（化学工艺专业论文）大连石化蒸汽管网热损分析与研究.pdf

摘要 炼油、石化、钢铁和热电等工业部门是耗能大户。为提高生产管理 水平，实施节能工程，蒸汽系统的模拟和监测技术得到了发展；同时， 蒸汽管网热损的定性、定量评估引起了高度重视。 通常认为，目前我国炼油、石化企业蒸汽质量损失在8 以上，热 量损失更大。而对于某个企业，蒸汽损失确切地说有多大，损失在什么 部位，造成损失的原因等问题很难量化表明，这对于采取措施，改造管 网，提高其管理水平，做到节能降耗是不利的。当i i 急需建立一套方法， 开发适用技术，为蒸汽管网绩效分析，特别是热损的评估工作服务。 为此，笔者参加了以p r o s s 软件作为平台，建立大连石化蒸汽管 网数学模型，进而开发蒸汽管网智能监测系统( d l p r o s s ) 的工作。 期间，笔者分析、研究了通用的蒸汽管网热损评估方法，集成了i t 技 术和化学工程等学科，创新提出了“基于模拟技术的管网热损评估法”。 p r o s s 软件应用了基尔霍夫电流定律，并采取了一系列工程化措施， 是蒸汽管网智能监测系统的核心；d l - p r o s s 可以用来全面、准确地分 析蒸汽管网温度、散热、冷凝水和流速的分布，查出诸多热损原因，确 定其中主要矛盾，指导提出合理的解决措施。 用d l - p r o s s 分析了大连石化蒸汽管网，表明大连石化蒸汽损失 的最主要原因是部分管路蒸汽流速太慢，造成蒸汽过多的冷凝；冷凝水 产生主要集中在管网上非生产用汽区域；蒸汽管网保温状况有待改善。 实践表明，应用“基于模拟技术的管网热损评估法”，能提高蒸汽系统 的管理和运行水平，促进企业节能降耗工作。 关键词：蒸汽管网、热损分析、模拟、节能 一i i a b s t r a c t e n e r g yu s i n gi sv e r yl a r g ei nr e f i n e r y , p e t r o c h e m i c a l ，s t e e la n d t h e r m o e l e c t r i c i t yi n d u s t r y t h et e c h n o l o g yo fs t e a mn e t w o r ks i m u l a t i o na n d i n t e l l i g e n tm o n i t o ri sd e v e l o p e df o ri m p r e v i n gm a n a g e m e mo ft h es t e a m n e t w o r ka n ds a v i n gt h ee n e r g y a tt h es a m et i m et h eq u a l i t a t i v ea n d q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f h e a tl o s sb e c o m e m o r ei m p o r t a n t u s u a l l y , t h eh e a tl o s so fs t e a mn e t w o r ki sa b o v e8 f o rar e f i n e r y , w h a ti st h el o s s , h o wi st h el o s s ，w h yi st h el o s sa n dw h e r ei st h el o s sa r e v e r yi m p o r t a n t t h e r e f o r e ，a na d v a n c e dm e t h o df o ra n a l y z i n gt h eh e a tl o s s o f s t e a mn e t w o r ki sn e e d e d t h em e t h o df o ra n a l y z i n gt h eh e a tl o s so fs t e a mn e t w o r kb a s e do nt h e s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw a sr a i s e da f t e rr e s e a r c h i n gt h e g e n e r a la n a l y s i s m e t h o df o rh e a tl o s sa n dc o m