天然气净化厂蒸汽建模和节能优化

王和琴，周玉超，王拥军，何伟，张高博

（1.中原油田普光分公司，四川达州635002；2.上海慧得节能科技有限公司，上海201206）

天然气净化厂蒸汽建模和节能优化

王和琴1，周玉超1，王拥军1，何伟1，张高博2

（1.中原油田普光分公司，四川达州635002；2.上海慧得节能科技有限公司，上海201206）

提出了一种基于工艺过程产汽机理的蒸汽系统建模和优化的方法。该方法首先是构建各单元设备与装置加工量相关联的产汽和用汽模型，然后编制动力锅炉产汽量预测模型，最后编制汽驱单元回收蒸汽压力能的优化模型。这些模型组合起来可以用于预测天然气净化厂原料气量变化时的蒸汽产量和消耗量，并自动给出节能方案。这些模型的基础数据从实时数据库自动获取，无需人工输入。在天然气净化厂应用结果表明，该方法预测的蒸汽流量误差在3%以内。该方法可以推广应用于其它化工企业。

天然气；净化厂；蒸汽；节能；建模；优化

天然气净化厂的装置部分由脱硫、溶剂再生、硫磺等单元组成，公用工程部分由动力锅炉、除盐水站、循环水场和空分空压等构成。净化厂生产操作过程中，全场蒸汽有两个效益损失点：一是原料气出现大的波动造成燃料损失；另一是日常运行过程中的减温减压，导致压力能损失。

解决这些问题，首先需要建立全厂的蒸汽动力模型，该模型包括产汽量和用汽量的预测，采用其可以预测任意加工量时的全厂蒸汽的产量和用量。然后根据现场需要建立优化模型，依据蒸汽平衡自动给出压力能回收的方案，实现效益最大化。

国外对于蒸汽建模方面已经有研究，Jones等[1]通过建立压缩机模型和泵的模型可以使整个蒸汽系统提升效益。国内对于机理模型建模鲜有研究。孙丽芳等[2]认为机理模型比较复杂，通过历史数据回归建模的方式实现了蒸汽产量计算应用于自动控制系统。李瑜等[3]对蒸汽管网进行建模，并采用了黄金分割法进行优化，解决管网的经济保温厚度和投资最优的问题。杨丽芳[4]开发出蒸汽管网模拟优化软件系统解决了炼油化工一体化企业蒸汽管网系统压力不匹配及局部管段存在的压阻瓶颈的问题。优化后，1.0MPa蒸汽用量可降低4.75万t/a，发电量可增加23.2GW·h/a。

张湘江[5]运用概念和层次分析法对煤化工系统蒸汽进行优化，产生了显著的节能效果；崔吉宏[6]对普光天然气净化厂的蒸汽管网系统在投产阶段和净化装置不同负荷下的蒸汽平衡现状进行了分析，没有采用机理建模的方法，定性地提出了节约蒸汽的改进措施。韩轶飞[7]针对烯烃厂蒸汽系统情况进行定性，提出了改进措施，并定量计算出经济效益；

文献研究发现国内外已经开展了这方面的研究，但仅仅对透平等个别设备进行机理建模，缺少反应器和分馏塔等复杂设备的建模。国内对机理建模研究较少，大多停留在定性分析和历史数据回归建模方面，这些方法对于变动较大的工况很难快速和准确地实时预估和优化。因此，从机理出发，准确计算出每一个产汽点和用汽的流量，就可以比较准确地计算出全厂产汽量和用汽量的变化，从而推算出动力锅炉的产汽负荷，然后调用优化模型，实现蒸汽压力能的优化，实现天然气净化厂的蒸汽节能。

本文从模型构建和优化计算等方面开展研究，提出适用于天然气净化厂的一种机理建模和优化方法，并以某天然气净化厂的应用实例进行验证。

1 问题分析

天然气净化厂在蒸汽平衡方面主要存在两个问题：

(1)原料气量波动期间动力炉的产汽量问题。在生产过程中，由于种种原因，输送到天然气净化厂的原料气量会降低20%左右，克劳斯炉的产汽量相应下降，届时需要增大动力炉的产汽量，以保证正常生产。目前采用经验法估算动力锅炉的产汽量，为了确保供汽安全，往往留出较大的余量，造成了不必要的浪费。

