煉化物料優(yōu)化與排產(chǎn)軟件在煉化企業(yè)的深化應(yīng)用

孫華寧，汪洪濤，張萌(中國(guó)石油天然氣股份公司規(guī)劃總院，北京 100086)

0 引言

煉化物料優(yōu)化與排產(chǎn)系統(tǒng)是煉化領(lǐng)域?qū)I(yè)計(jì)劃優(yōu)化系統(tǒng) (advanced planning and scheduling, APS)，是一種依據(jù)供應(yīng)鏈管理和約束理論進(jìn)行企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃與排產(chǎn)的先進(jìn)算法。該計(jì)算采用的線(xiàn)性規(guī)劃模型能使生產(chǎn)企業(yè)利潤(rùn)效益最大化，APS系統(tǒng)的作用是提供高效全流程管理生產(chǎn)計(jì)劃業(yè)務(wù)，有效增強(qiáng)資源的優(yōu)化配置和利用能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的集成共享和集中管控，提高煉化企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃精細(xì)化管理水平，為企業(yè)增效提供技術(shù)支持[1]。國(guó)內(nèi)某煉化企業(yè)的煉化物料優(yōu)化與排產(chǎn)系統(tǒng)包括了技術(shù)先進(jìn)Honeywell公司的RPMS計(jì)劃優(yōu)化軟件、Haverly公司的H/CAMS原油管理軟件以及雪佛龍和辛孚原油數(shù)據(jù)庫(kù)。

APS模型結(jié)合煉化企業(yè)配套改造項(xiàng)目，通過(guò)線(xiàn)性規(guī)劃、物性傳遞、硫平衡、Delta-base等技術(shù)，依托H-CAMS、RPMS及Finereport等軟件，建設(shè)煉化企業(yè)原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)、原油選購(gòu)模型及配套報(bào)表，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煉化企業(yè)的原油選購(gòu)優(yōu)化測(cè)算、計(jì)劃排產(chǎn)、生產(chǎn)方案優(yōu)化、開(kāi)工方案制定等多個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)某煉化企業(yè)原油選購(gòu)優(yōu)化及全廠(chǎng)計(jì)劃優(yōu)化，完善煉化企業(yè)的原油優(yōu)化選購(gòu)方法體系，在該公司生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中發(fā)揮了重要的作用。

1 APS在原油選購(gòu)模型設(shè)計(jì)的應(yīng)用

1.1 整體流程設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用研究

RPMS軟件主要應(yīng)用于煉油和化工企業(yè)來(lái)進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)化，其特點(diǎn)是以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，按照企業(yè)流程特點(diǎn)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，分析并確定收入、成本以及利潤(rùn)的計(jì)算方法。某煉廠(chǎng)以企業(yè)整體效益最大為優(yōu)化目標(biāo)搭建APS模型，包括原油及其他原料采購(gòu)、裝置加工、成品油調(diào)合、產(chǎn)品銷(xiāo)售、公用工程消耗等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。結(jié)合某煉廠(chǎng)業(yè)務(wù)流程特點(diǎn)，應(yīng)用RPMS軟件建立APS工藝模擬模型，其整體流程設(shè)計(jì)如圖1所示，包含了從原料采購(gòu)、生產(chǎn)加工、油品調(diào)和到產(chǎn)品銷(xiāo)售的業(yè)務(wù)全過(guò)程。

圖1 國(guó)內(nèi)大型煉廠(chǎng)APS模型整體流程優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

遼寧某石化公司[2]采用APS優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行了流程優(yōu)化設(shè)計(jì)，搭建了設(shè)計(jì)優(yōu)化模型。原油選購(gòu)系統(tǒng)極大提高了煉油化工企業(yè)的生產(chǎn)效率。其次針對(duì)原油庫(kù)存對(duì)生產(chǎn)存在的影響，建立多周期優(yōu)化模型，并對(duì)增建和擴(kuò)建的生產(chǎn)裝置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)預(yù)估和比較，為企業(yè)決策提供了重要依據(jù)，增加了用戶(hù)的滿(mǎn)意度。

1.2 裝置設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用研究

軟件的一次加工模塊主要由原油切割表、常壓裝置模型、減壓裝置模型構(gòu)成。二次加工模塊包括除常減壓裝置和油品調(diào)合裝置之外的所有生產(chǎn)裝置模型，包括輕烴回收、連續(xù)重整、加氫裂化、催化裂化、氣體分餾等裝置。

某煉化企業(yè)建立了二次加工模塊，以加氫裂化裝置為例，此裝置是在較高壓力下進(jìn)行的煉化反應(yīng)，烴分子與氫氣在催化劑表面進(jìn)行裂解和加氫反應(yīng)生成較小分子。加氫裂化裝置的主要進(jìn)料是蠟油，主要出料是加裂干氣、液化氣、石腦油、航空煤油、輕柴油、加氫尾油等產(chǎn)品。

