PIMS模型裂解原料邊際貢獻的不唯一性及對策

唐未慶

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271)

產業發展戰略及政策研究

PIMS模型裂解原料邊際貢獻的不唯一性及對策

唐未慶

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271)

流程工業模型系統(PIMS)模型廣泛應用于原料采購優化。傳統方法是在一定原料量基礎上給某種原料增加1 t，然后用PIMS模型計算比較該原料增量帶來的經濟效益增量，也即該原料的邊際貢獻。研究發現，原料資源量不同，PIMS模型計算的邊際貢獻也不同，原料邊際貢獻存在不唯一性，給原料采購決策帶來困擾。文章提出在原料資源充足時，用減量法計算原料邊際貢獻，即先利用PIMS模型計算出最優化原料結構及各原料數量，在此基礎上將各原料減少1 t后作為資源上限，再用PIMS模型計算比較各原料的邊際貢獻。

原料 邊際貢獻 優化 方法 PIMS模型

流程工業模型系統(Process Industry Modeling System，PIMS)模型廣泛應用于石化行業的生產經營優化，其中對原料采購優化一般使用原料增量邊際貢獻法。該方法是在某種原料結構基礎上，增加一個小數量，運行PIMS模型計算出該原料增量帶來的企業效益增量，即該原料的邊際貢獻[1-2]。邊際貢獻越大，表示該原料對企業效益貢獻也越大，不同原料按邊際貢獻大小排序，作為企業優先采購的順序。與原料邊際貢獻概念類似的保本價格、性價比、影子價格等，計算過程是相似的[3]。影響PIMS模型原料邊際貢獻的因素有很多，包括原料性質、原料成本、原料供應量、原料結構(數量)、裝置能力、出廠能力等等。邊際貢獻是特定條件下的經濟貢獻，條件不同，則原料邊際貢獻也不同。也就是說，在PIMS模型確定的情況下，優化人員對模型運行“條件”設置不同，計算的原料邊際貢獻結果就不同，即PIMS模型的邊際貢獻是不唯一的，這給原料采購及加工優化決策帶來一定困擾。

有論文對煉油板塊原油的邊際貢獻與該原油量的關系進行了研究，發現了原油邊際貢獻的“邊際效應”。采購原油性質與設計原油(即煉油裝置進行基礎設計時指定的原油品種)性質差異越大的原油，其邊際貢獻下降速率越大，反之下降速率越小[4]。因對化工板塊原料邊際貢獻的邊際效應研究較少，現以化工板塊龍頭乙烯裝置為例研究裂解原料邊際貢獻的不唯一問題。乙烯裝置是煉化一體化企業的關鍵裝置，歷來是優化分析重點，研究乙烯原料邊際貢獻的不唯一性即邊際效應問題，有利于煉化一體化企業整體優化。

1 乙烯裝置及PIMS模型介紹

1.1乙烯裝置介紹

某企業乙烯裝置于1995年11月建成投產，原設計乙烯產能為140 kt/a(年開工時間為8 000 h)，采用美國魯姆斯公司順序深冷分離專利技術，設計5臺SR-IV型裂解爐，以全餾程石腦油為設計原料。2001年4月乙烯裝置完成整體擴能改造，乙烯產能提高到200 kt/a，裂解爐由5臺增加到6臺。近年來企業又先后對各裂解爐進行了原料適應性改造，同時增加了C5～C6輕石腦油投料流程、裂化尾油柴油投料流程、富乙烷氣投料流程等。由于企業上游煉油裝置擴能，加上周邊企業可供原料資源量增加，企業乙烯原料優化選擇余地進一步增大，同時由于增加了大量輕烴資源，原料之間性質差異增大。

1.2PIMS模型介紹

編制乙烯裝置PIMS精細化模型，原料采用分爐裂解，各原料裂解收率用單程裂解收率計算。各單元設備能力根據標定值、歷史值或設計值等綜合確定，關鍵設備如表1所示，各裂解爐投不同原料時有不同的投料能力。冷箱及甲烷化單元的裂解氫氣產出能力統一用氫氣產能表示，不能分離出的裂解氫氣并入甲烷燃料氣系統中作為乙烯裝置自用[5-6]。

表1 模型中設置的乙烯裝置部分關鍵設備能力 t/h

主要原料性質為：

C5～C6輕石腦油(也稱輕石腦油)，主要含C5～C6飽和烴類，烷烴質量分數(P值)為80%左右，其乙烯收率約為35%。

(1)全餾程石腦油

為乙烯裝置設計原料，是企業上游煉油裝置供應的加氫精制石腦油，或是從外部市場采購來的混合石腦油，P值為72%左右，其乙烯收率約為32%。

(2)裂化柴油尾油

為企業煉油裝置生產的加氫裂化柴油和尾油混合餾分段，BMCI(芳烴指數，表示重質原料裂解性能的指標)為14～18，其乙烯收率約為31.5%。

(3)氣分丙烷(也稱丙烷)

