大型石化集團(tuán)MPIMS模型的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

劉文強(qiáng)

(江蘇盛虹石化產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司,江蘇 連云港 222000)

隨著國(guó)際原油價(jià)格的不斷攀升以及原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化趨勢(shì)日益明顯,煉油化工企業(yè)面臨著生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)降低甚至虧損的局面。眾多國(guó)際煉油化工企業(yè)從生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的各個(gè)環(huán)節(jié)著手,采取了各種措施來(lái)減少虧損,提高整體經(jīng)濟(jì)效益。面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和生存與發(fā)展的需求,某大型石化集團(tuán)開(kāi)始重視利用信息化技術(shù)提升業(yè)務(wù)能力與核心競(jìng)爭(zhēng)能力,使煉油化工企業(yè)朝著信息化、智能化的方向發(fā)展。

該大型石化集團(tuán)從美國(guó)AspenTech公司引進(jìn)了用于企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化管理的流程工業(yè)模型系統(tǒng)(Process Industry Modeling System,PIMS)軟件,并開(kāi)發(fā)完成煉油化工生產(chǎn)模型以及3個(gè)煉廠集成的多煉廠生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化(Multi PlantIndustry Modeling System,MPIMS)模型,在集團(tuán)和所屬煉化企業(yè)進(jìn)行了推廣及應(yīng)用。集團(tuán)層面往往要考慮多個(gè)子公司的全局最優(yōu),而該最優(yōu)效益并不是單個(gè)子公司優(yōu)化效益的簡(jiǎn)單疊加。通過(guò)建立集團(tuán)層面的MPIMS模型,可以統(tǒng)一整合與分配集團(tuán)內(nèi)各子公司的資源和產(chǎn)品,優(yōu)化整個(gè)集團(tuán)內(nèi)各子公司的中間產(chǎn)品互供,根據(jù)市場(chǎng)情況和集團(tuán)內(nèi)各子公司的生產(chǎn)能力,充分利用現(xiàn)有資源和設(shè)備提高集團(tuán)公司的效益,從而使整個(gè)集團(tuán)的效益達(dá)到全局最優(yōu)。

1 PIMS軟件介紹及其機(jī)理

1.1 Aspen PIMS軟件介紹

PIMS軟件是由美國(guó)Aspen Tech公司開(kāi)發(fā),以經(jīng)濟(jì)規(guī)劃為目的,以線性規(guī)劃(LP)為技術(shù)的煉油化工優(yōu)化軟件[1]。該系統(tǒng)結(jié)合企業(yè)自身的裝置流程、參數(shù)和經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)所開(kāi)發(fā)的煉油、化工企業(yè)PIMS模型,可以用于企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)效益最大化的目標(biāo),包括原油選擇、生產(chǎn)計(jì)劃方案優(yōu)化、技術(shù)評(píng)價(jià)等[2]。PIMS系統(tǒng)包括單廠單周期模型系統(tǒng)(單廠PIMS)、多周期模型系統(tǒng)(PPIMS)、多廠模型系統(tǒng)(MPIMS)、多廠多周期模型系統(tǒng)(XPIMS)等。

1.2 MPIMS及其運(yùn)行機(jī)理

MPIMS與單廠PIMS基于相同的原理,均基于LP技術(shù),在一定約束下為達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。MPIMS通過(guò)將多個(gè)單廠PIMS模型進(jìn)行有效集成連接在一起,形成一個(gè)復(fù)雜的多源、多廠、多市場(chǎng)供應(yīng)、需求及銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)的集成MPIMS模型。LP是運(yùn)籌學(xué)中用得最為廣泛的一個(gè)分支,它關(guān)心的是有限資源在有競(jìng)爭(zhēng)性活動(dòng)空間、在一組約束下的最優(yōu)分配,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化[3]。同時(shí)LP是一個(gè)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,該過(guò)程可以是一個(gè)煉油廠、化工廠、銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)或是含有變量和約束條件的任何場(chǎng)合。對(duì)于利用MPIMS技術(shù)建立的多廠優(yōu)化模型,通過(guò)將多個(gè)企業(yè)的原油采購(gòu)、原油加工、流程優(yōu)化等煉油生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行模擬、計(jì)算,得出總體效益最大化情況下的優(yōu)化解[4]。

