本帖最后由 KBC专家 于 2024-2-12 23:04 编辑
导读前言
近期有不少客户在咨询KBC Petro-SIM全厂全流程严格动力学机理模型与单装置动力学机理模型的区别与作用，我们希望通过下面KBC与中东阿曼石油炼制与石化产业公司ORPIC客户(阿曼政府与国家石油公司所有)所共同发表的文章给大家介绍全流程模型的最佳实践，以及ORPIC两地3个不同工厂的一体化模型的真实应用和某亚洲客户独立炼油厂与独立芳烃厂跨企业整合优化的实际案例，来为大家带来更多的思考和启发。 国内数字化转型和数字孪生概念非常的火热，在谈到炼油化工，大家都不约而同的谈到化工本质和专家知识，也不断的提到炼油和化工机理。我们也希望各位读者和工程师，运用自己的专业知识和现场经验，仔细的思考在工作中有哪些挑战，这些挑战应该如何解决，从全厂一体化的总体思考到一个设备的微观性能是什么业务关系。国内很多的工厂没有实时生产数据的校核、甚至是严格准确的平衡。那么为什么KBC可以在全世界以及国内不断的做到验证成功的全流程模拟，这其中最核心的是Petro-SIM平台的强大功能，这是集合了KBC几十年的现场专家知识以及实战应用的总结，基于严格反应动力和机理的工业结晶；在结合KBC服务的方法论和专家现场经验和指导，不断的为客户提供超出预期的价值和洞见。
由于炼油厂内工艺装置的集成性，关键操作参数的变化对整个炼油厂的操作和产品调和都有影响。整个炼厂的流程模拟演示了这种效果的真实表现，因为所有的工艺流程都集成链接在一起。全流程模型中的非线性动力学或平衡反应模型能够模拟转化装置。分馏模型能够捕捉不同切割馏份或组分之间的分离效率。 KBC (A Yokogawa Company) 已经开发和使用炼油厂全流程模型超过30年。Petrofine开发于20世纪80年代，是一种基于FORTRAN的具备全流程模拟能力的工具。2004年，KBC推出了Petro-SIM，为模拟炼油工艺装置增加了额外功能。将这些独立模型结合起来，就形成一个包括炼油厂内的所有工艺装置的联合工厂全流程模型。 KBC的工艺模拟工具Petro-SIM是对整个炼油厂和石油化工厂（从原油到产品）进行严格机理建模。由于每个装置（包括转化装置）都经过精心建模，因此全流程模拟恰当地反映了炼油化工工艺中的非线性，从而能够对大范围操作变量和原料进行敏感性分析。 转化装置是基于全面的动力学模型，能够预测装置的收率和产品质量。对于一个特定装置，动力学模型被可用工厂数据专门校准后，使得模拟可以独立于工艺专利许可方，来代表特定的装置操作。 产品分离模拟使用代表当前操作和热平衡的分馏技术。能量和物料平衡的蒸馏模型根据工厂数据采用逐段的方法进行校准，而不是逐板的。 KBC和世界各地的客户已经开发了许多炼油厂全流程模型。基于Petro-SIM的流程模型可用于识别和评估效益提升的改进机会，包括优化物料流向、调和规则、分子管理、加工量最大化、原料选择和改善装置操作条件。全流程模拟也被用于新建工厂的基础工艺配置方案以及改造和改进工艺配置的研究。
工艺装置的独立单装置模型是全流程模型中的主要构建模块。使用测试运行数据对详细的基于动力学和平衡的Petro-SIM模型进行校准。来自于历史数据库和实验数据库的装置配置、操作参数可用于校准独立的单工艺装置模型。这些数据要进行质量、硫、氮、碳和氢平衡。一个校准的工艺模型可以模拟工艺装置的性能。这些模型在很大范围内都是有效的，因为它们是基于第一性原理的，在本质上是非线性的。 为了了解整个炼油厂的运行情况，要选择一个基准月。基准月操作提供了对炼油厂边际机理的深入了解。用于独立单模型校准的数据是基于测试运行条件的，这些测试运行数据可能是在不同的时间段进行的。因此，必须为所有工艺装置的操作条件准备一致的基础。 下面是全流程模拟选择基准月数据的指南： 基准月期间加工的原油是要能代表炼厂的典型油种 原油加工量接近炼厂的典型加工量 炼厂的大部分装置需操作在典型产能和一般操作条件下 大部分装置应该处于连续稳定运行状态 中间物流的库存不应该有太大变化
