PIMS模型在煉廠總流程優(yōu)化中的應(yīng)用

劉文強(qiáng)

(盛虹煉化(連云港)有限公司，江蘇 連云港 222000)

我國(guó)煉油行業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的快速發(fā)展，目前正面臨產(chǎn)能過(guò)剩、汽油增幅放緩、柴油消費(fèi)見頂?shù)木置?。外部市?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇、產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)步伐加快、節(jié)能環(huán)保要求日趨嚴(yán)格、落后產(chǎn)能淘汰，使國(guó)內(nèi)煉油企業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)，推動(dòng)煉廠綜合運(yùn)用各種優(yōu)化手段挖潛增效，提高競(jìng)爭(zhēng)力。以國(guó)內(nèi)某燃料型煉廠為研究對(duì)象，該煉廠原油一次加工能力為1.6 Mt/a，近年來(lái)在油品質(zhì)量升級(jí)步伐加快的過(guò)程中，全廠運(yùn)行各環(huán)節(jié)瓶頸凸顯，盈利能力較弱，一直處于低負(fù)荷運(yùn)行。各運(yùn)行部門提出的優(yōu)化措施缺乏統(tǒng)一考慮，同時(shí)企業(yè)還需進(jìn)行產(chǎn)能升級(jí)改造，因此急需通過(guò)系統(tǒng)性的總流程優(yōu)化方案為全廠的提質(zhì)增效提供指導(dǎo)建議。文章利用過(guò)程工業(yè)模型系統(tǒng)(PIMS)軟件建立全廠總流程模型，通過(guò)多方案優(yōu)化測(cè)算，解決流程改造后原油結(jié)構(gòu)及全廠物料平衡問(wèn)題，從而幫助煉廠達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行的目的。

1 煉廠現(xiàn)狀

該煉廠原有裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品方案也比較單一，經(jīng)過(guò)改擴(kuò)建完善配套后由常減壓、高壓加氫裂化、延遲焦化、溶劑脫瀝青及部分生產(chǎn)輔助裝置構(gòu)成，主要加工的原油品種有科洛維、埃斯坡、吉拉索、比利牛斯、朱比麗等，主要產(chǎn)品有液化氣、石腦油、國(guó)Ⅵ柴油、瀝青、石油焦等。裝置構(gòu)成及規(guī)模見表1所示。

表1 裝置構(gòu)成及規(guī)模

流程改擴(kuò)建前的裝置規(guī)模為1.6 Mt/a常減壓、0.8 Mt/a溶劑脫瀝青、1 Mt/a加氫裂化等，其中溶劑脫瀝青開工率不高；流程改擴(kuò)建后，常減壓改擴(kuò)建到2.8 Mt/a，新建的1.2 Mt/a延遲焦化和1 Mt/a汽柴油加氫改質(zhì)裝置即將投產(chǎn)。改造后流程有如下特點(diǎn)：一是以高壓加氫裂化裝置為核心的蠟油加工流程可加工輕質(zhì)渣油；二是溶劑脫瀝青與加氫裂化、延遲焦化裝置的組合工藝拓寬了渣油加工路線的選擇面，重油輕質(zhì)化手段更為靈活，渣油的加工流向可根據(jù)效益情況及時(shí)優(yōu)化、靈活調(diào)整。

基于上述情況，企業(yè)面臨的問(wèn)題是工藝裝置改造后以全廠效益最大化為目標(biāo)，如何通過(guò)優(yōu)化合理確定新的加工總流程，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化選擇與之匹配的原油品種及結(jié)構(gòu)等。具體需要優(yōu)化考察的方案有：(1)流程改造后，最佳開工裝置結(jié)構(gòu)及全廠物料平衡；(2)溶劑脫瀝青裝置開工與否對(duì)全廠經(jīng)濟(jì)效益的影響；(3)選擇何種原油既能滿足加氫裂化裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)，又能滿足裝置對(duì)原料質(zhì)量的要求。

