基于相容性原則的低硫船用燃料油調合方法

劉名瑞，李遵照，薛 倩，丁 凱

（中石化（大連）石油化工研究院有限公司 遼寧省船用燃料油制備技術重點實驗室 遼寧 大連 116045）

船用燃料油是指用于船舶發動機的燃料類油品[1]，主要分為餾分型燃料油（船用柴油）和殘渣型燃料油（船用重油）。根據2018年底交通運輸部印發的《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》和國際海事組織（IMO）發布的新規“自2020年1月禁止使用硫質量分數超過0．5%的燃料”，海洋船舶可用的燃料油主要為硫質量分數不超過0．5%的低硫重油[2-3]。目前，我國的低硫船用燃料油主要是由不同原料油調合而成；而隨著船用燃料油市場的擴大、質量要求的提升，調合船用燃料油的性能的穩定性問題逐漸引起重視[4-7]。不合格船用燃料油的使用將產生發動機安全、環境安全等風險，導致系統故障、動力損失、停電等[8]。因此，生產質量優良的低硫船用燃料油是十分必要的。

船用燃料油配方的研發，通常基于經驗或數學模型[9-11]；而其生產通常是將重油和輕質油混合，通過調節混合油的性能指標，以得到性能合格且成本優化的產品。其中，利用數學模型求解低成本配方方案的方法又可分為線性尋優和智能尋優。目前，國內煉油廠在生產過程中多采用線性尋優方法得到滿足燃料油指標要求的配方。無論是線性尋優還是智能尋優，得到的低成本方案均僅是由原料油的指標數據和指標預測數據而來；而在實際生產和使用過程中，按照該方案調合燃料油常常難以控制產品的穩定性，易產生分層、堵塞和磨損發動機的現象[12-13]。因此，由現有調合方法得到的燃料油存在長期儲存后相容性變差、調合方案調整周期長等問題。如何在兼顧質量要求和成本優化的前提下控制產品的穩定性，是目前很多船用燃料油生產企業面臨的問題。

鑒于此，本研究在研發船用燃料油生產配方過程中，采用基于相容性原則的方法計算各原料油組分的適配比例范圍，并將其作為方案測算的限制條件，進而得到產品穩定性和質量指標同時滿足要求的優化配方，為高質量船用燃料油的開發提供指導。

1 實 驗

1．1 原料油

根據某煉油廠全廠流程，其可用于船用燃料油調合的原料油包括加氫蠟油、加氫渣油、混合渣油、脫固油漿共4種，分別標記為A，B，C，D。

1．2 相容性試驗方法

相容性是指混合物中各組分彼此相互容納、形成宏觀均勻體系的能力[14]。組分間的相容性是影響混合物穩定性的重要因素。美國材料與試驗協會標準《用斑點試驗法測定殘渣燃料清潔度和相容性的標準試驗方法》（ASTM D4740—2014）是一種用于測試殘渣型低硫船用燃料油清潔度及相容性的標準方法，其適用于100℃黏度高達50 mm2／s的殘渣型燃料油[15]。《船用燃料油》標準（GB 17411—2015）[16]中建議采用 ASTM D4740的斑點試驗方法評價船用燃料油的穩定性，若“相容性達到3級或3級以上”，則說明燃料油調合組分間不相容，調合燃料油的穩定性不能滿足要求。斑點試驗包括清潔度試驗和相容性試驗。

1．2．1 清潔度試驗

以單一油品作為測試樣品，經攪拌、加熱后，使其在90～95℃保持15～20 min。用玻璃棒將油品滴在烘干的濾紙中心，并在100℃下保持1 h，觀察油品斑點狀態，用于評價油品自身的清潔程度。

1．2．2 相容性試驗

對于兩種及兩種以上混合原料油，測試樣品的相容性：先將原料油按照一定比例充分混合，取50 m L樣品在錐形瓶中攪拌、加熱至90～95℃保持15～20 min，然后將玻璃棒插入樣品油中混合20 s后取出，玻璃棒上滴落的第一滴油滴回錐形瓶，滴落的第二滴油滴在保持100℃的濾紙上，并在100℃下保持1 h，觀察斑點狀態。斑點為3級或3級以上時，則判定混合樣品的相容性差。

1．2．3 評價標準

ASTM D4740斑點試驗的5等級評價標準如表1所示。

表1 斑點試驗各斑點等級的評價標準[14]

