郭 瑩，杜志國(guó)

（中國(guó)石化 北京化工研究院，北京 100013）

乙烯是石油化工的基礎(chǔ)原料，乙烯裝置是石油化工生產(chǎn)的龍頭裝置，提高乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)提升整個(gè)石化企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要作用［1-3］。以往在制定乙烯裂解爐的操作優(yōu)化方案時(shí)，多選用乙烯、雙烯（乙烯和丙烯）、三烯（乙烯、丙烯和丁二烯）等主要產(chǎn)物的收率作為優(yōu)化目標(biāo)［4-7］。但隨著裂解爐的不斷大型化，目前高附加值的副產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了經(jīng)濟(jì)分離規(guī)模［8-11］，主、副產(chǎn)品的價(jià)格差逐漸縮小，主要產(chǎn)物收率的變化規(guī)律是否準(zhǔn)確地反映收益的變化規(guī)律需待探討。

本工作著眼于全部裂解產(chǎn)品，建立了價(jià)值優(yōu)化模型，分析了裂解過(guò)程價(jià)值的變化規(guī)律，制定了裂解爐操作優(yōu)化方案，調(diào)整了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將乙烯裝置的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)由傳統(tǒng)的物流轉(zhuǎn)化為價(jià)值流，最終實(shí)現(xiàn)過(guò)程收益最大化。

1 價(jià)值優(yōu)化模型的建立

在固定成本相對(duì)固定的前提下，乙烯生產(chǎn)過(guò)程的價(jià)值變化主要體現(xiàn)在產(chǎn)品收入和能耗費(fèi)用的改變上。以單位原料為基準(zhǔn)，選用收益指數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。令:

式中，II表示收益指數(shù)；PI表示產(chǎn)品收益指數(shù)；EI表示能耗費(fèi)用指數(shù)；MI表示原料費(fèi)用指數(shù)；Yi表示裂解產(chǎn)物i的質(zhì)量收率，%；Pi表示產(chǎn)品i的價(jià)格，元/t；Pm表示原料價(jià)格，元/t；FI表示燃料費(fèi)用指數(shù)；SI表示分離費(fèi)用指數(shù)；SII表示蒸汽收入指數(shù)；F表示單位原料的燃料用量，t/t；Pf表示燃料價(jià)格，元/t；SE表示單位原料的分離能耗（以標(biāo)油計(jì)），kg/t；Pso表示標(biāo)油價(jià)格，元/kg；SP表示單位原料的蒸汽產(chǎn)量，t/t；Ps表示蒸汽價(jià)格，元/t。

通過(guò)對(duì)裂解過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及模擬研究，確定不同工藝條件下的裂解產(chǎn)物收率分布和過(guò)程能耗，進(jìn)而計(jì)算收益指數(shù)，以收益指數(shù)最大化作為優(yōu)化標(biāo)尺來(lái)尋找裂解裝置的最優(yōu)操作條件。

2 影響價(jià)值優(yōu)化的主要因素

選取石腦油、加氫尾油、柴油作為裂解原料（原料性質(zhì)見(jiàn)表1），在中國(guó)石化北京化工研究院開(kāi)發(fā)的蒸汽模擬裂解爐上［12］模擬CBL爐型進(jìn)行的裂解評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為產(chǎn)物分布的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選用某百萬(wàn)噸乙烯裝置可行性研究的價(jià)格體系（對(duì)于產(chǎn)物中不作為產(chǎn)品輸出的組分，它的價(jià)格參考工藝和相關(guān)產(chǎn)物的價(jià)格確定，如乙炔的價(jià)格以加氫選擇性、乙烯和乙烷價(jià)格確定），對(duì)價(jià)值的變化規(guī)律及其影響因素進(jìn)行分析。

圖1 主要裂解產(chǎn)物收率隨COT的變化Fig.1 Change of main product yield with COT.

表1 原料性質(zhì)Table 1 Physical properties of raw material

2.1 裂解深度對(duì)價(jià)值的影響

2.1.1 裂解深度對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響

裂解過(guò)程的主要工藝參數(shù)有裂解溫度、裂解壓力、停留時(shí)間和水油比，其中裂解溫度是裂解裝置操作中最為重要的可調(diào)工藝條件，也是裝置操作調(diào)優(yōu)中的主要控制參數(shù)，它直接影響裂解深度。為了研究裂解深度對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響，圖1和圖2分別給出了主產(chǎn)物收率及膨脹系數(shù)（產(chǎn)物與原料的摩爾比）與裂解爐輻射段出口溫度（COT）間的關(guān)系。

由圖1可見(jiàn)，裂解深度對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有顯著影 響。三類原料的主產(chǎn)物收率的變化規(guī)律基本一致。隨COT的升高，乙烯以及苯、甲苯與二甲苯（合稱三苯）的收率不斷增大，但增幅逐漸減小；丙烯、丁二烯、裂解柴油和燃料油的收率隨COT的升高呈拋物線變化，其中，丙烯和丁二烯收率先增大后減小，存在極大值；裂解柴油和燃料油的收率先減小后增大，存在極小值。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)COT升高時(shí)，膨脹系數(shù)不斷增大，即低相對(duì)分子質(zhì)量產(chǎn)物不斷增多。這種裂解深度對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的顯著影響必然會(huì)顯著影響產(chǎn)品的收入。

圖2 膨脹系數(shù)隨COT的變化Fig.2 Change of expansion coefficient with COT.

