劉文強

(江蘇盛虹石化產業(yè)集團有限公司,江蘇 連云港 222000)

隨著國際原油價格的不斷攀升以及原油重質化、劣質化趨勢日益明顯,煉油化工企業(yè)面臨著生產經營利潤降低甚至虧損的局面。眾多國際煉油化工企業(yè)從生產經營的各個環(huán)節(jié)著手,采取了各種措施來減少虧損,提高整體經濟效益。面對激烈的市場競爭和生存與發(fā)展的需求,某大型石化集團開始重視利用信息化技術提升業(yè)務能力與核心競爭能力,使煉油化工企業(yè)朝著信息化、智能化的方向發(fā)展。

該大型石化集團從美國AspenTech公司引進了用于企業(yè)生產計劃優(yōu)化管理的流程工業(yè)模型系統(tǒng)(Process Industry Modeling System,PIMS)軟件,并開發(fā)完成煉油化工生產模型以及3個煉廠集成的多煉廠生產計劃優(yōu)化(Multi PlantIndustry Modeling System,MPIMS)模型,在集團和所屬煉化企業(yè)進行了推廣及應用。集團層面往往要考慮多個子公司的全局最優(yōu),而該最優(yōu)效益并不是單個子公司優(yōu)化效益的簡單疊加。通過建立集團層面的MPIMS模型,可以統(tǒng)一整合與分配集團內各子公司的資源和產品,優(yōu)化整個集團內各子公司的中間產品互供,根據市場情況和集團內各子公司的生產能力,充分利用現有資源和設備提高集團公司的效益,從而使整個集團的效益達到全局最優(yōu)。

1 PIMS軟件介紹及其機理

1.1 Aspen PIMS軟件介紹

PIMS軟件是由美國Aspen Tech公司開發(fā),以經濟規(guī)劃為目的,以線性規(guī)劃(LP)為技術的煉油化工優(yōu)化軟件[1]。該系統(tǒng)結合企業(yè)自身的裝置流程、參數和經營數據所開發(fā)的煉油、化工企業(yè)PIMS模型,可以用于企業(yè)的生產經營優(yōu)化,實現效益最大化的目標,包括原油選擇、生產計劃方案優(yōu)化、技術評價等[2]。PIMS系統(tǒng)包括單廠單周期模型系統(tǒng)(單廠PIMS)、多周期模型系統(tǒng)(PPIMS)、多廠模型系統(tǒng)(MPIMS)、多廠多周期模型系統(tǒng)(XPIMS)等。

1.2 MPIMS及其運行機理

MPIMS與單廠PIMS基于相同的原理,均基于LP技術,在一定約束下為達到經濟效益最大化進行優(yōu)化計算。MPIMS通過將多個單廠PIMS模型進行有效集成連接在一起,形成一個復雜的多源、多廠、多市場供應、需求及銷售網絡的集成MPIMS模型。LP是運籌學中用得最為廣泛的一個分支,它關心的是有限資源在有競爭性活動空間、在一組約束下的最優(yōu)分配,實現經濟效益最大化[3]。同時LP是一個過程的數學模型,該過程可以是一個煉油廠、化工廠、銷售網絡或是含有變量和約束條件的任何場合。對于利用MPIMS技術建立的多廠優(yōu)化模型,通過將多個企業(yè)的原油采購、原油加工、流程優(yōu)化等煉油生產經營中的實際問題進行模擬、計算,得出總體效益最大化情況下的優(yōu)化解[4]。

MPIMS既可以將多個具有同類型生產過程的煉油單廠PIMS模型進行集成,也可以將多個不同類型生產過程的單廠PIMS模型進行集成。煉油化工一體化企業(yè)MPIMS(簡稱煉化一體MPIMS)模型就是將不同類型生產過程的煉油廠模型和化工廠模型集成起來的模型。它能夠綜合考慮煉油與化工多個板塊的約束條件,尋找煉油與化工的最佳結合點,最終達到總體目標函數最大的執(zhí)行方案,即找到最佳的原油品種結構,最佳的化工原料互供方案,最佳的煉油、化工產品品種結構,最佳的裝置生產方案等,并實現三者之間最科學合理的結構配合,從而取得最好的經濟效益。

2 MPIMS模型開發(fā)

2.1 模型構建

該集團MPIMS模型主要包括煉化(R1)和化工一廠(C1)和化工二廠(C2),2023年2月項目開始立項,2023年3—4月完成R1、C1、C2建模及模型準確性測試;2023年5—6月完成包括R1、C1、C2的煉油一體化MPIMS模型建模及準確性測試,并于2023年7月開始上線運行。

