PIMS模型在煉廠總流程優化中的應用

劉文強

(盛虹煉化(連云港)有限公司，江蘇 連云港 222000)

我國煉油行業經過幾十年的快速發展，目前正面臨產能過剩、汽油增幅放緩、柴油消費見頂的局面。外部市場競爭加劇、產品質量升級步伐加快、節能環保要求日趨嚴格、落后產能淘汰，使國內煉油企業面臨巨大挑戰，推動煉廠綜合運用各種優化手段挖潛增效，提高競爭力。以國內某燃料型煉廠為研究對象，該煉廠原油一次加工能力為1.6 Mt/a，近年來在油品質量升級步伐加快的過程中，全廠運行各環節瓶頸凸顯，盈利能力較弱，一直處于低負荷運行。各運行部門提出的優化措施缺乏統一考慮，同時企業還需進行產能升級改造，因此急需通過系統性的總流程優化方案為全廠的提質增效提供指導建議。文章利用過程工業模型系統(PIMS)軟件建立全廠總流程模型，通過多方案優化測算，解決流程改造后原油結構及全廠物料平衡問題，從而幫助煉廠達到優化運行的目的。

1 煉廠現狀

該煉廠原有裝置結構相對簡單，產品方案也比較單一，經過改擴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輔助裝置構成，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，主要產品有液化氣、石腦油、國Ⅵ柴油、瀝青、石油焦等。裝置構成及規模見表1所示。

表1 裝置構成及規模

流程改擴建前的裝置規模為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；流程改擴建后，常減壓改擴建到2.8 Mt/a，新建的1.2 Mt/a延遲焦化和1 Mt/a汽柴油加氫改質裝置即將投產。改造后流程有如下特點：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，重油輕質化手段更為靈活，渣油的加工流向可根據效益情況及時優化、靈活調整。

基于上述情況，企業面臨的問題是工藝裝置改造后以全廠效益最大化為目標，如何通過優化合理確定新的加工總流程，并在此基礎上優化選擇與之匹配的原油品種及結構等。具體需要優化考察的方案有：(1)流程改造后，最佳開工裝置結構及全廠物料平衡；(2)溶劑脫瀝青裝置開工與否對全廠經濟效益的影響；(3)選擇何種原油既能滿足加氫裂化裝置滿負荷生產，又能滿足裝置對原料質量的要求。

2 模型建立

建立精確的企業模型是煉廠原油選擇和流程優化的基礎，在此利用PIMS軟件對煉廠進行建模。PIMS軟件由美國AspenTech公司開發，是利用線性規劃、分布遞歸、Delta-Base(一種描述裝置收率和產品性質隨進料性質改變而變化的計算方法)[1]數據庫等技術建立的線性數學模型，通過模擬石油化工產業的生產經營過程，為企業的經營以及未來發展提供決策的科學依據。其目標函數為經濟效益最優，通過對產品銷售收入減去原(油)料成本、公用工程消耗、三劑消耗以及庫存費用等，來確定效益最優的方案[2-3]。該模型通過多種方案自動優化、多方案對比等功能，尋找提高企業效益的途徑，找出最優解決方案。PIMS軟件在煉化企業中運用廣泛，憑借其開放式設計思想，可以實現計劃排產、原油優選、流程優化、瓶頸尋找、改擴建以及產品結構優化等功能[4]。根據煉廠實際生產流程建立PIMS模型，主要包括常減壓裝置子模型、二次加工裝置子模型、供銷子模型和產品調和子模型[5]。

常減壓裝置子模型用于描述煉廠常壓與減壓蒸餾裝置，以原油切割數據為基礎，可根據煉廠實際情況設置多個生產方案，且相鄰側線之間設置了懸擺(兩側線之間重疊部分)，經過優化后可得到最優切割方案。

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，可根據裝置實際加工方案建立多個加工方案模型，該模型以煉廠各二次加工裝置生產運行實際數據及設計數據為基礎，包括不同加工方案的產品收率、公用工程消耗、裝置運行限制和物料性質等數據。對于加氫裂化、延遲焦化、溶劑脫瀝青等重要裝置，根據單元裝置模擬數據或經驗設置Delta-Base結構，該結構可描述裝置進料性質對產品收率的影響，提高模型的描述精度。焦化、溶劑脫瀝青裝置中設置了原料殘炭值、硫含量對產品收率分布及產品性質的影響，加氫裝置設置了原料硫含量對產品收率分布及產品性質的影響。

供銷子模型以原料與產品價格數據以及原料與產品購買或銷售限制數據為基礎，用于描述煉廠原料供給和產品銷售情況。

產品調和子模型用于描述柴油、燃料油等產品的調和情況，以產品調和質量的限制數據以及調和物料的性質數據為基礎。

3 優化方案測算及分析

根據企業面臨的實際優化問題，運用已構建的PIMS模型設定了多種方案進行精準優化測算，為企業生產經營決策提供量化數據支持。

3.1 總流程優化

根據煉廠裝置結構特點，不同時期裝置的構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濟效益，改擴建后裝置結構發生了變化，尤其需要進行相應地優化調整，重點選擇了5個考察方案(見2)。具體方案設置為：(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，渣油進焦化；(5)全流程開工。

表2 方案設置示意及毛利

由表2可以看出：各測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，而開溶劑脫瀝青裝置后效益反而下降。因此，建議在當前價格體系下溶劑脫瀝青裝置不開工，可根據市場價格變化情況，決定該裝置開工與否。

3.2 溶劑脫瀝青開停工測算

分別選用了5種已加工過的原油，運用PIMS模型依次進行溶劑脫瀝青裝置開停兩種工況下全廠整體經濟效益測算(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，經濟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充，致使加氫裂化裝置負荷提升幅度大，從而經濟效益增加。因此，在兼顧原油性質和全廠總物料平衡基礎上，以全廠效益最大化為最終目標，決定溶劑脫瀝青裝置開工與否，與所選擇的原油性質(主要是蠟油收率)和價格體系密切相關，需經常測算尋找效益變化拐點。

3.3 原油性價比測算

選擇可采的10種原油，運用PIMS模型分別進行單油種模擬加工測算，得到加工各種原油的經濟效益指標，根據每種原油加工利潤大小進行性價比排序，以此作為原油優先采購排序的參考依據。據測算，油品種優先采購排序為：M100>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，對該企業而言，采購相對重質化原油品種加工效益更好，主要原因與企業蠟油、渣油加工能力相對較富余有關。需要說明的是，不同煉廠的裝置構成、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格或效益排序不盡相同。

3.4 原油結構優化

在限定加氫裂化裝置滿負荷操作的條件下，運用PIMS模型反向優化測算加工不同油種最佳搭配比例結構。根據測算結果，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，此時混合原油的酸值為1.26%、殘炭為3.37%、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，建議根據優化方案的效益情況、儲運設施配套條件及生產調度可操作性等綜合考慮因素，合理選擇各類原油采購品種，并通過“輕重搭配、優劣搭配”的原則，優化原油調和結構，使混合原油綜合收率及性質指標貼近模型最優搭配方案的優化要求。

4 結論

(1)運用PIMS模型對改擴建后的總流程進行模擬測算，提出總流程優化方案，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和價格體系密切相關；改造后的總流程加工蠟油和渣油手段靈活，輕質化油品收率高，加工重質化原油效益好。

(2)當市場發生重大變化時，運用PIMS模型依次精算出各生產裝置開停工對全廠效益影響情況，尋找效益變化拐點，及時調整全廠加工流程，使全廠效益最大化。