陸向東

（中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司烯烴一部，浙江寧波 315207）

石油化學工業(yè)在國民經濟和社會發(fā)展中具有舉足輕重的地位，乙烯裝置是石油化學工業(yè)的龍頭，乙烯技術水平的高低是衡量一個國家石油化工發(fā)展水平的重要標志[1]。

裝置運行效益的簡單計算方式是產品獲得的效益減去原料成本，再減去操作費用。在無法控制原料和產品市場價格的基礎上，裝置利潤的提升通常是通過增加高附加值產品產量和降低原料消耗及操作費用來實現(xiàn)，其中增加高附加值產品產量是十分重要的操作手段。對于乙烯裂解裝置而言，各種產品的質量取決于裂解爐的操作運行，由于管式裂解爐涉及到裂解原料的化學反應過程，而反應過程的控制方式對產品價值影響較大，因此裂解爐反應參數(shù)的控制對最終效益十分重要。

裂解爐的優(yōu)化是日常工藝技術管理的主要工作，通常使用模擬軟件來實現(xiàn)，德西尼布所建立的SPYRO軟件是用于乙烯裂解爐的穩(wěn)態(tài)專用過程模擬軟件[2]，目前世界上最為常用，各公司乙烯裂解裝置基本采取此軟件進行模擬[3]。

1 模型建立

1.1 單臺裂解爐模擬運行

對于一定的裂解原料，裂解溫度（COT））和停留時間是影響烴類裂解的主要因素，同時也影響目標烯烴及其他有用產品的收率。在已定的裂解爐、操作負荷及稀釋比工況下，影響目標產品的主要因素為裂解溫度。由于測量的裂解爐管出口溫度與裂解反應的實際溫度之間有10~25℃的溫差，某些裝置的溫度偏差可能超過此范圍，因此直接使用裂解溫度不能有效反應實際原料的裂解效果。

液體裂解原料基本不含乙烯和丙烯，而由對裂解產物的分析可知含有乙烯和丙烯，因此常用丙烯與乙烯的質量比作為液體原料裂解深度的靈敏度指標[4]。

對于SPYRO模擬軟件，模型常輸入的操作參數(shù)為進料量、稀釋蒸汽量、橫跨段溫度、裂解深度或COT以及裂解爐運行時間。針對裂解爐的不同原料，需建立相應的SPYRO模型，為校驗模型的準確性，需根據不同原料和不同操作條件下的模擬結果與實際裝置相同操作條件下運行結果進行比對。某裝置裂解爐常用的裂解原料為LPG、C5、石腦油（NAP）和加氫裂化尾油（HCR）。模型模擬與實際運行結果比對見表1。

表1 不同原料的模擬與實際運行結果比對

不同原料組的模擬運行和裂解爐實際運行結果對比表明，建立的對應各種原料的SPYRO模擬軟件可以較好反應出裂解爐的實際運行狀態(tài)，尤其是液體爐，說明軟件模擬結果可信。

1.2 整體裂解爐模擬運行

根據單臺裂解爐模擬運行模型，搭建反映乙烯裝置所有裂解爐整體運行的模型，具體見圖1。每臺裂解爐的模型對應實際運行的裂解爐，裂解氣匯集后通過模型模擬逐一分離出產品。模型僅考慮裂解爐的操作，沒有考慮下游的分離單元，因此部分產品的損失忽略不計。

圖1 裂解爐整體運行模型

2 不同目標產物下的運行模擬

在裂解爐的進料種類和進料量確定的情況下，裂解爐日常操作調整的主要參數(shù)是裂解爐的出口溫度COT，通過COT的變化改變裂解氣中丙烯與乙烯比來實現(xiàn)目標調整。

2.1 以乙烯收率最大化為目標調整裂解爐

圖2為不同原料不同裂解深度（PE比）下乙烯收率。從圖2可知，在當前裂解原料組成下，不同種類的進料若實現(xiàn)乙烯收率，即乙烯產量的最大化，均需不斷降低裂解深度比，提高裂解爐的COT來實現(xiàn)。但對裂解爐而言，不斷提高裂解爐的COT，勢必使裂解爐爐管結焦趨勢加速，縮短裂解爐的運行周期。

