煤制氣蒸汽動力系統(tǒng)多周期模擬與優(yōu)化

鄭景元，韓育林，楊路，錢宇，楊思宇

華南理工大學化學與化工學院，廣東省綠色化學產(chǎn)品技術重點實驗室，廣東廣州 510640

目前，我國煤化工行業(yè)正處于蓬勃發(fā)展階段，隨著近年來國家和地方超低排放控制的逐步推進，以煤化工為基礎的一系列超低排放技術取得重大突破[1]，但依舊存在能源浪費與企業(yè)經(jīng)濟虧損等問題。蒸汽動力系統(tǒng)是煤化工過程公用工程系統(tǒng)的重要組成部分，在煤化工企業(yè)中，煤炭同時是生產(chǎn)區(qū)和動力區(qū)的原料。但由于煤化工自身用能的特殊性，其動力系統(tǒng)在滿足不斷變化工況需求的同時，易出現(xiàn)供需不平衡、蒸汽放空和用電不合理等情況，從而造成資源浪費和效益降低等。若能夠根據(jù)不同的工況，調整蒸汽動力系統(tǒng)的操作參數(shù)，能夠大大激發(fā)煤化工的節(jié)能潛力，這也有益于解決我國煤化工能源利用效率低等問題。

有關蒸汽動力系統(tǒng)運行優(yōu)化的研究逐漸成為國內外學者的焦點。至今已形成3 種較為成熟的方法：啟發(fā)式方法、夾點技術和數(shù)學規(guī)劃法。Nishio 等[2-3]提出一種啟發(fā)式算法，該方法有效地減少了系統(tǒng)中蒸汽的放空現(xiàn)象，同時提高了系統(tǒng)的熱效率。并在此研究基礎上，提出了蒸汽和電力合理利用的思路，運用兩步法分別對需求主導和電力主導進行系統(tǒng)能力分配，得到了合適的工藝技術和發(fā)電技術。Dhole 等[4]將夾點技術拓展到工廠全局系統(tǒng)中，采用全局溫焓曲線來指導蒸汽網(wǎng)絡的設計。Marechal 等[5]利用全局總組合曲線估算系統(tǒng)的綜合發(fā)電潛力，為系統(tǒng)優(yōu)化設計提供了指導。Morrow[6]提出了一種簡單的線性蒸汽動力系統(tǒng)模型，在運行優(yōu)化系統(tǒng)時可同時滿足熱力和動力需求。Papoulias 等[7]利用幾種簡單的平衡關系，推導得到了蒸汽動力系統(tǒng)的超結構中的設備布置，并采用混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型對系統(tǒng)進行建模，同步優(yōu)化了其結構和參數(shù)。Golmenares 等[8]建立了蒸汽動力系統(tǒng)的超結構模型，利用NLP 策略同步優(yōu)化生產(chǎn)分離過程和蒸汽動力系統(tǒng)。羅向龍等[9]采用改進的遺傳算法對蒸汽動力系統(tǒng)多周期運行優(yōu)化模型進行求解，實現(xiàn)了蒸汽動力系統(tǒng)多周期運行優(yōu)化。喬琳杰[10]以能源、環(huán)境和低碳3個方面為視角研究了在汽輪機不同操作條件下的蒸汽動力系統(tǒng)運行規(guī)律，為實際的生產(chǎn)操作提供了理論支撐。

本工作針對煤制氣蒸汽動力系統(tǒng)，建立了鍋爐、汽輪機、減溫減壓器和除氧器等關鍵設備的數(shù)學模型，以此集成得到蒸汽動力系統(tǒng)的數(shù)學模型。以系統(tǒng)運行成本為目標函數(shù)，采用某煤制氣企業(yè)多周期的實際數(shù)據(jù)建立了MINLP 優(yōu)化模型。