1．3 基于相容性原則的低硫船用燃料油調合模型

為保證低硫船用燃料油調合方案能夠兼顧質量、穩定性和低成本3個方面，基于相容性原則建立一種調合模型，即將油品穩定性作為限制條件加入到低成本調合方案的計算過程中。首先，采集各種原料油的相容性數據，獲得不同調合組分的適配比例；然后，利用中石化（大連）石油化工研究院有限公司開發的Mfuels船用燃料油優化調合軟件進行低成本調合方案測算；最后，基于低硫船用燃料油數據庫，利用Mfuels軟件中“調合方案優化”模塊，采用差分進化算法求解調合配方[17]。其中，低硫船用燃料油數據庫為自建數據庫，包括5家煉油廠的主要原料油數據、生產配方、產品性質數據共120余組，數據庫中的調合樣本集作為方案預測的學習訓練樣本，訓練工具為最小二乘支持向量機。在優化計算中，學習樣本的分布合理性對預測準確度存在一定影響，因此，需要選用全面而合理的混合比例樣本。

模型構建的具體方法如下：

（1）分析各種原料油的主要性質，結果如表2所示，表2只包括GB 17411—2015中涉及原料油指標。由表2可知：除加氫蠟油外，其余3種原料油的硫質量分數均超過0．5%；混合渣油和脫固油漿的黏度大、密度大、硫含量高，而性質較好的加氫蠟油成本最高，其調合比例均受到限制；加氫渣油的黏度、密度、傾點適中，是優選組分。

表2 原料油的主要性質

（2）對不同配比原料油混合樣品進行相容性斑點試驗，得到不同原料油穩定混合的適配比例。

（3）建立目標函數。即在滿足基于原料油相容性適配比例約束條件下的低成本尋優函數。

（4）建立配方調合模型：①GB 17411—2015標準中的限制質量指標、生產企業內部質量控制指標、原料油適配比例，構成模型多個約束條件；②利用自建數據庫中的方案樣本集對指標進行訓練，獲得約束條件中的各限定指標預測模型的系數；③求解調合模型，初始種群100，交叉率為0．7，變異率為0．85，迭代次數為100，搜索步長為10；④在約束指標和相容性限制條件下求解，滿足成本判斷、約束條件判斷和調合比例判斷要求后，終止計算。模型訓練流程如圖1所示。

圖1 基于相容性原則的低硫船用燃料油調合方法流程

（5）模型的優化。由步驟（4）得到調合方案后，對配制樣品進行黏度、密度等指標檢測；若檢測結果不滿足要求，則將樣本添加至樣本集，用新的樣本集重復步驟（4）優化配方模型，直至調合配方滿足優化終止條件。

（6）方案的驗證。通過分析調合方案樣品各質量指標的實測值來驗證方案效果，最終得到滿足國家標準規定或企業質量要求的船用燃料油，且為具有最優經濟性的配方。

1．4 穩定性評價方法

對于調合的船用燃料油產品，采用相容性試驗法和梯度性質法[18]來評價其穩定性。其中，梯度性質法通過自制梯度老化裝置考察儲運溫度70℃下船用燃料油放置一段時間后的性質變化，通過分析試驗前后油品的密度差值來判斷油品穩定性。如果試驗前后油品密度差超過10 kg／m3，則判定油品出現沉積現象。

快速穩定性評價是在梯度性質法的基礎上，利用自制評價裝置，通過加熱和離心雙重作用，加速輕重組分在梯度老化管中的分層，試驗條件為：轉速4 000 r／min、溫度50℃、時間3 h，取上、下層樣品進行密度差分析。

2 結果與討論

2．1 原料油適配比例的確定

分別測試4種原料油的清潔度，結果如圖2所示。從圖2可以看出：原料油A和C沒有明顯的環狀斑點，清潔度較好；D略有輕微的環狀斑點，是多數脫固油漿的典型斑點狀態；B的清潔度明顯最差，中心有清晰的黑點。

圖2 4種原料油的清潔度

按質量比為（1∶9）～（9∶1）將原料油兩兩混合，測試混合樣品增加不同原料油組分間相容性，典型調合比例下的相容性測試結果如圖3所示。由圖3可知：在全部調合比例范圍內，原料油A與B混合物的斑點試驗均出現明顯的中心黑斑且外圍顏色較淺，斑點等級在4級以上，說明A和B的相容性很差；原料油A與C的混合物沒有明顯的斑點，說明A和C的相容性良好；對于原料油A與D的混合物，隨著A占比的增加，斑點試驗中心黑點逐漸明顯，說明其相容性不斷變差，當A質量分數大于60%時，斑點等級達到3級，說明二者的相容性不再滿足穩定性要求。