圖2 不同原料不同裂解深度（PE比）下乙烯收率

2.2 以雙烯收率最大化為目標調整裂解爐

圖3為不同原料不同裂解深度（PE比）下雙烯收率。從圖3可知，如實現(xiàn)雙烯收率，即乙烯與丙烯產量最大化，需尋求合適的裂解深度。當前進料量及操作條件下，石腦油和C5的PE比控制在0.5比較合適，加氫裂化尾油PE比控制在0.52比較合適。

圖3 不同原料不同裂解深度（PE比）下雙烯收率

2.3 以高附收率最大化為目標調整裂解爐

圖4為不同原料不同裂解深度（PE比）下高附收率。從圖4可知，如實現(xiàn)裂解產物中高附加值產品收率最大化，即氫氣＋乙烯＋丙烯＋丁二烯＋苯五種高附加值產品產量最大化，這也是考核乙烯裝置產品收率的一項重要指標，需不斷降低PE比，提高裂解爐COT，調整趨勢同乙烯收率變化一致，但同樣問題是提高裂解爐的COT溫度，裂解爐爐管結焦趨勢將加速，縮短裂解爐的運行周期。

圖4 不同原料不同裂解深度（PE比）下高附收率

2.4 以裝置運行效益最大化為目標進行調整

以裝置運行效益最大化為目標調整是裂解爐調整方式中最難的，但也是技術人員應當努力的方向。計算運行效益必須要了解裂解氣中各組分的市場價格，但不是所有組分都有相應的市場價格，需根據乙烯裝置下游配套的裝置情況和主要產品價格進行相應的歸類和測算。

3 裂解氣組分價格的確定

不同的裂解原料經SPYRO模擬運行后，模擬結果依組分由輕到重大約分為80~100種。從裂解氣的成分組成分布可以看出，雖然成分較多，但大部分成分占比較小，且大部分成分沒有實際的市場價格。對裂解氣產品價格影響較大的通常為幾種高附加值組分，如氫氣、乙烯、丙烯、丁二烯和苯。為方便計算裝置運行效益，需根據產品組分實際具有的市場價格和裝置的實際產品分布情況，對近百種產品組分進行相應歸類，詳見表2。

表2 裂解氣組分歸類

在這19種產品中，根據該企業(yè)下游裝置的配套情況及部分產品的市場直接銷售情況，大部分產品有市場銷售價格，在計算效益時可直接使用。而乙烯和丙烯產品是送往該企業(yè)的下游裝置作為裝置原料使用，作為煉化一體化的企業(yè)，不適合直接使用市場價格或內部互供價格，應將下游企業(yè)整合到一起，作為產品流通整體，通過下游裝置的直接市場產品反推回計算乙烯和丙烯的產品價格。乙烷和丙烷產品作為乙烯裝置的中間產品，經過不斷地循環(huán)裂解反應，可通過循環(huán)迭代計算出最后價格。乙炔和MAPD作為裝置的雜質，經過加氫反應器轉化為相應的乙烯和乙烷、丙烯和丙烷來計算相應的價格。

3.1 乙烯產品價格計算方式

由于該企業(yè)乙烯產品分別送往下游環(huán)氧乙烷乙二醇（EOEG）、乙苯（EB）、聚乙烯（PE）、化工園區(qū)、低溫罐等裝置，通過數(shù)據庫系統(tǒng)可獲得各個去處的乙烯每小時消耗量。

3.1.1 計算送往PE裝置中的乙烯價格

首先，按PE產品市場價計算每小時PE裝置產品的效益。然后，計算出裝置反應過程中每小時消耗的丁烯-1的價值和每噸PE的變動費用，由于固定費用主要為員工費用、檢維修費用和管理方面的費用，這些費用變化較大，為保證計算結果的準確性，計算時僅采用變動費用。其次，利用總PE產品價值減去消耗的丁烯-1價值和裝置的變動費用，計算結果為進入裝置的乙烯原料價值，最后利用乙烯原料價值除以乙烯進料量則為進入PE裝置的乙烯價格。

