中國大型石化企業能源管理綜述

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中國大型石化企業能源管理綜述

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0引言

在我國國民經濟處于高速增長的階段，出現了能源短缺和利用率偏低等嚴重問題。石油化工是一個能源消耗量較大的行業，且隨著生產規模的增加，能源需求量在不斷地增加。因此，必須采取更有效的措施和方式，降低經營成本和能源消耗，全面提高企業的整體競爭力。

能源管理是企業管理的重要組成部分，反映了企業的經濟技術能力和管理水平[1]。它與企業的組織管理、技術管理、生產管理一樣，是企業管理的有機組成部分。

石化企業能源管理是為了達到節約能源、提高能源利用率的目的，協調企業外部能源的供應，通過組織和動員全體員工，在能源的采購、運輸、貯存、分配、加工轉換、輸送、終端使用和回收利用的全過程中，結合企業生產工藝的特點以及管理、技術、經濟等手段，科學地組織、指揮、協調和監督，以經濟、合理、有效地使用有限的能源的管理模式。其在確保企業穩定、有序生產的前提下，實現企業經濟效益、環境效益和社會效益的全面提高，并對企業能源利用狀況進行科學的分析與評價。

1歷史發展

大型石化企業對能源管理經歷了以下三個階段。

1.1無數據——粗放式的能源管理

粗放式的能源管理主要采用上報的方式，逐級處理數據。由于工廠內部測量的自動化水平相對較低，缺乏及時、準確的能源消耗數據，因此只有總能耗數據(月度賬單、年度賬單)，缺少工藝和設施的能耗數據。

1.2有數據但缺乏數據管理和分析——基本能源管理

基本能源管理采用職工手工抄表的方式，并對得到的數據進行匯集、報表。這種方法只有簡單的抄表和電力監控系統，缺乏大量的數據統計、整理和分析。

大型石化企業的生產廠是一個大的能源消耗單位。例如化工廠，芳烴、烯烴、石油煉油廠，塑料廠等生產單位，各有自己的生產管理系統。但這些系統卻是各自獨立的，沒有實現各廠的數據共享。在每一個季度，公司需要統計和處理整個公司的能源消耗，研究能源消耗，并作出新的能源分配決策。這時，該工廠的技術人員和公司的工作人員將相關數據通過報表和上報盤的方式發送給能源管理技術部門；而部門的相關人員將這些能源數據統計上交之后，用Excel進行統計。整個過程的數據時效性比較差，費時費力，很容易出現差錯。

1.3高效的能源管理體系——能源管理系統

能源管理系統能實現企業能耗數據的采集、存儲、處理、統計、查詢和分析，是一種基于計算機、網絡等先進技術的現代能源管理平臺和工具，為石化企業提供所需的能耗計劃、計算及定額管理，并對石化企業的能耗進行監測、控制、分析、診斷[2]。其主要優點是：集能量過程監控、信息管理、調度、綜合管理和控制平臺于一體；保證科學、及時、合理地調度能源；對能源利用進行優化、保證生產的快速穩定經濟運行；提高整體利用能源效率；生產能源(水、電、氣、風、蒸汽等)監測和調度；能源供應鏈(供配電、電廠、自來水廠、煤氣柜等)的監測和管理；在無人值班時能夠進行遠程操作及站內設備的控制；為企業決策者提供能源調度支持信息等。

能源管理業務范圍如圖1所示。

圖1　能源管理業務范圍圖

在石化企業中，節能管理主要從兩個方面著手，即技術節能和管理節能。技術節能包括設備優化、工藝優化、介質優化、裝置優化、工廠優化、管網優化、流程優化、在線優化、實時優化、能流優化等。管理節能包括計劃管理、能流管理、統計管理、操作管理、過程管理、標準管理、評價管理、審計管理、績效管理等。

石化行業能源管理系統遵循系統管理原理，通過實施一套完整的標準、規范，在組織內建立起一個完整有效的、形式文件的能源管理體系，注重建立和實施過程的控制，使組織的活動、過程及其要素不斷優化；通過能源計劃、運行管理、能源統計、能源評價、能源分析、能源優化、績效管理、審計管理等措施，不斷提高能源管理體系的有效性，貫徹能源管理方針，并達到預期的能源消耗或使用目標[3]。

