典型煤化工企业蒸汽动力系统全局模拟优化

王立东

（中国石油化工股份有限公司，北京 100728）

蒸汽动力系统作为石化行业装置主要用能部分，在能耗中的权重仅次于燃料消耗，在成本构成中占了相当大的比例[1]。化工企业的蒸汽动力系统十分复杂，如何使蒸汽设备的运行状况达到最优，合理的产汽、输汽、用汽是实现节能降耗的重要途径之一[2]。蒸汽动力系统的综合最优问题可以表述如下：大型石油化工厂需要一定数量的驱动机、泵等设备的动力，高、中、低压蒸汽，脱氧水以及冷却水等，设计的目标是在满足上述要求的前提下确定系统的流程和操作条件使系统总费用最小[3]。目前，炼化企业正在逐步开展蒸汽动力系统模拟优化工作，苏华[2]等开发了YS-PROSS系统对燕山石化蒸汽管网进行模拟优化，提出局部管网改造等优化建议，消除了蒸汽管网瓶颈，减少了全厂减温减压量，取得了良好的经济效益。

针对石化企业蒸汽动力系统普遍存在的能耗大、运行不合理、存在瓶颈等问题，文章从某厂全局角度出发综合产、输、用三个环节，结合企业实际生产情况和发展规划，建立同实际生产过程相符合的蒸汽动力系统模拟与优化模型，以蒸汽动力系统操作成本最小化为目标，提出切实可行的优化方案，降低蒸汽能耗、提高企业蒸汽的利用效率，帮助企业节能降耗、提高经济效益。

1 蒸汽系统概况

全厂分为老区和新区，新区蒸汽管网包括10.0 MPa、4.0 MPa、1.8 MPa、1.2 MPa、0.6 MPa和0.1 MPa，老区蒸汽管网包括10.0 MPa、5.4 MPa、4.0 MPa和0.6 MPa。动力厂现有2台240 t/h锅炉和1台220 t/h锅炉，2台额定功率为25 MW的汽轮机。动力厂为全厂提供10.0 MPa、4.0 MPa和0.6 MPa三个等级的蒸汽。目前全厂蒸汽基本平衡，偶有低压蒸汽放空现象。

2 全厂蒸汽系统模型建立及确认

2.1 全厂蒸汽系统模型的建立

蒸汽管网数学模型是集成管网传热学、水力学、拓扑网络的计算模型，并通过数值求解方法对管网进行整体求解[4-5]。蒸汽动力系统模拟软件中涵盖锅炉、汽轮机、除氧器、减温减压器、高低加、蒸汽管网、工艺透平、加热器、余热锅炉等蒸汽动力系统相关设备，可以建立完整的蒸汽动力系统模型，涵盖蒸汽产、输、用各个环节。在收集企业管网结构参数和操作参数的基础上，建立了全厂蒸汽动力系统模型，如图1所示。

图1 全厂蒸汽动力系统模型

2.2 蒸汽管网数学模型确认

为了验证模型的准确性和可靠性，对高压和中压蒸汽管网数学模型进行确认，校正后的温度和压力计算值与测量值对比见表1、2。

由表1，2可知，校正后的模型温度和压力计算值与测量值的偏差都在±3%之内，说明软件的水力学和热力学计算方法可靠。

3 蒸汽管网保温评价及节能潜力分析

3.1 保温评价依据与方法

管线保温的评价依据GB/T 8174—2008《设备及管道绝热效果的测试与评价》。管线散热损失是指管线外表面（如有保温，则指保温外表面）向周围环境散失的热量，单位面积的管线散热损失称之为热流密度。文章采用表面散热损失测试法来对保温进行评价。为评价管线保温，将热流密度分为实际热流密度、设计热流密度和合格热流密度三类，指GB/T 8174—2008中规定的不同温度下管线的允许散热损失。该标准中“常年运行工况允许最大热损失表”中的数据，经插值法处理，得出如表3所示的合格热流密度。当管线的实际热流密度低于相应的合格热流密度时，即认为该管线的保温合格，反之不合格。

