某煉油廠PIMS模型的建設(shè)與維護(hù)實(shí)踐

吳凌鶴 危 拓

(中海油惠州石化有限公司,廣東 惠州 516081)

過(guò)程工業(yè)模擬系統(tǒng)(Process Industry Modeling System,PIMS)由美國(guó)Aspen Tech公司開(kāi)發(fā),它是基于線性規(guī)劃、分布遞歸、Base+Delta等核心技術(shù)建立起來(lái)的一個(gè)功能強(qiáng)大且用戶界面友好的過(guò)程工業(yè)模擬系統(tǒng)[1]。美國(guó)超過(guò)70%的煉油廠、美洲60%以上的煉油廠、占全世界煉油總量40%的國(guó)外煉化企業(yè)均采用PIMS模型來(lái)模擬企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程[2]。PIMS模型廣泛應(yīng)用于煉化企業(yè)的原油選擇、生產(chǎn)計(jì)劃、物料優(yōu)化、庫(kù)存及供應(yīng)管理等方面。

位于華南地區(qū)的某煉油廠和某化工廠于2016年5月聯(lián)合立項(xiàng)建設(shè)煉化一體化PIMS模型,其中煉油廠建設(shè)了一個(gè)煉油模型(R模型),包括2套常減壓裝置及下游40余套二次加工裝置,原油加工能力22 Mt/a;化工廠建設(shè)了兩個(gè)化工模型(C1、C2模型),乙烯產(chǎn)能分別為1 Mt/a和1.2 Mt/a。模型于2019年1月建設(shè)完成并投入使用。3個(gè)單廠模型既可以單獨(dú)運(yùn)行,也可以聯(lián)合運(yùn)行,目前廣泛運(yùn)用于單廠的原油采購(gòu)和計(jì)劃優(yōu)化、多廠的一體化優(yōu)化以及物料互供等方面。

PIMS模型的建設(shè)及維護(hù)都需要大量的原油數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的支持。該煉油廠和化工廠的PIMS模型由國(guó)內(nèi)專業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行維護(hù),日常運(yùn)行關(guān)注模型結(jié)果偏差,通過(guò)維護(hù)和及時(shí)更新模型數(shù)據(jù),調(diào)整模型結(jié)構(gòu),確保模型與實(shí)際偏差在可接受的范圍內(nèi),能夠準(zhǔn)確指導(dǎo)企業(yè)的計(jì)劃優(yōu)化工作。在此將重點(diǎn)介紹煉油廠側(cè)的PIMS模型的建設(shè)與維護(hù)實(shí)踐。

1 PIMS的核心技術(shù)

PIMS的核心技術(shù)包括線性規(guī)劃、分布遞歸和Base+Delta[3]。這3個(gè)技術(shù)將非線性的煉化企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行線性化處理,并借助線性規(guī)劃進(jìn)行求解,得出最優(yōu)的結(jié)果。

1.1 線性規(guī)劃

線性規(guī)劃主要研究煉化企業(yè)在原油資源、裝置負(fù)荷、操作條件、產(chǎn)品需求等一定的情況下,如何合理利用資源,達(dá)到最大產(chǎn)量或最大利潤(rùn)。PIMS模型通過(guò)線性規(guī)劃技術(shù)建立目標(biāo)函數(shù)與約束條件及決策變量之間的線性函數(shù),將煉化企業(yè)的非線性問(wèn)題進(jìn)行線性化處理,求出最優(yōu)解[4]。

1.2 分布遞歸

分布遞歸技術(shù)賦予物料性質(zhì)初始猜測(cè)值,通過(guò)線性規(guī)劃進(jìn)行求解,如果不收斂則把解出的新的物性數(shù)據(jù)重新放入線性規(guī)劃矩陣中再次求解,獲得新的優(yōu)化解,如此反復(fù),直至兩次計(jì)算結(jié)果的差小于某一標(biāo)準(zhǔn)公差,則計(jì)算出的遞歸性質(zhì)即為最優(yōu)解。這樣遞歸出的物料性質(zhì)不僅能滿足上游裝置的產(chǎn)品指標(biāo),還能滿足下游裝置的原料指標(biāo)[5]。

1.3 Base+Delta

Base+Delta技術(shù)是指在一定范圍內(nèi)將裝置的產(chǎn)品收率和產(chǎn)品性質(zhì)與進(jìn)料性質(zhì)和操作條件等進(jìn)行線性擬合的技術(shù)。裝置在基礎(chǔ)工況下的一組進(jìn)料性質(zhì)、操作條件、產(chǎn)品收率和產(chǎn)品性質(zhì)數(shù)據(jù)稱為Base;進(jìn)料性質(zhì)和操作條件發(fā)生單位變化時(shí),對(duì)應(yīng)的一組產(chǎn)品收率和產(chǎn)品性質(zhì)變化數(shù)據(jù)稱為Delta;每組Delta對(duì)應(yīng)的單位變化稱為步長(zhǎng)[6]。

