煉廠裝置運行調(diào)整及總流程協(xié)同優(yōu)化

于 博

（中國石化 石油化工科學(xué)研究院，北京 100083）

我國煉油行業(yè)經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，目前正面臨產(chǎn)能過剩、汽油增幅放緩、柴油消費見頂?shù)木置?。外部市場競爭加劇、產(chǎn)品質(zhì)量升級步伐加快、節(jié)能環(huán)保要求日趨嚴格，使國內(nèi)煉油企業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)，推動煉廠不斷尋求綜合運用各種優(yōu)化手段挖潛增效，以提高競爭力［1］。目前，裝置運行優(yōu)化是煉廠挖潛增效的重要內(nèi)容，通過裝置運行優(yōu)化，煉廠在提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低裝置能耗等方面取得了顯著效果［2-4］。目前的裝置運行優(yōu)化主要以單套裝置為對象，而單純追求單套裝置的優(yōu)化有時并不一定會帶來全廠效益的增加，不同裝置間協(xié)同優(yōu)化才有可能有效提高煉廠的整體效益［5］。因此，將總流程優(yōu)化與裝置運行優(yōu)化相結(jié)合，在追求煉廠總體利潤最大化的前提下，實現(xiàn)各裝置間的協(xié)同優(yōu)化，是一種更好的煉廠運營優(yōu)化模式。

國內(nèi)某燃料型煉廠的原油一次加工能力為3.5 Mt/a，近年來在油品質(zhì)量升級步伐加快的過程中，全廠運行各環(huán)節(jié)凸顯瓶頸，盈利能力較弱，一直處于低負荷運行，各運行部分別提出的優(yōu)化措施缺乏統(tǒng)一考慮，急需通過系統(tǒng)性的總流程優(yōu)化方案為全廠的提質(zhì)增效提供指導(dǎo)建議。

本工作利用Aspen公司的過程工業(yè)模型系統(tǒng)（PIMS）軟件建立全廠總流程模型，通過原油選擇優(yōu)化及裝置操作優(yōu)化提出了總流程優(yōu)化方案，解決了柴油出廠及催化裂化柴油處理困難等問題，并通過效益評估進行驗證，形成了包含診斷分析-模型測算-優(yōu)化方案實施-優(yōu)化效果評估等環(huán)節(jié)的閉環(huán)優(yōu)化體系，從而幫助煉廠達到優(yōu)化運行的目的。

1 煉廠現(xiàn)狀

該煉廠的主要煉油裝置包括原油蒸餾裝置、半再生重整裝置、芳烴抽提裝置、催化裂化裝置、延遲焦化裝置、柴油加氫裝置、汽柴油加氫裝置、汽油選擇性加氫脫硫裝置、氣分裝置、甲基叔丁基醚（MTBE）裝置、聚丙烯裝置、制氫裝置和硫磺回收裝置等，裝置詳情見表1。該煉廠的主要產(chǎn)品包括汽油、柴油、溶劑油、液化氣、聚丙烯、石油焦等。

表1 煉廠主要生產(chǎn)裝置Table 1 Main production units of the refinery

該煉廠的生產(chǎn)加工流程如圖1所示。由圖1可見，主要加工流程包括：直餾石腦油進重整裝置預(yù)加氫單元；常一線一部分用于生產(chǎn)200#溶劑油，其余部分和直餾柴油一起進汽柴油加氫裝置；減一線和減壓蠟油進催化裂化裝置；減壓渣油進延遲焦化裝置。柴油加氫裝置采用將催化裂化劣質(zhì)柴油轉(zhuǎn)化為高辛烷值汽油或輕質(zhì)芳烴的技術(shù)（簡稱LTAG工藝）加工催化裂化柴油。汽柴油加氫裝置加工直餾柴油、焦化汽柴油及少量催化裂化柴油，用于生產(chǎn)車用柴油。催化裂化裝置的原料包括減壓蠟油、焦化蠟油和加氫催化裂化柴油，產(chǎn)品包括柴油、汽油和液化氣等，其中，大部分柴油經(jīng)過柴油加氫裝置加工后返回催化裂化裝置作原料，其余部分外供給其他煉廠；汽油經(jīng)汽油選擇性加氫裝置脫硫后，作為汽油主要調(diào)合組分；液化氣經(jīng)氣分裝置后，碳四和丙烯分別進入MTBE和聚丙烯裝置。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，該廠重油加工系統(tǒng)主要存在以下問題：1）催化裂化裝置進料中焦化蠟油的密度已接近1 000 kg/m3，催化裂化柴油的95%（φ）點餾出溫度低至315 ℃，催化裂化柴油密度大于970 kg/m3，與其他煉廠同類型裝置相比，運行經(jīng)濟性較差。2）催化裂化柴油處理存在困難，加氫催化裂化柴油的密度約920 kg/m3，催化裂化柴油加氫效果無法達到目標要求。3）延遲焦化裝置生產(chǎn)的焦化柴油的十六烷指數(shù)偏低，僅為38左右。柴油池個別批次十六烷值不達標，出廠還需要調(diào)入十六烷值改進劑。