b i n i n gt h ei tt e c h n o l o g ya n dc h e m i c a l e n g i n e e r i n g t h e m e t h o dw a s s u c c e s s f u l l yp r a c t i s e d i nd a l i a n p e t r o c h e m i c a lc o m p a n y t h em e t h o dw a s 惦i i l gf o r a n a l y z i n g t h e t e m p e r a t u r e ，h e a tl o s s ，c o n d e n s a t ea n dt h ev e l o c i t yo ft h es t e a mn e t w o r k t h em a i np r o b l e m si nt h es t e a mn e t w o r kc a nb ef o u n da n dr e s o l v e db yt h e m e t h o d t h e r e f o r e ，b e n e f i t sc a l lb er e c e i v e d t h ea p p l i c a t i o no ft h em e t h o d i se f f e c t i v ea n di m p o r t a n tf o re n e r g y 姐v i n gi nt h ee n t e r p r i s e s a f t e ra n a l y z i n gt h es t e a mn e t w o r ko fd a l i a np e t r o c h e m i c a lc o m p a n y b yu s i n gt h ed l p r o s ss y s t e m , t h eq u e s t i o n so ft h es t e a mn e t w o r ka r e r a i s e d t h es t e a mv e l o c i t yo fs o f t i en o n p r o d u c t i v er e g i o ni sv e r yl o wt h a t l e a dt 0c o n d e n s a t e t h ei n s u l a t i o no fs o m ep i p e si sb a d l yd e s t r o y e da n d n e e di m p r o v e m e n t s f r o mt h ep r a c t i c e ，t h em e t h o df o ra r 诅l y z i n gt h eh e a t l o s so fs t e a mn e t w o r kb a s e do nt h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yc a l li m p r o v et h e m a n a g e m e n tl e v e lo ft h es t e a mn e t w o r ka n da c h i e v et h ea i mo fs a v i n g - - i l l - - e n e r g y k e y w o r d s ：s t e a mn e t w o r k , h e a tl o s sa n a l y z i n g ，s i m u l a t i o n , s a v i n g e n e r g y v 卜一 中国石油大学( 华东) 硕士论文主要符号表 主要符号表 管道内表面对流系数 保温层外表面对流系数 保温层外表面积 冷凝水质量 管段外径 保温层外径 质量流量 阻力损失 流体焓值 当量长度 压力 压降 温度 温降 流速 流体密度 摩擦系数 保温层导热系数 ， o p t 口 口4 血以g吩hpt ” p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 2 0 0 7 年月f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可阱公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( f i t 密论文在解密后应遵守此规定) 中国i i 油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 节能是我国一项重要的和长期的能源政策。