煉油過程全流程科普及工藝整體優(yōu)化方法

煉油過程全流程科普及工藝整體優(yōu)化方法

1.1如何認識煉油過程不少人尤其搞化工的人認為煉油和化工相比更容易。煉油的主要產(chǎn)品汽柴油是一定分子量的各種烴類的混合物，化工產(chǎn)品有特定分子量和分子結(jié)構(gòu)，有嚴格的產(chǎn)品純度要求；煉油過程有化學反應，盡管操作條件變化總能出產(chǎn)品，只是收率受影響，而且產(chǎn)品分離純化，因純度要求低，相對容易，化工過程往往因操作條件的稍微變化就不能出合格產(chǎn)品，產(chǎn)品的分離純化難。其實仔細分析深入研究就會發(fā)現(xiàn)“煉出油容易，煉好油難”。

煉油和化工過程相比，煉油過程是一個更開放的復雜系統(tǒng)。1.2煉油過程的開放性原油是充分市場化的商品，原油價格受國際經(jīng)濟、地緣政治、自然災害、油市炒家等因素影響，變化規(guī)律性差，波動幅度大。原油按密度分有輕質(zhì)、中質(zhì)、重質(zhì)原油；按族組成分有石蠟基、中間基、環(huán)烷基原油；按硫含量分有低硫、含硫、高硫原油；按含酸量分有低酸、含酸原油；上述四種分類還可形成不同的組合如高硫輕質(zhì)中間基原油、低硫重質(zhì)石蠟基原油。不同性質(zhì)原油品質(zhì)差和價格差對應關系差，市場變化大。成品油在我國市場化的程度正在提高，與國際市場接軌，完全市場化不會太久。成品油市場消費季節(jié)性變化明顯。1.3煉油過程的復雜性煉油過程裝置之間的關聯(lián)及相互影響大，圖1、2是兩種類型燃料油型煉油廠煉油系統(tǒng)工藝流程示意圖，圖-3是經(jīng)典型的以乙烯為龍頭的石油化工系統(tǒng)流程示意圖。

圖-1

常減壓蒸餾－催化裂化－焦化工藝流程圖-2

常減壓蒸餾－催化裂化－加氫裂化－焦化流程圖-3

典型石油化工系統(tǒng)工藝流程對比上列煉油系統(tǒng)及乙烯為龍頭的石油化工系統(tǒng)工藝流程圖，顯然都具有流程工業(yè)的特點，上下裝置的關聯(lián)程度都很大，但是裝置之間互相影響煉油要比化工復雜。不同性質(zhì)的原油對煉油過程工藝、設備、產(chǎn)品分布、產(chǎn)品質(zhì)量甚至公用工程都有不可忽視的影響。加工原油的品質(zhì)必須和煉油過程及設備、產(chǎn)品質(zhì)量要求相匹配。常減壓蒸餾，看似簡單的物理過程，主要是常壓、減壓兩個分餾塔，但是原料是分子量從40多到6000左右的復雜烴類混合物，希望得到的產(chǎn)品盡管也是不同分子量（或沸點范圍）的烴類混合物，但是實現(xiàn)效益最大化，希望做到汽、煤、柴、蠟、重油餾分的相對精細分類，減少餾分重疊，兩個塔的設計操作比化工精餾塔系要復雜困難得多（見圖4原油蒸餾典型工藝流程圖和圖5乙烯裝置前脫氫高壓脫甲烷工藝流程圖），而各餾分油的分離效果既影響加工能耗、經(jīng)濟效益，又可能影響后續(xù)裝置的正常運行。如減壓蠟油中夾帶減壓渣油組分，會影響蠟油催化或蠟油加氫處理或加氫裂化裝置的操作。圖-4