表1 高压各测点的计算值与测量值对比

表2 中压各测点的计算值与测量值对比

表3 常年运行工况散热合格热流密度

3.2 问题管线保温评价及节能潜力分析

在冶金及化工等行业，大量的热能通过蒸汽管道输送。对热力管道进行良好的保温，减少散热损失，是提高化工厂经济效益的有效途径[6]。通过对比国家标准给出的合格热流密度与实际管线的热流密度可以对管线保温效果进行评价。在传统的操作过程中，需要对管线保温外表面热流密度进行测量，然而测量热流密度的仪器设备昂贵，且部分管道处在较高的位置，测量难度大。使用蒸汽系统模拟软件，实现全厂蒸汽管网的模拟，模拟结果可以直接得到各条管道保温外表面的热流密度。这种方法可以简单方便的对管网保温进行评价，并寻找节能机会。经过模拟对比发现，全厂有4条蒸汽管线蒸汽热流密度较高，超过了国家标准，如表4所示。

表4 蒸汽管线保温评价

由表4可知，4条管线实际热流密度均超过合格热流密度，造成散热量大、蒸汽温降大等问题，说明这些蒸汽管线保温效果较差。对这4条管线进行节能潜力分析计算，结果如表5所示，这里定义蒸汽管网的实际散热量与设计散热量的差值为节能潜力。假设一年开工时间为5 000 h，折合蒸汽按照10.0 MPa，480℃计算，经过保温改造，每年可为企业节省品质为10.0 MPa，480℃的高压蒸汽2.4万t。

表5 节能潜力分析

4 全厂蒸汽动力系统优化

由于蒸汽动力系统结构的多样性，蒸汽热力学参数计算关系的复杂性以及工况的多样性，系统的优化十分复杂[3]。从炼厂全局角度出发，综合考虑蒸汽产、输、用三个环节，搭建动力站和蒸汽管网模型，获得全厂蒸汽动力系统运行情况，对蒸汽动力系统进行能耗分析，找到存在的问题和瓶颈。

4.1 提高主汽温度

通过调研发现目前3台锅炉的主蒸汽温度分别为517.2℃、518.5℃和517.1℃，进入1#汽轮机的温度为512.7℃。锅炉主蒸汽温度设计值为540℃。而同类热电厂主蒸汽温度一般可以达到535℃。根据朗肯循环效率，主蒸汽温度越高，热电厂效率越高，在同样蒸发量时，发电量也越大。而主蒸汽温度过低，压力和凝结真空不变时，主蒸汽在汽轮机内的总焓降减少，若要维持额定负荷，必须增加主蒸汽的进汽量。一般来讲，机组主蒸汽温度每降低10℃，汽耗量要增加1.3%～1.5%。

建议对1#锅炉过热器进行改造，在保证锅炉、汽机安全平稳运行的同时，提高主蒸汽温度。当前工况如图2所示，优化后工况如图3所示。通过模拟可知，提高主汽温度到535℃后，在保证蒸汽用户要求的前提下，可增加发电量1 600 kW，同时耗煤总量需增加1.2 t/h。总体来讲，按照年运行5 000 h、电价0.587元计算，全年可获得经济效益148万元。

图2 主汽温度518℃时机组及管网运行情况

图3 主汽温度提高至535℃后机组及管网运行情况

4.2 提高锅炉给水温度

目前3台锅炉给水温度分别为188.0℃、186.5℃和189.4℃。锅炉给水设计温度为210℃，运行温度明显低于设计温度，从而增加了锅炉煤耗及冷源损失。

提高1#汽轮机高加抽汽量，加热锅炉给水，提高给水温度。设定增加二级、三级抽汽量各4 t/h，通过模型计算锅炉给水温度将提高7℃，达到195～197℃。减少耗煤量0.86 t/h，同时减少冷源损失，进入凝汽器蒸汽量减少8 t/h，按照循环倍率40计算，则减少循环水320 t/h。但汽轮机发电量减少约756 kW。核算结果显示效益约为170元/h，按照年运行5 000 h计算，全年效益85万元。该优化方案为操作优化，无需投资。

