以市場(chǎng)價(jià)格為導(dǎo)向，優(yōu)化裂解爐操作

陸向東

（中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化分公司烯烴一部，浙江寧波 315207）

石油化學(xué)工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位，乙烯裝置是石油化學(xué)工業(yè)的龍頭，乙烯技術(shù)水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家石油化工發(fā)展水平的重要標(biāo)志[1]。

裝置運(yùn)行效益的簡(jiǎn)單計(jì)算方式是產(chǎn)品獲得的效益減去原料成本，再減去操作費(fèi)用。在無(wú)法控制原料和產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格的基礎(chǔ)上，裝置利潤(rùn)的提升通常是通過(guò)增加高附加值產(chǎn)品產(chǎn)量和降低原料消耗及操作費(fèi)用來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中增加高附加值產(chǎn)品產(chǎn)量是十分重要的操作手段。對(duì)于乙烯裂解裝置而言，各種產(chǎn)品的質(zhì)量取決于裂解爐的操作運(yùn)行，由于管式裂解爐涉及到裂解原料的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，而反應(yīng)過(guò)程的控制方式對(duì)產(chǎn)品價(jià)值影響較大，因此裂解爐反應(yīng)參數(shù)的控制對(duì)最終效益十分重要。

裂解爐的優(yōu)化是日常工藝技術(shù)管理的主要工作，通常使用模擬軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，德西尼布所建立的SPYRO軟件是用于乙烯裂解爐的穩(wěn)態(tài)專用過(guò)程模擬軟件[2]，目前世界上最為常用，各公司乙烯裂解裝置基本采取此軟件進(jìn)行模擬[3]。

1 模型建立

1.1 單臺(tái)裂解爐模擬運(yùn)行

對(duì)于一定的裂解原料，裂解溫度（COT））和停留時(shí)間是影響烴類裂解的主要因素，同時(shí)也影響目標(biāo)烯烴及其他有用產(chǎn)品的收率。在已定的裂解爐、操作負(fù)荷及稀釋比工況下，影響目標(biāo)產(chǎn)品的主要因素為裂解溫度。由于測(cè)量的裂解爐管出口溫度與裂解反應(yīng)的實(shí)際溫度之間有10~25℃的溫差，某些裝置的溫度偏差可能超過(guò)此范圍，因此直接使用裂解溫度不能有效反應(yīng)實(shí)際原料的裂解效果。

液體裂解原料基本不含乙烯和丙烯，而由對(duì)裂解產(chǎn)物的分析可知含有乙烯和丙烯，因此常用丙烯與乙烯的質(zhì)量比作為液體原料裂解深度的靈敏度指標(biāo)[4]。

對(duì)于SPYRO模擬軟件，模型常輸入的操作參數(shù)為進(jìn)料量、稀釋蒸汽量、橫跨段溫度、裂解深度或COT以及裂解爐運(yùn)行時(shí)間。針對(duì)裂解爐的不同原料，需建立相應(yīng)的SPYRO模型，為校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，需根據(jù)不同原料和不同操作條件下的模擬結(jié)果與實(shí)際裝置相同操作條件下運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。某裝置裂解爐常用的裂解原料為L(zhǎng)PG、C5、石腦油（NAP）和加氫裂化尾油（HCR）。模型模擬與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果比對(duì)見(jiàn)表1。

表1 不同原料的模擬與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果比對(duì)

不同原料組的模擬運(yùn)行和裂解爐實(shí)際運(yùn)行結(jié)果對(duì)比表明，建立的對(duì)應(yīng)各種原料的SPYRO模擬軟件可以較好反應(yīng)出裂解爐的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，尤其是液體爐，說(shuō)明軟件模擬結(jié)果可信。

1.2 整體裂解爐模擬運(yùn)行

根據(jù)單臺(tái)裂解爐模擬運(yùn)行模型，搭建反映乙烯裝置所有裂解爐整體運(yùn)行的模型，具體見(jiàn)圖1。每臺(tái)裂解爐的模型對(duì)應(yīng)實(shí)際運(yùn)行的裂解爐，裂解氣匯集后通過(guò)模型模擬逐一分離出產(chǎn)品。模型僅考慮裂解爐的操作，沒(méi)有考慮下游的分離單元，因此部分產(chǎn)品的損失忽略不計(jì)。

