3.1.1 Khái niệm về quy hoạch tuyến tính
Quy hoạch tuyến tính là một mô hình toán học dùng để tìm giá trị nhỏ nhất hoặc lớn nhất của một hàm tuyến tính theo một số biến cho trước, thỏa mãn một số hữu hạn các ràng buộc được biểu diễn bằng hề phương trình và ất phương trình tuyến tính, nó có thể giải quyết nhiều vẫn đề liên quan đến quá trình sản xuất.
Các thành phần chính của một quy hoạch tuyến tính [10]:
Biến: biểu diễn các đại lượng mà ta có thể điều chỉnh. Mục đích của bài toán là tìm các giá trị của các biến để cho giá trị hàm mục tiêu đạt tối ưu.
Hàm mục tiêu: là các biểu thức toán học, liên kết các biến để biểu thức mục
tiêu đạt tối ưu.
Các ràng buộc: là các đẳng thức hay các bất đẳng thức thể hiện giới hạn của
các phương án khả thi hoặc giới hạn giá trị của các biến. Dạng cơ ản của quy hoạch tuyến tính là dạng chính tắc.
Ứng dụng của quy hoạch tuyến tính: quy hoạch tuyến tính được sử dụng nhiều
trong công nghiệp.
Xác định các hợp kim trong công nghiệp luyện kim.
Tối ưu hóa những hỗn hợp trong công nghiệp thực phẩm.
Tối ưu hóa sản xuất trong công nghiệp ôtô.
Tối ưu hóa sự cung cấp, sự sản xuất và sự phân phối trong công nghiệp lọc dầu.
SVTH: Nguyễn Quốc Khải 33 Công nghệ kĩ thuật hóa học
3.1.2 Quy hoạch tuyến tính trong lọc dầu
Đa phần các nhà máy lọc dầu đều được sở hữu bởi các công ty khác nhau, liên kết với nhau trong nhiều hoạt động như thăm dò, khai thác, mua án, lọc dầu, hóa dầu,…Tất cả các công việc này diễn ra rất phức tạp, cũng như phần lớn các nhà máy công nghiệp trong môi trường cạnh tranh, nhà máy lọc dầu cần phải tối đa hóa lơi nhuận trong quá trình sản xuất.
Để làm được điều này cần phải tối đa hóa giá trị marge của nó, nghĩa là sự khác nhau giữa việc mua và bán những sản phẩm được sản xuất, nó phụ thuộc vào:
Việc mua nguyên liệu an đầu là dầu thô và các nguyên liệu khác. Dầu thô chiếm phần lớn chi phí đầu vào của nhà máy lọc dầu, do đó việc lựa chọn nguồn dầu thô để xử lý ảnh hưởng đến lợi nhuận thu được. Có rất nhiều lựa chọn trong việc mua dầu thô, có thể mua theo hợp đồng dài hạn với nhà cung cấp lớn hay mua ngay tại thị trường dầu mỏ, phương án vận chuyển dầu thô từ nơi mua về nhà máy cũng được xét đến.
Giá vận hành: chi phí cố định (nhân công, bảo trì,…) chi phí iến đổi (sản
phẩm hóa học, x c tác,…)
Nhưng đặc trưng cho hoạt động của nhà máy lọc dầu là các sản phẩm được sản xuất từ các nguồn dầu thô khác nhau.
Quan hệ tỷ lệ giữa các sản phẩm sản xuất phụ thuộc vào:
Sự đa dạng của nguyên liệu được xử lý.
Những phân xưởng đảm bảo được việc xử lý.
Những sự điều chỉnh có thể có của các phân xương.
Với một công cụ đã cho, toàn ộ các phân xưởng trong nhà máy lọc dầu, và viễn cảnh thị trường tiêu thụ các loại sản phẩm khác nhau, các nhà máy lọc dầu sẽ tìm kiếm cùng một loại nguyên liệu và cách thức xử lý nó để đạt lợi nhuận tối đa.
SVTH: Nguyễn Quốc Khải 34 Công nghệ kĩ thuật hóa học
Người ta hiểu rằng có rất nhiều phương để lựa chọn nguyên liệu và phương án xử lý để có thể đạt được các sản phẩm cần thiết và người ta biết rằng cơ chế của quy hoạch tuyến tính có khả năng tìm được, trong bối cảnh kinh tế sẵn có, một lời giải và chỉ một lời giải tối ưu hóa về khả năng kinh tế.
