蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)在大連石化的應(yīng)用

孫煒

(中國(guó)石油大連石化公司,遼寧大連 116032)

蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)在大連石化的應(yīng)用

孫煒

(中國(guó)石油大連石化公司,遼寧大連 116032)

蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)是指利用信息化手段,對(duì)蒸汽管網(wǎng)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并通過(guò)模型對(duì)蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,找出現(xiàn)有官網(wǎng)存在的問(wèn)題并找出原因,從而提出最優(yōu)的解決方案,并實(shí)現(xiàn)整個(gè)蒸汽系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化。

信息化 蒸汽管網(wǎng) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 模型 模擬計(jì)算 節(jié)能

1 前言

石化企業(yè)能耗主要來(lái)源于生產(chǎn)裝置和公用工程系統(tǒng)兩個(gè)面，前者經(jīng)不斷的技術(shù)改造，綜合能耗穩(wěn)步下降，例如，從1996年至2003年中國(guó)石化集團(tuán)公司所屬煉油企業(yè)的綜合能耗從84.39千克標(biāo)油/噸下降到了76.06千克標(biāo)油/噸;但后者公用工程系統(tǒng)的能耗仍然偏高;通常耗能以蒸汽為主，占全廠總能耗20%～30%，蒸汽系統(tǒng)熱損在10%左右，足見(jiàn)節(jié)能潛力非常大。許多石化企業(yè)，特別是老廠，蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，主要采用增減蒸汽管線等措施來(lái)滿足工藝裝置的擴(kuò)能需求，導(dǎo)致蒸汽管網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上形成了多級(jí)化、多環(huán)化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，給運(yùn)行管理工作帶來(lái)了很大困難。利用蒸汽管網(wǎng)模擬軟件可以計(jì)算出管網(wǎng)中任一管段蒸汽的流向、流速、流量、溫度、壓力、熱損失和冷凝情況;而且計(jì)算精度較高，與實(shí)際相比，相對(duì)偏差在5%以內(nèi)。它計(jì)算速度快、性能穩(wěn)定;使調(diào)度人員隨時(shí)掌握管網(wǎng)工況;對(duì)提高蒸汽管網(wǎng)的管理、運(yùn)行和改造水平有指導(dǎo)作用。

2 大連石化公司蒸汽管網(wǎng)概況

2.1 概述

大連石化現(xiàn)有煉油生產(chǎn)裝置68套，化工生產(chǎn)裝置7套，年原油一次加工能力2050萬(wàn)噸，能生產(chǎn)汽油、煤油、柴油、潤(rùn)滑油、石蠟、苯類、聚丙烯、細(xì)旦纖維等石化產(chǎn)品200多種。

大連石化蒸汽管網(wǎng)分為老區(qū)和新區(qū)，全廠夏季平均產(chǎn)汽量約為1070t/h，冬季平均產(chǎn)汽量約為1450t/h。老區(qū)主要包括熱電廠、四催化、西廠、東廠、合成廠等單位，新區(qū)主要包括220萬(wàn)噸連續(xù)重整、加氫裂化、制氫、渣油加氫、煤柴油加氫、27萬(wàn)噸硫磺等生產(chǎn)裝置，形成了熱電廠主供西廠、東廠、合成廠蒸汽的供汽格局。

圖1 大連石化公司蒸汽管網(wǎng)流程示意

表1 大連石化蒸汽管線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2.2 管網(wǎng)流程

大連石化公司蒸汽管網(wǎng)主要分為5個(gè)壓力等級(jí)，流程如圖1所示。

圖1中各條線段代表蒸汽管線，聯(lián)接產(chǎn)汽點(diǎn)和用汽點(diǎn)，包括9.3MPa、3.5MPa、1.0MPa、0.45MPa、0.3MPa五個(gè)壓力等級(jí)的蒸汽管線，其中：1)紅色管線代表9.3MPa等級(jí)蒸汽管線;2)橙色管線代表3.5MPa等級(jí)蒸汽管線;3)綠色管線代表1.0MPa等級(jí)蒸汽管線;4)藍(lán)色管線代表0.45MPa等級(jí)蒸汽管線;5)青色管線代表0.3MPa等級(jí)蒸汽管線。

2.3 管線統(tǒng)計(jì)

大連石化蒸汽管線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，統(tǒng)計(jì)范圍包括以上五個(gè)壓力等級(jí)，其中除帶產(chǎn)汽設(shè)備的車間外，都不包括用戶界區(qū)內(nèi)部的蒸汽管線。

大連石化管線總長(zhǎng)約47km，與其它石化企業(yè)的管網(wǎng)規(guī)模相比，它屬于規(guī)模較大的。

面對(duì)如此龐大的蒸汽系統(tǒng)，大連石化公司急需要一套專業(yè)的模擬軟件，來(lái)對(duì)全廠的蒸汽進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。因此大連石化公司實(shí)施了《大連石化蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化研究和智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)》項(xiàng)目。