原油蒸餾典型工藝流程（燃料型）催化裂化、重整、加氫裂化、焦化、加氫處理存在化學反應的煉油過程，由于原料是一定分子量范圍的復雜烴類混合物，不同烴類反應過程中行為差異很大，尤其催化裂化、重整過程又存在多種反應，原料性質(zhì)對反應產(chǎn)物分布的影響關系非常復雜，而這些又多影響過程的經(jīng)濟效益。煉油過程基本屬于熱加工過程。無非是有的過程用催化劑，有的過程不用催化劑，熱加工過程中芳香環(huán)的大分子烴類很容易縮合生焦，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，而且熱加工過程大量使用加熱爐，燃料消耗量大，合理的熱集成、能量回收、燃料優(yōu)化能明顯降低加工過程能耗，增加經(jīng)濟效益，但熱集成設計、能量回收操作、燃料平衡優(yōu)化比較復雜。和反應過程相配套的分離過程和常減壓過程一樣存在復雜烴類混合物在分餾塔中比較清晰地分餾使目的產(chǎn)品產(chǎn)量最大化的問題。系統(tǒng)優(yōu)化－實現(xiàn)煉油效益最大化2.1系統(tǒng)優(yōu)化的基本概念

系統(tǒng)：由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合成的具有特定功能的有機整體。而系統(tǒng)本身又是他從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分。系統(tǒng)工程：運用先進科學方法，對系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設計制造、試驗和使用進行組織管理的技術。系統(tǒng)優(yōu)化：運用先進科學的方法，對系統(tǒng)中相互作用和相互依賴的組成部分的特定功能進行分析研究設計和組織管理，使系統(tǒng)功能和期望的目標相一致的過程。系統(tǒng)優(yōu)化是一種過程，一種必須持續(xù)進行的過程，期望的目標會不斷的調(diào)整。煉油過程的優(yōu)化從裝置規(guī)劃建設開始到投入生產(chǎn)應成為一項經(jīng)常性工作。要處理系統(tǒng)優(yōu)化中局部和全局的關系，系統(tǒng)中相互作用和相互依賴的每一個組成部分的優(yōu)化之和不等于系統(tǒng)優(yōu)化，在系統(tǒng)優(yōu)化前提下的局部優(yōu)化是系統(tǒng)優(yōu)化的保證和支持。最大化或最小化不等于系統(tǒng)最優(yōu)化，通常意義下的最大化（或最小化）問題可以描述為在一組約束條件下求一個給定判據(jù)或目標函數(shù)最大或最小的問題。最優(yōu)化則要將多個不同的目標或判據(jù)和諧地平衡并統(tǒng)一起來，并滿足特定條件。如采購最低價格的原油（最小化）未必能給煉油企業(yè)帶來最大的效益，原油加工量的最大化也未必能給煉油企業(yè)帶來最大的效益。2.2煉油過程系統(tǒng)優(yōu)化的范圍和內(nèi)容煉油過程系統(tǒng)優(yōu)化的范圍包括原油選擇、采購、運輸、儲存、加工、成品油調(diào)和出廠等的全過程優(yōu)化－供應鏈優(yōu)化。煉油過程系統(tǒng)優(yōu)化的內(nèi)容：規(guī)劃優(yōu)化、設計優(yōu)化、計劃優(yōu)化、調(diào)度優(yōu)化、工藝操作優(yōu)化規(guī)劃優(yōu)化：根據(jù)市場、環(huán)境、安全等要求，優(yōu)化原油選擇方案、其他原料方案、總流程、儲運設施等。設計優(yōu)化：按總體規(guī)劃，優(yōu)化總圖布置、氫流、能量流，細化優(yōu)化工藝流程和單元設計計劃優(yōu)化：按計劃的時間分：年度計劃、季度計劃、月度計劃；按計劃涉及的生產(chǎn)經(jīng)營內(nèi)容分：生產(chǎn)計劃、購油計劃、銷售計劃、運輸計劃、財務資金計劃、檢修計劃、投資計劃等。調(diào)度優(yōu)化：儲運調(diào)度（原油儲運、加工配比、成品油調(diào)和、產(chǎn)品移動）；工藝裝置調(diào)度（加工方案設定和調(diào)整、物料平衡、燃料平衡、氫氣平衡、蒸汽平衡、緊急事故處理等）。工藝操作優(yōu)化（綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品收率、裝置能耗等因素的工藝操作條件的最佳化）。2.3煉油過程系統(tǒng)優(yōu)化的基礎、方法和主要技術手段煉油過程系統(tǒng)優(yōu)化的基礎1）完整、實時、高效的信息系統(tǒng)。