1 蒸汽動力系統(tǒng)主要設備模型

煤制氣蒸汽動力系統(tǒng)在滿足企業(yè)蒸汽動力需求上起著重要作用，其模型框架如圖1 所示，系統(tǒng)設備一般由鍋爐、汽輪機、減溫減壓器和除氧器等設備構成。煤化工動力用煤一般與生產(chǎn)系統(tǒng)的氣化煤相同，產(chǎn)生的高壓蒸汽除了滿足動力系統(tǒng)的需求外，還用于生產(chǎn)系統(tǒng)壓縮機等，經(jīng)過汽輪機或減溫減壓器可轉化為不同品質的蒸汽用于生產(chǎn)系統(tǒng)氣化爐和再沸器等。

圖1 煤制氣蒸汽動力系統(tǒng)模型框架Fig.1 Model frame of coal gasification steam power system

1.1 鍋爐模型

鍋爐一般由爐膛、汽包、過熱器、省煤器和空預器組成，鍋爐工作過程如圖2 所示。

圖2 鍋爐工作過程Fig.2 Boiler working process

在煤制氣蒸汽動力系統(tǒng)中，鍋爐以煤為主要燃料。燃料在爐膛里燃燒，高溫煙氣通過汽鍋受熱面把熱量傳遞給汽鍋中溫度較低的水，產(chǎn)生蒸汽。鍋爐尾部煙道的換熱曲線圖如圖3 所示，高溫煙氣在鍋爐尾部的煙道中先后經(jīng)過過熱器、省煤器和空預器分別給蒸汽、給水、進風系統(tǒng)提供熱量提高溫度，換熱結束后的煙氣的排空溫度為150～170 ℃。

圖3 鍋爐尾部煙道的換熱曲線Fig.3 Heat transfer curve of boiler tail flue

通過對本文使用的案例鍋爐進行數(shù)據(jù)擬合，可得到鍋爐效率與負荷的曲線如圖4 所示。

圖4 470 t/h 鍋爐效率運行曲線Fig.4 Efficiency operating curve of 470 t/h boiler

1.2 汽輪機模型

汽輪機是將熱能轉化為機械功的設備，在煤制氣蒸汽動力系統(tǒng)中，汽輪機主要有背壓式、凝汽式、抽汽背壓式以及抽汽凝汽式。汽輪機系統(tǒng)一般由汽輪機本身以及低加和高加系統(tǒng)組成，低加和高加系統(tǒng)分別加熱汽輪機凝結水和除氧后的給水，可以提高熱循環(huán)效率，降低能耗。為提高效率，現(xiàn)多采用多級汽輪機。在求解多級汽輪機的能量方程時，一般將其分解成多個單級子汽輪機，如圖5 所示，其中HVP，MVP 和LP 分別表示高壓蒸汽、中壓蒸汽以及低壓蒸汽。

圖5 多級汽輪機與單級汽輪機的互相轉換Fig.5 Mutual conversion between multi-stage and single-stage steam turbine

1.3 減溫減壓器

減溫減壓器是可以降低蒸汽溫度和壓力來滿足不同品味蒸汽需求的重要設備。蒸汽減壓閥通過改變節(jié)流面積，造成流體壓力損失，達到減壓目的。而減溫器通過在蒸汽管道或閥體內加入冷卻水，通過改變水的流量來控制過熱蒸汽的溫度，能量方程為：

1.4 除氧器

除氧器的主要功能為除去水中的溶解氧和其它不凝氣體，避免附在金屬管道和設備的內壁上造成嚴重的腐蝕。此外，除氧器還是汽輪機回熱系統(tǒng)的一級加熱器，除氧器的進汽口往往與汽輪機的回熱抽汽口相連接，從而可以提高機組熱效率，平衡方程式為：

2 蒸汽動力系統(tǒng)多周期運行優(yōu)化

以蒸汽動力系統(tǒng)的各個設備的數(shù)學模型，集成建立蒸汽動力系統(tǒng)MINLP 優(yōu)化模型，模型的目標函數(shù)是全周期的總運行費用最小，同時可以計算出各周期設備的最佳運行狀態(tài)和運行參數(shù)。

2.1 目標函數(shù)

