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        PIMS參數(shù)分析在生產(chǎn)計(jì)劃管理中的應(yīng)用

        2021-05-12 09:46:56蔡光亮
        關(guān)鍵詞:石腦油丙烯聚丙烯

        蔡光亮

        (上海賽科石油化工有限責(zé)任公司,上海 201507)

        采用Aspen Tech公司開(kāi)發(fā)的PIMS軟件,利用線性規(guī)劃、Delta-Base模型化以及分布遞歸等技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型,利用此模型可模擬企業(yè)的生產(chǎn)流程,以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)[1],實(shí)現(xiàn)原料優(yōu)化、產(chǎn)品優(yōu)化、流向優(yōu)化,計(jì)算盈虧平衡點(diǎn),尋找系統(tǒng)瓶頸等功能[2];能滿足計(jì)劃測(cè)算和生產(chǎn)優(yōu)化的需要,為企業(yè)提供最優(yōu)的生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)方案,提高企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益。

        Aspen Tech公司對(duì)PIMS軟件不斷完善改進(jìn)、推陳出新,2010年發(fā)布了PIMS 18.2版本。與舊版本相比,該版本新增的PIMS AO功能大大提高了軟件的實(shí)用性。AO分析功能包括參數(shù)分析、目標(biāo)規(guī)劃、范圍分析、簡(jiǎn)約材料,其中最常用的是參數(shù)分析工具[3],PIMS AO參數(shù)分析工具用于評(píng)估物料價(jià)格的變化對(duì)模型目標(biāo)函數(shù)或某個(gè)變量運(yùn)行結(jié)果的影響。應(yīng)用參數(shù)分析工具,可估算目標(biāo)函數(shù)、產(chǎn)品銷售量及裝置負(fù)荷如何隨原料或產(chǎn)品價(jià)格的變化而變化。

        實(shí)踐表明,針對(duì)企業(yè)裝置的特點(diǎn),PIMS參數(shù)分析可以有效應(yīng)用于生產(chǎn)計(jì)劃管理、優(yōu)化原料選購(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、調(diào)整加工方案等,以充分發(fā)揮生產(chǎn)裝置上下游一體的特色,提升企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

        1 裝置的工藝特點(diǎn)及生產(chǎn)優(yōu)化的重點(diǎn)方向

        上海賽科石油化工有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱賽科)是以乙烯裝置為龍頭的石油化工一體化企業(yè),主要生產(chǎn)乙烯、丙烯、聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈等化工產(chǎn)品。乙烯裝置主要以外購(gòu)的石腦油為裂解原料,乙烯裝置的原料采購(gòu)成本在公司的運(yùn)營(yíng)成本中占比較大,因此乙烯裝置原料的優(yōu)化顯得尤為重要。原料優(yōu)化的方向包括多種類原料優(yōu)化、石腦油優(yōu)化和裂解爐裂解深度的優(yōu)化。原料優(yōu)化的目標(biāo)是為了評(píng)估不同原料的經(jīng)濟(jì)性,計(jì)算出每種原料能夠?yàn)橘惪茙?lái)的單位貢獻(xiàn),并按貢獻(xiàn)大小形成排序表,為商務(wù)采購(gòu)提供依據(jù)。

        賽科乙烯裝置有可能加工的裂解原料有石腦油、丙烷和丁烷,通過(guò)調(diào)用SPYRO回歸的非線性模型,在PIMS-AO模型中對(duì)應(yīng)這3種原料分別建立了石腦油爐、丙烷爐和丁烷爐模型,可以模擬3種原料單獨(dú)裂解和混合裂解工況,測(cè)算出產(chǎn)品收率及經(jīng)濟(jì)效益。

        賽科乙烯裝置生產(chǎn)的丙烯內(nèi)供給聚丙烯裝置和兩套丙烯腈裝置作為原料,但賽科還存在一定的丙烯缺口需要外購(gòu),同時(shí)賽科的烯烴轉(zhuǎn)換裝置利用乙烯和碳四作為原料可生產(chǎn)丙烯,因此在丙烯產(chǎn)品鏈的優(yōu)化上存在較大的空間。