(1)建立廠際物料互供網絡

MPIMS模型的互供物料需要按照實際物流邏輯在TRANSFER表中進行建設,除此之外,還可以考慮將未來潛在的互供物料提前搭建到模型當中,這樣可以利用一體化MPIMS模型進行潛在互供物料的價值測算,挖掘可能的一體化效益提升方案。模型中設定了10種已經互供和潛在互供的物料,互供物料品種可以根據實際生產需求隨時進行添加,互供料網絡示意見表1。

表1 互供物料網絡示意

(2)建立基于分子煉油層級的原油切割數據庫

傳統(tǒng)LP建模中切割原油的方式是基于集總模型和虛擬組分模型,集總法實質上是將復雜反應體系中眾多的單一化合物,按其動力學特性相似的原則,歸并為若干個虛擬組分[5]。在石油餾分中,隨著碳原子數目的增加,同一個化學式的同分異構體數量也呈指數級上升,因此,鑒別石油中單體化合物的數量是有一定難度的[6],采取其他表征方法進行歸類分析是完全必要的,并更加具有應用價值。結合生產實際需求及產品質量要求,在LP模型的原油切割中將原油中石腦油餾分進行碳原子切割(C4～C12),這樣既能滿足連續(xù)重整和芳烴聯合裝置原料及產品性質準確性的要求,又能控制模型的行列式規(guī)模,保證模型運行的穩(wěn)定性。

(3)根據原料性質差異建立乙烯裝置不同裂解爐爐型

乙烯裝置對不同原料分別設立了不同裂解爐爐型的模型,如輕石腦油裂解爐、液化氣裂解爐、異戊烷裂解爐、異己烷裂解爐、加氫尾油裂解爐、抽余油裂解爐、丙烷裂解爐、乙烷裂解爐等。石腦油裂解爐爐型中針對不同石腦油的鏈烷烴含量設立了不同裂解爐爐型,目的是盡可能準確評價不同原料的裂解價值。

(4)利用FineReport設計模型報表

PIMS自帶ARW的報表輸出系統(tǒng)無法滿足客戶報表多樣性需求,利用FineReport報表軟件便于開發(fā)的優(yōu)點,可以方便設計符合煉化優(yōu)化人員統(tǒng)計需求的報表格式:投入與產出表(包括綜合商品收率、自用率、加工損失等在內的技術經濟指標)、裝置流程圖、產品調和報表、裝置燃動消耗表、全廠氫氣平衡表、全廠硫平衡表、公用工程平衡表、利潤與成本明細表等,有利于展示LP模型運算結果,方便煉化優(yōu)化人員根據習慣查詢和使用生產相關報表及數據。

(5)MPIMS模型準確性校核

為了保證MPIMS模型能夠準確反映煉化生產實際情況,采用2023年4月的實際生產數據分別對R1、C1、C2模型進行精準度校核,將裝置實際物料投入及產出、裝置及全廠燃動消耗、全廠經濟數據與模型運行數據進行比對。模型運行結果與裝置產品收率的偏差為0.3%～0.5%,裝置燃動消耗偏差不大于5%,可比經濟數據偏差不大于5%,符合模型測算要求。

2.2 模型功能

煉化一體MPIMS模型可以實現以下幾個方面的功能:

(1)煉化一體MPIMS模型中包含煉油PIMS和化工PIMS,兩者可以單獨運行,也可以聯合運行。

(2)利用煉化一體化MPIMS模型,可以優(yōu)化企業(yè)的原油品種與結構,為企業(yè)原油的優(yōu)化選擇提供依據,也可以優(yōu)化化工原料結構,為乙烯料優(yōu)化提供參考。

(3)在資源確定的前提下,可以優(yōu)化煉油與化工整體生產方案,作為選擇煉化一體化企業(yè)效益最佳化生產模式的依據。

(4)結合產品市場需求與價格情況,可以優(yōu)化煉油與化工產品的品種結構。

(5)可以優(yōu)化企業(yè)內部物流走向,為企業(yè)的內部物流優(yōu)化分配提供參考。

(6)可以計算原料與產品的盈虧平衡點,為單個原料和產品的價格定位提供依據。

(7)可以靈活地對不同生產流程進行詳細評估,作為企業(yè)規(guī)劃方案比較的工具。

2.3 模型特點

(1)煉油PIMS模型考慮了煉油生產的特點,化工PIMS模型考慮了化工的生產特點,煉化一體化MPIMS模型綜合了兩種生產的特點,在確保企業(yè)總體效益的前提下,兼顧了煉油與化工的效益。計算結果體現了煉油與化工的最佳結合方式,而且MPIMS運行結果中既有綜合報表又有單廠報告,給結果分析帶來了很大方便。