3.1.2 計算送往EOEG裝置中的乙烯價格

按進入PE裝置的計算方式計算EOEG中乙烯價格，EB、低溫罐和化工園區(qū)的乙烯需求根據實際情況直接使用市場價格。

根據進入各裝置的乙烯價格及相應的乙烯量占比，加權平均計算出乙烯裝置的乙烯產品價格。此價格體系的計算方式，是將下游裝置的產品價值和乙烯裝置的產品計算價值整合到一起，主要是因為乙烯裝置的運行和下游裝置緊密聯(lián)系在一起，下游裝置的產品具有實際的市場價格，其實際上影響著此裝置的進料負荷，即影響著乙烯裝置的產品走向。

3.2 丙烯產品價格計算方式

丙烯產品的下游裝置主要為聚丙烯（PP）和環(huán)氧丙烷/苯乙烯（POSM）裝置，由于POSM裝置為獨立公司，產品價格直接采用市場價格，因此先計算出丙烯進入PP裝置的價格，再根據兩套裝置的丙烯產品進料量加權平均計算出乙烯裝置丙烯產品的價格。

3.3 循環(huán)乙烷價格計算方式

循環(huán)乙烷返回裂解爐進入循環(huán)乙烷爐，按裂解爐實際運行情況，通過SPYRO軟件模擬，將裂解氣組分含量多少進行歸類，并通過循環(huán)迭代的方式計算出循環(huán)乙烷的價格。計算結果如表3所示。

表3 循環(huán)乙烷價格計算

通過上面一系列的推算，歸類后的裂解氣19個組分均可獲得相應的價格體系，據此可進行乙烯裝置運行效益的計算。

4 噸原料邊際效益模擬

測算乙烯裝置運行效益的一個常用方法是采用噸裂解原料的邊際效益，利用SPYRO軟件可實現(xiàn)邊際效益的分析[5]。影響計算噸原料邊際效益的因素較多，如煉化一體化上下游運行方式、裂解原料的種類及組成、裂解爐的操作條件（如裂解爐負荷、稀釋比、裂解深度等）、不同時間的產品市場價格及裂解爐本身的運行時間等。

4.1 穩(wěn)定的裂解原料和價格體系下，不同PE比對邊際效益的影響

根據2020年5月下旬該企業(yè)上下游裝置的生產模式和各種產品市場價格體系，針對不同種裂解原料在不同操作條件下的產品分布，對企業(yè)不同裂解原料和不同裂解深度（PE比）下噸乙烯原料邊際效益模擬見圖5。

圖5 不同裂解原料和不同裂解深度（PE比）下邊際效益

從圖5可以看出，在當前裂解原料和產品市場價格體系下，為獲得較大的噸原料邊際效益應保持石腦油和C5原料裂解爐裂解深度為0.50左右，加裂尾油裂解深度為0.57左右。從圖4和圖5可以看出，要同時盡可能滿足不同的操作目標，同一種原料應綜合考慮操作條件。

4.2 穩(wěn)定的裂解原料和操作條件下，不同市場價格對不同原料邊際效益影響

近兩年化工產品市場價格變化較大，尤其是受2020年初疫情影響，使得部分產品價格發(fā)生了較大變化，與以往的市場價格完全不同。因此，特選取2019年1月、2020年1月和2020年5月三個有代表性不同時期的產品市場價格體系計算噸原料邊際效益，見圖6。

圖6 不同時期市場價格對邊際效益的影響

從圖6可以看出，在裂解爐原料和運行條件穩(wěn)定的情況下，三個不同時間點的市場產品價格體系對噸原料邊際效益影響明顯。

4.3 穩(wěn)定的裂解原料下，不同的PE比和不同市場價格對相同原料邊際效益的影響

從圖7可以看出，在以石腦油為裂解原料的裂解爐運行過程中（均約定PE比0.5），2019年1月的噸原料邊際效益約為4 636.2元/噸，到2020年1月噸原料邊際效益已上升到5 128元/噸，說明化工市場價格處于平穩(wěn)上升階段。但到了疫情期間，化工產品市場價格大幅下降，在2020年5月，噸原料邊際效益已降到了4 027.4元/噸。最佳效益點隨PE不同和價格不同而變化。

