炼油产能过剩、化工原料短缺为当前中国石化企业面临的结构性难题,炼化企业实施减产成品油、增产化工原料与化工产品的“油转化”转型发展成为必然选择,具体实施路径包括调整生产装置、优化生产经营、引进新型技术等多种手段。通过引入PIMS优化工具,模拟炼化企业在波动的市场环境中做出的最优选择结果,分析原油及化工原料采购决策变化,测算催化裂化工艺替代前后企业利润和原料选择变化,为企业实施“油转化”战略进程中的生产经营优化提供决策依据。建议炼化企业在“油转化”过程中加强轻质原油与凝析油经济性测算,优化原料采购策略;加强工艺路线负荷调节,安排好芳烃与裂解两条化工路线的生产负荷;加强新装置经济性分析,掌握流程局部变动对全厂整体生产经营的影响,从而实现降本增效。
关键词:“油转化”;原料优化;PIMS;炼油转型;边际效益
01“油转化”背景
当前,中国炼油、乙烯、对二甲苯(PX)三大石化产业的产能规模均已跃居世界第一。据中国石油和化学工业联合会发布的年度报告,截至2022年底,中国一次炼油能力达到9.2亿吨/年,首次超过美国,居世界第一位,占全球炼油产能的17%,过去10年年均增速达2.5%;乙烯和对二甲苯产能分别为4700万吨/年和3500万吨/年,继续保持全球首位优势。据预测,到“十四五”(2021-2025年)末,中国炼油产能将扩大至10亿吨/年,乙烯产能将扩大至7200万吨/年,对二甲苯产能将扩大至4300万吨/年,全方位引领全球石化产业未来发展方向。
近年来,在国家碳达峰、碳中和目标驱动下,石化行业绿色低碳转型发展步伐显著加快。随着中国替代能源加快发展和石油需求峰值临近,以生产成品油为主的传统炼油加工路线不再适应市场需求;与此同时,在内需拉动下,中国化工品需求仍维持较快增长,乙烯、对二甲苯等关键化工产业原料仍依赖进口,成品油过剩与化工原料短缺的结构性矛盾日渐突出。在此背景下,具备前瞻视野的石化企业顺应发展形势,推动旗下炼油企业实施减产成品油、增产化工原料与化工产品的“油转化”转型发展战略,抢占未来市场高地。
02炼化企业“油转化”路径
近年来,在炼油产能严格受控、乙烯产能大幅扩张的背景下,中国乙烯原料来源逐步呈现多元化格局。一方面,大部分炼化企业在新建或扩建乙烯产业链时,同步对炼油加工流程进行“油转化”适应性改造,以填补化工原料缺口。与此同时,炼油原料轻质化也成为不少炼厂的经济性选择,从凝析气田或油田伴生气凝析出来的石脑油馏分含量过半的特别轻质的凝析油,随着原油开采轻重质两极分化后产出日渐增多的超轻原油,以及可作为原油直接蒸汽裂解原料的优质轻质原油都备受关注。另一方面,部分新建乙烯项目也在拓宽化工原料来源,化工原料轻质化、多元化趋势更加明显,越来越多的乙烯项目选择以乙烷、丙烷、液化石油气(LPG)等轻组分作为主要原料,开辟新的更高效的生产路线。而且,煤制乙烯、天然气制乙烯工艺路线应用项目逐渐增加,化工原料来源趋于丰富。
炼化企业实现“油转化”目标的可行途径众多。从生产装置调整角度,可通过优化石脑油馏分切割,做大加氢裂化负荷,并调整裂化反应深度,增加柴油加氢的裂化催化剂等方法实现。从生产经营计划角度,可借助PIMS(Process Industry Modeling System,流程工业建模软件)等优化软件,在当前市场和资源设施条件的限制下,以效益最优为目标,系统性测算最佳的油种选择方案、化工原料采购方案、装置加工方案以及产品销售方案,根据市场环境变化动态测算调节,使企业生产经营决策始终保持最优。从新型技术应用角度,以增产低碳烯烃的新型催化裂化工艺(DCC/RTC)替代以生产汽柴油为主的传统催化裂化工艺(FCC/MIP),以及原油直接蒸汽裂解等技术的应用,都成为实现“油转化”目标的重要手段。
受到市场条件限制和价格波动影响,生产经营优化测算需要考虑多方面因素。例如,石脑油等化工原料采购量提高可能引起市场供应紧张,进而推涨其采购价格,产品市场的价格波动也会间接影响原料采购与生产安排决策。对于新技术新工艺应用的经济性、市场条件判断以及对关键原料与产品价格的敏感性分析,均需要企业进行系统测算评估,掌握投资时机与节奏,充分评估市场风险。以催化裂化工艺替代为例,虽然新工艺产出价值有所提升,但原料成本和运行成本也将增加,企业需要对比替代前后全厂利润变化情况进行决策,同时评估市场变化对改造投产后企业整体效益的影响。
