PIMS參數(shù)分析在生產(chǎn)計劃管理中的應用

蔡光亮

(上海賽科石油化工有限責任公司，上海 201507)

采用Aspen Tech公司開發(fā)的PIMS軟件，利用線性規(guī)劃、Delta-Base模型化以及分布遞歸等技術建立數(shù)學模型，利用此模型可模擬企業(yè)的生產(chǎn)流程，以經(jīng)濟效益最大化為目標[1]，實現(xiàn)原料優(yōu)化、產(chǎn)品優(yōu)化、流向優(yōu)化，計算盈虧平衡點，尋找系統(tǒng)瓶頸等功能[2]；能滿足計劃測算和生產(chǎn)優(yōu)化的需要，為企業(yè)提供最優(yōu)的生產(chǎn)和經(jīng)營方案，提高企業(yè)整體經(jīng)濟效益。

Aspen Tech公司對PIMS軟件不斷完善改進、推陳出新，2010年發(fā)布了PIMS 18.2版本。與舊版本相比，該版本新增的PIMS AO功能大大提高了軟件的實用性。AO分析功能包括參數(shù)分析、目標規(guī)劃、范圍分析、簡約材料，其中最常用的是參數(shù)分析工具[3]，PIMS AO參數(shù)分析工具用于評估物料價格的變化對模型目標函數(shù)或某個變量運行結(jié)果的影響。應用參數(shù)分析工具，可估算目標函數(shù)、產(chǎn)品銷售量及裝置負荷如何隨原料或產(chǎn)品價格的變化而變化。

實踐表明，針對企業(yè)裝置的特點，PIMS參數(shù)分析可以有效應用于生產(chǎn)計劃管理、優(yōu)化原料選購和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、調(diào)整加工方案等，以充分發(fā)揮生產(chǎn)裝置上下游一體的特色，提升企業(yè)整體經(jīng)濟效益的最大化。

1 裝置的工藝特點及生產(chǎn)優(yōu)化的重點方向

上海賽科石油化工有限責任公司(以下簡稱賽科)是以乙烯裝置為龍頭的石油化工一體化企業(yè)，主要生產(chǎn)乙烯、丙烯、聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈等化工產(chǎn)品。乙烯裝置主要以外購的石腦油為裂解原料，乙烯裝置的原料采購成本在公司的運營成本中占比較大，因此乙烯裝置原料的優(yōu)化顯得尤為重要。原料優(yōu)化的方向包括多種類原料優(yōu)化、石腦油優(yōu)化和裂解爐裂解深度的優(yōu)化。原料優(yōu)化的目標是為了評估不同原料的經(jīng)濟性，計算出每種原料能夠為賽科帶來的單位貢獻，并按貢獻大小形成排序表，為商務采購提供依據(jù)。

賽科乙烯裝置有可能加工的裂解原料有石腦油、丙烷和丁烷，通過調(diào)用SPYRO回歸的非線性模型，在PIMS-AO模型中對應這3種原料分別建立了石腦油爐、丙烷爐和丁烷爐模型，可以模擬3種原料單獨裂解和混合裂解工況，測算出產(chǎn)品收率及經(jīng)濟效益。

賽科乙烯裝置生產(chǎn)的丙烯內(nèi)供給聚丙烯裝置和兩套丙烯腈裝置作為原料，但賽科還存在一定的丙烯缺口需要外購，同時賽科的烯烴轉(zhuǎn)換裝置利用乙烯和碳四作為原料可生產(chǎn)丙烯，因此在丙烯產(chǎn)品鏈的優(yōu)化上存在較大的空間。

2 利用PIMS-AO參數(shù)分析功能進行原料、產(chǎn)品鏈和操作參數(shù)優(yōu)化

2.1 賽科裂解原料優(yōu)化

原料優(yōu)化的方法是利用優(yōu)化軟件PIMS-AO的批量工況優(yōu)化計算功能，創(chuàng)建每種原料的加工工況，將計算結(jié)果進行匯總，形成原料貢獻排序表。在賽科的PIMS模型中，針對裂解爐模型設置了4個裂解操作變量：裂解爐進料量、裂解爐輻射段爐管出口溫度(COT)、出口壓力(COP)和汽烴比，一種操作變量的組合代表一種裂解深度，優(yōu)化的裂解深度決定了優(yōu)化的產(chǎn)品收率，而優(yōu)化的裂解深度是PIMS基于指定的價格體系，以總體利潤為目標，綜合考慮了裝置負荷和產(chǎn)品合同量等約束條件計算出的結(jié)果。