圖3 任意兩種原料油的相容性試驗結果

由圖3還可以看出：在全部調合比例范圍內，原料油B與C的相容性均較差，隨著混合物中B占比的增加，二者相容性有所改善，但仍不能滿足要求；原料油B與D混合時，隨著B占比的增加，二者的相容性逐漸變差，當B質量分數超過70%時，斑點中心出現了較明顯的黑點。此外，由于原料油C和D的黏度均較大，二者的相容性在全部調合比例范圍內均較差，斑點等級為4～5級。

基于原料油A與C在全部配比下的相容性均較好，因此首先將A與C分別按照質量比1∶9，5∶5，9∶1混合，得到A與C的混合物（簡稱AC混合物）分別標記為AC1，AC5，AC9。為了進一步考察多種原料油間的相容性，分別將B或D按不同質量比例與上述AC混合物進行調合，并對調合得到的多種原料油混合樣品進行斑點試驗，結果如圖4所示。從圖4（a），（c），（e）可以看出：A，B，C混合時，C或B的占比越大，則相容性越好；當B質量分數超過50%時，隨著C占比的增加，斑點等級降到1～2級。從圖4（b），（d），（f）可以看出：不同混合比例下，原料油D與AC混合物的相容性均較好，斑點等級不超過3級，中心為典型油漿斑點；其中當混合物中A占比較大、D占比較小時，斑點等級達3級，三者相容性變差。

圖4 原料油B、D與AC混合樣品的相容性測試結果

綜上，明顯具有適配性邊界的原料油調合組分主要是A與D和B與D兩組，而A與C按任意比例混合的相容性均良好。當原料油A與D混合時，A質量分數不能超過60%，且A占比越小，二者相容性越好；原料油B與D混合時，B質量分數不能超過70%。此外，按照企業生產原料消耗和降低成本需求，應盡可能增加B和D的調合比例。原料油A，B，C混合時，當B質量分數超過50%后混合物相對穩定，C的占比越大其相容性越好；對于原料油A，C，D的混合物，當D質量分數高于10%時，均具有較好的相容性。因此，由以上斑點試驗結果得到基于原料油相容性的適配比例約束條件，如式（1）～式（4）所示。

式中，xA，xB，xC，xD分別為原料油 A，B，C，D在調合方案中的質量分數，%。

2．2 目標函數的確立

模型目標函數即在滿足原料油適配比例約束條件前提下的低成本尋優函數，如式（5）所示。

式中：Y為低硫船用燃料油的成本，元／t；Pi為某種原料油的成本，元／t；x i為原料油i的質量分數（以下稱i的調合比例），%；i取1～4，分別對應原料油 A，B，C，D。

目標函數的約束條件：①根據企業生產消耗原料的要求，原料油A和C的調入比例分別不得低于22%和5%；②燃料油的黏度（50℃）為100～165 mm2／s，密度（20℃）不超過985．0 kg／m3，硫質量分數不高于0．48%，傾點不高于27℃，碳芳香度指數不低于855；③滿足原料油相容性適配比例條件式（1）～式（4）。

2．3 配方測算與優化

圖5為原料油A和B的調合比例與黏度、成本間的三維關系。由圖5可以看出，受目標函數約束條件限制，各組分的調合比例均有一定的限定范圍，尤其由于xB與xD、xA與xD的相關性限制，導致調合方案中各組分調合比例范圍縮小。圖5（a）中，燃料油黏度（50℃）隨著xA和xB的減少而增大，且由于xB的變化對xD有影響，燃料油黏度隨著B組分的增加而出現多次波動，而且原料油A、B調合比例越小，燃料油黏度波動次數越少，說明隨著原料油A、B調合比例減小，其對高黏度組分的降黏作用被削弱。此外，而受燃料油產品黏度約束條件限制，原料油A、B的調合比例分別為20%～40%和35%～60%。從圖5（b）可以看出，在原料油A、B調合比例范圍內，燃料油成本會出現多個波谷，而與黏度匹配的原料油A、B調合比例在成本紅色區，因而縮小了低成本尋優的搜索范圍，但總體趨勢為：A調合比例越小，燃料油成本會連續向波谷移動；但B調合比例存在多個可選值，因此需要對指標進行預測、約束和判斷，以確定最終方案。

圖5 測算方案調合比例與黏度和成本的三維關系圖

在約束條件范圍內，以低成本為目標函數，對各種原料油調合比例及燃料油質量指標進行預測。在尋優過程中，若出現相同解時，對xC／（xA＋xB＋xC）進行比較判斷；在滿足各指標預測值要求的情況下，保留xC／（xA＋xB＋xC）較大的配方。最終，輸出最優解即為優化方案。計算最優解對應各種原料油調合比例下的指標預測值，得到的優化配方及其主要性質如表3所示。