通過能源規劃、能源監測、能源平衡、統計分析等手段，使系統準確地控制企業能源，明確節能工作職責，減少能源消耗，提高企業效益。建設系統的目的是實現各種能源介質和關鍵能耗設備的實時監測、控制、優化、調度和綜合管理，了解各種能源在生產過程中的使用，以及掌握各種能源管道、關鍵能源消耗設備的運作，以便進行科學決策和指揮控制，確保生產過程中與能源相關設備的安全、可靠、高效。因此，對系統的主要研究內容包括：提高儀表測量、自動控制系統、網絡系統，實現企業能耗數據的采集和實時監測。在實時數據庫和關系數據庫的支持下，綜合生產和能源系統的各種信息，建立集能源規劃、性能、統計、評估和報表等功能的全方位能源管理系統，從而挖掘企業內部的節能潛力。

基于對能量系統中生產和消耗變化的精確預測，建立了能量系統優化調度模型，能夠自動給出能源優化調度建議和方案，實現了重要能量介質的優化調度和管理。在保證能源管網和設備安全的前提下，進行能量回收和使用效率，使系統達到了安全、經濟、合理的運行目標。

能源管理系統如圖2所示，主要包括：能源計劃、能源優化、能源評價、能源分析、能源審計、能源統計、能源運行、能源績效。

圖2　石化能源管理系統

1.3.1能源計劃

能源計劃主要包括能源計劃管理和業務流程管理。根據企業的生產流程和共用工程現狀，在生產模型的基礎上構建能源需求計劃優化模型，制定能源需求計劃，實現公用工程系統細化功能。根據企業實際情況，將公用工程消耗細化到裝置。對于有產品的輔助裝置，按廠、車間、裝置分別建模；對于通過生產過程會產生多個公用工程產品的裝置，按照介質分單元建模，如按新鮮水、循環水、化學水、電、高壓蒸汽、中壓蒸汽、低壓蒸汽、風、燃料氣、燃料油等介質進行劃分，每個單元進行獨立的能力控制。對于僅消耗能源介質的輔助裝置，則建一個總的消耗模型處理。能源計劃管理業務包括計劃上報、計劃審批、計劃分解、計劃下達、計劃調整。

1.3.2能源運行管理

能源管理是最基本的能源管理系統應用，負責業務范圍包括所有的供應、生產、運輸、轉讓和能源業務流程范圍內的能源相關的數據收集、確認，以及對日常能源產耗過程的監控和管理，為能源優化提供接口服務和數據支持。首先，通過實時數據庫獲取能源產耗的實時數據;然后,根據配置的工廠模型計算各個測量點和節點量，這些數據經過人工確認使其更符合能源產耗的實際情況。根據確認后的產能裝置、用能裝置、倉儲、罐區、進出廠等數據，以及記錄管理中記錄的各類操作指令、日志和動態參數等數據，對能源運行情況進行管理，包括：能源生產的主要燃料消耗數據(如煤炭、燃料油、渣油消耗量)、主要產能數量數據(如發電量、供熱量、供水量等)、主要產能質量數據(如入廠入爐煤熱值差、二氧化硫排放量等)、主要用能裝置能源消耗數據以及主要運行事件記錄(如機組運行可靠性事件記錄等)。

1.3.3能源統計

基于能源運行管理收集到的數據對能源產耗數據進行互供仲裁、管網平衡后，按照指定的指標模型進行產能統計和耗能統計，主要包括管網平衡、統計管理、損失管理、報表統計和接口支持。

根據企業生產的能源消耗，構建了相應的能量管網模型，在能源管網內根據各用能和產能單位的消耗或生產節點的分布，構建能源節點，實現管網的生產/消耗平衡。根據企業的分介質的能源管網平衡模型，建立相應的管網平衡規則及分攤機制，對企業的能源進行管網級的生產/消耗平衡，實現管網級能量的守恒。

對全廠的能源生產及消耗單元，如產能裝置、耗能裝置、重點耗能區域及能源核算單元等，按照規范化的統計方法建模，建模粒度到裝置、重點區域單元設備，時間粒度到日。建立企業能源消耗的關鍵指標核算，對指標進行分類，實現指標的核算方法、核算口徑等的標準化建模。