為煉油裝置液化石油氣通過氣體分離裝置生產的工業丙烷，體積分數為95%左右，其乙烯收率約為39%。

(4)富乙烷氣

為煉油裝置飽和干氣經過吸附分離和精制后得到的飽和輕烴，含乙烷和丙烷的體積分數分別為60%，16%，其乙烯收率約為61%。

1.3價格體系

原料和主要裂解產品含稅價格如表2所示。

表2 原料和主要裂解產品的含稅價格

2 原料邊際貢獻及其不唯一性

2.1最優化原料方案

首先根據各原料可獲得資源量上下限和原料價格等因素，用PIMS模型計算出企業經濟效益最大目標下的最優化原料結構，此時乙烯裝置經濟效益最大。

該企業裂解原料可獲得資源總量是充足的，具備足夠優化選擇空間，其中C5～C6輕石腦油和全餾程石腦油資源量足夠兩臺裂解爐使用，裂化柴油尾油資源量夠1臺裂解爐使用。各原料資源量及測算的最優化結果見表3。

表3 資源量及最優化原料計算結果 t/d

表3結果表明：由于原料資源充足、優化空間大，PIMS模型運行計算出的最優化原料結構中全餾程石腦油、C5～C6輕石腦油、裂化柴油尾油等液體原料投入量占總原料量的95.4%，氣分丙烷占4.6%，而富乙烷氣盡管其乙烯收率最高，但最優化原料結構中投入富乙烷氣為0。

2.2PIMS模型增量法邊際貢獻的不唯一性

原料條件假定：將乙烯裝置最優化原料結構各原料量都乘以90%，定為基礎量(Q)，然后分別增加0，50，100，150，200 t(原料量下限仍然都為0)，用PIMS模型計算不同原料量下各原料邊際貢獻。不同原料上限量假定條件如表4所示。

表4 不同原料上限量假定條件 t/d

用PIMS模型分別計算各原料量條件下的邊際貢獻(見圖1)。

圖1 原料邊際貢獻與原料量關系

從圖1可以看到：原料邊際貢獻不是唯一的，在原料資源量小時邊際貢獻較大，反之變小。這就是所謂的PIMS模型法原料邊際貢獻的不唯一性，也稱邊際效應。在原料資源量少時，富乙烷氣邊際貢獻最高,全餾程石腦油最低；在原料資源量大時，C5～C6輕石腦油邊際貢獻最高，富乙烷氣最低。

2.3PIMS模型原料邊際貢獻不唯一性原因分析

分析認為，在各原料資源量小時，裝置所有設備均不能滿負荷，即整個系統都沒有達到能力瓶頸。此時哪種原料的乙烯等高價值產品收率高，哪種原料凈產出價值(總產出價值扣除原料價格等)越大，其產出價值也越大，邊際貢獻也就越大。

隨著各種原料資源量的增加，裝置負荷率提高，逐漸達到裝置瓶頸(乙烯產能等)，不同原料對裝置瓶頸占用差異問題逐漸成為影響因素。即在原料資源量足夠時，各原料之間要相互“競爭”，原料凈產出價值及其占用裝置能力都發揮作用，多投入某種原料將排擠出其他原料，兩個因素共同作用使該原料增加1 t帶來的企業效益增量減少。

以全餾程石腦油為例進行分析。如圖1所示，原料總資源量不足時,即最優化原料量Q×90%+0時，所有原料均有正邊際貢獻，均可投入裝置。每增加1 t全餾程石腦油量，系統增加經濟效益2 147元/t，即該原料邊際貢獻為2 147元/t。原料資源量陸續增加，裝置負荷率也提高,乙烯產量達到裝置瓶頸時，此時1 t全餾程石腦油與0.52 t富乙烷氣占用裝置產能相同(按乙烯產量相同,全餾程石腦油乙烯收率32%、富乙烷氣乙烯收率61.0%)。多投入1 t全餾程石腦油將擠出0.52 t富乙烷氣，也就是說全餾程石腦油效益要扣除0.52 t富乙烷氣產生的1 397元/t的效益，即1 t全餾程石腦油邊際貢獻由2 147元減少到750元/t。

2.4PIMS模型邊際貢獻不同變化幅度分析

從圖1中還可以看到：5種原料邊際貢獻隨原料量增加帶來的變化幅度是不同的。其中C5～C6輕石腦油、全餾程石腦油和裂化柴油尾油等液體原料邊際貢獻變化幅度相對較小，富乙烷氣和氣分丙烷等輕烴原料邊際貢獻變化幅度相對較大。在原料資源量少時輕烴邊際貢獻高于液體原料，而在原料資源量大時輕烴邊際貢獻低于液體原料。

分析認為，全餾程石腦油是本乙烯裝置設計原料，即該全餾程石腦油裂解后能夠使所有設備負荷利用率都高；而富乙烷氣乙烯收率高，其裂解后造成只有乙烯分離系統負荷高而流程后續系統負荷低。本乙烯裝置的瓶頸是乙烯產量，由于富乙烷氣、氣分丙烷的乙烯收率分別達到61.0%，39%,遠遠高于全餾程石腦油32%的乙烯收率；而C5～C6輕石腦油、裂化柴油尾油等液體原料乙烯收率接近全餾程石腦油，因此輕烴原料占用乙烯裝置能力大，液體原料占用乙烯裝置能力小。

