PIMS参数分析在生产计划管理中的应用

蔡光亮

(上海赛科石油化工有限责任公司，上海 201507)

采用Aspen Tech公司开发的PIMS软件，利用线性规划、Delta-Base模型化以及分布递归等技术建立数学模型，利用此模型可模拟企业的生产流程，以经济效益最大化为目标[1]，实现原料优化、产品优化、流向优化，计算盈亏平衡点，寻找系统瓶颈等功能[2]；能满足计划测算和生产优化的需要，为企业提供最优的生产和经营方案，提高企业整体经济效益。

Aspen Tech公司对PIMS软件不断完善改进、推陈出新，2010年发布了PIMS 18.2版本。与旧版本相比，该版本新增的PIMS AO功能大大提高了软件的实用性。AO分析功能包括参数分析、目标规划、范围分析、简约材料，其中最常用的是参数分析工具[3]，PIMS AO参数分析工具用于评估物料价格的变化对模型目标函数或某个变量运行结果的影响。应用参数分析工具，可估算目标函数、产品销售量及装置负荷如何随原料或产品价格的变化而变化。

实践表明，针对企业装置的特点，PIMS参数分析可以有效应用于生产计划管理、优化原料选购和产品结构、调整加工方案等，以充分发挥生产装置上下游一体的特色，提升企业整体经济效益的最大化。

1 装置的工艺特点及生产优化的重点方向

上海赛科石油化工有限责任公司(以下简称赛科)是以乙烯装置为龙头的石油化工一体化企业，主要生产乙烯、丙烯、聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈等化工产品。乙烯装置主要以外购的石脑油为裂解原料，乙烯装置的原料采购成本在公司的运营成本中占比较大，因此乙烯装置原料的优化显得尤为重要。原料优化的方向包括多种类原料优化、石脑油优化和裂解炉裂解深度的优化。原料优化的目标是为了评估不同原料的经济性，计算出每种原料能够为赛科带来的单位贡献，并按贡献大小形成排序表，为商务采购提供依据。

赛科乙烯装置有可能加工的裂解原料有石脑油、丙烷和丁烷，通过调用SPYRO回归的非线性模型，在PIMS-AO模型中对应这3种原料分别建立了石脑油炉、丙烷炉和丁烷炉模型，可以模拟3种原料单独裂解和混合裂解工况，测算出产品收率及经济效益。

赛科乙烯装置生产的丙烯内供给聚丙烯装置和两套丙烯腈装置作为原料，但赛科还存在一定的丙烯缺口需要外购，同时赛科的烯烃转换装置利用乙烯和碳四作为原料可生产丙烯，因此在丙烯产品链的优化上存在较大的空间。

2 利用PIMS-AO参数分析功能进行原料、产品链和操作参数优化

2.1 赛科裂解原料优化

原料优化的方法是利用优化软件PIMS-AO的批量工况优化计算功能，创建每种原料的加工工况，将计算结果进行汇总，形成原料贡献排序表。在赛科的PIMS模型中，针对裂解炉模型设置了4个裂解操作变量：裂解炉进料量、裂解炉辐射段炉管出口温度(COT)、出口压力(COP)和汽烃比，一种操作变量的组合代表一种裂解深度，优化的裂解深度决定了优化的产品收率，而优化的裂解深度是PIMS基于指定的价格体系，以总体利润为目标，综合考虑了装置负荷和产品合同量等约束条件计算出的结果。

2.1.1 多种类原料优化

(1)原料标的：石脑油(规格选取2019年加工石脑油的平均规格)、丙烷和混合丁烷。

(2)价格体系：选取2019年的月平均价格。

(3)约束条件：2019年赛科装置平均负荷，平均产品销售合同量。裂解操作变量不做约束。

(4)工况设置：赛科装置共有9台石脑油裂解炉，选择其中1台加工丙烷或丁烷，其他8台加工石脑油。

(5)计算结果见表1所示。由表1可知：加工丙烷和丁烷存在长期盈利的机会，盈亏拐点分别为1.04倍和1.07倍的石脑油价格；丙烷和丁烷两种原料替代石脑油后增加效益都很显著，相对的，丁烷能够带来更多的利润。

表1 与石脑油相比轻烃原料的经济贡献

2.1.2 石脑油原料优化

在计算每种石脑油单位贡献的基础上，进一步关联石脑油规格指标以及主要产品收率等，进行深度分析，不仅可以为商务采购提供保本价的支持，还能从市场上发现对赛科更具经济性的石脑油品种，使原料优化更加主动。

(1)原料标的：选取6种石脑油，规格数据按2019年平均值计算。石脑油规格见表2所示。

表2 赛科使用的典型石脑油规格

(2)价格体系：选取2019年的月平均价格。

(3)约束条件：2019年赛科平均装置负荷，平均产品销售合同量。裂解操作变量不约束。

(4)工况设置：根据赛科实际原料的构成(75%合同采购量+25%市场采购量)，每个工况都加工9 kt/d的管道合同石脑油，剩余的加工能力由模型为每种标的石脑油计算出优化加工量。

(5)计算结果见表3所示。通过PIMS的RW功能，创建报表模板，从结果数据库文件读取数据，生成自定义的报表。表3中左侧的排序只考虑了原料规格对效益的影响，右侧的排序在此基础上又考虑了采购到货成本价的综合效益的影响。裂解产品的收率见表4所示。石脑油质量贡献排序与乙烯收率、丙烯收率和高附加值产品收率(HVC)有明显的关联性，质量效益排名越靠前，双烯收率和HVC值越高。石脑油贡献与石脑油密度、烷烃总量、芳烃质量分数以及HVC的关系分别见图1～4。

