基于粘度模型确定沥青调合方案的方法及系统与流程

技术领域

本发明属于石油精炼行业沥青生产领域。

背景技术：

沥青生产是石油精炼行业的一个重要环节，是原油经过蒸馏后的残渣，在整个原油成分中具有最高的沸点，是原油中最重的成分。沥青被广泛应用于公路路面，建筑屋面、地面地下结构的防水、木材钢材的防腐等。我国目前沥青年产量超过2000万吨。然而国产沥青的产量与我国国内市场的需求相比较仍处于供不应求的状态，尤其高端的改性沥青市场。因此提高沥青产量、提升沥青性能是沥青生产行业需解决的问题。

可直接生产沥青的原油主要是环烷基原油和蜡含量较低的中间基原油或稠油。全球各原油产地出产的1500多种原油中，只有260种原油可直接生产沥青。但随着经济的快速发展，对沥青质量的要求也越来越高、越来越多样化，仅靠单一原油生产沥青越来越难满足沥青质量的要求。因此需采用沥青调合技术，使用不同组分进行调合，生产出不同质量规格的沥青。因此沥青调合技术可大大扩大生产沥青的原油种类。

目前已有的沥青调合技术主要包括两大类。第一类技术根据沥青性质互补的原理，对不同的成分进行混合。沥青性质包括针入度、软化点、粘度、延度等。如果沥青调合成分的某项性质不合格，可与该项性质高出指标的调合组分混合，使得调合后的混合沥青仍然满足该项性质的指标。第二类技术根据沥青四个不同的组分（饱和分、芳香分、胶质和沥青质）对沥青性质的贡献，通过混合不同的沥青使得四个组分得到合理的匹配，从而生产出合格的沥青。

第一类已有技术的原理简单，但由于沥青粘度较大，对性质的测量时间较长，当调合组分的性质发生变化时无法及时作出调合比例的调整。同时，沥青的性质在混合过程中存在非线性效应，混合物的性质并非混合前单个组分性质的线性加和值。因此第一类已有技术存在三个主要缺陷：1）当原油发生变化时调合方案准确度大大降低；2）当生产条件发生波动时，调合方案容易失效，因此对生产条件限制较大，制约了生产条件的全局优化，从而影响了整体经济效益的提升；3）对混合物性质的预测多依赖经验，无法准确预测沥青调合中的非线性混合效应。

第二类已有技术较第一类已有技术更为精细，从沥青的化学成分来预测混合后沥青的性质。但该技术需要对沥青进行四组分的分离和测定，所耗费成本较高、周期较长。目前已有技术对沥青四组分的分离多采用溶剂脱沥青、氧化铝色谱柱分离两步骤结合的方法，需消耗多种有机溶剂、氧化铝色谱柱等耗材，涉及脱沥青质、色谱分离、蒸馏等操作步骤，整个技术流程耗费成本高，耗时较长，无法适应高效率的沥青生产。同时，四组分含量与沥青性质的定量关联公式是从生产数据推导出的经验公式，存在较大的误差范围，在预测沥青性质时达不到足够的准确度。

技术实现要素：

为解决已有沥青调合技术中存在的检测时间长、耗费成本高、准确度低的技术问题，本发明提供了一种基于粘度模型的沥青调合技术，能够以更低成本、更高效率、更高准确度的设计并优化沥青调合方案。粘度模型由沥青的粘度-温度曲线归纳得出，而粘度-温度曲线是沥青的内在性质，所有沥青的宏观性质（包括针入度、软化点、氧化性能、延度等）及组成信息，最终都在其粘度-温度曲线中得到体现。本发明以粘度模型为基础，结合了硬件、数据库、及软件等各个环节。其中硬件部分包括测量沥青调合组分的粘度计。数据库包括多种沥青调合组分的粘度-温度数据及粘度模型参数。软件部分包括根据沥青调合组分的粘度-温度数据计算沥青产物的各项性质，包括针入度、软化点、粘度、延度等。

本系统只需借助粘度计测量沥青调合组分的粘度数据，结合数据库与软件进行计算，即可准确获知沥青产品的各项性质。粘度计与已有技术所使用的氧化铝色谱柱及整套沥青性质测量设备相比，成本大幅降低，检测周期也大幅缩短。因此本发明所提供的沥青调合技术能够以更低的成本、更高的效率设计并优化沥青调合方案，降低沥青调合的成本，并有效提升所生产沥青的性能。

