陆向东

（中国石化镇海炼化分公司烯烃一部，浙江宁波 315207）

石油化学工业在国民经济和社会发展中具有举足轻重的地位，乙烯装置是石油化学工业的龙头，乙烯技术水平的高低是衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志[1]。

装置运行效益的简单计算方式是产品获得的效益减去原料成本，再减去操作费用。在无法控制原料和产品市场价格的基础上，装置利润的提升通常是通过增加高附加值产品产量和降低原料消耗及操作费用来实现，其中增加高附加值产品产量是十分重要的操作手段。对于乙烯裂解装置而言，各种产品的质量取决于裂解炉的操作运行，由于管式裂解炉涉及到裂解原料的化学反应过程，而反应过程的控制方式对产品价值影响较大，因此裂解炉反应参数的控制对最终效益十分重要。

裂解炉的优化是日常工艺技术管理的主要工作，通常使用模拟软件来实现，德西尼布所建立的SPYRO软件是用于乙烯裂解炉的稳态专用过程模拟软件[2]，目前世界上最为常用，各公司乙烯裂解装置基本采取此软件进行模拟[3]。

1 模型建立

1.1 单台裂解炉模拟运行

对于一定的裂解原料，裂解温度（COT））和停留时间是影响烃类裂解的主要因素，同时也影响目标烯烃及其他有用产品的收率。在已定的裂解炉、操作负荷及稀释比工况下，影响目标产品的主要因素为裂解温度。由于测量的裂解炉管出口温度与裂解反应的实际温度之间有10~25℃的温差，某些装置的温度偏差可能超过此范围，因此直接使用裂解温度不能有效反应实际原料的裂解效果。

液体裂解原料基本不含乙烯和丙烯，而由对裂解产物的分析可知含有乙烯和丙烯，因此常用丙烯与乙烯的质量比作为液体原料裂解深度的灵敏度指标[4]。

对于SPYRO模拟软件，模型常输入的操作参数为进料量、稀释蒸汽量、横跨段温度、裂解深度或COT以及裂解炉运行时间。针对裂解炉的不同原料，需建立相应的SPYRO模型，为校验模型的准确性，需根据不同原料和不同操作条件下的模拟结果与实际装置相同操作条件下运行结果进行比对。某装置裂解炉常用的裂解原料为LPG、C5、石脑油（NAP）和加氢裂化尾油（HCR）。模型模拟与实际运行结果比对见表1。

表1 不同原料的模拟与实际运行结果比对

不同原料组的模拟运行和裂解炉实际运行结果对比表明，建立的对应各种原料的SPYRO模拟软件可以较好反应出裂解炉的实际运行状态，尤其是液体炉，说明软件模拟结果可信。

1.2 整体裂解炉模拟运行

根据单台裂解炉模拟运行模型，搭建反映乙烯装置所有裂解炉整体运行的模型，具体见图1。每台裂解炉的模型对应实际运行的裂解炉，裂解气汇集后通过模型模拟逐一分离出产品。模型仅考虑裂解炉的操作，没有考虑下游的分离单元，因此部分产品的损失忽略不计。

图1 裂解炉整体运行模型

2 不同目标产物下的运行模拟

在裂解炉的进料种类和进料量确定的情况下，裂解炉日常操作调整的主要参数是裂解炉的出口温度COT，通过COT的变化改变裂解气中丙烯与乙烯比来实现目标调整。

2.1 以乙烯收率最大化为目标调整裂解炉

图2为不同原料不同裂解深度（PE比）下乙烯收率。从图2可知，在当前裂解原料组成下，不同种类的进料若实现乙烯收率，即乙烯产量的最大化，均需不断降低裂解深度比，提高裂解炉的COT来实现。但对裂解炉而言，不断提高裂解炉的COT，势必使裂解炉炉管结焦趋势加速，缩短裂解炉的运行周期。

图2 不同原料不同裂解深度（PE比）下乙烯收率

2.2 以双烯收率最大化为目标调整裂解炉

图3为不同原料不同裂解深度（PE比）下双烯收率。从图3可知，如实现双烯收率，即乙烯与丙烯产量最大化，需寻求合适的裂解深度。当前进料量及操作条件下，石脑油和C5的PE比控制在0.5比较合适，加氢裂化尾油PE比控制在0.52比较合适。

图3 不同原料不同裂解深度（PE比）下双烯收率

2.3 以高附收率最大化为目标调整裂解炉

图4为不同原料不同裂解深度（PE比）下高附收率。从图4可知，如实现裂解产物中高附加值产品收率最大化，即氢气＋乙烯＋丙烯＋丁二烯＋苯五种高附加值产品产量最大化，这也是考核乙烯装置产品收率的一项重要指标，需不断降低PE比，提高裂解炉COT，调整趋势同乙烯收率变化一致，但同样问题是提高裂解炉的COT温度，裂解炉炉管结焦趋势将加速，缩短裂解炉的运行周期。

