煉化企業(yè)利用線性規(guī)劃模型導(dǎo)航的思考

劉初春 張芳華 張 敏

(大連西太平洋石油化工有限公司，遼寧 大連116600)

大型煉油化工廠加工流程復(fù)雜，加工的原油性質(zhì)、價格差別較大，不同裝置技術(shù)含量高低不一，影響工廠盈利能力的因素眾多，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可變范圍大，地理位置和市場各異。這些差別形成了各煉化企業(yè)的獨特性，導(dǎo)致各煉化企業(yè)的盈利模式和盈利能力存在不確定性。在市場瞬息萬變的年代，各企業(yè)都在技術(shù)、管理、經(jīng)營等方面不斷尋求鞏固、提升盈利能力的措施，尤其是大規(guī)模的煉化企業(yè)，更注重利用線性規(guī)劃(LP)模型為原油和原料采購、生產(chǎn)方案、運行成本、庫存的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，使企業(yè)能快速、準(zhǔn)確決策，抓住市場機會，提高駕馭市場的能力。一些技術(shù)公司相繼推出了各具特色的LP模型，流程工業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃系統(tǒng)(Processing Industry Model System,PIMS)就是線性規(guī)劃模型之一。

近20年來，我國煉化企業(yè)借鑒國外經(jīng)驗，引進(jìn)如Aspen公司的PIMS模型、Honeywell公司的煉油及石化建模系統(tǒng)(RPMS模型)對企業(yè)原油和原料采購以及生產(chǎn)方案的優(yōu)化提供決策依據(jù)，顯著提高了企業(yè)的經(jīng)營決策效率、對市場的應(yīng)變能力以及企業(yè)的運行管理水平，縮小了與國外煉油化工企業(yè)的差距。但我們應(yīng)該看到，應(yīng)用LP模型不單單是一個技術(shù)工具問題，中國煉化企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急是應(yīng)從內(nèi)部體制和機制上建立適應(yīng)LP模型的業(yè)務(wù)流程，從技術(shù)的角度更深層次滿足、完善模型的功能，使之更有效、更準(zhǔn)確。

1 LP模型導(dǎo)航功能與應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 LP模型是一個科學(xué)、高效的工具

LP模型是一個多變量線性規(guī)劃模型，在復(fù)雜工廠產(chǎn)品類別品種繁多、原料到產(chǎn)品加工路線可變、加工過程中操作條件等影響因素多元化的復(fù)雜環(huán)境下，它能使某單一目標(biāo)達(dá)到最佳。對于大型復(fù)雜的煉化企業(yè)，依靠人工和常規(guī)工具效率有限，難以快速準(zhǔn)確地找到使工廠生產(chǎn)和經(jīng)營始終處于“最優(yōu)”運轉(zhuǎn)狀態(tài)的最佳答案或解決辦法，而應(yīng)用LP模型代替人工操作則能大幅提高工作效率。

1.2 國外公司LP模型導(dǎo)航應(yīng)用現(xiàn)狀

知名的世界級煉化公司以市場為導(dǎo)向，應(yīng)用LP模型十分普及，應(yīng)用的深度和廣度都具有較高水準(zhǔn)，并探索建立了與模型功能發(fā)揮相適應(yīng)的組織架構(gòu)(業(yè)務(wù)流程)。這些公司都設(shè)有自己的導(dǎo)航中心(一個生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化團(tuán)隊)，人員數(shù)量視公司規(guī)模而定，設(shè)若干個“導(dǎo)航”小組，每個“導(dǎo)航”小組管控2～3個工廠，小組間有大量信息溝通和合作?！皩?dǎo)航”中心以PIMS模型為核心工具，高效工作,形成集團(tuán)的神經(jīng)中樞，以企業(yè)效益最大化為工作目標(biāo)，具有舉足輕重的地位。

導(dǎo)航體系根據(jù)管理層次分為：(1)宏觀上由總部決定開工率和原油結(jié)構(gòu)；(2)微觀(細(xì)節(jié))上由煉廠根據(jù)開工率和原油結(jié)構(gòu)，制定分解計劃。

總部確定開工率的過程如圖1所示：市場價格預(yù)測每月2次，相應(yīng)的其他環(huán)節(jié)也每月2次；應(yīng)用的LP模型為PIMS或RPMS;參加計劃會議人員為所有的相關(guān)方(包括優(yōu)化部門、風(fēng)險控制、外貿(mào)、市場、煉廠)；每月末第一次調(diào)整和確定M(M為當(dāng)月計劃)、M+1、M+2、M+3，每月中第二次確定和調(diào)整M、M+1、M+2、M+3、M+4。公司的滾動計劃周期為12個月，一般來說M+5和之后的滾動計劃往往變化很大。

