李 霞 劉 東 汪洪濤 崔增蛟 任 妮

(1. 中國石油大連石化公司生產(chǎn)運(yùn)行處，遼寧 大連 116031；2. 中國石油天然氣股份公司規(guī)劃總院，北京 100086)

煉油廠和石化建模系統(tǒng)(Refinery and Petrochemical Modeling System，RPMS)是用線性規(guī)劃、分布遞歸的數(shù)學(xué)模型，在滿足眾多約束條件的情況下，經(jīng)過萬次迭代計(jì)算尋得最優(yōu)解的軟件。迭代過程可以是原料固定，尋得最優(yōu)的裝置負(fù)荷；可以是加工量固定，尋得性價(jià)比最高的外購原料；可以是原料、加工量固定，尋得最優(yōu)的二次加工路線等。目前，RPMS在煉化企業(yè)從煉廠的新建、改擴(kuò)建、挖潛增效、計(jì)劃優(yōu)化，到年、季、月的計(jì)劃排產(chǎn)，有著十分廣泛的應(yīng)用，中國石油大連石化公司作為中石油的第一個(gè)RPMS項(xiàng)目試點(diǎn)企業(yè)，從2004年起便將RPMS軟件應(yīng)用于進(jìn)口原油選購、不同原油加工比例測算、生產(chǎn)方案優(yōu)化及計(jì)劃排產(chǎn)等生產(chǎn)經(jīng)營的各個(gè)領(lǐng)域，公司每年運(yùn)用RPMS模型進(jìn)行的優(yōu)化測算達(dá)到400次之多，RPMS的應(yīng)用能夠準(zhǔn)確、快捷地為生產(chǎn)經(jīng)營提供決策參考。

中國石油大連石化公司為了優(yōu)化裝置運(yùn)行多產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，采取了減壓深拔技術(shù)，提高減蠟拔出率，改進(jìn)換熱提高加裂反應(yīng)深度等措施，提高了加氫裂化裝置的日均負(fù)荷，且提高了加裂石腦油和航煤收率，降低了外甩尾油量，加裂尾油收率由之前的28%將至7%左右。加裂尾油是重要的催化輕料構(gòu)成，占整體催化輕料的70%左右，尾油收率的大幅降低，使催化輕料日均減產(chǎn)1 500t左右，造成催化原料殘?zhí)几?、催化裝置低負(fù)荷運(yùn)行。為了優(yōu)化催化料并改進(jìn)催化裝置的運(yùn)行，使整體的效益最大化，筆者運(yùn)用RPMS模型對(duì)催化料調(diào)合的各種方案進(jìn)行了優(yōu)化測算。

1 RPMS線性規(guī)劃方法①

線性規(guī)劃模型通常包括一個(gè)目標(biāo)函數(shù)和眾多約束條件。目標(biāo)函數(shù)是指在滿足了眾多約束條件下的經(jīng)濟(jì)效益最大。約束條件包括：各裝置以及全廠的物料平衡、裝置加工能力約束、單個(gè)原油采購數(shù)量約束、原油加工總量約束、某些產(chǎn)品出廠量約束、成品油調(diào)合指標(biāo)約束和裝置進(jìn)料物性約束。利用成熟的求解器，對(duì)建好的模型進(jìn)行求解，可以快速、準(zhǔn)確地計(jì)算得到目標(biāo)函數(shù)為最大利潤的最優(yōu)化解[1～3]。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

該企業(yè)線性規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)采取利潤最大化，即銷售收入-原料成本-加工成本最大，方程可以寫成以下形式：

MaxObj=PRICE×MSELPRO-PRICE×MBUYRAW-PRICE×MUBYUBL

(1)

其中，MSELPRO為銷售的產(chǎn)品的量，MBUYRAW為購買的原材料的量，MUBYUBL為公用工程的量(若還有固定成本，需將這部分成本也減去)。

1.2 約束條件

1.2.1物料平衡約束方程

以催化裂化裝置為例，催化裝置的進(jìn)料為催化輕料、催化重料、回?zé)挿紵N。設(shè)WFCCBAS為催化裂化裝置的混合進(jìn)料，則進(jìn)料匯流物料平衡方程為：

WFCCBAS=WFCCFCL(催化輕料)+WFCCFCH(催化重料)+WFCCLR2(回?zé)挿紵N)

(2)

催化裂化裝置的產(chǎn)品物料平衡(以催化汽油和催化柴油舉例說明)：

催化汽油MWGT1C2=0.42×WFCCBAS

催化柴油MWGT1C3=0.25×WFCCBAS

(3)

