管网模拟技术在蒸汽系统优化上的应用

李涛

（中国石油化工股份有限公司天津分公司化工部，天津 300271）

1 前言

蒸汽在石化企业中被广泛应用，是主要的能源和辅助工艺物流。随着企业生产规模的扩大，蒸汽系统的规模也日趋庞大、复杂，造成蒸汽管网和用户之间存在许多不合理的用能状况，如蒸汽降质使用、蒸汽热损失大、放空现象等，造成能源的极大浪费。

随着计算机和信息技术的广泛应用，利用IT技术建立具有智能化的蒸汽模拟与实时监测系统（简称PROSS系统），使生产管理人员能够及时监控蒸汽管网的运行工状，对蒸汽生产、输送和使用进行全过程分析，找出现有管网系统存在的不足，提出有针对性的系统优化方案，提高蒸汽利用水平，从而达到节能降耗的目的。

2 PROSS系统的结构及原理：

管网模拟与实时监控系统，简称PROSS系统，主要由管网系统、DCS数据采集系统、实时数据库系统、模拟系统和监测系统等五部分组成。其中模拟系统是PROSS系统的核心，模拟原理是根据蒸汽管网中各管线与各节点间的关系以及蒸汽的流向，应用拓扑学原理自动识别管网结构，建立管网数学模型；通过基尔霍夫定律、水力学和传热学方法建立非线性联立方程组，解算出作为方程应变量的管网中所有参数。

PROSS系统是集计算机技术、信息技术、工程热力学、化学工程、拓扑学、计算数学等为一体的工程设计软件，能够对大型复杂管网进行运行分析，模拟计算出不同操作参数条件下的工况，同时采用装置因子进行“修正”，提高了数学模型与实际蒸汽系统的吻合度。

3 蒸汽管网的现状及分析

天津分公司的蒸汽管网包括12MPa、3.5MPa、1.8MPa、1.0MPa四个等级，承担天津石化五个作业部（热电部、炼油部、烯烃部、化工部以及动力部）和中沙石化（合资）的蒸汽供应。蒸汽全部由热电部锅炉产生，通过管网输送到各用户，其中3.5MPa、1.8MPa和1.0MPa是主要的蒸汽管网。

3.1 蒸汽管网的负荷平衡

由天津分公司3.5MPa、1.8MPa和1.0MPa蒸汽管网平衡数据作出夏季和冬季的蒸汽流量平衡表，分别见表-1和表-2。

根据天津分公司蒸汽管网流程和结构参数，开发了天津分公司蒸汽管网数学模型，建立蒸汽管网智能监测系统（简称TJ-PROSS）。通过对蒸汽管网运行工况进行模拟，对管网运行状况做出评估；提出管网结构优化的方案；分析热损状况，提出节能降耗措施。

3.2 存在问题及优化方案

根据表1和表2的统计数据，利用PROSS软件进行模拟计算，通过分析后发现目前天津公司的蒸汽管网运行存在以下几方面的问题。

3.2.1 热电部1.8MPa管网蒸汽流速过低，蒸汽的损耗较大。

热电部1.8MPa蒸汽是由3.5MPa蒸汽减温减压后外送，母管管径分别为DN400和DN350。近年来由于公司装置更新，目前仅化工部芳烃装置和溶剂油装置使用该等级蒸汽，流量为20～35t/h，蒸汽平均流速仅为5m/s，远低于20～30m/s的蒸汽经济流速，且管网运行时间较长，表面的散热损失较大。

为了降低1.8MPa蒸汽管线的损失，可以取消由热电部到化工部的1.8MPa蒸汽管线，改由3.5MPa和1.0MPa蒸汽通过汽汽射流混合器产生1.8MPa蒸汽，其中1.0MPa蒸汽可利用化工老区现有的1.0MPa低压蒸汽，3.5MPa蒸汽由炼油新区的DN600中压蒸汽管网提供，接出管径为DN200。

通过PROSS软件进行模拟计算，炼油新区3.5MPa蒸汽正常流量为240～300t/h，流速为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，压力仅下降 0.08MPa，对炼油新区的蒸汽使用影响很小；而目前化工老区1.0MPa蒸汽量仅为3t/h，输送管径为DN350，当汽汽射流器产生1.8MPa蒸汽量为20～35t/h时，1.0MPa蒸汽用量为5～9t/h，老区1.0MPa蒸汽流量将提高到8～12t/h，流速达到4.9～8.7m/s，能够有效的降低凝结水量，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 冬季炼油部3.5MPa中压蒸汽减温减压量较大

