摘 要

炼厂汽油调和优化问题，一直以来都是炼厂成品油生产的重要环节。一个好的汽油配方可以给炼厂带来巨大的经济效益和好的竞争力。因此建立正确的油品配方调和模型并求解是解决汽油调和优化问题的关键所在。

本文从油品调和配方入手，建立以利润最大为目标的油品调和模型，满足各项调和指标，通过对模型中约束条件的预处理，缩小搜索范围，让计算更快捷。

在使用列队竞争算法求解模型的过程中，多次改变收缩因子、惩罚因子和运行数次，最终得到了较好的调和利润。

最终得到的结果是不同的收缩因子导致迭代次数的不同，从而对结果的影响也不同。收缩因子越大，结果越好。惩罚因子需要大到一定的数才具有惩罚效果。

关键词：汽油调和；优化；列队竞争算法；调和指标；收缩因子

Abstract

The refinery gasoline blending optimization problem has always been an important part of refinery refined oil production. A good gasoline formula can bring huge economic benefits and good competitiveness to the refinery. Therefore, establishing the correct oil formula blending model and solving it is the key to solving the problem of gasoline blending optimization.

This paper starts with the oil blending formula, establishes the oil blending model with the maximum profit, meets the various blending indicators, narrows the search scope and makes the calculation faster by preprocessing the constraints in the model.

In the process of solving the competing algorithm, the shrinkage factor and the penalty factor are changed several times and run several times, and finally a better blending profit is obtained.

The end result is that different shrinkage factors result in different iterations and thus have different effects on the results. The larger the shrinkage factor, the better the result. The penalty factor needs to be a certain number to have a penalty effect.

Keywords: gasoline blending, optimization, queue competition algorithm, harmonic index，contraction factor

目录

摘要 I

Abstract II

1. 油品调和问题概述 1

1.1 绪论 1

1.2 油品调和的研究背景 1

1.3 油品调和国内外研究现状 2

1.4 油品调和质量指标 3

1.4.1 抗爆性 3

1.4.2 蒸发性 4

1.4.3 安定性 4

1.4.4 腐蚀性 5

1.5 油品调和的目的及意义 5

1.6 本文的主要工作 6

2. 建立油品调和模型 7

2.1 建立油品调和模型 7

2.1.1 辛烷值约束 7

2.1.2 KBZS约束 8

2.1.3 RVP约束 8

2.2 油品调和模型的条件处理 8

2.2.1 不等式约束的处理 8

2.2.2 等式约束的处理 9

2.2.3 可行域的预处理 9

2.3 列队竞争算法简介 9

3. 油品调和模型优化求解 11

3.1 模型优化求解概述 11

3.2 油品调和模型的求解 11

3.2.1 调和条件约束 11

3.2.2 数据预处理计算 14

3.3 运行程序求解 15

3.4 运行结果分析 16

结论 18

参考文献 19

致谢 21

1. 油品调和问题概述

1.1 绪论

汽油是每台汽车都需要用到的燃料，虽说近年来电动汽车有崛起的趋势，但是由于成本过高、马力不足和提速过慢等原因，普及度非常低，燃料汽车依旧是人们最常用的出行工具之一。原油从开采，经过一系列的处理，最终成为商品油，要经历一系列复杂的过程。

经过了多年的发展，我国的炼油行业有着巨大的发展，各式各样的汽油充斥着市场，从原来的直接馏分汽油，到加氢裂化、减压蒸馏，国内的炼油技术一步一步的走向成熟，这其中就诞生了新型汽油—调和汽油。市场上所见的例如97#汽油和93#汽油，并不是直接使用蒸馏装置蒸馏出来的馏分，而是由加氢汽油、重整汽油、甲基叔丁基醚（MTBE）、乙苯、芳烃汽油和丁烷等原料经过一定的调和而成，这类汽油的功能性较正常汽油有一定的提升，虽说长期使用对发动机有一定的伤害，但是调和汽油的某些原料油价格低廉，最终按照一定比例调和出的汽油成本价格不高。调和汽油的指标有很多，例如辛烷值、安定性、蒸发温度和硫含量等，不同的调和方法以及调和比例得到不同调和汽油的性能是不一样的。在调和汽油的配方改进方面有很大的发展前景，如何改进调和汽油的品质，降低总的成本，并且使辛烷值指定要求等是当下较为热门的研究话题。由于各样的调和汽油原料调和所得到调和汽油的性能并不是简单的线性加和，其机理十分复杂，对调和汽油过程的过程模拟控制，对于优化各个组分的比例，优化过程参数、提高产品质量和减少对发动机的伤害有着十分重要的含义。按照合理的配方调制汽油还可以推进国民经济发展、提高产品质量，降低汽油售价、减少能源消耗和减少污染物的排放。