        2 利用PIMS-AO參數(shù)分析功能進(jìn)行原料、產(chǎn)品鏈和操作參數(shù)優(yōu)化

        2.1 賽科裂解原料優(yōu)化

        原料優(yōu)化的方法是利用優(yōu)化軟件PIMS-AO的批量工況優(yōu)化計(jì)算功能,創(chuàng)建每種原料的加工工況,將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總,形成原料貢獻(xiàn)排序表。在賽科的PIMS模型中,針對(duì)裂解爐模型設(shè)置了4個(gè)裂解操作變量:裂解爐進(jìn)料量、裂解爐輻射段爐管出口溫度(COT)、出口壓力(COP)和汽烴比,一種操作變量的組合代表一種裂解深度,優(yōu)化的裂解深度決定了優(yōu)化的產(chǎn)品收率,而優(yōu)化的裂解深度是PIMS基于指定的價(jià)格體系,以總體利潤(rùn)為目標(biāo),綜合考慮了裝置負(fù)荷和產(chǎn)品合同量等約束條件計(jì)算出的結(jié)果。

        2.1.1 多種類原料優(yōu)化

        (1)原料標(biāo)的:石腦油(規(guī)格選取2019年加工石腦油的平均規(guī)格)、丙烷和混合丁烷。

        (2)價(jià)格體系:選取2019年的月平均價(jià)格。

        (3)約束條件:2019年賽科裝置平均負(fù)荷,平均產(chǎn)品銷售合同量。裂解操作變量不做約束。

        (4)工況設(shè)置:賽科裝置共有9臺(tái)石腦油裂解爐,選擇其中1臺(tái)加工丙烷或丁烷,其他8臺(tái)加工石腦油。

        (5)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所示。由表1可知:加工丙烷和丁烷存在長(zhǎng)期盈利的機(jī)會(huì),盈虧拐點(diǎn)分別為1.04倍和1.07倍的石腦油價(jià)格;丙烷和丁烷兩種原料替代石腦油后增加效益都很顯著,相對(duì)的,丁烷能夠帶來(lái)更多的利潤(rùn)。

        表1 與石腦油相比輕烴原料的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)

        2.1.2 石腦油原料優(yōu)化

        在計(jì)算每種石腦油單位貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步關(guān)聯(lián)石腦油規(guī)格指標(biāo)以及主要產(chǎn)品收率等,進(jìn)行深度分析,不僅可以為商務(wù)采購(gòu)提供保本價(jià)的支持,還能從市場(chǎng)上發(fā)現(xiàn)對(duì)賽科更具經(jīng)濟(jì)性的石腦油品種,使原料優(yōu)化更加主動(dòng)。

        (1)原料標(biāo)的:選取6種石腦油,規(guī)格數(shù)據(jù)按2019年平均值計(jì)算。石腦油規(guī)格見(jiàn)表2所示。

        表2 賽科使用的典型石腦油規(guī)格

        (2)價(jià)格體系:選取2019年的月平均價(jià)格。

        (3)約束條件:2019年賽科平均裝置負(fù)荷,平均產(chǎn)品銷售合同量。裂解操作變量不約束。

        (4)工況設(shè)置:根據(jù)賽科實(shí)際原料的構(gòu)成(75%合同采購(gòu)量+25%市場(chǎng)采購(gòu)量),每個(gè)工況都加工9 kt/d的管道合同石腦油,剩余的加工能力由模型為每種標(biāo)的石腦油計(jì)算出優(yōu)化加工量。

        (5)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所示。通過(guò)PIMS的RW功能,創(chuàng)建報(bào)表模板,從結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)文件讀取數(shù)據(jù),生成自定義的報(bào)表。表3中左側(cè)的排序只考慮了原料規(guī)格對(duì)效益的影響,右側(cè)的排序在此基礎(chǔ)上又考慮了采購(gòu)到貨成本價(jià)的綜合效益的影響。裂解產(chǎn)品的收率見(jiàn)表4所示。石腦油質(zhì)量貢獻(xiàn)排序與乙烯收率、丙烯收率和高附加值產(chǎn)品收率(HVC)有明顯的關(guān)聯(lián)性,質(zhì)量效益排名越靠前,雙烯收率和HVC值越高。石腦油貢獻(xiàn)與石腦油密度、烷烴總量、芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及HVC的關(guān)系分別見(jiàn)圖1~4。