MPIMS既可以將多個(gè)具有同類(lèi)型生產(chǎn)過(guò)程的煉油單廠PIMS模型進(jìn)行集成,也可以將多個(gè)不同類(lèi)型生產(chǎn)過(guò)程的單廠PIMS模型進(jìn)行集成。煉油化工一體化企業(yè)MPIMS(簡(jiǎn)稱(chēng)煉化一體MPIMS)模型就是將不同類(lèi)型生產(chǎn)過(guò)程的煉油廠模型和化工廠模型集成起來(lái)的模型。它能夠綜合考慮煉油與化工多個(gè)板塊的約束條件,尋找煉油與化工的最佳結(jié)合點(diǎn),最終達(dá)到總體目標(biāo)函數(shù)最大的執(zhí)行方案,即找到最佳的原油品種結(jié)構(gòu),最佳的化工原料互供方案,最佳的煉油、化工產(chǎn)品品種結(jié)構(gòu),最佳的裝置生產(chǎn)方案等,并實(shí)現(xiàn)三者之間最科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)配合,從而取得最好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 MPIMS模型開(kāi)發(fā)

2.1 模型構(gòu)建

該集團(tuán)MPIMS模型主要包括煉化(R1)和化工一廠(C1)和化工二廠(C2),2023年2月項(xiàng)目開(kāi)始立項(xiàng),2023年3—4月完成R1、C1、C2建模及模型準(zhǔn)確性測(cè)試;2023年5—6月完成包括R1、C1、C2的煉油一體化MPIMS模型建模及準(zhǔn)確性測(cè)試,并于2023年7月開(kāi)始上線運(yùn)行。

(1)建立廠際物料互供網(wǎng)絡(luò)

MPIMS模型的互供物料需要按照實(shí)際物流邏輯在TRANSFER表中進(jìn)行建設(shè),除此之外,還可以考慮將未來(lái)潛在的互供物料提前搭建到模型當(dāng)中,這樣可以利用一體化MPIMS模型進(jìn)行潛在互供物料的價(jià)值測(cè)算,挖掘可能的一體化效益提升方案。模型中設(shè)定了10種已經(jīng)互供和潛在互供的物料,互供物料品種可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求隨時(shí)進(jìn)行添加,互供料網(wǎng)絡(luò)示意見(jiàn)表1。

表1 互供物料網(wǎng)絡(luò)示意

(2)建立基于分子煉油層級(jí)的原油切割數(shù)據(jù)庫(kù)

傳統(tǒng)LP建模中切割原油的方式是基于集總模型和虛擬組分模型,集總法實(shí)質(zhì)上是將復(fù)雜反應(yīng)體系中眾多的單一化合物,按其動(dòng)力學(xué)特性相似的原則,歸并為若干個(gè)虛擬組分[5]。在石油餾分中,隨著碳原子數(shù)目的增加,同一個(gè)化學(xué)式的同分異構(gòu)體數(shù)量也呈指數(shù)級(jí)上升,因此,鑒別石油中單體化合物的數(shù)量是有一定難度的[6],采取其他表征方法進(jìn)行歸類(lèi)分析是完全必要的,并更加具有應(yīng)用價(jià)值。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需求及產(chǎn)品質(zhì)量要求,在LP模型的原油切割中將原油中石腦油餾分進(jìn)行碳原子切割(C4～C12),這樣既能滿(mǎn)足連續(xù)重整和芳烴聯(lián)合裝置原料及產(chǎn)品性質(zhì)準(zhǔn)確性的要求,又能控制模型的行列式規(guī)模,保證模型運(yùn)行的穩(wěn)定性。

(3)根據(jù)原料性質(zhì)差異建立乙烯裝置不同裂解爐爐型

乙烯裝置對(duì)不同原料分別設(shè)立了不同裂解爐爐型的模型,如輕石腦油裂解爐、液化氣裂解爐、異戊烷裂解爐、異己烷裂解爐、加氫尾油裂解爐、抽余油裂解爐、丙烷裂解爐、乙烷裂解爐等。石腦油裂解爐爐型中針對(duì)不同石腦油的鏈烷烴含量設(shè)立了不同裂解爐爐型,目的是盡可能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)不同原料的裂解價(jià)值。

(4)利用FineReport設(shè)計(jì)模型報(bào)表

PIMS自帶ARW的報(bào)表輸出系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)報(bào)表多樣性需求,利用FineReport報(bào)表軟件便于開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn),可以方便設(shè)計(jì)符合煉化優(yōu)化人員統(tǒng)計(jì)需求的報(bào)表格式:投入與產(chǎn)出表(包括綜合商品收率、自用率、加工損失等在內(nèi)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo))、裝置流程圖、產(chǎn)品調(diào)和報(bào)表、裝置燃動(dòng)消耗表、全廠氫氣平衡表、全廠硫平衡表、公用工程平衡表、利潤(rùn)與成本明細(xì)表等,有利于展示LP模型運(yùn)算結(jié)果,方便煉化優(yōu)化人員根據(jù)習(xí)慣查詢(xún)和使用生產(chǎn)相關(guān)報(bào)表及數(shù)據(jù)。