加氫裂化裝置模型圖如下所示，代碼設(shè)置為WHL1，左邊為裝置進(jìn)料，右邊為裝置出料，點(diǎn)擊右上角的“WHL1”，可進(jìn)入該模型的配置表進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置(圖2)。

圖2 加氫裂化裝置單元界面圖

在配置表中，“MWGT”開(kāi)頭的代碼表示以物料平衡，以“MWGT“開(kāi)頭的數(shù)值和為0; “WCAPHC1”表示此裝置的加工能力；此模型的特點(diǎn)是：兩種進(jìn)料按照一定的比例關(guān)系，每加工1 t減壓蠟油，需要0.02 t氫氣參與反應(yīng)。

物料平衡列的方程為：

式中各代碼代表意義見(jiàn)如表1所示。

表1 物料代碼表

其中，系數(shù)表示加氫裂化裝置進(jìn)出料的比例；正值表示此物料為進(jìn)料；負(fù)值表示此物料為出料。

2 APS在原油選購(gòu)方案優(yōu)化的應(yīng)用

某煉化企業(yè)完成擴(kuò)能項(xiàng)目后，進(jìn)口原油加工量占到企業(yè)原油加工總量的50%以上。企業(yè)需要從國(guó)際市場(chǎng)采購(gòu)適合煉廠(chǎng)加工的進(jìn)口原油，但是國(guó)際市場(chǎng)上可供選購(gòu)的原油種類(lèi)繁多，每一種原油的價(jià)格不同，側(cè)線(xiàn)收率、物性也均不同，能為企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益也不同。有必要借助先進(jìn)的軟件工具[3]，搭建能反映企業(yè)全廠(chǎng)加工流程的原油選購(gòu)及生產(chǎn)加工優(yōu)化模型，進(jìn)行原油優(yōu)化選購(gòu)和生產(chǎn)優(yōu)化方案的制定等，為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方案制定和利潤(rùn)效益的提高提供決策依據(jù)。

原油數(shù)據(jù)庫(kù)是原油優(yōu)化選擇的基礎(chǔ)，通過(guò)雪佛龍?jiān)驮u(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)挑選適合某煉化生產(chǎn)裝置流程的原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，對(duì)原油性質(zhì)、餾分油性質(zhì)進(jìn)行分析，可對(duì)其加工性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)根據(jù)原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，整理形成原油數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中原油種類(lèi)幾百種，原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)近2 000套，覆蓋國(guó)內(nèi)主力油種、國(guó)際原油市場(chǎng)大宗交易原油和中國(guó)進(jìn)口原油種類(lèi)。按照常減壓裝置不同切割溫度，通過(guò)H/CAMS軟件對(duì)原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行切割，得到包含各原油側(cè)線(xiàn)收率及性質(zhì)(包括API度、密度、硫含量、氮含量、芳潛、凝點(diǎn)、20 ℃黏度、煙點(diǎn)、冰點(diǎn)、閃點(diǎn)、十六烷值、殘?zhí)恐怠I含量、V含量、金屬含量、瀝青質(zhì)含量等)的原油切割數(shù)據(jù)，為兩套常減壓裝置建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

應(yīng)用APS模型進(jìn)行月度、季度或年度原油選購(gòu)測(cè)算時(shí)，首先需要確定該月、該季度或該年的裝置開(kāi)停工情況、長(zhǎng)期合同原油的數(shù)量、產(chǎn)品產(chǎn)量范圍等，然后再根據(jù)原油貿(mào)易商提供的信息將國(guó)際市場(chǎng)上可采購(gòu)的油種及數(shù)量在模型中進(jìn)行最大最小量限制。原油價(jià)格一般可由中聯(lián)油提供，產(chǎn)品價(jià)格的預(yù)測(cè)難度較大，因此一般采用現(xiàn)價(jià)。為了方便得到切實(shí)可行的原油選購(gòu)方案，還可在模型中添加其他的一些約束條件，如中東油最大采購(gòu)量限定，遠(yuǎn)東油最大采購(gòu)量限定等。

目前應(yīng)用APS模型開(kāi)展原油選購(gòu)優(yōu)化方法主要有以下4種：(1)原油分類(lèi)選擇；(2)縮減成本法；(3)單油種測(cè)算法；(4)原油保本價(jià)法。表2是原油選購(gòu)結(jié)果。

表2 原油選購(gòu)結(jié)果

原油種類(lèi)按照生產(chǎn)效益的大小進(jìn)行排序，前面表示加工效益較好，可供企業(yè)優(yōu)先選購(gòu)。測(cè)算采購(gòu)量代表實(shí)際測(cè)算可采購(gòu)數(shù)量；最大限制量代表市場(chǎng)上可采購(gòu)的最大量；原油保本價(jià)表示市場(chǎng)可采購(gòu)的原油最低價(jià)格，為原油采購(gòu)人員進(jìn)行商務(wù)談判提供價(jià)格依據(jù)。

