煉化物料優化與排產軟件在煉化企業的深化應用

孫華寧，汪洪濤，張萌(中國石油天然氣股份公司規劃總院，北京 100086)

0 引言

煉化物料優化與排產系統是煉化領域專業計劃優化系統 (advanced planning and scheduling, APS)，是一種依據供應鏈管理和約束理論進行企業生產計劃與排產的先進算法。該計算采用的線性規劃模型能使生產企業利潤效益最大化，APS系統的作用是提供高效全流程管理生產計劃業務，有效增強資源的優化配置和利用能力，實現數據信息的集成共享和集中管控，提高煉化企業生產計劃精細化管理水平，為企業增效提供技術支持[1]。國內某煉化企業的煉化物料優化與排產系統包括了技術先進Honeywell公司的RPMS計劃優化軟件、Haverly公司的H/CAMS原油管理軟件以及雪佛龍和辛孚原油數據庫。

APS模型結合煉化企業配套改造項目，通過線性規劃、物性傳遞、硫平衡、Delta-base等技術，依托H-CAMS、RPMS及Finereport等軟件，建設煉化企業原油評價數據庫、原油選購模型及配套報表，目前已經廣泛應用于煉化企業的原油選購優化測算、計劃排產、生產方案優化、開工方案制定等多個方面，實現某煉化企業原油選購優化及全廠計劃優化，完善煉化企業的原油優化選購方法體系，在該公司生產經營中發揮了重要的作用。

1 APS在原油選購模型設計的應用

1.1 整體流程設計方面的應用研究

RPMS軟件主要應用于煉油和化工企業來進行計劃優化，其特點是以市場為導向，以經濟效益最大化為目標，按照企業流程特點進行模型設計，分析并確定收入、成本以及利潤的計算方法。某煉廠以企業整體效益最大為優化目標搭建APS模型，包括原油及其他原料采購、裝置加工、成品油調合、產品銷售、公用工程消耗等業務環節。結合某煉廠業務流程特點，應用RPMS軟件建立APS工藝模擬模型，其整體流程設計如圖1所示，包含了從原料采購、生產加工、油品調和到產品銷售的業務全過程。

圖1 國內大型煉廠APS模型整體流程優化設計圖

遼寧某石化公司[2]采用APS優化系統進行了流程優化設計，搭建了設計優化模型。原油選購系統極大提高了煉油化工企業的生產效率。其次針對原油庫存對生產存在的影響，建立多周期優化模型，并對增建和擴建的生產裝置進行經濟預估和比較，為企業決策提供了重要依據，增加了用戶的滿意度。

1.2 裝置設計方面的應用研究

軟件的一次加工模塊主要由原油切割表、常壓裝置模型、減壓裝置模型構成。二次加工模塊包括除常減壓裝置和油品調合裝置之外的所有生產裝置模型，包括輕烴回收、連續重整、加氫裂化、催化裂化、氣體分餾等裝置。

某煉化企業建立了二次加工模塊，以加氫裂化裝置為例，此裝置是在較高壓力下進行的煉化反應，烴分子與氫氣在催化劑表面進行裂解和加氫反應生成較小分子。加氫裂化裝置的主要進料是蠟油，主要出料是加裂干氣、液化氣、石腦油、航空煤油、輕柴油、加氫尾油等產品。

加氫裂化裝置模型圖如下所示，代碼設置為WHL1，左邊為裝置進料，右邊為裝置出料，點擊右上角的“WHL1”，可進入該模型的配置表進行參數的設置(圖2)。

圖2 加氫裂化裝置單元界面圖

在配置表中，“MWGT”開頭的代碼表示以物料平衡，以“MWGT“開頭的數值和為0; “WCAPHC1”表示此裝置的加工能力；此模型的特點是：兩種進料按照一定的比例關系，每加工1 t減壓蠟油，需要0.02 t氫氣參與反應。

物料平衡列的方程為：

式中各代碼代表意義見如表1所示。

表1 物料代碼表

其中，系數表示加氫裂化裝置進出料的比例；正值表示此物料為進料；負值表示此物料為出料。

2 APS在原油選購方案優化的應用

某煉化企業完成擴能項目后，進口原油加工量占到企業原油加工總量的50%以上。企業需要從國際市場采購適合煉廠加工的進口原油，但是國際市場上可供選購的原油種類繁多，每一種原油的價格不同，側線收率、物性也均不同，能為企業帶來的經濟效益也不同。有必要借助先進的軟件工具[3]，搭建能反映企業全廠加工流程的原油選購及生產加工優化模型，進行原油優化選購和生產優化方案的制定等，為企業生產經營方案制定和利潤效益的提高提供決策依據。

