物流管理理论在管道供热系统优化中的应用

朱慧峰

(中国石化上海石油化工股份有限公司公司，上海200540)

物流管理理论在管道供热系统优化中的应用

朱慧峰

(中国石化上海石油化工股份有限公司公司，上海200540)

随着中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)第一联合装置投入生产，其公用工程中的蒸汽系统也并入上海石化的热网系统，对上海石化的热网系统冲击较大，影响热网系统的安全和经济运行。通过引入物流管理供应链体系和供应链结构树状图，全面分析上海石化供热管网系统及其蒸汽输送模式，找出热网系统的薄弱点，提出优化改造的建议和方法，并根据需求预测，提出供热设备事先投运优化法，同时也为上海石化其他长输管线的安全运行分析和管线优化提供参考。

供热物流 供应链体系 回归分析 优化 选址

中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)供热系统是中国最大的的企业热网系统之一，其供热管网大小管道全长近100 km，全系统主要有两家汽源，即上海石化热电部热电二站和烯烃部2#乙烯水汽车间。大小用户共上百家，其中有一定规模的用户二十多家，其低压蒸汽供热总量约1.1 kt/h，中压蒸汽供热总量约275 t/h。在上海石化第一联合装置投入运行前，供应以保证用户安全生产和减少管损为主。第一联合装置主要由催化裂化、渣油加氢、气体分馏、双脱装置、S-Zorb装置、C2回收装置组成，这些装置组合运行后的公用工程特点是正常运行时向外大量输送蒸汽，其中4.2 MPa的蒸汽50 t/h，3.5 MPa中压蒸汽100 t/h，1.6 MPa低压蒸汽65 t/h，蒸汽外送量比第二汽源2#乙烯水汽车间正常状况下多出一倍。事故状态下，则会大量引入蒸汽，因此会出现正常运行时热网系统供热量太多，大口径管道空载的现象；另外，各用户都抢着要热负荷，又造成管道投运速度慢，管道使用超负荷，压力下降，谁也用不上的局面。这种输送方式是最传统的“点到点，线线相互独立”的输送方式，其最好的解决方式就是引入物流管理理念，分析整个热网系统的供应链状况，找出物流系统关键点，进行优化改造；同时建立供应链体系，加强信息化数据采集和管理，增加输送环节的互联互通，对输送的负荷进行规律性统计，达到对系统热负荷在不同阶段下进行超前估算的目的，使系统始终处于安全经济的环境中运行。

1 根据上海石化供热系统及其供热能力现状，建立供热物流供应链体系

1.1 上海石化供热系统供热能力现状

(1)上海石化热电部热电二站

热电二站有6台蒸汽锅炉和6台发电机组。其中1#、2#、3#、4#均为410 t/h蒸发能力的高温高压煤粉炉，配5台热电联供发电机组(0#～4#机)，设计低压供热能力共800 t/h，4#机设计可供中压汽75 t/h；5#A、5#B为高温高压循环流化床锅炉(即CFB锅炉)，锅炉蒸发能力310 t/h，配1台热电联供发电机组5#机，设计低压供热能力150 t/h,中压供热能力100 t/h；6#炉为1台620 t/h循环流化床锅炉，设计低压供热能力150 t/h,中压供热能力100 t/h。还有供低压的1#、2#减温减压器100 t/h，11#减温减压器150 t/h，21#减温减压器200 t/h；供中压的4#、14#减温减压器100 t/h，24#减温减压器150 t/h。

供热管道：13#、14#、15#、16#管、1#煤中管、2#煤中管、3#煤中管。

(2)2#乙烯水汽车间

2#乙烯水汽车间的超高压燃油锅炉设计能力为150 t/h，共两台，由于使用时间较长，设计蒸发量与实际相差较大，基本自用，紧急情况下，余量可外送低压蒸汽约50 t/h，事故状态下，还需要从外网大量引进。

供热管道： 10#管、渣中管、雾化蒸汽管。

(3)炼油部第一联合装置

两台余热锅炉，每台设计蒸发量138 t/h。

供热管道：催中管。

1.2 供热物流供应链体系

供应链是围绕核心企业，通过对信息流、物流、资金流和服务流的控制，将供应商、制造商、分销商、零售商直到最终用户连成一个整体的功能网链式结构模式，上海石化供热物流供应链体系可见图1[1]。