(2)在單獨運行時,可以反映煉油或化工單廠效益最大化情況,聯合運行時能夠體現煉油與化工整體效益的最大化,可以由不同管理層次的人員,根據不同問題的分析需要來靈活選取運行方式。

(3)MPIMS模型不僅在煉油和化工單廠模型內部,而且在煉油與化工模型之間實現了關鍵物性的傳遞,能更貼切地反映生產實際情況。

(4)模型對裝置的進料與產出按實際情況進行了控制,計算結果具有可操作性。

3 MPIMS模型應用

MPIMS模型可以廣泛應用于煉化生產計劃優(yōu)化的各個方面,該集團MPIMS模型于2023年7月上線以來,廣泛應用于原油結構優(yōu)化、互供物料優(yōu)化等方面。

3.1 互供物料價值測算

煉油化工一體化的核心之一就是優(yōu)化煉油與化工之間的物料互供,找到煉化之間的最佳結合點,每月根據不同原料及產品的市場價格,定期測算互供物料價值及互供物料數量。優(yōu)化方案1是在基礎方案之上將煉油與化工之間物料互供數量放開,運算后將其計算結果與基礎方案進行對比(見表2)。

表2 互供物料優(yōu)化方案結果對比

測算結果表明:互供物料放開后,煉油與化工之間互供物料的數量和結構發(fā)生變化,全月增加互供丙酮15.0 kt、丙烷1.1 kt、乙酸乙烯8.8 kt,減少互供乙烯30.8 kt、丙烯3.5 kt,全月毛利增加1 575萬元,增效可觀,說明煉油化工之間的優(yōu)化具有十分重要的意義。

3.2 甲醇制乙烯(MTO)裝置開停工效益測算

該集團子公司C1化工廠建有加工能力為2.2 Mt/a MTO裝置,年產370 kt乙烯和470 kt丙烯,其中乙烯在下游裝置滿負荷運行的工況下,缺口量為73 kt/a,需依托子公司煉化廠R1互供;丙烯在下游裝置滿負荷運行的工況下,富余量為350 kt/a,外銷。受乙烯、丙烯外銷能力的影響,需重新平衡雙烯產銷存情況,同時兼顧效益,對此在集團層面評估MTO裝置開停工對總體效益的影響及相關聯裝置負荷情況(詳見表3)。

表3 原油選擇優(yōu)化方案對比

表3 MTO裝置開停工效益測算結果對比

結果表明:在測算價格體系下,與MTO裝置不開工的工況相比,全月增產乙烯15.6 kt、丙烯24.3 kt、乙二醇26.2 kt,裝置效益損失2 401萬元。在當前市場行情下,MTO停工對整體效益較好,同時下游裝置保持1套乙二醇及2套丙烯腈裝置運行。

3.3 原油結構優(yōu)化

當煉化PIMS模型單獨運行時,原油采購一般根據性價比排序擇優(yōu)選擇,未考慮下游化工廠的原料優(yōu)化,當從集團層面煉化一體化角度考慮時,原油的選擇可以獲得更大的優(yōu)化。

采用MPIMS模型進行月度計劃優(yōu)化時,分別使用PIMS模型對煉油廠進行單廠原油選擇優(yōu)化(方案1)和使用MPIMS模型(方案2)進行一體化原油選擇優(yōu)化,結果如表3所示。

測算結果表明:使用MPIMS模型進行一體化優(yōu)化時,模型建議煉廠增加石腦油收率較高的上扎庫姆原油的采購數量,減少阿曼原油的采購數量,石腦油加氫及重整裝置負荷增加4%、乙烯負荷增加3%,當月增產對二甲苯0.4 kt、苯0.2 kt、乙烯0.1 kt。這一原油選擇的優(yōu)化可實現總體一體化增效5 653萬元。

4 結論

通過MPIMS模型指導生產優(yōu)化工作,根據市場變化趨勢,優(yōu)化原料結構、物料流向、互供料數量、裝置運行方案和產品結構,生產高附加值產品,較好地完成集團內各子公司生產經營活動。

(1)集團層面在煉油與化工板塊之間的物料互供優(yōu)化方面存在巨大潛力。用MPIMS模型可以優(yōu)化煉化之間的物料互供,調節(jié)裝置生產負荷,從而獲得可觀的經濟效益。

(2)采用MPIMS模型可以優(yōu)化原油品種與結構,為企業(yè)選擇適合于煉油和化工產品的原油提供依據。