PIMS模型在炼厂总流程优化中的应用

刘文强

(盛虹炼化(连云港)有限公司，江苏 连云港 222000)

我国炼油行业经过几十年的快速发展，目前正面临产能过剩、汽油增幅放缓、柴油消费见顶的局面。外部市场竞争加剧、产品质量升级步伐加快、节能环保要求日趋严格、落后产能淘汰，使国内炼油企业面临巨大挑战，推动炼厂综合运用各种优化手段挖潜增效，提高竞争力。以国内某燃料型炼厂为研究对象，该炼厂原油一次加工能力为1.6 Mt/a，近年来在油品质量升级步伐加快的过程中，全厂运行各环节瓶颈凸显，盈利能力较弱，一直处于低负荷运行。各运行部门提出的优化措施缺乏统一考虑，同时企业还需进行产能升级改造，因此急需通过系统性的总流程优化方案为全厂的提质增效提供指导建议。文章利用过程工业模型系统(PIMS)软件建立全厂总流程模型，通过多方案优化测算，解决流程改造后原油结构及全厂物料平衡问题，从而帮助炼厂达到优化运行的目的。

1 炼厂现状

该炼厂原有装置结构相对简单，产品方案也比较单一，经过改扩建完善配套后由常减压、高压加氢裂化、延迟焦化、溶剂脱沥青及部分生产辅助装置构成，主要加工的原油品种有科洛维、埃斯坡、吉拉索、比利牛斯、朱比丽等，主要产品有液化气、石脑油、国Ⅵ柴油、沥青、石油焦等。装置构成及规模见表1所示。

表1 装置构成及规模

流程改扩建前的装置规模为1.6 Mt/a常减压、0.8 Mt/a溶剂脱沥青、1 Mt/a加氢裂化等，其中溶剂脱沥青开工率不高；流程改扩建后，常减压改扩建到2.8 Mt/a，新建的1.2 Mt/a延迟焦化和1 Mt/a汽柴油加氢改质装置即将投产。改造后流程有如下特点：一是以高压加氢裂化装置为核心的蜡油加工流程可加工轻质渣油；二是溶剂脱沥青与加氢裂化、延迟焦化装置的组合工艺拓宽了渣油加工路线的选择面，重油轻质化手段更为灵活，渣油的加工流向可根据效益情况及时优化、灵活调整。

基于上述情况，企业面临的问题是工艺装置改造后以全厂效益最大化为目标，如何通过优化合理确定新的加工总流程，并在此基础上优化选择与之匹配的原油品种及结构等。具体需要优化考察的方案有：(1)流程改造后，最佳开工装置结构及全厂物料平衡；(2)溶剂脱沥青装置开工与否对全厂经济效益的影响；(3)选择何种原油既能满足加氢裂化装置满负荷生产，又能满足装置对原料质量的要求。

2 模型建立

建立精确的企业模型是炼厂原油选择和流程优化的基础，在此利用PIMS软件对炼厂进行建模。PIMS软件由美国AspenTech公司开发，是利用线性规划、分布递归、Delta-Base(一种描述装置收率和产品性质随进料性质改变而变化的计算方法)[1]数据库等技术建立的线性数学模型，通过模拟石油化工产业的生产经营过程，为企业的经营以及未来发展提供决策的科学依据。其目标函数为经济效益最优，通过对产品销售收入减去原(油)料成本、公用工程消耗、三剂消耗以及库存费用等，来确定效益最优的方案[2-3]。该模型通过多种方案自动优化、多方案对比等功能，寻找提高企业效益的途径，找出最优解决方案。PIMS软件在炼化企业中运用广泛，凭借其开放式设计思想，可以实现计划排产、原油优选、流程优化、瓶颈寻找、改扩建以及产品结构优化等功能[4]。根据炼厂实际生产流程建立PIMS模型，主要包括常减压装置子模型、二次加工装置子模型、供销子模型和产品调和子模型[5]。

常减压装置子模型用于描述炼厂常压与减压蒸馏装置，以原油切割数据为基础，可根据炼厂实际情况设置多个生产方案，且相邻侧线之间设置了悬摆(两侧线之间重叠部分)，经过优化后可得到最优切割方案。

二次加工装置子模型用于描述常减压装置以外的其他装置，可根据装置实际加工方案建立多个加工方案模型，该模型以炼厂各二次加工装置生产运行实际数据及设计数据为基础，包括不同加工方案的产品收率、公用工程消耗、装置运行限制和物料性质等数据。对于加氢裂化、延迟焦化、溶剂脱沥青等重要装置，根据单元装置模拟数据或经验设置Delta-Base结构，该结构可描述装置进料性质对产品收率的影响，提高模型的描述精度。焦化、溶剂脱沥青装置中设置了原料残炭值、硫含量对产品收率分布及产品性质的影响，加氢装置设置了原料硫含量对产品收率分布及产品性质的影响。

