PIMS模型裂解原料边际贡献的不唯一性及对策

唐未庆

(中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271)

产业发展战略及政策研究

PIMS模型裂解原料边际贡献的不唯一性及对策

唐未庆

(中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271)

流程工业模型系统(PIMS)模型广泛应用于原料采购优化。传统方法是在一定原料量基础上给某种原料增加1 t，然后用PIMS模型计算比较该原料增量带来的经济效益增量，也即该原料的边际贡献。研究发现，原料资源量不同，PIMS模型计算的边际贡献也不同，原料边际贡献存在不唯一性，给原料采购决策带来困扰。文章提出在原料资源充足时，用减量法计算原料边际贡献，即先利用PIMS模型计算出最优化原料结构及各原料数量，在此基础上将各原料减少1 t后作为资源上限，再用PIMS模型计算比较各原料的边际贡献。

原料 边际贡献 优化 方法 PIMS模型

流程工业模型系统(Process Industry Modeling System，PIMS)模型广泛应用于石化行业的生产经营优化，其中对原料采购优化一般使用原料增量边际贡献法。该方法是在某种原料结构基础上，增加一个小数量，运行PIMS模型计算出该原料增量带来的企业效益增量，即该原料的边际贡献[1-2]。边际贡献越大，表示该原料对企业效益贡献也越大，不同原料按边际贡献大小排序，作为企业优先采购的顺序。与原料边际贡献概念类似的保本价格、性价比、影子价格等，计算过程是相似的[3]。影响PIMS模型原料边际贡献的因素有很多，包括原料性质、原料成本、原料供应量、原料结构(数量)、装置能力、出厂能力等等。边际贡献是特定条件下的经济贡献，条件不同，则原料边际贡献也不同。也就是说，在PIMS模型确定的情况下，优化人员对模型运行“条件”设置不同，计算的原料边际贡献结果就不同，即PIMS模型的边际贡献是不唯一的，这给原料采购及加工优化决策带来一定困扰。

有论文对炼油板块原油的边际贡献与该原油量的关系进行了研究，发现了原油边际贡献的“边际效应”。采购原油性质与设计原油(即炼油装置进行基础设计时指定的原油品种)性质差异越大的原油，其边际贡献下降速率越大，反之下降速率越小[4]。因对化工板块原料边际贡献的边际效应研究较少，现以化工板块龙头乙烯装置为例研究裂解原料边际贡献的不唯一问题。乙烯装置是炼化一体化企业的关键装置，历来是优化分析重点，研究乙烯原料边际贡献的不唯一性即边际效应问题，有利于炼化一体化企业整体优化。

1 乙烯装置及PIMS模型介绍

1.1乙烯装置介绍

某企业乙烯装置于1995年11月建成投产，原设计乙烯产能为140 kt/a(年开工时间为8 000 h)，采用美国鲁姆斯公司顺序深冷分离专利技术，设计5台SR-IV型裂解炉，以全馏程石脑油为设计原料。2001年4月乙烯装置完成整体扩能改造，乙烯产能提高到200 kt/a，裂解炉由5台增加到6台。近年来企业又先后对各裂解炉进行了原料适应性改造，同时增加了C5～C6轻石脑油投料流程、裂化尾油柴油投料流程、富乙烷气投料流程等。由于企业上游炼油装置扩能，加上周边企业可供原料资源量增加，企业乙烯原料优化选择余地进一步增大，同时由于增加了大量轻烃资源，原料之间性质差异增大。

1.2PIMS模型介绍

编制乙烯装置PIMS精细化模型，原料采用分炉裂解，各原料裂解收率用单程裂解收率计算。各单元设备能力根据标定值、历史值或设计值等综合确定，关键设备如表1所示，各裂解炉投不同原料时有不同的投料能力。冷箱及甲烷化单元的裂解氢气产出能力统一用氢气产能表示，不能分离出的裂解氢气并入甲烷燃料气系统中作为乙烯装置自用[5-6]。

表1 模型中设置的乙烯装置部分关键设备能力 t/h

主要原料性质为：

C5～C6轻石脑油(也称轻石脑油)，主要含C5～C6饱和烃类，烷烃质量分数(P值)为80%左右，其乙烯收率约为35%。

(1)全馏程石脑油

为乙烯装置设计原料，是企业上游炼油装置供应的加氢精制石脑油，或是从外部市场采购来的混合石脑油，P值为72%左右，其乙烯收率约为32%。

(2)裂化柴油尾油

为企业炼油装置生产的加氢裂化柴油和尾油混合馏分段，BMCI(芳烃指数，表示重质原料裂解性能的指标)为14～18，其乙烯收率约为31.5%。

(3)气分丙烷(也称丙烷)

