徐寶平

(中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 255400)

在石油煉制過程中，渣油加氫是重油脫硫、重油輕質(zhì)化，并實(shí)現(xiàn)石油資源清潔、高效利用的重要環(huán)節(jié)[1]。在渣油加氫處理技術(shù)中，固定床渣油加氫技術(shù)將在未來很長一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位，而在固定床渣油加氫未來的發(fā)展中，延長裝置的運(yùn)行周期和劣質(zhì)原料的加工處理則是研發(fā)的主要突破點(diǎn)[2]。

渣油加氫催化劑是一種內(nèi)部多孔的顆粒狀固體，而所加工的原料是含固體雜質(zhì)和多種金屬的重石油組分。隨著生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，催化劑內(nèi)部的微小孔道會(huì)被固體雜質(zhì)和多種金屬化合物污染，此時(shí)，可以通過提高加熱爐溫度或降低冷氫流量來彌補(bǔ)固定床上催化劑活性的下降。采用下流式反應(yīng)器的渣油加氫裝置，單個(gè)反應(yīng)器的壓降受限于單個(gè)反應(yīng)器底部催化劑支撐籃的承受壓力(一般為0.8 MPa)，多個(gè)反應(yīng)器的全壓降則受限于循環(huán)氫壓縮機(jī)的供氫能力。當(dāng)單個(gè)反應(yīng)器的壓降接近最大限值時(shí)，則可以微量調(diào)整反應(yīng)器溫度來維持生產(chǎn)；當(dāng)多個(gè)反應(yīng)器的全壓降接近最大限值(3.2～3.7 MPa)時(shí)，則需要降低原料中的渣油比例或降低生產(chǎn)負(fù)荷來維持生產(chǎn)。當(dāng)上述各種方法無法維持循環(huán)氫流量、床層溫度和產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，裝置就需要進(jìn)行停工并更換催化劑。

在生產(chǎn)運(yùn)行中，一套渣油加氫裝置每年能產(chǎn)生多大的經(jīng)濟(jì)效益？是選擇花4 000萬元換一次催化劑渣油加氫裝置開12個(gè)月，還是選擇花6 000萬元換一次催化劑開24個(gè)月？這是生產(chǎn)技術(shù)管理面臨的一個(gè)復(fù)雜問題，需要采用專業(yè)的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行仔細(xì)核算，才能給出正確的答案，供管理層選擇。

1 影響渣油加氫裝置經(jīng)濟(jì)性的因素

1.1 催化劑費(fèi)用

催化劑主要包括前置保護(hù)劑、脫金屬催化劑、脫硫催化劑和脫殘?zhí)看呋瘎?。針?duì)不同的原料、摻渣比和裝置運(yùn)行時(shí)長要求，催化劑的裝填品種和裝填數(shù)量都有所不同。以1.8 Mt/a的渣油加氫裝置為例，在2010—2014年間，催化劑費(fèi)用達(dá)到7 000萬～8 000萬元。隨著技術(shù)推廣的深入和渣油加氫裝置數(shù)量的增加，供應(yīng)商之間的競爭也日趨激烈，2015年后，該規(guī)模的渣油加氫催化劑價(jià)格回落至4 500萬～5 500萬元。

1.2 生產(chǎn)負(fù)荷

渣油加氫裝置生產(chǎn)負(fù)荷是指原料總量與設(shè)計(jì)值的比值。更換新催化劑后，床層壓降較低，催化劑活性較高，裝置負(fù)荷接近100%；隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，催化劑床層壓降上升，催化劑活性下降，裝置負(fù)荷逐步下降；到運(yùn)行末期，裝置的負(fù)荷率可以低至70%。

1.3 摻渣比例

在運(yùn)行周期中，原料中渣油比例是根據(jù)催化劑性能和產(chǎn)品質(zhì)量逐步下調(diào)的。初期摻渣比可以達(dá)到65%，在22個(gè)月后的末期降至45%。

1.4 壓縮機(jī)動(dòng)力消耗

渣油加氫裝置的氫氣是從壓縮機(jī)出口，到反應(yīng)器、分離器、脫硫塔，然后再到循環(huán)氫壓縮機(jī)入口進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)的，壓縮機(jī)所消耗的動(dòng)力主要用于克服反應(yīng)器的阻力。隨著渣油加氫裝置運(yùn)行時(shí)間的延長，催化劑床層壓降逐漸上升，這不僅降低了生產(chǎn)負(fù)荷和摻渣比例，還增加循環(huán)氫壓縮機(jī)的消耗，不利于裝置獲取長期較好的經(jīng)濟(jì)效益。所以，理想的催化劑床層是壓降小、動(dòng)力費(fèi)用低。