1.2 油品调和的研究背景

随着改革开放发展至今，我国的炼油行业得到了巨大的发展，陆陆续续的发现了许多大油田，并且油田的开采和原料油的加工技术走在世界的前沿。炼厂的利润有60%--70%来自于原油的直接销售以及调和汽油销售，所以汽油的调和、加工和处理等方面一直以来都是人们重点研究的方向。

炼厂生产许多产品，有小分子的低碳产品，例如汽油，也有大分子的柴油、沥青和白蜡等。对原料进行初加工、深加工和精加工等过程，达到生产经营的目的。现在炼厂之间的竞争无外乎优化管理手段，优化加工进程，优化汽油的生产，调和过程。前几项随着行业的发展，已经取得了巨大的突破，如果进行调整则可能得不到很好的效果。然而汽油的调和问题，一直以来都是一个热门的研究问题。汽油调和就是在给定的条件下使用各种原料油按照一定的比例去调和汽油从而达到最大的收益。详细来说，汽油调和的目标就是使用各种原料油，按照调和出的成品油的约束，比如RON的约束、KBZS的约束和RVP的约束等，调和达到成品油各项指标要求，从而增加利润。

然而在汽油的调和问题上，配方的求解一直是一个重难点。因为调和配方是直接关系炼厂的经济效益，它一直都是国内外研究的热门问题。许许多多的学者研究提出了大量的方法，例如最早的线性规划法，两层优化法等，都不能取得很好的计算结果。随着对启发式算法研究的深入，模拟退火算法、遗传算法、蚁群算法和列队竞争算法（LCA）等启发式算法走入人们的眼中，这些启发式算法的计算相对于数学规划法较为简便，计算时间可以缩短至十分之一甚至更短，得到的结果比较满意^[3]。

1.3 油品调和国内外研究现状

汽油调和就是将很多种原料汽油的组分按照某一配比和助剂均匀混合得到符合各项指标的汽油产品的过程，它不仅是汽油生产的最后一个步骤，也是使汽油各项指标达到标准的重要手段。汽油调和有管道调和罐调和两种方式，罐调和是比较老的技术，由于罐调和是人工进行调和，按照一定的比例，一次调和的成功率较低，还会有原料的损失，越来越多的炼油厂转用管道调和，这种调和方式经济环保，原料损失率少，一次性成功率高，并且在炼油厂可以少配置很多储罐^[1]。

目前，炼油厂的工况变化十分频繁，调和的组分随之越来越多，质量要求达到的标准越来越高，传统的调和方式已不能满足当今的生产要求。需要用一定的方法调和，在线管道调和方法是其中的一种，总的来说都是用控制模拟软件进行调和，主要使用的软件有HBoss优化监控系统、Aspen Blend、fitoMS BPC、ABB调和控制系统和Matlab等，选用的辛烷值模型有早期的线性组合模型:精度不高，现在使用人数较少。体积非线性模型:线性组合模型的拓展。斯图尔特模型和虚拟纯组分模型^[2]，这两个模型的使用率较高，计算结果跟实际结果比较切合。Zahed模型:计算较为麻烦，结果比较满意。不同品质的汽油要对应不同的模型，其中虚拟纯组分模型多为国内外所接受。

在管道调和技术中，许多炼厂已经开始采用了自动化控制系统。自动控制系统控制每一项组分油的添加量和添加频率，调和过程中有警报系统来提醒组分油加入过多或者过少。最终调和的成品油可经过数字分析和红外分析等，根据分析结果可以调整原料油加入的比例，所有的步骤都可由电脑控制完成。

炼油行业中工艺加工路线和产能这两项直接决定了汽油的产能。最近几年，国家规划和建设的中，大型炼化项目比较多。因为供给侧改革导致一些落后的产能行业被淘汰，新建的炼油设备普遍配套下游芳烃和乙烯的生产，与传统的纯燃料型炼厂相比汽油的产能增加并不时十分明显。在汽车保有量持续增长情况的驱动下，汽油需求依旧十分稳健。我国的汽油主要应用在乘用车领域，居民收入水平在增长的同时带动了对乘用车和出行的需求，同时影响到了汽油的消费。2017年，汽油的产量和销售量都有小幅度的上涨。