        表3 石腦油貢獻(xiàn)排序(以ZH石腦油為基準(zhǔn))

        表4 裂解產(chǎn)品收率 %

        圖1 石腦油貢獻(xiàn)與密度的關(guān)系

        圖2 石腦油貢獻(xiàn)與烷烴總量的關(guān)系

        圖3 石腦油貢獻(xiàn)與芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

        圖4 石腦油貢獻(xiàn)與HVC的關(guān)系

        (6)在現(xiàn)有價(jià)格體系下,以丙烷或丁烷替代石腦油,每月可增加效益230萬(wàn)~330萬(wàn)美元,還可以有效緩解石腦油供應(yīng)短缺的問(wèn)題。從6種標(biāo)的石腦油貢獻(xiàn)看,每1 t相差為10美元,如果以每月120 kt的加工量計(jì)算,總體貢獻(xiàn)相差可達(dá)到120萬(wàn)美元。石腦油的優(yōu)化方向依次為:高烷烴總量、低密度、低芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)。若石腦油同時(shí)滿足高烷烴總量、低密度和低芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù),將有更好的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)。

        2.2 賽科丙烯產(chǎn)品鏈優(yōu)化

        2.2.1 丙烯物流走向分析

        賽科丙烯物流走向如圖5所示。丙烯供應(yīng)方包括:A—市場(chǎng)采購(gòu),補(bǔ)充下游裝置產(chǎn)能的不足,丙烯與石腦油差價(jià)越大,采購(gòu)成本越高,經(jīng)濟(jì)性越差;B—裂解產(chǎn)出,滿足大部分下游裝置的需求,通常成本較低;C—烯烴轉(zhuǎn)化裝置產(chǎn)出,由乙烯和混合碳四生產(chǎn)的丙烯可補(bǔ)充下游缺口,經(jīng)濟(jì)性受丁二烯價(jià)格影響較大。

        丙烯需求方包括:D—1#丙烯腈裝置的進(jìn)料,經(jīng)濟(jì)性受丙烯腈與丙烯價(jià)差的影響;E—2#丙烯腈裝置的進(jìn)料,經(jīng)濟(jì)性同上,與D的差異是操作成本不同;F—聚丙烯裝置進(jìn)料,經(jīng)濟(jì)性取決于聚丙烯與丙烯的差價(jià)。利用優(yōu)化軟件PIMS-AO的批量工況優(yōu)化計(jì)算功能,通過(guò)編制模型工況、模擬計(jì)算和數(shù)據(jù)對(duì)比,可以探索丙烯產(chǎn)品優(yōu)化的方向。

        圖5 賽科丙烯物流走向

        2.2.2 丙烯需求方優(yōu)化方向分析

        (1)PIMS分析

        PIMS的運(yùn)行基于生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)負(fù)荷的基礎(chǔ)工況,通過(guò)其RW報(bào)表工具獲取結(jié)果數(shù)據(jù),然后鏈接到丙烯下游的邊際效益工況中,從PIMS的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)文件中獲取物流D、E和F的邊際效益,并建立各物流的優(yōu)先次序,丙烯需求方優(yōu)化方向見(jiàn)表5所示,丙烯價(jià)格敏感性分析見(jiàn)圖6所示。