2）能及時提供系統(tǒng)優(yōu)化需要的各類數(shù)據(jù)。包括原油數(shù)據(jù)（品種、性質(zhì)、庫存、運輸、裝卸等信息），原油、成品油等的市場信息數(shù)據(jù)（價格、消費、市場趨勢信息數(shù)據(jù)），生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)（工藝、半成品品種、數(shù)量、質(zhì)量等數(shù)據(jù)）。煉油過程系統(tǒng)優(yōu)化的方法1）定性到定量的綜合集成方法2）處理復雜開放的大系統(tǒng)錢學森提出了一種比較現(xiàn)實和切實可行的方法－“定性到定量綜合集成法”，處理煉油系統(tǒng)的優(yōu)化要采用經(jīng)過實踐證明的模型進行定量分析，還應該發(fā)揮專家的作用，讓專家對系統(tǒng)優(yōu)化進行定性分析，將他們的經(jīng)驗、判斷和模型的定量計算結(jié)合起來。最好的做法是定性分析的基礎上建立模型，定量計算，計算結(jié)果再請專家評審，如此反復，進行系統(tǒng)優(yōu)化決策。煉油過程系統(tǒng)優(yōu)化的主要技術手段解決系統(tǒng)的優(yōu)化問題，科學家創(chuàng)造了線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃等重要的數(shù)學方法即優(yōu)化方法。隨著計算機技術、人工智能技術的發(fā)展又開發(fā)了基于這些優(yōu)化算法，能處理復雜大系統(tǒng)優(yōu)化并和實際過程結(jié)合的各種計算模型，形成了解決煉油過程系統(tǒng)優(yōu)化的技術手段。計劃優(yōu)化和調(diào)度優(yōu)化模型主要用于優(yōu)化過程工業(yè)各裝置的生產(chǎn)操作和設計，短期及長期戰(zhàn)略性規(guī)劃，如物料采購優(yōu)化、產(chǎn)品生產(chǎn)計劃、運輸物流和供應鏈的管理、技術評估、工廠新建和擴建評估。供應鏈模型用于優(yōu)化供應鏈資源，對變化做出快速反應，做好充分準備來滿足客戶的需求，達到公司的財務目標。主要包括需求管理、供應計劃、生產(chǎn)調(diào)度、庫存計劃、客戶承諾管理以及分銷調(diào)度等，實現(xiàn)以下幾項主要功能：（1）跨部門的整體供應鏈決策支持（2）需求管理模型，使銷售預測流程周期縮短，精度提高（3）檢查需求計劃是否可行（4）生產(chǎn)需求和預測的直接聯(lián)系（5）更好的能力平衡和物料平衡，生成最優(yōu)的生產(chǎn)計劃（6）毛利率最優(yōu)評估（利潤最大化）（7）各生產(chǎn)線短期能力的及時可見性，建立可行的調(diào)度任務（8）是否可以準時發(fā)貨或何時可以發(fā)貨的可見性（9）對各批次產(chǎn)品在生產(chǎn)線上的追蹤（10）多種方案/建議的模擬、分析和比較調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)能有效地協(xié)調(diào)月度計劃與日常操作，并能優(yōu)化煉廠的日常生產(chǎn)操作和庫存管理，可通過提高裝置加工能力的利用率，降低庫存，減少不能按期供貨等風險，提高關鍵決策能力，從而提高煉廠的經(jīng)濟效益。內(nèi)含用于煉廠調(diào)度的三種基本方法：模擬、線性規(guī)劃和專家系統(tǒng)。模擬用于預測在一組給定工況下的煉廠績效，線性規(guī)劃和專家系統(tǒng)用于處理各種生產(chǎn)條件、生產(chǎn)能滿足設備約束、原料約束和提高產(chǎn)品收率需求的調(diào)度。其內(nèi)置功能包括：基于原油數(shù)據(jù)庫的原油蒸餾、油品調(diào)和優(yōu)化、原油管道輸送跟蹤。原油及成品油調(diào)合系統(tǒng)調(diào)合系統(tǒng)的主要功能有：（1）實現(xiàn)調(diào)和成本最低，組分利用最合理（2）最大限度地增加高值產(chǎn)品（3）根據(jù)庫存、組分性質(zhì)和產(chǎn)品規(guī)格給出優(yōu)化的多周期、多品種、多牌號的調(diào)和時間表（4）在某一牌號的產(chǎn)品調(diào)和進行當中，如果根據(jù)市場情況需要改成其他牌號時，調(diào)合系統(tǒng)根據(jù)可用的組分數(shù)量、質(zhì)量和罐底油的性質(zhì)、庫容等，自動給出優(yōu)化的新配方。