具体地，本发明提供了一种基于粘度模型确定沥青调合方案的方法，其特征在于，包含以下步骤：

（1）对于各种沥青调和组分，测量至少两个温度下的粘度，获得粘度-温度数据；

（2）根据步骤（1）获得的粘度-温度数据，构建各种沥青调和组分的粘度模型；

（3）对步骤（2）中所获得的各种沥青调合组分的粘度模型的参数进行记录，形成粘度模型参数数据库；

（4）将衡量沥青性质的各项技术指标，与步骤（2）中的粘度模型进行关联；再根据各项技术指标的数值范围，获得相应的粘度模型的参数范围；

（5）设计沥青调合方案，确保各种沥青调合组分的粘度模型参数的加权和在步骤（4）所获得的技术指标参数范围内；

和可选的

（6）根据生产目标优化沥青调合方案。

在某些实施方式里，步骤（1）中的沥青调和组分包括但不限于减压渣油、催化裂化油浆、脱油硬沥青、乙烯裂解尾油、润滑油精制抽出油及其组合。

在某些实施方式里，步骤（2）中采用公式（I）进行模型拟合，确定公式（I）中的各项参数，形成各种沥青调合组分的粘度模型：

log(μ)=log(μ₀)+L/(T/T₀-1)（I）

式中，

变量一：μ，表示沥青调合组分的粘度（cP）；

变量二：T，表示温度（℃）；

参数一：μ₀，表示沥青调合组分在温度无限高时的极限粘度（cP）；

参数二：L，模型参数，无具体物理意义，使得模型更贴合实测粘度-温度数据；

参数三：T₀，表示沥青调合组分凝固成固体（粘度无限大）时的温度（℃）。

应当理解，温度-粘度的拟合模型不是唯一的，在需要时，可以选用能够很好地符合实测的温度-粘度曲线的任何数学模型，而不用拘泥于式（I）或任何理论。

在某些实施方式里，步骤（3）中粘度模型参数数据库中的参数包含各个沥青调和组分的μ₀和T₀。

在某些实施方式里，步骤（4）中所述的技术指标包括但不限于针入度（P）、软化点（S）和/或延度（U）。这些技术指标与粘度模型参数μ₀、T₀的关联可以通过数学公式实现。当技术指标不是温度类指标（例如针入度或软化点）时，可以用以下公式进行关联：

A*c₁=log(μ₀)+L/(25/T₀-1)

式中A为技术指标，c₁为该技术指标为标度值的沥青在25°C时的粘度值。

当技术指标是温度类指标（例如软化度）时，可以用以下公式进行关联：

c₂=log(μ₀)+L/(B/T₀-1)

式中B为技术指标，c₂为沥青在该技术指标的温度时的粘度值。

可选地，典型的技术指标例如针入度（P）、软化点（S）和/或延度（U）可以通过式（II）-式（IV）与粘度模型参数μ₀、T₀相关联，从而可以将各项技术指标的数值范围，转换为相应的粘度模型参数μ₀、T₀的范围：

P*c₁=log(μ₀)+L/(25/T₀-1) 公式（II）

c₂=log(μ₀)+L/(S/T₀-1) 公式（III）

U*c₃=log(μ₀)+L/(25/T₀-1) 公式（IV）

式中P为针入度，c₁为针入度为1的沥青在25°C时的粘度值；S为软化点，c₂为沥青在软化点温度时的粘度值；U为延度，c₃为延度为1的沥青在25°C时的粘度值。

在某些实施方式里，步骤（6）中，在优化沥青调合方案时，首先在步骤（3）所建立粘度模型数据库中搜索特定数量的组分以特定比例的组合，使得其粘度模型参数的加权和满足指标，再结合各种沥青调合组分的价格数据，采用优化算法计算出成本最低的沥青调合方案。

从而，更具体地，本发明提供了一种基于粘度模型确定沥青调合方案的方法，包含以下步骤：

（1）对各种沥青调合组分，包括但不限于减压渣油、催化裂化油浆、脱油硬沥青、乙烯裂解尾油、润滑油精制抽出油等，采用粘度计测量至少两个温度下的粘度，获得粘度-温度数据；