为炼油装置液化石油气通过气体分离装置生产的工业丙烷，体积分数为95%左右，其乙烯收率约为39%。

(4)富乙烷气

为炼油装置饱和干气经过吸附分离和精制后得到的饱和轻烃，含乙烷和丙烷的体积分数分别为60%，16%，其乙烯收率约为61%。

1.3价格体系

原料和主要裂解产品含税价格如表2所示。

表2 原料和主要裂解产品的含税价格

2 原料边际贡献及其不唯一性

2.1最优化原料方案

首先根据各原料可获得资源量上下限和原料价格等因素，用PIMS模型计算出企业经济效益最大目标下的最优化原料结构，此时乙烯装置经济效益最大。

该企业裂解原料可获得资源总量是充足的，具备足够优化选择空间，其中C5～C6轻石脑油和全馏程石脑油资源量足够两台裂解炉使用，裂化柴油尾油资源量够1台裂解炉使用。各原料资源量及测算的最优化结果见表3。

表3 资源量及最优化原料计算结果 t/d

表3结果表明：由于原料资源充足、优化空间大，PIMS模型运行计算出的最优化原料结构中全馏程石脑油、C5～C6轻石脑油、裂化柴油尾油等液体原料投入量占总原料量的95.4%，气分丙烷占4.6%，而富乙烷气尽管其乙烯收率最高，但最优化原料结构中投入富乙烷气为0。

2.2PIMS模型增量法边际贡献的不唯一性

原料条件假定：将乙烯装置最优化原料结构各原料量都乘以90%，定为基础量(Q)，然后分别增加0，50，100，150，200 t(原料量下限仍然都为0)，用PIMS模型计算不同原料量下各原料边际贡献。不同原料上限量假定条件如表4所示。

表4 不同原料上限量假定条件 t/d

用PIMS模型分别计算各原料量条件下的边际贡献(见图1)。

图1 原料边际贡献与原料量关系

从图1可以看到：原料边际贡献不是唯一的，在原料资源量小时边际贡献较大，反之变小。这就是所谓的PIMS模型法原料边际贡献的不唯一性，也称边际效应。在原料资源量少时，富乙烷气边际贡献最高,全馏程石脑油最低；在原料资源量大时，C5～C6轻石脑油边际贡献最高，富乙烷气最低。

2.3PIMS模型原料边际贡献不唯一性原因分析

分析认为，在各原料资源量小时，装置所有设备均不能满负荷，即整个系统都没有达到能力瓶颈。此时哪种原料的乙烯等高价值产品收率高，哪种原料净产出价值(总产出价值扣除原料价格等)越大，其产出价值也越大，边际贡献也就越大。

随着各种原料资源量的增加，装置负荷率提高，逐渐达到装置瓶颈(乙烯产能等)，不同原料对装置瓶颈占用差异问题逐渐成为影响因素。即在原料资源量足够时，各原料之间要相互“竞争”，原料净产出价值及其占用装置能力都发挥作用，多投入某种原料将排挤出其他原料，两个因素共同作用使该原料增加1 t带来的企业效益增量减少。

以全馏程石脑油为例进行分析。如图1所示，原料总资源量不足时,即最优化原料量Q×90%+0时，所有原料均有正边际贡献，均可投入装置。每增加1 t全馏程石脑油量，系统增加经济效益2 147元/t，即该原料边际贡献为2 147元/t。原料资源量陆续增加，装置负荷率也提高,乙烯产量达到装置瓶颈时，此时1 t全馏程石脑油与0.52 t富乙烷气占用装置产能相同(按乙烯产量相同,全馏程石脑油乙烯收率32%、富乙烷气乙烯收率61.0%)。多投入1 t全馏程石脑油将挤出0.52 t富乙烷气，也就是说全馏程石脑油效益要扣除0.52 t富乙烷气产生的1 397元/t的效益，即1 t全馏程石脑油边际贡献由2 147元减少到750元/t。

2.4PIMS模型边际贡献不同变化幅度分析

从图1中还可以看到：5种原料边际贡献随原料量增加带来的变化幅度是不同的。其中C5～C6轻石脑油、全馏程石脑油和裂化柴油尾油等液体原料边际贡献变化幅度相对较小，富乙烷气和气分丙烷等轻烃原料边际贡献变化幅度相对较大。在原料资源量少时轻烃边际贡献高于液体原料，而在原料资源量大时轻烃边际贡献低于液体原料。

分析认为，全馏程石脑油是本乙烯装置设计原料，即该全馏程石脑油裂解后能够使所有设备负荷利用率都高；而富乙烷气乙烯收率高，其裂解后造成只有乙烯分离系统负荷高而流程后续系统负荷低。本乙烯装置的瓶颈是乙烯产量，由于富乙烷气、气分丙烷的乙烯收率分别达到61.0%，39%,远远高于全馏程石脑油32%的乙烯收率；而C5～C6轻石脑油、裂化柴油尾油等液体原料乙烯收率接近全馏程石脑油，因此轻烃原料占用乙烯装置能力大，液体原料占用乙烯装置能力小。

