基于pims模型的原油性质及加工性能研究

基于pims模型的原油性质及加工性能研究

1健全工艺,进行压力和效率分析原油的组成和性质非常复杂。很难简单地描述原油的性质。此外，现有的评估和分类指数不针对特定的石油供应系统。原油性质是其可加工性能及其市场交易价格的重要影响因素,原油成本一般要占到炼油企业总成本的80%~85%,不同性质原油的加工流程不同。因此,在原油采购、加工等过程中均需对目标原油进行大量的分析评价工作,以掌握原油性质、可加工性能及其经济价值,为确定原油采购和加工方案提供依据。对于具体炼油企业而言,由于装置配置、能力、设备耐腐蚀级别等都已经确定,研究不同原油品种与装置的适应情况对炼油企业具有一定的实际意义。本课题采用炼油PIMS模型针对具体炼油装置的原油性质匹配系数进行计算,利用这些匹配系数可以量化地比较各种原油的性质及其可加工性能。2原油和汽油机对原油性质的需求2.1原油的原料及碱土质量分数api原油性质极其复杂,人们通过对原油性质及其分类工作的多年研究,提出多种分类描述方法,包括特性因数分类法、馏分特性分类法、硫含量分类法、比重指数API分类法、酸值分类法等,每一种分类描述方法针对原油某一个方面的具体性质。要描述某种原油性质需要同时使用多个性质指标,尽管如此仍难以完全表述原油的复杂性质。下面以硫含量分布和API分类方法为例说明原油的性质和分类。通常将原油硫质量分数小于0.50%的原油称为低硫原油,将硫质量分数介于0.50%~1.50%之间的原油称为含硫原油,将硫含量大于1.50%的原油称为高硫原油。但即使对硫含量相近的原油,硫元素在其各个馏分中的分布也并不一致。四种不同原油的硫含量分布见表1。从表1可以看出,扎菲洛、喜康巴、萨哈林、吉拉索四种原油的硫质量分数分别为0.28%,0.32%,0.33%,0.34%,这四种原油硫含量非常接近,但这四种原油的蜡油、渣油馏分中硫含量相差很大,如萨哈林原油蜡油馏分中硫质量分数为0.66%,超过其它三种原油平均值0.23个百分点。因此在实际原油采购过程中,如果只考虑原油硫含量高低、不考虑原油硫含量分布,可能造成有些物料由于装置生产负荷已满而得不到必要的加氢脱硫精制,而有些加氢脱硫装置由于物料不足不能满负荷运行的现象,最终影响产品质量以及企业经济效益。在API分类方法中,将API°大于38的原油称为轻质原油,将API°在22~38之间的原油称为中质原油,将API°小于22的原油称为重质原油。但API°相近的原油其各馏分收率往往相差很大。四种API°相近原油的馏分组成见表2。从表2可以看出,奥瑞特、拉塔姆、萨哈林、凯萨杰等四种原油API°分别为27.30,27.52,28.10,28.20,这四种原油中萨哈林原油的中间馏分即煤油、柴油及蜡油馏分质量收率之和为78.56%,比其它三种原油的中间馏分收率平均值高约21.5个百分点;反过来,萨哈林原油的渣油收率仅为7.20%,比其它三种原油渣油收率平均值低约20个百分点。针对原油API°相近、而其不同馏分油收率差异较大的现象,可以从更多原油的中间馏分收率与两端馏分收率的比值(T值)对比来说明这种差异,其中中间馏分收率为原油中煤油、柴油及蜡油馏分质量收率之和,两端馏分收率为石脑油馏分、渣油馏分质量收率之和。T值越高表示原油中间馏分收率越高,T值越低表示原油中间馏分收率越低。奥瑞特、拉塔姆、萨哈林、凯萨杰四种API°接近原油的T值分别为1.44,1.03,3.71,1.70,可见虽然这四种原油API°相近,但其不同馏分收率差异很大。可以说,API°只能表示原油整体轻重,但不能揭示原油不同馏分收率差异。在实际原油采购工作中,如果仅靠API°的高低来选定原油、不考虑原油不同馏分收率差异,可能造成炼油装置之间投入产出物料的不平衡。综上所述,硫含量、API°等已有的原油分类描述方法均难以综合表述原油性质,它们都是片面的、分散的,尚需结合企业装置特点对原油性质进行综合研究。2.2现行原油采购品种的需求由于原油性质不同,其深加工流程也不同。不同性质原油所需炼油二次、三次等后加工装置能力不同。各炼油企业由于后加工装置能力配置不同,其对原油性质的需求也不同。相对原油的两端馏分,由于原油中间馏分可加工性强,且其继续加工产品多为市场容量大的成品油等,因此很多炼化企业对中间馏分收率高的原油更感兴趣。而对于中国石化天津分公司(以下简称天津分公司)炼油装置而言,其蜡油催化和加氢裂化两套蜡油加工装置能力占常减压加工能力的45.45%,不仅超过一般炼化企业比例值,也超过一般原油的蜡油收率水平,因此该企业非常希望采购蜡油收率高的原油品种。