典型煤化工企業(yè)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)全局模擬優(yōu)化

王立東

（中國石油化工股份有限公司，北京 100728）

蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)作為石化行業(yè)裝置主要用能部分，在能耗中的權(quán)重僅次于燃料消耗，在成本構(gòu)成中占了相當(dāng)大的比例[1]。化工企業(yè)的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)十分復(fù)雜，如何使蒸汽設(shè)備的運(yùn)行狀況達(dá)到最優(yōu)，合理的產(chǎn)汽、輸汽、用汽是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的重要途徑之一[2]。蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的綜合最優(yōu)問題可以表述如下：大型石油化工廠需要一定數(shù)量的驅(qū)動(dòng)機(jī)、泵等設(shè)備的動(dòng)力，高、中、低壓蒸汽，脫氧水以及冷卻水等，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足上述要求的前提下確定系統(tǒng)的流程和操作條件使系統(tǒng)總費(fèi)用最小[3]。目前，煉化企業(yè)正在逐步開展蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)模擬優(yōu)化工作，蘇華[2]等開發(fā)了YS-PROSS系統(tǒng)對(duì)燕山石化蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行模擬優(yōu)化，提出局部管網(wǎng)改造等優(yōu)化建議，消除了蒸汽管網(wǎng)瓶頸，減少了全廠減溫減壓量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)石化企業(yè)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)普遍存在的能耗大、運(yùn)行不合理、存在瓶頸等問題，文章從某廠全局角度出發(fā)綜合產(chǎn)、輸、用三個(gè)環(huán)節(jié)，結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況和發(fā)展規(guī)劃，建立同實(shí)際生產(chǎn)過程相符合的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)模擬與優(yōu)化模型，以蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)操作成本最小化為目標(biāo)，提出切實(shí)可行的優(yōu)化方案，降低蒸汽能耗、提高企業(yè)蒸汽的利用效率，幫助企業(yè)節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 蒸汽系統(tǒng)概況

全廠分為老區(qū)和新區(qū)，新區(qū)蒸汽管網(wǎng)包括10.0 MPa、4.0 MPa、1.8 MPa、1.2 MPa、0.6 MPa和0.1 MPa，老區(qū)蒸汽管網(wǎng)包括10.0 MPa、5.4 MPa、4.0 MPa和0.6 MPa。動(dòng)力廠現(xiàn)有2臺(tái)240 t/h鍋爐和1臺(tái)220 t/h鍋爐，2臺(tái)額定功率為25 MW的汽輪機(jī)。動(dòng)力廠為全廠提供10.0 MPa、4.0 MPa和0.6 MPa三個(gè)等級(jí)的蒸汽。目前全廠蒸汽基本平衡，偶有低壓蒸汽放空現(xiàn)象。

2 全廠蒸汽系統(tǒng)模型建立及確認(rèn)

2.1 全廠蒸汽系統(tǒng)模型的建立

蒸汽管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型是集成管網(wǎng)傳熱學(xué)、水力學(xué)、拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的計(jì)算模型，并通過數(shù)值求解方法對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行整體求解[4-5]。蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)模擬軟件中涵蓋鍋爐、汽輪機(jī)、除氧器、減溫減壓器、高低加、蒸汽管網(wǎng)、工藝透平、加熱器、余熱鍋爐等蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備，可以建立完整的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)模型，涵蓋蒸汽產(chǎn)、輸、用各個(gè)環(huán)節(jié)。在收集企業(yè)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了全廠蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 全廠蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)模型

2.2 蒸汽管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型確認(rèn)

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)高壓和中壓蒸汽管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行確認(rèn)，校正后的溫度和壓力計(jì)算值與測量值對(duì)比見表1、2。

由表1，2可知，校正后的模型溫度和壓力計(jì)算值與測量值的偏差都在±3%之內(nèi)，說明軟件的水力學(xué)和熱力學(xué)計(jì)算方法可靠。

3 蒸汽管網(wǎng)保溫評(píng)價(jià)及節(jié)能潛力分析

3.1 保溫評(píng)價(jià)依據(jù)與方法

管線保溫的評(píng)價(jià)依據(jù)GB/T 8174—2008《設(shè)備及管道絕熱效果的測試與評(píng)價(jià)》。管線散熱損失是指管線外表面（如有保溫，則指保溫外表面）向周圍環(huán)境散失的熱量，單位面積的管線散熱損失稱之為熱流密度。文章采用表面散熱損失測試法來對(duì)保溫進(jìn)行評(píng)價(jià)。為評(píng)價(jià)管線保溫，將熱流密度分為實(shí)際熱流密度、設(shè)計(jì)熱流密度和合格熱流密度三類，指GB/T 8174—2008中規(guī)定的不同溫度下管線的允許散熱損失。該標(biāo)準(zhǔn)中“常年運(yùn)行工況允許最大熱損失表”中的數(shù)據(jù)，經(jīng)插值法處理，得出如表3所示的合格熱流密度。當(dāng)管線的實(shí)際熱流密度低于相應(yīng)的合格熱流密度時(shí)，即認(rèn)為該管線的保溫合格，反之不合格。