1.3.4能源評價

能源評價通過對能源運行數據、統計數據從縱向(企業、裝置、設備能耗趨勢)和橫向(同類企業、同類裝置、同類設備能耗對比)進行評價，并進行能耗對比操作，明確企業、裝備、設備的能耗狀況和水平。本功能采用圖形化進行展示，充分發揮數據追溯和關聯功能，完成數據在不同維度間的自動切換和穿透，提高評價操作的效率和效果。

1.3.5能源分析

能源分析包括損失分析和分布分析。損失分析使能源損失顯現化，明確損失去向，為節能指明方向；同時，為節能評定提供參考，主要包括企業損失介質分析、企業損失結構分析、裝置損失介質分析。分布分析是對企業能耗區域粒度進行細化，知道哪些區域是能耗大戶，重點關注這些區域的能耗達標和變化情況。

1.3.6能源優化

能源優化主要包括：用能優化、管網優化、產能優化、優化效益評估、優化操作評估等。其包括以下幾個方面的優化：水系統、動力系統、蒸汽系統、氫氣系統、燃油系統、空氣系統和氣體系統。對設備與裝置的能源消耗數據進行對比，優化裝置與設備的能源結構、布局設計。管網優化主要包括能源介質在供產輸轉耗過程中的優化。考慮到現場設備(如鍋爐和蒸汽渦輪機功率)的各種限制(如鍋爐的熱效率，渦輪機效率，燃料需求)和能源價格(如價格差異，燃料價格和其他因素)的動態優化，找出最經濟的能源生產經營計劃，優化能源生產布局，降低能源生產成本。在能源介質優化上，防止過度備份和介質質量過剩而造成的浪費，降低生產成本[4]。優化效益評定是將企業進行優化操作的當前運行成本和操作后單位運行成本、實際節約成本進行分析比較，對其優化經濟效益進行評定。通過維護模型數據、優化操作評估方案、執行以及效益，對業務進行優化實操評價，方便企業團隊進行班組的考評與效益審核[5]。

1.3.7績效管理

能源績效管理面向能源生產與消耗，經過支持實時績效審核與評比，完成績效的生產操作管理及過程評估，實現績效評估與考評的量化、公平與公正。在能效評價的基礎上，根據各裝置在生產過程中的特點，逐步形成了面向雙級分支的績效考評體系。通過工廠的性能評估，能夠促進設備優化操作、減少加工損失、節能減排，促進設備的全面達標。能源績效包括績效指標、節能績效、達標績效、項目績效、碳排績效、系統績效等。

1.3.8能源審計

能源審計是一套通過企業能源系統審計分析能源系統和企業能源的使用現狀的方法。通過能源審計，能夠找到能量損耗、探索節能潛力，從而改變中國能源消費和人均能源消耗低的情況。大型石化企業能源審計可促進經濟快速增長；同時，它可以促進單元產值能耗的下降，創造更大的經濟價值。

2國外能源管理現狀

國外大型高耗能企業，通過借助信息技術，幫助企業實現能源的科學管理，為能源管理業務提供了有效支持，實現節能減排。

埃克森美孚公司參照管理循環(plan-do-check-act,PDCA)模式，從管理、技術兩個層面對企業的能源管理體系進行設計開發，通過不間斷地持續改進能源管理系統，實現了節能績效衡量方法，并建立了一套節能、增效、減排的最佳學習庫。

埃克森美孚公司是全球領先的大型石化公司，其非常注重企業的能源管理工作，在2000年左右開始建設全球能源管理體系，以進一步發現節能改進空間，降低能耗成本[6-7]。其參照PDCA模型搭建能源管理系統，建立統一的績效衡量計算方法和最佳實踐庫，主要從管理節能和技術節能兩方面入手。在管理上，企業高層決策人員將重點放在能源管理上以及對節能減排的要求上；在技術上，參照最佳工藝實踐，分別從設備工藝優化、主要設備優化、公共工程優化、改造設計等基礎設施方面提高能效。

采用先進的技術手段，瓦萊羅公司對能源效率管理的關鍵指標進行了實時監測和優化，使公共工程得到了全方位系統的優化。

瓦萊羅在2003年對其公司在生產過程中消耗的能源進行了初步統計，他們發現能源消耗的總費用占到了公司操作成本的58%，高層領導決定通過采用先進控制技術對公共工程系統進行優化處理，從而降低能源消耗總成本。瓦萊羅公司為了保證公共工程在系統優化上的實際效果，請來了專門從事優化的工程師，保證能源計量的精確；采用基于建模和面向方程式的仿真及Aspen優化軟件，基于過程單元的能量需求和系統的約束，對工廠的公共工程進行了優化，包括運行優化、能效監測、公共工程生產計劃優化。