圖1 裂解爐整體運(yùn)行模型

2 不同目標(biāo)產(chǎn)物下的運(yùn)行模擬

在裂解爐的進(jìn)料種類和進(jìn)料量確定的情況下，裂解爐日常操作調(diào)整的主要參數(shù)是裂解爐的出口溫度COT，通過(guò)COT的變化改變裂解氣中丙烯與乙烯比來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)調(diào)整。

2.1 以乙烯收率最大化為目標(biāo)調(diào)整裂解爐

圖2為不同原料不同裂解深度（PE比）下乙烯收率。從圖2可知，在當(dāng)前裂解原料組成下，不同種類的進(jìn)料若實(shí)現(xiàn)乙烯收率，即乙烯產(chǎn)量的最大化，均需不斷降低裂解深度比，提高裂解爐的COT來(lái)實(shí)現(xiàn)。但對(duì)裂解爐而言，不斷提高裂解爐的COT，勢(shì)必使裂解爐爐管結(jié)焦趨勢(shì)加速，縮短裂解爐的運(yùn)行周期。

圖2 不同原料不同裂解深度（PE比）下乙烯收率

2.2 以雙烯收率最大化為目標(biāo)調(diào)整裂解爐

圖3為不同原料不同裂解深度（PE比）下雙烯收率。從圖3可知，如實(shí)現(xiàn)雙烯收率，即乙烯與丙烯產(chǎn)量最大化，需尋求合適的裂解深度。當(dāng)前進(jìn)料量及操作條件下，石腦油和C5的PE比控制在0.5比較合適，加氫裂化尾油PE比控制在0.52比較合適。

圖3 不同原料不同裂解深度（PE比）下雙烯收率

2.3 以高附收率最大化為目標(biāo)調(diào)整裂解爐

圖4為不同原料不同裂解深度（PE比）下高附收率。從圖4可知，如實(shí)現(xiàn)裂解產(chǎn)物中高附加值產(chǎn)品收率最大化，即氫氣＋乙烯＋丙烯＋丁二烯＋苯五種高附加值產(chǎn)品產(chǎn)量最大化，這也是考核乙烯裝置產(chǎn)品收率的一項(xiàng)重要指標(biāo)，需不斷降低PE比，提高裂解爐COT，調(diào)整趨勢(shì)同乙烯收率變化一致，但同樣問(wèn)題是提高裂解爐的COT溫度，裂解爐爐管結(jié)焦趨勢(shì)將加速，縮短裂解爐的運(yùn)行周期。

圖4 不同原料不同裂解深度（PE比）下高附收率

2.4 以裝置運(yùn)行效益最大化為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整

以裝置運(yùn)行效益最大化為目標(biāo)調(diào)整是裂解爐調(diào)整方式中最難的，但也是技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)努力的方向。計(jì)算運(yùn)行效益必須要了解裂解氣中各組分的市場(chǎng)價(jià)格，但不是所有組分都有相應(yīng)的市場(chǎng)價(jià)格，需根據(jù)乙烯裝置下游配套的裝置情況和主要產(chǎn)品價(jià)格進(jìn)行相應(yīng)的歸類和測(cè)算。

3 裂解氣組分價(jià)格的確定

不同的裂解原料經(jīng)SPYRO模擬運(yùn)行后，模擬結(jié)果依組分由輕到重大約分為80~100種。從裂解氣的成分組成分布可以看出，雖然成分較多，但大部分成分占比較小，且大部分成分沒(méi)有實(shí)際的市場(chǎng)價(jià)格。對(duì)裂解氣產(chǎn)品價(jià)格影響較大的通常為幾種高附加值組分，如氫氣、乙烯、丙烯、丁二烯和苯。為方便計(jì)算裝置運(yùn)行效益，需根據(jù)產(chǎn)品組分實(shí)際具有的市場(chǎng)價(jià)格和裝置的實(shí)際產(chǎn)品分布情況，對(duì)近百種產(chǎn)品組分進(jìn)行相應(yīng)歸類，詳見(jiàn)表2。