圖1確定開工率框圖

煉廠根據(jù)公司確定的開工率和原油資源制定詳細(xì)的工廠生產(chǎn)經(jīng)營計劃。公司及工廠都要進(jìn)行回顧分析，目的是為了提高計劃制定水平。

1.3 國內(nèi)公司的應(yīng)用進(jìn)展

國內(nèi)煉化企業(yè)引進(jìn)PIMS模型用于指導(dǎo)原油采購和生產(chǎn)運行優(yōu)化，效果十分顯著。中國石油、中國石化全面推動應(yīng)用LP模型，統(tǒng)一引進(jìn)(中國石油引進(jìn)Honeywell公司的RPMS、中國石化引進(jìn)Aspen公司的PIMS)，集中推廣使用，用于年度和季度排產(chǎn)，工廠設(shè)計流程優(yōu)化[1-3]。各企業(yè)利用LP優(yōu)化指導(dǎo)原油采購[4-5]、加工方案安排[6-8]和效益監(jiān)控，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效果，為我國煉化企業(yè)競爭力的提升做出了貢獻(xiàn)。但也應(yīng)該看到行業(yè)內(nèi)部對應(yīng)用LP模型的認(rèn)識還不夠深刻(尤其在管理層)，各企業(yè)應(yīng)用的水平和效果也參差不齊，應(yīng)用的業(yè)務(wù)范圍也有待發(fā)掘。

2 國內(nèi)LP模型導(dǎo)航應(yīng)用與國外的差距

2.1 對LP模型導(dǎo)航應(yīng)用的巨大作用不夠重視

任何一個工廠都應(yīng)該以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益和社會效益為目的，使煉廠具有競爭力、可持續(xù)盈利能力是煉化企業(yè)高級管理層的主要工作目標(biāo)。但是部分企業(yè)主要領(lǐng)導(dǎo)對效益目標(biāo)的重要性認(rèn)識不足，對如何持續(xù)提升煉廠競爭力明顯缺乏動力，對LP模導(dǎo)航型應(yīng)用的巨大作用缺乏深刻的認(rèn)識，也就無法產(chǎn)生足夠的重視。

2.2 業(yè)務(wù)流程與LP模型功能不相適應(yīng)

大多數(shù)煉化企業(yè)沒有功能集中的“導(dǎo)航”中心。有些是計劃部門在應(yīng)用LP模型，有些是計劃、生產(chǎn)部門都在應(yīng)用LP模型，但計劃、生產(chǎn)與市場有距離，結(jié)合不夠緊密，裝置日作業(yè)計劃、調(diào)和、產(chǎn)品銷售不能全天候?qū)崿F(xiàn)效益最大化?？傮w來看還缺乏將市場營銷、計劃、技術(shù)及生產(chǎn)等部門融合一起，體現(xiàn)集中、高效、優(yōu)化的智囊組織團(tuán)隊，LP模型功能難以充分發(fā)揮作用。

2.3 LP模型功能應(yīng)用處于初級階段

部分煉化企業(yè)的LP模型僅用于年度和月度計劃的加工優(yōu)化安排，沒有將其與各裝置日計劃、物料的調(diào)和優(yōu)化等結(jié)合起來，更沒有擴展到發(fā)展項目的經(jīng)濟(jì)性論證、月度經(jīng)濟(jì)活動分析、煉廠運行方案的比較等[9]，模型功能應(yīng)用處于初級階段水平。

2.4 LP模型與工廠實際結(jié)合不夠緊密

每個煉廠的流程均存在或大或小的差異，同類裝置的原料、產(chǎn)品也有差別，因此煉廠在使用LP模型時必須屬地化，應(yīng)把每個裝置科學(xué)地嵌入模型中，使模型能反應(yīng)裝置真實的情況。但部分煉廠對裝置(尤其是復(fù)雜裝置)缺乏定期的技術(shù)標(biāo)定，各裝置的因素和約束條件不準(zhǔn)確、不合理，導(dǎo)致LP模型與煉廠實際結(jié)合不夠緊密。