节能对于我国的能源安 全、环境保护和经济社会的可持续发展都具有非常深远的意义。蒸汽系 统庞大复杂，不仅难以管理调度，而且浪费惊人，节能潜力巨大。蒸汽 系统节能研究越来越受到各方面的重视。合理地设计、配置、运行和维 护蒸汽系统能够节约大量宝贵的能源，降低生产成本，提高企业的竞 争力。目前化工企业蒸汽管网系统存在的问题急于解决，节能工程十分 棘手。 为透彻认知、合理优化蒸汽管网和指导生产操作，必须依靠先进的 模拟和监测技术。近年来，国内学者在理论上已经解决了建立蒸汽管网 水力学模型的问题，并提出了些建模方法，但园工程化不力，一直未 见成功实用；国外虽有专用的商品软件，但仅用于管网设计计算，在实 时智能监测方面未见报导。 为此，笔者参加了以p r o s s 软件作为平台，建立大连石化蒸汽管 网数学模型，进而开发蒸汽管网智能监测系统( d l p r o s s ) 的工作。 其间，提出了基于模拟技术的管网热损评估新方法。用该方法分析了大 连石化蒸汽管网，表明大连石化蒸汽管网保温状况有待改善，而蒸汽损 失的最主要原因是部分管路蒸汽流速太慢，造成蒸汽过多的冷凝：冷凝 水产生主要集中在管网上非生产用汽区域。 这是一项集成l t 技术与化学工程等学科，改造传统产业的工作， 在此基础上，可以提出合理可行的整改措施，提高蒸汽系统的管理和运 行水平。 文中还介绍了p r o s s 软件建模技术等有关内容，以便读者了解蒸 汽系统智能监测和本文所做的工作。 中国t 珊大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1石油化工行业节能的重要性 随着竞争的愈来愈激烈，如何降低成本已经是关系到每个企业发展 乃之生存的大事。作为成本的组成部分能源的使用和管理的重要性 就愈发地显现出来；在石化行业，蒸汽系统提供的能源占总能耗三分之 一以上，因此蒸汽系统越来越受到企业的重视。 蒸汽系统的节能潜力巨大。合理地设计、配置、运行和维护蒸汽系 统，能够节约大量宝贵的能源，降低生产成本，提高企业的竞争力。 2 1 1节能是我国一项重要的和长期的能源政策 能源是国民经济发展的基础能源管理和节能技术是一项涉及面 广，又与科学技术进步有着重大关系的课题。随着生产的发展和人民生 活水平的提高，能源需求量日趋紧张，对国民经济发展的瓶颈制约日益 突出。虽然我国的能源丰富，但人均占有量低，必须珍惜使用、降低能 源单耗。有关机构研究表明，2 0 0 0 年按现行汇率计算的每百万美元国 内生产总值能耗，我国为1 2 7 4 吨标准煤，比世界平均水平高2 4 倍， 比美国、欧盟、日本分别高2 5 倍、4 9 倍、8 7 倍。2 0 0 0 年电力、钢铁、 有色、石化、建材、化工、轻工、纺织8 个行业主要产品单位能耗平均 比国际先进水平高4 0 ，能源效率比国际先进水平低l o 个百分点。我 国能源利用效率与国外的差距表明，节能潜力巨大，按单位产品能耗和 终端用能设备能耗与国际先进水平比较，目前我国的节能潜力约为每年 3 亿吨标准煤。 截至1 9 9 6 年末，我国在用工业蒸汽锅炉有3 5 万台左右，蒸汽供热 系统( 不包括热电站) 的燃煤总量约为3 亿吨标准煤，占全国燃煤总量 的三分之一，而整个系统的热能利用效率却只有3 0 左右，仅为国际先 进水平的一半，由此而浪费的煤炭资源每年高达8 0 0 0 万吨标准煤，相 当于全年蒸汽供热系统总能耗的四分之一i l j 。 节能对能源供需平衡起着重要作用，比较起来，开发投资少，见效 中国z i 油大学( 华东) 硕十论文第2 章文献综述 快，可促进技术进步，提高生产效益，减少环境污染。因此，节能对于 我国的能源安全、环境保护和经济社会的可持续发展都具有非常深远的 意义，中国的节能问题是中国能源研究专家学者们所必须关心的问题和 责无旁贷的历史使命。 我国对近些年节能工程高度重视，“九五”计划和2 0 1 0 年远景目 标纲要一再提出“能源工业节约与开发并举，把节约放在首位”的方 针，中国节能技术政策大纲的再次发布和节约能源法的颁布与 实施，更使节能工作走上法制化的轨道。我国“十一五”规划纲要把未 来5 年内单位g d p 能耗降低2 0 作为约束性目标，分解到各地区、各 行业的经济活动中，作为综合评价和绩效考核的指标。全国性的大规模 节能工作已经开始。 