2 裝置運行診斷

基于裝置運行數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研情況，從全廠角度出發(fā)，對各主要裝置運行情況進行診斷分析，剖析了引發(fā)重油加工系統(tǒng)問題的深層原因：

1）近年來汽柴油產(chǎn)品質(zhì)量不斷升級，該煉廠柴油池十六烷值不足的問題愈發(fā)凸顯。柴油產(chǎn)品歷來以普通柴油為主，車用柴油與普通柴油并軌后，為了滿足國Ⅴ車用柴油標準，催化裂化柴油無法再通過汽柴油加氫裝置進入柴油池，只能部分間歇性外供其他煉廠，且需要滿足密度小于970 kg/m3的產(chǎn)品質(zhì)量要求，其余大部分催化裂化柴油通過LTAG工藝回催化裂化裝置。為滿足外供催化裂化柴油的密度要求，在操作中采取了催化裂化柴油餾分不斷切輕的措施，導(dǎo)致它的餾程和密度不匹配的矛盾越來越嚴重。

2）催化裂化裝置的原料構(gòu)成包括直餾蠟油、焦化蠟油、加氫催化裂化柴油。從原料的分析數(shù)據(jù)看，直餾蠟油密度為910～930 kg/m3，焦化蠟油密度為960～1 020 kg/m3，加氫催化裂化柴油密度為910～920 kg/m3。由于加氫催化裂化柴油出廠受限，LTAG加工負荷逐漸提高，加氫催化裂化柴油在混合進料中的比例與設(shè)計值相比增加了一倍左右，焦化蠟油的摻煉比例也呈增加趨勢，使得混合進料密度增加，裂化效果變差；同時，因間歇性摻煉減壓過汽化油，導(dǎo)致原料中金屬雜質(zhì)含量、殘?zhí)坎▌虞^大，催化裂化汽油的收率處于歷史低位水平。

3）延遲焦化裝置負荷較低，僅維持在50%左右。該裝置的原料為減壓渣油和催化裂化油漿，催化裂化油漿與減壓渣油的摻煉比為10%～25%（w）。由于生產(chǎn)過程中催化裂化柴油不斷切輕，大量重餾分被壓入油漿，導(dǎo)致焦化原料中餾程低于500 ℃的餾分占比達到20%（φ）。這股重催化裂化柴油原料不適合生焦，一部分混在焦化柴油中，拉低了焦化柴油的十六烷指數(shù)；一部分隨焦化蠟油返回催化裂化裝置，影響催化裂化裝置的進料性質(zhì)。

4）即使控制催化裂化柴油95%（φ）點餾出溫度在320 ℃，催化裂化柴油的密度仍達到970 kg/m3，由于氫氣不足，柴油加氫裝置循環(huán)氫純度僅為80%～84%，較重的催化裂化柴油的加氫效果無法達到預(yù)期目標，加氫后返回催化裂化裝置，密度雖然滿足LTAG工藝的基本要求，但烴類組成并不是最適合裂化的組分。由于汽柴油加氫裝置中焦化柴油的摻混比例不斷增加、餾程不斷變重，導(dǎo)致裝置反應(yīng)溫度不斷提高，說明焦化柴油的性質(zhì)不斷劣化，這不僅導(dǎo)致全廠柴油池十六烷值下降，還造成裝置氫耗增加。

5）該廠常減壓裝置按照高酸重質(zhì)原油設(shè)計，因受多項裝置瓶頸及儲運管輸條件的限制，目前已無法按照設(shè)計原油進行采購和加工，導(dǎo)致常減壓裝置負荷偏低，且加工油種復(fù)雜，近期主力油種為瓦斯科尼亞，加工量占比43%（w），由于它的直餾柴油十六烷指數(shù)僅為44.71，汽柴油加氫裝置裝填的催化劑均為精制劑，對柴油十六烷指數(shù)的改善有限，也是造成目前柴油出廠困難的因素之一，因此還需要在裝置調(diào)整前協(xié)助企業(yè)開展原油選擇優(yōu)化工作。

圖1 煉廠的生產(chǎn)加工流程Fig.1 The whole processing flow diagram of the refinery.