2.1.1 多種類原料優(yōu)化

(1)原料標的：石腦油(規(guī)格選取2019年加工石腦油的平均規(guī)格)、丙烷和混合丁烷。

(2)價格體系：選取2019年的月平均價格。

(3)約束條件：2019年賽科裝置平均負荷，平均產(chǎn)品銷售合同量。裂解操作變量不做約束。

(4)工況設置：賽科裝置共有9臺石腦油裂解爐，選擇其中1臺加工丙烷或丁烷，其他8臺加工石腦油。

(5)計算結(jié)果見表1所示。由表1可知：加工丙烷和丁烷存在長期盈利的機會，盈虧拐點分別為1.04倍和1.07倍的石腦油價格；丙烷和丁烷兩種原料替代石腦油后增加效益都很顯著，相對的，丁烷能夠帶來更多的利潤。

表1 與石腦油相比輕烴原料的經(jīng)濟貢獻

2.1.2 石腦油原料優(yōu)化

在計算每種石腦油單位貢獻的基礎上，進一步關聯(lián)石腦油規(guī)格指標以及主要產(chǎn)品收率等，進行深度分析，不僅可以為商務采購提供保本價的支持，還能從市場上發(fā)現(xiàn)對賽科更具經(jīng)濟性的石腦油品種，使原料優(yōu)化更加主動。

(1)原料標的：選取6種石腦油，規(guī)格數(shù)據(jù)按2019年平均值計算。石腦油規(guī)格見表2所示。

表2 賽科使用的典型石腦油規(guī)格

(2)價格體系：選取2019年的月平均價格。

(3)約束條件：2019年賽科平均裝置負荷，平均產(chǎn)品銷售合同量。裂解操作變量不約束。

(4)工況設置：根據(jù)賽科實際原料的構(gòu)成(75%合同采購量+25%市場采購量)，每個工況都加工9 kt/d的管道合同石腦油，剩余的加工能力由模型為每種標的石腦油計算出優(yōu)化加工量。

(5)計算結(jié)果見表3所示。通過PIMS的RW功能，創(chuàng)建報表模板，從結(jié)果數(shù)據(jù)庫文件讀取數(shù)據(jù)，生成自定義的報表。表3中左側(cè)的排序只考慮了原料規(guī)格對效益的影響，右側(cè)的排序在此基礎上又考慮了采購到貨成本價的綜合效益的影響。裂解產(chǎn)品的收率見表4所示。石腦油質(zhì)量貢獻排序與乙烯收率、丙烯收率和高附加值產(chǎn)品收率(HVC)有明顯的關聯(lián)性，質(zhì)量效益排名越靠前，雙烯收率和HVC值越高。石腦油貢獻與石腦油密度、烷烴總量、芳烴質(zhì)量分數(shù)以及HVC的關系分別見圖1～4。

表3 石腦油貢獻排序(以ZH石腦油為基準)

表4 裂解產(chǎn)品收率 %

圖1 石腦油貢獻與密度的關系

圖2 石腦油貢獻與烷烴總量的關系

圖3 石腦油貢獻與芳烴質(zhì)量分數(shù)的關系

圖4 石腦油貢獻與HVC的關系

(6)在現(xiàn)有價格體系下，以丙烷或丁烷替代石腦油，每月可增加效益230萬～330萬美元，還可以有效緩解石腦油供應短缺的問題。從6種標的石腦油貢獻看，每1 t相差為10美元，如果以每月120 kt的加工量計算，總體貢獻相差可達到120萬美元。石腦油的優(yōu)化方向依次為：高烷烴總量、低密度、低芳烴質(zhì)量分數(shù)。若石腦油同時滿足高烷烴總量、低密度和低芳烴質(zhì)量分數(shù)，將有更好的經(jīng)濟貢獻。

2.2 賽科丙烯產(chǎn)品鏈優(yōu)化

2.2.1 丙烯物流走向分析

賽科丙烯物流走向如圖5所示。丙烯供應方包括：A—市場采購，補充下游裝置產(chǎn)能的不足，丙烯與石腦油差價越大，采購成本越高，經(jīng)濟性越差；B—裂解產(chǎn)出，滿足大部分下游裝置的需求，通常成本較低；C—烯烴轉(zhuǎn)化裝置產(chǎn)出，由乙烯和混合碳四生產(chǎn)的丙烯可補充下游缺口，經(jīng)濟性受丁二烯價格影響較大。

丙烯需求方包括：D—1#丙烯腈裝置的進料，經(jīng)濟性受丙烯腈與丙烯價差的影響；E—2#丙烯腈裝置的進料，經(jīng)濟性同上，與D的差異是操作成本不同；F—聚丙烯裝置進料，經(jīng)濟性取決于聚丙烯與丙烯的差價。利用優(yōu)化軟件PIMS-AO的批量工況優(yōu)化計算功能，通過編制模型工況、模擬計算和數(shù)據(jù)對比，可以探索丙烯產(chǎn)品優(yōu)化的方向。