1.2.2裝置相關(guān)約束方程

以催化裂化裝置為例，催化裂化的月度加工能力約束為：

23萬t≤WCAPFCC=WFCCBAS=WFCC1AQ+

WFCC1VX+WFCC1DE≤31萬t

(4)

對(duì)于催化裂化裝置的進(jìn)料來說，還有些特殊的進(jìn)料限制，如進(jìn)料殘?zhí)己肯拗?物性代碼CCN)在3.5%～5.8%之間，方程為：

0.035WFCCBAS≤CCN×WFCCFCL+CCN×WFCCFCH+

CCN×WFCCLR2≤0.058×WFCCBAS

(5)

1.2.3成品油調(diào)合約束方程

以93#汽油調(diào)合的辛烷值計(jì)算舉例，BG93FCG、BG93LR2、BG93RAS、BG93XYL、BG93TOL、BG93MTB、BG93ALK分別表示調(diào)入93#汽油的加氫汽油、重芳烴、抽余油、二甲苯、甲苯、MTBE和烷基化油的體積量。

研究法辛烷值按照體積百分比進(jìn)行調(diào)合為：

93×MVOLG93≤ 91×BG93FCG+ 100×BG93LR2 +68×BG93RAS+106×BG93XYL+115×BG93TOL+115×BG93MTB+ 96×BG93ALK

(6)

RPMS特殊功效是能將非線性的物料性質(zhì)轉(zhuǎn)換成可計(jì)算的指數(shù)性質(zhì)，經(jīng)過線性計(jì)算后再反算回非線性性質(zhì)，如汽油的蒸氣壓指數(shù)、柴油的十六烷值指數(shù)等。中國石油大連石化公司僅汽油調(diào)合池就有近十種調(diào)合組份，每種組份的數(shù)量、性質(zhì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品的影響，以往通過進(jìn)料和產(chǎn)品的性質(zhì)檢測才能獲得數(shù)據(jù)；現(xiàn)在RPMS對(duì)汽柴油的調(diào)合進(jìn)行了詳細(xì)的模擬，可以對(duì)產(chǎn)品的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)判，并預(yù)先優(yōu)化調(diào)合組份和汽、柴油產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)操作。

2 催化料優(yōu)化案例分析

2.1 催化料現(xiàn)狀和優(yōu)化思路

目前催化調(diào)合池內(nèi)的構(gòu)成為：催化重料(渣油加氫常渣、二蒸餾減渣)，催化輕料(加氫裂化尾油、二蒸餾常四線、酮苯蠟下油)。當(dāng)總?cè)占庸ち繛?.7萬t，加工進(jìn)口原油為俄油∶沙輕=1∶1時(shí)測算，催化重料約為每日10kt，殘?zhí)?.842，催化輕料約為每日1 400t，殘?zhí)?.085，此時(shí)兩套催化進(jìn)料殘?zhí)季_(dá)到最大約束值，三催化殘?zhí)?.5，日加工量3 600t(最大負(fù)荷4 200t)；四催化殘?zhí)?.8，日加工量8 000t(最大負(fù)荷10 000t)。

可見，催化料優(yōu)化的關(guān)鍵是要通過增加催化輕料量和降低催化重料殘?zhí)紒斫档痛呋M(jìn)料殘?zhí)?，從而提高催化裝置處理量。加工大慶油的二蒸餾所產(chǎn)的減壓蠟油是很好的催化裂解原料，目前用于生產(chǎn)石蠟和潤滑油產(chǎn)品，其簡易工藝流程如圖1所示。

圖1 潤滑油和石蠟生產(chǎn)路線簡易工藝流程

石蠟一直是該公司邊際效益最好的產(chǎn)品之一，由于潤滑油目前價(jià)格偏低，邊際效益不如高標(biāo)號(hào)汽油，因此催化料優(yōu)化優(yōu)先將潤滑油系列的產(chǎn)品放于催化調(diào)合池，分4個(gè)方案：方案一，基準(zhǔn)方案(日加工量4.7萬t、加工進(jìn)口原油的比例為俄油∶沙輕=1∶1、催化調(diào)合池構(gòu)成不變)；方案二，抽出油調(diào)渣油加氫料；方案三，全部去蠟油調(diào)催化輕料；方案四，全部酮苯料調(diào)催化輕料。

