石油化工系统流程及炼油过程系统优化

本网编辑 2021-08-05

炼油的主要产品汽柴油是一定分子量的各种烃类的混合物，化工产品有特定分子量和分子结构，有严格的产品纯度要求；炼油过程有化学反应，尽管操作条件变化总能出产品，只是收率受影响，而且产品分离纯化，因纯度要求低，相对容易，化工过程往往因操作条件的稍微变化就不能出合格产品，产品的分离纯化难。

炼油过程 — 一个复杂而开放的大系统

1.1 如何认识炼油过程

不少人尤其搞化工的人认为炼油和化工相比更容易。炼油的主要产品汽柴油是一定分子量的各种烃类的混合物，化工产品有特定分子量和分子结构，有严格的产品纯度要求；炼油过程有化学反应，尽管操作条件变化总能出产品，只是收率受影响，而且产品分离纯化，因纯度要求低，相对容易，化工过程往往因操作条件的稍微变化就不能出合格产品，产品的分离纯化难。

其实仔细分析深入研究就会发现“炼出油容易，炼好油难”。

炼油和化工过程相比，炼油过程是一个更开放的复杂系统。

1.2 炼油过程的开放性

原油是充分市场化的商品，原油价格受国际经济、地缘政治、自然灾害、油市炒家等因素影响，变化规律性差，波动幅度大。

原油按密度分有轻质、中质、重质原油；

按族组成分有石蜡基、中间基、环烷基原油；

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；

上述四种分类还可形成不同的组合如高硫轻质中间基原油、低硫重质石蜡基原油。

不同性质原油品质差和价格差对应关系差，市场变化大。

成品油在我国市场化的程度正在提高，与国际市场接轨，完全市场化不会太久。

成品油市场消费季节性变化明显。

1.3 炼油过程的复杂性

炼油过程装置之间的关联及相互影响大，图1、2是两种类型燃料油型炼油厂炼油系统工艺流程示意图，图-3是经典型的以乙烯为龙头的石油化工系统流程示意图。

图-1 常减压蒸馏－催化裂化－焦化工艺流程

图-2 常减压蒸馏－催化裂化－加氢裂化－焦化流程

图-3 典型石油化工系统工艺流程

对比上列炼油系统及乙烯为龙头的石油化工系统工艺流程图，显然都具有流程工业的特点，上下装置的关联程度都很大，但是装置之间互相影响炼油要比化工复杂。

不同性质的原油对炼油过程工艺、设备、产品分布、产品质量甚至公用工程都有不可忽视的影响。

加工原油的品质必须和炼油过程及设备、产品质量要求相匹配。

常减压蒸馏，看似简单的物理过程，主要是常压、减压两个分馏塔，但是原料是分子量从40多到6000左右的复杂烃类混合物，希望得到的产品尽管也是不同分子量（或沸点范围）的烃类混合物，但是实现效益最大化，希望做到汽、煤、柴、蜡、重油馏分的相对精细分类，减少馏分重叠，两个塔的设计操作比化工精馏塔系要复杂困难得多（见图4原油蒸馏典型工艺流程图和图5乙烯装置前脱氢高压脱甲烷工艺流程图），而各馏分油的分离效果既影响加工能耗、经济效益，又可能影响后续装置的正常运行。如减压蜡油中夹带减压渣油组分，会影响蜡油催化或蜡油加氢处理或加氢裂化装置的操作。

图-4 原油蒸馏典型工艺流程（燃料型）

催化裂化、重整、加氢裂化、焦化、加氢处理存在化学反应的炼油过程，由于原料是一定分子量范围的复杂烃类混合物，不同烃类反应过程中行为差异很大，尤其催化裂化、重整过程又存在多种反应，原料性质对反应产物分布的影响关系非常复杂，而这些又多影响过程的经济效益。

炼油过程基本属于热加工过程。无非是有的过程用催化剂，有的过程不用催化剂，热加工过程中芳香环的大分子烃类很容易缩合生焦，影响系统的稳定运行，而且热加工过程大量使用加热炉，燃料消耗量大，合理的热集成、能量回收、燃料优化能明显降低加工过程能耗，增加经济效益，但热集成设计、能量回收操作、燃料平衡优化比较复杂。

和反应过程相配套的分离过程和常减压过程一样存在复杂烃类混合物在分馏塔中比较清晰地分馏使目的产品产量最大化的问题。

系统优化－实现炼油效益最大化

2.1 系统优化的基本概念

系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体。而系统本身又是他从属的一个更大系统的组成部分。
系统工程：运用先进科学方法，对系统的规划、研究、设计制造、试验和使用进行组织管理的技术。
系统优化：运用先进科学的方法，对系统中相互作用和相互依赖的组成部分的特定功能进行分析研究设计和组织管理，使系统功能和期望的目标相一致的过程。系统优化是一种过程，一种必须持续进行的过程，期望的目标会不断的调整。炼油过程的优化从装置规划建设开始到投入生产应成为一项经常性工作。
要处理系统优化中局部和全局的关系，系统中相互作用和相互依赖的每一个组成部分的优化之和不等于系统优化，在系统优化前提下的局部优化是系统优化的保证和支持。
最大化或最小化不等于系统最优化，通常意义下的最大化（或最小化）问题可以描述为在一组约束条件下求一个给定判据或目标函数最大或最小的问题。最优化则要将多个不同的目标或判据和谐地平衡并统一起来，并满足特定条件。如采购最低价格的原油（最小化）未必能给炼油企业带来最大的效益，原油加工量的最大化也未必能给炼油企业带来最大的效益。