为贯彻落实国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要，实现 单位g d p 能耗降低2 0 左右的约束性目标，根据节能中长期专项规 划，国家发展和改革委员会2 0 0 6 年7 月对外发布了“十一五”十大 重点节能工程实施意见。这十大重点节能工程“十一五”期间可实现 每年节能2 4 亿吨标准煤，对单位g d p 能耗降低目标的贡献率近4 0 。 在实施意见中对能量系统优化( 系统节能) 工程提出了要求，要求对炼 油、乙烯、合成氨、钢铁企业进行系统节能改造【2 1 。 目前，从蒸汽管网系统的产品技术与系统技术上看，亦有了长足发 展，蒸汽管网的优化设计、系统诊断、在线补漏、管网产品的在线检测、 计算机监测与管理等管网系统技术发展正在迅速发展。 2 1 2 中国石油天然气集团公司高度重视节能工作 目前的形势对高耗能的石油化学工业提出了更高的节能、降耗要 求。现在国外一些主要的石油、化工生产国家已注意从有效的综合利用 能量的观点来建立联合企业。在2 1 世纪，新建设一个联合企业，其化 工过程设计的目标是物料流、能量流、信息流与资金流的多目标优化， 也就是说必须要求最充分地利用过程中的能量，考虑热能的直接利用以 及转化成其他形式后再利用。要求大系统的能量消耗最小，降低单位产 中国t i 油人学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 品的能量消耗。目前国内大多数石油、化工厂热能消耗不但仍是国内消 耗大户，而且能耗不合理，所以改善石油、化工过程的热能回收，提高 现有石化企业的经济效益具有重大意义。 作为国内最大的油气生产商和供应商，中国石油天然气集团公司也 是能源、水和土地等资源的消耗和使用大户。按照党和国家建设资源节 约型社会的总体要求，“十一五”时期中国石油天然气集团公司继续坚 持“开发节约并重、节约优先”，坚持以科学发展观为指导，认真贯彻 落实国家有关资源节约工作的方针政策，把资源节约作为企业发展战略 的重要组成部分，进一步完善节约工作机制、加强节约科学管理、推进 节约技术进步，形成“低投入、低消耗、低排放、高效率”的节约型增 长方式，持续提高企业资源利用效率和资源产出效益。十一五”中石 油的资源节约目标是：实现节能6 6 0 万吨标煤，节水2 2 5 亿立方米， 节约用地2 1 0 0 公顷，单位企业增加值能耗下降2 0 左右，单位企业增 加值新鲜水用量下降3 0 左右，率先建成资源节约型企业。 2 0 0 6 年1 月，集团公司在工作会议上提出，建设节约型企业要走 在全国大企业前列，到2 0 1 0 年率先建成资源节约型企业是集团公司“十 一五”八大目标任务之一。 2 2 蒸汽管网系统的节能 蒸汽作为生产过程中的主要携能工质和辅助工艺物流，被广泛用于 热电、区域集中供热和炼油、化工、钢铁等各个领域。随着生产规模的 渐进发展，蒸汽管网系统变得庞大复杂，不仅难以管理调度，而且浪费 惊人。 2 2 1 蒸汽管网系统概述 蒸汽在热力系统中主要作为一种传递热能的载体，以其来源充足、 无毒、无污染、不爆燃、热容量大、传热效率高、温控简单且价格相对 低廉的特点，广泛应于石化、化工生产和居民生活中，如石化工艺中的 升温与保温工艺，化工生产中的“汽化溶剂、浓缩溶液、析出溶质”的 4 中国i i 油大学( 华东) 硕十论文第2 章文献综述 蒸发工艺，以及居民日常生活的取暖等等。 蒸汽热力系统按照工艺配置可以分为蒸汽生产、用汽设备、蒸汽输 送和凝结水回收管道三个基本环节。整个蒸汽系统的热效率由锅炉( 热 源) 效率、蒸汽管网热效率和蒸汽使用设备的热效率三部分组成。作为 蒸汽的主要载体，蒸汽管网系统主要指连接蒸汽产生装置与蒸汽使用设 备之间的，用于蒸汽的输送、分配、使用和回收的管路网络与其中采用 的有关设备及元件。长期以来，人们比较注重锅炉热效率，偏重于购置 高效率的锅炉或者是实施提高锅炉效率的技术改造，对蒸汽的使用效率 和蒸汽管网热损以及热能回收利用重视不够。实际上我们真正关心的应 该是整个蒸汽热力系统的效率，因为只有提高整个蒸汽热力系统的效率 才能取得最大程度的节能效果。因此，蒸汽管网系统直接影响蒸汽品质 以及系统热能利用效率。 所谓蒸汽管网节能工程，是指以整个管网系统为对象，即考虑用热 设备、管路、压力、温度控制、排气、排水、汽水分离等诸多因素，采 用先进的管网节能产品和管网系统技术，改造蒸汽管网系统，提高蒸汽 热能有效利用率。