供销子模型以原料与产品价格数据以及原料与产品购买或销售限制数据为基础，用于描述炼厂原料供给和产品销售情况。

产品调和子模型用于描述柴油、燃料油等产品的调和情况，以产品调和质量的限制数据以及调和物料的性质数据为基础。

3 优化方案测算及分析

根据企业面临的实际优化问题，运用已构建的PIMS模型设定了多种方案进行精准优化测算，为企业生产经营决策提供量化数据支持。

3.1 总流程优化

根据炼厂装置结构特点，不同时期装置的构成决定了全厂加工总流程的不同，从而影响到原油品种选择和经济效益，改扩建后装置结构发生了变化，尤其需要进行相应地优化调整，重点选择了5个考察方案(见2)。具体方案设置为：(1)只开常减压装置；(2)开常减压装置和加氢裂化装置；(3)开常减压装置、加氢裂化装置和柴油加氢装置，无渣油加工手段；(4)开常减压装置、加氢裂化装置、柴油加氢和焦化装置，渣油进焦化；(5)全流程开工。

表2 方案设置示意及毛利

由表2可以看出：各测算方案在依次开常减压、加氢裂化、柴油加氢、焦化装置的条件下，全厂效益呈上升趋势，而开溶剂脱沥青装置后效益反而下降。因此，建议在当前价格体系下溶剂脱沥青装置不开工，可根据市场价格变化情况，决定该装置开工与否。

3.2 溶剂脱沥青开停工测算

分别选用了5种已加工过的原油，运用PIMS模型依次进行溶剂脱沥青装置开停两种工况下全厂整体经济效益测算(见表3)。

表3 溶剂脱沥青装置开停工效益变化

从表3中可以看出：埃斯坡、吉拉索、科洛维、比利牛斯4种原油在溶剂脱沥青装置开工的情景下，经济效益均有不同程度的降低；而朱比利原油因蜡油收率较低，溶剂脱沥青装置开工后增加了溶脱油作为加氢裂化原料补充，致使加氢裂化装置负荷提升幅度大，从而经济效益增加。因此，在兼顾原油性质和全厂总物料平衡基础上，以全厂效益最大化为最终目标，决定溶剂脱沥青装置开工与否，与所选择的原油性质(主要是蜡油收率)和价格体系密切相关，需经常测算寻找效益变化拐点。

3.3 原油性价比测算

选择可采的10种原油，运用PIMS模型分别进行单油种模拟加工测算，得到加工各种原油的经济效益指标，根据每种原油加工利润大小进行性价比排序，以此作为原油优先采购排序的参考依据。据测算，油品种优先采购排序为：M100>马瑞>比利牛斯>卡斯蒂利亚>马林>萨图诺>科诺维>吉拉所>ESPO>朱比丽。因此，对该企业而言，采购相对重质化原油品种加工效益更好，主要原因与企业蜡油、渣油加工能力相对较富余有关。需要说明的是，不同炼厂的装置构成、装置间上下游配套能力等存在差异，加工同一种原油的保本价格或效益排序不尽相同。

3.4 原油结构优化

在限定加氢裂化装置满负荷操作的条件下，运用PIMS模型反向优化测算加工不同油种最佳搭配比例结构。根据测算结果，炼厂混合原油加工最佳的搭配比例为：比利牛斯∶马林∶朱比丽=43∶45∶12，此时混合原油的酸值为1.26%、残炭为3.37%、石脑油收率为7%、柴油收率为25.71%、蜡油收率为33.85%、渣油收率为32.51%。因此，建议根据优化方案的效益情况、储运设施配套条件及生产调度可操作性等综合考虑因素，合理选择各类原油采购品种，并通过“轻重搭配、优劣搭配”的原则，优化原油调和结构，使混合原油综合收率及性质指标贴近模型最优搭配方案的优化要求。

4 结论

(1)运用PIMS模型对改扩建后的总流程进行模拟测算，提出总流程优化方案，从而给出更加合理的开工方案；在保证加氢裂化原料满负荷的情况下，溶剂脱沥青装置开工与否与所选择的原油性质和价格体系密切相关；改造后的总流程加工蜡油和渣油手段灵活，轻质化油品收率高，加工重质化原油效益好。

(2)当市场发生重大变化时，运用PIMS模型依次精算出各生产装置开停工对全厂效益影响情况，寻找效益变化拐点，及时调整全厂加工流程，使全厂效益最大化。