目標函數(shù)為全周期的總運行成本最小。目標函數(shù)為：

2.2 約束條件

2.2.1 物料平衡

設備n在周期t內的物流流入質量等于物流流出質量：

3 案例分析

3.1 案例描述

以內蒙古某煤制氣廠為工業(yè)實例，圖6 為該廠蒸汽動力系統(tǒng)結構。該廠動力系統(tǒng)現(xiàn)用4×470 t/h，8.83 MPa，540 ℃無中間再熱褐煤鍋爐（B1-B4），100 MW 高壓抽凝式直接空冷汽輪機組（CN100T）、30 MW 高壓背壓式汽輪機組（CB30T），產(chǎn)生高壓蒸汽（HVP），中壓蒸汽（MVP），中低壓蒸汽（CLVP）和低壓蒸汽（LVP），為化工區(qū)設備提供動力。外購電價格為0.29 元/(kw·h)，冷卻水折合的外購價格為每噸0.3 元。設備參數(shù)如表1 和表2 所示，各周期煤單價與熱值參數(shù)如表3 所示，各設備的啟停費用如表4 所示，各周期蒸汽和電力需求如表5 所示。模型運行工況共有5 個，每個工況運行2 個月為一個周期，全周期為10 個月。圍繞該企業(yè)的實際情況，建立MINLP 模型并進行優(yōu)化。

表3 各周期煤的低位熱值與單價Table 3 The calorific value and unit price of coal in each period

表4 各設備的啟停費用與對應時間Table 4 Start-up and shutdown costs and corresponding time for each device

表5 各周期蒸汽和電力需求Table 5 Steam and power demands in each period

圖6 煤制氣廠蒸汽動力系統(tǒng)結構Fig.6 Steam power system structure of a coal gasification plant

表1 鍋爐參數(shù)Table 1 Parameters of boilers

表2 汽輪機參數(shù)Table 2 Parameters of Turbines

3.2 優(yōu)化結果分析

模型中共有變量250 個，優(yōu)化算法采用序列二次規(guī)劃法，通過Python 軟件調取Scipy 庫，可直接使用該優(yōu)化算法，電腦系統(tǒng)為Intel(R)Core(TM)i5-9300H CPU@2.40GHz 2.40GHz 8.00GB，求解時長不超過5 s。目標函數(shù)為運行成本，包括外購煤費用，外購水費用，外購電費用和設備啟停費用。經(jīng)優(yōu)化計算，各周期參數(shù)的優(yōu)化結果見表6，各周期優(yōu)化后的設備狀態(tài)見表7，其中1 表示開機，0表示停機，各周期優(yōu)化前后煤耗、水耗及發(fā)電量對比見表8，各周期優(yōu)化前后各項費用對比見表9。

表6 各周期優(yōu)化后的操作參數(shù)Table 6 Operating parameter optimization results in each period

表7 各周期優(yōu)化后的設備狀態(tài)Table 7 Devices status after optimization in each period

表8 各周期優(yōu)化前后煤耗、水耗及發(fā)電量對比Table 8 Comparison of consumption of coal and water and power generation before and after optimization in each period

表9 各周期優(yōu)化前后各項費用對比Table 9 Comparison of cost before and after optimization in each period

由于周期3 和周期4 所需要的蒸汽和發(fā)電量減少，只用3 臺鍋爐和1 臺抽凝式汽輪機CN100T 就可以滿足該企業(yè)的蒸汽和電力需求，故鍋爐B2 和抽背式汽輪機CB30T 處于停運狀態(tài)。優(yōu)化后的煤耗量和各周期總費用均有降低，全周期煤耗標量減少15 240 t，各周期總費用最高節(jié)省達362.81 萬元/周期，最低也可達183.92 萬元/周期。全周期總費用為59 030.03 萬元，相比于優(yōu)化前的60 356.50 萬元，節(jié)省了1 326.47 萬元，總運行成本下降了2.2%。