（2）根据步骤（1）中所获得的粘度-温度数据，采用公式（I）进行模型拟合，确定公式（I）中的各项参数，形成各种沥青调合组分的粘度模型：

log(μ)=log(μ₀)+L/(T/T₀-1)（I）

式中，

变量一：μ，表示沥青调合组分的粘度（cP）；

变量二：T，表示温度（℃）；

参数一：μ₀，表示沥青调合组分在温度无限高时的极限粘度（cP）；

参数二：L，模型参数，无具体物理意义，使得模型更贴合实测粘度-温度数据；

参数三：T₀，表示沥青调合组分凝固成固体（粘度无限大）时的温度（℃）；

（3）对步骤（2）中所获得的各种沥青调合组分的粘度模型的参数进行记录，形成粘度模型参数数据库；

（4）将衡量沥青性质的各项技术指标，包括但不限于针入度、软化点、粘度、延度等，与步骤（2）中的粘度模型进行关联；再根据各项技术指标的数值范围，获得相应的粘度模型的参数范围；可选地，上述技术指标通过式（II）-式（IV）与粘度模型参数μ₀、T₀相关联，从而可以将各项技术指标的数值范围，转换为相应的粘度模型参数μ₀、T₀的范围：

P*c₁=log(μ₀)+L/(25/T₀-1) 公式（II）

c₂=log(μ₀)+L/(S/T₀-1) 公式（III）

U*c₃=log(μ₀)+L/(25/T₀-1) 公式（IV）

式中P为针入度，c₁为针入度为1的沥青在25°C时的粘度值；S为软化点，c₂为沥青在软化点温度时的粘度值；U为延度，c₃为延度为1的沥青在25°C时的粘度值；

（5）设计沥青调合方案，确保各种沥青调合组分的粘度模型参数的加权和在步骤（4）所获得的技术指标参数范围内；

（6）优化沥青调合方案，首先在步骤（3）所建立粘度模型数据库中搜索特定数量的组分以特定比例的组合，使得其粘度模型参数的加权和满足指标；再结合各种沥青调合组分的价格数据，采用优化算法计算出成本最低的沥青调合方案。

另一方面，本发明也提供了构建沥青调合组分的粘度模型参数数据库的方法，包含以下步骤：

（1）对各种沥青调合组分，包括但不限于减压渣油、催化裂化油浆、脱油硬沥青、乙烯裂解尾油、润滑油精制抽出油等，采用粘度计测量至少两个温度下的粘度，获得粘度-温度数据；

（2）根据步骤（1）中所获得的粘度-温度数据，采用公式（I）进行模型拟合，确定公式（I）中的各项参数，形成各种沥青调合组分的粘度模型：

log(μ)=log(μ₀)+L/(T/T₀-1)（I）

式中，

变量一：μ，表示沥青调合组分的粘度（cP）；

变量二：T，表示温度（℃）；

参数一：μ₀，表示沥青调合组分在温度无限高时的极限粘度（cP）；

参数二：L，模型参数，无具体物理意义，使得模型更贴合实测粘度-温度数据；

参数三：T₀，表示沥青调合组分凝固成固体（粘度无限大）时的温度（℃）；

（3）对步骤（2）中所获得的各种沥青调合组分的粘度模型的参数进行记录，形成粘度模型参数数据库。

另一方面，本发明也提供了沥青调合组分的粘度模型参数数据库，其特征在于，数据库中包含多个不同的沥青调合组分记录，每个沥青调合组分的记录中包含以下参数：

μ₀，表示沥青调合组分在温度无限高时的极限粘度（cP）；

T₀，表示沥青调合组分凝固成固体（粘度无限大）时的温度（℃）；

和可选的

L，模型参数，无具体物理意义，使得模型更贴合实测粘度-温度数据。

在某些实施方式里，上述数据库是通过前述的方法构建的。

另一方面，本发明也提供了基于粘度模型确定沥青调合方案的系统，其特征在于，包含以下部分：

测量模块，包含温度和粘度测量部件，能够测量各沥青调和组分在不同温度下的粘度；

数据处理模块，可以根据各沥青调和组分的粘度-温度数据，计算出粘度模型参数，构成粘度模型参数数据库，所述粘度模型参数包含以下参数：

μ₀，表示沥青调合组分在温度无限高时的极限粘度（cP），

T₀，表示沥青调合组分凝固成固体（粘度无限大）时的温度（℃），

和可选的：L，模型参数，无具体物理意义，使得模型更贴合实测粘度-温度数据；

和沥青调合方案确定模块，可以确定各种沥青调和组分的含量，使得各种沥青调合组分的粘度模型参数的加权和在需要的技术指标参数范围内，并能够根据沥青调合组分的价格数据，计算出成本最低的沥青调和方案。