圖2 總體架構(gòu)圖

圖3 管網(wǎng)模擬系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

3 蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)及優(yōu)化系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 總體構(gòu)架

表2 冬季運(yùn)行工況改變前后設(shè)備用汽對(duì)比

圖4 中壓管網(wǎng)壓力示意

圖5 中壓管網(wǎng)壓力瓶頸示意

如圖2所示為大連石化蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化研究和智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架圖，分為物理層、信息層和應(yīng)用層三個(gè)層面，包括蒸汽管網(wǎng)、測(cè)量?jī)x表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、模擬系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等六個(gè)部分。DL-PROSS處于應(yīng)用層，包括模擬系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩個(gè)部分。

蒸汽管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)由人工輸入到模擬系統(tǒng)中;實(shí)際測(cè)量的操作參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到數(shù)據(jù)中心;模擬系統(tǒng)利用管網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)時(shí)測(cè)量操作參數(shù)，模擬得到管網(wǎng)中各段管線的全部蒸汽參數(shù);管網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行展示。管理人員即可以利用系統(tǒng)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、規(guī)劃、分析、優(yōu)化等應(yīng)用，也可以通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、管理和調(diào)度等應(yīng)用。

3.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)包括模擬系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)的主要功能包括管網(wǎng)規(guī)劃、協(xié)助調(diào)度、評(píng)估熱損、工況分析，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能有實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)查詢。

3.2.1 模擬系統(tǒng)的功能

(1)管網(wǎng)規(guī)劃：利用數(shù)學(xué)模型和模擬技術(shù)尋找不合理的熱損源，尋找蒸汽管網(wǎng)管線設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，能為蒸汽管網(wǎng)改造提供優(yōu)化方案及整改措施。

(2)協(xié)助調(diào)度：通過(guò)可視化、圖形化、組態(tài)化的界面，直觀地協(xié)助管理人員提高調(diào)度能力，對(duì)供熱系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)、及時(shí)的操作管理和合理的運(yùn)行調(diào)度提供有效的手段。

圖6 中壓管網(wǎng)優(yōu)化措施示意

(3)評(píng)估熱損：系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)熱損進(jìn)行精確的量化計(jì)算。根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定的理論結(jié)果相比較，及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響管網(wǎng)系統(tǒng)熱損的原因、熱損異常的環(huán)節(jié)，識(shí)別故障的模式。系統(tǒng)具有測(cè)量值、理論計(jì)算值、設(shè)定值三者的比較功能，能及時(shí)做出提示和警告。從而為管網(wǎng)熱損分析提供理論依據(jù)和詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持，使系統(tǒng)成為提高蒸汽管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行管理水平、降低熱損的輔助決策工具。

(4)工況分析：系統(tǒng)能夠模擬計(jì)算出在不同工況下，管網(wǎng)上任一管段任一點(diǎn)的操作參數(shù)，例如每根管段的流量、流向、線速度、壓降、局部壓損、溫降、保溫層外表面溫度、熱損失、冷凝水量、冷凝水產(chǎn)生的位置等，以及管線上任意一點(diǎn)的壓力、溫度等，從而全面掌握不同工況下蒸汽管網(wǎng)的運(yùn)行特性。

3.2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能

(1)實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蒸汽管網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)常駐顯示、趨勢(shì)圖、報(bào)表等來(lái)實(shí)時(shí)查看當(dāng)前蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)。

(2)歷史數(shù)據(jù)查詢：可以查找蒸汽管網(wǎng)操作參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置查詢時(shí)間點(diǎn)，輸出歷史某個(gè)時(shí)刻的操作參數(shù);還通過(guò)設(shè)置歷史時(shí)間區(qū)間輸出歷史曲線，能夠方便管理人員對(duì)蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

3.3 技術(shù)路線

(1)引進(jìn)研智科技管網(wǎng)通用模擬系統(tǒng)軟件PROSS，對(duì)該軟件進(jìn)行二次開發(fā);(2)詳細(xì)收集整理蒸汽管網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，資料的準(zhǔn)確性和完整性關(guān)系到建模的質(zhì)量;(3)建立全廠蒸汽系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試、確認(rèn)，保證模型的準(zhǔn)確性;(4)在建模確認(rèn)的基礎(chǔ)上，對(duì)蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行分析評(píng)估并提出優(yōu)化措施;(5)開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)接口，實(shí)現(xiàn)蒸汽管網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.4 模擬原理