2 PIMS模型的建設(shè)

PIMS模型需要使用PIMS語(yǔ)言進(jìn)行建設(shè),主要分為供需表(Supply/Demand)、原油切割表(Assays)、裝置表(Submodels)、產(chǎn)品調(diào)和表(Blending)和雜表(Miscellaneous)等幾大類。該煉廠的PIMS模型在建設(shè)中重點(diǎn)考慮了原油切割、二次裝置結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品生產(chǎn)及調(diào)和的建模,并同步建設(shè)了一套模型標(biāo)準(zhǔn)化代碼,用于提高模型的穩(wěn)定性及可靠性。

原油數(shù)據(jù)來(lái)源于CHEVRON原油數(shù)據(jù)庫(kù)及煉廠自有的原油評(píng)價(jià)報(bào)告,采用原油數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(Haverly Crude Assay Manage System,HCAMS)軟件對(duì)200余種原油進(jìn)行了切割,基本覆蓋了全球主要的原油品種。

二次裝置根據(jù)煉廠實(shí)際搭建,該煉廠模型共建設(shè)了50余套生產(chǎn)裝置和公用工程裝置。其中,催化裂化、加氫裂化等裝置按照Base+Delta的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模;氣分、連續(xù)重整等裝置按照分子傳遞進(jìn)行建模;較為復(fù)雜的芳烴聯(lián)合、渣油加氫等裝置則分單元建模。

各生產(chǎn)裝置的燃料、水、電、汽、風(fēng)等公用工程消耗按照y=ax+b的非線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,a、b值通過(guò)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,再用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行校核,這種公用工程的非線性處理大幅提高了裝置及全廠公用工程消耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[7]。

在產(chǎn)品方面,按照汽油、煤油、柴油、化工輕油、芳烴產(chǎn)品、煉油其他產(chǎn)品、精細(xì)化工品、互供物料、自用及損失共九大類產(chǎn)品分別進(jìn)行建模。汽油、煤油、柴油等成品油的調(diào)和按照實(shí)際生產(chǎn)的調(diào)和公式進(jìn)行建模,調(diào)和指標(biāo)按照嚴(yán)于國(guó)標(biāo)的企業(yè)內(nèi)控指標(biāo)進(jìn)行控制,其他產(chǎn)品則按照線性調(diào)和進(jìn)行建模。另外,該煉廠模型還將與化工廠的互供物料如石腦油、干氣、液化氣、尾油等產(chǎn)品單獨(dú)成組,以方便企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注,及時(shí)抓住互供物料的機(jī)會(huì),實(shí)現(xiàn)一體化價(jià)值的提升。

3 PIMS模型的維護(hù)

目前行業(yè)內(nèi)比較關(guān)注PIMS模型的應(yīng)用,對(duì)模型的維護(hù)卻很少關(guān)注。然而,“工欲善其事,必先利其器”,模型的可靠與可信是優(yōu)化結(jié)果可靠、可信的前提條件,及時(shí)對(duì)模型進(jìn)行維護(hù),確保模型有較好的代表性和較高的準(zhǔn)確性,是模型成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

該煉廠PIMS模型維護(hù)分為定期維護(hù)和專項(xiàng)維護(hù)兩類,定期維護(hù)是保證模型與生產(chǎn)實(shí)際一致性和準(zhǔn)確性的基石,通常每3個(gè)月進(jìn)行一次,是針對(duì)模型整體定期進(jìn)行的“全身檢查”和調(diào)整;專項(xiàng)維護(hù)是模型使用者根據(jù)模型運(yùn)行情況提出的不定期維護(hù),主要針對(duì)單個(gè)或幾個(gè)裝置進(jìn)行專項(xiàng)校核和調(diào)整。

3.1 定期維護(hù)

該煉油廠與化工廠聯(lián)合建立了一套成熟的PIMS模型定期維護(hù)工作流程,從模型校核、模型驗(yàn)收矩陣(Model Acceptance Matrix,MAM)測(cè)試、版本管理3個(gè)方面著手,對(duì)模型進(jìn)行維護(hù)。

