管網(wǎng)模擬技術(shù)在蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化上的應(yīng)用

李濤

（中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司化工部，天津 300271）

1 前言

蒸汽在石化企業(yè)中被廣泛應(yīng)用，是主要的能源和輔助工藝物流。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，蒸汽系統(tǒng)的規(guī)模也日趨龐大、復(fù)雜，造成蒸汽管網(wǎng)和用戶之間存在許多不合理的用能狀況，如蒸汽降質(zhì)使用、蒸汽熱損失大、放空現(xiàn)象等，造成能源的極大浪費(fèi)。

隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，利用IT技術(shù)建立具有智能化的蒸汽模擬與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PROSS系統(tǒng)），使生產(chǎn)管理人員能夠及時(shí)監(jiān)控蒸汽管網(wǎng)的運(yùn)行工狀，對(duì)蒸汽生產(chǎn)、輸送和使用進(jìn)行全過(guò)程分析，找出現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)存在的不足，提出有針對(duì)性的系統(tǒng)優(yōu)化方案，提高蒸汽利用水平，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2 PROSS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理：

管網(wǎng)模擬與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱PROSS系統(tǒng)，主要由管網(wǎng)系統(tǒng)、DCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等五部分組成。其中模擬系統(tǒng)是PROSS系統(tǒng)的核心，模擬原理是根據(jù)蒸汽管網(wǎng)中各管線與各節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系以及蒸汽的流向，應(yīng)用拓?fù)鋵W(xué)原理自動(dòng)識(shí)別管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建立管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型；通過(guò)基爾霍夫定律、水力學(xué)和傳熱學(xué)方法建立非線性聯(lián)立方程組，解算出作為方程應(yīng)變量的管網(wǎng)中所有參數(shù)。

PROSS系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、工程熱力學(xué)、化學(xué)工程、拓?fù)鋵W(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)等為一體的工程設(shè)計(jì)軟件，能夠?qū)Υ笮蛷?fù)雜管網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)行分析，模擬計(jì)算出不同操作參數(shù)條件下的工況，同時(shí)采用裝置因子進(jìn)行“修正”，提高了數(shù)學(xué)模型與實(shí)際蒸汽系統(tǒng)的吻合度。

3 蒸汽管網(wǎng)的現(xiàn)狀及分析

天津分公司的蒸汽管網(wǎng)包括12MPa、3.5MPa、1.8MPa、1.0MPa四個(gè)等級(jí)，承擔(dān)天津石化五個(gè)作業(yè)部（熱電部、煉油部、烯烴部、化工部以及動(dòng)力部）和中沙石化（合資）的蒸汽供應(yīng)。蒸汽全部由熱電部鍋爐產(chǎn)生，通過(guò)管網(wǎng)輸送到各用戶，其中3.5MPa、1.8MPa和1.0MPa是主要的蒸汽管網(wǎng)。

3.1 蒸汽管網(wǎng)的負(fù)荷平衡

由天津分公司3.5MPa、1.8MPa和1.0MPa蒸汽管網(wǎng)平衡數(shù)據(jù)作出夏季和冬季的蒸汽流量平衡表，分別見(jiàn)表-1和表-2。

根據(jù)天津分公司蒸汽管網(wǎng)流程和結(jié)構(gòu)參數(shù)，開(kāi)發(fā)了天津分公司蒸汽管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，建立蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱TJ-PROSS）。通過(guò)對(duì)蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行狀況做出評(píng)估；提出管網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案；分析熱損狀況，提出節(jié)能降耗措施。

3.2 存在問(wèn)題及優(yōu)化方案

根據(jù)表1和表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用PROSS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)目前天津公司的蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行存在以下幾方面的問(wèn)題。