圖-6

金陵石化原油在線調(diào)合現(xiàn)場物流優(yōu)化系統(tǒng)物流優(yōu)化系統(tǒng)在供應鏈的供、產(chǎn)、銷的“供”與“銷”這兩個環(huán)節(jié)有著極為強大的應用功能，并已在國內(nèi)外的應用中獲得巨大成功。

煉油過程工藝操作優(yōu)化的主要技術手段流程模擬技術先進控制（APC）技術

煉油過程系統(tǒng)優(yōu)化的其他主要相關的技術手段實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）原油評價數(shù)據(jù)庫2.4系統(tǒng)優(yōu)化－實現(xiàn)煉油效益最大化優(yōu)化投資決策：為煉油效益最大化奠定物質(zhì)基礎優(yōu)化經(jīng)營決策：原油高價位、原油成本在產(chǎn)品成本中的比例越來越高，原油采購決策對企業(yè)的效益影響越來越大優(yōu)化生產(chǎn)運行：在選定原油的前提下，優(yōu)化加工過程，降低加工費用，實現(xiàn)價值最大化優(yōu)化改造決策：為已有煉廠實施技術改造，調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，節(jié)能降耗，提供優(yōu)化方案，改善煉油效益最大化的物質(zhì)基礎國外煉油過程系統(tǒng)優(yōu)化的新進展3.1建設功能齊全、運行可靠的信息系統(tǒng)支持煉油系統(tǒng)優(yōu)化煉油系統(tǒng)優(yōu)化必須以大量齊全、及時、準確的數(shù)據(jù)信息為基礎，國外公司為實現(xiàn)煉油系統(tǒng)優(yōu)化十分重視煉油信息系統(tǒng)建設，他們建成的信息系統(tǒng)功能覆蓋煉油生產(chǎn)經(jīng)營管理的各個方面：1）過程控制、生產(chǎn)管理、經(jīng)營管理、決策支持2）計劃優(yōu)化、供應優(yōu)化、生產(chǎn)優(yōu)化、配送優(yōu)化3）原油調(diào)合、流程模擬、先進控制、油品調(diào)和4）裝置設計、設備狀態(tài)監(jiān)測和分析用完善的網(wǎng)絡安全、可靠、實時地進行數(shù)據(jù)信息傳遞，支持系統(tǒng)滾動持續(xù)優(yōu)化，持久產(chǎn)生效益。通過實施MES系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)過程和企業(yè)管理信息集成1）主要包括：物料平衡、裝置校正、生產(chǎn)管理、操作管理、調(diào)度管理、儲運管理。2）形成生產(chǎn)運行和管理平臺，強化對物料的跟蹤管理，是優(yōu)化生產(chǎn)的基礎。3）MES與ERP系統(tǒng)緊密集成，既為ERP提供計劃數(shù)據(jù)和執(zhí)行結(jié)果，又從ERP系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)支持生產(chǎn)運行優(yōu)化。4）實驗室信息管理系統(tǒng)LIMS是MES一個重要組成部分，得到廣泛應用。