原油數據庫是原油優化選擇的基礎，通過雪佛龍原油評價數據庫挑選適合某煉化生產裝置流程的原油評價數據，對原油性質、餾分油性質進行分析，可對其加工性能進行評價，同時根據原油評價數據，整理形成原油數據庫。數據庫中原油種類幾百種，原油評價數據近2 000套，覆蓋國內主力油種、國際原油市場大宗交易原油和中國進口原油種類。按照常減壓裝置不同切割溫度，通過H/CAMS軟件對原油評價數據進行切割，得到包含各原油側線收率及性質(包括API度、密度、硫含量、氮含量、芳潛、凝點、20 ℃黏度、煙點、冰點、閃點、十六烷值、殘炭值、NI含量、V含量、金屬含量、瀝青質含量等)的原油切割數據，為兩套常減壓裝置建模提供數據基礎。

應用APS模型進行月度、季度或年度原油選購測算時，首先需要確定該月、該季度或該年的裝置開停工情況、長期合同原油的數量、產品產量范圍等，然后再根據原油貿易商提供的信息將國際市場上可采購的油種及數量在模型中進行最大最小量限制。原油價格一般可由中聯油提供，產品價格的預測難度較大，因此一般采用現價。為了方便得到切實可行的原油選購方案，還可在模型中添加其他的一些約束條件，如中東油最大采購量限定，遠東油最大采購量限定等。

目前應用APS模型開展原油選購優化方法主要有以下4種：(1)原油分類選擇；(2)縮減成本法；(3)單油種測算法；(4)原油保本價法。表2是原油選購結果。

表2 原油選購結果

原油種類按照生產效益的大小進行排序，前面表示加工效益較好，可供企業優先選購。測算采購量代表實際測算可采購數量；最大限制量代表市場上可采購的最大量；原油保本價表示市場可采購的原油最低價格，為原油采購人員進行商務談判提供價格依據。

3 APS在生產方案優化中的應用

通過模型對生產方案進行優化分析，主要體現在原油邊際效益分析，產品邊際效益分析，原油進料性質分析，裝置加工負荷分析，綜合指標分析，汽柴油調合分析等。利用APS系統能夠綜合考慮原油資源、裝置生產情況以及產品的市場情況來查找裝置的生產瓶頸。

3.1 原油邊際效益分析方面的應用

原油加工結構確定后，模型可以計算出各原油的邊際效益，通過比較各油種的邊際效益可以了解在此原油加工結構下，如果提高加工量需要追加哪種原油或降低加工量需要減少哪種原油，某煉化企業某月度計劃原油邊際效益如表3所示。

表3中原油B邊際效益為正，其余都為負值，表明在目前生產計劃中如果需要增加原油加工量需要追加原油B油種，主要原因是該類油種由于密度大引起的價格差較大，同時由于該油種蠟油組分含量高，可以有效地解決某煉化企業蠟油不足的局面，整體效益較好。

表3 企業月計劃原油邊際效益分析

原油C、D、E由于價格較高，邊際效益為負且數值較大。原油A價格最低，但由于減渣收率高且減渣性質差，會使催化進料性質變差，導致減壓渣油外甩，所以邊際效益也較差，通過對邊際效益的分析，可以了解企業所需原油的類型。

3.2 綜合指標分析方面的應用研究

模型可以計算出煉化企業要求的各項綜合指標，通過對各綜合指標的考察可以確定，綜合指標很大程度上反映企業的加工經營情況。APS在裝置加工負荷分析方面的應用也較為廣泛，模型對裝置加工的最大最小負荷進行了定義，模型以此為依據優化各裝置的加工負荷，通過裝置加工負荷的分析可以得到大量有用信息。當芳烴價格好時模型會傾向于將催化中汽油作為重整料提高重整裝置的加工負荷，多產芳烴；當石腦油價格高時，模型傾向于降低重整負荷或減少芳烴抽余油調合汽油量，增加抽余油的外售量。

4 發展前景

通過APS系統在某煉化公司的深化應用研究，可以看出，與傳統的生產計劃相比，APS系統具有原油品種多、約束因素多，以效益最大化為目標的企業優勢明顯，在原油選購模型設計、原油選購方案優化、生產方案優化方面能夠發揮重要的作用，為企業生產決策提供重要支持。

APS系統雖然功能強大，但仍有需要完善的方面。國內對APS系統的研究仍然側重于結合生產實際的應用研究，對其內在的理論算法邏輯研究的還不夠深入和系統，在今后的工作中國內APS重點使用企業可以在理論基礎方面進行深入研究。并結合實際應用案例，對該軟件轉化升級，開發出國際領先的與生產實際更為緊密結合的新系統，更好地服務于企業生產。在全產業鏈協同優化方面，以整體效益最大化為目標，以市場為導向，建立智能優化的平臺，實現市場動態感知，決策支持精準高效[4]。

APS系統采用了高度集成的邏輯，內容豐富，功能強大。但是企業現實問題的存在差異，如不同的企業裝置規模不同、裝置的種類不同、產品種類不同，對于一些小型企業，采用功能強大完整模塊的APS系統并不合適，因而根據企業需要開發適合企業發展的APS系統非常有必要。