表2 裂解氣組分歸類

在這19種產(chǎn)品中，根據(jù)該企業(yè)下游裝置的配套情況及部分產(chǎn)品的市場(chǎng)直接銷售情況，大部分產(chǎn)品有市場(chǎng)銷售價(jià)格，在計(jì)算效益時(shí)可直接使用。而乙烯和丙烯產(chǎn)品是送往該企業(yè)的下游裝置作為裝置原料使用，作為煉化一體化的企業(yè)，不適合直接使用市場(chǎng)價(jià)格或內(nèi)部互供價(jià)格，應(yīng)將下游企業(yè)整合到一起，作為產(chǎn)品流通整體，通過(guò)下游裝置的直接市場(chǎng)產(chǎn)品反推回計(jì)算乙烯和丙烯的產(chǎn)品價(jià)格。乙烷和丙烷產(chǎn)品作為乙烯裝置的中間產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)不斷地循環(huán)裂解反應(yīng)，可通過(guò)循環(huán)迭代計(jì)算出最后價(jià)格。乙炔和MAPD作為裝置的雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)加氫反應(yīng)器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的乙烯和乙烷、丙烯和丙烷來(lái)計(jì)算相應(yīng)的價(jià)格。

3.1 乙烯產(chǎn)品價(jià)格計(jì)算方式

由于該企業(yè)乙烯產(chǎn)品分別送往下游環(huán)氧乙烷乙二醇（EOEG）、乙苯（EB）、聚乙烯（PE）、化工園區(qū)、低溫罐等裝置，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可獲得各個(gè)去處的乙烯每小時(shí)消耗量。

3.1.1 計(jì)算送往PE裝置中的乙烯價(jià)格

首先，按PE產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)計(jì)算每小時(shí)PE裝置產(chǎn)品的效益。然后，計(jì)算出裝置反應(yīng)過(guò)程中每小時(shí)消耗的丁烯-1的價(jià)值和每噸PE的變動(dòng)費(fèi)用，由于固定費(fèi)用主要為員工費(fèi)用、檢維修費(fèi)用和管理方面的費(fèi)用，這些費(fèi)用變化較大，為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，計(jì)算時(shí)僅采用變動(dòng)費(fèi)用。其次，利用總PE產(chǎn)品價(jià)值減去消耗的丁烯-1價(jià)值和裝置的變動(dòng)費(fèi)用，計(jì)算結(jié)果為進(jìn)入裝置的乙烯原料價(jià)值，最后利用乙烯原料價(jià)值除以乙烯進(jìn)料量則為進(jìn)入PE裝置的乙烯價(jià)格。

3.1.2 計(jì)算送往EOEG裝置中的乙烯價(jià)格

按進(jìn)入PE裝置的計(jì)算方式計(jì)算EOEG中乙烯價(jià)格，EB、低溫罐和化工園區(qū)的乙烯需求根據(jù)實(shí)際情況直接使用市場(chǎng)價(jià)格。

根據(jù)進(jìn)入各裝置的乙烯價(jià)格及相應(yīng)的乙烯量占比，加權(quán)平均計(jì)算出乙烯裝置的乙烯產(chǎn)品價(jià)格。此價(jià)格體系的計(jì)算方式，是將下游裝置的產(chǎn)品價(jià)值和乙烯裝置的產(chǎn)品計(jì)算價(jià)值整合到一起，主要是因?yàn)橐蚁┭b置的運(yùn)行和下游裝置緊密聯(lián)系在一起，下游裝置的產(chǎn)品具有實(shí)際的市場(chǎng)價(jià)格，其實(shí)際上影響著此裝置的進(jìn)料負(fù)荷，即影響著乙烯裝置的產(chǎn)品走向。

3.2 丙烯產(chǎn)品價(jià)格計(jì)算方式

丙烯產(chǎn)品的下游裝置主要為聚丙烯（PP）和環(huán)氧丙烷/苯乙烯（POSM）裝置，由于POSM裝置為獨(dú)立公司，產(chǎn)品價(jià)格直接采用市場(chǎng)價(jià)格，因此先計(jì)算出丙烯進(jìn)入PP裝置的價(jià)格，再根據(jù)兩套裝置的丙烯產(chǎn)品進(jìn)料量加權(quán)平均計(jì)算出乙烯裝置丙烯產(chǎn)品的價(jià)格。

3.3 循環(huán)乙烷價(jià)格計(jì)算方式

循環(huán)乙烷返回裂解爐進(jìn)入循環(huán)乙烷爐，按裂解爐實(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)SPYRO軟件模擬，將裂解氣組分含量多少進(jìn)行歸類，并通過(guò)循環(huán)迭代的方式計(jì)算出循環(huán)乙烷的價(jià)格。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 循環(huán)乙烷價(jià)格計(jì)算