在某些实施方式里，所述系统能够用于实现前述任意一种基于粘度模型确定沥青调合方案的方法。

本发明大大扩大了沥青调合的原料选择范围。通过本发明提供的基于粘度模型的沥青调合技术，可对现有技术中不适合沥青生产的原料建立粘度模型，通过数据库比对，找出已有技术无法得出的沥青调合生产方案。

另外，本发明能够以更低成本、更快速度设计与优化调合方案。与现有技术相比，本发明所采用技术仅需对原料进行粘度-温度曲线的测量，仪器简易，测量时间可控制在2小时以内，使得本发明可用于迅速决策与现场生产指导。

本发明还提高了沥青调合中质量控制的精确度。现有技术基于沥青宏观性质或四组分的调合对调合后沥青产品的性质预测存在较大误差，而本发明基于沥青调合原料内在粘度性质的表征，能够准确的计算原料的调合效应，从而更精确的预测调合后沥青的性质。

结合上述有益效果，本发明可提供更为优化的沥青调合方案，充分利用一些现有技术无法利用的低价值原料，降低沥青生产成本，并提升沥青质量。

附图说明

图1、本发明基于粘度模型的沥青调合技术流程图。

图2、具有代表性的沥青粘度-温度曲线及相应的粘度模型。

图3、催化裂化油浆不同馏分的粘度-温度曲线。

图4、脱油硬沥青不同馏分的粘度-温度曲线。

图5、催化裂化油浆与脱油硬沥青粘度模型参数。

图6、催化裂化油浆与脱油硬沥青混合生产合格沥青。

图7、苏丹原油减压渣油不同馏分的粘度-温度曲线。

图8、菲律宾原油减压渣油不同馏分的粘度-温度曲线。

图9、苏丹原油减压渣油与菲律宾原油减压渣油粘度模型参数。

图10、苏丹原油减压渣油与菲律宾原油减压渣油混合生产合格沥青。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例一：使用催化裂化油浆与脱油硬沥青进行调合生产沥青。

催化裂化油浆是炼油过程中催化裂化加工过程所残留的油浆，是一种低附加值的产品，目前国内的催化裂化油浆一般作为廉价的重质燃料油出厂。催化裂化油浆的粘度较低，达不到沥青所需要的粘度范围。脱油硬沥青是指减压渣油经过溶剂脱除了大部分饱和烃和较轻的芳香烃后剩余的残渣。常温下硬而脆，较难作为沥青生产的调合组分。

本实施例通过建立催化裂化油浆与脱油硬沥青的粘度模型，将两种原料以合适的比例调合可生产出合格的沥青。具体操作步骤如下：

（1）对催化裂化油浆与脱油硬沥青两种原料进行粘度数据的测量。将催化裂化油浆通过蒸馏分为小于440°C、440-540°C和大于540°C三个不同馏分。将脱油硬沥青通过蒸馏分为小于520°C、520-600°C、大于600°C三个不同馏分。针对两个原料的六个馏分，分别使用Brookfield粘度计测量其在125-215°C温度范围内的粘度。两种原料不同馏分的粘度-温度数据如图3、4所示；

（2）根据步骤1中所获得的粘度-温度数据，采用公式（I）进行模型拟合，分别获得催化裂化油浆与脱油硬沥青的粘度模型，其中参数L使用7.5，模型参数μ₀、T₀如表1所示。

表1、催化裂化油浆与脱油硬沥青不同馏分的粘度模型参数

（3）对步骤2中所获得的催化裂化油浆与脱油硬沥青各馏分的粘度模型参数μ₀与T₀进行记录，形成形成粘度模型数据库。数据库中模型参数μ₀与T₀的分布如图5所示。

（4）将衡量沥青性质的各项技术指标，包括针入度、软化点和延度这三项，与步骤2中的粘度模型进行关联，通过公式（II）～（IV）的计算将其转化为参数μ₀与T₀的范围，如图5方框所示。

（5）根据公式（V）进行沥青调合方案设计，按照催化裂化油浆X%，脱油硬沥青（100-X）%的比例进行调合，使得调合后的沥青的粘度模型参数μ₀与T₀在步骤4所限定的范围内。所采用优化算法为蒙特卡洛算法，对不同的比例进行随机采样，首先筛选该比例调合是否满足步骤4所限定的参数μ₀与T₀范围，如果满足，则择优保留成本更低的比例。通过1000次运算，得到的最优混合方案为X=46，即，46%的催化裂化油浆与54%的脱油硬沥青进行调合，生产合格的沥青。调合方案示意图见图6。