Bằng cách:
Chuyển toàn bộ sự vận hành của nhà máy lọc dầu về những phương trình tuyến tính.
Sử dụng phần mềm để tìm ra giải pháp kinh tế tối ưu.
Trong nhà máy lọc dầu, công việc tối ưu được đặt ra ở nhiều khía cạnh
Tối thiểu chi phí nhập dầu thô.
Tối ưu hóa việc pha trộn các loại dầu thô cần xử lý.
Tối thiểu những tiêu chuẩn quy định cần phải thỏa mãn.
Tối ưu hóa tiêu thụ nhiên liệu, tối thiểu lượng hao hụt.
Tối ưu hóa quản lý tồn trữ.
Tối đa lợi nhuận.
Với sự hoạt động rất rộng và phức tạp của lĩnh vực lọc dầu thì các nhà máy lọc dầu cần phải sử dụng hỗ trợ cho việc ra quyết định, từ nhiều phương án, chọn ra một phương án tối ưu sao cho lợi nhuận thu được là cao nhất. Quy hoạch tuyến tính là một trong những công cụ tuyệt vời để thực hiện tốt công việc này.
Ứng dụng quy hoạch tuyến tính trong nhà máy lọc dầu
Trong công nghiệp lọc dầu, quy hoạch tuyến tính được áp dụng trong các lĩnh vực:
Thiết kế cấu hình cơ sở của nhà máy lọc dầu.
Lựa chọn đánh giá nguồn dầu thô nguyên liệu.
Lên kế hoạch vạn hành dài hạn và ngắn hạn.
SVTH: Nguyễn Quốc Khải 35 Công nghệ kĩ thuật hóa học
Quản lý hoạt động của nhà máy lọc dầu.
Điều khiển việc pha trôn sản phẩm.
Quản lý tồn trữ.
Đặc trưng của một mô hình quy hoạch tuyến tính cho nhà máy lọc dầu Hàm mục tiêu: tối đa lợi nhuận.
∑( ) ∑( ) ∑( )
Các ràng buộc:
Ràng buộc về nguyên liệu: lượng nguyên liệu tồn trữ.
Ràng buộc về khả năng sản xuất tối đa của phân xưởng.
Ràng buộc về tồn trữ: dung tích của các bồn chứa.
Ràng buộc về sản phẩm: những tiêu chuẩn quy định về chất lượng sản phẩm.
Ràng buộc về tiêu thụ năng lượng.
3.1.3 Giới thiệu về phần mềm Lingo
Lingo là phần mềm được thiết kế để thực hiện xây dựng và giải quyết các ài toán tối ưu hóa trong quy hoạch tuyến tính một cách khá hiệu quả và cho ra kết quả nhanh chóng. Do đó hoàn toàn có thể áp dụng để giải quyết các ài toán tối ưu trong lĩnh vực dầu khí nhằm mục đích tối ưu hoá sự vận hành của nhà máy lọc dầu để tối thiểu hoá nguồn nguyên liệu và tối đa lợi nhuận để đưa lại hiệu quả kinh tế cao nhất.
Các ước cần tiến hành khi giải bài toán tối ưu ằng Lingo: Mô hình hoá quá trình sản xuất
↓
SVTH: Nguyễn Quốc Khải 36 Công nghệ kĩ thuật hóa học
↓
Xây dựng ma trận của ài toán trên ảng tính Excel ↓
Khai áo các mảng chứa iến, các kiểu ràng uộc, RSH và các hệ số của ài toán
↓
Liên kết dữ liệu giữa Excel và Lingo ↓
Giải tối ưu ằng Lingo và trao đổi kết quả
3.2. Xây dựng cấu trúc biến và các ràng buộc
3.2.1. Cấu trúc biến
Các biến bao gồm các bán sản phẩm của các phân xưởng trong vào bảng cân bằng vật chất, năng lượng nội bộ, các sản phẩm thương mại, các ràng buộc min, max về chất lượng của các bán sản phẩm với sản phẩm, công suất của nhà máy ở trục tung và nguyên liệu của từng phân xưởng, các bán sản phẩm đem đi phối trộn, các sản phẩm xuất khẩu và nhập khẩu ở trục hoành.