(2)汽驱开停问题。由于蒸汽动力系统是一个动态过程，减温减压流量也会发生变化，操作员难以及时预测到减温减压流量的变化，因此往往造成开启蒸汽轮机驱动泵（简称“汽驱”）不及时，继续运行电泵，使蒸汽的压力能没有通过汽驱回收利用，而是通过减温减压造成浪费。

解决上述两个问题分为三步：第一步是构建各产汽和用汽点的机理模型，计算出各用汽点和产汽点的蒸汽流量；第二步是通过蒸汽平衡计算出动力锅炉产汽量和减温减压流量；第三步是根据减温减压器流量和汽驱当前的开停状态求出在减温减压流量最小的条件下的最优开停组合。

另外需要满足以下条件：(1)单体设备的机理模型要体现出工艺参数的变化对蒸汽流量的影响；(2)动力锅炉有最低的产汽量限制；(3)汽驱优化模型需要考虑现有汽驱的开停状态，尽量降低操作难度。

2 计算原理

2.1 基本原理

图1 计算原理框图Fig.1 Calculation principle block diagram

采用机理模型法，编制每个产汽和用汽单元的蒸汽模型，然后编制优化模块计算出全厂的蒸汽平衡，最后进行优化，提出操作建议，计算原理见图1。

对于不同类型的设备需要采用不同的方法，总体上分为2类。一是严格机理法，用于以下设备：克劳斯炉产汽、尾气锅炉产汽、一反预热、二反预热、一级硫冷凝器、二级硫冷凝器、加氢尾气冷却器、除氧器、管道散热和汽驱等。二是经验机理法，用于以下设备：溶剂再生塔、TEG脱水塔和管道伴热等。

2.2 克劳斯炉模型

克劳斯炉是提供H2S和O2反应过程的场所，该反应产生3.5MPa的蒸汽，是装置产汽的主要部分。产汽量与原料气量的波动基本上成正比。采用动力学方程，根据装置工艺流程构建装置的反应热与产汽量的平衡模型，就可以通过原料气的流量和组成成分计算出克劳斯炉反应过程中的放热量，进而计算出中压蒸汽产量。该模型也要同时考虑设备的散热和除氧水的预热温度等因素对产汽量造成的影响。克劳斯炉的反应分为两个阶段：

第一阶段是1/3的H2S氧化为SO2的自由火焰氧化反应（高温放热反应或燃烧反应）：

第二阶段是余下的2/3的H2S在催化剂上与反应炉中生成的SO2反应（中等放热的催化反应）：

反应炉中生成的硫蒸汽主要由S2组成，随温度降低将发生分子构型转化：

通过发生蒸汽从克劳斯炉中移除的热量见式（6）：

蒸汽产量见式（7）：

式中：Q-克劳斯炉过剩热，kW；Q1-反应热，kW；Q2-空气升温热，kW；Q3-燃料升温热，kW；Q4-尾气降温热，kW；Q5-设备散热，kW；F-蒸汽产量，t/h；Hs-单位蒸汽的焓值，kW/t。

2.3 尾气炉

尾气炉的尾气来自克劳斯炉，大部分放热量来自硫磺尾气的潜热。为了保证尾气中的O2能够达标，需要补入燃料气，也会放出一部分热量。由于计算潜热需要已知尾气流量，而要得到尾气流量就需要得到尾气中的燃料量，因此需要在给定的过剩空气系数的条件下使用迭代法进行计算。迭代法分为3个步骤：(1)假定烟气组成和流量计算尾气潜热；(2)计算燃料补入量；(3)循环迭代直到尾气升温热等于燃料放热量为止。

通过发生蒸汽从克劳斯炉中移除的热量和蒸汽产量见式（8）和（9）：

式中：Qt-尾气炉放热，kW；i-气体组分编号（1-N2，2-CO2，3-SO2，4-H2O）；Cpi-气体组分的比热容，kJ/ (kg·℃)；Fi-气体组分的流量，kg/h；Tin-尾气炉入口温度，℃；Tout-尾气炉出口温度，℃；Fs-尾气炉蒸汽产量，t/h；Hs-蒸汽焓值，kJ/kg。