图4 不同原料不同裂解深度（PE比）下高附收率

2.4 以装置运行效益最大化为目标进行调整

以装置运行效益最大化为目标调整是裂解炉调整方式中最难的，但也是技术人员应当努力的方向。计算运行效益必须要了解裂解气中各组分的市场价格，但不是所有组分都有相应的市场价格，需根据乙烯装置下游配套的装置情况和主要产品价格进行相应的归类和测算。

3 裂解气组分价格的确定

不同的裂解原料经SPYRO模拟运行后，模拟结果依组分由轻到重大约分为80~100种。从裂解气的成分组成分布可以看出，虽然成分较多，但大部分成分占比较小，且大部分成分没有实际的市场价格。对裂解气产品价格影响较大的通常为几种高附加值组分，如氢气、乙烯、丙烯、丁二烯和苯。为方便计算装置运行效益，需根据产品组分实际具有的市场价格和装置的实际产品分布情况，对近百种产品组分进行相应归类，详见表2。

表2 裂解气组分归类

在这19种产品中，根据该企业下游装置的配套情况及部分产品的市场直接销售情况，大部分产品有市场销售价格，在计算效益时可直接使用。而乙烯和丙烯产品是送往该企业的下游装置作为装置原料使用，作为炼化一体化的企业，不适合直接使用市场价格或内部互供价格，应将下游企业整合到一起，作为产品流通整体，通过下游装置的直接市场产品反推回计算乙烯和丙烯的产品价格。乙烷和丙烷产品作为乙烯装置的中间产品，经过不断地循环裂解反应，可通过循环迭代计算出最后价格。乙炔和MAPD作为装置的杂质，经过加氢反应器转化为相应的乙烯和乙烷、丙烯和丙烷来计算相应的价格。

3.1 乙烯产品价格计算方式

由于该企业乙烯产品分别送往下游环氧乙烷乙二醇（EOEG）、乙苯（EB）、聚乙烯（PE）、化工园区、低温罐等装置，通过数据库系统可获得各个去处的乙烯每小时消耗量。

3.1.1 计算送往PE装置中的乙烯价格

首先，按PE产品市场价计算每小时PE装置产品的效益。然后，计算出装置反应过程中每小时消耗的丁烯-1的价值和每吨PE的变动费用，由于固定费用主要为员工费用、检维修费用和管理方面的费用，这些费用变化较大，为保证计算结果的准确性，计算时仅采用变动费用。其次，利用总PE产品价值减去消耗的丁烯-1价值和装置的变动费用，计算结果为进入装置的乙烯原料价值，最后利用乙烯原料价值除以乙烯进料量则为进入PE装置的乙烯价格。

3.1.2 计算送往EOEG装置中的乙烯价格

按进入PE装置的计算方式计算EOEG中乙烯价格，EB、低温罐和化工园区的乙烯需求根据实际情况直接使用市场价格。

根据进入各装置的乙烯价格及相应的乙烯量占比，加权平均计算出乙烯装置的乙烯产品价格。此价格体系的计算方式，是将下游装置的产品价值和乙烯装置的产品计算价值整合到一起，主要是因为乙烯装置的运行和下游装置紧密联系在一起，下游装置的产品具有实际的市场价格，其实际上影响着此装置的进料负荷，即影响着乙烯装置的产品走向。

3.2 丙烯产品价格计算方式

丙烯产品的下游装置主要为聚丙烯（PP）和环氧丙烷/苯乙烯（POSM）装置，由于POSM装置为独立公司，产品价格直接采用市场价格，因此先计算出丙烯进入PP装置的价格，再根据两套装置的丙烯产品进料量加权平均计算出乙烯装置丙烯产品的价格。

3.3 循环乙烷价格计算方式

循环乙烷返回裂解炉进入循环乙烷炉，按裂解炉实际运行情况，通过SPYRO软件模拟，将裂解气组分含量多少进行归类，并通过循环迭代的方式计算出循环乙烷的价格。计算结果如表3所示。

表3 循环乙烷价格计算

通过上面一系列的推算，归类后的裂解气19个组分均可获得相应的价格体系，据此可进行乙烯装置运行效益的计算。

4 吨原料边际效益模拟

测算乙烯装置运行效益的一个常用方法是采用吨裂解原料的边际效益，利用SPYRO软件可实现边际效益的分析[5]。影响计算吨原料边际效益的因素较多，如炼化一体化上下游运行方式、裂解原料的种类及组成、裂解炉的操作条件（如裂解炉负荷、稀释比、裂解深度等）、不同时间的产品市场价格及裂解炉本身的运行时间等。

4.1 稳定的裂解原料和价格体系下，不同PE比对边际效益的影响

根据2020年5月下旬该企业上下游装置的生产模式和各种产品市场价格体系，针对不同种裂解原料在不同操作条件下的产品分布，对企业不同裂解原料和不同裂解深度（PE比）下吨乙烯原料边际效益模拟见图5。

图5 不同裂解原料和不同裂解深度（PE比）下边际效益

从图5可以看出，在当前裂解原料和产品市场价格体系下，为获得较大的吨原料边际效益应保持石脑油和C5原料裂解炉裂解深度为0.50左右，加裂尾油裂解深度为0.57左右。从图4和图5可以看出，要同时尽可能满足不同的操作目标，同一种原料应综合考虑操作条件。