阿克蘇諾貝爾公司建立了一個基于集團公司的能源管理平臺，它能夠處理涉及企業外部、總部、板塊、工藝、過程共五級的能源管理業務，并結合企業的儀表盤，實時監測和展示企業能源管理的績效成果[8]。

阿克蘇諾貝爾公司也是通過管理和技術兩方面對能源進行管理。管理上，以能源生產、運輸、消耗這一價值鏈進行業務分析，識別能源優化領域的實現，并對相關的業務和管理流程進行設計和優化；除此之外，還開發了一套測量系統的指標體系，涵蓋了外部、總部、板塊、工藝、過程五個層次，作為標準來權衡石化企業節能減排的效果。技術上，建立管理平臺，一方面平臺集成了現有ERP、MES中的能源計量、統計數據；另一方面，針對不同層次的能源管理業務設計業務處理功能和性能的綜合顯示儀表板，實時監測和顯示企業能源管理狀況，并對特殊情況作出早期預警[9]。

從能源管理信息化在全世界大型石化能源企業的應用情況可以看出，建設我國大型石化能源管理系統可以獲得以下重要啟示。

(1)能源管理的必要性：外國大型石化企業非常注重能源科學化、管理高效化，能源的科學化管理是建設綠色環保、可持續發展石化企業的重中之重。

(2)能源管理目標：能源管理的目標是節能，在能源絕對消耗量增加的情況下，提高能源使用效率、降低能源消耗是節能的兩個關鍵方向。

(3)節能的關鍵途徑：節能的兩個關鍵途徑是管理節能和技術節能。

3中國能源管理現狀和需求分析

通過近幾年來國內大型石化企業能源管理系統的相關論文可以看出，一些中國石化能源管理系統在一部分能源模塊上的應用效果還是不錯的，可以實現能源的日平衡，但是能源管理系統在整體上還有不足。

中石化燕山分公司已經建立了完善的能源管理體系，其在中小企業的能源統計應用效果較好，可以實現能源平衡，公共工程數據自動采集率良好，數據基礎很完善。

中石化天津分公司通過“工業水專業信息管理系統”，在水務管理上形成了一套比較規范和有效的管理流程，值得借鑒，但該系統在熱電工程部分自動化采集率偏低。

中石化茂名分公司煉油和化工軟件能源效率評價指數是不一致的，能源統計模塊的使用效果一般，公共工程數據的自動采集效果非常差。

鎮海煉化以Aspen One為架構，已建成工廠績效和運營管理、生產調度規劃管理、離線油品調度、企業規劃優化、物料平衡和數據調理、罐區油品的移動、生產管理等系統，公共工程數據自動化采集率較高，數據基礎較好[10]。

通過對中國石化企業的能源管理進行分析，總結出中國石化企業能源管理現狀與業務需求，如圖3所示。

從國內石化企業能源管理的現狀，可以看出：

(1)在能源流管理中，缺乏管理粒度，對于某些能源流不能做到看得明、說得清，能源供應、產出、輸送轉運、消耗全局觀不足。

(2)在能源監管管理上，過程管理缺乏預測和預警和過程監督，能源管理主要是對統計數據的粒度管理。

(3)在能源計劃管理上，能源生產計劃為人工推演的月度計劃，節能計劃粒度時間過長。

(4)在能源統計管理方面，基礎數據源支持較弱，人為因素的摻雜，沒有標準的統計分擔共享準則，損失被人為去除。

(5)在能源優化上，優化局部，優化效能支持薄弱；關于能源審計，國家每2～3年組織審計，沒有內部審計。

(6)在績效考核上，“裝置節能，企業不節能”現象凸顯。

4發展趨勢

通過“十一五”的信息化建設，中國大型石化企業已經建造了一些關于公共工程業務的信息服務系統(如：SMES)，但這些信息系統都集中在煉化板塊的能源消耗這個業務環節[11]。