3.2.1 熱電部1.8MPa管網(wǎng)蒸汽流速過(guò)低，蒸汽的損耗較大。

熱電部1.8MPa蒸汽是由3.5MPa蒸汽減溫減壓后外送，母管管徑分別為DN400和DN350。近年來(lái)由于公司裝置更新，目前僅化工部芳烴裝置和溶劑油裝置使用該等級(jí)蒸汽，流量為20～35t/h，蒸汽平均流速僅為5m/s，遠(yuǎn)低于20～30m/s的蒸汽經(jīng)濟(jì)流速，且管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，表面的散熱損失較大。

為了降低1.8MPa蒸汽管線的損失，可以取消由熱電部到化工部的1.8MPa蒸汽管線，改由3.5MPa和1.0MPa蒸汽通過(guò)汽汽射流混合器產(chǎn)生1.8MPa蒸汽，其中1.0MPa蒸汽可利用化工老區(qū)現(xiàn)有的1.0MPa低壓蒸汽，3.5MPa蒸汽由煉油新區(qū)的DN600中壓蒸汽管網(wǎng)提供，接出管徑為DN200。

通過(guò)PROSS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，煉油新區(qū)3.5MPa蒸汽正常流量為240～300t/h，流速為9.7～13.2m/s，增加化工部35t/h的流量后，蒸汽流速提

高到 10.9～14.4m/s，壓力僅下降 0.08MPa，對(duì)煉油新區(qū)的蒸汽使用影響很??；而目前化工老區(qū)1.0MPa蒸汽量?jī)H為3t/h，輸送管徑為DN350，當(dāng)汽汽射流器產(chǎn)生1.8MPa蒸汽量為20～35t/h時(shí)，1.0MPa蒸汽用量為5～9t/h，老區(qū)1.0MPa蒸汽流量將提高到8～12t/h，流速達(dá)到4.9～8.7m/s，能夠有效的降低凝結(jié)水量，提高蒸汽的利用率。

表-1 夏季1.0MPa、1.8MPa和3.5MPa蒸汽平衡表

表-2 冬季1.0MPa、1.8MPa和3.5MPa蒸汽平衡表

3.2.2 冬季煉油部3.5MPa中壓蒸汽減溫減壓量較大

通過(guò)蒸汽平衡表可知，冬季煉油部1.0MPa蒸汽用量比夏季增加207t/h，而目前熱電部向煉油部的1.0MPa蒸汽輸送量為40t/h，冬季煉油新區(qū)自產(chǎn)1.0MPa蒸汽量約70t/h，因此煉油部低壓蒸汽的缺口有100t/h，目前這部缺口只能由3.5MPa蒸汽減溫減壓供給。

由于煉油部3.5MPa蒸汽用量增加，造成蒸汽的流速升高，管道的阻力損失增加，使煉油部3.5MPa蒸汽壓力降低，造成汽輪機(jī)的做功能力下降。針對(duì)冬季煉油部存在情況，應(yīng)用PROSS軟件對(duì)天津石化蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行分析，提出了冬季增加煉油部低壓蒸汽的優(yōu)化方案。

①利用熱電部為中沙石化輸送1.0MPa蒸汽的備用DN600管線，向煉油部輸送蒸汽。

②利用化工部原原1.8MPa管線向煉油部輸送1.0MPa蒸汽。

③熱電部利用化工老區(qū)的1.0MPa蒸汽管線向煉油部輸送蒸汽。

模擬計(jì)算可得，DN600管線可給煉油部供低壓蒸汽49t/h，原1.8MPa蒸汽線可供低壓蒸汽33t/h，化工老區(qū)1.0MPa蒸汽管線可25t/h，總量共107t/h，基本可以滿足煉油部冬季低壓蒸汽的需求，煉油部原減溫減壓器保持備用狀態(tài)運(yùn)行。