2.2 炼油过程系统优化的范围和内容

炼油过程系统优化的范围

包括原油选择、采购、运输、储存、加工、成品油调和出厂等的全过程优化－供应链优化。

炼油过程系统优化的内容：规划优化、设计优化、计划优化、调度优化、工艺操作优化

规划优化：根据市场、环境、安全等要求，优化原油选择方案、其他原料方案、总流程、储运设施等。

设计优化：按总体规划，优化总图布置、氢流、能量流，细化优化工艺流程和单元设计

计划优化：按计划的时间分：年度计划、季度计划、月度计划；按计划涉及的生产经营内容分：生产计划、购油计划、销售计划、运输计划、财务资金计划、检修计划、投资计划等。

调度优化：储运调度（原油储运、加工配比、成品油调和、产品移动）；工艺装置调度（加工方案设定和调整、物料平衡、燃料平衡、氢气平衡、蒸汽平衡、紧急事故处理等）。工艺操作优化（综合考虑产品质量、产品收率、装置能耗等因素的工艺操作条件的最佳化）。

2.3 炼油过程系统优化的基础、方法和主要技术手段

炼油过程系统优化的基础

1）完整、实时、高效的信息系统。

2）能及时提供系统优化需要的各类数据。包括原油数据（品种、性质、库存、运输、装卸等信息），原油、成品油等的市场信息数据（价格、消费、市场趋势信息数据），生产运行数据（工艺、半成品品种、数量、质量等数据）。

炼油过程系统优化的方法

1）定性到定量的综合集成方法

2）处理复杂开放的大系统钱学森提出了一种比较现实和切实可行的方法－“定性到定量综合集成法”，处理炼油系统的优化要采用经过实践证明的模型进行定量分析，还应该发挥专家的作用，让专家对系统优化进行定性分析，将他们的经验、判断和模型的定量计算结合起来。最好的做法是定性分析的基础上建立模型，定量计算，计算结果再请专家评审，如此反复，进行系统优化决策。

炼油过程系统优化的主要技术手段

解决系统的优化问题，科学家创造了线性规划、非线性规划、混合整数规划等重要的数学方法即优化方法。随着计算机技术、人工智能技术的发展又开发了基于这些优化算法，能处理复杂大系统优化并和实际过程结合的各种计算模型，形成了解决炼油过程系统优化的技术手段。

计划优化和调度优化模型

主要用于优化过程工业各装置的生产操作和设计，短期及长期战略性规划，如物料采购优化、产品生产计划、运输物流和供应链的管理、技术评估、工厂新建和扩建评估。

供应链模型

用于优化供应链资源，对变化做出快速反应，做好充分准备来满足客户的需求，达到公司的财务目标。主要包括需求管理、供应计划、生产调度、库存计划、客户承诺管理以及分销调度等，实现以下几项主要功能：

（1）跨部门的整体供应链决策支持

（2）需求管理模型，使销售预测流程周期缩短，精度提高

（3）检查需求计划是否可行

（4）生产需求和预测的直接联系

（5）更好的能力平衡和物料平衡，生成最优的生产计划

（6）毛利率最优评估（利润最大化）

（7）各生产线短期能力的及时可见性，建立可行的调度任务

（8）是否可以准时发货或何时可以发货的可见性

（9）对各批次产品在生产线上的追踪

（10）多种方案/建议的模拟、分析和比较

调度优化系统

调度优化系统能有效地协调月度计划与日常操作，并能优化炼厂的日常生产操作和库存管理，可通过提高装置加工能力的利用率，降低库存，减少不能按期供货等风险，提高关键决策能力，从而提高炼厂的经济效益。

内含用于炼厂调度的三种基本方法：模拟、线性规划和专家系统。模拟用于预测在一组给定工况下的炼厂绩效，线性规划和专家系统用于处理各种生产条件、生产能满足设备约束、原料约束和提高产品收率需求的调度。其内置功能包括：基于原油数据库的原油蒸馏、油品调和优化、原油管道输送跟踪。