4.3 减少乙二醇装置 10 MPa 减 4 MPa 减温减压量

乙二醇装置约有23 t/h高温高压蒸汽减温减压至4.0 MPa、385℃，造成能量损失约1 400 kW。蒸汽的减温减压会造成蒸汽品质的下降和浪费，因此应尽量减少减温减压的发生[7]。为了保证装置运行、同时减少能量损失，建议减少乙二醇高压减中压减温减压流量，在该减温减压器处设置小副线，保证减温减压器处于热备状态，减少减温减压能量损失。高/中压管网优化前后蒸汽参数对比见表6、7。

表6 高压管网优化前后蒸汽参数对比

表7 中压管网优化前后蒸汽参数对比

优化后在保证乙二醇4.0 MPa等级蒸汽供入总量不变的情况下，减少从10.0 MPa蒸汽减温减压到4.0 MPa的量，从汽轮机中压抽汽供应4.0 MPa蒸汽，可以多发电900 kW，按照0.587元/（kW·h）、全年正常开工5 000 h计算，年效益约为260万元。该方案为运行优化方案，无需投资。

同时，考察优化后对蒸汽管网的影响。对于高压管网，如表6所示，优化前该条管道通过蒸汽流量195 t/h，流速为32.9 m/s，一般认为蒸汽管道的经济流速为15～30 m/s，说明流速偏大，造成压降较大，为640 kPa。优化后，该条管道流量为172 t/h，流速为28.7 m/s，在合理的范围内，压降为590 kPa。对于中压管网，如表7所示，优化前该条管道流量为56.8 t/h，流速为6.71 m/s，流速较慢，造成温降较大，为17.2℃。优化后，该条管道流量为80.0 t/h，流速为9.51 m/s，温降为12.6℃。综上所述，关闭该减温减压器有利于蒸汽管网运行。

4.4 减少乙二醇 4 MPa 减 1.8 MPa 减温减压蒸汽量

乙二醇装置内部存在大量减温减压的现象，造成能量浪费。在保证一定减温减压量，满足设备对各等级蒸汽需求的前提下，应尽量减少减温减压量。

通过模型核算减小4 MPa蒸汽减1.8 MPa蒸汽量8 t/h，可直接减少10 MPa减4.0 MPa蒸汽量8 t/h。可以增加汽轮机发电量900 kW，年效益约为260万元。同时建议增加计量仪表，确保装置安全稳定运行。

4.5 取消合成氨外送小用户

从合成氨装置外送饲料厂0.6 MPa低压蒸汽约0.2 t/h，管道长、流量小、间接使用，容易产生凝水，带来安全风险及能量浪费。经过模型核算，当流量为0.2 t/h时，凝水量为185 kg/h，按照一年运行5 000 h计算，经济损失10万元/年。建议饲料厂采用电加热代替原来蒸汽，关停此段蒸汽管线，减少低压蒸汽损失。

5 结论

石化行业作为典型的高能耗产业，如何通过改进设备和操作工艺来降低生产成本和环境成本，提高综合效益，一直都是该行业的一个重要课题[8]。针对某化工厂蒸汽动力系统用能瓶颈，从全厂蒸汽动力系统全局角度出发，对全厂蒸汽产、输、用三环节进行建模，对温降较大的蒸汽管线进行了保温评价及节能潜力分析，发现蒸汽动力系统运行及操作中存在的问题，提出了管线保温改造、主蒸汽提温、锅炉给水提温、减温减压优化等优化方案。经过模拟核算，优化后可显著降低企业蒸汽动力系统能耗，可为企业带来效益近千万元。