通過(guò)上面一系列的推算，歸類后的裂解氣19個(gè)組分均可獲得相應(yīng)的價(jià)格體系，據(jù)此可進(jìn)行乙烯裝置運(yùn)行效益的計(jì)算。

4 噸原料邊際效益模擬

測(cè)算乙烯裝置運(yùn)行效益的一個(gè)常用方法是采用噸裂解原料的邊際效益，利用SPYRO軟件可實(shí)現(xiàn)邊際效益的分析[5]。影響計(jì)算噸原料邊際效益的因素較多，如煉化一體化上下游運(yùn)行方式、裂解原料的種類及組成、裂解爐的操作條件（如裂解爐負(fù)荷、稀釋比、裂解深度等）、不同時(shí)間的產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格及裂解爐本身的運(yùn)行時(shí)間等。

4.1 穩(wěn)定的裂解原料和價(jià)格體系下，不同PE比對(duì)邊際效益的影響

根據(jù)2020年5月下旬該企業(yè)上下游裝置的生產(chǎn)模式和各種產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格體系，針對(duì)不同種裂解原料在不同操作條件下的產(chǎn)品分布，對(duì)企業(yè)不同裂解原料和不同裂解深度（PE比）下噸乙烯原料邊際效益模擬見(jiàn)圖5。

圖5 不同裂解原料和不同裂解深度（PE比）下邊際效益

從圖5可以看出，在當(dāng)前裂解原料和產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格體系下，為獲得較大的噸原料邊際效益應(yīng)保持石腦油和C5原料裂解爐裂解深度為0.50左右，加裂尾油裂解深度為0.57左右。從圖4和圖5可以看出，要同時(shí)盡可能滿足不同的操作目標(biāo)，同一種原料應(yīng)綜合考慮操作條件。

4.2 穩(wěn)定的裂解原料和操作條件下，不同市場(chǎng)價(jià)格對(duì)不同原料邊際效益影響

近兩年化工產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格變化較大，尤其是受2020年初疫情影響，使得部分產(chǎn)品價(jià)格發(fā)生了較大變化，與以往的市場(chǎng)價(jià)格完全不同。因此，特選取2019年1月、2020年1月和2020年5月三個(gè)有代表性不同時(shí)期的產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格體系計(jì)算噸原料邊際效益，見(jiàn)圖6。

圖6 不同時(shí)期市場(chǎng)價(jià)格對(duì)邊際效益的影響

從圖6可以看出，在裂解爐原料和運(yùn)行條件穩(wěn)定的情況下，三個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的市場(chǎng)產(chǎn)品價(jià)格體系對(duì)噸原料邊際效益影響明顯。

4.3 穩(wěn)定的裂解原料下，不同的PE比和不同市場(chǎng)價(jià)格對(duì)相同原料邊際效益的影響

從圖7可以看出，在以石腦油為裂解原料的裂解爐運(yùn)行過(guò)程中（均約定PE比0.5），2019年1月的噸原料邊際效益約為4 636.2元/噸，到2020年1月噸原料邊際效益已上升到5 128元/噸，說(shuō)明化工市場(chǎng)價(jià)格處于平穩(wěn)上升階段。但到了疫情期間，化工產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格大幅下降，在2020年5月，噸原料邊際效益已降到了4 027.4元/噸。最佳效益點(diǎn)隨PE不同和價(jià)格不同而變化。

圖7 不同時(shí)期噸石腦油原料邊際效益與裂解深度關(guān)系

圖8為不同時(shí)期噸加裂尾油原料邊際效益與裂解深度。由圖8可以看出，在以加裂尾油為裂解原料的裂解爐運(yùn)行過(guò)程中（均約定PE比0.57），2019年1月的噸原料邊際效益約為4 846.3元/噸，到2020年1月噸原料邊際效益已上升到5 347元/噸，5月噸原料邊際效益降到了4 078.5元/噸。最佳效益點(diǎn)隨PE不同和價(jià)格不同而變化。