中國石化還沒有建立一個在集團公司層面上，可以完全覆蓋能源供應、傳輸、分配、轉換、消耗整個生命周期的信息系統，不能滿足設備級、過程級、系統級三級的能源管理和控制一體化的要求。

在中國石化“十二五”建設和應用發展計劃中，明確提出了建立系設備級、過程級和系統級能源管理體系。其涉及煉油、銷售，社區/輔助范圍的能源管理，使得能源管理系統具有監測、分析和統計、評價及優化的功能[12]。

因此，關于我國的大型石化企業，在能源管理上，預計將實現以下改進。

(1)建設石化企業的能流管理，如物流管理，能夠實現能流的供應、產出、轉運、輸送、消耗全流程說得清、道得明。

(2)建設設備級、過程級、系統級的能效監測評估及優化控制集成平臺。

研發面向大型石化企業設備級、過程級、系統級的多網絡環境下能效監測評價和優化控制集成應用平臺。針對能源采集設備復雜多樣、規模十分巨大的特點，研究開發能源管控網絡與多種標準、非標準網絡協議的接口互聯技術；開發基于無線技術的能源遠程測控技術；研究實現能源管控網與其他異構網絡ERP網、MES網、生產控制網的集成技術和安全運行保障技術。

(3)建立設備級、過程級、系統級的能效評價標準及指標體系。

針對石化企業設備級、過程級、系統級的不同能源效益要求，研究和建立科學的能效評估標準及多級評估指標系統，開發基于企業MES的能效指標實時采集監控的應用功能模塊。

①建立能效指標體系。

研究多維度的能效指標體系框架及該框架下的具體能效指標的分類和關聯性，分析影響能效的主要因素；研究建立不同層面能效指標的定義；研究可用于在線能效優化控制和能效優化調度的能效評估指標；研究基于不同粒度和不同層面的能效指標間的模型關系。

②能效評估規程和標準研制。

研究典型石化生產過程的多粒度以及多層面的能效評估規程。研究設備的能源利用率和能源轉換率的評估方法和評估規程；研究過程級的能源利用率和能源轉換率的評估方法和評估規程，以及生產計劃和操作模式對過程級能效影響評價的方法和規程；研究考慮市場因素、生產因素等的系統級能效評估方法和評估規程，以及生產調度和管理方法對系統級能效影響的評估方法和評估規程。

③開發能效指標應用功能模塊。

針對所建立的能效評估標準和指標體系，基于企業MES集成的功能模塊，開發能效指標實時采集監控模塊。基于數據庫技術(存儲、查詢、通信)，完成與MES的接入與交互。

(4)建立設備級、過程級、系統級的能效檢測評估技術。

根據石化企業智能儀表監測到的數據，研究能效指標軟測量的方法，并根據其能效指標對生產過程中的異常工況進行識別；根據能量流、物流對能耗的影響、物質流和能量流之間的相互關系兩個方面對設備級、過程級、系統級的能效建立多層次、多尺度評估體系，開展平衡分析、負荷預測、能源管網分析、模擬和仿真，開發各種分析算法庫和模型庫。

①能效監測和異常工況智能識別。

面向石化企業的需求，研究能效指標軟測量輔助參數的選擇方法。由所選擇的輔助參數，進行能效指標軟測量模型的建立，從而實現實時能效指標的軟測量。構建能效監控網絡，實現能效指標的實時監測。參照能效評價準則和指標體系框架，研究大型石化行業在設備級、過程級、系統級中出現的異常工況的智能分析和識別的辦法。

②能效分析評估。

針對不同工況，建立能效模型庫。研究基于模型和數據的穩、動態能效評估策略，研究能源負荷預測、能源管網分析、模擬和仿真技術。研究生產過程中原料的轉化過程和能源傳遞、轉換與消耗過程，建立設備能耗統計模型、能效分析模型。此外，要重點研究能效退化監測、分析及校正技術，基于實時大數據的能效診斷基準，基于模型的能效診斷基準。

③能效瓶頸診斷。

石化企業各生產單元中工藝路徑的改變、過程參數的調整和操作模式的變化都會對能源短期需求產生重要影響。通過能源管網分析、數值模擬和仿真的方法，確定過程單元中能源介質產生、消耗的關鍵影響因素；基于上述模型、平衡關系等，分析影響能效的瓶頸，確定不同時期影響能效的關鍵設備或關鍵環節。