引進(jìn)研智科技管網(wǎng)通用模擬系統(tǒng)軟件PROSS。PROSS是一款對(duì)蒸汽管網(wǎng)的模擬計(jì)算軟件。該軟件集成了基爾霍定律、流體力學(xué)、化學(xué)工程、拓?fù)鋵W(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)、等基礎(chǔ)理論和知識(shí)（如圖3所示）。

3.5 工程化方法

管網(wǎng)系統(tǒng)的建模理論雖然已經(jīng)很成熟了，但是，只有采取了必要的工程化措施，這些理論才能應(yīng)用于實(shí)際。以下即為所采用的工程化措施。

(1)大型蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的識(shí)別：PROSS引入了自動(dòng)建模策略，以拓樸學(xué)原理識(shí)別蒸汽管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，確定獨(dú)立方程數(shù)，自動(dòng)建立聯(lián)立方程組。

(2)軟儀表：PROSS以聯(lián)立方程描述蒸汽管網(wǎng)，可以用添加虛擬節(jié)點(diǎn)的方法，計(jì)算得到管網(wǎng)中任何點(diǎn)的蒸汽參數(shù)，這是軟儀表技術(shù)。使用該項(xiàng)技術(shù)，不須在汽源、用戶等關(guān)鍵點(diǎn)外再安裝儀表，工程師就可以得到管網(wǎng)中任何管段、任何位置的蒸汽參數(shù)。軟儀表技術(shù)已被證明是可靠的，對(duì)及時(shí)、詳細(xì)掌握蒸汽管網(wǎng)工況起到了關(guān)鍵作用。

(3)在線溫壓校正：蒸汽流量計(jì)量不準(zhǔn)是一個(gè)很棘手的問(wèn)題。除了流量計(jì)本身因操作時(shí)間長(zhǎng)、保養(yǎng)不好而失準(zhǔn)外，多數(shù)情況與工況多變，引起蒸汽溫度、壓力波動(dòng)，繼而使其密度、粘度變化有很大的關(guān)系。PROSS采用溫壓在線校正方法，使得模擬計(jì)算出來(lái)的流量值比較準(zhǔn)確，有利于管理人員校驗(yàn)流量計(jì)，把蒸汽平衡做準(zhǔn)。

(4)開放式的工程數(shù)據(jù)庫(kù)：PROSS在模擬計(jì)算時(shí)，要用到的工程數(shù)據(jù)繁多，涉及到鋼管材料、管徑系列、各種尺寸的彎頭、熱補(bǔ)償器、大小頭、閥門等管件，以及保溫材料、疏水器布置等。PROSS的工程數(shù)據(jù)庫(kù)收集了全部國(guó)產(chǎn)管材、保溫材料和煤質(zhì)分析等數(shù)據(jù)，而且對(duì)用戶“開放”，即可以在必要時(shí)由用戶修改這些數(shù)據(jù)，或者建立專用數(shù)據(jù)集，以保證PROSS模擬結(jié)果符合實(shí)際。

(5)裝置因子：鑒于蒸汽管網(wǎng)流程太復(fù)雜，管道上管件非常多，加上氣候、管壁粗糙度、保溫完整情況、實(shí)際蒸汽流通量等都不可能描述得絕對(duì)準(zhǔn)確，故模擬計(jì)算結(jié)果，如指定點(diǎn)的溫度、壓力、流量、冷凝水量等會(huì)與真值有偏差。這個(gè)問(wèn)題不可能僅依靠嚴(yán)密的理論和方程式來(lái)解決。PROSS采用了裝置因子來(lái)“糾偏”，效果很好。用戶體會(huì)到不斷完善裝置因子，可以使數(shù)學(xué)模型與實(shí)際蒸汽系統(tǒng)日趨吻合，模擬結(jié)果也會(huì)更加的可靠。

以上關(guān)鍵技術(shù)也是本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)。模型中所用的計(jì)算方法均為有關(guān)手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)上的經(jīng)典方法，其中涉及到的參數(shù)的默認(rèn)值亦采用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)上推薦的數(shù)值。為了增強(qiáng)模型的靈活性，使模型更加符合實(shí)際情況，這些參數(shù)均向用戶開放，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況修改。此外，還有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判錯(cuò)與鎖定，數(shù)學(xué)模型現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與確認(rèn)等一系列保證DL-PROSS質(zhì)量的方法。

4 蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)及優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用情況——新區(qū)中壓管網(wǎng)蒸汽壓力偏低

4.1 問(wèn)題描述

以冬季工況為例，該工況下，熱電廠界區(qū)中壓蒸汽壓力在3.45MPa以上，外送175t/h蒸汽后，到達(dá)末端用戶時(shí)壓力偏低。加氫裂化裝置的K-1701進(jìn)汽壓力為3.02MPa，渣油加氫裝置的K-1801-1進(jìn)汽壓力僅有2.98MPa。新區(qū)中壓管網(wǎng)蒸汽壓力偏低，從而導(dǎo)致新區(qū)使用中壓蒸汽的幾臺(tái)汽機(jī)做功能力下降(如圖4所示)。