另外该企业加氢精制装置和脱硫制硫装置能力相对不足,对原油的硫含量及其硫分布也比较关注。由于该企业主要炼油加工装置多达9套、每天加工原油品种多达5~10种,因此对原油性质的综合分析是原油采购工作中掌握和优化原油品质的关键。一般对于一个具体炼化企业而言,其常减压装置加工能力及后加工配套能力是确定的,这样炼油装置对原油性质的需求也就确定了;反过来对具体原油品种而言,其是否适应该炼油装置以及在多大程度上适应该装置也就确定了。这也是能够针对具体炼油装置研究原油性质的基础。3计算工艺条件匹配将特定炼油装置可加工某种原油的最大数量称为该原油的加工潜力,将原油的加工潜力与企业常减压加工能力的比值定义为该原油性质的匹配系数(以下简称匹配系数,用符号M表示)。匹配系数是某种原油与特定炼油装置适合程度的数学表示,是原油性质的综合反映。从原油加工潜力和匹配系数的定义可以看出,影响原油加工潜力和匹配系数的主要因素是企业炼油装置的配置情况和原油自身的性质,而与市场价格、经济效益等外界因素无关。在企业装置配置及装置能力确定的情况下,原油性质成为影响原油加工潜力和匹配系数的关键因素。匹配系数越大的原油越适合企业加工,匹配系数越低的原油越不适合企业加工。利用中国石化集团公司开发的炼油PIMS模型,针对天津分公司炼油装置研究原油与企业炼油装置的匹配性。PIMS生产经营优化模型通过把原油资源及其成本、装置投入产出、产品出厂限定及价格、装置能力及进料性质要求等诸多因素有机结合,形成线性规划方程,通过求解该线性规划方程,计算出给定条件下的最优解。当某种原油价格足够低(比如零值),PIMS模型计算出的该原油的加工量可以认为是该种原油的加工潜力。对于PIMS模型,给定前提条件(即PIMS模型中CASE方案)的适当与否直接关系到计算结果的准确性,也关系到计算结果是否具有普遍性的指导意义。计算原油与企业炼油装置匹配性的前提条件主要包括:①原油资源。按可选原油品种足够多、可选原油资源量足够大考虑。天津分公司可选原油品种和原油资源量都超过实际需要量的6倍以上。目标原油的成本按零值(也可选用足够低的其它数值)考虑。②装置能力。天津分公司的主要深加工装置能力与常减压装置能力的比值分别为:加氢裂化装置21.82%、催化裂化装置23.64%、焦化装置23.64%、柴油加氢装置7.27%、焦化汽柴油加氢装置7.27%等。③产品出厂及下游装置。炼油装置生产的化工轻油分别供应该公司下游乙烯装置和重整装置。汽油、煤油、柴油、焦炭、渣油、液化气、丙烯等炼油产品外售,产品市场容量、产品装车能力以及产品质量标准等参照企业当前情况。与一般炼油企业相比,天津分公司蜡油加工能力相对较大。另外,由于建厂以来多次对部分炼油装置进行技术改造,企业实际加工油种也和原设计油种不同,可以说企业炼油各个装置的加工能力之间并不是十分匹配的,因此很难买到一种原油既能保证所有炼油装置满负荷运行,又不浪费装置加工相对劣质原油的能力。一般情况下,企业都要采购多种不同原油并努力使这些原油“轻重搭配、优劣搭配”。部分原油的主要性质以及利用PIMS模型计算出的这些原油的匹配系数见表3。从表3可以看出,匹配系数M值大的原油(如吉拉索、卡滨达、杰诺、喜康巴及凯萨杰等),其API°、硫含量、酸值及T值等四项性质指标都符合该企业装置进料及产品质量调合要求,说明这些原油综合性质较好。匹配系数M值小的拉塔姆、乌拉尔等原油,其上述四项性质指标中硫含量与天津分公司炼油装置进料要求偏离较大(该公司加工原油平均硫含量一般要控制在0.65%以下)。埃斯克兰特原油尽管其硫含量、酸值等都符合该企业装置进料要求,但该原油T值只有1.03,为上述11种原油的最低值,说明该原油的馏分组成可能不适合该企业加工。一般而言,匹配系数小的原油大部分属于重质原油、高硫原油、高酸原油等劣质原油。可见,用M值相对大小可以很容易判断不同品种原油的综合性质,也即其可加工性,如表1所示硫含量相近的四种原油,根据M值判断其可加工性高低顺序依次是吉拉索、喜康巴、扎菲洛、萨哈林。表2所示API°相近的四种原油,根据M值判断其可加工性高低顺序依次是凯萨杰、奥瑞特、萨哈林、拉塔姆。结合实际情况,将匹配系数大于0.8的原油称为高匹配原油,将匹配系数为0.6~0.8的原油称为中匹配原油,将匹配系数小于0.6的原油称为低匹配原油。原油匹配系数越高,其可加工性能越强。4影响原油匹配系数的因素4.1原油匹配系数与加工装置能力以天津分公司所有后加工装置的能力为基准,保持原油资源、常减压装置能力、产品出厂等方面条件不变的情况下,考察原油匹配系数与该企业后加工装置能力的关系。