圖7 展示了各周期優(yōu)化后成本節(jié)省組成。由于水耗產(chǎn)生的成本節(jié)省只占非常小的一部分，可以忽略。從圖7 可以看出，在周期1，2 和5 中，只有煤耗產(chǎn)生的成本節(jié)省，而沒有電耗產(chǎn)生的成本節(jié)省。這是由于在這3 個周期中，優(yōu)化前的發(fā)電量是大于該周期的電力需求的，在這種情況下，應首先考慮減少汽輪機的發(fā)電量來減少煤耗，從而減少煤耗費用。而在周期3 和4 中，電耗產(chǎn)生的成本節(jié)省是最主要的部分，煤耗其次，這是由于在這2 個周期中，優(yōu)化前的發(fā)電量小于該周期的電力需求的，故在優(yōu)化后，應首先考慮增加供電量來滿足電力需求，從而降低外購電的費用，其次再減少煤耗。

圖7 各周期優(yōu)化后成本節(jié)省組成Fig.7 Constitution of cost saving of each project after optimization in each period

從表10 和圖8 可以得出，系統(tǒng)的各周期在優(yōu)化后，鍋爐（B2-B4）的給水溫度、鍋爐的產(chǎn)汽總量均增加，從而導致鍋爐耗煤總量減少。這是由于汽輪機前兩段的抽汽量提高而導致給水溫度的提高，使得給水變成蒸汽所需要鍋爐提供的熱量降低，故而耗煤量也隨之降低。同時由于鍋爐的產(chǎn)汽量增加，也就是鍋爐負荷增加，從而提高鍋爐效率，隨之減少鍋爐耗煤量。周期1 的鍋爐煤耗總量減少的最多，達7.55 t/h，其產(chǎn)汽總量上升12.05 t/h，鍋爐均溫上升22.80 ℃。

圖8 各周期優(yōu)化前后鍋爐產(chǎn)汽總量和耗煤總量對比Fig.8 Comparison of total steam rating and coal consumption of boiler before and after optimization in each period

表10 各周期優(yōu)化前后鍋爐給水溫度對比Table 10 Comparison of temperature of boiler feed water before and after optimization in each period

采用熱量法[16]計算與分析系統(tǒng)的能耗指標，該方法把熱電聯(lián)產(chǎn)所帶來的熱經(jīng)濟效益都歸屬于發(fā)電方面，是我國法定的熱電分攤方法。該部分能耗指標包括熱電分攤系數(shù)，發(fā)電標煤耗和綜合熱效率。各周期優(yōu)化前后能耗指標對比見表11。由表11 可知，全周期熱電分攤系數(shù)均上升，這是由于在分配給供熱的熱耗量不變的情況下，全周期的總熱耗量均下降的原因，由此也反映出全周期的煤耗量都是下降的。全周期發(fā)電標煤耗均下降，對于周期3 和周期4，發(fā)電量上升，煤耗折標量下降，發(fā)電標煤耗自然下降。而對于周期1，2 和5，雖然發(fā)電量和煤耗折標量均下降，但由于熱電分攤系數(shù)上升幅度較大，總耗熱量下降幅度大，由熱量法在計算能耗指標時，將熱經(jīng)濟效益都歸屬于發(fā)電，在指標上反映至發(fā)電標煤耗上，故周期1，2 和5 發(fā)電標煤耗也下降。各周期的綜合熱效率均有增加。周期平均綜合熱效率從80.98%增至82.33%，上升1.35%，有效地提高了能源利用率。

表11 各周期優(yōu)化前后能耗指標對比Table 11 Comparison of energy consumption index before and after in each period

4 結論

針對煤制氣企業(yè)的蒸汽動力系統(tǒng)，建立了鍋爐、汽輪機、減溫減壓器和除氧器等關鍵設備的數(shù)學模型，以此集成得到蒸汽動力系統(tǒng)的數(shù)學模型。以系統(tǒng)運行成本為目標函數(shù)，建立了MINLP 蒸汽動力系統(tǒng)運行優(yōu)化模型。案例研究表明，對5 個周期數(shù)據(jù)建立的模型進行優(yōu)化，優(yōu)化后的系統(tǒng)煤耗降低，全周期標煤耗量減少15 240 t。電力供給更為合理，減少冗余發(fā)電。周期平均綜合熱效率提升1.35%，總運行成本降低2.2%，全周期可節(jié)省1 326.47 萬元，可以有效地增加企業(yè)的能源利用率和經(jīng)濟效益，同時為系統(tǒng)提供了可參考的調優(yōu)指南。

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