呼和浩特石化公司蒸汽管網優化分析

李海燕

（中國石油天然氣集團公司呼和浩特石化分公司，內蒙古 呼和浩特 010070）

能源是制約我國經濟可持續發展的重要因素，大力推進節能降耗，提高能源利用率是我國目前的首要任務。由于煉化企業在我國的綜合能耗較高，蒸汽又是煉化企業用能的主要形式之一，其在產生、輸送、應用和回收等各環節都存在不同程度的能量浪費，尤其是在輸送環節，由于管線瓶頸帶來的蒸汽降階使用、放空等造成的能量浪費非常驚人，有時甚至影響到裝置的正常生產，所以做好煉化企業的蒸汽輸送環節的優化節能，對我國的節能降耗起到非常重要的作用。

由于蒸汽用途多樣化與不同生產單元對其要求存在差異，為了同時滿足各單元的生產要求，生產管理部門對管網輸送蒸汽的調度要求非常高。呼石化500萬噸/年改擴建項目重新規劃了蒸汽管網系統，該系統的運行狀況直接影響裝置的開工進程，同時也關乎裝置投產后蒸汽管網運行的安全經濟與否。

為了實現500萬噸/年改擴建項目的順利開工和裝置投產后蒸汽管網系統優化運行，利用現有計算機技術結合蒸汽管網現狀，呼石化開發了HSH-PROSS（Hohhot Pipenetwork Rigorous Online Simulation System）蒸汽管網模擬優化系統。該系統通過建立蒸汽管網數學模型，用于計算管網中任意部分的蒸汽壓力、流量、溫度、流速、散熱損失等參數；通過這些參數來判斷、分析管網的熱損狀況和壓損狀況，基于蒸汽管網模型模擬計算提出解決問題的方案，并在施工階段加以整改，從而減少熱損和消除壓力瓶頸，以此達到節能降耗的目的。

1 系統模擬原理與方法

蒸汽管網模擬優化系統集成了基爾霍夫[3]定律、流體力學、熱力學、拓撲學和計算數學等基礎理論科學，根據蒸汽管網模型建立蒸汽管網非線性方程組，采用牛頓-拉夫森法進行求解。

（1）水力學計算：根據能量平衡方程，用流體力學的知識，確定管網結構參數與操作參數的關系，例如，管段長度、粗糙度、管件當量長度等與管段壓降和流量的關系，形成管網水力學模型。

根據伯努利方程可獲得蒸汽在管道中的壓降與流量關系式：

（2）熱力學計算：一段有保溫層的蒸汽圓管的傳熱過程，包括管內蒸汽到管內側壁面傳熱、管內側壁面到管外側壁面導熱、管外側壁面到保溫層內側壁面導熱、保溫層內側壁面到保溫層外側壁面導熱、保溫層外側壁面到環境大氣傳熱等五個環節的傳熱過程，以此求取傳熱系數，根據傳熱系數和管線的散熱面積形成管網散熱模型。

一段有保溫層的蒸汽管道，以外側表面積為基準的傳熱系數k計算公式為：

熱損失Q計算公式為：

（3）基爾霍夫定律：蒸汽網絡與電網絡相似，因此將描述電網絡的基爾霍夫I、II定律應用到蒸汽網絡中。

根據質量守恒定律，對于任意節點都有：根據能量守恒定律，對任意閉合回路，都有：

根據（4）、（5）、（6）建立蒸汽管網非線性方程組，采用牛頓-拉夫森法并根據蒸汽管網的實際情況采用加速收斂技巧和一些邊界條件求解該非線性方程組。

2 系統的應用

基于以上原理與方法，開發了HSHPROSS系統，找出了改擴建項目蒸汽管網設計方案中熱損大和部分管線存在壓力瓶頸等問題，并提出解決方案。

2.1 蒸汽管網熱損偏大影響節能

合理利用能源和節約能源，是全廠工藝及熱力管網總體設計原則之一。全廠工藝及熱力管網隔熱設計規范采用《石油化工設備和管道隔熱技術規范》（SH-3010-2000），該規范中也規定了保溫厚度設計時先用經濟厚度法計算保溫厚度，但散熱損失量不能超過最大允許散熱損失。《設備及管道絕熱效果的測試與評價》（GB/T 8174-2008）是絕熱效果的評價標準，該標準在對保溫效果評價中規定：凡是測試數值超過允許最大散熱損失值時視為不合格，應采用保溫改造等技術措施。

