运用Petro-SIM构建炼化一体化全流程模拟模型的实践

吕燕君

（中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540）

在当前市场环境下，炼油行业普遍面临市场竞争压力大、环保要求不断提高的挑战，从源头选择适合自己加工的原油，优化中间物料的流向并进行装置操作性能优化，从而提升企业经济效益，已成为先进石化企业的最佳实践。只有建立能准确表征工艺装置性能的单装置模拟模型，以及准确反映实际运行性能的全厂流程模拟模型，将能够对原料品种、数量进行优化，能够进行各种中间物料产品切割、流向的研究，从而增强企业应对多变市场环境的能力，提升企业经济效益，促进可持续发展。

KBC Petro-SIM软件是上下游一体化的炼油工艺模拟软件，它以蒸馏与反应器模型为核心，结合产品调和模型、原油拟合技术以及物流混合的独特方法，建立完整工艺流程的严格的非线性生产模拟，快速并准确评估炼厂不同原料、中间物流、工艺、操作条件以及决策变化对全厂物料平衡、产品性质、装置能耗及全厂经济效益的影响。中国石化早在2010年就开始引进Petro-SIM软件作为排产分析优化工具，上海石化于2011年建立了炼油全流程模型并投入使用，测算多项生产优化方案并付诸实施，取得了显著经济效益。但随着模型应用不断深入，新的问题和需求逐渐显现，一是软件版本老旧，物性传递在个别装置存在问题，模型存在Bug干扰；二是软件模块不全，未涵盖全部重要装置，影响模型计算精度和测算优化范围，对于工艺物料流程相对复杂的生产装置，原有模型已无法满足要求；三是软件许可不足，模型推广应用受限。为满足生产优化智能化需求，上海石化对原有Petro-SIM模型软件进行了升级，通过引进KBC最新版本的Petro-SIM v6.2模型软件，建立起准确表征各个工艺装置性能的单装置SIM模型以及准确反映全厂实际运营性能的炼化一体化全流程模拟模型，2019年以来全面投用，开展装置操作条件的优化、加工路线和产品结构的优化，有效识别和评估优化增效方案，持续提高全厂赢利水平，成为Petro-SIM v6.2最新版软件首创在国内大型石化企业实现炼化一体化全流程模拟的应用实践。

1 炼化一体化全流程模型的构成和特点

1.1 模型涵盖范围

上海石化Petro-SIM v6.2版炼化一体化全流程模型贯穿公司整个炼油、烯烃、芳烃现有全部工艺流程，涵盖36套生产装置，其中炼油部19套、芳烃部15套、烯烃部2套，具体装置见表1，不包含已停运装置（如1#重油催化装置、1#气体分馏装置等）和对全厂模型调和收率无影响的装置（如干气脱硫装置）。

1.2 模型特点

应用统一配置的Petro-SIM v6.2软件，通过对炼化装置机理模型的探索和研究，收集装置运行及分析数据，经过建立模型、模型验证、模型比对分析等过程，制定各工艺装置物料性质、产品收率和能耗水平的标准化规范，为其每个化工单元建立准确的性能表征SIM模型，保证模型结果的精度，最终建立符合企业工况条件的炼化一体化工艺模型，见图1。

表1 全流程模型涵盖装置

运用Petro-SIM软件构建的模型，通过物性传递、反应动力学计算和能量平衡计算，预测改变条件后对装置产品性质、产品分布和主要消耗的影响程度，研究原料变化后对装置产品分布的影响程度。通过市场价格因素，进行单装置和全厂性的经济性分析对比。利用模型进行装置操作条件的优化、加工路线和产品结构的优化，有效地识别和评估优化增效方案。

相对于原有模型，升级后的模型主要在以下方面得到了显著提升：

1）模型性能得到改进。与原有3.3版模型相比，Petro-SIM v6.2模型软件具有多项优势，如组分数据库更加丰富，可模拟的工艺更趋完整，图形界面更易使用；分析合成技术准确决定物性与行为，逐段计算原油分馏技术准确预测分馏塔产品与切割点与质量；交互式和事件驱动式的演算引擎保证模型高效运行；热力学模型增加了新的设备单元，用户原油数据库可合并导入模型；报表与分析工具包含完全的单元操作、案例分析能力、优化器与物性生成表；内置接口可连接炼厂反应器模型，实现工艺流程无缝集成，交互接口可连接外部数据库，便于模型数据自动导入导出；LP数据生成功能由工艺装置的轻微变化生成delta值以及生成分馏塔的悬摆切割，可为企业计划优化提供数据支撑。