4.2 稳定的裂解原料和操作条件下，不同市场价格对不同原料边际效益影响

近两年化工产品市场价格变化较大，尤其是受2020年初疫情影响，使得部分产品价格发生了较大变化，与以往的市场价格完全不同。因此，特选取2019年1月、2020年1月和2020年5月三个有代表性不同时期的产品市场价格体系计算吨原料边际效益，见图6。

图6 不同时期市场价格对边际效益的影响

从图6可以看出，在裂解炉原料和运行条件稳定的情况下，三个不同时间点的市场产品价格体系对吨原料边际效益影响明显。

4.3 稳定的裂解原料下，不同的PE比和不同市场价格对相同原料边际效益的影响

从图7可以看出，在以石脑油为裂解原料的裂解炉运行过程中（均约定PE比0.5），2019年1月的吨原料边际效益约为4 636.2元/吨，到2020年1月吨原料边际效益已上升到5 128元/吨，说明化工市场价格处于平稳上升阶段。但到了疫情期间，化工产品市场价格大幅下降，在2020年5月，吨原料边际效益已降到了4 027.4元/吨。最佳效益点随PE不同和价格不同而变化。

图7 不同时期吨石脑油原料边际效益与裂解深度关系

图8为不同时期吨加裂尾油原料边际效益与裂解深度。由图8可以看出，在以加裂尾油为裂解原料的裂解炉运行过程中（均约定PE比0.57），2019年1月的吨原料边际效益约为4 846.3元/吨，到2020年1月吨原料边际效益已上升到5 347元/吨，5月吨原料边际效益降到了4 078.5元/吨。最佳效益点随PE不同和价格不同而变化。

图8 不同时期吨加裂尾油原料边际效益与裂解深度关系

图9为不同时期吨C5原料边际效益与裂解深度。由图9可以看出，在以C5为裂解原料的裂解炉运行过程中（均约定裂解深度为0.55），2019年1月的吨原料边际效益约为4 672元/吨，到2020年1月吨原料边际效益上升到5 227元/吨，5月吨原料边际效益降到了4 137元/吨。最佳效益点随PE不同和价格不同而变化。

图9 不同时期吨C5原料边际效益与裂解深度关系

从石脑油、加裂尾油和C5裂解原料边际效益变化可以看出，在不同时期的市场产品价格体系下，即使同一种原料，为获得最大的经济效益，相同裂解炉的操作温度也不相同。因此，裂解炉操作过程中应根据市场价格变化及时调整操作条件。

另外，在裂解炉运行过程中，为获得最大经济效益，在乙烯装置裂解炉混合进料时，原料组合的利用顺序应考虑不同原料的不同时期的吨原料边际效益差别，尽可能增加使用吨原料边际效益好的原料作为裂解原料。在单台裂解炉负荷下调中，应减少吨原料边际效益差的原料使用量。在单台裂解炉负荷上调中，应增加吨原料边际效益好的原料使用量。因此，为获得最佳的经济效益，裂解炉日常操作应进行动态调整。

4.4 相同价格体系和裂解深度下，裂解炉不同运行时间的最佳优化点

图10为不同运行时间、相同裂解深度下石脑油以及加氢裂化尾油的高附收率和边际效益趋势。

图10 不同运行时间、相同裂解深度下石脑油和尾油高附收率和边际效益关系

从图10可以看出，在相同价格体系和相同裂解深度下（以2020年1月份产品市场价格体系和石脑油及加裂尾油的裂解深度分别为0.5和0.6测算），装置吨裂解原料边际效益和高附收率随着裂解炉运行时间的变化而改变。总体而言，石脑油原料在运行初期（大约60天以内），裂解炉的高附产品收率和吨原料边际效益相对较高，但到运行后期，高附收率和边际效益均下降较快。加裂尾油在运行初期边际效益下降较快，随后比较平稳，但运行70天后边际效益开始下降；高附产品收率从运行开始收率逐渐升高。因此，裂解炉在考虑吨原料边际效益最大化前提下，应适度控制裂解炉运行周期，安排烧焦。

5 结论

通过利用SPYRO模拟软件，对裂解炉各种裂解原料的运行工况进行了运行模拟。针对100余种的裂解气组分和实际的产品市场价格情况，利用组分归类、价格反推和迭代测算等方式计算出接近实际应用的各种产品价格体系。同时，利用产品价格体系和SPYRO软件模拟，分别测算不同时期产品价格体系对装置运行效益最大化的影响，以及相同价格体系下，裂解深度和运行时间对裂解炉运行效益最大化的影响。

通过模拟可知，裂解炉运行吨原料边际效益的最大化是一个动态过程，原料本身组成的变化、产品市场价格体系的变化、操作参数的调整及裂解炉运行时间的长短等诸多因素都对最终结果产生影响。因此，优化过程中仅仅通过人为调整根本无法实现裂解炉吨原料边际效益的最大化，只有借助先进优化控制系统软件，如实时优化系统软件才能最终实现乙烯装置运行效益的实时最大化[6]，提高装置的绩效水平，增强装置竞争力。