綜合以上分析，可得出初步結(jié)論：由于催化裂化柴油出廠受限及氫氣不足，三環(huán)芳烴組分在重油加工系統(tǒng)中不斷累積，既不能經(jīng)過加氫飽和，也無法被裂化、生焦，形成惡性循環(huán)。

3 裝置運行調(diào)整與總流程優(yōu)化

3.1 煉廠模型建立

建立精確的企業(yè)模型是煉廠原油選擇和流程優(yōu)化的基礎(chǔ)，本工作利用線性規(guī)劃方法（Linear Programming，簡稱LP），采用Aspen公司的PIMS軟件對煉廠進行建模。根據(jù)煉廠實際生產(chǎn)流程建立LP模型框架（見圖2），主要包括常減壓裝置子模型、二次加工裝置子模型、供銷子模型和產(chǎn)品調(diào)合子模型［6］。

常減壓裝置子模型用于描述煉廠常壓與減壓蒸餾裝置，以原油切割數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可根據(jù)煉廠實際情況設(shè)置多個生產(chǎn)方案，經(jīng)過優(yōu)化后可得到最優(yōu)切割方案。

二次加工裝置子模型用于描述除常減壓裝置外的其他裝置，可根據(jù)裝置實際加工方案建立多個加工方案模型，該模型以煉廠各二次加工裝置生產(chǎn)運行實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，包括不同加工方案的產(chǎn)品收率、公用工程消耗、裝置運行限制和物料性質(zhì)等數(shù)據(jù)；對于重要裝置，如催化重整、渣油加氫、催化裂化裝置等，根據(jù)單元裝置模擬數(shù)據(jù)或經(jīng)驗設(shè)置Delta-Base結(jié)構(gòu)（一種描述裝置收率和產(chǎn)品性質(zhì)隨進料性質(zhì)改變而變化的計算方法）［7］，該結(jié)構(gòu)可描述裝置進料性質(zhì)對產(chǎn)品收率的影響，提高模型的描述精度。其中催化裂化裝置中設(shè)置了原料密度、殘?zhí)恐?、硫含量、金屬雜質(zhì)含量對產(chǎn)品分布及產(chǎn)品性質(zhì)的影響［8］；焦化裝置中設(shè)置了原料殘?zhí)恐?、硫含量對產(chǎn)品分布及產(chǎn)品性質(zhì)的影響［9］。

供銷子模型以原料與產(chǎn)品價格數(shù)據(jù)以及原料與產(chǎn)品購買或銷售限制數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用于描述煉廠原料供給和產(chǎn)品銷售情況。

產(chǎn)品調(diào)合子模型用于描述汽油、航空煤油、柴油、燃料油等產(chǎn)品的調(diào)合情況［10］，以產(chǎn)品調(diào)合質(zhì)量的限制數(shù)據(jù)以及調(diào)合物料的性質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。已有報道指出不同類型柴油的十六烷值與十六烷指數(shù)關(guān)系較為復(fù)雜［11］，為了降低模型的計算復(fù)雜度，同時保證優(yōu)化方案的柴油調(diào)合計算結(jié)果能夠?qū)嶋H生產(chǎn)提供指導(dǎo)，本次測算未在模型中引入非線性調(diào)合公式，而是沿用線性調(diào)合規(guī)則，并且人為地將十六烷值指標在內(nèi)控指標的基礎(chǔ)上提高0.5個單位。

圖2 LP模型框架示意圖Fig.2 Sketch map of linear programming(LP) model framework.

3.2 總流程優(yōu)化實施方案

總流程優(yōu)化方案的總體思想是通過原油選擇優(yōu)化及裝置操作優(yōu)化，解決柴油出廠及催化裂化柴油處理困難的問題，打破三環(huán)芳烴在重油系統(tǒng)中的閉環(huán)。

從總流程的角度，基于全廠總流程模型，結(jié)合當前企業(yè)的實際運行數(shù)據(jù)和實驗室信息管理系統(tǒng)化結(jié)果，首先開展了原油選擇優(yōu)化工作。通過保本價測算排序［12］，同時兼顧直餾柴油十六烷指數(shù)分析，確定了以杰諾原油為主力油種，摻煉15%（w）伊朗重質(zhì)原油（簡稱伊重原油）作為優(yōu)選原油結(jié)構(gòu)，原油保本價測算排序如表2所示，表2中測算油種包括伊重原油（Iranian）、科威特原油（Kuwait）、杰諾原油（Djeno）、盧拉原油（Lula）、瓦斯科尼亞原油（Vasconia）、薩賓諾原油（Sapinhoa）、罕戈原油（Hungo）、塞巴原油（Ceiba）、埃斯克蘭特原油（Escalante）、桑格斯原油（Sangos）、普魯托尼原油（Plutonio）、埃斯坡原油（ESPO）等共計12種。

