随着整个社会对能源问题的日益关注,如何提高石化企业生产和管理效率,同时降低生产成本和能耗,已成为企业亟待解决的问题。能量系统作为石化企业的能源产耗核心系统,其运行优化不仅可以提高企业的经济效益,同时也能促进生产过程节能降耗。然而,目前学术界和工程界对石化企业生产计划优化的研究主要从物流方面展开,对能量系统的运行优化,尤其是在生产计划中兼顾能量系统优化的研究与应用还较少。本文首先回顾了国内外石化企业以物流为主的生产计划研究现状和能量系统运行优化进展,根据石化企业工艺生产的实际情况,按照空间和生产流程分解,以炼厂和乙烯厂为典型对象,分别构建集成工艺操作条件的生产计划非线性优化模型,能量系统多周期混合整数线性规划(Mixed-integer programming, MILP)运行优化模型。以此为基础,建立集成炼厂生产系统与能量系统的混合整数非线性规划(Mixed-integer nonlinear programming, MINLP)模型,集成能耗和工艺条件的乙烯厂计划优化模型,以及集成上游炼厂与下游乙烯厂的多周期生产计划模型。通过对多系统集成优化进行系统而深入的研究,说明未来石化企业实现多介质多系统多周期集成优化的必要性与可行性。本文的主要内容和创新点如下：1)针对目前炼油企业生产计划与实际生产操作脱离较大的应用现状,根据炼油厂的实际生产情况,采用数学规划方法,在装置物料平衡模型中引入可变产率约束条件,建立集成常减压装置(Crude oil Distillation Unit, CDU))切割温度和催化裂化装置(Fluid Catalytic Cracker, FCC)转化率的非线性规划模型。提出基于物料质量平衡和产品质量指标约束的集成优化框架,优化求解确定具体的装置操作条件,提高炼厂生产计划的可执行度。2)提出石化企业能量系统各类产耗能设备的通用建模方法,构建能源量系统运行优化框架,采用数学规划法思想,引入分段线性(piecewise linear)方法对锅炉、透平等重点产能设备进行线性回归建模。通过混合整数线性规划数学模型来描述蒸汽动力系统的运行状况,从物料传递、能量平衡、环境影响三方面建立石化企业能量系统多周期运行优化模型,为石化企业能量系统的操作优化,以及接下来与物流系统的集成提供建模基础。3)通过分析炼厂生产工艺特点,提出物流与能流系统的耦合建模方法,在考虑能源供需平衡、生产单元能耗核算与环境影响的前提下,建立系统间物料与能源多周期质量平衡约束模型,关联负荷与操作方案的生产装置能产能耗核算模型,以及耦合调和物性和锅炉燃料消耗的物性传递模型。从而构建面向炼厂节能减排的生产计划模型,通过对多场景案例验证,为企业的高效生产与节能减排提供优化决策支持。4)针对集成物流与能流的生产计划模型复杂度高与求解时间长等问题,提出一种基于启发式的模型分解策略,引入传统序列分步优化策略确定模型寻优起始点。通过对生产工艺与耦合模型的非凸性分析,对模型双线性约束进行松弛。将原集成混合整数非线性规划模型分解为一个混合整数线性规划模型和一个非线性模型,并迭代求解,通过多场景案例说明算法的实用性。5)针对目前乙烯生产计划优化中,对能源产耗与工艺条件影响考虑不足的现状,构建集成炉管出口温度(Coil outlet temperature,结焦深度等核心工艺条件的裂解炉半机理非线性产率模型和能源产耗模型。通过分析乙烯生产过程中各单元工艺特点,建立集成过程操作和能耗的乙烯装置多周期混合整数非线性规划模型。以某真实化工厂为例,分析集成模型的优化结果,包括装置物流走向、能源产耗计划、设备运行负荷与组合以及蒸汽供需平衡,验证模型实效性。6)从石化企业上下游生产物料和库存平衡,以及生产与能量系统间的能源产耗平衡角度,分析炼厂与乙烯装置间物料与能源工艺耦合关系,建立石化企业多系统集成的混合整数非线性规划模型。基于炼厂和乙烯装置的产品质量平衡与能源供需平衡特点,采用拉格朗日分解算法将原集成模型分解为一个非线性规划炼厂模型,一个混合整数非线性规划乙烯厂模型和一个混合整数线性规划能量系统模型。通过迭代求解,从整个企业网络层面,同时完成炼厂生产计划优化、乙烯装置调度、中间产品库存管理和能量系统运行优化。通过实际案例确定该集成模型与算法的有效性,突出该集成模型在提高生产利润空间与物料利用率方面的优势。7)本研究提出的多系统集成建模框架,立足于石化生产工艺特点,基于国内某大型石化企业中的炼油厂和化工厂生产流程,建立能源设备和生产工艺通用数学模型,可组合为面向炼厂或乙烯厂的生产计划模型,为企业生产运营集成建模奠定了基础。同时,生产系统与能量系统的集成优化,深化了生产过程中物流与能流关系,提高了企业经济效益和能效。