3.1.1 模型定期校核流程

模型定期校核一般使用煉廠各裝置3個(gè)月的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)校核,要求模型運(yùn)行結(jié)果與裝置實(shí)際生產(chǎn)的偏差在一定范圍內(nèi),其中產(chǎn)品收率偏差≤0.5%,公用工程消耗偏差≤5%,可比經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)偏差≤5%。定期校核需要比對(duì)3個(gè)月內(nèi)所有的原油加工品種、數(shù)量和比例,裝置生產(chǎn)條件,產(chǎn)品產(chǎn)量及收率,化驗(yàn)分析結(jié)果等數(shù)據(jù),需要大量的人力和物力支持,該煉油廠與化工廠聯(lián)合建立了一套完整的模型校核流程,詳見(jiàn)圖1,主要分為以下3步。

第一步,模型維護(hù)人員負(fù)責(zé)跟蹤裝置的實(shí)際生產(chǎn)和用戶的使用需求,收集裝置的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、清洗、整理,生成模型校核需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

第二步,數(shù)據(jù)生成后,按實(shí)際數(shù)據(jù)設(shè)定方案放入模型中運(yùn)行,對(duì)比模型運(yùn)行結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)之間的偏差。若偏差可以接受,則不需要開(kāi)展模型修改;若偏差不能接受或模型不能反應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際,則將結(jié)果分享給關(guān)鍵利益相關(guān)方。

第三步,模型管理團(tuán)隊(duì)進(jìn)行分析對(duì)比并做出校核決策。若決策為肯定的,則模型維護(hù)的服務(wù)商使用模型維護(hù)人員整理后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)修改模型,并與模型維護(hù)人員、模型使用人員一同開(kāi)展技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的MAM測(cè)試,形成MAM測(cè)試報(bào)告,并提交模型管理團(tuán)隊(duì)進(jìn)行審批。審批通過(guò)后,更新模型版本,校核完成。

圖1 PIMS模型校核流程

3.1.2 MAM測(cè)試

MAM測(cè)試是模型校核的重要步驟,是指在完成模型修改后由模型維護(hù)人員、模型使用人員共同進(jìn)行的驗(yàn)收測(cè)試。MAM測(cè)試分為技術(shù)與經(jīng)濟(jì)測(cè)試兩個(gè)方面,技術(shù)測(cè)試包括模型運(yùn)行檢查、校核內(nèi)容記錄、校核關(guān)鍵點(diǎn)等內(nèi)容;經(jīng)濟(jì)測(cè)試包括基礎(chǔ)方案對(duì)比、其他方案測(cè)試等內(nèi)容。MAM測(cè)試是為了測(cè)試新模型修改的結(jié)構(gòu)運(yùn)行是否穩(wěn)定、相同方案在新舊模型中測(cè)算的經(jīng)濟(jì)性有哪些變化,以及這些變化是否合理。在進(jìn)行完MAM測(cè)試后,形成測(cè)試報(bào)告,并由模型管理團(tuán)隊(duì)審核后才能更新模型版本,完成校核。MAM測(cè)試報(bào)告示例如表1所示。

表1 MAM測(cè)試報(bào)告示例

3.1.3 版本管理

MAM測(cè)試通過(guò)后需要更新模型的版本。由于煉廠不僅運(yùn)行單廠PIMS模型,還與化工廠聯(lián)合運(yùn)行多廠MPIMS模型,不同版本模型的交叉使用增加了版本管理的難度。為解決這個(gè)問(wèn)題,雙方對(duì)模型版本確定了以下管理規(guī)則:單廠模型按照PIMS+廠代碼+yyyymmdd的格式進(jìn)行版本命名,多廠模型則按照MPIMS+多廠代碼+yyyymmdd的格式進(jìn)行版本命名。PIMS和MPIMS可以用來(lái)判斷這是單廠模型還是多廠模型;廠代碼可以用來(lái)判斷這是哪個(gè)單廠模型還是哪幾個(gè)廠聯(lián)合的多廠模型;yyyymmdd為模型的版本號(hào)日期,一般取模型維護(hù)月的最后一天。例如2020年8月進(jìn)行了模型維護(hù),則維護(hù)后的單廠模型版本號(hào)為PIMS-R-20200831、PIMS-C1-20200831、PIMS-C2-20200831,多廠模型版本號(hào)為MPIMS-RC1C2-20200831、MPIMS-C1C2-20200831。規(guī)范化的模型版本管理使模型使用人員和維護(hù)人員從模型名稱上就可以快速區(qū)分模型的版本和級(jí)別,提高了模型使用的效率。