其中一个主要的挑战是关于库存。库存变化不会在流程模型中模拟，因为流程模型代表的是炼油厂的稳定运行状态。原料和产品的库存变化用于估计炼油厂加工的净原料和生产的净产品。中间物流的库存变化会影响工艺装置的加工量，因此，基准月操作必须是中间物流的库存变化最小的时候。对于不使用数据校正工具的炼油厂来说，不同工艺装置的物料平衡可能不一致。例如，用进料流量计测量的延迟焦化装置的加工量可能与用减压蒸馏装置的减压渣油产量测量所不相同。验证一个被送往不止一个装置处理和混合的产品的一致性更有挑战性。由于这些问题，基准月的数据也需要进行调整。 要构建全厂全流程模型，所有独立模型都要合并在一起。常压装置的原油种类、原油调和和加工量要更新，以便全流程模型能够代表基准月运行情况。炼油厂使用的物料流向策略被再现复制到全流程模型中。在全流程模型开发阶段，要使用炼油厂物流走向策略，而不是使用优化后的物流走向策略。验证优化策略的灵敏度分析是在完成代表"原样"炼油厂操作的基准工况后进行的。 如果炼油厂有多个系列或两到三个相同加工目的的装置（如不止一个柴油加氢装置），了解炼油厂的物料流向策略可能是一项困难的任务。在这种情况下，物料流向是根据规划工程师的反馈和基准月数据固定下来的。 Petro-SIM 的调和单元操作允许根据价格、产品需求、产品规格和其他限制因素优化炼油厂调和组分的灵活性。炼油厂使用的边际效益机制必须反映在全流程模拟产品调和模块中。全流程模拟必须达到每个调和组分的关键规格，如汽油辛烷值、柴油闪点、燃料油粘度等。炼油厂使用的效益流股也应反映在流程模拟中。 炼厂还需要确定计划在不久的将来进行的重大变化，包括某个装置的改造或原油篮子的重大调整，整个炼油厂的全流程模型可能会随着这些变化而更新，此后它代表炼油厂的基准操作工况。
在建立模型之前，认清目标是至关重要的。全流程模型用于了解不同装置之间的相互作用以及对产品调和的影响，甚至是对原料篮子组合的评估。在模型中包含太多细节会增加建立整个全流程模型的时间以及分析结果所需的努力。 工艺工程师仍需要为各种分析建立严格机理的详细独立单装置模型，包括热集成、塔水力学、识别加工量最大化时的限制等。建议在将独立单装置模型使用到全流程模型中之前，需要简化独立单装置模型中在全厂全流程模型中不必要分析目标的细节。全流程模型通常包括一个严格动力学机理和平衡型反应器机理模型，然后跟着的是"逐段"模拟来代表真实操作水平与热平衡的DISTOP分馏塔。不建议在全流程模型中模拟诸如换热器、泵、压缩机、阀门和其他设备。 可使用全流程模型进行评估的场景或问题与需要详细独立单装置模型进行评估的场景或问题不同。下面的问题应使用全流程模型来评估： 装置原料选择优化 装置脱瓶颈动力 装置加工量和转化率之间的权衡 装置的最佳产品分布 不同加工装置和调和组分之间的石脑油成分的分子管理 装置优化操作目标的评价
评估以下情况应使用详细独立单装置模型： 全流程模型应能够监控关键操作限制。全流程模型中Petro-SIM反应器模型允许监测加工装置中的主要操作变量，如催化裂化中的主风机或加氢处理装置中的氢油比。如果限制是针对任何设备（如炉管金属温度）的，则此设备可以在全流程模型中进行模拟。 Petro-SIM 中的工作流程管理器提供了一种用于监控复杂全流程中的关键约束技术。工作流程管理器可以由用户配置，炼油加工装置中的关键约束，调和组分和生产物流等都可以在全流程模型中添加。全流程模型中有了工作流程管理器后，可以快速执行结果的质量检查。将全流程模型从一个工艺工程师移交到另一个工艺工程师可以被快速完成。工作流程管理器确保结果始终一致，并且不忽视约束。 