利用模型計算管線的散熱量及熱流密度，對照國標校核保溫設計是否滿足節能要求。散熱評價依據《設備及管道絕熱效果的測試與評價》（GB/T8174-2008），散熱損失計算采用熱平衡法，可以直接利用管網數學模型算出。模擬計算結果見表1。

從表1中可以看出中壓管線除動力站未超標外，其余多數主管線設計熱流均超標，按保溫外表面積加權平均超標8%。蒸汽管網在實際運行的時候，由于保溫施工質量的影響，實際熱流往往超出設計熱流。計算結果表明呼石化蒸汽管線熱流設計值與合格值之比約為1.1，熱流設計值偏大，實際運行時熱流值很可能會更大，對節能工作不利。建議低于現有選厚標準的管線執行現有標準，再連同其它超標管線再加厚20～40mm，同時應加強現場保溫施工管理。

圖1 中壓管網壓力路由圖

圖2 中壓管網改造后壓力路由圖

2.2 中壓管網存在壓力瓶頸

2.2.1 中壓管網壓降太大做功能力損失嚴重

中壓管網從催化過熱汽出口到動力站2#汽輪機入口僅600米，壓降達到0.41MPa，到重整循環氫壓縮機透平入口約500米，壓降也有0.33MPa。中壓管網主要用戶是汽機，壓降太大造成做功能力損失嚴重。

2.2.2 催化和重整透平入口壓差大不能同時最佳運行

如圖1所示，催化富氣壓縮機透平和循環氫壓縮機透平設計值一致，正常運行值3.5MPa，最大值 3.82MPa，最小值3.3MPa；加熱爐過熱出口壓力3.82MPa，富氣壓縮機透平入口壓力3.71MPa，重整的循環氫壓縮機透平入口壓力3.49MPa；富氣壓縮機透平入口壓力偏高，循環氫壓縮機透平正常值運行。

富氣壓縮機透平入口壓力長期高位運行對設備不利，運行時需要降低系統壓力。如果把汽源壓力降0.1MPa，即加熱爐過熱出口降低到3.72MPa，則催化富氣壓縮機透平入口壓力降低到3.61MPa，循環氫壓縮機透平入口壓力降低到3.37MPa。前者壓力接近正常值運行，后者壓力趨近透平壓力的最低值。這樣運行問題就凸顯出來，全廠最重要的兩臺蒸汽透平，不能同時在壓力設計最佳值運行。

2.2.3 原因及優化方案

催化富氣壓縮機透平和重整壓縮機透平設計壓力相同，但卻存在0.22MPa的壓差，所以不能同時運行在設計的最佳值。兩透平存在的壓差有0.16MPa左右產生在催化界區至重整界區段，究其原因是該段DN200管徑偏細。因此要解決透平運行的問題，需要適當增大管徑打通瓶頸，建議管徑增大到DN250。

經過模擬計算，管徑增大到DN250，該段管線壓降降到0.06MPa，兩透平之間的壓差縮小到0.12MPa。此時過熱汽出口降低0.1MPa，運行的壓力路由如圖2示。

結語

借助HSH-PROSS模擬優化系統的模擬方法和模擬原理，依據基爾霍夫定律、流體力學、熱力學和拓撲學建立了HSHPROSS蒸汽管網數學模型，該模型符合蒸汽管網的運行工況，為分析研究蒸汽管網系統并進行優化創造了條件。

呼石化改擴建項目蒸汽管網設計方案的主要問題是熱損大和局部中壓管網有壓力瓶頸，及時在施工中提高保溫厚度和增大問題管線管徑有效解決了上述問題。利用上述信息化系統對設計方案進行校核，及時在施工過程中整改，有力地促進了蒸汽管網系統的優化運行，給企業帶來相當大的經濟效益。

符號說明：Δp-管段中的壓降，單位Pa；G-質量流速，單位 kg/s；λ-摩擦系數，無單位；di-管道內徑，單位m；do-管道外徑，單位m；l-管段長度，單位m；k-傳熱系數，單位w/（m2·K）；Q-熱損失，單位w；A-傳熱面積，單位m2；ΔT-管道內外溫差，單位K；Pa-管段起點壓力，單位Pa；Pb-管段終點壓力，單位Pa。

[1]崔國峰，王培超.蒸汽管網模擬優化技術應用[J].中外能源，2009，14（9）：84-87.

[2]張伯嗣，鐘國晶，王亮.煉油化工企業蒸汽管網的數值模擬及分析[J].石油煉制與化工，2003，34（7）：56-60.

[3]王紀林，周鋼.求解線形方程組的初參數方法[J].上海交通大學學報，1994，28（3）：100-105.