管網模擬技術在蒸汽系統優化上的應用

李濤

（中國石油化工股份有限公司天津分公司化工部，天津 300271）

1 前言

蒸汽在石化企業中被廣泛應用，是主要的能源和輔助工藝物流。隨著企業生產規模的擴大，蒸汽系統的規模也日趨龐大、復雜，造成蒸汽管網和用戶之間存在許多不合理的用能狀況，如蒸汽降質使用、蒸汽熱損失大、放空現象等，造成能源的極大浪費。

隨著計算機和信息技術的廣泛應用，利用IT技術建立具有智能化的蒸汽模擬與實時監測系統（簡稱PROSS系統），使生產管理人員能夠及時監控蒸汽管網的運行工狀，對蒸汽生產、輸送和使用進行全過程分析，找出現有管網系統存在的不足，提出有針對性的系統優化方案，提高蒸汽利用水平，從而達到節能降耗的目的。

2 PROSS系統的結構及原理：

管網模擬與實時監控系統，簡稱PROSS系統，主要由管網系統、DCS數據采集系統、實時數據庫系統、模擬系統和監測系統等五部分組成。其中模擬系統是PROSS系統的核心，模擬原理是根據蒸汽管網中各管線與各節點間的關系以及蒸汽的流向，應用拓撲學原理自動識別管網結構，建立管網數學模型；通過基爾霍夫定律、水力學和傳熱學方法建立非線性聯立方程組，解算出作為方程應變量的管網中所有參數。

PROSS系統是集計算機技術、信息技術、工程熱力學、化學工程、拓撲學、計算數學等為一體的工程設計軟件，能夠對大型復雜管網進行運行分析，模擬計算出不同操作參數條件下的工況，同時采用裝置因子進行“修正”，提高了數學模型與實際蒸汽系統的吻合度。

3 蒸汽管網的現狀及分析

天津分公司的蒸汽管網包括12MPa、3.5MPa、1.8MPa、1.0MPa四個等級，承擔天津石化五個作業部（熱電部、煉油部、烯烴部、化工部以及動力部）和中沙石化（合資）的蒸汽供應。蒸汽全部由熱電部鍋爐產生，通過管網輸送到各用戶，其中3.5MPa、1.8MPa和1.0MPa是主要的蒸汽管網。

3.1 蒸汽管網的負荷平衡

由天津分公司3.5MPa、1.8MPa和1.0MPa蒸汽管網平衡數據作出夏季和冬季的蒸汽流量平衡表，分別見表-1和表-2。

根據天津分公司蒸汽管網流程和結構參數，開發了天津分公司蒸汽管網數學模型，建立蒸汽管網智能監測系統（簡稱TJ-PROSS）。通過對蒸汽管網運行工況進行模擬，對管網運行狀況做出評估；提出管網結構優化的方案；分析熱損狀況，提出節能降耗措施。

3.2 存在問題及優化方案

根據表1和表2的統計數據，利用PROSS軟件進行模擬計算，通過分析后發現目前天津公司的蒸汽管網運行存在以下幾方面的問題。

3.2.1 熱電部1.8MPa管網蒸汽流速過低，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蒸汽，流量為20～35t/h，蒸汽平均流速僅為5m/s，遠低于20～30m/s的蒸汽經濟流速，且管網運行時間較長，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蒸汽通過汽汽射流混合器產生1.8MPa蒸汽，其中1.0MPa蒸汽可利用化工老區現有的1.0MPa低壓蒸汽，3.5MPa蒸汽由煉油新區的DN600中壓蒸汽管網提供，接出管徑為DN200。

通過PROSS軟件進行模擬計算，煉油新區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，對煉油新區的蒸汽使用影響很小；而目前化工老區1.0MPa蒸汽量僅為3t/h，輸送管徑為DN350，當汽汽射流器產生1.8MPa蒸汽量為20～35t/h時，1.0MPa蒸汽用量為5～9t/h，老區1.0MPa蒸汽流量將提高到8～12t/h，流速達到4.9～8.7m/s，能夠有效的降低凝結水量，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，冬季煉油新區自產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，造成汽輪機的做功能力下降。針對冬季煉油部存在情況，應用PROSS軟件對天津石化蒸汽管網進行分析，提出了冬季增加煉油部低壓蒸汽的優化方案。

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的1.0MPa蒸汽管線向煉油部輸送蒸汽。

模擬計算可得，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運行。

3.2.3 夏季煉油部低壓1.0MPa蒸汽過剩利用不合理

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

PROSS計算結果表明，當熱電部汽輪機低壓蒸汽出口壓力為1.05MPa，中沙石化低壓蒸汽壓力為1.08MPa，而煉油新區低壓蒸汽并入中沙石化時，汽輪機出口壓力必須達到1.10MPa。因此煉油新區供汽量越多，熱電部相應供的越少，中沙石化的管網壓力也越高，煉油新區供汽的壓力也越高。隨著煉油新區低壓蒸汽壓力升高，導致汽輪機的效率降低，3.5MPa中壓蒸汽消耗量增加，造成低壓蒸汽過剩更多，形成惡性循環。

因此優化方案是煉油新區過剩量蒸汽停供給中沙石化，而是供給對蒸汽要求較低的化工老區、動力部、行政區、化工冷凍站等用汽點。

4 優化效益分析

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，相當于產生2.4t/h蒸汽的熱量。同時減少冷凝水0.45t/h。考慮疏水損失等因素，可以至少節約蒸汽3t/h，全年按8700小時，中壓蒸汽170元/噸計，可以節約蒸汽2.61萬噸/年經濟效益443萬元/年。

4.2 冬季蒸汽管網優化

（1）熱電部減少對煉油部的中壓蒸汽量100t/h，多供低壓蒸汽100t/h，可以增加發電功率4800KW，按冬季工況120天，每度電按0.556元計算，可多發電1382萬度電，效益769萬元/年。

（2）煉油部中壓蒸汽壓力提高0.1MPa，汽輪機功率平均增加3%。以汽輪機蒸汽用量122t/h計算，可節約中壓蒸汽4.88t/h。按冬季工況120天，中壓蒸汽170元/噸計算，可節約蒸汽1.41萬噸，經濟效益239萬元/年。

4.3 夏季蒸汽管網優化

經模擬計算，由于煉油新區的過剩蒸汽停送中沙石化，煉油低壓蒸汽系統壓力降低0.1MPa，中壓蒸汽系統壓力提高了0.04MPa，汽輪機的透平效率增加3.3%，可以節省中壓蒸汽的量9.3t/h。每年夏季按6個月，中壓蒸汽按170元/噸計算，可以節省中壓蒸汽大4萬噸/年，，經濟效益為683萬元。

5 應用效果總結

天津分公司利用PROSS軟件，開發了蒸汽管網的數學模型，建立蒸汽管網智能監測（PROSS）系統，并形成了蒸汽管網的電子檔案數據庫。通過PROSS對蒸汽管網進行離線模擬分析，找出了瓶頸管段，提出管網結構優化的方案，全部實施后年經濟效益可達到2134萬元。因此PROSS是在蒸汽管網模擬優化方面具有廣泛的應用價值。