3 國內(nèi)LP模型導(dǎo)航的應(yīng)用案例

國內(nèi)某企業(yè)加工裝置全部為單系列，著眼于趕超國際水平，根據(jù)企業(yè)特點，以市場為導(dǎo)向，以PIMS模型為工具，提高企業(yè)應(yīng)對市場變化的能力。該企業(yè)借鑒國外同行的經(jīng)驗，結(jié)合中國企業(yè)的特點，探索實踐創(chuàng)新企業(yè)內(nèi)部體制機制、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，使PIMS模型的功能真正產(chǎn)生作用。以PIMS和調(diào)度排產(chǎn)管理(ORION)模型為手段優(yōu)化生產(chǎn)經(jīng)營的管理方式。導(dǎo)航管理體系將計劃和經(jīng)營整合為一個部門，形成一個高效、各司其責(zé)、團(tuán)結(jié)進(jìn)取的團(tuán)隊，這個團(tuán)隊按圖2所示的流程協(xié)調(diào)、高效工作，形成了“以市場為導(dǎo)向，計劃為龍頭，生產(chǎn)為保障，效益最大化”的理念和經(jīng)營模式，在國內(nèi)獨樹一幟。

業(yè)務(wù)流程與PIMS模型應(yīng)用相適應(yīng)看似一個小的變革，其實是一個理念的根本改變，使用PIMS模型的導(dǎo)航團(tuán)隊因此走向企業(yè)的前臺，對年度、季度、月、日計劃及原油采購，生產(chǎn)運行方案，裝置負(fù)荷，中間物料移動，成品調(diào)和和市場銷售“發(fā)號施令”。經(jīng)過20年的探索實踐，PIMS已廣泛應(yīng)用于年度和月度計劃的安排、原油采購方案的制定和實施、當(dāng)期盈利能力監(jiān)控、加工方案論證評估、經(jīng)濟(jì)活動分析、發(fā)展規(guī)劃經(jīng)濟(jì)性評估論證等。為了提高計劃和運行方案的水平，采用Aspen公司的PIMS與ORION模型聯(lián)合應(yīng)用，用來分解計劃，保證計劃順利準(zhǔn)確執(zhí)行。

圖2 國內(nèi)某企業(yè)導(dǎo)航流程

利用PIMS和ORION模型可以對一個運行復(fù)雜的石油化工企業(yè)建立多周期的計劃安排。如常減壓裝置需要單獨加工含硫原油或生產(chǎn)瀝青的原油，同時，還需要控制下游裝置的原料性質(zhì)、保證下游裝置的原料供應(yīng)，生產(chǎn)安排較為復(fù)雜。為了實現(xiàn)以上要求，首先應(yīng)利用PIMS進(jìn)行M/M+1/M+2/M+3月的滾動優(yōu)化，并在每個月中設(shè)置幾個周期,對每月生產(chǎn)的2～3次瀝青進(jìn)行單獨安排。利用ORION模型對M/M+1/M+2/M+3月的生產(chǎn)進(jìn)行分解，分解內(nèi)容包括：原油船期安排、原油接收與調(diào)和、原油加工(含硫、低硫、瀝青3種模式)、原料性質(zhì)控制、下游裝置加工負(fù)荷安排、物流走向、產(chǎn)品調(diào)和等等。這樣，通過PIMS與ORION模型的聯(lián)合運用，實現(xiàn)了多周期的生產(chǎn)經(jīng)營方案的優(yōu)化與分解安排。

4 LP模型應(yīng)用水平提升的方向

4.1 建立準(zhǔn)確的LP模型

LP模型具有廣泛的適用性和適應(yīng)性，企業(yè)希望有一個高水平、高質(zhì)量的LP模型，但更希望LP模型能本土化，與企業(yè)的裝置緊密吻合。

4.1.1 建立裝置定期標(biāo)定機制，不斷修正模型

LP模型是導(dǎo)航團(tuán)隊?wèi)?yīng)用的核心工具，其準(zhǔn)確度是關(guān)鍵。大型煉化企業(yè)的裝置因原料性質(zhì)、催化劑性能及操作條件的變化會導(dǎo)致各裝置物流性質(zhì)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致模型的準(zhǔn)確性發(fā)生偏離，需定期對裝置(尤其是主要裝置)進(jìn)行技術(shù)標(biāo)定，不斷修正模型數(shù)據(jù)，保證模型的可靠性。