2）模型涵盖装置范围扩大。在原有3.3版模型的基础上，6.2版单装置模型新增27套、更新12套，在此基础上建成全流程模型，实现公司炼油、烯烃、芳烃生产装置全覆盖和总集成，扩展了测算优化范围，保证了模型计算精度，解决了因装置范围有限导致全厂生产优化难以进行的困难。

3）模型可用性得到保证。新增和更新的模型经过多次验证比对，精度指标明显提升；模型参数定期校正和维护，保证模型持续与生产实际工况相符；根据用户应用需求适当配置模型许可数，建立许可服务器实现网络共享，保证用户并发数；建立模型运行和应用机制，各部门分工合作，为推进模型应用取得成效提供组织保障。

4）建立起企业模型应用队伍。来自装置一线的工艺管理业务骨干和公司生产管理人员全程参加建模工作，不仅充分发挥对装置生产状况了如指掌的优势，而且学习掌握了Petro-SIM软件模拟技术，具备了装置建模、模型维护和运用模型测算方案的技能，生产优化人员队伍的能力得到显著提升，成为企业智能化的生力军。

2 构建全流程模拟模型的技术关键

2.1 构建模型的步骤

Petro-SIM模型构建过程一般经过以下阶段：

1）确定目标范围。梳理企业整体业务，根据装置工艺特点和生产实际情况，确定建模范围和软件模块，确定模型精度指标、建模工况、建模方案和数据要求、系统组分、收敛条件、验证校正项等内容。

2）收集基础数据。根据已经确定的建模范围和建模工况，选取能够代表工艺装置按典型负荷稳定运行的一个时间段，收集装置基础数据，并确保数据有效性和完整性。

3）建立装置模型。采用装置基础数据，在Petro-SIM软件平台构建工艺模型，包括体系组分建立、热力学方程选择、二元交互作用参数设定、反应器机理模型建立、分离系统模型建立、调和单元模型建立等。

4）模型收敛。实现模型计算收敛是模型可用的基本条件，包括选择合适的热力学方程，输入装置中全部组分，处理特殊组分，选取循环物流，确定流程收敛方法，达到全部闭环收敛。

5）模型校核。通过对模型数据的校核，保证模型的有效性和准确性，包括各股关键物流物料衡算和能量衡算的比较，关键工艺参数对产品质量影响的校正。

6）模型验证。采集多组不同工况下的生产装置实际数据，分别与模型运行结果进行比对，针对差异进一步调整模型参数，确保模型的精确度和稳定性[1]。

2.2 单装置模型构建的技术关键

以渣油加氢装置为例，说明单装置的建模过程和主要参数。

2.2.1 模型精度要求

在渣油加氢生产装置满足以下条件时：①新鲜进料量的变化范围在基准工况的±20%以内；②进料密度的变化范围在基准工况时±3 API以内；③新鲜进料平均沸点的变化范围在基准工况时±25℃以内；④进料硫含量的变化范围在基准工况时的±50%（w）以内；⑤HDS的变化范围在基准工况时的±50%（w）以内。

模型预测结果要求达到以下精度：①C1～C4收率达到实际值±2%（w）；②C5＋液体产品收率达到实际值±2%（w）；③反应器床层温度达到实际值±3℃；④化学氢耗达到实际值±0.25%（w）。

2.2.2 软件模块

渣油加氢装置建模使用的软件模块见表2。

2.2.3 模型计算结果

采用典型工况基础数据进行模型校正，将校正因子导入到预测模型，设定模型的主要操作条件与典型工况生产操作条件一致，获得模型的预测结果，可以看出，模型预测结果逼近实际数据，模型中产品性质与实际性质匹配较好，全部达到指标要求。

物料平衡表和模型精度详见表3和表4。

2.2.4 模型验证比对

选取其他3个不同的实际工况A、B、C，采用以基础数据建立的模型，将模型的进料量与性质、主要操作条件设定为分别与上述3个工况的生产操作条件一致，分别计算获得模型的预测结果，与相应的实际工况相比对，要求其差异均应控制在精度指标范围之内，以验证模型的精准度和稳定性。如果其中有一个工况差异较大，则应调整模型参数，直至运用同一个模型对3种不同工况的预测结果与实际之间的差异均能达到精度要求。

