配方原油技術及其在原油資源優化中的應用

章群丹，許育鵬，田松柏，褚小立

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

根據中國石油集團經濟技術研究院發布的《2017年國內外油氣行業發展報告》，我國2017年石油的表觀消費量達到590 Mt，石油凈進口量達到396 Mt，對外依存度達到67.4%。對外依存度的增加不僅意味著原油加工量的增加，而且還反映出原油品種的多樣化，在增加煉油廠原油選擇自由度的同時，也帶來了煉油廠操作的不確定性。有些煉油廠從裝置運行一開始加工的原油就不是當初設計所用的原油，配套建設的裝置很難按設計的要求協調運轉；另外一些煉油廠加工的合適原油供應不足或價格高企，也會影響煉油廠的正常生產；還有一些煉油廠加工的原油不是優化的目標原油，加上品種經常變化，不僅裝置的安全平穩運行受到影響，而且優化工作很難落實到位。

針對國內煉油企業優化原油經常得不到保證，導致效益損失這一共性問題，中國石化石油化工科學研究院(簡稱石科院)結合原油評價數據庫、原油光譜庫、原油快速評價技術和先進計算方法開發出配方原油技術，其基本內容是利用先進算法，將幾種不同原油進行組合，形成多種性質與目標原油相似的原油配方供煉油廠選擇利用。以下主要介紹配方原油技術及其在原油資源優化中的應用情況。

1 配方原油技術的科學基礎與實施流程

配方原油技術是一種基于先進算法，在原油評價數據庫和原油光譜庫所采集的大數據基礎上，通過光譜擬合及原油品種和數量的巧妙搭配，得到與目標原油性質十分接近的“類原油”配方的技術。例如，某煉油廠加工的目標原油是阿曼原油，當阿曼原油的供應受限時，通過配方原油技術，可從原油光譜庫中找出一些原油，通過這些原油光譜按比例的組合，得到與阿曼原油光譜相似的混合光譜，通過混合光譜中各原油的比例，并結合原油評價數據庫，即可計算出類阿曼原油的全部原油評價數據。圖1是采用配方原油技術，將原油近紅外光譜庫中的0021號、0158號、0125號原油按質量比75∶10∶15的比例混合后，得到的與阿曼原油類似的近紅外光譜。

配方原油和目標原油的相似度可用式(1)描述[1]。

(1)

式中：Ai和Bi分別為目標原油和配方原油的物性或組成數據；ωi為第i個物性的權重；Max(i)和Min(i)分別為參與配方設計原油的第i個物性對應的最大值和最小值。

根據S(OA，OB)的值來判斷配方原油OB和目標原油OA之間的接近程度，其值越接近1代表配方原油與目標原油越相似。

圖1 類阿曼原油近紅外光譜形成示意

原油評價數據庫、原油光譜庫和原油快速評價技術也是配方原油技術的重要組成部分。在煉油廠原油資源的優化選擇層面，需要有原油品種多、包含范圍廣(尤其是國內加工的原油)、原油評價數據更新快、原油和餾分性質及組成數據詳細的原油評價數據庫作支撐；在煉油廠生產過程操作層面，原油光譜庫、原油評價數據庫以及在此基礎上建立起來的原油快評技術能夠在短時間內迅速給出進廠原油的性質，甚至煉油廠儲罐中混合原油的性質，由此得到的配方原油更為實用，而且與煉油廠原油調合設施一起，可以隨時對配方原油的配比進行調整，真正實現煉油廠全流程的優化目標。

在實施配方原油技術時，首先根據煉油廠裝置、工藝、催化劑等的特點，提出適合煉油廠加工的目標原油。目標原油可以是煉油廠設計時所選定的原油，也可以是煉油廠以前加工過且證明具有較高經濟效益的原油[2]，還可以是通過流程優化軟件計算出的優化原油，或者是各種性質具有一定變化區間的虛擬原油。通過流程優化軟件，進行物料平衡和經濟效益計算，從眾多配方中篩選出幾種進行可加工性能評價，對滿足要求的配方原油進行評價，驗證計算的可靠性，將合適的配方輸出到煉油廠安排生產，不合適的淘汰掉，再從配方庫中調出新的配方進行計算，反復循環，直到找到最合適的配方原油為止。配方原油技術實施的原則流程見圖2。

圖2 配方原油技術的實施流程

2 配方原油技術在類阿曼原油配方設計中的應用

阿曼原油具有輕質油收率高、柴油十六烷值高、常壓渣油K值高、金屬含量低等特點，適合在燃料-化工型煉油廠加工。但是，阿曼原油每年的產量只有30 Mt左右，滿足不了全球原油貿易市場的需求，而且，如果采購量過大，容易使原油的價格升高。因此急需尋找與阿曼原油類似的原油作為替代原油。采用配方原油技術，在組分原油不超過4種的情況下，可以產生上百種配方，能從多個方面滿足煉油廠對類似原油的需求。以下是幾個例子。