该模型也要同时考虑设备的散热和除氧水的预热温度等因素对产汽量造成的影响。

2.4 减温减压器计算

蒸汽在减温减压过程中需要注入除氧水，注入的这部分水变成了蒸汽，使得蒸汽产量增加。蒸汽如果通过汽驱做功后，尽管温度和压力都有降低，但其流量并不会增加。因此，通过设置减温减压计算模块，可以计算出注入的水量，从而用于汽驱开停优化模块，计算出使用汽驱和减温减压时的低压蒸汽产量。已知蒸汽绝对压力p/MPa时，求饱和温度T/℃、饱和态焓值H/kJ·kg-1和汽化潜热qv/kJ·kg-1的回归公式见式（10）～（12）：

以上公式是从饱和蒸汽表中摘录数据拟合而得，适用范围：压力0～9.9MPa，温度0～600℃，误差1%。

2.5 非机理产用汽设备模型

有些设备的用汽量难以使用严格的机理模型来确定，采用能耗计算中常用的固定能耗和可变能耗加和的方法进行计算，即一个单元操作的产汽量等于固定部分加上变动部分。固定系数定义为不随原料加工量变化的蒸汽流量的比例，该系数可供用户根据装置的实际运行情况选取，见式（13）。式中：F-蒸汽流量，t/h；F0-基准蒸汽流量，t/h；f-固定系数；Ffeed-加工量，m3/h；Ffeed0-基准工况加工量，m3/h。本式及后面涉及的气体体积均指标态体积。

2.6 汽驱设备机理模型

汽驱时汽轮机和泵的组合体的简称。汽轮机是将蒸汽的压力能转化成动能驱动泵用于工艺物料的提压输送。在管路固定的条件下，其用汽量与工艺物料的流量成正比。因此计算汽轮机用汽量的原理是首先根据物料流量计算出汽驱的实际功率，然后根据蒸汽的条件计算出每吨蒸汽的做功能力，最后得到汽驱所用蒸汽的流量。

泵的轴功率：

单吨蒸汽通过汽轮机做功：

汽驱蒸汽耗量：

式中：Wp-泵的轴功率，kW；Fp-泵实际流量，t/h；Hp-泵扬程，m；ηp-泵效率；Wt-单吨蒸汽通过汽轮机做功，kW；H0-汽轮机入口状态焓值，kJ/kg；H1-出口状态焓值，kJ/kg；ηt-汽轮泵效率；Ft-汽驱的蒸汽用量，t/h。

2.7 放空阀流量计算模型

2.7.1 阀门的流量系数

不同类型阀门的流量系数（Cv/%）和阀门开度（x/%）的回归公式及误差（R2）为：

a）正比例式

b）V型气门式

c）节流塞型

d）盘型

2.7.2 阀门的蒸汽流量

根据流量系数、允许压降和蒸汽的参数，可以按式(21)求出阀门的蒸汽流量F。

式中：Cv-阀门的流量系数；Δp-允许压降，MPa；A-阀门的流通面积，m2；p0-蒸汽的入口压力（表压），MPa；K-蒸汽的过热度。

表1 流量系数(Cv)与阀门开度(x)的关系[9]Table 1Relationship between valve flow coefficient(Cv) and opening degree(x)

2.8 汽驱开停优化

根据全厂3.5MPa蒸汽平衡计算出需要经过减温减压的蒸汽流量Fdp，在符合汽驱开启的先后次序要求的情况下，对不同规格和不同数量的汽驱进行组合，从中寻找出与总流量Fdp最接近的3种汽驱组合。

2.8.1 可能的汽驱组合

需要找出所有可能的汽驱组合，并求出其流量，见式(22)、(23)。

式中：Fi-每种汽驱组合i的流量，t/h；i=1，2，…，m，共有m种组合；Nij-每种类型汽驱j的台数，j=1，2，…，n，共有n种类型；Fj-每种类型汽驱j的额定流量，t/h。

