配方原油技術(shù)及其在原油資源優(yōu)化中的應(yīng)用

章群丹，許育鵬，田松柏，褚小立

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

根據(jù)中國石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院發(fā)布的《2017年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》，我國2017年石油的表觀消費(fèi)量達(dá)到590 Mt，石油凈進(jìn)口量達(dá)到396 Mt，對(duì)外依存度達(dá)到67.4%。對(duì)外依存度的增加不僅意味著原油加工量的增加，而且還反映出原油品種的多樣化，在增加煉油廠原油選擇自由度的同時(shí)，也帶來了煉油廠操作的不確定性。有些煉油廠從裝置運(yùn)行一開始加工的原油就不是當(dāng)初設(shè)計(jì)所用的原油，配套建設(shè)的裝置很難按設(shè)計(jì)的要求協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)；另外一些煉油廠加工的合適原油供應(yīng)不足或價(jià)格高企，也會(huì)影響煉油廠的正常生產(chǎn)；還有一些煉油廠加工的原油不是優(yōu)化的目標(biāo)原油，加上品種經(jīng)常變化，不僅裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行受到影響，而且優(yōu)化工作很難落實(shí)到位。

針對(duì)國內(nèi)煉油企業(yè)優(yōu)化原油經(jīng)常得不到保證，導(dǎo)致效益損失這一共性問題，中國石化石油化工科學(xué)研究院(簡稱石科院)結(jié)合原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫、原油光譜庫、原油快速評(píng)價(jià)技術(shù)和先進(jìn)計(jì)算方法開發(fā)出配方原油技術(shù)，其基本內(nèi)容是利用先進(jìn)算法，將幾種不同原油進(jìn)行組合，形成多種性質(zhì)與目標(biāo)原油相似的原油配方供煉油廠選擇利用。以下主要介紹配方原油技術(shù)及其在原油資源優(yōu)化中的應(yīng)用情況。

1 配方原油技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)與實(shí)施流程

配方原油技術(shù)是一種基于先進(jìn)算法，在原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫和原油光譜庫所采集的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過光譜擬合及原油品種和數(shù)量的巧妙搭配，得到與目標(biāo)原油性質(zhì)十分接近的“類原油”配方的技術(shù)。例如，某煉油廠加工的目標(biāo)原油是阿曼原油，當(dāng)阿曼原油的供應(yīng)受限時(shí)，通過配方原油技術(shù)，可從原油光譜庫中找出一些原油，通過這些原油光譜按比例的組合，得到與阿曼原油光譜相似的混合光譜，通過混合光譜中各原油的比例，并結(jié)合原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫，即可計(jì)算出類阿曼原油的全部原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。圖1是采用配方原油技術(shù)，將原油近紅外光譜庫中的0021號(hào)、0158號(hào)、0125號(hào)原油按質(zhì)量比75∶10∶15的比例混合后，得到的與阿曼原油類似的近紅外光譜。

配方原油和目標(biāo)原油的相似度可用式(1)描述[1]。

(1)

式中：Ai和Bi分別為目標(biāo)原油和配方原油的物性或組成數(shù)據(jù)；ωi為第i個(gè)物性的權(quán)重；Max(i)和Min(i)分別為參與配方設(shè)計(jì)原油的第i個(gè)物性對(duì)應(yīng)的最大值和最小值。

根據(jù)S(OA，OB)的值來判斷配方原油OB和目標(biāo)原油OA之間的接近程度，其值越接近1代表配方原油與目標(biāo)原油越相似。

圖1 類阿曼原油近紅外光譜形成示意

原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫、原油光譜庫和原油快速評(píng)價(jià)技術(shù)也是配方原油技術(shù)的重要組成部分。在煉油廠原油資源的優(yōu)化選擇層面，需要有原油品種多、包含范圍廣(尤其是國內(nèi)加工的原油)、原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)更新快、原油和餾分性質(zhì)及組成數(shù)據(jù)詳細(xì)的原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫作支撐；在煉油廠生產(chǎn)過程操作層面，原油光譜庫、原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫以及在此基礎(chǔ)上建立起來的原油快評(píng)技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速給出進(jìn)廠原油的性質(zhì)，甚至煉油廠儲(chǔ)罐中混合原油的性質(zhì)，由此得到的配方原油更為實(shí)用，而且與煉油廠原油調(diào)合設(shè)施一起，可以隨時(shí)對(duì)配方原油的配比進(jìn)行調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn)煉油廠全流程的優(yōu)化目標(biāo)。