2 模型建立

建立精確的企業(yè)模型是煉廠原油選擇和流程優(yōu)化的基礎(chǔ)，在此利用PIMS軟件對(duì)煉廠進(jìn)行建模。PIMS軟件由美國(guó)AspenTech公司開發(fā)，是利用線性規(guī)劃、分布遞歸、Delta-Base(一種描述裝置收率和產(chǎn)品性質(zhì)隨進(jìn)料性質(zhì)改變而變化的計(jì)算方法)[1]數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)建立的線性數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模擬石油化工產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程，為企業(yè)的經(jīng)營(yíng)以及未來(lái)發(fā)展提供決策的科學(xué)依據(jù)。其目標(biāo)函數(shù)為經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品銷售收入減去原(油)料成本、公用工程消耗、三劑消耗以及庫(kù)存費(fèi)用等，來(lái)確定效益最優(yōu)的方案[2-3]。該模型通過(guò)多種方案自動(dòng)優(yōu)化、多方案對(duì)比等功能，尋找提高企業(yè)效益的途徑，找出最優(yōu)解決方案。PIMS軟件在煉化企業(yè)中運(yùn)用廣泛，憑借其開放式設(shè)計(jì)思想，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)劃排產(chǎn)、原油優(yōu)選、流程優(yōu)化、瓶頸尋找、改擴(kuò)建以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化等功能[4]。根據(jù)煉廠實(shí)際生產(chǎn)流程建立PIMS模型，主要包括常減壓裝置子模型、二次加工裝置子模型、供銷子模型和產(chǎn)品調(diào)和子模型[5]。

常減壓裝置子模型用于描述煉廠常壓與減壓蒸餾裝置，以原油切割數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可根據(jù)煉廠實(shí)際情況設(shè)置多個(gè)生產(chǎn)方案，且相鄰側(cè)線之間設(shè)置了懸擺(兩側(cè)線之間重疊部分)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后可得到最優(yōu)切割方案。

二次加工裝置子模型用于描述常減壓裝置以外的其他裝置，可根據(jù)裝置實(shí)際加工方案建立多個(gè)加工方案模型，該模型以煉廠各二次加工裝置生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，包括不同加工方案的產(chǎn)品收率、公用工程消耗、裝置運(yùn)行限制和物料性質(zhì)等數(shù)據(jù)。對(duì)于加氫裂化、延遲焦化、溶劑脫瀝青等重要裝置，根據(jù)單元裝置模擬數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)置Delta-Base結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可描述裝置進(jìn)料性質(zhì)對(duì)產(chǎn)品收率的影響，提高模型的描述精度。焦化、溶劑脫瀝青裝置中設(shè)置了原料殘?zhí)恐?、硫含量?duì)產(chǎn)品收率分布及產(chǎn)品性質(zhì)的影響，加氫裝置設(shè)置了原料硫含量對(duì)產(chǎn)品收率分布及產(chǎn)品性質(zhì)的影響。

供銷子模型以原料與產(chǎn)品價(jià)格數(shù)據(jù)以及原料與產(chǎn)品購(gòu)買或銷售限制數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用于描述煉廠原料供給和產(chǎn)品銷售情況。

產(chǎn)品調(diào)和子模型用于描述柴油、燃料油等產(chǎn)品的調(diào)和情況，以產(chǎn)品調(diào)和質(zhì)量的限制數(shù)據(jù)以及調(diào)和物料的性質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

3 優(yōu)化方案測(cè)算及分析

根據(jù)企業(yè)面臨的實(shí)際優(yōu)化問(wèn)題，運(yùn)用已構(gòu)建的PIMS模型設(shè)定了多種方案進(jìn)行精準(zhǔn)優(yōu)化測(cè)算，為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策提供量化數(shù)據(jù)支持。

3.1 總流程優(yōu)化

根據(jù)煉廠裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不同時(shí)期裝置的構(gòu)成決定了全廠加工總流程的不同，從而影響到原油品種選擇和經(jīng)濟(jì)效益，改擴(kuò)建后裝置結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，尤其需要進(jìn)行相應(yīng)地優(yōu)化調(diào)整，重點(diǎn)選擇了5個(gè)考察方案(見2)。具體方案設(shè)置為：(1)只開常減壓裝置；(2)開常減壓裝置和加氫裂化裝置；(3)開常減壓裝置、加氫裂化裝置和柴油加氫裝置，無(wú)渣油加工手段；(4)開常減壓裝置、加氫裂化裝置、柴油加氫和焦化裝置，渣油進(jìn)焦化；(5)全流程開工。

