PIMS和HCAMS在原油優(yōu)化選擇中的應(yīng)用

劉文強(qiáng)

(盛虹煉化(連云港)有限公司，江蘇 連云港 222000)

對于煉油企業(yè)來說，原油成本約占工廠總成本的90%以上，在總成本控制中舉足輕重。當(dāng)煉油企業(yè)建成后，其所能加工的原油品種就已受到一定的限制，而市場是不斷變化的，在瞬息萬變的市場中，充分發(fā)揮已有裝置的潛力，選擇最經(jīng)濟(jì)的原油品種，保持工廠優(yōu)化運行，無疑是保持企業(yè)良好競爭力、實現(xiàn)最大效益的途徑。在當(dāng)前原油資源競爭日趨激烈的情況下，如何利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)優(yōu)化原油采購和加工、實現(xiàn)降本增效是我國各煉油企業(yè)共同面臨和亟待解決的最重要問題之一。

過程工業(yè)模型系統(tǒng)(PIMS)及原油評價管理系統(tǒng)(HCAMS)是解決上述問題很好的工具，目前被全球煉化企業(yè)廣泛采用，在長期實踐中得到行業(yè)認(rèn)可。PIMS是美國Aspen Tech公司開發(fā)的流程工業(yè)模型系統(tǒng)[2]，是一個以效益最大化為目標(biāo)，以線性規(guī)劃為技術(shù)的煉油化工優(yōu)化軟件。利用該系統(tǒng)，結(jié)合企業(yè)自身的裝置流程、參數(shù)和經(jīng)營數(shù)據(jù)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(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化，包括原油選擇優(yōu)化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生產(chǎn)瓶頸分析、生產(chǎn)計劃方案優(yōu)化等[5]。HCAMS是由Haverly公司開發(fā)的原油評價管理系統(tǒng)，以原油評價數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)源，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行原油切割、性質(zhì)計算、混煉調(diào)和優(yōu)化等功能[4]。在系統(tǒng)中導(dǎo)入原油數(shù)據(jù)和切割方案，并輸入常減壓進(jìn)料設(shè)防及二次裝置對原油側(cè)線質(zhì)量要求、油種調(diào)和比例要求、油種是否為必?zé)挼燃s束指標(biāo)，通過混煉調(diào)和優(yōu)化功能快速優(yōu)化出滿足調(diào)和目標(biāo)的所有原油組合，可確保各原油組合滿足全流程加工要求，進(jìn)而為PIMS軟件選油快速提供多組測算方案。

以原油加工能力20 Mt/a的大型煉化一體化A公司為例，該煉廠加工流程為煉油-芳烴-乙烯的組合工藝。根據(jù)當(dāng)前原油市場情況，采用PIMS和HCAMS進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化測算，從中選出既能產(chǎn)生較好效益又能保證裝置穩(wěn)定運行的原油品種，為原油采購提供數(shù)據(jù)支撐。

1 用PIMS軟件選擇原油

在常減壓設(shè)計油種的基礎(chǔ)上，綜合考慮市場資源、運輸拼裝及原油加工難易程度等因素，經(jīng)過篩選確定了以含硫中輕質(zhì)原油為主的中東原油及少量的俄油、西非、南美原油，部分所選原油的主要性質(zhì)見表1。原油采購以長約為主，部分原油按照現(xiàn)貨采購，油種及數(shù)量根據(jù)月度原油性價比測算結(jié)果確定。

表1 部分所選原油主要性質(zhì)

應(yīng)用PIMS軟件選擇原油的方法主要有兩種，一種是替代法，另一種是增量法，但兩種方法測算結(jié)果的趨勢是一致的[1]。在此以替代法進(jìn)行單油種性價比測算，即設(shè)置PIMS模型時，各方案常壓裝置設(shè)置一致的加工量，在基礎(chǔ)油種的基礎(chǔ)上，用一定數(shù)量的待測油種替代基礎(chǔ)油種，然后比較各方案的噸油毛利，并根據(jù)噸油毛利的大小進(jìn)行排序。

1.1 價格預(yù)測

一般來說，對于一個加工進(jìn)口原油的煉廠，通常在M月采購，M+3月到廠。根據(jù)原油到廠的時間不同，需要預(yù)測各原油M+2月或M+3月(當(dāng)月提貨當(dāng)月到)的離岸價、貼水及運費以及各產(chǎn)品M+3月的價格，在此以2022年1月份價格進(jìn)行闡述。

1.2 約束條件設(shè)置

(1)各主要裝置的進(jìn)料設(shè)防按設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行約束：常減壓，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)<3%，酸值<0.5 mg/g；柴油加氫裂化，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)<2%，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)<400 mg/kg；蠟油加氫裂化，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)<3%，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)<800 mg/kg；沸騰床渣油加氫，鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)<46 mg/kg，釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)<156 mg/kg，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)<5.71%，殘?zhí)?25.72%，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)<4 000 mg/kg。