        表5 丙烯需求方優(yōu)化方向

        圖6 丙烯價(jià)格敏感性分析

        (2)丙烯需求方優(yōu)化結(jié)果

        由表5可知:丙烯在需求方的邊際效益次序隨價(jià)格體系而發(fā)生改變。在2015年和2016年,用丙烯生產(chǎn)聚丙烯比生產(chǎn)丙烯腈更有效益;而在2017—2019年期間,用丙烯生產(chǎn)丙烯腈比生產(chǎn)聚丙烯更有效益。優(yōu)化方向變化是由下游產(chǎn)品與原料丙烯的價(jià)格差引起的。模擬計(jì)劃的結(jié)果顯示:丙烯腈與丙烯的價(jià)差若超過(guò)聚丙烯與丙烯差價(jià)的1.5倍,則優(yōu)先生產(chǎn)丙烯腈,反之優(yōu)先生產(chǎn)聚丙烯。

        2.2.3 丙烯供應(yīng)方優(yōu)化方向分析

        (1)PIMS分析

        丙烯的市場(chǎng)價(jià)格對(duì)采購(gòu)丙烯(A)和裂解自產(chǎn)丙烯(B)的影響最大,采用PIMS-AO的參數(shù)分析功能,進(jìn)行價(jià)格敏感性分析,可以確定二者優(yōu)化方向的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

        (2)丙烯供應(yīng)方優(yōu)化結(jié)果

        由圖6丙烯價(jià)格敏感性分析可知:隨著丙烯價(jià)格的增加,丙烯采購(gòu)意愿下降,當(dāng)丙烯價(jià)格為1 014美元/t時(shí),停止丙烯采購(gòu)。由于丙烯數(shù)量減少,模型選擇聚丙烯裝置降負(fù)荷運(yùn)行,其原因是在丙烯需求方中聚丙烯的優(yōu)先次序排在最后,此時(shí)對(duì)應(yīng)價(jià)格的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為丙烯與石腦油的差價(jià)472美元/t,丙烯與石腦油的價(jià)格比為1.87。

        2.3 賽科裂解操作參數(shù)優(yōu)化

        選取2019年賽科實(shí)際生產(chǎn)工況,以乙烯裝置2#~9#裂解爐4組COT代表不同的裂解深度作為數(shù)據(jù)樣本。以樣本數(shù)據(jù)為計(jì)算條件,模擬計(jì)算主要裂解產(chǎn)品的收率。隨著裂解深度的降低,甲烷氫和乙烯收率減少,丙烯碳四和裂解汽油收率增加;爐子結(jié)焦速率減少,燒焦周期延長(zhǎng)。PIMS計(jì)算結(jié)果顯示,COT從843 ℃降至833 ℃,乙烯產(chǎn)量減少2.2%,丙烯產(chǎn)量增加4.4%,爐子燒焦周期延長(zhǎng)10.2%。

        2019年賽科每周利用PIMS-AO軟件模擬實(shí)際工況下裂解深度對(duì)裂解產(chǎn)品收率及裂解爐結(jié)焦速率的影響,研究跟蹤并優(yōu)化裂解爐操作參數(shù),提高當(dāng)量產(chǎn)品收率并提升公司的整體效益。由于市場(chǎng)丙烯產(chǎn)品鏈較好,從3月下旬開(kāi)始對(duì)裂解COT進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,COT從845 ℃降低到830 ℃,2019年COT優(yōu)化累計(jì)增加效益9 080萬(wàn)元。

        3 結(jié)論

        (1)利用PIMS軟件可以模擬生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程并優(yōu)化排產(chǎn)。根據(jù)市場(chǎng)銷售預(yù)測(cè)、原料供應(yīng)情況和生產(chǎn)約束,制定和優(yōu)化公司生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)計(jì)劃。

        (2)運(yùn)用PIMS-AO的RW報(bào)表工具建立原料排序,可以優(yōu)化石腦油及其他裂解原料的選擇。

        (3)根據(jù)市場(chǎng)變化及時(shí)調(diào)整策略,優(yōu)化裂解操作參數(shù),實(shí)現(xiàn)公司全產(chǎn)品鏈效益最大化。

        (4)運(yùn)用PIMS的價(jià)格敏感性分析,可以優(yōu)化不同的丙烯腈及聚丙烯市場(chǎng)環(huán)境(銷售量及價(jià)格的變化)下,丙烯產(chǎn)品鏈的負(fù)荷調(diào)整方向及丙烯的采購(gòu)或銷售策略。

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