通过蒸汽平衡表可知，冬季炼油部1.0MPa蒸汽用量比夏季增加207t/h，而目前热电部向炼油部的1.0MPa蒸汽输送量为40t/h，冬季炼油新区自产1.0MPa蒸汽量约70t/h，因此炼油部低压蒸汽的缺口有100t/h，目前这部缺口只能由3.5MPa蒸汽减温减压供给。

由于炼油部3.5MPa蒸汽用量增加，造成蒸汽的流速升高，管道的阻力损失增加，使炼油部3.5MPa蒸汽压力降低，造成汽轮机的做功能力下降。针对冬季炼油部存在情况，应用PROSS软件对天津石化蒸汽管网进行分析，提出了冬季增加炼油部低压蒸汽的优化方案。

①利用热电部为中沙石化输送1.0MPa蒸汽的备用DN600管线，向炼油部输送蒸汽。

②利用化工部原原1.8MPa管线向炼油部输送1.0MPa蒸汽。

③热电部利用化工老区的1.0MPa蒸汽管线向炼油部输送蒸汽。

模拟计算可得，DN600管线可给炼油部供低压蒸汽49t/h，原1.8MPa蒸汽线可供低压蒸汽33t/h，化工老区1.0MPa蒸汽管线可25t/h，总量共107t/h，基本可以满足炼油部冬季低压蒸汽的需求，炼油部原减温减压器保持备用状态运行。

3.2.3 夏季炼油部低压1.0MPa蒸汽过剩利用不合理

夏季炼油新区自产1.0MPa蒸汽总量为110t/h，而自用求量为70t/h，因此1.0MPa蒸汽过剩量为40t/h。目前这部分蒸汽通过管线供给中沙石化。由于中沙石化1.0MPa蒸汽管网压力较高，因此炼油新区蒸汽过剩量需要增压才能并入中沙石化低压管网。

PROSS计算结果表明，当热电部汽轮机低压蒸汽出口压力为1.05MPa，中沙石化低压蒸汽压力为1.08MPa，而炼油新区低压蒸汽并入中沙石化时，汽轮机出口压力必须达到1.10MPa。因此炼油新区供汽量越多，热电部相应供的越少，中沙石化的管网压力也越高，炼油新区供汽的压力也越高。随着炼油新区低压蒸汽压力升高，导致汽轮机的效率降低，3.5MPa中压蒸汽消耗量增加，造成低压蒸汽过剩更多，形成恶性循环。

因此优化方案是炼油新区过剩量蒸汽停供给中沙石化，而是供给对蒸汽要求较低的化工老区、动力部、行政区、化工冷冻站等用汽点。

4 优化效益分析

4.1 取消热电部1.8MPa蒸汽管线

取消1.8MPa管线，减少直接散热损失4.93GJ/h，相当于产生2.4t/h蒸汽的热量。同时减少冷凝水0.45t/h。考虑疏水损失等因素，可以至少节约蒸汽3t/h，全年按8700小时，中压蒸汽170元/吨计，可以节约蒸汽2.61万吨/年经济效益443万元/年。

4.2 冬季蒸汽管网优化

（1）热电部减少对炼油部的中压蒸汽量100t/h，多供低压蒸汽100t/h，可以增加发电功率4800KW，按冬季工况120天，每度电按0.556元计算，可多发电1382万度电，效益769万元/年。

（2）炼油部中压蒸汽压力提高0.1MPa，汽轮机功率平均增加3%。以汽轮机蒸汽用量122t/h计算，可节约中压蒸汽4.88t/h。按冬季工况120天，中压蒸汽170元/吨计算，可节约蒸汽1.41万吨，经济效益239万元/年。

4.3 夏季蒸汽管网优化

经模拟计算，由于炼油新区的过剩蒸汽停送中沙石化，炼油低压蒸汽系统压力降低0.1MPa，中压蒸汽系统压力提高了0.04MPa，汽轮机的透平效率增加3.3%，可以节省中压蒸汽的量9.3t/h。每年夏季按6个月，中压蒸汽按170元/吨计算，可以节省中压蒸汽大4万吨/年，，经济效益为683万元。

5 应用效果总结

天津分公司利用PROSS软件，开发了蒸汽管网的数学模型，建立蒸汽管网智能监测（PROSS）系统，并形成了蒸汽管网的电子档案数据库。通过PROSS对蒸汽管网进行离线模拟分析，找出了瓶颈管段，提出管网结构优化的方案，全部实施后年经济效益可达到2134万元。因此PROSS是在蒸汽管网模拟优化方面具有广泛的应用价值。