03模型方案设定
本文通过PIMS优化工具,模拟炼化企业在波动的市场环境中做出的最优选择结果,分析原油及化工原料采购决策变化,同时考察催化裂化工艺替代前后企业利润和原料选择变化,为企业实施“油转化”战略进程中的生产经营优化提供决策依据。
以某炼厂某月份PIMS模型为基础设置约束条件,原油价格参考当期市场基准油价和可稳定获取资源的油种升贴水,其他原料和产品价格参考当月最新市场价格;原油加工量不单独设限,仅受限于装置加工能力。成品油产量按配置与计划量进行约束,其余副产品产量根据生产及市场实际情况设定约束条件,形成基准情景。在基准情景基础上,考察“化工原料采购量价变化、芳烃价格变化、催化工艺替代与烯烃价格变化”3类市场波动情况对炼厂原料选择和生产安排的影响(见表1-表3)。
1)结合区域内石脑油供应相对有限、市场流动性较低、跨区贸易成本高等因素,实际石脑油采购量增加将抬升增量采购价格的特点,假设提高该企业石脑油采购量,石脑油和LPG两种化工原料价格跟涨,而原油价格等其他市场还未产生反应。情景1-3设置约束条件时,考虑当期乙烯裂解所需石脑油理论保本点①低于外采石脑油价格,化工原料总量根据运行要求设置低限作为保供条件,LPG价格默认跟随石脑油价格变动。
2)假设芳烃、烯烃两类化工中间产品的市场价格出现波动,测算最优的原料选择和芳烃、烯烃两条化工路线的产销安排。情景4-6设置约束条件时,考虑预留化工原料采购空间,以情景3外采石脑油数量上限15万吨方案为基准,仅调整纯苯和混合二甲苯价格。
3)参考已有工业应用案例的新型催化裂化工艺参数,修改催化裂化装置及上下游物流的模型参数,对比工艺替换前后模型优选方案的变化情况。情景7为在基准情景的基础上,将催化裂化模型参数调整为某在运炼厂新催化工艺参数,其他条件保持不变。情景8-10以情景7为基准,调整乙烯和丙烯价格测试新工艺的市场敏感性,同时根据乙烯蒸汽裂解保本点测算结果同步调整化工原料价格。
04测算结果分析
4.1 化工原料采购量价变化分析
在4种不同的化工原料采购量与价格限制条件下,PIMS测算的最优加工量、原油种类选择、石脑油采购决策、重整装置开工率以及炼油毛利等关键指标变化分别见图1、图2、图3。
可以看出,在当期石脑油裂解价差为负的市场条件下,石脑油采购量从基准情景的5万吨增加到情景1的10万吨,可削减4万吨高吨桶比、高价格的凝析油采购量,同时小幅提高劣质原油加工比例,原油采购均价明显降低;在原油加工量降低4万吨的同时,原料加工总量增加了1万吨,炼油毛利大幅上升。与此同时,重整装置开工率提高,外采石脑油边际效益大幅下滑,说明继续增采石脑油提高重整装置负荷仍有毛利,但增量贡献已边际转弱。
石脑油采购量限制继续放开至情景2的12万吨时,模型找到最优石脑油采购量为11万吨,说明重整装置负荷已满,增采石脑油已无边际效益。与此同时,原油加工量和原油结构并未发生明显变化,而炼油毛利受石脑油涨价影响有所下滑。
情景3继续提高石脑油价格,增量外采石脑油进入重整已出现亏损,重整装置负荷降至98%达到盈亏平衡点;石脑油需求下降后,原油结构往更劣质化方向调整,重质原油采购比例增加,原油采购均价下降,炼油毛利回升。
综上所述,在石脑油裂解价差为负的市场条件下,优化方向为增采石脑油、减少高价凝析油采购量,并提高重整装置负荷。在此情况下,即便外采石脑油边际价格出现一定程度的推涨,整体炼油毛利仍有提升,最优的石脑油外采量为11万吨。随着石脑油价格继续上涨,重整边际效益变成负值,此时应降低重整负荷,减少石脑油需求,同时增采重质原油以降低总成本,提升炼油毛利。
4.2 芳烃市场价格变化分析
4种不同的芳烃价格条件下,PIMS测算的最优加工量、油种选择、石脑油采购决策、三苯(纯苯、甲苯、混合二甲苯)产量,以及炼油毛利等关键指标变化见图4、图5。
情景3-5的测算结果表明,当重整装置负荷还有提升空间,即三苯产量未达到最大值时,芳烃价格上涨应优先提高石脑油外采量,满足重整装置提负荷的需求,同时增采少量高性价比轻质原油补充石脑油缺口,原油结构及采购均价基本稳定,重整装置创效价值释放,炼油毛利上扬。当月炼油毛利从3.32亿元提高至3.45亿元,吨油毛利润从222元提高至230元。