表3 低硫船用燃料油的優化配方及其主要性質

進而，將優化配方與依據經驗得到的調合配方進行比較，該經驗配方滿足低成本和企業內控質量指標要求，但并未采用基于相容性原則的調合方法制定調合方案，即不受原料油適配比例條件式（1）和式（4）的限制和判斷。

從表3可知：按優化配方調合的燃料油滿足GB 17411—2015標準質量指標及生產企業的質量控制指標要求；同時，優化配方調合以低成本為目標函數，而且測算時限定了原料油的調合比例，因而得到的調合方案滿足低成本和相容性要求。經驗配方滿足船用燃料油質量標準，但其滿足低成本要求是因為配方中低成本原料油B、D的質量分數之和達到70%；由于未考慮原料油B、D與A、C的相容性因素，導致其穩定性很難滿足要求。

2．4 優化方案與經驗方案的穩定性比較

分別按優化配方和經驗配方調合燃料油產品，調合新產品的樣品標記為0d；將調合新產品在70℃下放置15 d，樣品標記為15d。分別對新調合優化配方和經驗配方0d樣品和15d樣品進行斑點試驗，結果如圖6所示。由圖6可知：經驗配方0d樣品內部有一黑色模糊的環狀物，斑點等級為3級；經驗配方15d樣品中心環狀物變得清晰而明顯，斑點等級分別為4級；對于基于相容性原則得到的優化配方產品，樣品0d和15d的斑點內部僅有脫固油漿本身的重油斑點，斑點等級為1～2級，產品質量穩定，滿足相容性要求。

圖6 經驗配方和優化配方的油品斑點試驗結果

為了定量地比較兩種配方調合燃料油的穩定性，采用快速穩定性評價方法對按兩種配方調合的0d樣品進行評價，并對15d樣品進行梯度性質分析，結果如表4所示。由表4可知：經驗配方0d和15d樣品的梯度密度差均明顯大于優化配方0d和15d樣品；同時，經驗配方0d和15d樣品的梯度密度差均已經超過10 kg／m3，說明經驗配方0d和15d樣品的穩定性均較差，這與相容性試驗結果吻合；優化配方0d和15d樣品的梯度密度差均低于10 kg／m3，說明優化配方的穩定性較好，滿足產品穩定性要求；從兩種評價實驗結果可以看出，按經驗配方調合的油品由于穩定性差，導致油品更易產生梯度密度的變化，容易在長時間儲運過程中分層。

表4 經驗配方和優化配方的油品穩定性梯度性質

從調合原料相容性上分析：經驗配方中原料油A在A與D總量中的質量占比為52．4%，原料油B在B與D總量的質量占比為71．4%；而優化配方中原料油A在A與D總量中的質量占比為48．8%，原料油B在B與D總量中的質量占比為67．6%。可見，與經驗配方相比，優化配方中原料油B的調合比例在相容性好的比例范圍內，滿足前期相容性試驗結果，且A調合比例進一步降低，有利于燃料油穩定性的提高。

此外，考慮A與C的相容性好，若將A與C混合物視作一種清潔度好的原料油A′，則優化配方和經驗配方中D在A′與D總量中的質量占比均為60%，但優化配方的xC／（xA＋xB＋xC）＝0．154，高于經驗配方的0．1，因此，在成本相同的情況下，優化配方中各原料油的調合比例比經驗配方更有利于調合燃料油的穩定性。由此可見，基于相容性原則的低硫船用燃料油調合方案在保證產品質量滿足標準要求和相同低成本的前提下，優化了調合組分間調合比例，有效提高了產品的穩定性，產品性質穩定，不易發生沉積、分層等現象。

3 結 論

為了低硫船用燃料油調合方案能夠兼顧質量、穩定性和低成本3個方面，中石化（大連）石油化工研究院有限公司利用自主開發的Mfuels船用燃料油優化調合軟件，基于相容性原則建立了低硫船用燃料油調合模型。

該模型將油品穩定性加入到以低成本為目標函數的約束條件中，通過分析各種原料油組分間的相容性，獲得不同調合組分的適配比例；進而，通過模型計算確定了優化配方。與經驗配方相比，在成本相同的情況下，按優化配方調合的燃料油滿足GB 17411—2015標準質量指標及生產企業的質量控制指標要求；同時，其梯度密度差均低于10 kg／m3，產品穩定性良好。

研究結果表明，將質量因素前置，有利于產品合格率的提升和生產效率的提高，是船用燃料油質量控制的有效方法。未來，智能化、系統化的優化船用燃料油調合方法是船用燃料油生產技術發展的主要方向，而其在產品質量控制方面仍有很大優化空間。