:

Rohöle unterschiedlicher Zusammensetzungen werden in Mindestmengen (Batches) beispielsweise aus einem Ölhafen angekauft, angeliefert, in die Raffinerie befördert, beispielsweise über Pipelines gepumpt, im Gelände der Raffinerie gelagert und dann zu Endprodukten (Kerosine, Benzine, Öle, Gase) destilliert, die wiederum gelagert werden. Lagertanks sind jeweils ausschließlich für bestimmte Rohöle bzw. Endprodukte vorgesehen.

Die Wahl der Reihenfolge (Sequence) der Verarbeitung von Rohstoffmengeneinheiten (Batches) führt zu unterschiedlichen Auslastungen von Lagertanks und Destillationsanlagen. Bestimmte theoretische Sequences können auch Infeasibilities wie Überfüllungs- bzw. Unterfüllungszeitintervalle für die Stoffspeicher oder Überschreitung von Pumpleistungen, bewirken.

Ziel ist es daher, eine Reihenfolge (Sequence) der Verarbeitung von Rohstoffmengeneinheiten (Batches) zu ermitteln, die derartige Infeasibilities minimiert bzw. vermeidet.

Ein Durchkalkulieren der möglichen Permutationen von N, beispielsweise 15, Batches bedeutete ein Durchrechnen von NI, also beispielsweise 151, also ca. von 1012, Situationen, was eine Berechnung in vernünftiger Zeit nicht mehr ermöglicht.

Die US 2003/0125818 A1 beschreibt ein Verfahren zur Optimierung von Feasibilitäten bzw. zur Beseitigung von Infeasibilitäten in einem Produktions-, Anlieferungs-, Auslieferungs- bzw. Lagerhaltungsprozess. Aus der DE 102 50325 A1 geht ein Verfahren und ein Werkzeug zur Steuerung der Arbeitsweise der in einer Raffinerie oder einem petrochemischen Werk vorgesehenen Anlagen hervor. Die US 2002/0069210 A1 beschreibt eine Computermethode und eine Vorrichtung für die Optimierung einer Gefäßauswahl, insbesondere für die Planung von Transaktionen, vor allem für den Rohölhandel. Die US 2003/0018490 A1 offenbart ein System für die Planung und Optimierung von Versorgungsketten, wobei ein „ganzheitlicher“ Ansatz versucht wird, bei dem Parameter, welche eine Versorgungskette beeinflussen berücksichtigt werden.

Aufgabe der Erfindung besteht darin, im Hinblick auf die Infeasibilitäten das globale Optimum in „real-time“ zu finden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zur Rangpositionsoptimierung jeweils zwei Rangpositionen jeweils einer Rohstoffmengeneinheit vertauscht werden und lediglich für das Vertauschungszeitfenster, das durch die beiden vertauschten Rangpositionen begrenzt ist, die Infeasibilität neu berechnet und mit jener Infeasibilität vor der Vertauschung verglichen wird. 3 AT 500 606 B1

Bei einer derartigen Optimierung der Reihenfolge der Rohstoffmengeneinheiten (Batches) sind wesentlich weniger Kombinationen durchzurechen (etwa 104 ist für fünfzehn Batches realistisch), womit eine Berechnung der erforderlichen Parameter in ausreichend kurzer Zeit mit geringem Rechenaufwand möglich wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in einem weiteren Durchlauf des Verfahrens wenigstens eine Rohstoffmengeneinheit in zumindest zwei Untereinheiten unterteilt wird. Damit kann eine noch feinere Optimierung erzielt werden.

Weiters kann vorgesehen sein, dass nach dem Durchlauf des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zusätzlich Betriebsparameter, wie z.B. Durchsätze, Schnitttemperaturen, optimiert werden. So können Infeasibilitäten noch weiter reduziert werden.

In Fortführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mehrmals nacheinander eine Optimierung der Reihenfolge und der Betriebsparameter erfolgt. So kann in einem iterativen Prozess die Optimierung weiter verbessert werden.

Schließlich kann vorgesehen sein, dass das Verfahren auf mehrere zusammenhängende Anlagen angewandt wird. So können auch komplexe Anlagensysteme, wie beispielsweise Raffinerien, auf ein Minimum von Infeasibilitäten hin optimiert werden.