也就是說，裝置加工流程越長、裝置能力限制點越多、原料品種越多、原料性質越復雜、原料性質差異越大，PIMS模型計算邊際貢獻時受到的影響因素也越多，原料邊際貢獻之間的可比性也越差。

3 減量法PIMS模型原料邊際貢獻

在原料供應量不足的條件下，增加1 t某種原料，該原料增加量才能被加工掉，從而產生相應的經濟效益增量。原料基礎量的選擇是造成增量法原料邊際貢獻的不唯一性的根本原因，而將原料基礎量設置為最接近優化方案的數量才能使得邊際貢獻更接近實際。

文章提出減量法邊際貢獻，將PIMS模型計算出的各原料最優化數量作為基礎，然后將各原料量分別減少1 t(即1個單位量)作為資源上限。對于沒有被PIMS模型選擇為最優化原料即原料結構中為0的原料(如富乙烷氣)，將其資源量上下限都設置為1 t。PIMS模型減量法的原料條件及計算出的各原料邊際貢獻分別如表5和表6所示。

表5 減量法原料量上下限的設置 t/d

表6 減量法原料邊際貢獻 元/t

也就是說，原料供應充足程度不同，原料邊際貢獻是不同的，這一點往往被忽略。條件不同，原料邊際貢獻值不同，原料邊際貢獻可比性差。企業原料供應充足，采用減量法計算出原料邊際貢獻排序后，富乙烷氣邊際貢獻最低，因此排除讓富乙烷氣成為優化選項，避免決策錯誤。

4 結論

(1)原料邊際貢獻測算是原料采購加工優化的分析方法，但不同資源量情況下增量法邊際貢獻是不同的，即原料邊際貢獻是不唯一的，有邊際效應問題。原料性質與設計原料性質差異越大，邊際貢獻變化率也越大，反之變化率越小。

(2)如果企業原料總體資源不足，企業重點是多采購各種原料，用PIMS模型分析各種原料邊際貢獻，努力提高裝置生產負荷。此種情況下仍然可使用增量法分析原料邊際貢獻，不會影響原料采購優化決策正確性。

如果原料資源充足，企業有足夠優化選擇空間，原料之間互相排擠問題出現，產生機會成本，此時應采用減量法計算邊際貢獻。減量法邊際貢獻可以使邊際貢獻數值更唯一，避免決策誤導，使企業整體經濟效益最大化。

(3)由于PIMS模型邊際貢獻存在“不唯一性”，因此使用前必須判斷“原料資源是否充足”，根據原料充足與不充足，在測算方法上給以調整。不同企業原料資源供應狀況是不一樣的，隨著企業自產資源和市場原料資源的增加，優化分析方法也要相應改變，對此要引起各企業重視。

[1] 任家軍.煉油企業級PIMS模型的開發應用[J].石油煉制與化工，2005,36(5):62-65.

[2] 胡懷敏.煉油企業級PIMS模型應用探討[J].當代石油石化，2007,15(4):27-29.

[3] 張成,毛卉，朱振才，等.PIMS模型在原油采購優化過程中的應用 [J].石油煉制與化工，2011,42(4):88-91.

[4] 唐未慶.原油影子價格的邊際效應研究[J].石油化工技術與經濟,2008，24(3)：13-17.

[5] 瞿國華.乙烯工業原料優化[M].北京：中國石化出版社, 2003：4-8.

[6] 唐未慶.PIMS模型用于乙烯原料結構調整潛力分析 [J].當代石油石化，2017,25(5):29-33.

TheNon-uniquenessofMarginalContributionofCrackingMaterialsinPIMSModelandtheCountermeasures

Tang Weiqing

(SINOPECTianjinBranch,Tianjin300271)

The process industry model system (PIMS) model is widely used in the optimization of raw material procurement.The traditional method is to add 1 t on the basis of a certain amount of a raw material,and use the PIMS model to calculate the incremental economic benefit brought by the raw material increment,that is,the marginal contribution of the raw material.It is found that the marginal contribution calculated by the PIMS model is different with different raw material amount.The non-uniqueness of marginal contribution of raw materials brought trouble to raw material procurement decisions.It is proposed to calculate the marginal contribution of raw materials with the reduction method when the raw material resource is sufficient,that is,to calculate the optimal raw material structure and the amount of raw materials with the PIMS model,and reduce 1 t for each raw material as the resource ceiling,and then calculate and compare the marginal contributions of each material.

raw material,marginal contribution,optimization,method,PIMS model

1674-1099 (2017)05-0001-05

F426.22

A

2017-06-25。

唐未慶,男，1965年出生，1985年畢業于天津大學化工催化專業，2000年獲得大連理工大學MBA學位，教授級高級經濟師，從事石化企業生產經營計劃管理及優化工作，已發表論文20余篇。