圖8 不同時(shí)期噸加裂尾油原料邊際效益與裂解深度關(guān)系

圖9為不同時(shí)期噸C5原料邊際效益與裂解深度。由圖9可以看出，在以C5為裂解原料的裂解爐運(yùn)行過(guò)程中（均約定裂解深度為0.55），2019年1月的噸原料邊際效益約為4 672元/噸，到2020年1月噸原料邊際效益上升到5 227元/噸，5月噸原料邊際效益降到了4 137元/噸。最佳效益點(diǎn)隨PE不同和價(jià)格不同而變化。

圖9 不同時(shí)期噸C5原料邊際效益與裂解深度關(guān)系

從石腦油、加裂尾油和C5裂解原料邊際效益變化可以看出，在不同時(shí)期的市場(chǎng)產(chǎn)品價(jià)格體系下，即使同一種原料，為獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，相同裂解爐的操作溫度也不相同。因此，裂解爐操作過(guò)程中應(yīng)根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格變化及時(shí)調(diào)整操作條件。

另外，在裂解爐運(yùn)行過(guò)程中，為獲得最大經(jīng)濟(jì)效益，在乙烯裝置裂解爐混合進(jìn)料時(shí)，原料組合的利用順序應(yīng)考慮不同原料的不同時(shí)期的噸原料邊際效益差別，盡可能增加使用噸原料邊際效益好的原料作為裂解原料。在單臺(tái)裂解爐負(fù)荷下調(diào)中，應(yīng)減少噸原料邊際效益差的原料使用量。在單臺(tái)裂解爐負(fù)荷上調(diào)中，應(yīng)增加噸原料邊際效益好的原料使用量。因此，為獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益，裂解爐日常操作應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4.4 相同價(jià)格體系和裂解深度下，裂解爐不同運(yùn)行時(shí)間的最佳優(yōu)化點(diǎn)

圖10為不同運(yùn)行時(shí)間、相同裂解深度下石腦油以及加氫裂化尾油的高附收率和邊際效益趨勢(shì)。

圖10 不同運(yùn)行時(shí)間、相同裂解深度下石腦油和尾油高附收率和邊際效益關(guān)系

從圖10可以看出，在相同價(jià)格體系和相同裂解深度下（以2020年1月份產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格體系和石腦油及加裂尾油的裂解深度分別為0.5和0.6測(cè)算），裝置噸裂解原料邊際效益和高附收率隨著裂解爐運(yùn)行時(shí)間的變化而改變?？傮w而言，石腦油原料在運(yùn)行初期（大約60天以內(nèi)），裂解爐的高附產(chǎn)品收率和噸原料邊際效益相對(duì)較高，但到運(yùn)行后期，高附收率和邊際效益均下降較快。加裂尾油在運(yùn)行初期邊際效益下降較快，隨后比較平穩(wěn)，但運(yùn)行70天后邊際效益開(kāi)始下降；高附產(chǎn)品收率從運(yùn)行開(kāi)始收率逐漸升高。因此，裂解爐在考慮噸原料邊際效益最大化前提下，應(yīng)適度控制裂解爐運(yùn)行周期，安排燒焦。

5 結(jié)論

通過(guò)利用SPYRO模擬軟件，對(duì)裂解爐各種裂解原料的運(yùn)行工況進(jìn)行了運(yùn)行模擬。針對(duì)100余種的裂解氣組分和實(shí)際的產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格情況，利用組分歸類、價(jià)格反推和迭代測(cè)算等方式計(jì)算出接近實(shí)際應(yīng)用的各種產(chǎn)品價(jià)格體系。同時(shí)，利用產(chǎn)品價(jià)格體系和SPYRO軟件模擬，分別測(cè)算不同時(shí)期產(chǎn)品價(jià)格體系對(duì)裝置運(yùn)行效益最大化的影響，以及相同價(jià)格體系下，裂解深度和運(yùn)行時(shí)間對(duì)裂解爐運(yùn)行效益最大化的影響。

通過(guò)模擬可知，裂解爐運(yùn)行噸原料邊際效益的最大化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，原料本身組成的變化、產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格體系的變化、操作參數(shù)的調(diào)整及裂解爐運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短等諸多因素都對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，優(yōu)化過(guò)程中僅僅通過(guò)人為調(diào)整根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)裂解爐噸原料邊際效益的最大化，只有借助先進(jìn)優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件，如實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)軟件才能最終實(shí)現(xiàn)乙烯裝置運(yùn)行效益的實(shí)時(shí)最大化[6]，提高裝置的績(jī)效水平，增強(qiáng)裝置競(jìng)爭(zhēng)力。