3.2.3 夏季煉油部低壓1.0MPa蒸汽過(guò)剩利用不合理

夏季煉油新區(qū)自產(chǎn)1.0MPa蒸汽總量為110t/h，而自用求量為70t/h，因此1.0MPa蒸汽過(guò)剩量為40t/h。目前這部分蒸汽通過(guò)管線供給中沙石化。由于中沙石化1.0MPa蒸汽管網(wǎng)壓力較高，因此煉油新區(qū)蒸汽過(guò)剩量需要增壓才能并入中沙石化低壓管網(wǎng)。

PROSS計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)熱電部汽輪機(jī)低壓蒸汽出口壓力為1.05MPa，中沙石化低壓蒸汽壓力為1.08MPa，而煉油新區(qū)低壓蒸汽并入中沙石化時(shí)，汽輪機(jī)出口壓力必須達(dá)到1.10MPa。因此煉油新區(qū)供汽量越多，熱電部相應(yīng)供的越少，中沙石化的管網(wǎng)壓力也越高，煉油新區(qū)供汽的壓力也越高。隨著煉油新區(qū)低壓蒸汽壓力升高，導(dǎo)致汽輪機(jī)的效率降低，3.5MPa中壓蒸汽消耗量增加，造成低壓蒸汽過(guò)剩更多，形成惡性循環(huán)。

因此優(yōu)化方案是煉油新區(qū)過(guò)剩量蒸汽停供給中沙石化，而是供給對(duì)蒸汽要求較低的化工老區(qū)、動(dòng)力部、行政區(qū)、化工冷凍站等用汽點(diǎn)。

4 優(yōu)化效益分析

4.1 取消熱電部1.8MPa蒸汽管線

取消1.8MPa管線，減少直接散熱損失4.93GJ/h，相當(dāng)于產(chǎn)生2.4t/h蒸汽的熱量。同時(shí)減少冷凝水0.45t/h?？紤]疏水損失等因素，可以至少節(jié)約蒸汽3t/h，全年按8700小時(shí)，中壓蒸汽170元/噸計(jì)，可以節(jié)約蒸汽2.61萬(wàn)噸/年經(jīng)濟(jì)效益443萬(wàn)元/年。

4.2 冬季蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化

（1）熱電部減少對(duì)煉油部的中壓蒸汽量100t/h，多供低壓蒸汽100t/h，可以增加發(fā)電功率4800KW，按冬季工況120天，每度電按0.556元計(jì)算，可多發(fā)電1382萬(wàn)度電，效益769萬(wàn)元/年。

（2）煉油部中壓蒸汽壓力提高0.1MPa，汽輪機(jī)功率平均增加3%。以汽輪機(jī)蒸汽用量122t/h計(jì)算，可節(jié)約中壓蒸汽4.88t/h。按冬季工況120天，中壓蒸汽170元/噸計(jì)算，可節(jié)約蒸汽1.41萬(wàn)噸，經(jīng)濟(jì)效益239萬(wàn)元/年。

4.3 夏季蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化

經(jīng)模擬計(jì)算，由于煉油新區(qū)的過(guò)剩蒸汽停送中沙石化，煉油低壓蒸汽系統(tǒng)壓力降低0.1MPa，中壓蒸汽系統(tǒng)壓力提高了0.04MPa，汽輪機(jī)的透平效率增加3.3%，可以節(jié)省中壓蒸汽的量9.3t/h。每年夏季按6個(gè)月，中壓蒸汽按170元/噸計(jì)算，可以節(jié)省中壓蒸汽大4萬(wàn)噸/年，，經(jīng)濟(jì)效益為683萬(wàn)元。

5 應(yīng)用效果總結(jié)

天津分公司利用PROSS軟件，開(kāi)發(fā)了蒸汽管網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，建立蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)（PROSS）系統(tǒng)，并形成了蒸汽管網(wǎng)的電子檔案數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)PROSS對(duì)蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行離線模擬分析，找出了瓶頸管段，提出管網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案，全部實(shí)施后年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)到2134萬(wàn)元。因此PROSS是在蒸汽管網(wǎng)模擬優(yōu)化方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。