圖7 不同時期噸石腦油原料邊際效益與裂解深度關系

圖8為不同時期噸加裂尾油原料邊際效益與裂解深度。由圖8可以看出，在以加裂尾油為裂解原料的裂解爐運行過程中（均約定PE比0.57），2019年1月的噸原料邊際效益約為4 846.3元/噸，到2020年1月噸原料邊際效益已上升到5 347元/噸，5月噸原料邊際效益降到了4 078.5元/噸。最佳效益點隨PE不同和價格不同而變化。

圖8 不同時期噸加裂尾油原料邊際效益與裂解深度關系

圖9為不同時期噸C5原料邊際效益與裂解深度。由圖9可以看出，在以C5為裂解原料的裂解爐運行過程中（均約定裂解深度為0.55），2019年1月的噸原料邊際效益約為4 672元/噸，到2020年1月噸原料邊際效益上升到5 227元/噸，5月噸原料邊際效益降到了4 137元/噸。最佳效益點隨PE不同和價格不同而變化。

圖9 不同時期噸C5原料邊際效益與裂解深度關系

從石腦油、加裂尾油和C5裂解原料邊際效益變化可以看出，在不同時期的市場產品價格體系下，即使同一種原料，為獲得最大的經濟效益，相同裂解爐的操作溫度也不相同。因此，裂解爐操作過程中應根據市場價格變化及時調整操作條件。

另外，在裂解爐運行過程中，為獲得最大經濟效益，在乙烯裝置裂解爐混合進料時，原料組合的利用順序應考慮不同原料的不同時期的噸原料邊際效益差別，盡可能增加使用噸原料邊際效益好的原料作為裂解原料。在單臺裂解爐負荷下調中，應減少噸原料邊際效益差的原料使用量。在單臺裂解爐負荷上調中，應增加噸原料邊際效益好的原料使用量。因此，為獲得最佳的經濟效益，裂解爐日常操作應進行動態(tài)調整。

4.4 相同價格體系和裂解深度下，裂解爐不同運行時間的最佳優(yōu)化點

圖10為不同運行時間、相同裂解深度下石腦油以及加氫裂化尾油的高附收率和邊際效益趨勢。

圖10 不同運行時間、相同裂解深度下石腦油和尾油高附收率和邊際效益關系

從圖10可以看出，在相同價格體系和相同裂解深度下（以2020年1月份產品市場價格體系和石腦油及加裂尾油的裂解深度分別為0.5和0.6測算），裝置噸裂解原料邊際效益和高附收率隨著裂解爐運行時間的變化而改變?？傮w而言，石腦油原料在運行初期（大約60天以內），裂解爐的高附產品收率和噸原料邊際效益相對較高，但到運行后期，高附收率和邊際效益均下降較快。加裂尾油在運行初期邊際效益下降較快，隨后比較平穩(wěn)，但運行70天后邊際效益開始下降；高附產品收率從運行開始收率逐漸升高。因此，裂解爐在考慮噸原料邊際效益最大化前提下，應適度控制裂解爐運行周期，安排燒焦。

5 結論

通過利用SPYRO模擬軟件，對裂解爐各種裂解原料的運行工況進行了運行模擬。針對100余種的裂解氣組分和實際的產品市場價格情況，利用組分歸類、價格反推和迭代測算等方式計算出接近實際應用的各種產品價格體系。同時，利用產品價格體系和SPYRO軟件模擬，分別測算不同時期產品價格體系對裝置運行效益最大化的影響，以及相同價格體系下，裂解深度和運行時間對裂解爐運行效益最大化的影響。

通過模擬可知，裂解爐運行噸原料邊際效益的最大化是一個動態(tài)過程，原料本身組成的變化、產品市場價格體系的變化、操作參數(shù)的調整及裂解爐運行時間的長短等諸多因素都對最終結果產生影響。因此，優(yōu)化過程中僅僅通過人為調整根本無法實現(xiàn)裂解爐噸原料邊際效益的最大化，只有借助先進優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件，如實時優(yōu)化系統(tǒng)軟件才能最終實現(xiàn)乙烯裝置運行效益的實時最大化[6]，提高裝置的績效水平，增強裝置競爭力。