Die Erfindung betrifft weiters einen Datenträger mit einem Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines Computers geladen werden kann und Softwareabschnitte umfasst, mit denen die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer läuft. Dadurch wird eine einfache Bereitstellung des Computerprogrammprodukts ermöglicht. Mittels des Computerprogrammprodukts kann das erfindungsgemäße Verfahren auf besonders einfache Weise in einer Regelungseinrichtung der Prozessindustrie bereitgestellt werden.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossene Zeichnung, in welcher eine Ausführungsform dargestellt ist, näher beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 den schematischen Produktionsablauf einer Erdölraffinerie.

Rohöle werden an einem Ölhafen in Rohstoffmengeneinheiten B bzw. Batches angekauft und in Rohöltanks R1 bis Rn im Hafen gelagert. Über eine Pipeline P werden die Rohöle in Tanks T1 bis Tn am Raffineriegelände zwischengelagert, in Destillationsanlagen D1, D2 zu Primärprodukten (Gase, Benzine, Kerosine, Gasöle, ...) verarbeitet und in Einsatztanks E1 bis En für die nächste Produktionsstufe, Vermischung bzw. Auslieferung gelagert.

Da nun je nach Rohölsorte sowohl die Produktionsmengen für die jeweiligen Produktionsschritte als auch die Eigenschaften der produzierten Fraktionen verschieden sind, ist es für den Gesamtprozess von entscheidender Bedeutung, in welcher zeitlichen Reihenfolge die Rohöle in das Produktionsgeschehen gelangen. Die Betriebsparameter (Fahrensweisen) der Anlagen, die durch die Charakteristiken der Rohölsorten bestimmt werden, sind also je nach zeitlicher Reihenfolge der Rohöleinsätze verschieden. Üblicherweise werden entsprechend dem Bedarf an Fertigprodukten mit einem Linearen Optimierungsprogramm (LP) die Rohöle und Anlagenparameter für einen Monatszeitraum ermittelt. Das LP kann aber nur Monatsschnittwerte errechnen. Das Ergebnis eines LP ergibt einen Bedarf von N - im Allgemeinen ca. fünfzehn - verschiedenen Rohölbatches. Um den Einfluss der Reihenfolge auf das Produktionsgeschehen vollständig zu untersuchen, müsste man N! Situationen - in diesem Fall 15! (15 faktorielle), also ca. 1012 - lösen, was offensichtlich nicht in vernünftiger Zeit möglich ist. 4 AT 500 606 B1

Zur Ermittlung der optimalen Reihenfolge wurde ein Verfahren entwickelt, das statt einer vollständigen Enumeration von N! Reihenfolgen lediglich N2 Einzeltranspositionen untersucht, die rekursiv solange permutiert werden, bis die untermonatigen Infeasibilitäten an den Tanks verschwinden bzw. minimal werden, also durch keine andere Reihenfolge kleiner werden. Im Falle übriggebliebener Restkonflikte werden diese über eine Kontrollfunktion an das LP übermittelt, das unter Berücksichtigung der verbleibenden Tankkonflikte noch einmal gelöst wird. Im Allgemeinen erhält man bei N=15 nach fünf bis zehn Rekursionen von LP und Reihenfolgenoptimierung die optimale Tankbelegung und Betriebsparameter der Anlagen, wie dies beispielhaft in folgender Tabelle dokumentiert ist.

Dateiname objFn Gross Margin SUM Inf Inf Q-1005-OO.shd 11518.7 9791.311 27.412 26.722 Q-1005-01 .shd 11518.8 9791.404 111.350 108.663 Q-1005-02.shd 11514.1 9786.711 313.906 179.221 Q-1005-03.shd 11490.3 9762.883 24.483 43.898 Q-1005-04.shd 11490.9 9763.563 120.244 127.818 Q-1005-05.shd 11481.9 9754.553 38.816 41.667 Q-1005-06.shd 11481.7 9754.367 43.903 43.472 Q-1005-07.shd 11451.6 9724.224 3.671 9.829

Hierbei steht ObjFn für die nach jedem LP-Durchgang resultierende optimale Zielfunktion, Gross Margin für den nach jedem LP-Durchgang erhaltenen maximalen Deckungsbeitrag (= Erlöse - variable Kosten), SUM Inffür die nach jedem LP-Durchgang vom Reihenfolgealgorithmus minimierte Gesamtinfeasibilität in Über-/Unterfüllungsmengen * Zeit über das gesamte Prozesssystem, und Inf für die maximale infeasible Über- bzw. Unterfüllungsmenge.