3 APS在生產(chǎn)方案優(yōu)化中的應(yīng)用

通過(guò)模型對(duì)生產(chǎn)方案進(jìn)行優(yōu)化分析，主要體現(xiàn)在原油邊際效益分析，產(chǎn)品邊際效益分析，原油進(jìn)料性質(zhì)分析，裝置加工負(fù)荷分析，綜合指標(biāo)分析，汽柴油調(diào)合分析等。利用APS系統(tǒng)能夠綜合考慮原油資源、裝置生產(chǎn)情況以及產(chǎn)品的市場(chǎng)情況來(lái)查找裝置的生產(chǎn)瓶頸。

3.1 原油邊際效益分析方面的應(yīng)用

原油加工結(jié)構(gòu)確定后，模型可以計(jì)算出各原油的邊際效益，通過(guò)比較各油種的邊際效益可以了解在此原油加工結(jié)構(gòu)下，如果提高加工量需要追加哪種原油或降低加工量需要減少哪種原油，某煉化企業(yè)某月度計(jì)劃原油邊際效益如表3所示。

表3中原油B邊際效益為正，其余都為負(fù)值，表明在目前生產(chǎn)計(jì)劃中如果需要增加原油加工量需要追加原油B油種，主要原因是該類(lèi)油種由于密度大引起的價(jià)格差較大，同時(shí)由于該油種蠟油組分含量高，可以有效地解決某煉化企業(yè)蠟油不足的局面，整體效益較好。

表3 企業(yè)月計(jì)劃原油邊際效益分析

原油C、D、E由于價(jià)格較高，邊際效益為負(fù)且數(shù)值較大。原油A價(jià)格最低，但由于減渣收率高且減渣性質(zhì)差，會(huì)使催化進(jìn)料性質(zhì)變差，導(dǎo)致減壓渣油外甩，所以邊際效益也較差，通過(guò)對(duì)邊際效益的分析，可以了解企業(yè)所需原油的類(lèi)型。

3.2 綜合指標(biāo)分析方面的應(yīng)用研究

模型可以計(jì)算出煉化企業(yè)要求的各項(xiàng)綜合指標(biāo)，通過(guò)對(duì)各綜合指標(biāo)的考察可以確定，綜合指標(biāo)很大程度上反映企業(yè)的加工經(jīng)營(yíng)情況。APS在裝置加工負(fù)荷分析方面的應(yīng)用也較為廣泛，模型對(duì)裝置加工的最大最小負(fù)荷進(jìn)行了定義，模型以此為依據(jù)優(yōu)化各裝置的加工負(fù)荷，通過(guò)裝置加工負(fù)荷的分析可以得到大量有用信息。當(dāng)芳烴價(jià)格好時(shí)模型會(huì)傾向于將催化中汽油作為重整料提高重整裝置的加工負(fù)荷，多產(chǎn)芳烴；當(dāng)石腦油價(jià)格高時(shí)，模型傾向于降低重整負(fù)荷或減少芳烴抽余油調(diào)合汽油量，增加抽余油的外售量。

4 發(fā)展前景

通過(guò)APS系統(tǒng)在某煉化公司的深化應(yīng)用研究，可以看出，與傳統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃相比，APS系統(tǒng)具有原油品種多、約束因素多，以效益最大化為目標(biāo)的企業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯，在原油選購(gòu)模型設(shè)計(jì)、原油選購(gòu)方案優(yōu)化、生產(chǎn)方案優(yōu)化方面能夠發(fā)揮重要的作用，為企業(yè)生產(chǎn)決策提供重要支持。

APS系統(tǒng)雖然功能強(qiáng)大，但仍有需要完善的方面。國(guó)內(nèi)對(duì)APS系統(tǒng)的研究仍然側(cè)重于結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的應(yīng)用研究，對(duì)其內(nèi)在的理論算法邏輯研究的還不夠深入和系統(tǒng)，在今后的工作中國(guó)內(nèi)APS重點(diǎn)使用企業(yè)可以在理論基礎(chǔ)方面進(jìn)行深入研究。并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例，對(duì)該軟件轉(zhuǎn)化升級(jí)，開(kāi)發(fā)出國(guó)際領(lǐng)先的與生產(chǎn)實(shí)際更為緊密結(jié)合的新系統(tǒng)，更好地服務(wù)于企業(yè)生產(chǎn)。在全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同優(yōu)化方面，以整體效益最大化為目標(biāo)，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，建立智能優(yōu)化的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)感知，決策支持精準(zhǔn)高效[4]。

APS系統(tǒng)采用了高度集成的邏輯，內(nèi)容豐富，功能強(qiáng)大。但是企業(yè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的存在差異，如不同的企業(yè)裝置規(guī)模不同、裝置的種類(lèi)不同、產(chǎn)品種類(lèi)不同，對(duì)于一些小型企業(yè)，采用功能強(qiáng)大完整模塊的APS系統(tǒng)并不合適，因而根據(jù)企業(yè)需要開(kāi)發(fā)適合企業(yè)發(fā)展的APS系統(tǒng)非常有必要。