表2 可能的汽驱组合Table 2Possible combination of steam drive

根据该方法列出可能的汽驱组合，汽驱组合的编号原则，“类型1-台数-类型2-台数-类型3-台数-……”，见表2。

2.8.2 增开汽驱的台数

根据已知的减温减压流量，从汽驱组合流量中找出最接近的3种汽驱组合。分别计算出增开汽驱后的节能量和效益。

2.9 全厂蒸汽平衡模型

产汽和用汽点按照区域划分为联合装置区和公用工程区，两个区域均有产汽点和用汽点。模型的搭建包括两个步骤：第一步是将各产汽点和用汽点的流量测算出来，需要将每个产汽和用汽点的流量与装置的加工负荷关联起来；第二步是全厂蒸汽平衡计算，该平衡包括两个区域的区域平衡和全厂的蒸汽平衡，见式(24)～(28)。

式中：G-全厂产汽量，t/h；U-全厂用汽量，t/h；GM-中压蒸汽产汽量，t/h；UM-中压蒸汽用汽量，t/h；GL-低压蒸汽产汽量，t/h；UL-低压蒸汽用汽量，t/h；DP-中压蒸汽减温减压至低压蒸汽量，t/h；GMf-动力锅炉中压蒸汽产量，t/h；GMc-克劳斯炉中压蒸汽产量，t/h。

按此方法计算出动力锅炉的产汽量和减温减压的流量，绘制出全厂蒸汽平衡图见图2。

每个产汽点和用汽点的蒸汽流量由其用途所决定，同时也与操作情况有关，如果所有的用汽点均采用机理模型进行建模，工作量很大，而且还难以包络所有的操作参数，因此结合产汽和用汽点的特性分别采用机理法和经验法进行模型构建。有明确的反应机理的反应器和加热功能的设备采用机理法，通过输入这些设备的特性和反应特性计算出产汽或用汽量。而对于分馏塔等无明确的或者比较简洁的机理模型的设备采用经验法，通过给定的单位原料气对应的该设备的蒸汽单耗进行类比推算。

3 应用实例

四川某天然气净化厂以处理高含硫天然气为主，年处理120亿m3天然气。该厂拥有6个联合装置，12列硫磺回收装置。公用工程部分设置3台燃气锅炉（额定75t/h，3.8MPa），额定负荷时每台锅炉的天然气耗量为19.8万m3/d。锅炉的最低产汽负荷为28t/h，对应的天然气耗量7万m3/d。正常生产时原料气量约为2900万m3/d，锅炉可以停用。上游采气场每月需要进行一次批处理，批处理时原料气量下降至2600万m3/d，硫磺炉的蒸汽产量会降低50～70t/h，届时需要开启1台锅炉，此时某套装置如果处于检修状态或吹扫状态，蒸汽用量会进一步增大，届时可能需要开两台锅炉。目前开启燃气锅炉的时机和开启锅炉的数量，都是靠经验进行调度，存在提前开启，过度开启等现象，造成蒸汽过剩，燃料消耗量增大的问题。

影响副产蒸汽产量的因素有内部因素和外部因素两种，大致可概括为以下三方面：(1)上游原因导致的原料气量大幅波动；(2)装置停工检修导致蒸汽用量波动；(3)气侯变化导致全厂蒸汽用量发生波动。

采用机理建模方法，对天然气净化厂的实际工况进行模拟，预测蒸汽的产、用平衡，从而指导动力炉和汽驱的开、停方面取得了良好的效果。模拟的结果：主要装置产汽量的误差为3.1%。联合装置低压汽产量误差为-2.3%，联合装置低压汽用量误差为-2.9%，公用工程低压蒸汽用量误差为3.2%，低压蒸汽总用量误差为-2.1%。这些误差主要是由于气温变化导致的散热量变化，采用附加的蒸汽保温实时计算模块作为补充可以进一步提高模拟精度。

图2 全厂蒸汽平衡图Fig.2Steam balance diagram

表3 计算值与运行值的比较Table 3Comparison of calculated and actual results

4 结果与讨论

传统的蒸汽平衡的方法一般采用统计学方法得到各单元的蒸汽产量和用量，难以应对装置工况发生较大变化时所引起的产汽和用汽量的变化，因此计算结果的准确度相对较差。基于机理建模的方法从根源上解决了这个问题，因此提高了计算精度。