3.2.2. Cấu trúc các ràng buộc
Ở đây cần lưu ý việc quản lý dữ liệu thông tin được thực hiện theo từng volume tương ứng, cụ thể là:
Volume 1: Tất cả các ràng buộc thuộc về bán sản phẩm hay năng lượng nội bộ và biến (dựa vào bảng cân bằng vật chất).
Volume 2: Ràng buộc về sản phẩm và biến.
SVTH: Nguyễn Quốc Khải 37 Công nghệ kĩ thuật hóa học
suất.
CDU và biến (dựa vào bảng tính chất sản phẩm, bán sản phẩm và các công thức ràng buộc tính chất).
Volume 4: Ràng buộc max liên quan đến tiêu chuẩn sản phẩm hay công suất CDU và biến (dựa vào bảng tính chất sản phẩm, bán sản phẩm và các công thức ràng buộc tính chất).
3.2.3. Cơ sở quá trình mô hình hóa sự hoạt động của nhà máy lọc dầu
Hoạt động chính
Phân tách các phân đoạn Chưng cất
Dựa vào các điểm cất ta có xác định được lưu lượng của từng phân đoạn chưng cất.
Chuyển hóa Chất lượng sản phẩm (reforming, GOHSD, KHDS,…) hiệu suất sản phẩm (RFCC).
Phối trộn Sản phẩm cuối
Để đạt được các sản phẩm có các chỉ tiêu chất lượng theo yêu cầu, ta phải phối trộn các bán sản phẩm dựa vào các tính chất ràng buộc để thu được các sản phẩm thương mại (Xăng RON92, xăng RON95, LPG,…)
Phân tách và chuyển hóa
Xem xét hoạt động của phân xưởng:
Chế độ làm việc ổn định
Lưu lượng và đặc tính của nguyên liệu
Các thông số làm việc: T, P, tỷ số hồi lưu,…
SVTH: Nguyễn Quốc Khải 38 Công nghệ kĩ thuật hóa học
Trong đó:
Zi là nguồn phối liệu khác nhau (i = 1,n). Z: Sản phẩm cuối thu được từ việc phối trộn.
Q: Tính chất cần khảo sát hoặc các “giả tính chất” của sản phẩm và qi là tính chất tương ứng của mỗi nguồn phối liệu Zi. Tùy thuộc quy tắc trộn lẫn của mỗi tính chất mà Zi được xác định theo khối lượng, theo thể tích Vi hay theo phần mol ni.
Giả sử sự phối trộn để thu được tính chất Q này tuân theo quy tắc trộn lẫn theo khối lượng, ta sẽ có công thức:
i i i i i m m q Q
Nếu: Qmin≤ Q ≤ Qmax
Với Qmax,Qmin là giá trị quy định theo tiêu chuẩn của tính chất Q. Khi đó ta có: Qmin ×∑mi ≤ ∑qimi ≤ Qmax× ∑mi q -Q m 0 0 m Q - q i max i i max i i i
Như vậy ta sẽ có các ràng buộc max và min tương ứng. Giá trị “ dấu” sẽ là “≤” nếu ràng buộc max và là “≥” nếu ràng buộc min, giá trị “RHS” luôn luôn là 0.
Nếu sự phối trộn tuân theo quy tắc cộng tính thể tích hay phần mol, tương ứng ta có:
SVTH: Nguyễn Quốc Khải 39 Công nghệ kĩ thuật hóa học Quy tắc cộng tính về thể tích: 0 d m Q - q 0 d m Q - q i i max i i i max i i i Hoặc cộng tính về phần mol: 0 M m Q - q 0 M m Q - q i i max i i i max i i i
Trong đó: - Mi phân tử lượng trung bình của nguồn phối liệu Zi. - di tỷ trọng của nguồn phối liệu Zi.
- vi thể tích của nguồn phối liệu Zi.
Phần mềm sử dụng: các bài toán quy hoạch tuyến tính được hỗ trợ nhiều công cụ để tìm lời giải tối ưu như các phần mềm sau: RPMS (Refinery and Petrochemical Modeling System) của Honneywell Hi-spec Sollutions, PIMS (Process Industry Modeling System) của Aspentech, LP, Lingo. Trong đề tài này, phần mềm được sử dụng để tính toán tối chi phí vận hành nhà máy lọc dầu Nghi Sơn là Lingo.