1.4 油品调和质量指标

汽油的主要组成包括烃类化合物和少量的非烃类化合物，包括很多元素，例如硫、氮和氧等少量非金属元素。车用汽油的主要质量指标和要求包含以下几个方面：

1.4.1 抗爆性

抗爆性就是指汽油在发动机汽油缸内燃烧的时候抵抗震爆的能力，这是汽油燃烧性能的体现，同时是汽油品质重要的性能指标之一^[3]。测定汽油抗震爆性能的最为常见的方法有两种，分别为马达法辛烷值（MON）和研究法（辛烷值）。马达法辛烷值（MON）的测试条件是在149℃的情况下，发动机转速达到900r/min时，汽油所表现出来的抗震爆的性能，标准为GB/T503-1995。研究法辛烷值（RON）的测试条件是在低温和发动机在600r/min下，汽油所表现出来的抗震爆的性能，标准为GB/T503-1995。震爆是汽油在汽油发动机中一种十分危险的燃烧现象，具体的表现是在开车的时候会听到发动机里面会不正常的发出声响。根据教材车辆原理，汽油发动机的工作大致可以分为四个冲程：进气，压缩，点火，排气。进行压缩过程的时候，汽油液化的气体已经具有相当高的压强，即汽油压缩比已经非常高，这时高压的汽油混合型气体被火花塞释放火花点燃，然而还没有燃烧的混合气体受到高温高压的影响，在氧气的作用下发生了不正常的燃烧，燃烧产物不再是二氧化碳，而是生成了过氧化物，并且产生大量的气体，生成的气体剧烈冲击气缸壁，产生震爆。长时间的震爆会极大破坏气缸壁中汽油形成的润滑油膜，加剧气缸壁的磨损，更为严重会使机件损坏。想要降低震爆带来的损坏，降低震爆的方法就是使用高辛烷值的汽油或者提高原来汽油的辛烷值。提高辛烷值的方法有很多，其中包括催化裂化、重整、烷基化和异构化等，这些方法可以有效的提高原油汽油（直接生产出来，不经过调和过程）的辛烷值。也可采用调和的方法，用高辛烷值的汽油和原油调和，得到满足辛烷值要求的辛烷值，从而达到降低震爆的目的。

1.4.2 蒸发性

汽油的蒸发性能是汽油蒸发的程度，由液体蒸发成气体能力。评价汽油的蒸发性目前已知有两种，一种是蒸汽压，而一种则是馏程。在标准条件下（标况下），利用指定的仪器进行测试，测试得到的沸点分布结果，即为馏分。在确定的压强下并且温度控制在一定的范围内，特定的汽油中可以蒸馏出来的产物大体都是固定的，馏程是一个温度范围，在某个条件下，初馏点和终馏点之间的差值 ^[4]。

在炼厂的原料汽油中，测试它们的馏程主要就是测量的就是它们的初馏点。有10%馏出温度、50%馏出温度、90%馏出温度、干点和终馏点，不同阶段温度可以间接反应出汽油的某些特性。初馏点和10%的馏出温度这两个指标同时关系到汽油发动机的运行平稳性能和加速性能，而干点和90%馏出温度这两个指标则表示出了汽油在气缸中的蒸发程度。如果各个馏出温度以及干点的温度超过一定数值的话（这个数值根据不同的季节而不一样），汽油发动机会被加剧损坏。

汽油的蒸汽压指的是汽油在特定的雷德饱和蒸气压测定器中，按照规定将燃料蒸汽与液体燃料的体积比为4:1，水浴温度为37.8℃，所测出的最大燃料蒸汽压力，称之为雷德饱和蒸汽压（RVP）。蒸汽压这个指标是用来判断汽油发生气阻倾向的大小。汽油馏程中有明文规定，10%馏出温度不高于某一数值，这样才可以保证发动机的启动功效，但如果10%馏出温度过低，是非常容易产生气阻的。汽油形成汽阻的趋向使用蒸汽压这个指标来表示。如果饱和蒸气压越高，说明汽油中轻组分越多，多的轻组分增加了汽油的蒸发型，冷启动性能就越好，但发动机燃油系统产生气阻的可能性越大。国际标准要求汽油饱和蒸汽压在春季和夏季不能高过77KPa，在秋季和冬季，饱和蒸气压不能超过88KPa。