采用该方法编制成的计算机软件系统“蒸汽建模和优化软件（SMOS-Steam Modeling&Optimization System）”投用后，可以较好地预测由于原料气量变化引起的克劳斯炉蒸汽产量的变化，实时计算出动力锅炉所需生产的中压蒸汽量，避免了以往盲目多开一台锅炉备用的浪费现象。同时该软件具有的减温减压优化功能可以实时给出汽驱的最优工作状态，提醒操作人员及时开启汽驱。

该方法与实时数据库技术相结合，通过实时提取装置运行的数据，可以实现天然气净化厂的蒸汽系统实时监控和优化。

下一步的工作是在此基础上继续开发全厂各装置蒸汽用量的考核系统，使该算法的作用拓展到全厂各单元装置，通过监控每一个产汽点和用汽点的蒸汽流量，构建智能化全厂蒸汽产用考核系统。

该方法可以拓展使用到其它化工企业，尤其适用于装置自产汽所占的比重大于动力外供蒸汽的化工企业，例如炼油、乙醛等工业。蒸汽系统越复杂，生产负荷频繁变化的工厂，使用该方法所创造的效益越明显。同时，该软件的预估功能可以及时发现仪表失灵的情况以及分析装置突发事件的原因，对于化工企业的安全平稳运行具有保障作用。

5 结论

蒸汽系统的机理建模和优化方法包括三个步骤：第1步是构建各产汽和用汽点的机理模型；第2步是通过蒸汽平衡求出动力锅炉产汽量和减温减压流量；第3步是根据减温减压器流量和汽驱当前的开停状态求出在减温减压流量最小的条件下的最优开停组合。

使用该方法对天然气净化厂的计算结果显示误差小于3%，基于该方法编制的软件可以用于全厂蒸汽系统的实时测算和优化，降低全厂能耗。

该方法可以扩展使用到其它化工行业，以及作为核心模块嵌入化工企业的能源管理系统中。

[1]Jones B,Nelson D.Finding benefits by modeling and optimizing steam and power systems[C]//Proceedings from the Twenty-ninth Industrial Energy Technology Conference,New Orleans,LA,May 8-11,2007.

[2]孙灵芳,邵萌萌,刘旭颖.基于改进的BP算法的过热汽温建模[J].自动化技术与应用,2010,29(4):1-3+15.

[3]李瑜，崔国民，涂惟民，等.蒸汽管网的建模和设计优化[J].节能,2009,28(10):14-17.

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[9]ChopeyNP,HicksTG.HandbookofChemical Engineering Calculation[M].New York:McGraw-Hill, 1984:Chp 14.

Steam modeling and energy conservation optimization in natural gas purification plants

WANG He-qin1,ZHOU Yu-chao1,WANG Yong-jun1,HE Wei1,ZHANG Gao-bo2
(1.Zhongyuan Oilfield Puguang Branch,Dazhou 635002,China;
2.Shanghai Huide Energy Integration Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201206,China)

A method of steam system modeling and energy conservation optimization based on the steam generation process mechanism is presented.Firstly,the steam generating and consuming models relating with the gas processing amount of each unit and whole plant were established.Secondly,a model for predicting the steam flow rate of power boilers was worked out according to the steam balance of plant.Finally,an energy optimization model was drawn up for determining the running sequence number of turbine-driving-pump.Combining these models,the steam generating and consuming amounts of whole plant could be calculated in real time based on the feed gas flow rate,giving the energy saving scheme automatically.All basic data got automatically from the real time database software in place of manual input.An example in a natural gas purification plant show that the error of predicting the steam flow rate of power boilers by this method was within 3%.The method could extent to other chemical plants.

natural gas;purification plant;steam;energy conservation;modeling;optimization

TE08；TQ028.2；TQ018

：A

：1001-9219(2016）03-89-06

2015-11-28；

：王和琴(1989-)，男，学士，从事石油、天然气开发管理工作，电邮whq8002006@163. com，电话021-58858850。