在大多数情况下，包括一些额外设备可能增加建立模型和故障排除所需的时间，但对全流程模型收敛时间的影响较小，同时又不是全厂全流程中的约束和关键影响因素。收敛所需的时间是逻辑操作、循环和操作调整的函数。循环回路内的设备或加工装置增加了收敛所需的时间。很少有循环既包括加工装置又包括产品调和，如轻循环油作为切割库存馏分，又在柴油加氢处理中加工，重石脑油用作低闪点调和馏份又用作石脑油加氢处理（NHT）的原料。 全流程用于了解不同加工装置之间的相互作用以及对产品调和的影响和全厂全局的影响。 全厂氢气网络是可能需要大量时间进行全流程模型收敛的循环之一。全流程模型中用于加氢处理装置动力学模型估算了对氢的需求。全流程中的动力学模型估计了生产商生产的可用氢气。利用供需缺口，在全流程中估计制氢装置所需的加工量。如果炼油厂在加氢处理装置中使用低纯度氢气作为补充氢，低纯度循环收敛也会增加流程收敛的时间。 嵌套是 Petro-SIM 中可用的技术之一，可缩短流程收敛时间。使用嵌套，用户可以设置工艺装置收敛的首选项。最好的选择之一是优先考虑常压、减压和渣油加工装置，然后是中间馏份加工装置，然后是石脑油加工装置。减压渣油加工装置由于裂化而产生石脑油，影响石脑油加工装置，偶尔石脑油加工装置也会反过来影响减压加工装置。
使用全流程模型进行机会评估
叁----全流程模型的利用 KBC和客户已将Petro-SIM炼厂和联合装置全流程模型用于许多目标。全流程模型是用于评估公司利润提升计划（Profit Improvement Program, PIP）机会的主要工具之一。KBC使用上图中所示的方法来评估识别的机会。 全流程模型（基准工况）用于评估操作条件、物流走向、调和管理等变化的影响。由于当同时优化所有独立变量时，很难分析结果，因此每次只使用基准工况评估一个机会。此方法用于识别操作策略的改进，而不是通过模拟实现最佳值。全流程模型提供了对一个机会的定量分析，但重点必须放在识别改进的战略上，而不是以特定数字为目标。由于不同的原油篮子、不同的产品需求和催化剂的更换等各种变化存在，KPI的绝对值可能会在运营炼油厂中发生变化。使用流程模型识别的改进策略通常适用于所有这些变化，但 KPI的值不同。 Petro-SIM 能够生成自动化的Excel一体化界面。Excel界面与Petro-SIM 流程模型相连，为全流程模型和每个加工装置提供质量和体积平衡。流程中的物流性质以及反应器和分馏的所有操作变量也可在 Excel 界面中找到。Excel界面可以根据用户喜好定制。 全流程模拟可以深入分析炼化厂升级后的产品结构变化及其对现有加工装置单元的影响。 炼油厂全流程模型评估的质量或体积平衡与价格体系一起用于评估每个机会的经济性。利用这种方法，对每一个机会进行技术经济分析。KBC的客户还使用这种方法来识别和评估改进的机会。本文稍后将讨论一个用户案例研究。 KBC也已使用全流程模型进行工艺配置和工艺重新配置的研究。全流程模拟可以深入分析升级后的产品结构变化及其对现有装置的影响。用于现有装置动力学和平衡模型的非线性方程对于工艺重新配置的研究至关重要。在这样的研究中，现有工艺装置的原料将发生重大变化。Petro-SIM强大的自动化 Excel 界面关联的流程模型以及资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）估计工具一起为财务分析提供输入。 用户已经应用了全流程模型来评估可用于炼油厂和石化厂联合装置的不同原料。Petro-SIM 允许无缝传递原油分析中可用的详细石脑油组分。对芳烃联合装置的原料进行评估需要包括重整反应器、烷基化转移、异构化和基于纯组分的分馏设备，其中包括萃取蒸馏。本文稍后将讨论芳烃联合装置原料评估的案例研究。 炼油厂工程师通常按月进行质量损失（QGA）分析。QGA分析侧重于调和中受限的物性，如汽油的RON和RVP，或柴油的闪点和回收率。QGA分析的主要输入之一是关键约束的单位利润损失，例如汽油RON为92，而规格为 91。对于某些限制，利润损失很容易估计，例如汽油RON，将石脑油用作低辛烷值混合组分。评估某些物性的利润损失需要进行严格的模拟，例如柴油回收率，可以通过提高常压重蜡油的切割点来实现，同时这会影响柴油加氢装置和催化裂化装置（FCC）的进料。KBC 已在众多PIP提质增效项目中使用全流程模型来评估降低QGA质量损失的影响。