Der Ablauf des Verfahrens stellt sich dar wie folgt:

Eine LP Lösung mit Periodendurchschnittswerten wird eingelesen und unter Wahl einer beliebigen Startreihenfolge für Anlageneinsätze wird die sich aus dieser Reihenfolge ergebende Star-tinfeasibilität T0 in Tonnen * Zeit am gesamten Tanksystem T1 ... Tn, E1 ... En ermittelt.

Zerteilung der Periodenwerte der einzelnen Fahrweisen in technisch vorgegebene Mindestfahrlängen (beispielsweise 1 Tag). Für eine Periode von beispielsweise 17,6 Tagen ergibt dies sechzehn Tageszeitscheiben und eine 1,6-Tageszeitscheibe.

Vertauschung der Zeitscheiben n mit (n+1) für alle n = 1 bis (N-1), also hier gleich sechzehn. Bei jedem Transpositionsdurchgang der Zeitscheiben wird jene Position festgehalten, bei der sich die daraus ergebende Gesamtinfeasibilität über das gesamte Produktionssystem minimal ist. Bei jeder Vertauschung wird nur im Vertauschungszeitfenster und nur für die bei diesem Vorgang betroffenen Tanks die Infeasibilität berechnet. Vor der Vertauschung von zwei Zeitscheiben A und B wird die im Vertauschungszeitraum ermittelte Infeasibilität von der gesamten abgezogen und nach der Vertauschung wieder dazuaddiert. War die Gesamtinfeasibilität nach der Vertauschung kleiner, dann ergibt sich B vor A etc.

Nachdem alle N Zeitscheiben der betreffenden Anlage paarweise vertauscht worden sind, durchläuft das Vertauschungsverfahren für jede Fahrweise noch einmal alle Zeitscheiben mit dem Ziel, die vorgenommene Zeitscheibeneinteilung noch einmal zu verfeinern. Wenn im oben genannten Beispiel die Position der 1,6-Tageszeitscheibe festgelegt worden ist, wird noch einmal überprüft, ob die 0,6 Tage, die über die Mindestfahrlänge hinausgehen, ganz oder teilweise an anderen Ganztagesscheiben angrenzend eine weitere Minimierung der Gesamtinfeasibilität ermöglichen. 5 AT 500 606 B1

Nach Ermittlung der Position bei der ersten Anlage durchläuft das Verfahren nun alle Anlagen des Produktionssystems in gleicher Art und Weise, wobei schrittweise alle relativen Positionen zueinander festgelegt werden. Nach Durchlauf des gesamten Prozesssystems wird nun das Verfahren über alle Anlagen solange wiederholt, bis sich in einem vollständigem Systemdurch-5 lauf die Gesamtinfeasibilität nicht mehr ändert. Damit stehen die optimalen Reihenfolgen fest.

Ist die Gesamtinfeasibilität dabei verschwunden, sind sowohl die Reihenfolgen als auch die sich daraus ergebenden Betriebsparameter gefunden. Bei verbleibender Restinfeasibilität wird das LP unter Berücksichtigung der Restkonflikte über eine Kontrollfunktion noch einmal gelöst. Dies io wird solange wiederholt, bis das Verfahren eine konfliktfreie Aufteilung gefunden hat.

Ein typische Durchlauf dieses Verfahrens ist in Tabelle 2 dargestellt.