图1 供热物流供应链体系

其中生产部门为热源部门，供应商为公用事业公司，核心部门为生产调度，用户为各个生产部门，用户的装置为各个生产部门的装置。

在供应链管理环境下，企业的采购方式与传统的采购方式有所不同，主要体现在从为库存采购到为订单采购。传统的采购模式是为库存而采购，也就是图1中用户装置需要多少热负荷就要求煤电厂送出多少，整个采购过程缺乏主动性和预见性，其年初制定的采购计划，比如需要多少燃煤、供电与供汽比是多少，什么时候多送，什么时候少送，应该保证多少供热管道的投入运行，很难适应需求的变化。而在供应链管理模式下，热负荷的采购活动是带有预见性的。用户的预见需求驱动采购订单，采购订单再驱动供应商。这种准时化的订单驱动模式，使供应链系统得以及时响应用户的需求，从而降低设备的投运成本，提高物流的速度和库存周转率。

2 第一联合装置对供热物流供需平衡的影响

2.1 建立供应链结构树状图

以第一联合装置低压蒸汽为例，根据图1，低压蒸汽由供应源热电二站的13#、14#管发出，13#、14#管的正常供热量分别为170 t/h和190 t/h，通过供应商管道的数据采集点并进行蒸汽参数的采集汇总，结合各个用户和装置上报的需求点信息，由核心部门生产调度这个分配点向用户和用户的装置进行输送。用户收到管道蒸汽后，根据其实际使用情况，通过信息流向核心部门修正物流输送量偏差，最终达到最佳物流输送效果。根据这个体系建立第一联合装置供应链结构树状图(图2)。

图2 13#、14#管供应链结构树状图

根据图2箭头表示的物流输送方向，第一联合装置的低压蒸汽正常情况下是65 t/h的供应源，箭头表示输送方向为向外送。所以在正常情况下，该结构有两个供应源:一个是热电二站的13#、14#管，另一个是第一联合装置。但在第一联合装置出现故障需要全面停车时，其从供应源立刻转变成用户，箭头转向内，供应源变成一个用户，不但65 t/h外送没有了，反而需要每1 h引进65 t蒸汽。而中压蒸汽的使用也出现了同样的情况。

2.2 根据供应链结构树状图分析产生的问题

(1)由于第一联合装置的公用工程特点是在正常运行时向外大量输送蒸汽，事故状态下，则会大量引入蒸汽。所以在正常情况下，由于供应源的增加，第一联合装置低压蒸汽的外送将压低煤电厂13#、14#管总供热量，会出现正常运行时热网系统供热量太多，用户使用少，大口径管道空载的现象严重，负荷过少导致某些备用管道会被迫停下来。由于石化行业各个装置的运行是连续性的，一套主要装置出问题，其他与其相关的装置会出现联锁反应。所以事故状态下，各个相关装置因为非常态运行，都会抢着要热负荷，又造成短时间内管道使用超负荷，而原先停掉的备用管道投运速度慢，系统压力下降。第一联合装置在物流管理供应链上的地位既是供应商，又是需求方。在物流输送过程中，起着反向增幅作用，即多时更多，少时更少。

(2)从图2可以看出：第一联合装置的低压部分直接连接到了13#、14#管主干上。在联合装置正常运行的时候由于是向外送蒸汽，而事故状态下是大量引进蒸汽，所以其物流在从正常状态向非正常状态的瞬间转换上，走向只能针对13#、14#管。因此造成13#、14#管主管在切换时受到的瞬间冲击较大，热电二站外送的各个低压管道输送流量不均匀，在潮流流向发生突变时容易形成管道死点，引发水冲击。在正常情况下13#管通流量为170 t/h，要比16#管的220 t/h少送了50 t/h。事故状态和极端天气会把这种情况放大，管通流量的偏大或偏小，将造成管道局部的超负荷状态或低流量，这会直接影响管道介质输送的品质和参数，轻则影响管道输送的经济效益，重则危及管道的使用安全。

3 根据蒸汽供应链结构树提出的改进方法

在物流管理中，增加供应链结构树枝，可以实现新的互联互通，有效地改善供应链状况。与此同时我们还要考虑管道优化改造的成本问题，选择改造的管道和改造的位置成为关键。这里还要考虑到选址问题，选址问题一般可以分为这样几类：是寻求可行性成本方案还是寻求最优成本方案、是寻求总成本的最小化还是成本最大值的最小化、是固定权重还是可变权重、是确定性的还是随机性的、被定位设施间有无相互联系、是静态的还是动态的问题。

在这里选择的是可行性和最优性，即首要的目标是得到一个可行的解决方案，一个满足所有约束条件的解决方案。可行方案得到以后，第二个目标是找到一个更好的解决方案就是最优化方案[2]。根据选址问题中的距离计算，从众多管线中选择了既可以改善供应链状况，直线距离又最近的的热电二站的另外两根供热管道15#、16#管的分支8#、9#管进行连接。根据图2，可以建立最终优化后的第一联合装置供应链结构树状图(见图3)。