3.3 Xây dựng ma trận của bài toán tối ƣu trên Excel
3.3.1 Cấu trúc ma trận của bài toán thƣờng gặp
Cấu trúc ma trận của một bài toán tối ưu thường gặp được mô tả trong bảng 3.1 như sau:
SVTH: Nguyễn Quốc Khải 40 Công nghệ kĩ thuật hóa học Cấu trúc biến Giá trị biến Dấu RHS Cân bằng sản phẩm và bán sản phẩm Ràng buộc khống chế chất lượng Các ràng buộc đặc biệt
Ràng buộc về khả năng sản xuất, lưu trữ HÀM KINH TẾ (MỤC TIÊU)
Cấu trúc biến và giá trị biến đặt theo các cột khác nhau, mỗi cột tương ứng với một biến với giá trị tương ứng nằm ngay ở hàng ên dưới mỗi cột.
Các hàng ên dưới liên quan đến ràng buộc: ràng buộc bán sản phẩm, sản phẩm nội bộ, ràng buộc liên quan đến chất lượng sản phẩm, ràng buộc đặc biệt liên quan đến tiêu thụ năng lượng của từng phân xưởng cũng như ràng uộc về khả năng sản xuất, lưu trữ.
Hàng cuối cùng là hàm mục tiêu.
Dấu và giá trị RHS (Right hand side) được đặt ở cột cuối cùng sau khi đã xác định hết tất cả các biến.
Cột “dấu” sẽ nhận giá trị “=”, “≤”, “≥” tương ứng với từng ràng buộc khác nhau, cũng như tương ứng với giá trị RHS của mỗi ràng buộc. Cụ thể là:
Đối với ràng buộc bán sản phẩm: “dấu” sẽ nhận giá trị “=” và “RHS” nhận giá trị tương ứng với nhu cầu của mỗi sản phẩm.
Đối với các ràng buộc liên quan đến tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm cần lưu ý đến bài toán phối liệu theo phương pháp cộng tính. Mỗi tiêu chuẩn có một công
SVTH: Nguyễn Quốc Khải 41 Công nghệ kĩ thuật hóa học
thức phối trộn cộng tính khác nhau, có thể là cộng tính thể tích (RON, tỷ trọng, hàm lượng aromatic), cộng tính khối lượng (hàm lượng lưu huỳnh, khối lượng phân tử) hay cộng tính phần mol (áp suất hơi Reid RVP).
3.3.2 Xác định biến và ràng buộc cho bảng ma trận.
Biến phân tách: CDU.
Biến chuyển hóa: LPGRU, NHT, KHDS, GOHDS, RHDS, RFCC, Penex, InAlk, CCR, BTX, GASPA, SRU , PSA, H2 Plant, PPU, RFG, LOSSES.
Biến phối trộn:
LPG: C3LPG, C4LPG.
Gasoline 95: C4MG95, Isomerate95, Lt GSL - RFCC95, Hvy GSL - RFCC95, BTX-NA95, Alkylate95.
Gasoline 92: C4MG92,Isomerate92, Lt GSL - RFCC92, Hvy GSL - RFCC92, BTX-NA92, Alkylate92.
AU – DO: KEHDSAUDO, DOHDSAUDO, DORHDSAUDO.
IN – DO: KEHDSINDO, LCOINDO, DOHDSINDO, DORHDSINDO.
FO: KEHDSFO, DOHDSFO, DORHDSFO, LCOFO, HvyAroFO, CLOFO .
JET A1: KeroJET.
Paraxylene: Paraxylene.
Benzen: Benzen.
Poly-propylene: Poly-propylene.
Sulfur: Sulfur.
Ràng buộc bán sản phẩm: CDU-naph, CDU-Kero, CDU-GO, CDU-RA, LPGRU-Naph, LPGRU-LPG, LPGRU-Sour FG, NHT-LNA, NHT-HNA, NHT-offgas, KHDS-Kero, KHDS-offgas, GOHDS-DO, GOHDS-naph, GOHDS-offgas, RHDS-DO, RHDS-RE, RHDS-naph, RHDS-offgas, RFCC- LCO, RFCC-CLO, RFCC-LNA, RFCC-HNA, RFCC-C3, RFCC-C4, RFCC- H2S, Isomerate, Alkylat, C4, CCR-Reformate, CCR-H2RG, H2 tong, H2-
SVTH: Nguyễn Quốc Khải 42 Công nghệ kĩ thuật hóa học
Rich Gas, CCR-LPG, BTX-NA, BTX-HyARO, BTX-Raffinate, BTX-Benz, BTX-Para, Fuel gas, C3, PSA-OG, Sulfur, Polypro, TAILGAS, .LOSSES.