Starting infeasibility: 12017.854 Period 1 It AWP RD4 FP HDS RD2 Time: 12:54:05 01 11855.449 11553.767 11553.767 11553.767 11553.767 Time: 12:54:06 02 11519.545 11519.545 11519.545 11519.545 11519.545 Period 2 It AWP RD4 FP HDS RD2 Time: 12:54:12 01 6843.477 6806.472 6806.472 6806.472 6803.894 Time: 12:54:18 02 6732.523 6724.606 6724.598 6724.598 6724.296 Time: 12:54:23 03 6699.835 6698.954 6698.954 6698.954 6698.928 Time: 12:54:30 04 6696.477 6696.464 6696.464 6696.464 6696.464 Period 3 It AWP RD4 FP HDS RD2 Time: 12:54:37 01 1232.940 814.458 327.880 323.742 243.491 Time: 12:54:43 02 200.821 80.019 80.019 57.715 23.624 Time: 12:54:49 03 20.640 3.848 3.848 3.848 3.671 Time: 12:54:55 04 3.671 3.671 3.671 3.671 3.671 Ending infeasibility:_ 3.671 15 20 25 30 35 Hierbei steht Period i für die LP-Periode (= Zeitintervall, über welches das LP eine durchschnittliche Lösung errechnet), It für die Anzahl der rekursiven Durchgänge des Reihenfolgealgorithmus je LP-Periode (Abbruch, wenn sich die Infeasibilität während eines Durchgangs - also in einer Zeile - nicht mehr ändert), AWP für eine erste Anlagenebene (z.B. Pipeline); RD4 und RD2 für eine zweite Anlagenebene (z.B. Rohöldestillationen), und FP und HDS für eine dritte 40 Anlagenebene (z.B. Vakuumdestillation und Entschwefelungsanlage).

Etwas formaler ausgedrückt lässt sich das Verfahren beschreiben wie folgt: ο n m f’A $”F TR (TotlnfQ - Inf,. + lnfr >=/ *=1 /·/·=1 p

Min

Bgl

45 R /=1 TR Transpositionen für Zeitscheiben //’ F Fahrweise k so A Anlage j R Rekursiver Durchgang /'

Konvergenzkriterium: Mint = Min 55

Claims (6)

1. 6 AT 500 606 B1 Patentansprüche: 1. Verfahren für die Optimierung von Verfahrensabläufen in einer Stoffspeicher (T1 ... Tn, E1 ... En), z.B. einen Erdöltank, die jeweils einen Minimal- und einen Maximalfüllstand aufweisen, enthaltenden Anlage, z.B. eine Raffinerie, wobei in einem vorgegebenen Zeitraum verschiedene Rohstoffe, z.B. Rohöle, nacheinander in einer definierten Anzahl von Rohstoffmengeneinheiten (B) zugeliefert werden, Stoffspeichern (T1 ... Tn) zugeführt werden, in wenigstens einer Verarbeitungsanlage (D1, D2), z.B. Rohöldestillation, zu Primärprodukten verarbeitet werden, die in weiteren Stoffspeichern (E1 ... En) gelagert werden und gegebenenfalls für eine weitere Produktionsstufe oder zur Auslieferung zur Verfügung stehen, wobei zur Ermittlung der optimalen Reihenfolge der Zulieferung und Verarbeitung von Rohstoffmengeneinheiten (B) in dem vorgegebenen Zeitraum die Rangposition jeweils einer Rohstoffmengeneinheit (B) nacheinander derart optimiert wird, dass die Summe der In-feasibilitäten, wie z.B. Überfüllungs- bzw. Unterfüllungszeitintervalle, für die Stoffspeicher (T1 ... Tn, E1 ... En) minimiert bzw. vermieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rangpositionsoptimierung jeweils zwei Rangpositionen jeweils einer Rohstoffmengeneinheit (B) vertauscht werden und lediglich für das Vertauschungszeitfenster, das durch die beiden vertauschten Rangpositionen begrenzt ist, die Infeasibilität neu berechnet und mit jener Infeasibilität vor der Vertauschung verglichen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Durchlauf des Verfahrens wenigstens eine Rohstoffmengeneinheit B in zumindest zwei Untereinheiten unterteilt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Durchlauf des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zusätzlich Betriebsparameter, wie z.B. Durchsätze, Schnitttemperaturen, optimiert werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrmals nacheinander eine Optimierung der Reihenfolge und der Betriebsparameter erfolgt.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es auf mehrere zusammenhängende Anlagen angewandt wird.
6. 6. Datenträger mit einem Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines Computers geladen werden kann und Softwareabschnitte umfasst, mit denen die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer läuft. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen