PIMS和HCAMS在原油优化选择中的应用

刘文强

(盛虹炼化(连云港)有限公司，江苏 连云港 222000)

对于炼油企业来说，原油成本约占工厂总成本的90%以上，在总成本控制中举足轻重。当炼油企业建成后，其所能加工的原油品种就已受到一定的限制，而市场是不断变化的，在瞬息万变的市场中，充分发挥已有装置的潜力，选择最经济的原油品种，保持工厂优化运行，无疑是保持企业良好竞争力、实现最大效益的途径。在当前原油资源竞争日趋激烈的情况下，如何利用先进的科学技术优化原油采购和加工、实现降本增效是我国各炼油企业共同面临和亟待解决的最重要问题之一。

过程工业模型系统(PIMS)及原油评价管理系统(HCAMS)是解决上述问题很好的工具，目前被全球炼化企业广泛采用，在长期实践中得到行业认可。PIMS是美国Aspen Tech公司开发的流程工业模型系统[2]，是一个以效益最大化为目标，以线性规划为技术的炼油化工优化软件。利用该系统，结合企业自身的装置流程、参数和经营数据所开发的炼油、化工企业PIMS模型，可以用于企业的生产经营优化，包括原油选择优化、产品结构优化、生产瓶颈分析、生产计划方案优化等[5]。HCAMS是由Haverly公司开发的原油评价管理系统，以原油评价数据库作为数据源，用户可根据需要进行原油切割、性质计算、混炼调和优化等功能[4]。在系统中导入原油数据和切割方案，并输入常减压进料设防及二次装置对原油侧线质量要求、油种调和比例要求、油种是否为必炼等约束指标，通过混炼调和优化功能快速优化出满足调和目标的所有原油组合，可确保各原油组合满足全流程加工要求，进而为PIMS软件选油快速提供多组测算方案。

以原油加工能力20 Mt/a的大型炼化一体化A公司为例，该炼厂加工流程为炼油-芳烃-乙烯的组合工艺。根据当前原油市场情况，采用PIMS和HCAMS进行联合优化测算，从中选出既能产生较好效益又能保证装置稳定运行的原油品种，为原油采购提供数据支撑。

1 用PIMS软件选择原油

在常减压设计油种的基础上，综合考虑市场资源、运输拼装及原油加工难易程度等因素，经过筛选确定了以含硫中轻质原油为主的中东原油及少量的俄油、西非、南美原油，部分所选原油的主要性质见表1。原油采购以长约为主，部分原油按照现货采购，油种及数量根据月度原油性价比测算结果确定。

表1 部分所选原油主要性质

应用PIMS软件选择原油的方法主要有两种，一种是替代法，另一种是增量法，但两种方法测算结果的趋势是一致的[1]。在此以替代法进行单油种性价比测算，即设置PIMS模型时，各方案常压装置设置一致的加工量，在基础油种的基础上，用一定数量的待测油种替代基础油种，然后比较各方案的吨油毛利，并根据吨油毛利的大小进行排序。

1.1 价格预测

一般来说，对于一个加工进口原油的炼厂，通常在M月采购，M+3月到厂。根据原油到厂的时间不同，需要预测各原油M+2月或M+3月(当月提货当月到)的离岸价、贴水及运费以及各产品M+3月的价格，在此以2022年1月份价格进行阐述。

1.2 约束条件设置

(1)各主要装置的进料设防按设计数据进行约束：常减压，硫质量分数<3%，酸值<0.5 mg/g；柴油加氢裂化，硫质量分数<2%，氮质量分数<400 mg/kg；蜡油加氢裂化，硫质量分数<3%，氮质量分数<800 mg/kg；沸腾床渣油加氢，镍质量分数<46 mg/kg，钒质量分数<156 mg/kg，硫质量分数<5.71%，残炭<25.72%，氮质量分数<4 000 mg/kg。

(2)主要装置加工能力按设计能力及操作弹性范围约束。

(3)各装置的物料平衡数据按工艺包数据进行约束。

(4)主要装置原料性质对产品分布的影响采用Delta-Bass校正。

(5)各物流的性质采用设计数据。

(6)公用工程消耗数据采用设计数据。

(7)物流的走向按总体设计流程进行设置。

(8)产品结构根据市场需求进行约束。

1.3 方案设置

各方案按照设计工况设置：

基础方案case0∶沙轻∶沙重=8 Mt∶8 Mt；

测算方案case1～n：分别用测算油种替换沙轻和沙重各50 kt，保持总加工量不变，在此进行了30种原油的测算，部分方案见表2。

表2 方案设置示意 Mt

运用PIMS模型进行优化计算，计算结果是每个方案都产生了优化解。

1.4 测算结果及分析

将各方案销售收入、原料成本、毛利分别与基础方案进行比较，根据各方案毛利差大小进行排序，各油种的优化结果见表3。

表3 原油性价比测算结果

由表3可知：在测算价格体系下，巴士拉原油具有价格优势，原油成本较低，性价比最好。由表3同时可以看出重质原油性价比要好于轻质原油。

2 用HCAMS优化原油组合及PIMS测算组合效益

从经济性的角度分析，我们得出了单油种性价比排序。但一般炼厂都是两种及以上原油混炼加工，性价比排序靠前的油种组合起来，不一定能满足全厂运行需要，应进行轻重优劣搭配，整体组合既要满足全厂装置安全、稳定运行，又要提高整体效益。在此应用HCAMS软件将上述单油种进行组合，调和出满足主要装置进料要求的所有组合。而渣油加氢的原料性质受到限制，对原油选择有一定影响，在此以常减压设防值及渣油物性作为调和目标。

2.1 方案设置

(1)组合原油性质是以设计油种混油的渣油性质及常减压设防值作为调和上限，具体见表4。在系统中输入表4所列的调和目标。

表4 组合原油调和目标

(2)考虑到原油调和的可操作性，每种原油组合限定2～8种原油参与调和；沙特原油限定一定比例参与调和，运用HCAMS快速优化出满足调和目标的原油组合，见表5。

表5 原油组合及毛利数据 %

续表5

(3)将各原油组合导入到一体化PIMS模型，进行组合原油效益测算[3]。

2.2 结果分析

由表5可知：方案1效益最好，这是由于方案1由性价比靠前的油种进行组合，整体效益较好；方案2～5效益依次递减，且混炼油种较多，考虑到船期、库存及调和设施能力的限制，可操作性较差。

表6是方案1及方案2主要装置加工负荷，两方案芳烃、乙烯的模拟负荷均已达上限。表7～8分别是常减压及渣油加氢装置原料性质，两方案渣油加氢装置原料氮质量分数均已达到上限值，其他参数与上限值还有一定的距离。

表6 主要装置负荷 %

表7 常减压装置进料性质

表8 渣油加氢装置进料性质

2.3 现货及长约油种的确定

上述几种方案都具有可加工性，但从效益和可操作性方面来看，方案1不仅效益好，且均为中东油种，运距较短，可拼装、同期到港的概率高，建议以方案1作为采购油种。

3 结论

(1)以PIMS为工具，采用替代法测算出的性价比排序选择原油，实现科学采购原油的目的，更好地应对国际原油市场高、低硫及轻、重质价差变化，对不同品质原油的采购数量和采购时机提供依据。

(2)根据加工流程特点，充分利用装置进料质量要求，选择合适的原油，实现降低原油成本的目标。

(3)PIMS和HCAMS采用同样的基础数据及约束条件，联合应用两个系统选择原油，既能够提高效益，又能保证装置稳定运行。