2.1 以原油性質為目標的類阿曼配方原油

將組分原油1，2，3按質量比0.60∶0.25∶0.15的比例(配方1)混合，計算得到的性質與阿曼原油十分接近(見表1)。另外，其他的一些配方也具有同樣的特點。

表1 以原油性質為目標的類阿曼配方原油

2.2 以原油價格為目標的類阿曼配方原油

如果煉油廠效益對原油的價格十分敏感，可以在式(1)中將原油的價格作為一個變量予以考慮。但相對“以原油性質為目標的配方原油”的應用來說，這項應用比較困難，主要原因是組分原油的價格一般應低于目標原油價格，這樣很大程度上限制了參與配方設計的組分原油的數量。表2是從15種價格比阿曼原油低的組分原油中通過配方原油技術計算出來的部分配方，在原油價格較高的情況下，通過組分原油的適當配比，可以得到價格比阿曼原油低1～5美元bbl(1 bbl≈159 L)的配方原油。

表2 以原油價格為目標的類阿曼配方原油

1)組分原油4，5，6質量比為0.40∶0.40∶0.20。

2)組分原油7，8，9質量比為0.41∶0.39∶0.20。

3)組分原油10，11，12質量比為0.40∶0.37∶0.23。

4)組分原油13，14，15質量比為0.38∶0.32∶0.30。

5)組分原油16，17，18質量比為0.38∶0.35∶0.27。

2.3 以原油餾分性質為目標的類阿曼配方原油

如果煉油廠某些裝置對全廠效益的貢獻較大，則可以將該裝置的原料性質或組成要求作為配方原油技術追求的目標。表3是針對燃料-化工型煉油廠對石腦油的性質、收率、組成的特別要求而建議的配方之一，可以看出，配方原油石腦油的主要特點與阿曼原油石腦油十分接近。

表3 以石腦油餾分性質為目標的類阿曼配方原油

1)組分原油19，20，21質量比為0.19∶0.36∶0.45。

2.4 以利用煉油廠儲罐已有原油為目標的類阿曼配方原油

煉油廠原油儲罐在長期的使用過程中，會有不同的原油混雜在一起的罐底油，難以獲得可靠的原油評價數據；另外，原油進廠后，經過各種工序，由于操作和設施方面的問題，原油的混合比例、混合原油的性質可能經常會發生變化。采用配方原油技術中的原油快速評價模塊，可以在幾分鐘內得到原油評價數據[3-4]，配方原油技術將其作為一個組分原油，與其他原油一起形成配方，也可以得到與目標原油性質接近的配方原油。表4為以利用煉油廠儲罐已有原油為目標的類阿曼配方原油，其中儲罐原油是取自某煉油廠儲罐的一種混合原油，其性質是通過原油快速評價得到的。如果阿曼原油是煉油廠合適的原油，則可以允許硫含量較高、石腦油收率也較高的原油與儲罐原油相配。表4中配方原油技術的計算結果表明，當儲罐原油與卡塔爾海上原油按質量比0.42∶0.58的比例(配方8)混合時，也能得到與阿曼原油性質相似的配方原油。

表4 以利用煉油廠儲罐已有原油為目標的類阿曼配方原油

2.5 計算結果與實際原油評價結果的比較

為了驗證配方原油技術計算結果的可靠性，對配方1、配方9和配方10的原油性質進行實驗室分析，結果見表5。對配方1與阿曼原油還進行了實沸點蒸餾曲線的比較，結果見圖3。從表5和圖3可以看出，計算結果與實驗室分析結果非常接近，完全可以滿足煉油廠實際操作的需要。

表5 計算結果與實際原油評價結果的比較

1)組分原油22，23，24質量比為0.50∶0.40∶0.10。

2)組分原油25，26，27，28質量比為0.55∶0.25∶0.10∶0.10。

圖3 配方1原油與阿曼原油的實沸點蒸餾曲線■—阿曼原油； ◆—配方1原油

3 結 論

(1)基于大量的原油樣本、原油評價數據庫、原油光譜庫以及相應算法形成了配方原油技術。配方原油技術可以方便、高效地調配出與目標原油相似的原油配方，實驗室分析結果與計算結果有較好的相似性。

(2)煉油廠可以根據需要確定配方原油要達到的目標，既可以使配方原油的價格接近，甚至低于目標原油，也可以使配方原油和目標原油的性質盡可能一致，還可以使重要裝置原料的性質與目標原油的相應餾分油性質基本一致。