1.5 卸劑時(shí)長

以1.8 Mt/a的渣油加氫裝置為例，剛投產(chǎn)時(shí)，各床層催化劑呈顆粒狀自然堆積，停工前，催化劑上沉積了約150 t積炭、50 t重質(zhì)污油和200 t金屬，各床層顆粒狀催化劑變成堅(jiān)硬的板結(jié)狀。停工后，需要人工破碎，才能從反應(yīng)器卸出各反應(yīng)器的催化劑。末期床層越高，則上述物質(zhì)的沉積數(shù)量越大、越致密，人工破碎的工作量越大。由于板結(jié)程度的不同，卸劑時(shí)間短至15 d，長則達(dá)到36 d。這種較大的差異，也是影響渣油加氫裝置經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要因素。

渣油加氫裝置負(fù)荷有兩種定義：一種是按運(yùn)行計(jì)算的日平均負(fù)荷；另外一種是按照年日歷天數(shù)計(jì)算的日歷日負(fù)荷。卸劑時(shí)長不會(huì)影響日平均負(fù)荷數(shù)值，但是會(huì)影響日歷日負(fù)荷。

2 軟件的編制

為了便于用戶自定義變量，便于用戶對(duì)編制方法的改進(jìn)，本軟件開放用戶權(quán)限，選擇技術(shù)人員比較熟悉的Excel軟件進(jìn)行編制。

2.1 邏輯關(guān)系的編制

軟件總體邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 計(jì)算邏輯

2.2 測算軟件的編制

在Excel文件中，分別設(shè)置“長周期模式計(jì)算表”和“短周期模式計(jì)算表”。催化劑價(jià)格、催化劑數(shù)量、反應(yīng)床阻力和裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)等需要按照序號(hào)手工填寫。而“全床層壓降”是指數(shù)級(jí)的變化關(guān)系，也是全周期模擬是計(jì)算的核心。經(jīng)過多次模擬和對(duì)比，最終比較接近實(shí)際工況的計(jì)算公式如下：

全床層壓降=“長周期床層阻力因子”ד壓降因子”

其中，床層阻力因子=“阻力降起始值”+“月份”/10 000×POWER(“阻力因子調(diào)整值”/10,POWER(“月份”,0.5))。

2.3 對(duì)比關(guān)系

客觀評(píng)價(jià)渣油加氫裝置在整個(gè)煉廠的效益貢獻(xiàn)值，是確保本軟件計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的核心內(nèi)容。這需要依據(jù)上年度煉廠總體效益，測算出原油的效益，再依據(jù)蠟油、渣油在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和動(dòng)力成本差異，測算出渣油的效益。表1～3為煉油廠在三種不同油價(jià)下煉廠的效益測算結(jié)果。

表1 高油價(jià)下煉油廠效益測算

表2 中油價(jià)下煉油廠效益測算

續(xù)表2

表3 低油價(jià)下煉油廠效益測算

上述測算表明，高油價(jià)下煉制原油的效益為214.45元/t，按照18 Mt/a的煉廠測算，年效益為36億元，基本符合2018年度我國沿海煉廠的實(shí)際情況。

3 案例分析

以一個(gè)1.8 Mt/a渣油加氫裝置為例，分別設(shè)置長運(yùn)行周期為660 d和短運(yùn)行周期為450 d的兩種模式，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 渣油加氫裝置長、短周期測算的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)

按照軟件計(jì)算測可得：兩種模式的平衡點(diǎn)在渣油加氫裝置效益為60元/t的情況，具體見圖2所示。具體結(jié)論是：當(dāng)渣油加氫裝置的效益大于60元/t時(shí)，宜采用短周期運(yùn)行模式；當(dāng)渣油加氫裝置的效益低于60元/t時(shí)，宜采用長周期運(yùn)行模式。具體差異如表5所示。

圖2 渣油加氫裝置長、短周期效益差異的平衡點(diǎn)

表5 渣油加氫裝置長、短周期效益差異

4 結(jié)論

通過上述論述和模擬，煉油廠的總體經(jīng)濟(jì)效益和渣油加氫裝置的經(jīng)濟(jì)效益得到了充分驗(yàn)證。由此進(jìn)行的渣油加氫裝置在長、短周期運(yùn)行模式下的效益差異也能得到精確展示。

(1)國際油價(jià)及渣油經(jīng)渣油加氫裝置的經(jīng)濟(jì)效益在測算中的權(quán)重很大。

(2)渣油加氫裝置在不同的煉油效益形勢下，長、短周期的運(yùn)行效益差異較大，是煉廠效益管理中的重要環(huán)節(jié)。

(3)渣油加氫裝置效益好時(shí)，可以適當(dāng)增加催化劑費(fèi)用，也即宜采用較短周期；反之則宜采用較長的運(yùn)行周期。

(4)在本次驗(yàn)算案例中，渣油的加氫效益高于60元/t時(shí)，適宜短周期運(yùn)行；反之則宜采用長周期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)模式。

上述測算結(jié)論只針對(duì)文中案例，并不一定適用其他煉廠的生產(chǎn)過程和各裝置的實(shí)際運(yùn)行情況。由于篇幅有限，文中所涉軟件的編制過程和功能也未詳盡敘述。