(2)主要裝置加工能力按設(shè)計能力及操作彈性范圍約束。

(3)各裝置的物料平衡數(shù)據(jù)按工藝包數(shù)據(jù)進(jìn)行約束。

(4)主要裝置原料性質(zhì)對產(chǎn)品分布的影響采用Delta-Bass校正。

(5)各物流的性質(zhì)采用設(shè)計數(shù)據(jù)。

(6)公用工程消耗數(shù)據(jù)采用設(shè)計數(shù)據(jù)。

(7)物流的走向按總體設(shè)計流程進(jìn)行設(shè)置。

(8)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)根據(jù)市場需求進(jìn)行約束。

1.3 方案設(shè)置

各方案按照設(shè)計工況設(shè)置：

基礎(chǔ)方案case0∶沙輕∶沙重=8 Mt∶8 Mt；

測算方案case1～n：分別用測算油種替換沙輕和沙重各50 kt，保持總加工量不變，在此進(jìn)行了30種原油的測算，部分方案見表2。

表2 方案設(shè)置示意 Mt

運用PIMS模型進(jìn)行優(yōu)化計算，計算結(jié)果是每個方案都產(chǎn)生了優(yōu)化解。

1.4 測算結(jié)果及分析

將各方案銷售收入、原料成本、毛利分別與基礎(chǔ)方案進(jìn)行比較，根據(jù)各方案毛利差大小進(jìn)行排序，各油種的優(yōu)化結(jié)果見表3。

表3 原油性價比測算結(jié)果

由表3可知：在測算價格體系下，巴士拉原油具有價格優(yōu)勢，原油成本較低，性價比最好。由表3同時可以看出重質(zhì)原油性價比要好于輕質(zhì)原油。

2 用HCAMS優(yōu)化原油組合及PIMS測算組合效益

從經(jīng)濟(jì)性的角度分析，我們得出了單油種性價比排序。但一般煉廠都是兩種及以上原油混煉加工，性價比排序靠前的油種組合起來，不一定能滿足全廠運行需要，應(yīng)進(jìn)行輕重優(yōu)劣搭配，整體組合既要滿足全廠裝置安全、穩(wěn)定運行，又要提高整體效益。在此應(yīng)用HCAMS軟件將上述單油種進(jìn)行組合，調(diào)和出滿足主要裝置進(jìn)料要求的所有組合。而渣油加氫的原料性質(zhì)受到限制，對原油選擇有一定影響，在此以常減壓設(shè)防值及渣油物性作為調(diào)和目標(biāo)。

2.1 方案設(shè)置

(1)組合原油性質(zhì)是以設(shè)計油種混油的渣油性質(zhì)及常減壓設(shè)防值作為調(diào)和上限，具體見表4。在系統(tǒng)中輸入表4所列的調(diào)和目標(biāo)。

表4 組合原油調(diào)和目標(biāo)

(2)考慮到原油調(diào)和的可操作性，每種原油組合限定2～8種原油參與調(diào)和；沙特原油限定一定比例參與調(diào)和，運用HCAMS快速優(yōu)化出滿足調(diào)和目標(biāo)的原油組合，見表5。

表5 原油組合及毛利數(shù)據(jù) %

續(xù)表5

(3)將各原油組合導(dǎo)入到一體化PIMS模型，進(jìn)行組合原油效益測算[3]。

2.2 結(jié)果分析

由表5可知：方案1效益最好，這是由于方案1由性價比靠前的油種進(jìn)行組合，整體效益較好；方案2～5效益依次遞減，且混煉油種較多，考慮到船期、庫存及調(diào)和設(shè)施能力的限制，可操作性較差。

表6是方案1及方案2主要裝置加工負(fù)荷，兩方案芳烴、乙烯的模擬負(fù)荷均已達(dá)上限。表7～8分別是常減壓及渣油加氫裝置原料性質(zhì)，兩方案渣油加氫裝置原料氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均已達(dá)到上限值，其他參數(shù)與上限值還有一定的距離。

表6 主要裝置負(fù)荷 %

表7 常減壓裝置進(jìn)料性質(zhì)

表8 渣油加氫裝置進(jìn)料性質(zhì)

2.3 現(xiàn)貨及長約油種的確定

上述幾種方案都具有可加工性，但從效益和可操作性方面來看，方案1不僅效益好，且均為中東油種，運距較短，可拼裝、同期到港的概率高，建議以方案1作為采購油種。

3 結(jié)論

(1)以PIMS為工具，采用替代法測算出的性價比排序選擇原油，實現(xiàn)科學(xué)采購原油的目的，更好地應(yīng)對國際原油市場高、低硫及輕、重質(zhì)價差變化，對不同品質(zhì)原油的采購數(shù)量和采購時機(jī)提供依據(jù)。

(2)根據(jù)加工流程特點，充分利用裝置進(jìn)料質(zhì)量要求，選擇合適的原油，實現(xiàn)降低原油成本的目標(biāo)。

(3)PIMS和HCAMS采用同樣的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及約束條件，聯(lián)合應(yīng)用兩個系統(tǒng)選擇原油，既能夠提高效益，又能保證裝置穩(wěn)定運行。