3.2煉油系統(tǒng)優(yōu)化以供應鏈為主線優(yōu)化覆蓋從原油供應到成品油銷售的整個業(yè)務鏈1）平均降低運行成本20%-40%、降低運輸成本10%-20%、降低分銷成本10%-20%2）減少過量庫存和流動資金占有25％-50%3）減少油品供應斷檔75%-95%，提高了資金回報率實施從計劃調(diào)度到油品調(diào)和的集成優(yōu)化1）在不斷嚴格的環(huán)保要求下，高精度的調(diào)和控制可以有助于生產(chǎn)符合質(zhì)量要求的油品，同時減少質(zhì)量浪費，增加企業(yè)效益。2）應用在線調(diào)和控制與優(yōu)化技術提高調(diào)和效率，減少中間罐的需要。3）全廠生產(chǎn)計劃調(diào)度與油品調(diào)和集成，提高生產(chǎn)計劃的整體可行性。重視為原油采購決策服務1）應用單周期模型研究年度預算，對長期貿(mào)易原油品種進行選擇和效益評估。2）使用單周期模型多次運行或多周期模型（一般考慮庫存、船期等因素，采用多周期模型）進行3-4個月的滾動計劃研究，為月度原油采購計劃決策服務，而且將優(yōu)化的重點放在月度運行上。3）貿(mào)易人員和計劃優(yōu)化應用人員相結(jié)合，組成專門的計劃優(yōu)化應用隊伍，總部及各煉廠都有專門的從事計劃優(yōu)化工作的人員，BP總部40多人，2-3個人負責一個煉廠，且和各煉廠的計劃優(yōu)化工作人員結(jié)合。庫存管理和運營調(diào)度在系統(tǒng)優(yōu)化中開始受到重視1）世界成品油消費增長帶動原油需求增長，增加原油供應滿足需求增長力下降，油價高、波動幅度大給煉油企業(yè)帶來更大的經(jīng)營風險。2）庫存管理和運營調(diào)度對企業(yè)的效益影響越來越大，降低庫存會增加供應鏈中斷的風險，庫存同時帶來風險和利潤，庫存管理和運營調(diào)度在煉油系統(tǒng)優(yōu)化中的地位和作用突現(xiàn)。3.3應用現(xiàn)代控制技術和流程模擬技術實現(xiàn)工藝操作優(yōu)化應用現(xiàn)代控制技術，實現(xiàn)優(yōu)化裝置操作廣泛應用APC技術。APC技術的應用效益顯著，投資回收期小于一年，大型煉油化工裝置的效益更為突出。多裝置先進控制、區(qū)域優(yōu)化、在線優(yōu)化等技術應用受到重視。應用過程模擬技術提高煉油設計與操作水平，為裝置實施技術改造脫除瓶頸提供決策建議流程模擬技術在裝置設計、設備建造、優(yōu)化操作、優(yōu)化流程、裝置改造等方面得到廣泛應用。最新的發(fā)展趨勢是：在各種應用中實現(xiàn)模型共用和數(shù)據(jù)共享，以提高應用水平和效率。搞好煉油過程系統(tǒng)優(yōu)化的對策和措施4.1加強培訓，培養(yǎng)一批煉油系統(tǒng)專家加強煉油企業(yè)領導人員培訓，通過培訓一是樹立煉油過程只有搞好系統(tǒng)優(yōu)化才能實現(xiàn)效益最大化的理念；二是了解系統(tǒng)優(yōu)化的基本概念和方法；三是提高學習和更新知識，了解掌握煉油加工工藝尤其是工藝過程各裝置的相互關聯(lián)和影響的自覺性；四是提高指導組織系統(tǒng)優(yōu)化的知識和能力。加強煉油企業(yè)管理及技術人員的培訓和培養(yǎng)，通過培訓和實際工作鍛煉培養(yǎng)一批熟悉煉油系統(tǒng)各種工藝過程、能熟練應用煉油系統(tǒng)優(yōu)化概念和方法進行煉油系統(tǒng)優(yōu)化的專家。推進生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)改革和利用控制室集中創(chuàng)造培訓系統(tǒng)專家的環(huán)境。

4.2高度重視煉油總體規(guī)