图3 优化后的第一联合装置供应链结构树状图

在这里同样建立低压蒸汽16#管供应链结构树状图(图4)来反映16#管优化后，第一联合装置在16#管供应链结构树状图中的状况。

图4 优化后的16#管供应链结构树状图

图3和图4中的虚线标注的第一联合装置就是需要改造的地方，在16#管的分支9#管上添加了第一联合装置，这样做的好处有：

(1)在日常运行时，16#管的负荷原先就比13#管大，可以将多余的输送能力通过9#管向下游装置输送，从而降低了16#管的总输送量，对各个低压管蒸汽管的均衡输送有利；

(2)在事故状态下，第一联合装置需要大量引进蒸汽，13#、14#管也因为其他用户的大量引进导致输送量不够，系统管道处于超负荷状态，而有了这个分支，就可以通过9#管向16#管进行有效的补充；

(3)由于需要添加的树枝加在16#管的分支9#管上，可以避免第一联合装置的外送或引进瞬间转换直接对16#管主干造成冲击，从地理选址上看9#管也比16#管更近。

同样道理，也可以通过添加分支的方法，对15#管进行改造，把第一联合装置分接到15#管的分支8#管上，实现更加有效的互联互通。对于中压蒸汽来说，这种供应链结构图的方法也能够实现系统的优化改造。

4 经济效益和安全性分析

根据以上提出的改造方法，在管道投入运行后可以让第一联合装置有更多的蒸汽输送方式。可以让13#管和9#管根据总管管道的流量和实际运行状况组合使用，也可以14#管配9#管、13#管配8#管等等。因而在出现突发事故情况下，选择余地多了，系统也就更加安全，运行也更加可靠。同样，第一联合装置能够实现热负荷的有效使用，也体现在经济效益上。在改造前，如果因为担心第一联合装置事故状态要大量使用蒸汽，而不得不使得管道长期处于备用状态，造成大量浪费。在系统优化后，可以使用物流管理的回归分析法预测，就是通过物流信息对将来的供热系统的流量大小进行预测，当以时间为变量时，用多项式或指数函数模型来拟合过去的物流信息，从而对未来的物流进行预测[3]。判断哪个时间段最容易出现事故状态或非常态下的输送，那么可以在这个时间段之前，预先投入更多的管道设备，确保供热系统的安全运行。而在更加安全的时间段，则相应停掉多余的管道设备，提高供热系统运行的经济效益。另外，对于实行改造的费用来说，由于8#、9#管选址相比较其他管道位置近，所以改造费用比较低。

5 结语

通过物流管理来诠释设计蒸汽管网的应用有着成熟的理论基础，如何进行改造和优化是一种全新的尝试，对于第一联合装置的蒸汽系统来说，这种分析改造是非常有效的和可行的。在中国，物流管理这门学科大量被用于汽车、飞机、火车、轮船、快递等运输行业，但在管道的物流输送方面应用很少。在石油化工行业，大量的物料如蒸汽、乙烯、航空煤油、柴油、天然气等需要长距离管道输送，通过引入物流管理学科进行管理优化，不但使得这些高压、易燃易爆的管道系统的输送更加安全，更加经济，同时可以对未来物流信息进行预判，也为其他类似的长距离管道输送系统的运行改造提供借鉴。

[1] 刁柏青，李学军，王建.物流与供应链系统规划与设计[M]. 北京：清华大学出版社，2003:8.

[2] 蔡临宁.物流系统规划——建模及实例分析 [M]. 北京：机械工业出版社，2003:27.

[3] 宋伟刚.物流工程及其应用[M]. 北京：机械工业出版社， 2003:221.

Application of Logistics Management in Optimization of Pipeline Heating Systems

Zhu Huifeng

(SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

With the first united unit of SINOPEC Shanghai Petrochemical Co., Ltd. (the “SPC”) putting into normal production, its steam system was also incorporated into the heating network system of SPC, which exerted high effect on the safe and economic operation of the heating network system. By introducing the logistics supply chain management system, with the supply chain structure dendrogram analysis, the heating network system and steam delivery mode in SPC were comprehensively analyzed, to identify weak points of the first united unit for heating network system, so as toraise proposals on optimization transformation. It also provides reference for the safe operation analysis and pipeline optimization of other long-distance pipelines of SPC.

heating logistics, supply chain system, regression analysis,optimization, address selection

2015-11-02。

朱慧峰，男，1969年出生，1989年毕业于上海石油化工中等专科学校，2008年毕业于同济大学物流管理专业，工程师，长期从事热力调度工作。

1674-1099 (2015)06-0037-04

TQ083+.3

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