原油及成品油调合系统

调合系统的主要功能有：

（1）实现调和成本最低，组分利用最合理

（2）最大限度地增加高值产品

（3）根据库存、组分性质和产品规格给出优化的多周期、多品种、多牌号的调和时间表

（4）在某一牌号的产品调和进行当中，如果根据市场情况需要改成其他牌号时，调合系统根据可用的组分数量、质量和罐底油的性质、库容等，自动给出优化的新配方。

图-6 金陵石化原油在线调合现场

物流优化系统

物流优化系统在供应链的供、产、销的“供”与“销”这两个环节有着极为强大的应用功能，并已在国内外的应用中获得巨大成功。

炼油过程工艺操作优化的主要技术手段

流程模拟技术

先进控制（APC）技术

炼油过程系统优化的其他主要相关的技术手段

实验室信息管理系统（LIMS）

原油评价数据库

2.4 系统优化－实现炼油效益最大化

优化投资决策：为炼油效益最大化奠定物质基础
优化经营决策：原油高价位、原油成本在产品成本中的比例越来越高，原油采购决策对企

业的效益影响越来越大
优化生产运行：在选定原油的前提下，优化加工过程，降低加工费用，实现价值最大化
优化改造决策：为已有炼厂实施技术改造，调整装置结构及产品结构，节能降耗，提供优化方案，改善炼油效益最大化的物质基础

国外炼油过程系统优化的新进展

3.1 建设功能齐全、运行可靠的信息系统支持炼油系统优化

炼油系统优化必须以大量齐全、及时、准确的数据信息为基础，国外公司为实现炼油系统优化十分重视炼油信息系统建设，他们建成的信息系统功能覆盖炼油生产经营管理的各个方面：

1）过程控制、生产管理、经营管理、决策支持

2）计划优化、供应优化、生产优化、配送优化

3）原油调合、流程模拟、先进控制、油品调和

4）装置设计、设备状态监测和分析

用完善的网络安全、可靠、实时地进行数据信息传递，支持系统滚动持续优化，持久产生效益。

通过实施MES系统实现生产过程和企业管理信息集成

1）主要包括：物料平衡、装置校正、生产管理、操作管理、调度管理、储运管理。

2）形成生产运行和管理平台，强化对物料的跟踪管理，是优化生产的基础。

3）MES与ERP系统紧密集成，既为ERP提供计划数据和执行结果，又从ERP系统获取数据支持生产运行优化。

4）实验室信息管理系统LIMS是MES一个重要组成部分，得到广泛应用。

3.2 炼油系统优化以供应链为主线

优化覆盖从原油供应到成品油销售的整个业务链

1）平均降低运行成本20%-40%、降低运输成本10%-20%、降低分销成本10%-20%

2）减少过量库存和流动资金占有25％-50%

3）减少油品供应断档75%-95%，提高了资金回报率

实施从计划调度到油品调和的集成优化

1）在不断严格的环保要求下，高精度的调和控制可以有助于生产符合质量要求的油品，同时减少质量浪费，增加企业效益。

2）应用在线调和控制与优化技术提高调和效率，减少中间罐的需要。

3）全厂生产计划调度与油品调和集成，提高生产计划的整体可行性。

重视为原油采购决策服务

1）应用单周期模型研究年度预算，对长期贸易原油品种进行选择和效益评估。

2）使用单周期模型多次运行或多周期模型（一般考虑库存、船期等因素，采用多周期模型）进行3-4个月的滚动计划研究，为月度原油采购计划决策服务，而且将优化的重点放在月度运行上。

3）贸易人员和计划优化应用人员相结合，组成专门的计划优化应用队伍，总部及各炼厂都有专门的从事计划优化工作的人员，BP总部40多人，2-3个人负责一个炼厂，且和各炼厂的计划优化工作人员结合。

库存管理和运营调度在系统优化中开始受到重视

1）世界成品油消费增长带动原油需求增长，增加原油供应满足需求增长力下降，油价高、波动幅度大给炼油企业带来更大的经营风险。

2）库存管理和运营调度对企业的效益影响越来越大，降低库存会增加供应链中断的风险，库存同时带来风险和利润，库存管理和运营调度在炼油系统优化中的地位和作用突现。

3.3 应用现代控制技术和流程模拟技术实现工艺操作优化

应用现代控制技术，实现优化装置操作
广泛应用APC技术。
APC技术的应用效益显著，投资回收期小于一年，大型炼油化工装置的效益更为突出。
多装置先进控制、区域优化、在线优化等技术应用受到重视。

应用过程模拟技术提高炼油设计与操作水平，为装置实施技术改造脱除瓶颈提供决策建议
流程模拟技术在装置设计、设备建造、优化操作、优化流程、装置改造等方面得到广泛应用。
最新的发展趋势是：在各种应用中实现模型共用和数据共享，以提高应用水平和效率。

搞好炼油过程系统优化的对策和措施

4.1 加强培训，培养一批炼油系统专家

加强炼油企业领导人员培训，通过培训一是树立炼油过程只有搞好系统优化才能实现效益最大化的理念；二是了解系统优化的基本概念和方法；三是提高学习和更新知识，了解掌握炼油加工工艺尤其是工艺过程各装置的相互关联和影响的自觉性；四是提高指导组织系统优化的知识和能力。
加强炼油企业管理及技术人员的培训和培养，通过培训和实际工作锻炼培养一批熟悉炼油系统各种工艺过程、能熟练应用炼油系统优化概念和方法进行炼油系统优化的专家。
推进生产组织结构改革和利用控制室集中创造培训系统专家的环境。

4.2 高度重视炼油总体规划及设计优化