Ràng buộc về sản phẩm : LPG, Gasoline RON 95, Gasoline RON 92, Jet A1, Auto Diesel, Industial Diesel, FO, Benzen, Sulfur, Paraxylene, Polypropylene.
Ràng buộc max: d15MG92-MAX, d15MG95-MAX, d15JETA1-MAX, d15AUDO-MAX, d15INDO-MAX, d15FO-MAX, RVP-LPGMAX, RVP- MG92MAX, RVP-MG95MAX, SLPGMAX, SMG92MAX, SMG95MAX, SJETA1MAX, SAUDOMAX, SINDOMAX, SFOMAX, AroMG92MAX, AroMG95MAX, PPI-AUDOMAX, PPI-INDOMAX, PPI-FOMAX, FPI- JETA1MAX, FPI-AUDOMAX, FPI-INDOMAX,FPI-FOMAX, CDU-MAX.
Ràng buộc min: d15JETA1-MIN, d15AUDO-MIN, d15INDO-MIN, RONMG92MIN, RONMG95MIN, RVPMG92MIN, RVPMG95MIN, CDUMIN.
3.4. Phƣơng pháp khai báo và liên kết dữ liệu với Excel
Sau khi hoàn thành ma trận của bài toán trên bảng tính excel ta tiến hành khai báo trên phần mềm Lingo và liên kết dữ liệu với excel.
Thuật toán khai áo trên Lingo được viết như sau:
MODEL: SETS: BAN_SP : ZERO; SP_NB : NHU_CAU; RB_MAX : GT_MAX; RB_MIN: GT_MIN; TEN_BIEN :GT_BIEN,CHI_PHI; LINKS1(BAN_SP,TEN_BIEN) :VOLUME1; LINKS2(SP_NB,TEN_BIEN) :VOLUME2;
SVTH: Nguyễn Quốc Khải 43 Công nghệ kĩ thuật hóa học
LINKS3(RB_MAX,TEN_BIEN) :VOLUME3; LINKS4(RB_MIN,TEN_BIEN) :VOLUME4;
ENDSETS
Min=@SUM(TEN_BIEN(J):GT_BIEN(J)*CHI_PHI(J));
@FOR(BAN_SP(I): @SUM(TEN_BIEN(J): VOLUME1(I,J)*GT_BIEN(J))=ZERO(I)); @FOR(SP_NB(K): @SUM(TEN_BIEN(J): VOLUME2(K,J)*GT_BIEN(J))=NHU_CAU(K)); @FOR(RB_MAX(L): @SUM(TEN_BIEN(J): VOLUME3(L,J)*GT_BIEN(J))<=GT_MAX(L)); @FOR(RB_MIN(M): @SUM(TEN_BIEN(J): VOLUME4(M,J)*GT_BIEN(J))>=GT_MIN(M)); DATA: BAN_SP,ZERO,SP_NB,NHU_CAU,RB_MAX,GT_MAX,RB_MIN,GT_MIN,TE N_BIEN,CHI_PHI,VOLUME1,VOLUME2,VOLUME3,VOLUME4
=@OLE("D:\STUDY\khai\KHAI LAM\MAX GASOINLINE 98\MG 92-
95-
98.xlsx",'BAN_SP','ZERO','SP_NB','NHU_CAU','RB_MAX','GT_ MAX','RB_MIN','GT_MIN','TEN_BIEN',
'CHI_PHI','VOLUME1','VOLUME2','VOLUME3','VOLUME4');
@OLE("D:\STUDY\khai\KHAI LAM\MAX GASOINLINE 98\MG 92-95-
98.xlsx",'GT_BIEN')=GT_BIEN;
ENDDATA END
SVTH: Nguyễn Quốc Khải 44 Công nghệ kĩ thuật hóa học
3.5 Giải tối ƣu bằng Lingo và trao đổi kết quả
Sau khi chạy phần mềm Lingo, phần mềm sẽ tìm ra một giá trị tối ưu kèm theo các thông số khác giúp ta phân tích các kết quả tìm được, đồng thời phần mềm cũng sẽ trao đổi kết quả với bảng tính Excel cho ta các hệ số tại các ô giá trị biến và giá trị của hàm mục tiêu.