除了命名外,模型版本管理的另一項(xiàng)重要工作是模型修改記錄。每次對(duì)模型進(jìn)行維護(hù)時(shí),都應(yīng)將模型的修改內(nèi)容按照版本號(hào)進(jìn)行詳細(xì)記錄,形成模型修改記錄,并將修改記錄作為模型文件的一部分隨模型進(jìn)行交付。模型修改記錄可以方便模型使用人員和維護(hù)人員持續(xù)了解模型投用以來(lái)各個(gè)版本的主要修改內(nèi)容,關(guān)注修改后的模型運(yùn)行情況,分析模型改動(dòng)對(duì)運(yùn)行結(jié)果的影響,并對(duì)未來(lái)的持續(xù)升級(jí)提供建議。煉廠的PIMS模型修改記錄示例如表2所示。

表2 模型修改記錄示例

3.2 專項(xiàng)維護(hù)

3.2.1 專項(xiàng)維護(hù)的內(nèi)容

在相鄰兩次模型定期維護(hù)之間,如果煉廠原油側(cè)線收率、二次裝置生產(chǎn)條件、中間物料流向、產(chǎn)品方案或產(chǎn)品收率發(fā)生較大變化,導(dǎo)致模型運(yùn)行結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況出現(xiàn)較大偏差,需要對(duì)模型進(jìn)行專項(xiàng)維護(hù)。專項(xiàng)維護(hù)包括偏差原因分析、模型修改和準(zhǔn)確性驗(yàn)證3個(gè)部分。

專項(xiàng)維護(hù)可以在事前提出。煉廠按計(jì)劃變更裝置生產(chǎn)方案、物料流向或投用新裝置,且工況變化后裝置的產(chǎn)品方案、收率、公用工程消耗數(shù)據(jù)明確時(shí),則無(wú)需進(jìn)行原因分析,可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),提前修改模型。待生產(chǎn)變化并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后,再根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。校核重點(diǎn)為產(chǎn)品收率和公用工程消耗,標(biāo)準(zhǔn)與定期校核標(biāo)準(zhǔn)要求一致,即產(chǎn)品收率偏差≤0.5%,公用工程消耗偏差≤5%。

多數(shù)情況下,專項(xiàng)維護(hù)是事后提出的。模型使用者在日常使用過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)運(yùn)行結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在較大偏差時(shí),應(yīng)盡可能地收集生產(chǎn)信息,分析偏差產(chǎn)生的原因。如果偏差是偶然的、短時(shí)間的,則無(wú)需進(jìn)行維護(hù);如果偏差變化原因明確,且會(huì)持續(xù)影響裝置運(yùn)行,則需要對(duì)模型進(jìn)行專項(xiàng)維護(hù)。模型使用者收集1～2周的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)反饋給模型維護(hù)人員,維護(hù)人員根據(jù)實(shí)際情況研究修改方案,并使用整理后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核和修改,修改完成后繼續(xù)跟蹤模型運(yùn)行結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際的偏差情況,確保模型能夠滿足使用要求。

此外,原油切割表維護(hù)也是日常專項(xiàng)維護(hù)的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容,雖然目前該煉廠模型有200余種原油,但結(jié)合國(guó)際市場(chǎng)原油資源情況,仍需要不定期增加新油種,以滿足原油性價(jià)比測(cè)算的需求,從而豐富煉廠原油庫(kù),抓住機(jī)會(huì)采購(gòu)合適的原油,降低采購(gòu)成本。維護(hù)方法與模型原油切割表建設(shè)基本一致,即使用煉廠自有的原油評(píng)價(jià)報(bào)告或CHEVRON原油數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù),采用HCAMS軟件進(jìn)行切割,將結(jié)果更新到原油切割表中。

3.2.2 專項(xiàng)維護(hù)版本管理

專項(xiàng)維護(hù)后同樣需要更新模型版本,但該版本只作為定期維護(hù)模型的子版本,通常以定期模型維護(hù)版本名+英文字母命名,字母序號(hào)代表該版本的專項(xiàng)維護(hù)次數(shù),如煉廠單廠模型在2020年8月進(jìn)行定期維護(hù)后,經(jīng)歷兩次專項(xiàng)維護(hù),則模型版本號(hào)為PIMS-R-20200831-B。多廠模型需要進(jìn)行同步更新,命名方式與單廠一致。此外,需要根據(jù)實(shí)際變更內(nèi)容更新模型修改記錄。

4 結(jié)語(yǔ)

PIMS模型需要進(jìn)行定期和專項(xiàng)維護(hù),建立一套完善的維護(hù)流程可以保證模型維護(hù)的質(zhì)量。定期維護(hù)需要做好模型校核、MAM測(cè)試、版本管理這三項(xiàng)工作;專項(xiàng)維護(hù)則以問(wèn)題為導(dǎo)向,重點(diǎn)消除定期校核之間出現(xiàn)的較大偏差。良好的模型版本管理方法與完善的模型修改記錄跟蹤有利于提高模型維護(hù)的水平。