表2 渣油加氢装置模型软件模块和收敛条件

表3 渣油加氢装置物料平衡表 t/h

表4 渣油加氢装置模型指标

2.3 全厂模型构建的技术关键

炼化一体化全流程模型的建模与验证，相对于单装置模型而言较为复杂。首先，需要完成所有单装置模型的建模与验证，确保单装置模型的精度；其次，选取能够代表所有工艺装置同时按典型负荷稳定运行的一个时间段作为基础月，采集该基础月所有装置的实际数据，作为建立全流程模型的基础数据；再者，需针对基础月收集一套完整的全厂平衡数据，包括所有库存调整或变化情况，工厂库存数据和成品余量、以及产品调和信息等，用于炼化一体化程模型的建立，并且除了物料平衡，还需关注硫、氮、碳、氢元素平衡。

2.3.1 模型精度要求

全流程模型的精度指标确定为：最终（调和）产品的产率差异在±2%（w）以内。

为进一步提升炼化一体化模型的准确性和稳定度，还要求实验室分析数据能够满足重复性及再现性，要求每个单装置的物料平衡数据闭合度（原料到产品）为100±1%（w），要求每个单装置模型精度及其他物性数据的预测精度达到预定指标。

2.3.2 软件模块

全流程模型采用Petro-SIM平台及Petro-RX反应器模型进行建模，表5列出了主要装置建模采用的软件模块。

续表

2.3.3 模型计算结果

采用基础月数据、全厂物料平衡数据及各单装置物料平衡数据，在Petro-SIM软件平台建立炼化一体化全流程模型，其中集成了36个单装置模型。运行全流程模型，计算结果达到指标要求。表6和表7列出了全流程模型的物料平衡数据和模型精度情况。

表6 全流程模型全厂物料平衡表 t/h

续表

续表

表7 全流程模型调和产品指标

2.3.4 模型验证比对

同样，选取多个不同工况的实际数据，采用基础月数据模型，设定模型的进料量与性质、主要操作条件分别与上述不同工况的生产操作条件一致，分别获得模型的预测结果，与相应实际工况比对，差异均应控制在精度指标范围之内，以此保证全流程模型的精准度和稳定性。

3 构建模型应做好的基础性工作

建立炼化一体化全流程模型，实施范围广、数据量大、工作难度高，涉及部门和人员多，且全流程模型是在先建成所有单装置模型的基础上建立，为避免重复低效工作和集成困难，模型建立过程中基础工作的标准化和规范统一尤其重要。

3.1 标准化

1）数据收集标准化。制定数据收集清单，规范数据收集整理，明确模型数据收集内容要求，加强数据审核，确保数据有效性。收集数据主要包括装置PFD图、DCS截图、工艺技术规程、岗位操作法、装置物料平衡、物料平衡相关物流LIMS分析数据、装置主要设备的操作条件、装置最新产品质量考核指标、以及催化剂的评价数据、装填数据、运行周期数据等。

2）详细设计标准化。编制详细设计书样版，规范详细设计框架，明确需求分析对接、详细设计编写和审核确认的工作要求，确保详细设计思路清晰、内容准确完整，为后续建模工作提供有效依据。

3）建模标准化。明确建模统一规范，制定建模初始文件，统一单位模板，统一单位集，统一装置中英文命名，规范操作单元模块、主要物流、Spreadsheet表等要素的命名方式，保证模型和装置PFD尽量统一，从而节省全流程建模的工作量，并为今后简化模型维护打下基础。

4）模型验证标准化。模型验证比对的工作量较大，应制定统一的比对数据表、验证进度表，及时记录比对过程中发现的问题，跟踪解决情况[2]。

3.2 规范化

1）模型试运行规范化。通过试运行，制定测算目标，编制优化方案，帮助模型使用人员熟练掌握模型使用方法和技巧，提高模型维护能力，推进模型使用人员运用模型进行优化措施和方案的分析研究，从而建立起模型运行和应用的工作机制和骨干队伍。

2）模型档案规范化。建立规范有效的模型存档、更新和访问机制，借助企业私有云实现模型数据云端存储、模型用户授权访问、模型数据异机备份、访问更新日志记录，加强模型数据安全保密，为开展模型建立、使用、维护和优化方案测算工作提供统一便捷的信息化平台。