以上述原油結(jié)構(gòu)的常減壓側(cè)線性質(zhì)為起點，利用Delta-Base結(jié)構(gòu)對優(yōu)化后各工藝裝置的預(yù)測數(shù)據(jù)進行閉環(huán)迭代，在此框架下對優(yōu)化前后工況的全廠流程進行模擬測算，形成完整的總流程優(yōu)化方案，并據(jù)此制定總流程優(yōu)化方案的實施步驟要點：

1）原油優(yōu)化：為保證操作穩(wěn)定，在優(yōu)化調(diào)整階段保障杰諾原油單煉。

2）催化裂化裝置和柴油加氫裝置協(xié)同優(yōu)化：逐步提高催化裂化裝置柴油抽出溫度，以10 ℃/d的幅度提高催化裂化柴油95%（φ）點餾出溫度至目標值345 ℃，調(diào)整過程初期，催化裂化柴油密度和產(chǎn)量會有所上升，此時適當提高柴油加氫反應(yīng)苛刻度，以控制加氫催化裂化柴油的密度不高于925 kg/m3，若達不到則適當外甩催化裂化柴油至罐區(qū)暫存，期間若市場價格合適，可擇機配合外甩部分油漿［13］。

3）催化裂化裝置操作優(yōu)化：控制催化裂化裝置反應(yīng)溫度515～520 ℃，催化活性64%±2%，減壓過汽化油切出催化裂化原料。

4）焦化裝置操作優(yōu)化：隨著催化裂化柴油抽出溫度的提高，催化裂化油漿產(chǎn)量會相應(yīng)降低，此時逐步提高焦化柴油抽出溫度，控制焦化柴油95%（φ）點餾出溫度不高于350 ℃，焦化蠟油干點不高于450 ℃；逐步提高焦化爐出口溫度至505 ℃。

5）汽柴油加氫裝置操作優(yōu)化：將10 t/h焦化汽油回?zé)捴罫TAG進料，以騰出汽柴油加氫裝置負荷。根據(jù)加氫催化裂化柴油十六烷指數(shù)和汽柴油加氫裝置情況以及新氫量、高壓空冷冷后溫度等參數(shù)，汽柴油加氫裝置恢復(fù)加工催化裂化柴油，并逐步加大催化裂化柴油摻煉量至5～8 t/h。

3.3 優(yōu)化效果分析

3.3.1 催化裂化裝置

通過以上調(diào)整措施協(xié)同作用，實現(xiàn)了催化裂化裝置進料的性質(zhì)優(yōu)化，結(jié)果見表3。加氫催化裂化柴油的裂化反應(yīng)性能得到一定程度的改善，從而實現(xiàn)催化裂化裝置正常運轉(zhuǎn)，提高了汽油等高附加值產(chǎn)品的收率。催化裂化柴油性質(zhì)對比見表4。由表4可見，優(yōu)化后催化裂化柴油95%（φ）點餾出溫度提高了16 ℃，且多環(huán)芳烴含量由82.4%（w）降至74.8%（w），消減了部分系統(tǒng)中不轉(zhuǎn)化的多環(huán)芳烴。

表2 原油保本價測算排序Table 2 Ranking of crude oil breakeven price

表3 催化裂化裝置混合進料性質(zhì)對比Table 3 Comparison of FCC mixed feed properties

表4 催化裂化柴油性質(zhì)對比Table 4 Comparison of FCC diesel properties

3.3.2 焦化裝置

催化裂化柴油干點逐步調(diào)整為340 ℃后，油漿中輕組分含量降低，同時把焦化柴油干點逐步提高至350 ℃左右、焦化蠟油干點逐步提高至420 ℃左右。焦化裝置主要產(chǎn)品性質(zhì)對比見表5。由表5所示可見，優(yōu)化后焦化柴油95%（φ）點餾出溫度提高了約5 ℃，密度平均值由870.5 kg/m3降至859.2 kg/m3，焦化柴油中芳烴含量大幅降低，由34.0%（w）降至19.2%（w），同時焦化柴油十六烷指數(shù)提高了約7個單位；焦化蠟油密度由優(yōu)化前970～1 000 kg/m3降至930～940 kg/m3。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整，達到了通過改善催化裂化油漿性質(zhì)以改善焦化裝置進料性質(zhì)，并實現(xiàn)焦化柴油、焦化蠟油性質(zhì)的改善，從而進一步改善催化裂化裝置進料性質(zhì)，實現(xiàn)提高焦化柴油十六烷值的目的。