(5)MPIMS模型準(zhǔn)確性校核

為了保證MPIMS模型能夠準(zhǔn)確反映煉化生產(chǎn)實(shí)際情況,采用2023年4月的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)分別對(duì)R1、C1、C2模型進(jìn)行精準(zhǔn)度校核,將裝置實(shí)際物料投入及產(chǎn)出、裝置及全廠燃動(dòng)消耗、全廠經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)與模型運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。模型運(yùn)行結(jié)果與裝置產(chǎn)品收率的偏差為0.3%～0.5%,裝置燃動(dòng)消耗偏差不大于5%,可比經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)偏差不大于5%,符合模型測(cè)算要求。

2.2 模型功能

煉化一體MPIMS模型可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能:

(1)煉化一體MPIMS模型中包含煉油PIMS和化工PIMS,兩者可以單獨(dú)運(yùn)行,也可以聯(lián)合運(yùn)行。

(2)利用煉化一體化MPIMS模型,可以?xún)?yōu)化企業(yè)的原油品種與結(jié)構(gòu),為企業(yè)原油的優(yōu)化選擇提供依據(jù),也可以?xún)?yōu)化化工原料結(jié)構(gòu),為乙烯料優(yōu)化提供參考。

(3)在資源確定的前提下,可以?xún)?yōu)化煉油與化工整體生產(chǎn)方案,作為選擇煉化一體化企業(yè)效益最佳化生產(chǎn)模式的依據(jù)。

(4)結(jié)合產(chǎn)品市場(chǎng)需求與價(jià)格情況,可以?xún)?yōu)化煉油與化工產(chǎn)品的品種結(jié)構(gòu)。

(5)可以?xún)?yōu)化企業(yè)內(nèi)部物流走向,為企業(yè)的內(nèi)部物流優(yōu)化分配提供參考。

(6)可以計(jì)算原料與產(chǎn)品的盈虧平衡點(diǎn),為單個(gè)原料和產(chǎn)品的價(jià)格定位提供依據(jù)。

(7)可以靈活地對(duì)不同生產(chǎn)流程進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估,作為企業(yè)規(guī)劃方案比較的工具。

2.3 模型特點(diǎn)

(1)煉油PIMS模型考慮了煉油生產(chǎn)的特點(diǎn),化工PIMS模型考慮了化工的生產(chǎn)特點(diǎn),煉化一體化MPIMS模型綜合了兩種生產(chǎn)的特點(diǎn),在確保企業(yè)總體效益的前提下,兼顧了煉油與化工的效益。計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)了煉油與化工的最佳結(jié)合方式,而且MPIMS運(yùn)行結(jié)果中既有綜合報(bào)表又有單廠報(bào)告,給結(jié)果分析帶來(lái)了很大方便。

(2)在單獨(dú)運(yùn)行時(shí),可以反映煉油或化工單廠效益最大化情況,聯(lián)合運(yùn)行時(shí)能夠體現(xiàn)煉油與化工整體效益的最大化,可以由不同管理層次的人員,根據(jù)不同問(wèn)題的分析需要來(lái)靈活選取運(yùn)行方式。

(3)MPIMS模型不僅在煉油和化工單廠模型內(nèi)部,而且在煉油與化工模型之間實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵物性的傳遞,能更貼切地反映生產(chǎn)實(shí)際情況。

(4)模型對(duì)裝置的進(jìn)料與產(chǎn)出按實(shí)際情況進(jìn)行了控制,計(jì)算結(jié)果具有可操作性。

3 MPIMS模型應(yīng)用

MPIMS模型可以廣泛應(yīng)用于煉化生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化的各個(gè)方面,該集團(tuán)MPIMS模型于2023年7月上線以來(lái),廣泛應(yīng)用于原油結(jié)構(gòu)優(yōu)化、互供物料優(yōu)化等方面。

3.1 互供物料價(jià)值測(cè)算

煉油化工一體化的核心之一就是優(yōu)化煉油與化工之間的物料互供,找到煉化之間的最佳結(jié)合點(diǎn),每月根據(jù)不同原料及產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格,定期測(cè)算互供物料價(jià)值及互供物料數(shù)量。優(yōu)化方案1是在基礎(chǔ)方案之上將煉油與化工之間物料互供數(shù)量放開(kāi),運(yùn)算后將其計(jì)算結(jié)果與基礎(chǔ)方案進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表2)。