根據(jù)國外的經(jīng)驗，通常每季度對復(fù)雜裝置進(jìn)行一次技術(shù)標(biāo)定，工況穩(wěn)定的常規(guī)裝置每半年標(biāo)定一次，主要獲取與模型有關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)。這些工作由技術(shù)部門提供支持，模型維護(hù)人員負(fù)責(zé)收集相關(guān)數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行校驗和更新，供LP模型應(yīng)用人員使用。

4.1.2 LP模型與復(fù)雜裝置機理模型鏈接

對于技術(shù)復(fù)雜裝置，由于各關(guān)聯(lián)變量存在非線性關(guān)系，且影響因素眾多，用線性方法無法反映變化規(guī)律，應(yīng)根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)機理所建立的模型表征各影響因素變化引發(fā)的特定裝置原料與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化關(guān)系，從而準(zhǔn)確反映各種運行方案下原料成本、加工費與收入的關(guān)系，把裝置機理模型鏈接到PIMS母模型中。

目前，部分企業(yè)已經(jīng)充分認(rèn)識到建設(shè)復(fù)雜裝置機理模型的重要性，著眼于裝置運行優(yōu)化，引進(jìn)、建設(shè)高水平的裝置機理模型(如催化裂化、加氫裂化、催化重整等)。值得指出的是，裝置運行優(yōu)化應(yīng)是公司全局的優(yōu)化，特定裝置的最大收益不一定產(chǎn)生公司全局的最大收益。因此，如何把復(fù)雜裝置機理模型與LP模型很好鏈接是衡量導(dǎo)航優(yōu)化水平的重要標(biāo)志。

4.1.3 建立LP體積模型

以經(jīng)濟(jì)收益為功能的LP模型應(yīng)用離不開科學(xué)合理的價格體系，如針對煉油行業(yè)，至今我國仍存在成品油生產(chǎn)和銷售量價不統(tǒng)一的狀況。成品油進(jìn)入國內(nèi)市場，產(chǎn)品出廠以質(zhì)量計量定價，零售環(huán)節(jié)以體積計量定價，由此成品油的密度就成為生產(chǎn)企業(yè)與銷售企業(yè)利益關(guān)注的焦點。通常對生產(chǎn)廠來說，成品油密度與其氫含量、分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，氫含量高的烴組分其密度小。對烴族來說，因分子結(jié)構(gòu)不同，密度高低的順序為：烷烴<烯烴<環(huán)烷烴<芳烴。氫含量的高低又與原材料和加工費密切相關(guān)。

對成品油來說，除了各項指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)外，密度差別受到用戶高度關(guān)注。密度大的成品油，一般來說其單位體積發(fā)熱值大，有利于最終消費者，但作為質(zhì)量和體積轉(zhuǎn)換經(jīng)營的銷售商就非常矛盾。因此煉化企業(yè)根據(jù)經(jīng)濟(jì)性需要利用成本合理的氫在加工過程中使石油餾分的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變成品油密度，這對技術(shù)和經(jīng)濟(jì)都是有意義的。因此有必要在LP模型運行中對各產(chǎn)品或餾分統(tǒng)一采用體積單位，在特殊的經(jīng)營環(huán)境中，要盡量控制密度引起的質(zhì)量成本損失，保證PIMS模型運行指導(dǎo)的準(zhǔn)確性、可靠性。

4.2 應(yīng)用LP模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)活動分析

應(yīng)用LP模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)活動分析是導(dǎo)航管理的重要組成部分，建立經(jīng)濟(jì)活動分析可有效提高導(dǎo)航管理水平，準(zhǔn)確找到差距和效益提升的方向。通常，財會指標(biāo)的簡單羅列、技術(shù)指標(biāo)的差異相對容易讓人發(fā)現(xiàn)問題，并使人產(chǎn)生清晰的思路，而裝置運行的經(jīng)濟(jì)性和全廠運行的經(jīng)濟(jì)性就不是通過簡單觀察能直接了解的。應(yīng)用LP模型模擬分析是通過比較煉化企業(yè)的實際生產(chǎn)情況和線性模型(基于預(yù)先設(shè)定條件)優(yōu)化出來的方案之間的差別，為挖潛增效指明方向，并給出改進(jìn)措施；改進(jìn)和完善LP模型，使它更具有代表性，更貼近煉廠生產(chǎn)裝置的實際生產(chǎn)條件；同時利用PIMS模型對當(dāng)期經(jīng)營活動的盈虧準(zhǔn)確評估(這是財務(wù)難以做到的)，以便于把握當(dāng)前、謀劃未來。