2.1.2 裂解深度對(duì)能耗的影響

由某裂解爐的燃料量和蒸汽量數(shù)據(jù)可得，在操作條件范圍內(nèi)二者與COT基本呈線性變化（如圖3和圖4所示），回歸后可進(jìn)一步求得相應(yīng)溫度下的燃料費(fèi)用和蒸汽收入，再由過(guò)程模擬可以得到不同產(chǎn)物分布下的分離能耗。表2～4給出了不同COT下三種油品的單位原料能耗及能耗費(fèi)用指數(shù)。由表2～4可見(jiàn)，在各部分能耗中，燃料能耗所占比例最大，它的變化將對(duì)整個(gè)能耗費(fèi)用的變化起著至關(guān)重要的作用。隨COT的升高，總能耗費(fèi)用逐漸增大。

圖3 燃料用量與COT的關(guān)系Fig.3 The relation of fuel quantity and COT.

圖4 產(chǎn)生的蒸汽量與COT的關(guān)系Fig.4 The relation of generated steam quantity and COT.

表2 石腦油能耗費(fèi)用與COT的關(guān)系Table 2 Relation of naphtha energy consumption expense and COT

表3 加氫尾油蒸汽收入與COT的關(guān)系Table 3 Relation of steam income of hydrogenated tail oil and COT

表4 柴油蒸汽收入與COT的關(guān)系Table 4 Relation of diesel steam income and COT

2.1.3 裂解深度對(duì)價(jià)值的影響

依據(jù)裂解價(jià)值優(yōu)化模型，在裂解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和能耗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，求得收益指數(shù)。圖5為石腦油原料裂解的收益指數(shù)與COT的關(guān)系。由圖5可見(jiàn)，裂解深度對(duì)收益指數(shù)影響顯著，隨COT的升高，收益指數(shù)先增大后減小，存在著最大價(jià)值下的COT操作點(diǎn)。

圖5 收益指數(shù)隨COT的變化Fig.5 Change of income index with COT.

2.2 原料性質(zhì)對(duì)價(jià)值的影響

原料的性質(zhì)對(duì)裂解過(guò)程的價(jià)值及其最大價(jià)值下的最優(yōu)操作溫度均有著顯著的影響（如圖6所示），需要針對(duì)不同的原料制定各自的優(yōu)化方案。

圖6 不同原料的收益指數(shù)變化Fig.6 Income index change of different raw materials.

2.3 價(jià)格體系對(duì)價(jià)值的影響

表5給出了不同企業(yè)不同時(shí)期的四套價(jià)格體系，圖7比較了四套價(jià)格體系下的收益指數(shù)。由圖7可見(jiàn)，價(jià)格對(duì)收益指數(shù)的影響較大。如在選用價(jià)格體系C和價(jià)格體系B時(shí)，在同樣的范圍內(nèi)，兩者的最大價(jià)值操作點(diǎn)差異很大。這主要是因?yàn)樵趦r(jià)格體系B中主產(chǎn)物乙烯的價(jià)格明顯偏高，弱化了其他產(chǎn)物對(duì)于價(jià)值的影響。由此可見(jiàn)，一成不變的按照某個(gè)時(shí)期的價(jià)格來(lái)確定操作條件是不科學(xué)的，只有按照產(chǎn)品價(jià)格的變化，迅速對(duì)變化的市場(chǎng)情況做出反應(yīng)，及時(shí)按照真實(shí)的價(jià)格來(lái)求算最優(yōu)的操作條件，才能有效地提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

由以上分析可知，裂解深度、原料性質(zhì)和市場(chǎng)價(jià)格是裂解價(jià)值的主要影響因素，收益指數(shù)隨COT的升高先增大后減小，存在著最大價(jià)值下的COT操作點(diǎn)?？衫昧呀鈨r(jià)值優(yōu)化模型，在裂解產(chǎn)物收率和過(guò)程能耗預(yù)測(cè)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)輸入裂解工藝條件、原料組成性質(zhì)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裂解收益指數(shù)，進(jìn)而以最大收益為目標(biāo)，優(yōu)化裂解溫度，實(shí)現(xiàn)裂解爐的操作調(diào)優(yōu)。同時(shí)也可以利用該模型依據(jù)市場(chǎng)變化進(jìn)行乙烯原料的優(yōu)化選擇。

3 價(jià)值最大化與收率最大化對(duì)比

收益指數(shù)與主產(chǎn)物收率隨COT的變化見(jiàn)圖8。其中，雙烯收率為乙烯與丙烯收率之和，三烯收率為乙烯、丙烯與丁二烯收率之和。

表5 價(jià)格數(shù)據(jù)Table 5 Price data

圖7 不同價(jià)格體系下的收益指數(shù)變化Fig.7 Income index change under different price systems.