表1 高壓各測點(diǎn)的計(jì)算值與測量值對(duì)比

表2 中壓各測點(diǎn)的計(jì)算值與測量值對(duì)比

表3 常年運(yùn)行工況散熱合格熱流密度

3.2 問題管線保溫評(píng)價(jià)及節(jié)能潛力分析

在冶金及化工等行業(yè)，大量的熱能通過蒸汽管道輸送。對(duì)熱力管道進(jìn)行良好的保溫，減少散熱損失，是提高化工廠經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑[6]。通過對(duì)比國家標(biāo)準(zhǔn)給出的合格熱流密度與實(shí)際管線的熱流密度可以對(duì)管線保溫效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。在傳統(tǒng)的操作過程中，需要對(duì)管線保溫外表面熱流密度進(jìn)行測量，然而測量熱流密度的儀器設(shè)備昂貴，且部分管道處在較高的位置，測量難度大。使用蒸汽系統(tǒng)模擬軟件，實(shí)現(xiàn)全廠蒸汽管網(wǎng)的模擬，模擬結(jié)果可以直接得到各條管道保溫外表面的熱流密度。這種方法可以簡單方便的對(duì)管網(wǎng)保溫進(jìn)行評(píng)價(jià)，并尋找節(jié)能機(jī)會(huì)。經(jīng)過模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，全廠有4條蒸汽管線蒸汽熱流密度較高，超過了國家標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

表4 蒸汽管線保溫評(píng)價(jià)

由表4可知，4條管線實(shí)際熱流密度均超過合格熱流密度，造成散熱量大、蒸汽溫降大等問題，說明這些蒸汽管線保溫效果較差。對(duì)這4條管線進(jìn)行節(jié)能潛力分析計(jì)算，結(jié)果如表5所示，這里定義蒸汽管網(wǎng)的實(shí)際散熱量與設(shè)計(jì)散熱量的差值為節(jié)能潛力。假設(shè)一年開工時(shí)間為5 000 h，折合蒸汽按照10.0 MPa，480℃計(jì)算，經(jīng)過保溫改造，每年可為企業(yè)節(jié)省品質(zhì)為10.0 MPa，480℃的高壓蒸汽2.4萬t。

表5 節(jié)能潛力分析

4 全廠蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化

由于蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多樣性，蒸汽熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算關(guān)系的復(fù)雜性以及工況的多樣性，系統(tǒng)的優(yōu)化十分復(fù)雜[3]。從煉廠全局角度出發(fā)，綜合考慮蒸汽產(chǎn)、輸、用三個(gè)環(huán)節(jié)，搭建動(dòng)力站和蒸汽管網(wǎng)模型，獲得全廠蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行情況，對(duì)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析，找到存在的問題和瓶頸。

4.1 提高主汽溫度

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前3臺(tái)鍋爐的主蒸汽溫度分別為517.2℃、518.5℃和517.1℃，進(jìn)入1#汽輪機(jī)的溫度為512.7℃。鍋爐主蒸汽溫度設(shè)計(jì)值為540℃。而同類熱電廠主蒸汽溫度一般可以達(dá)到535℃。根據(jù)朗肯循環(huán)效率，主蒸汽溫度越高，熱電廠效率越高，在同樣蒸發(fā)量時(shí)，發(fā)電量也越大。而主蒸汽溫度過低，壓力和凝結(jié)真空不變時(shí)，主蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的總焓降減少，若要維持額定負(fù)荷，必須增加主蒸汽的進(jìn)汽量。一般來講，機(jī)組主蒸汽溫度每降低10℃，汽耗量要增加1.3%～1.5%。

建議對(duì)1#鍋爐過熱器進(jìn)行改造，在保證鍋爐、汽機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，提高主蒸汽溫度。當(dāng)前工況如圖2所示，優(yōu)化后工況如圖3所示。通過模擬可知，提高主汽溫度到535℃后，在保證蒸汽用戶要求的前提下，可增加發(fā)電量1 600 kW，同時(shí)耗煤總量需增加1.2 t/h。總體來講，按照年運(yùn)行5 000 h、電價(jià)0.587元計(jì)算，全年可獲得經(jīng)濟(jì)效益148萬元。

圖2 主汽溫度518℃時(shí)機(jī)組及管網(wǎng)運(yùn)行情況

圖3 主汽溫度提高至535℃后機(jī)組及管網(wǎng)運(yùn)行情況

4.2 提高鍋爐給水溫度

目前3臺(tái)鍋爐給水溫度分別為188.0℃、186.5℃和189.4℃。鍋爐給水設(shè)計(jì)溫度為210℃，運(yùn)行溫度明顯低于設(shè)計(jì)溫度，從而增加了鍋爐煤耗及冷源損失。

提高1#汽輪機(jī)高加抽汽量，加熱鍋爐給水，提高給水溫度。設(shè)定增加二級(jí)、三級(jí)抽汽量各4 t/h，通過模型計(jì)算鍋爐給水溫度將提高7℃，達(dá)到195～197℃。減少耗煤量0.86 t/h，同時(shí)減少冷源損失，進(jìn)入凝汽器蒸汽量減少8 t/h，按照循環(huán)倍率40計(jì)算，則減少循環(huán)水320 t/h。但汽輪機(jī)發(fā)電量減少約756 kW。核算結(jié)果顯示效益約為170元/h，按照年運(yùn)行5 000 h計(jì)算，全年效益85萬元。該優(yōu)化方案為操作優(yōu)化，無需投資。