在實(shí)施配方原油技術(shù)時(shí)，首先根據(jù)煉油廠裝置、工藝、催化劑等的特點(diǎn)，提出適合煉油廠加工的目標(biāo)原油。目標(biāo)原油可以是煉油廠設(shè)計(jì)時(shí)所選定的原油，也可以是煉油廠以前加工過且證明具有較高經(jīng)濟(jì)效益的原油[2]，還可以是通過流程優(yōu)化軟件計(jì)算出的優(yōu)化原油，或者是各種性質(zhì)具有一定變化區(qū)間的虛擬原油。通過流程優(yōu)化軟件，進(jìn)行物料平衡和經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算，從眾多配方中篩選出幾種進(jìn)行可加工性能評(píng)價(jià)，對(duì)滿足要求的配方原油進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證計(jì)算的可靠性，將合適的配方輸出到煉油廠安排生產(chǎn)，不合適的淘汰掉，再從配方庫中調(diào)出新的配方進(jìn)行計(jì)算，反復(fù)循環(huán)，直到找到最合適的配方原油為止。配方原油技術(shù)實(shí)施的原則流程見圖2。

圖2 配方原油技術(shù)的實(shí)施流程

2 配方原油技術(shù)在類阿曼原油配方設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

阿曼原油具有輕質(zhì)油收率高、柴油十六烷值高、常壓渣油K值高、金屬含量低等特點(diǎn)，適合在燃料-化工型煉油廠加工。但是，阿曼原油每年的產(chǎn)量只有30 Mt左右，滿足不了全球原油貿(mào)易市場的需求，而且，如果采購量過大，容易使原油的價(jià)格升高。因此急需尋找與阿曼原油類似的原油作為替代原油。采用配方原油技術(shù)，在組分原油不超過4種的情況下，可以產(chǎn)生上百種配方，能從多個(gè)方面滿足煉油廠對(duì)類似原油的需求。以下是幾個(gè)例子。

2.1 以原油性質(zhì)為目標(biāo)的類阿曼配方原油

將組分原油1，2，3按質(zhì)量比0.60∶0.25∶0.15的比例(配方1)混合，計(jì)算得到的性質(zhì)與阿曼原油十分接近(見表1)。另外，其他的一些配方也具有同樣的特點(diǎn)。

表1 以原油性質(zhì)為目標(biāo)的類阿曼配方原油

2.2 以原油價(jià)格為目標(biāo)的類阿曼配方原油

如果煉油廠效益對(duì)原油的價(jià)格十分敏感，可以在式(1)中將原油的價(jià)格作為一個(gè)變量予以考慮。但相對(duì)“以原油性質(zhì)為目標(biāo)的配方原油”的應(yīng)用來說，這項(xiàng)應(yīng)用比較困難，主要原因是組分原油的價(jià)格一般應(yīng)低于目標(biāo)原油價(jià)格，這樣很大程度上限制了參與配方設(shè)計(jì)的組分原油的數(shù)量。表2是從15種價(jià)格比阿曼原油低的組分原油中通過配方原油技術(shù)計(jì)算出來的部分配方，在原油價(jià)格較高的情況下，通過組分原油的適當(dāng)配比，可以得到價(jià)格比阿曼原油低1～5美元bbl(1 bbl≈159 L)的配方原油。