圖8 收益指數(shù)與主產(chǎn)物收率隨COT的變化Fig.8 Change of income index and main product yield with COT.

由圖8可見(jiàn)，收益指數(shù)隨COT的變化規(guī)律與乙烯、雙烯、三烯及三烯三苯收率的變化規(guī)律較為一致，均存在著最大價(jià)值下的COT操作點(diǎn)，但最大價(jià)值操作點(diǎn)與最高主產(chǎn)物收率操作點(diǎn)的位置卻相差較大，最大價(jià)值下的操作溫度普遍低于最高主產(chǎn)物收率下的操作溫度。也就是說(shuō)，當(dāng)主產(chǎn)物收率最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的裂解收益并不是最大收益，且與最大收益相差較大。因此，一味追求乙烯、丙烯等主要目的產(chǎn)物高收率的做法沒(méi)有反映市場(chǎng)的價(jià)格信號(hào)，以全部產(chǎn)品的價(jià)值最大作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)制定企業(yè)優(yōu)化操作的方案更貼近市場(chǎng)。

4 優(yōu)化實(shí)例

以某1 Mt/a乙烯項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案為例，在固定成本不變的前提下，令總收益＝產(chǎn)品銷售收益－原料費(fèi)用－燃料費(fèi)用－分離費(fèi)用＋蒸汽收入，比較了乙烯收率、雙烯收率、三烯三苯收率和產(chǎn)品價(jià)值最大化四種方案下的裂解收益情況。某1 Mt/a乙烯設(shè)計(jì)方案采用了SL-I型裂解爐和順序分離流程；選取了兩種石腦油（1 112.0 kt/a石腦油1＃和357.3 kt/a石腦油2＃）和一種加氫尾油（1 223.4 kt/a）作為主要原料；裂解產(chǎn)生的乙烷和丙烷循環(huán)利用。在計(jì)算過(guò)程中，認(rèn)為煉廠干氣在各方案之間的產(chǎn)物收率差異及收益差異可忽略不計(jì)。以相同的原料量為基準(zhǔn)，選用價(jià)格體系A(chǔ)，分別優(yōu)化每種原料在四種方案下的COT操作點(diǎn)，然后在相應(yīng)操作溫度下對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行物料衡算和收益核算，結(jié)果見(jiàn)表6～11。

表6 優(yōu)化的COTTable 6 Optimized COT

表7 產(chǎn)品收入Table 7 Product income

表8 燃料費(fèi)用Table 8 Fuel cost

表9 分離費(fèi)用Table 9 Separation cost

比較四種方案下的收益值可以發(fā)現(xiàn)，價(jià)值最大化方案時(shí)的收益值明顯高于其他方案，其中與乙烯收率最大化方案的收益值之間的差距最大，約為4.2×108元/a。與雙烯收率最大化方案的收益值間的差距最小，但也超過(guò)了1.3×108元/a?？梢?jiàn)，如將企業(yè)的操作優(yōu)化方案按照最大收益值為標(biāo)尺進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。這主要得益于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和燃料費(fèi)用的降低。同時(shí)，也有利于延長(zhǎng)裂解爐的運(yùn)行周期、降低清焦次數(shù)，帶來(lái)額外的經(jīng)濟(jì)效益。

表10 蒸汽收入Table 10 Steam income

表11 收益Table 11 Total income

5 結(jié)論

1）在乙烯裝置的操作中，存在產(chǎn)品價(jià)值最大化的COT操作點(diǎn)，該操作點(diǎn)與主產(chǎn)物收率最大化COT操作點(diǎn)的位置差異較大，且前者低于后者。選用產(chǎn)品價(jià)值最大化的優(yōu)化方案，除了可以獲得較高的產(chǎn)品收益外，還可以降低燃料消耗、延長(zhǎng)裝置的運(yùn)行周期、減少清焦費(fèi)用、降低分離能耗，并具有進(jìn)一步提高裝置處理能力的潛力，可為企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。

2）裂解原料和市場(chǎng)價(jià)格對(duì)乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)效益影響顯著。

3）各企業(yè)應(yīng)該根據(jù)實(shí)時(shí)的市場(chǎng)價(jià)格、原料性質(zhì)及裝置的工藝特點(diǎn)，對(duì)乙烯裝置建立價(jià)值優(yōu)化模型，選擇合適的原料、優(yōu)化裂解深度、調(diào)整烯烴產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)乙烯裝置效益最大化。下游裝置的配置也要有一定的余量和靈活性，以適應(yīng)烯烴產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

參 考 文 獻(xiàn)

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