情景6继续提高芳烃价格,此时重整装置负荷已满,增采石脑油无法创造价值;此时原油结构以低价中重质原油为主,原油边际成本已低于外采石脑油。模型优化结果显示,将外采石脑油减少0.5万吨,相应增加0.5万吨高性价比轻质原油,一定程度上牺牲原油采购成本,反而可提高炼油毛利。
综上所述,芳烃价格上涨将带动重整装置边际效益提升,按优先增加石脑油外采量,其次增加高性价比轻质原油外采量的原则,满足石脑油需求,提高重整装置负荷,可提高炼油毛利。当重整装置满负荷后,增采边际成本更低的轻质原油替代外采石脑油的做法经济性更好。
4.3 催化工艺替代与烯烃价格变化分析
应用新的催化裂解工艺参数替代后,模型计算结果变化显著;在此基础上,模拟烯烃价格波动的市场环境下,PIMS测算最优的加工量、油种选择、炼油毛利等重要参数的变化情况见图6、图7。
催化工艺替代后,高附加值产品乙烯和丙烯产量从1.1万吨增至2.4万吨,显著提高了催化装置的创效能力。对比替代前后的基准情景与情景7可以看出,新催化装置推升了全厂生产的边际创效水平,拉动最优原油加工量提高4万吨。与此同时,受催化裂解工艺对原料要求苛刻的影响,原油采购结构也发生了改变,偏石蜡基的优质原油采购比例大幅攀升,原油平均成本有所增加。总体上,催化产品价值提升与原油加工量增加所贡献的效益,远大于原油成本增量,炼油毛利明显提升,当月炼油毛利从2.1亿元提高至3.1亿元,吨油毛利润从136元提高至196元。
情景8-10的测算结果表明,在催化装置满负荷的情况下,乙烯、丙烯价格上涨无法直接影响催化装置负荷,从而无法影响炼油生产方案,原油加工量保持稳定。但是,受到乙烯、丙烯涨价影响,乙烯蒸汽裂解的石脑油保本价相应提高。由于该部分案例均已限制石脑油采购量不大于5万吨,无法通过增采石脑油来提高乙烯蒸汽裂解装置负荷创效,此时增采轻质原油提高石脑油产量成为增效的可行途径。受限于新催化裂解装置对原料的苛刻要求,最优的原油结构调整方向变为增加高性价比超轻原油的采购量,替代部分高价的偏石蜡基原油,整体上原油成本变化不明显。由于烯烃价格上涨,石脑油裂解的保本价提高,而原油采购成本稳定,因此炼油毛利跟随小幅攀升。
综上所述,传统催化裂化工艺被替换成新的催化裂解工艺后,偏石蜡基原油采购量增加,带动原油加工量增加,催化装置高附加值的乙烯和丙烯产量翻倍,炼油毛利显著提升。在催化装置负荷没有提升空间的条件下,烯烃市场价格上涨仅能提升石脑油乙烯蒸汽裂解的价值,应采购更多超轻质原油来增产石脑油,从而达到增效目的。
05结论与建议
炼化企业在推动“油转化”进程中,应及时捕捉市场变化,应用PIMS等优化软件动态测算最佳的原料采购及生产计划方案,根据测算结果及时调整生产经营方向,保持企业运营始终处于最优轨道上。本文通过对3类市场变化情况进行优化测算与对比分析,总结特定条件下企业应对市场变化的优化调整策略,为企业的原油原料采购及生产方案调整提供参考。
5.1 加强化工原料采购优化
随着“油转化”变革深化,化工原料需求增加,轻质原油与凝析油将越来越受到市场青睐,价格或随紧俏程度逐渐走高。与此同时,全球及各地区炼油化工产业分布不均情况仍将持续,石脑油跨时空的供需差仍将使石脑油贸易愈趋活跃。对于有化工原料缺口的炼化企业来说,应全盘考虑炼化一体化效益,整体测算轻质原油与石脑油外采方案,优化原料采购策略,全力降低生产经营成本。
5.2 加强工艺路线负荷调节
芳烃和烯烃市场价格波动,将直接影响石脑油走重整路线和裂解路线的保本点。企业需系统性考虑市场波动对石脑油供需平衡的影响,以效益最大化为原则分情况测算原油和石脑油采购量,安排好芳烃与裂解两条化工路线的生产负荷,为优化生产经营决策提供科学依据。
5.3 加强新装置经济性分析
新装置上线往往带来产能扩容,但同时意味着原料、耗能等成本的增加,因此要全面统筹考虑。在新建装置或装置改造前,企业应根据市场环境变化,进行系统性的经济评估,掌握流程局部变动对全厂整体生产经营的影响,并对关键产品作市场敏感性分析,做好原料采购与产品销售变化的应对方案。
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作者:本刊编辑部
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