4.3 減少乙二醇裝置 10 MPa 減 4 MPa 減溫減壓量

乙二醇裝置約有23 t/h高溫高壓蒸汽減溫減壓至4.0 MPa、385℃，造成能量損失約1 400 kW。蒸汽的減溫減壓會(huì)造成蒸汽品質(zhì)的下降和浪費(fèi)，因此應(yīng)盡量減少減溫減壓的發(fā)生[7]。為了保證裝置運(yùn)行、同時(shí)減少能量損失，建議減少乙二醇高壓減中壓減溫減壓流量，在該減溫減壓器處設(shè)置小副線，保證減溫減壓器處于熱備狀態(tài)，減少減溫減壓能量損失。高/中壓管網(wǎng)優(yōu)化前后蒸汽參數(shù)對(duì)比見表6、7。

表6 高壓管網(wǎng)優(yōu)化前后蒸汽參數(shù)對(duì)比

表7 中壓管網(wǎng)優(yōu)化前后蒸汽參數(shù)對(duì)比

優(yōu)化后在保證乙二醇4.0 MPa等級(jí)蒸汽供入總量不變的情況下，減少從10.0 MPa蒸汽減溫減壓到4.0 MPa的量，從汽輪機(jī)中壓抽汽供應(yīng)4.0 MPa蒸汽，可以多發(fā)電900 kW，按照0.587元/（kW·h）、全年正常開工5 000 h計(jì)算，年效益約為260萬元。該方案為運(yùn)行優(yōu)化方案，無需投資。

同時(shí)，考察優(yōu)化后對(duì)蒸汽管網(wǎng)的影響。對(duì)于高壓管網(wǎng)，如表6所示，優(yōu)化前該條管道通過蒸汽流量195 t/h，流速為32.9 m/s，一般認(rèn)為蒸汽管道的經(jīng)濟(jì)流速為15～30 m/s，說明流速偏大，造成壓降較大，為640 kPa。優(yōu)化后，該條管道流量為172 t/h，流速為28.7 m/s，在合理的范圍內(nèi)，壓降為590 kPa。對(duì)于中壓管網(wǎng)，如表7所示，優(yōu)化前該條管道流量為56.8 t/h，流速為6.71 m/s，流速較慢，造成溫降較大，為17.2℃。優(yōu)化后，該條管道流量為80.0 t/h，流速為9.51 m/s，溫降為12.6℃。綜上所述，關(guān)閉該減溫減壓器有利于蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行。

4.4 減少乙二醇 4 MPa 減 1.8 MPa 減溫減壓蒸汽量

乙二醇裝置內(nèi)部存在大量減溫減壓的現(xiàn)象，造成能量浪費(fèi)。在保證一定減溫減壓量，滿足設(shè)備對(duì)各等級(jí)蒸汽需求的前提下，應(yīng)盡量減少減溫減壓量。

通過模型核算減小4 MPa蒸汽減1.8 MPa蒸汽量8 t/h，可直接減少10 MPa減4.0 MPa蒸汽量8 t/h。可以增加汽輪機(jī)發(fā)電量900 kW，年效益約為260萬元。同時(shí)建議增加計(jì)量儀表，確保裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.5 取消合成氨外送小用戶

從合成氨裝置外送飼料廠0.6 MPa低壓蒸汽約0.2 t/h，管道長、流量小、間接使用，容易產(chǎn)生凝水，帶來安全風(fēng)險(xiǎn)及能量浪費(fèi)。經(jīng)過模型核算，當(dāng)流量為0.2 t/h時(shí)，凝水量為185 kg/h，按照一年運(yùn)行5 000 h計(jì)算，經(jīng)濟(jì)損失10萬元/年。建議飼料廠采用電加熱代替原來蒸汽，關(guān)停此段蒸汽管線，減少低壓蒸汽損失。

5 結(jié)論

石化行業(yè)作為典型的高能耗產(chǎn)業(yè)，如何通過改進(jìn)設(shè)備和操作工藝來降低生產(chǎn)成本和環(huán)境成本，提高綜合效益，一直都是該行業(yè)的一個(gè)重要課題[8]。針對(duì)某化工廠蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)用能瓶頸，從全廠蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)全局角度出發(fā)，對(duì)全廠蒸汽產(chǎn)、輸、用三環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，對(duì)溫降較大的蒸汽管線進(jìn)行了保溫評(píng)價(jià)及節(jié)能潛力分析，發(fā)現(xiàn)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行及操作中存在的問題，提出了管線保溫改造、主蒸汽提溫、鍋爐給水提溫、減溫減壓優(yōu)化等優(yōu)化方案。經(jīng)過模擬核算，優(yōu)化后可顯著降低企業(yè)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)能耗，可為企業(yè)帶來效益近千萬元。