也就是说，装置加工流程越长、装置能力限制点越多、原料品种越多、原料性质越复杂、原料性质差异越大，PIMS模型计算边际贡献时受到的影响因素也越多，原料边际贡献之间的可比性也越差。

3 减量法PIMS模型原料边际贡献

在原料供应量不足的条件下，增加1 t某种原料，该原料增加量才能被加工掉，从而产生相应的经济效益增量。原料基础量的选择是造成增量法原料边际贡献的不唯一性的根本原因，而将原料基础量设置为最接近优化方案的数量才能使得边际贡献更接近实际。

文章提出减量法边际贡献，将PIMS模型计算出的各原料最优化数量作为基础，然后将各原料量分别减少1 t(即1个单位量)作为资源上限。对于没有被PIMS模型选择为最优化原料即原料结构中为0的原料(如富乙烷气)，将其资源量上下限都设置为1 t。PIMS模型减量法的原料条件及计算出的各原料边际贡献分别如表5和表6所示。

表5 减量法原料量上下限的设置 t/d

表6 减量法原料边际贡献 元/t

也就是说，原料供应充足程度不同，原料边际贡献是不同的，这一点往往被忽略。条件不同，原料边际贡献值不同，原料边际贡献可比性差。企业原料供应充足，采用减量法计算出原料边际贡献排序后，富乙烷气边际贡献最低，因此排除让富乙烷气成为优化选项，避免决策错误。

4 结论

(1)原料边际贡献测算是原料采购加工优化的分析方法，但不同资源量情况下增量法边际贡献是不同的，即原料边际贡献是不唯一的，有边际效应问题。原料性质与设计原料性质差异越大，边际贡献变化率也越大，反之变化率越小。

(2)如果企业原料总体资源不足，企业重点是多采购各种原料，用PIMS模型分析各种原料边际贡献，努力提高装置生产负荷。此种情况下仍然可使用增量法分析原料边际贡献，不会影响原料采购优化决策正确性。

如果原料资源充足，企业有足够优化选择空间，原料之间互相排挤问题出现，产生机会成本，此时应采用减量法计算边际贡献。减量法边际贡献可以使边际贡献数值更唯一，避免决策误导，使企业整体经济效益最大化。

(3)由于PIMS模型边际贡献存在“不唯一性”，因此使用前必须判断“原料资源是否充足”，根据原料充足与不充足，在测算方法上给以调整。不同企业原料资源供应状况是不一样的，随着企业自产资源和市场原料资源的增加，优化分析方法也要相应改变，对此要引起各企业重视。

[1] 任家军.炼油企业级PIMS模型的开发应用[J].石油炼制与化工，2005,36(5):62-65.

[2] 胡怀敏.炼油企业级PIMS模型应用探讨[J].当代石油石化，2007,15(4):27-29.

[3] 张成,毛卉，朱振才，等.PIMS模型在原油采购优化过程中的应用 [J].石油炼制与化工，2011,42(4):88-91.

[4] 唐未庆.原油影子价格的边际效应研究[J].石油化工技术与经济,2008，24(3)：13-17.

[5] 瞿国华.乙烯工业原料优化[M].北京：中国石化出版社, 2003：4-8.

[6] 唐未庆.PIMS模型用于乙烯原料结构调整潜力分析 [J].当代石油石化，2017,25(5):29-33.

TheNon-uniquenessofMarginalContributionofCrackingMaterialsinPIMSModelandtheCountermeasures

Tang Weiqing

(SINOPECTianjinBranch,Tianjin300271)

The process industry model system (PIMS) model is widely used in the optimization of raw material procurement.The traditional method is to add 1 t on the basis of a certain amount of a raw material,and use the PIMS model to calculate the incremental economic benefit brought by the raw material increment,that is,the marginal contribution of the raw material.It is found that the marginal contribution calculated by the PIMS model is different with different raw material amount.The non-uniqueness of marginal contribution of raw materials brought trouble to raw material procurement decisions.It is proposed to calculate the marginal contribution of raw materials with the reduction method when the raw material resource is sufficient,that is,to calculate the optimal raw material structure and the amount of raw materials with the PIMS model,and reduce 1 t for each raw material as the resource ceiling,and then calculate and compare the marginal contributions of each material.

raw material,marginal contribution,optimization,method,PIMS model

1674-1099 (2017)05-0001-05

F426.22

A

2017-06-25。

唐未庆,男，1965年出生，1985年毕业于天津大学化工催化专业，2000年获得大连理工大学MBA学位，教授级高级经济师，从事石化企业生产经营计划管理及优化工作，已发表论文20余篇。