Orpic 联合装置流程模型 维护全流程模型与开发全流程模型同样重要。如果全流程模型未定期根据变化进行更新，则全流程模型的模拟结果可能会偏离实际操作。炼油厂的物流走向、效益机制、调配策略等不会频繁变化。加工装置基础设施变化、催化剂更换以及主要设备性能不佳会影响炼油厂的整体性能。因此，这些主要变化通常需要更新到独立单装置模型中，对应全流程模型中也需要更新。 更换催化剂后独立单装置模型需要重新校准。固定床反应器中的催化剂失活速率通常不需要重新校准。如果用户能够提供催化剂的失活程度，那么Petro-SIM可以预测催化剂的状态及其对液收分布的影响。如果有些设备性能不佳，例如塔盘损坏，则可能需要针对这些变化对模型进行重新校准。 KBC使用Petro-SIM 的协作功能将已经更新好的独立单装置模型中的参数直接更新到全流程的动力学和分馏模型中。协作功能还可以通过离线或共用服务器的方式将独立模型与全流程模型连接起来使用。 Orpic 是阿曼规模最大、发展最快的企业之一。Orpic在苏哈尔和马斯喀特的炼油厂，以及苏哈尔的芳烃和聚丙烯生产厂，生产燃料、塑料和其他石油产品。 在共同努力下，KBC和Orpic开发了一个联合多厂全流程模型，其中包括苏哈尔和马斯喀特 （MAF） 炼油厂。联合全流程模型中包括芳烃工厂。上图展现了这个复杂的多厂联合全流程模拟的概况。 全流程模型范围从联合装置的进料开始，Orpic生产的产品也是全流程模型中的最终产品。再到常压蒸馏装置使用的原油化验数据及合成原油分析库定义，还有一部分进口物流使用所需的物性和详细组成定义。 全流程模型中的物流走向再现了Orpic使用的物流走向策略。炼油厂和芳烃联合装置中的所有转化装置都使用基于非线性动力学和平衡的Petro-SIM反应器进行模拟。全流程模型中的加工装置模型也包含分馏部分。 Petro-SIM调和模型用于根据不同产品的价格、市场需求和规格优化产品调和。在全流程模型中配置的Petro-SIM工作流程管理器确保炼油厂和加工装置的主要限制不会被违反。 通过全流程模型可以详细了解不同炼油厂和石化联合装置之间的相互作用。由于所有加工装置都是相互关联的，因此任何加工装置的运行状况变化的影响也会传递到下游的所有加工装置、循环和产品调和。 Orpic全流程模型已用于许多研究。其中之一是利用从马斯喀特（MAF）联合装置到苏哈尔芳烃（AP）联合装置的过量凝析油，以最大限度地提高苏哈尔异构化装置（ISOM）加工量。 在正常操作中，OLNG凝析油是外进原料，用作马斯喀特（MAF）石脑油加氢装置的主要原料，以最大限度地提高PENEX异构化装置的原料，因为它包含大约65%的轻石脑油组分。在某些情况下，主要是当马斯喀特（MAF）石脑油加氢装置存在限制时，该装置未能完全加工约定的凝析油量时，凝析油的超额量会被运到苏哈尔，然后作为轻石脑油销售，或混合在苏哈尔汽油池中。 研究发现，加工这股到苏哈尔（AP）石脑油加氢装置物料将增加异构化装置的轻石脑油进料，所以它将被回收为RON 91的汽油。异构化装置目前的加工量从80%增加到了100%，也可以增加到 110%。 另一方面，在某些情况下，市场上AP进口原料的供应有助于提高AP石脑油加氢装置的利用率，从而影响异构化装置的进料。在这种情况下，在AP石脑油加氢装置中加工OLNG凝析油可以弥补轻石脑油流量的减少，并维持异构化装置的加工量在较高的水平。