3.3 培训与应用管理

1）技术培训先行。建模工程师是来自各装置一线的业务骨干，不仅对装置工艺有着深刻理解，而且在开始建模之前，参加Petro-SIM软件使用技术专题培训，通过培训学习掌握了软件使用和装置建模方法，为后续规范统一地完成建模、验证和投用工作做好技术储备。

2）建立应用管理制度。随着模型投用，同步建立模型运行和应用的工作机制，制定全流程优化管理办法，明确各单位（部门）职责分工、工作要求和考核标准。成立公司全流程优化领导小组，生产部是应用责任主体，各生产单位以及计划部、财务部、IT服务中心等部门协同开展工作。对在流程模拟和优化工作中做出贡献的集体和个人予以奖励。

4 应用案例

4.1 船燃加工方案测算

运用全流程模型对150万吨、50万吨船用燃料油方案进行测算，计算各方案下的全厂产品结构、效益预期和加氢渣油的边际价值，以及因加氢渣油硫含量指标的升级对催化剂寿命的影响。测算结论：相对于基础方案，150万吨船燃方案效益下降5.02万元/小时，加氢重油边际价格为3 731元/吨；50万吨船燃方案效益增加0.41万元/小时，加氢重油边际价格为3 381元/吨。同时，由于加氢重油硫含量指标升级，使得渣油加氢装置反应深度增加，催化剂寿命下降43天。

4.2 催化装置改造优化测算

运用催化裂化机理模型，在分馏塔顶增设冷凝器，研究其对催化装置吸收稳定部分及下游汽油切割塔能耗的影响，测算预期收益，评估改造方案的价值。测算结论：分馏塔顶实施双级冷凝有利于降低吸收稳定能耗及RSDS装置轻重汽油切割塔操作能耗，每小时可获得收益555.6元。

4.3 渣油加氢反应深度评估测算

运用渣油加氢模型测算反应深度调整对产品分布的影响，并根据当月价格测算反应深度调整后的效益变化情况，以此指导反应温度调整。测算结论：降低反应深度可能造成加氢重油硫含量不合格，影响下游催化装置稳定，因此建议保持基础工况的入口温度。

4.4 乙烯裂解深度和产品收率测算

运用乙烯装置模型，在当前原料的前提下研究分析乙烯裂解炉裂解深度对经济效益和高附加值产品收率的影响，并根据测算结果对各裂解炉的操作条件提出优化目标，指导优化操作。测算后给出操作建议：适当提高裂解温度，可提高装置经济效益和高附加值产品收率，最佳裂解温度为轻石脑油LNAP COT 835℃、液化气LPG COT 860℃、共裂解石脑油NAP COT 838℃。

4.5 重整反应氢烃比和产品收率测算

运用重整装置模型测算重整反应氢烃比的调整对装置产品收率的影响及循环氢压缩机功耗的影响。测算结论：当氢烃比由2.8提高至3.2时，效益提高约800元/小时，但循环氢压缩机功率亦提高30%，实际生产中应综合考虑[3]。

5 结论和展望

Petro-SIM作为炼油工艺流程模拟软件，是一个模块化的高度集成的交互式可控可拓展的模拟平台，应用Petro-SIM v6.2版本软件可建立大型炼化企业一体化全流程模型，实现准确表征各单装置及全厂实际运行性能的功能，能够对原料品种、数量、操作条件进行优化，能够进行各种中间物料产品切割、流向的研究，可以有效识别、评估优化增效方案，最终调和产品产率模型预测精度可达到±2%（w）以内。

运用Petro-SIM模型进行优化方案测算，可降低企业在优化产品结构、调整加工路线所需的时间成本和人力成本，促进智能化生产。通过Petro-SIM模型应用，实现了可透视、可比对的应用场景，为企业排产优化决策和经济效益提升提供了可靠的模拟平台和准确的数据基础。

未来，流程模拟作为企业智能化的有力手段，将发挥更大作用，长周期应用将能为企业获取持续经济效益。同时，借助信息化技术，可促进模型智能化应用，例如，可通过自动采集和录入装置实际数据，定期自动运行模型，根据模型测算结果与实际的差异帮助模型管理员进行模型校正，保持模型精度；可借助数据处理技术对多种优化方案进行智能化可视化综合比对，辅助管理层精准决策；还可将模型测算结果提供给计划优化系统进行企业计划排产优化，为企业获取最大化效益提供重要支撑。