4.2 問(wèn)題分析

通往新區(qū)的蒸汽線有三條：電廠直供新區(qū)線、四催化供新區(qū)線、飽和蒸汽線。其中，飽和蒸汽線供往三蒸餾、輕烴回收、芳烴抽提三套裝置;新區(qū)其它用戶所需蒸汽主要由電廠直供新區(qū)線和四催化供新區(qū)線雙線供給，剩余用汽缺口由制氫和27萬(wàn)噸硫磺這兩套裝置的自產(chǎn)汽補(bǔ)足。蒸汽輸送過(guò)程中存在壓力瓶頸是造成中壓管網(wǎng)壓力水平較低的原因，主要瓶頸段如圖5紫色管段所示。

4.3 優(yōu)化方案與效益

只有緩解上述壓力瓶頸，中壓管網(wǎng)用戶用汽壓力才會(huì)提高，故提出以下優(yōu)化方案：1)在四催化組立北端新裝一個(gè)閥門(如圖6中紅色閥門所示)，并關(guān)閉此閥門，切斷四催化北邊與新區(qū)之間的聯(lián)系;2)打開四催化組立南端與飽和蒸汽線之間聯(lián)通線上的三個(gè)閥門;在四催化南邊與飽和蒸汽線的跨線上新鋪兩條新的跨線(如圖6中綠色加粗管線所示)，使四催化南邊與四催化供新區(qū)線、電廠直供新區(qū)線建立連接關(guān)系，并通過(guò)這兩路給新區(qū)補(bǔ)汽。

改變運(yùn)行工況后，新區(qū)裝置用汽壓力明顯增加，下表列出了打開閥門前后新區(qū)裝置內(nèi)各個(gè)汽機(jī)用汽壓力的對(duì)比以及打開閥門后提高的做功能力：

從表2可知，上優(yōu)化措施后，新區(qū)汽機(jī)最大做功能力可提高397.4千瓦時(shí)，比原最大做功能力提高了約1.6%，冬季這五臺(tái)汽機(jī)每小時(shí)供用汽300t/h，冬季工況仍按7個(gè)月來(lái)計(jì)，那么冬季可節(jié)省中壓用汽24192噸。蒸汽價(jià)格按照180元/噸計(jì)，冬季效益可達(dá)435萬(wàn)元。夏季工況下，五臺(tái)汽機(jī)用汽量稍大，優(yōu)化后增加的最大做功能力也相差不大，則夏季效益約為310萬(wàn)元，全年效益共計(jì)745萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

大連石化蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)及優(yōu)化系統(tǒng)，一方面開發(fā)了蒸汽管網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，提供了一個(gè)蒸汽管網(wǎng)模擬計(jì)算的平臺(tái)，使對(duì)蒸汽管網(wǎng)的分析從定性變?yōu)槎?另一方面實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)的實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)，使管網(wǎng)的單點(diǎn)監(jiān)測(cè)變?yōu)槿芫W(wǎng)的監(jiān)測(cè)。蒸汽管網(wǎng)指揮調(diào)度平臺(tái)的建立能為提高蒸汽管網(wǎng)的運(yùn)行管理水平提供有力的支持。

該系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)調(diào)度方面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管網(wǎng)全面工況、提出了調(diào)整流程和操作參數(shù)的方案，模擬分析了冬季用汽量大調(diào)度難、冬季電廠減溫減壓量大、新區(qū)中壓蒸汽管網(wǎng)壓力偏低、低壓西廠壓降大東廠易凝水、四催化停工無(wú)法保證用戶正常用汽、二催開工用汽壓力偏低等問(wèn)題，并提出了優(yōu)化方案。該系統(tǒng)對(duì)蒸汽管網(wǎng)熱損進(jìn)行了評(píng)估，指出了蒸汽管網(wǎng)節(jié)能潛力。

本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能的發(fā)揮有賴于儀表和數(shù)采的完善，因此一方面完善儀表和數(shù)采特別是重要的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，另一方面在現(xiàn)有硬件的基礎(chǔ)上用人工輸入的方法彌補(bǔ)系統(tǒng)的不足，這需要使用人員熟練掌握系統(tǒng)的使用方法。

[1]劉云雷.蒸汽管網(wǎng)散熱損失計(jì)算分析與負(fù)荷預(yù)測(cè)研究[D].天津：天津大學(xué),2009.

[2]王紀(jì)林.周鋼.求解線形方程組的初參數(shù)方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1994,28(3)：100-105p.

[3]Jiang WJ and Dai YY.The Principle of Chemical Engineer.Beijing：Tsinghua University Press.1992.