表2 方案設(shè)置示意及毛利

由表2可以看出：各測(cè)算方案在依次開常減壓、加氫裂化、柴油加氫、焦化裝置的條件下，全廠效益呈上升趨勢(shì)，而開溶劑脫瀝青裝置后效益反而下降。因此，建議在當(dāng)前價(jià)格體系下溶劑脫瀝青裝置不開工，可根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格變化情況，決定該裝置開工與否。

3.2 溶劑脫瀝青開停工測(cè)算

分別選用了5種已加工過(guò)的原油，運(yùn)用PIMS模型依次進(jìn)行溶劑脫瀝青裝置開停兩種工況下全廠整體經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算(見表3)。

表3 溶劑脫瀝青裝置開停工效益變化

從表3中可以看出：埃斯坡、吉拉索、科洛維、比利牛斯4種原油在溶劑脫瀝青裝置開工的情景下，經(jīng)濟(jì)效益均有不同程度的降低；而朱比利原油因蠟油收率較低，溶劑脫瀝青裝置開工后增加了溶脫油作為加氫裂化原料補(bǔ)充，致使加氫裂化裝置負(fù)荷提升幅度大，從而經(jīng)濟(jì)效益增加。因此，在兼顧原油性質(zhì)和全廠總物料平衡基礎(chǔ)上，以全廠效益最大化為最終目標(biāo)，決定溶劑脫瀝青裝置開工與否，與所選擇的原油性質(zhì)(主要是蠟油收率)和價(jià)格體系密切相關(guān)，需經(jīng)常測(cè)算尋找效益變化拐點(diǎn)。

3.3 原油性價(jià)比測(cè)算

選擇可采的10種原油，運(yùn)用PIMS模型分別進(jìn)行單油種模擬加工測(cè)算，得到加工各種原油的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，根據(jù)每種原油加工利潤(rùn)大小進(jìn)行性價(jià)比排序，以此作為原油優(yōu)先采購(gòu)排序的參考依據(jù)。據(jù)測(cè)算，油品種優(yōu)先采購(gòu)排序?yàn)椋篗100>馬瑞>比利牛斯>卡斯蒂利亞>馬林>薩圖諾>科諾維>吉拉所>ESPO>朱比麗。因此，對(duì)該企業(yè)而言，采購(gòu)相對(duì)重質(zhì)化原油品種加工效益更好，主要原因與企業(yè)蠟油、渣油加工能力相對(duì)較富余有關(guān)。需要說(shuō)明的是，不同煉廠的裝置構(gòu)成、裝置間上下游配套能力等存在差異，加工同一種原油的保本價(jià)格或效益排序不盡相同。

3.4 原油結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在限定加氫裂化裝置滿負(fù)荷操作的條件下，運(yùn)用PIMS模型反向優(yōu)化測(cè)算加工不同油種最佳搭配比例結(jié)構(gòu)。根據(jù)測(cè)算結(jié)果，煉廠混合原油加工最佳的搭配比例為：比利牛斯∶馬林∶朱比麗=43∶45∶12，此時(shí)混合原油的酸值為1.26%、殘?zhí)繛?.37%、石腦油收率為7%、柴油收率為25.71%、蠟油收率為33.85%、渣油收率為32.51%。因此，建議根據(jù)優(yōu)化方案的效益情況、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施配套條件及生產(chǎn)調(diào)度可操作性等綜合考慮因素，合理選擇各類原油采購(gòu)品種，并通過(guò)“輕重搭配、優(yōu)劣搭配”的原則，優(yōu)化原油調(diào)和結(jié)構(gòu)，使混合原油綜合收率及性質(zhì)指標(biāo)貼近模型最優(yōu)搭配方案的優(yōu)化要求。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用PIMS模型對(duì)改擴(kuò)建后的總流程進(jìn)行模擬測(cè)算，提出總流程優(yōu)化方案，從而給出更加合理的開工方案；在保證加氫裂化原料滿負(fù)荷的情況下，溶劑脫瀝青裝置開工與否與所選擇的原油性質(zhì)和價(jià)格體系密切相關(guān)；改造后的總流程加工蠟油和渣油手段靈活，輕質(zhì)化油品收率高，加工重質(zhì)化原油效益好。

(2)當(dāng)市場(chǎng)發(fā)生重大變化時(shí)，運(yùn)用PIMS模型依次精算出各生產(chǎn)裝置開停工對(duì)全廠效益影響情況，尋找效益變化拐點(diǎn)，及時(shí)調(diào)整全廠加工流程，使全廠效益最大化。