表2 互供物料優(yōu)化方案結(jié)果對(duì)比

測(cè)算結(jié)果表明:互供物料放開(kāi)后,煉油與化工之間互供物料的數(shù)量和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,全月增加互供丙酮15.0 kt、丙烷1.1 kt、乙酸乙烯8.8 kt,減少互供乙烯30.8 kt、丙烯3.5 kt,全月毛利增加1 575萬(wàn)元,增效可觀,說(shuō)明煉油化工之間的優(yōu)化具有十分重要的意義。

3.2 甲醇制乙烯(MTO)裝置開(kāi)停工效益測(cè)算

該集團(tuán)子公司C1化工廠建有加工能力為2.2 Mt/a MTO裝置,年產(chǎn)370 kt乙烯和470 kt丙烯,其中乙烯在下游裝置滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的工況下,缺口量為73 kt/a,需依托子公司煉化廠R1互供;丙烯在下游裝置滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的工況下,富余量為350 kt/a,外銷(xiāo)。受乙烯、丙烯外銷(xiāo)能力的影響,需重新平衡雙烯產(chǎn)銷(xiāo)存情況,同時(shí)兼顧效益,對(duì)此在集團(tuán)層面評(píng)估MTO裝置開(kāi)停工對(duì)總體效益的影響及相關(guān)聯(lián)裝置負(fù)荷情況(詳見(jiàn)表3)。

表3 原油選擇優(yōu)化方案對(duì)比

表3 MTO裝置開(kāi)停工效益測(cè)算結(jié)果對(duì)比

結(jié)果表明:在測(cè)算價(jià)格體系下,與MTO裝置不開(kāi)工的工況相比,全月增產(chǎn)乙烯15.6 kt、丙烯24.3 kt、乙二醇26.2 kt,裝置效益損失2 401萬(wàn)元。在當(dāng)前市場(chǎng)行情下,MTO停工對(duì)整體效益較好,同時(shí)下游裝置保持1套乙二醇及2套丙烯腈裝置運(yùn)行。

3.3 原油結(jié)構(gòu)優(yōu)化

當(dāng)煉化PIMS模型單獨(dú)運(yùn)行時(shí),原油采購(gòu)一般根據(jù)性?xún)r(jià)比排序擇優(yōu)選擇,未考慮下游化工廠的原料優(yōu)化,當(dāng)從集團(tuán)層面煉化一體化角度考慮時(shí),原油的選擇可以獲得更大的優(yōu)化。

采用MPIMS模型進(jìn)行月度計(jì)劃優(yōu)化時(shí),分別使用PIMS模型對(duì)煉油廠進(jìn)行單廠原油選擇優(yōu)化(方案1)和使用MPIMS模型(方案2)進(jìn)行一體化原油選擇優(yōu)化,結(jié)果如表3所示。

測(cè)算結(jié)果表明:使用MPIMS模型進(jìn)行一體化優(yōu)化時(shí),模型建議煉廠增加石腦油收率較高的上扎庫(kù)姆原油的采購(gòu)數(shù)量,減少阿曼原油的采購(gòu)數(shù)量,石腦油加氫及重整裝置負(fù)荷增加4%、乙烯負(fù)荷增加3%,當(dāng)月增產(chǎn)對(duì)二甲苯0.4 kt、苯0.2 kt、乙烯0.1 kt。這一原油選擇的優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)總體一體化增效5 653萬(wàn)元。

4 結(jié)論

通過(guò)MPIMS模型指導(dǎo)生產(chǎn)優(yōu)化工作,根據(jù)市場(chǎng)變化趨勢(shì),優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)、物料流向、互供料數(shù)量、裝置運(yùn)行方案和產(chǎn)品結(jié)構(gòu),生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品,較好地完成集團(tuán)內(nèi)各子公司生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。

(1)集團(tuán)層面在煉油與化工板塊之間的物料互供優(yōu)化方面存在巨大潛力。用MPIMS模型可以?xún)?yōu)化煉化之間的物料互供,調(diào)節(jié)裝置生產(chǎn)負(fù)荷,從而獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)采用MPIMS模型可以?xún)?yōu)化原油品種與結(jié)構(gòu),為企業(yè)選擇適合于煉油和化工產(chǎn)品的原油提供依據(jù)。