圖5 賽科丙烯物流走向

2.2.2 丙烯需求方優(yōu)化方向分析

(1)PIMS分析

PIMS的運行基于生產(chǎn)工藝設計負荷的基礎工況，通過其RW報表工具獲取結(jié)果數(shù)據(jù)，然后鏈接到丙烯下游的邊際效益工況中，從PIMS的運行結(jié)果數(shù)據(jù)庫文件中獲取物流D、E和F的邊際效益，并建立各物流的優(yōu)先次序，丙烯需求方優(yōu)化方向見表5所示，丙烯價格敏感性分析見圖6所示。

表5 丙烯需求方優(yōu)化方向

圖6 丙烯價格敏感性分析

(2)丙烯需求方優(yōu)化結(jié)果

由表5可知：丙烯在需求方的邊際效益次序隨價格體系而發(fā)生改變。在2015年和2016年，用丙烯生產(chǎn)聚丙烯比生產(chǎn)丙烯腈更有效益；而在2017—2019年期間，用丙烯生產(chǎn)丙烯腈比生產(chǎn)聚丙烯更有效益。優(yōu)化方向變化是由下游產(chǎn)品與原料丙烯的價格差引起的。模擬計劃的結(jié)果顯示：丙烯腈與丙烯的價差若超過聚丙烯與丙烯差價的1.5倍，則優(yōu)先生產(chǎn)丙烯腈，反之優(yōu)先生產(chǎn)聚丙烯。

2.2.3 丙烯供應方優(yōu)化方向分析

(1)PIMS分析

丙烯的市場價格對采購丙烯(A)和裂解自產(chǎn)丙烯(B)的影響最大，采用PIMS-AO的參數(shù)分析功能，進行價格敏感性分析，可以確定二者優(yōu)化方向的轉(zhuǎn)折點。

(2)丙烯供應方優(yōu)化結(jié)果

由圖6丙烯價格敏感性分析可知：隨著丙烯價格的增加，丙烯采購意愿下降，當丙烯價格為1 014美元/t時，停止丙烯采購。由于丙烯數(shù)量減少，模型選擇聚丙烯裝置降負荷運行，其原因是在丙烯需求方中聚丙烯的優(yōu)先次序排在最后，此時對應價格的轉(zhuǎn)折點為丙烯與石腦油的差價472美元/t，丙烯與石腦油的價格比為1.87。

2.3 賽科裂解操作參數(shù)優(yōu)化

選取2019年賽科實際生產(chǎn)工況，以乙烯裝置2#～9#裂解爐4組COT代表不同的裂解深度作為數(shù)據(jù)樣本。以樣本數(shù)據(jù)為計算條件，模擬計算主要裂解產(chǎn)品的收率。隨著裂解深度的降低，甲烷氫和乙烯收率減少，丙烯碳四和裂解汽油收率增加；爐子結(jié)焦速率減少，燒焦周期延長。PIMS計算結(jié)果顯示，COT從843 ℃降至833 ℃，乙烯產(chǎn)量減少2.2%，丙烯產(chǎn)量增加4.4%，爐子燒焦周期延長10.2%。

2019年賽科每周利用PIMS-AO軟件模擬實際工況下裂解深度對裂解產(chǎn)品收率及裂解爐結(jié)焦速率的影響，研究跟蹤并優(yōu)化裂解爐操作參數(shù)，提高當量產(chǎn)品收率并提升公司的整體效益。由于市場丙烯產(chǎn)品鏈較好，從3月下旬開始對裂解COT進行優(yōu)化調(diào)整，COT從845 ℃降低到830 ℃，2019年COT優(yōu)化累計增加效益9 080萬元。

3 結(jié)論

(1)利用PIMS軟件可以模擬生產(chǎn)運營過程并優(yōu)化排產(chǎn)。根據(jù)市場銷售預測、原料供應情況和生產(chǎn)約束，制定和優(yōu)化公司生產(chǎn)經(jīng)營計劃。

(2)運用PIMS-AO的RW報表工具建立原料排序，可以優(yōu)化石腦油及其他裂解原料的選擇。

(3)根據(jù)市場變化及時調(diào)整策略，優(yōu)化裂解操作參數(shù)，實現(xiàn)公司全產(chǎn)品鏈效益最大化。

(4)運用PIMS的價格敏感性分析，可以優(yōu)化不同的丙烯腈及聚丙烯市場環(huán)境(銷售量及價格的變化)下，丙烯產(chǎn)品鏈的負荷調(diào)整方向及丙烯的采購或銷售策略。