1.4.3 安定性

安定性又称氧化安定性，指的是汽油在常温条件和液相条件下抵抗大气(或氧气)的作用而保持其性能不发生永久性变化的能力。很多汽油在储存的过程中，发生变质的现象，产生白色沉淀物，或者粘稠物和胶状物。这些现象的发生都是因为汽油中的某些成分被空气中的氧气氧化的结果。汽油的安定性受到很多方面的影响，有化学组成和贮存条件的影响。化学组成影响包括烃类组成影响和非烃类组成影响，贮存条件影响包括环境温度，汽油与空气、金属和水分之间的接触。汽油中各个的化学组分对汽油安定性的影响如下：汽油中各种组分在液相中抗氧化的能力各不相同。芳烃、环烷烃或环烷烃的衍生物等性质较为稳定，组成较为封闭，碳电子的价位较高的汽油组成成分在常温下都不易与空气发生氧化反应。主要由芳烃、环烷烃和环烷烃衍生物组成的汽油的安定性较好，汽油在储存的过程中抗氧化性更好，不易变质。不饱和双键直链烃类在常温，液相的状态下，易与空气中氧气发生反应。所以，汽油中如果含有较多的不饱和脂肪烃，碳的价位较低，组成成分没有环状结构，安定性就会非常的差。此时，汽油中的某些特定组分会与氧气发生反应生成酸和胶质，从而破坏汽油的性能，不利于汽油的储存和使用。由于汽油的安定性也受到温度的影响，夏季温度较高，汽油成分更容易氧化生成酸和胶质，而在冬天的时候，汽油就不容易被氧化生成酸和胶质。因此，汽油在贮存的时候需要区分季节，在不同的季节采取不同的储存措施。增加汽油安定性的方式主要有：采用先进的炼制工艺，向成品油中加入适量的抗氧化剂，防胶剂来将直链烷烃异构化，生成环状烷烃。

1.4.4 腐蚀性

汽油的腐蚀性指的是汽油对金属的腐蚀能力，腐蚀会严重的损坏金属。汽油本身是不能腐蚀金属的，腐蚀的物质主要是汽油本身保存不当或者在某些条件下生成的酸等物质。此外汽油中水，少量的硫也会腐蚀金属容器。水接触金属容器后会再空气的作用下氧化金属内表面，生成结构脆弱的金属氧化物，酸会跟金属反应形成对应的金属盐，硫会跟金属反应生成硫化物，会导致贮存汽油的金属容器损坏，所以汽油的防腐性必须要提高。并且在增加汽油金属储存容器抗腐蚀能力的同时，也要降低汽油的腐蚀性，即清除掉汽油中的腐蚀性物质。所以想要降低汽油的腐蚀性，就需要在汽油生产的时候尽量除尽汽油中的水、硫以及硫化物。

1.5 油品调和的目的及意义

油品调和改善了汽油行业成品油供应不足的问题，以较低的价格，较高的利润为大众所普遍接受。油品调和同时带动了MTBE和乙苯等其他化工产业的发展，实现化工生产的联动，带来巨大的经济效应。同时油品调和可以改善炼厂汽油的生产，可以减小运行负荷，让生产的各种组分汽油得到充分的利用。使用启发式算法，可以得出所需要的各调和原料组分需求量，精确使用各项成分油，不会出现指标浪费的现象。并且能够较大程度的利用成本低的调和组分油，达到成品要求，并且为企业节省了成本，带来了更大的利润。

概括来说，调和的目的有以下几个方面：

1. 需要满足调和的需求例如安全性和稳定性等。
2. 需要保证社会效益和环境保护，以免环境受到更多的污染，保证有较高的产品质量。
3. 保证企业的经济效应，提高产品质量，提高产品利润，合理的使用组分油，减少指标过剩的情况，做到质量卡边。

因此，汽油调和是炼厂在汽油生产方面非常重要的一个方面，对企业经济效益有非常巨大的影响。炼厂汽油调和是一个典型的优化问题，优化的目的是在满足成品油所有指标要求的前提下实现经济效益最大化。

1.6 本文的主要工作

本文先介绍了油品调和的相关知识，研究背景和汽油的各项指标。紧接着建立汽油调和模型，各项指标的计算方法并简单介绍列队竞争算法的原理，各项约束条件的处理，最后使用matlab对所建立的模型进行计算，得出结论分析比较。

2. 建立油品调和模型

2.1 建立油品调和模型

图2.1 汽油调和模型建立步骤

根据图2.1所示，本次建模以利润最大为目标，建立油品调和模型，所涉及到的约束有辛烷值，KBZS和RVP，下面介绍的就是三种指标的计算方法。

2.1.1 辛烷值约束

辛烷值的计算并不是各种调和原料油使用量的简单加和，而是根据经验所求得的。辛烷值的计算需要得到各项成分油的石蜡含量，芳烃含量以及成分油自身的辛烷值。选用的辛烷值计算方程如下：

（2.1）

（2.2）

式中分别是根据多次调和汽油得到的常数。Singh A,Forbes J F等人^[6]在使用特定的物种原料油经过多次调和得到的最终辛烷值，推算出这六个常数，。其中表示组分油的研究辛烷值，表示组分油RON体积分数之和，为各组分油研究法辛烷值和马达法辛烷值之差，代表汽油的敏感性，为各组分油敏感度体积分数和。表示组分油马达法辛烷值，表示组分油马达法辛烷值体积分数之和。表示各组分含蜡量平方和，表示各组分油含蜡量平方。表示组分油的芳香烃含量体积份数之和，表示各组分油芳香烃含量。

2.1.2 KBZS约束

KBZS是衡量汽油安定性的一种指标，计算公式如下：