部分原油匹配系数随后加工装置能力的变化情况见表4。从表4可见,炼油后加工装置能力的提高有助于原油匹配系数的提高,但二次加工能力提高到一定程度后,原油匹配系数变化较小。同时还发现,不同原油匹配系数变化幅度是不一样的。4.2汽油、柴油标准对原油匹配系数的影响油品质量标准尤其是硫含量标准的提升直接关系到企业选购原油性质的改变。在汽油硫质量分数由现行标准的不大于0.05%提升为新标准的不大于0.015%、柴油硫质量分数由现行标准的不大于0.20%提升为新标准的不大于0.035%(新标准即欧Ⅲ标准)的条件下,考察汽油、柴油硫含量标准的提高对原油匹配系数的影响。利用炼油PIMS模型计算出的汽油、柴油硫含量标准升级前后原油匹配系数的对比情况见表5。从表5可以看出,汽油、柴油质量标准的升级对原油匹配系数有较大影响,但对各种原油的匹配系数的影响是不同的。随着汽油、柴油硫含量标准的提高,原油匹配系数大幅减少,表示汽油、柴油硫含量对该种原油性质(主要是硫含量)的敏感度很高。计算结果表明,对喜康巴、吉拉索等原本匹配系数比较高的原油,随着汽油、柴油标准的提高,其匹配系数减少幅度很大。拉塔姆原油匹配系数原本就不高,提高汽油、柴油质量标准后将无法掺炼该原油。分析认为,这是由于天津分公司两套加氢精制装置能力相对较低,要生产计划数量的、符合新质量标准的汽油、柴油,只能依靠提高原油品质,而拉塔姆、喜康巴、吉拉索等原油性质与汽油、柴油硫含量关系较大。不难推断,要想生产欧Ⅲ硫含量标准的汽油、柴油,企业在国际市场上可选购的原油资源量将大大减少,无疑将进一步加大企业生产成本,减少企业经济效益。现实条件下企业要想适当降低汽油、柴油硫含量,可以多采购一些匹配系数缩减幅度小的原油如埃斯克兰特、卡滨达等原油,而要减少拉塔姆、喜康巴、吉拉索等匹配系数缩减剧烈原油品种的采购。5公司实际采购和原油加工的平均匹配系数5.1确定合理的原料配比由于原油尤其是进口原油采购主要以“船”进行批量采购的,一般采购原油都按“优劣兼顾、轻重兼顾”的原则,综合考虑原油品种资源、原油成本和经济效益等诸多因素。重质、含硫、含酸等相对劣质、低匹配系数原油,其采购价格较低,但劣质、低匹配系数原油的加工流程也相对较长,加工成本相对较高,净产出结果未必好。企业采购低匹配系数原油的比例要考虑炼油后加工装置能力、脱硫制硫能力、原油库容调节能力、装置防腐等级、产品质量标准等因素。轻质、低硫、低酸等优质、高匹配系数原油的采购价格较高,但加工流程短,能生产更多高附加值产品,经济效果未必不好,因此实际工作中需要综合考虑。可以用其加权平均匹配系数作为采购、加工原油品种和数量搭配的参考依据。而企业采购、加工原油平均匹配系数的范围主要与设备材质、后加工装置配套能力、产品质量要求等因素有关。天津分公司2006年每月实际加工原油的加权平均匹配系数见图1。从图1可见,2006年企业各月实际加工原油加权平均匹配系数M值波动区间为0.60~0.80,其中1年中有8个月的加权平均匹配系数在0.70±0.05范围内波动,M值波动幅度最大的是1月和2月。对这两个月加工原油品种分析后发现,1月份加工了136kt乌拉尔原油(占当月原油加工总量的30%),其硫质量分数为1.39%,匹配系数为0.47,体现在1月份加工原油加权平均匹配系数只有0.62。而2月份加工了174kt杰诺原油(占当月原油加工量的43%),由于杰诺原油匹配系数高达0.99,体现在加权平均性质匹配系数升高到0.80。可以说相对1月份而言,2月份加工原油平均品质较好,这说明1月、2月原油进厂和加工结构的均衡工作尚有许多空间。从企业实际原油加工结构分析也可以说明,利用原油加权平均匹配系数可以表征原油加工结构的合理程度,有助于采购、加工原油品种和数量的均衡和优化。5.2进厂原油与匹配系数的关系从具体原油采购过程来看,天津分公司2006年1月份首先采购进厂136kt乌拉尔原油(匹配系数0.47),然后采购进厂55kt杜里原油(匹配系数为0.45),随后又采购进厂50kt扎菲洛原油(匹配系数为0.67)……。由于每种原油都对应一个匹配系数,按进厂先后顺序,2006年1月、2月份进厂原油与其匹配系数的对应关系见图2。从图2可以看到,企业实际采购的原油其匹配系数是围绕一个基准值(天津分公司为0.70左右)折线式变化的。如果前期已确定采购原油匹配系数大部分低于0.70,则后期需要采购一些匹配系数高于0.70的原油进行调合,以实现原油采购品种“轻重搭配、优劣搭配”。由于原油采购和加工过程存在时间