表3 石脑油贡献排序(以ZH石脑油为基准)

表4 裂解产品收率 %

图1 石脑油贡献与密度的关系

图2 石脑油贡献与烷烃总量的关系

图3 石脑油贡献与芳烃质量分数的关系

图4 石脑油贡献与HVC的关系

(6)在现有价格体系下，以丙烷或丁烷替代石脑油，每月可增加效益230万～330万美元，还可以有效缓解石脑油供应短缺的问题。从6种标的石脑油贡献看，每1 t相差为10美元，如果以每月120 kt的加工量计算，总体贡献相差可达到120万美元。石脑油的优化方向依次为：高烷烃总量、低密度、低芳烃质量分数。若石脑油同时满足高烷烃总量、低密度和低芳烃质量分数，将有更好的经济贡献。

2.2 赛科丙烯产品链优化

2.2.1 丙烯物流走向分析

赛科丙烯物流走向如图5所示。丙烯供应方包括：A—市场采购，补充下游装置产能的不足，丙烯与石脑油差价越大，采购成本越高，经济性越差；B—裂解产出，满足大部分下游装置的需求，通常成本较低；C—烯烃转化装置产出，由乙烯和混合碳四生产的丙烯可补充下游缺口，经济性受丁二烯价格影响较大。

丙烯需求方包括：D—1#丙烯腈装置的进料，经济性受丙烯腈与丙烯价差的影响；E—2#丙烯腈装置的进料，经济性同上，与D的差异是操作成本不同；F—聚丙烯装置进料，经济性取决于聚丙烯与丙烯的差价。利用优化软件PIMS-AO的批量工况优化计算功能，通过编制模型工况、模拟计算和数据对比，可以探索丙烯产品优化的方向。

图5 赛科丙烯物流走向

2.2.2 丙烯需求方优化方向分析

(1)PIMS分析

PIMS的运行基于生产工艺设计负荷的基础工况，通过其RW报表工具获取结果数据，然后链接到丙烯下游的边际效益工况中，从PIMS的运行结果数据库文件中获取物流D、E和F的边际效益，并建立各物流的优先次序，丙烯需求方优化方向见表5所示，丙烯价格敏感性分析见图6所示。

表5 丙烯需求方优化方向

图6 丙烯价格敏感性分析

(2)丙烯需求方优化结果

由表5可知：丙烯在需求方的边际效益次序随价格体系而发生改变。在2015年和2016年，用丙烯生产聚丙烯比生产丙烯腈更有效益；而在2017—2019年期间，用丙烯生产丙烯腈比生产聚丙烯更有效益。优化方向变化是由下游产品与原料丙烯的价格差引起的。模拟计划的结果显示：丙烯腈与丙烯的价差若超过聚丙烯与丙烯差价的1.5倍，则优先生产丙烯腈，反之优先生产聚丙烯。

2.2.3 丙烯供应方优化方向分析

(1)PIMS分析

丙烯的市场价格对采购丙烯(A)和裂解自产丙烯(B)的影响最大，采用PIMS-AO的参数分析功能，进行价格敏感性分析，可以确定二者优化方向的转折点。

(2)丙烯供应方优化结果

由图6丙烯价格敏感性分析可知：随着丙烯价格的增加，丙烯采购意愿下降，当丙烯价格为1 014美元/t时，停止丙烯采购。由于丙烯数量减少，模型选择聚丙烯装置降负荷运行，其原因是在丙烯需求方中聚丙烯的优先次序排在最后，此时对应价格的转折点为丙烯与石脑油的差价472美元/t，丙烯与石脑油的价格比为1.87。

2.3 赛科裂解操作参数优化

选取2019年赛科实际生产工况，以乙烯装置2#～9#裂解炉4组COT代表不同的裂解深度作为数据样本。以样本数据为计算条件，模拟计算主要裂解产品的收率。随着裂解深度的降低，甲烷氢和乙烯收率减少，丙烯碳四和裂解汽油收率增加；炉子结焦速率减少，烧焦周期延长。PIMS计算结果显示，COT从843 ℃降至833 ℃，乙烯产量减少2.2%，丙烯产量增加4.4%，炉子烧焦周期延长10.2%。

2019年赛科每周利用PIMS-AO软件模拟实际工况下裂解深度对裂解产品收率及裂解炉结焦速率的影响，研究跟踪并优化裂解炉操作参数，提高当量产品收率并提升公司的整体效益。由于市场丙烯产品链较好，从3月下旬开始对裂解COT进行优化调整，COT从845 ℃降低到830 ℃，2019年COT优化累计增加效益9 080万元。

3 结论

(1)利用PIMS软件可以模拟生产运营过程并优化排产。根据市场销售预测、原料供应情况和生产约束，制定和优化公司生产经营计划。

(2)运用PIMS-AO的RW报表工具建立原料排序，可以优化石脑油及其他裂解原料的选择。

(3)根据市场变化及时调整策略，优化裂解操作参数，实现公司全产品链效益最大化。

(4)运用PIMS的价格敏感性分析，可以优化不同的丙烯腈及聚丙烯市场环境(销售量及价格的变化)下，丙烯产品链的负荷调整方向及丙烯的采购或销售策略。