(5)建立設備級、過程級、系統級的能源優化配置、調度和優化控制技術。

研究保證石化企業設備級、過程級、系統級基本用能需求的能源綜合優化配置；開發動態平衡分析的多能源介質協同優化調度模型、開發多目標智能優化調度算法；研究多控制器協同的以產品質量、運行安全為約束的能效閉環優化控制技術。

①基于系統用能需求的能源優化配置。

基于系統用能需求，研究面向系統級的能量流、物質流耦合條件下，能源優化配置的建模方法，以描述系統內各層次能源的內部橫向關聯與耦合關系，給出能源利用效率最大化的能源網絡結構配置方案。

②面向能效的多能源介質協同優化調度。

協同考慮各能源介質間的耦合關系，建立考慮能源系統各種約束條件的多能源介質協同調度模型，研究以能源協同平衡、能源放散最少、能源消耗成本最低和設備操作最平穩等為優化目標的多能源介質協同優化調度方法。

(6)建立能耗定額標準，明確各級能源定額，確定能源對標、節能管理的基準線。

(7)建立完善的審計考核，在能源管理統一平臺上，對能源利用，節能優化進行審計、考核。

(8)建立新興管理支持，支持碳排放、合同能源、分布式能源管理。

5結束語

通過采取信息化的手段，實現能源的優化管理和全生命周期的能源閉環管控，建設能源管理系統，幫助中國石化企業實現節能減排，已越發成為中國石化企業信息建設的重中之重。近年來，中國大力推進和高度重視能源管理和石化企業建設，加快推進能源效率計劃；要求對能源管理全業務流程采取先進的信息技術，實現石化企業節能減排，促進企業綠色發展。中國大型石化企業正通過采用信息技術，全流程優化能源管理，建設具備中國特色的大型石化行業能源管理。因此，我們需要建立集能源供應、轉換、輸配、消耗于一體的綜合能源管理系統，以大型石化企業為重點，實現能源消耗的動態監測、能源統一管理及能源的優化利用；逐步實現設備級、過程級、系統級三級，涉及油田煉化、銷售、社區/輔助等范圍的能源管理、監控、預警、分析和評價的集團一體化能源管理系統。

參考文獻

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Overview of the Energy Management of Largescale Petrochemical Enterprises in China

鄭東梁1汪志勇1鄒濤2

(沈陽中科博微自動化技術有限公司1, 遼寧 沈陽110016；中國科學院沈陽自動化研究所2，遼寧 沈陽110819)

摘要：闡述了大型石化企業能源管理系統的主要功能。通過分析一些國外石化企業能源管理體系的應用效果，得到中國石化企業在能源管理建設方面的啟示。根據中國石化企業能源管理的現狀和需求，提出了一種基于設備級、過程級、系統級的能源管理方法,建立了集能源供應、轉換、輸配、消耗于一體的綜合能源管理系統，降低了企業經營成本和能源消耗，提高了石化企業整體競爭力。

關鍵詞：能源管理企業管理能源利用率能效評估石油化工設備級過程級系統級數據分析

Abstract：The main functions of the energy management system of large scale petrochemical enterprises are expounded. By analyzing the application effects of energy management architecture in some foreign petrochemical enterprises, the enlightenment about energy management of petrochemical enterprises in China are gained. According to the current status and needs for energy management of Chinese petrochemical enterprises, the method based on device level, process level and system level is proposed, the energy management system integrating energy supply, conversion, transmission and distribution is built, and operating costs and energy consumption of enterprise are reduced, the overall competitiveness of petrochemical enterprises are improved.

Keywords:Energy managementBusiness managementEnergy utilization rateEnergy efficiency assessmentPetrochemicalDevice level

中圖分類號：TH-3;TP29

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604001

國家高技術研究發展計劃基金資助項目(863) (編號：2014AA041802)；

國家自然科學基金資助項目(編號：61374112)；

中國科學院網絡化控制系統重點實驗室基金資助項目(編號：WLHKZ2014010)。

修改稿收到日期：2016-01-04。

第一作者鄭東梁(1989-)，男，2014年畢業于東北大學控制理論與控制工程專業，獲碩士學位，實習研究員；主要從事流程工業優化與控制方向的研究。