μ₀ =μ₀₁×X% +μ₀₂×(100-X)%

T₀ =T₀₁×X% +T₀₂×(100-X)% （V）

式中，μ₀₁、T₀₁表示催化裂化油浆的参数，μ₀₂、T₀₂表示脱油硬沥青的参数，μ₀、T₀表示混合后沥青的参数，X%表示催化裂化油浆在调合中的比例。

本实施例通过对催化裂化油浆与脱油硬沥青粘度模型的建立，提供了两者调合生产沥青的方案，并准确计算出调合比例。通过运用本发明的技术，有效利用了低附加值的催化裂化油浆用于沥青生产，降低了沥青生产的成本，并通过粘度模型的计算准确给出调合比例，提高了沥青质量控制的精度。

实施例二：使用两种非常规沥青原油的减压渣油生产沥青。

全球各原油产地出产的1500多种原油中，只有260种原油可直接生产沥青。本实施例通过对两种非常规沥青生产原油：苏丹原油与菲律宾原油的减压渣油建立粘度模型，找出这两种减压渣油进行调合生产沥青的方案。苏丹原油密度较大，其减压渣油的粘度超过了沥青生产的质量规格。而菲律宾原油密度较小，其减压渣油的粘度小于沥青生产的质量规格。因此这两种原油通常都不是沥青生产原油。本实施例通过基于粘度模型的沥青调合技术实现这两种原油减压渣油的调合生产沥青。具体操作步骤如下：

（1）对苏丹原油与菲律宾原油的减压渣油分别进行粘度数据的测量。将苏丹原油的减压渣油通过蒸馏分为小于480°C、480-560°C和大于560°C三个不同馏分。将菲律宾原油通过蒸馏分为小于540°C、540-620°C、大于620°C三个不同馏分。针对两个原料的六个馏分，分别使用Brookfield粘度计测量其在135-225°C温度范围内的粘度。两种原料不同馏分的粘度-温度数据如图7、8所示。

（2）根据步骤1中所获得的粘度-温度数据，采用公式（I）进行模型拟合，分别获得苏丹原油减压渣油与菲律宾原油减压渣油的粘度模型，其中参数L使用7.5，模型参数如表2所示。

表2、苏丹原油减压渣油与菲律宾原油减压渣油不同馏分的粘度模型参数

（3）对步骤2中所获得的苏丹原油减压渣油与菲律宾原油减压渣油各馏分的粘度模型参数μ₀与T₀进行记录，形成形成粘度模型数据库。数据库中模型参数μ₀与T₀的分布如图9所示。

（4）将衡量沥青性质的各项技术指标，包括针入度、软化点和延度这三项，与步骤2中的粘度模型进行关联，通过公式（II）～（IV）的计算将其转化为参数μ₀与T₀的范围，如图9方框所示。

（5）根据公式（VI）进行沥青调合方案设计，按照苏丹原油减压渣油X%，菲律宾原油减压渣油（100-X）%的比例进行调合，使得调合后的沥青的粘度模型参数μ₀与T₀在步骤4所限定的范围内。所采用优化算法为蒙特卡洛算法，对不同的比例进行随机采样，首先筛选该比例调合是否满足步骤4所限定的参数μ₀与T₀范围，如果满足，则择优保留成本更低的比例。通过1000次运算，得到的最优混合方案为X=58，即，58%的苏丹原油减压渣油与42%的菲律宾原油减压渣油进行调合，生产合格的沥青。调合方案示意图见图10。

μ₀ =μ₀₁×X% +μ₀₂×(100-X)%

T₀ =T₀₁×X% +T₀₂×(100-X)% （VI）

式中，μ₀₁、T₀₁表示苏丹原油减压渣油的参数，μ₀₂、T₀₂表示菲律宾原油减压渣油的参数，μ₀、T₀表示混合后沥青的参数，X%表示苏丹原油减压渣油在调合中的比例。

本实施例通过对苏丹原油减压渣油与菲律宾原油减压渣油粘度模型的建立，提供了这两种原油调合生产沥青的方案，使得这两种非常规沥青生产原油通过调合也可生产沥青。通过运用本发明的技术，有效扩大了沥青生产的原油选择范围，从全球260种可直接生产沥青的原油，扩大至近400种原油的选择范围，降低了沥青生产的成本。并通过粘度模型的计算准确指定调合比例，提高了沥青质量控制的精度。同时，本实施例使得企业可通过更广泛的原油选择范围，在生产合格沥青的同时提升整体经济效益。