表2 以原油價(jià)格為目標(biāo)的類阿曼配方原油

1)組分原油4，5，6質(zhì)量比為0.40∶0.40∶0.20。

2)組分原油7，8，9質(zhì)量比為0.41∶0.39∶0.20。

3)組分原油10，11，12質(zhì)量比為0.40∶0.37∶0.23。

4)組分原油13，14，15質(zhì)量比為0.38∶0.32∶0.30。

5)組分原油16，17，18質(zhì)量比為0.38∶0.35∶0.27。

2.3 以原油餾分性質(zhì)為目標(biāo)的類阿曼配方原油

如果煉油廠某些裝置對(duì)全廠效益的貢獻(xiàn)較大，則可以將該裝置的原料性質(zhì)或組成要求作為配方原油技術(shù)追求的目標(biāo)。表3是針對(duì)燃料-化工型煉油廠對(duì)石腦油的性質(zhì)、收率、組成的特別要求而建議的配方之一，可以看出，配方原油石腦油的主要特點(diǎn)與阿曼原油石腦油十分接近。

表3 以石腦油餾分性質(zhì)為目標(biāo)的類阿曼配方原油

1)組分原油19，20，21質(zhì)量比為0.19∶0.36∶0.45。

2.4 以利用煉油廠儲(chǔ)罐已有原油為目標(biāo)的類阿曼配方原油

煉油廠原油儲(chǔ)罐在長期的使用過程中，會(huì)有不同的原油混雜在一起的罐底油，難以獲得可靠的原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)；另外，原油進(jìn)廠后，經(jīng)過各種工序，由于操作和設(shè)施方面的問題，原油的混合比例、混合原油的性質(zhì)可能經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化。采用配方原油技術(shù)中的原油快速評(píng)價(jià)模塊，可以在幾分鐘內(nèi)得到原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)[3-4]，配方原油技術(shù)將其作為一個(gè)組分原油，與其他原油一起形成配方，也可以得到與目標(biāo)原油性質(zhì)接近的配方原油。表4為以利用煉油廠儲(chǔ)罐已有原油為目標(biāo)的類阿曼配方原油，其中儲(chǔ)罐原油是取自某煉油廠儲(chǔ)罐的一種混合原油，其性質(zhì)是通過原油快速評(píng)價(jià)得到的。如果阿曼原油是煉油廠合適的原油，則可以允許硫含量較高、石腦油收率也較高的原油與儲(chǔ)罐原油相配。表4中配方原油技術(shù)的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)儲(chǔ)罐原油與卡塔爾海上原油按質(zhì)量比0.42∶0.58的比例(配方8)混合時(shí)，也能得到與阿曼原油性質(zhì)相似的配方原油。

表4 以利用煉油廠儲(chǔ)罐已有原油為目標(biāo)的類阿曼配方原油

2.5 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際原油評(píng)價(jià)結(jié)果的比較

為了驗(yàn)證配方原油技術(shù)計(jì)算結(jié)果的可靠性，對(duì)配方1、配方9和配方10的原油性質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，結(jié)果見表5。對(duì)配方1與阿曼原油還進(jìn)行了實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線的比較，結(jié)果見圖3。從表5和圖3可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果非常接近，完全可以滿足煉油廠實(shí)際操作的需要。

表5 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際原油評(píng)價(jià)結(jié)果的比較

1)組分原油22，23，24質(zhì)量比為0.50∶0.40∶0.10。

2)組分原油25，26，27，28質(zhì)量比為0.55∶0.25∶0.10∶0.10。

圖3 配方1原油與阿曼原油的實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線■—阿曼原油； ◆—配方1原油

3 結(jié) 論

(1)基于大量的原油樣本、原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫、原油光譜庫以及相應(yīng)算法形成了配方原油技術(shù)。配方原油技術(shù)可以方便、高效地調(diào)配出與目標(biāo)原油相似的原油配方，實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果與計(jì)算結(jié)果有較好的相似性。

(2)煉油廠可以根據(jù)需要確定配方原油要達(dá)到的目標(biāo)，既可以使配方原油的價(jià)格接近，甚至低于目標(biāo)原油，也可以使配方原油和目標(biāo)原油的性質(zhì)盡可能一致，還可以使重要裝置原料的性質(zhì)與目標(biāo)原油的相應(yīng)餾分油性質(zhì)基本一致。