表5 焦化裝置主要產(chǎn)品性質(zhì)對比Table 5 Comparison of main products properties of coking unit

3.3.3 汽柴油加氫裝置

通過撤出焦化汽油，騰出汽柴油加氫裝置加工負荷，將部分催化裂化柴油重新引入汽柴油加氫裝置進行加工，以緩解催化裂化柴油的處理困境。調(diào)整初期，隨著催化裂化柴油95%（φ）點餾出溫度的升高，催化裂化柴油密度隨之提高，最高達990 kg/m3以上，此后將95%（φ）點餾出溫度控制在335～340 ℃，催化裂化柴油密度逐漸穩(wěn)定在970 kg/m3以下。催化裂化和焦化裝置經(jīng)優(yōu)化操作達到穩(wěn)定狀態(tài)后，汽柴油加氫裝置進料十六烷值有所改善，通過置換焦化汽油騰出加工負荷，可實現(xiàn)催化裂化柴油最大量摻煉。

4 效益評估

4.1 效益評估基準

以調(diào)整前6個月的實際運行數(shù)據(jù)作為調(diào)整前工況、以實施總流程優(yōu)化方案后6個月的實際運行數(shù)據(jù)為調(diào)整后工況，原油、原料及產(chǎn)品價格均為企業(yè)提供的全年平均價格。

4.2 全廠優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前后的原油結(jié)構(gòu)對比如表6所示。優(yōu)化后，煉廠實際加工的主力油種是杰諾原油、塞巴原油和伊重原油（伊重原油資源停供后改為科威特原油），原油加工種類由11種減少到6種，混合原油的API°由27.57提高到28.13，直餾柴油組分的十六烷指數(shù)由48.02提高至48.77，對全廠穩(wěn)定運行起到了積極作用。

優(yōu)化前后的全廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對比如表7所示。由表7可見，由于重油加工系統(tǒng)部分瓶頸實現(xiàn)消缺，總加工量有所提升。優(yōu)化后，石腦油的自用率和柴油產(chǎn)量、汽油產(chǎn)量均有所提高，液化石油氣產(chǎn)量增加，催化裂化裝置的總輕收（即汽油和柴油收率）增加，低附加值產(chǎn)品焦炭的產(chǎn)量降低，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。

表6 原油加工結(jié)構(gòu)對比Table 6 Comparison of crude oil processing structure

表7 全廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對比Table 7 Product structure comparison of the whole plant

4.3 效益測算結(jié)果

原油、原料及產(chǎn)品價格均為不含稅價。計算兩種工況下的總原油成本，再根據(jù)月平均加工量的不同，折算為月平均原油成本［14］。在同一價格體系下，計算生產(chǎn)毛利［15］，優(yōu)化后的原油成本比優(yōu)化前略有增加，但產(chǎn)品分布優(yōu)化帶來了較大的收益。優(yōu)化前后主要技術(shù)經(jīng)濟指標對比見表8。由表8可見，輕質(zhì)油品收率由65.34%（w）提高至67.65%（w），提高了2.31百分點；高附加值產(chǎn)品占比由85.87%提高至88.48%，提高了2.61百分點，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)化。通過帶入價格體系進行計算，優(yōu)化前后的毛利差為5.84 元/t，折合全年毛利提高1 514.3萬元。

表8 主要技術(shù)經(jīng)濟指標對比Table 8 Comparison of main technical and economic indicators

5 結(jié)論

1）通過對煉廠裝置的運行優(yōu)化調(diào)整及總流程優(yōu)化，煉廠主要裝置運行狀態(tài)得到改善，催化裂化裝置原料得到優(yōu)化，催化裂化柴油餾程趨向正常，汽柴油加氫裝置可摻煉部分催化裂化柴油出廠，消減了部分系統(tǒng)中不轉(zhuǎn)化的三環(huán)芳烴，保障了全廠穩(wěn)定運行。

2）優(yōu)化后，輕質(zhì)油品收率和高附加值產(chǎn)品占比分別提高了2.31和2.61百分點，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)明顯改善。效益測算結(jié)果顯示，經(jīng)過裝置運行優(yōu)化調(diào)整及總流程優(yōu)化，企業(yè)全年毛利提高1 514.3萬元。

3）采用裝置與總流程協(xié)同優(yōu)化的方法，是診斷及解決企業(yè)生產(chǎn)運行中存在的問題、幫助企業(yè)提質(zhì)增效的有效手段，對其他煉廠生產(chǎn)運行優(yōu)化具有較好的借鑒意義。