[color=rgba(0, 0, 0, 0.7)]案例导读：传统的炼油企业都在转型到炼化一体化的联合工厂，那么在以宜油则油、宜烯则烯、宜芳则芳无疑是整个产业链的最优化运行，但是在实际的工作中，大家可以真的做到工厂分子管理吗？这对于我们过去的经验是否具有挑战和新的认知。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.7)]通过这个KBC的真实案例，希望可以给大家带来一定的思考。例如，汽油型重整装置与芳烃型重整装置有何不同？从C5-C10的不同组分和异构单体应该去向哪里是最合适的，这些分子的潜在价值如何在产品中实现，如何从原油经过不同的加工装置一直到产品，准确的表征、追踪和反应这些高价值分子去向和变化，以及整体产品的品质和收率。
与KBC合作的一家炼油厂旨在为国内市场生产轻质和中间馏分油。炼油厂附近有一个新开工的芳烃厂，由另一个组织运营和管理。芳烃厂的原料大部分是进口石脑油。 尽管一部分石脑油从炼油厂转移到芳烃厂，单炼油厂和芳烃厂都还有着自己独立的生产统计系统，并使用石脑油转移价格报告各自的财务业绩。炼油厂使用石脑油作为中间馏分的低闪点混合组分，剩余的卖给芳烃厂。由于石脑油向芳烃厂转移的价格较低，在中间馏分中掺入石脑油对炼厂来说是有利可图的。 KBC对进口石脑油和炼油厂石脑油的质量进行了比较，发现从碳数方面评估，炼油厂石脑油的碳数低于进口石脑油，品质略差。但是炼油厂石脑油链烷烃含量较高，并富含C7，而进口石脑油C8/ C9含量较高。通过对比，一致认为炼厂石脑油的定价应该是进口石脑油价格的某一折价。 利用一体化工艺全流程模拟模型，炼油厂石脑油与芳烃厂进口石脑油的折价进行了验证。在一个敏感性分析案例中，部分比例的进口石脑油被炼油厂石脑油取代。当炼油厂和芳烃厂被当作一个整体全盘来优化这个敏感性案例时，意味着不需要使用转移价格来评估这一变化对整个联合装置的经济影响。该敏感性分析案例表明具有500万美元/年的效益，且不需要任何投资。 该模型表明，加工炼油厂石脑油降低了二甲苯产量，提高了苯收率。与苯相比，对二甲苯的价格更高，中间馏分产量也减少了，这似乎是一种经济惩罚。但即使有了这些变化，该案例依然表明这个联合体的整体盈利能力有所改善，因为芳烃厂为进口石脑油支付了高额的溢价。 炼油厂和芳烃厂实施了KBC建议的机会，并且用整个一体化的KBC流程模拟模型计算了炼油厂石脑油的盈亏平衡价格。两个组织商定了对芳烃厂从炼油厂购买石脑油相对盈亏平衡价格的折价。通过调整转移价格，两家公司的盈利能力都有所提高。利用一体化模拟模型能够监视物流的质量变化，从而能够对两个工厂的操作策略进行更新。该案例研究的概述如下图所示。
全流程模拟可以表明关键操作变量变化及其对整个炼油厂运营和产品调和相关影响的真实表现。它们正在被用于识别和评估利润改善的机会，包括优化物流走向、调和规则、分子管理、加工量最大化、原料选择和改善装置操作条件。 加工装置的详细动力学和平衡模型是全流程模型模型的主要构建模块。它们被连接在一起，并用来自历史数据库和化验数据库的标定数据和操作参数进行校准。 全流程模型开发至关重要，包含太多非必要详细信息会增加建模时间以及分析结果所需的努力。 添加联合装置的价格集数据，可以优化机会技术经济性，无论是作为大型增效计划PIP的一部分，还是故障排除解决方案的一部分。为了确保最高性能，需要有一套工作流程和定期的检查。加工装置基础设施的变化、催化剂更换、主要设备性能不佳等都会影响炼油厂的整体性能，因此也需要反映在全流程模型中。
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发表于 2024-2-12 22:56:40
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