2.2 模型計(jì)算

利用專業(yè)的原油切割軟件H/CAMS對(duì)各原油進(jìn)行自定義餾分段的切割，分別得到每一種原油各側(cè)線的收率和物性數(shù)據(jù)，放入到線性規(guī)劃模型中。其他由手動(dòng)設(shè)定必要的約束條件，主要有：

a. 進(jìn)料原油，大慶油每日進(jìn)料原油達(dá)12 500t，其余俄油∶沙輕=1∶1；

b. 甲苯、重芳烴全部調(diào)汽油，產(chǎn)量約束為零，IV、V類汽油、柴油按月實(shí)際出廠量約束，該月天數(shù)為31天；

c. 產(chǎn)品的性質(zhì)按出廠指標(biāo)進(jìn)行最大和最小限制；

d. 催化裂化裝置、加氫裂化裝置、渣油加氫裝置限定進(jìn)料的殘?zhí)?、金屬及S含量等；

e. 主要裝置加工負(fù)荷的最小值不得低于設(shè)計(jì)值的50%，最大值不超過設(shè)計(jì)值的上限。

在日加工量為4.7萬t的情況下，經(jīng)過模型計(jì)算，得出4個(gè)方案的測算結(jié)果。

2.3 裝置負(fù)荷比較

抽出油稠環(huán)芳烴多、粘度低是好的渣油加氫原料，抽出油調(diào)渣油加氫原料后，從模型運(yùn)行得出渣油常渣殘?zhí)加芍暗?.4降至6.1，改進(jìn)了催化進(jìn)料性質(zhì)，在模型約束的催化殘?zhí)枷拗苾?nèi)，催化重料調(diào)入量增加，催化加工量得到提高。由表1可看出方案二催化加工量較方案一提高了1.67%。當(dāng)每日1 250t的去蠟油和2 500t的酮苯料分別調(diào)催化輕料后，糠醛精制和酮苯裝置分別停工，催化負(fù)荷相繼較方案一提高10.52%、16.30%，進(jìn)料殘?zhí)紳M足模型約束。

表1 裝置負(fù)荷比較 %

2.4 部分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較

在模型的產(chǎn)品性質(zhì)表中，限定了汽油的辛烷值、硫含量、密度、蒸氣壓、芳烴+烯烴含量，由表2可見，高標(biāo)號(hào)汽油滿足了所有的性質(zhì)指標(biāo)要求，并均按模型賣表限定的產(chǎn)品最高外售量(根據(jù)市場需求限定)產(chǎn)出。模型限定了柴油的凝點(diǎn)和硫含量、密度、十六烷值、冰點(diǎn)、閃點(diǎn)指標(biāo)，由表1可見，高標(biāo)號(hào)柴油(IV、V類、低凝點(diǎn)柴油)滿足了所有的性質(zhì)指標(biāo)要求，并均按限定的最大外售量產(chǎn)出。重整生產(chǎn)的甲苯、重芳烴全部調(diào)合汽油。由于催化負(fù)荷逐次提高，方案二、方案三、方案四的汽、柴油產(chǎn)量也逐次提高。

表2 全月部分產(chǎn)品銷售比較 萬t

根據(jù)模型內(nèi)設(shè)置的公用工程單耗，模型運(yùn)算出的加工4版方案的變動(dòng)加工費(fèi)分別為：方案一17 775萬元，方案二18 066萬元，方案三18 795萬元，方案四18 212萬元。4版方案的原油成本相同。比較效益則為表2中產(chǎn)品的銷售收入-變動(dòng)加工費(fèi)，得出：方案一為348 134萬元，方案二為349 513萬元，方案三為348 442萬元，方案四為342 461萬元。

由此可見，方案二(即抽出油調(diào)合渣油加氫進(jìn)料)的效益最好，比基礎(chǔ)方案月可增加效益1 379萬元，方案三、方案四(去蠟油、酮苯料調(diào)合催化料)效益不如方案二的好。所以目前的價(jià)格體系下，潤滑油、石蠟路線效益要好于汽、柴油路線效益，建議潤滑油、石蠟繼續(xù)外售，取消抽出油外售，改成調(diào)合渣油加氫進(jìn)料。

3 結(jié)束語

筆者測算應(yīng)用的RPMS是將原油采購、原油切割、常減壓蒸餾、二次裝置加工、成品油調(diào)合及產(chǎn)品出廠銷售等完整地進(jìn)行歸集的數(shù)學(xué)模型，用線性規(guī)劃的方法逐次迭代求解，得到最優(yōu)裝置負(fù)荷和最優(yōu)產(chǎn)品分布，獲得目標(biāo)函數(shù)(最優(yōu)效益)，催化料優(yōu)化測算中RPMS能夠快速地優(yōu)化出每個(gè)方案的最優(yōu)效益，為生產(chǎn)管理人員提供了較好的決策指導(dǎo)。