蒸汽管网节能工程主要有两个方面工作：一是对现有 蒸汽管网系统的改造，包括：管网系统的热能利用效率与蒸汽损耗状况 的检测与核算、凝结水的回收与利用、二次蒸汽的再利用、网上各类阀 门及连接元件的检测与维修、管网的在线补漏。二是对新建项目的蒸汽 管网系统进行优化设计，科学选型，以及建立新建项目节能示范工程等。 衡量蒸汽管网节能效率的最终标准，就是在相同的管网工况条件与用汽 条件下，蒸汽、凝结水以及所需能源的节约程度。 蒸汽管网暴露在空气中，虽然做了保温处理，但免不了仍有散热。 此外，还有其他因素也造成了蒸汽管网的热损失，这些热损失是可以通 过合理的改造得以减少甚至避免的。以下热损失因素造成的影响，是可 以避免或降至最小的： l 、蒸汽泄漏。据有关部门统计，蒸汽管网上使用的疏水阀全年漏 汽总量达1 亿吨，约合1 4 0 0 万吨标准煤f 1 1 。 中国t i 油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 2 、大量凝结水未回收。凝结水中所含热能约占蒸汽热能的2 5 左 右。我国大约有7 0 的凝结水未被回收而直接排入地下。( 国际上较先 进的国家凝结水回收比例一般为9 0 左右) 仅此一项，每年浪费的锅炉 软水就有1 5 亿吨，由此浪费的煤炭约为1 5 0 0 万吨绰标准煤 j l 。 3 、管网中使用的阀门，疏水器等产品质量不过关，品种不齐全。 4 、管网的设计、产品的选型以及管道的安装水平比较落后。 5 、管理与维护水平低。长期以来，蒸汽管网系统在实际生产中未 得到应有重视，管网的跑冒滴漏现象十分严重。 蒸汽系统节能改造工程量十分巨大，包括：炼油生产全厂能量系统 优化，含装置改造、热联合、热力系统优化、节能燃烧器等：催化裂化 过程能量优化，含回收余热、热进料、减少生焦量、利用再生烟气能量、 优化换热等；常减压过程能量优化，含优化流程、控制过汽化率、减少 加热能耗、干式减压蒸馏、热联合等；蒸汽动力系统能量优化，含热电 联产、凝结水回收、管网保温、安全控制等。 2 2 2 蒸汽管网系统现状 我国绝大部分蒸汽管网的输送热效率在7 0 0 一9 5 之间，1 9 9 9 年全 部蒸汽管网热损失折合标准煤1 4 0 0 万吨，由于疏水阀泄漏造成的蒸汽 浪费高达2 0 0 0 万吨。由于蒸汽系统中7 0 的凝结水被直接排放，故浪 费了占蒸汽热焓2 0 3 0 的热能。据测算，每年因为凝结水直接排放 而造成的水资源浪费大约1 5 亿吨。我国蒸汽管网系统热能利用效率仅 为3 0 ，为国外先进水平的一半，即我国每节约一个单位的蒸汽则比国 外多节约一倍能源。中国蒸汽管网的节能潜力巨大。因此，实施蒸汽管 网节能工程极为必要。 在我国大型炼油、石化企业中，蒸汽作为各生产环节的主要能源之 一，其系统十分庞大、复杂。从能量系统优化的角度分析，国内蒸汽系 统存在以下主要问题 2 1 p ： l 、具备热联合或热集成条件的装置( 或生产单元) 孤立运行，致 使系统总体用能不合理。 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章文献综述 2 、在一些炼油企业，特别是一些老厂，不断扩大生产规模，对公 用工程系统惯用“填平补齐”措施，缺乏统一规划，致使蒸汽系统从管 网结构到设备配置，均存在不合理状况。部分企业由于逐年的改造，使 管路形成多环、多级的复杂管网。蒸汽管网布置不合理，蒸汽配送与装 置不匹配，凝结水没有回收，管网和设备的保温性能差，运行参数控制 不准确，致使蒸汽损耗大。 3 、部分企业余热、余压未能利用，致使一些换热网络、生产系统 和装置能耗水平相对落后。 4 、由于生产建设滚动式发展，部分企业公用工程系统未进行整体 能量系统优化设计，致使企业供能系统效率低。 5 、尚未采用模拟优化软件或先进监测与控制技术，系统或装置的 运行管理相对落后。在对蒸汽系统的管理上，由于系统的复杂性和缺少 管网的温度、压力、流量等参数，使管理仅仅停留在经验操作上，造成 了对管网路径选择和管网调整上的盲目性，甚至蒸汽流向、流量不明， 蒸汽降质使用，放空现象得不到遏止，造成能源的极大浪费。 6 缺乏既科学又实用的蒸汽管网热损分析方法。热损部位和原因 搞不清楚，虽然企业重视蒸汽系统的节能工作，但方向不明，难下决心。 管理人员迫切需要一个科学的办法，随时掌握蒸汽管网的工况，以 便开展节汽、节能工作。 2 2 3 蒸汽管网节能研究发展 国内外学术界和工程界都在研究蒸汽系统，实施技术改造方案，以 期节约能源，提高效益。蒸汽管网系统的产品技术和系统技术上都有了 长足发展，蒸汽管网的优化设计、系统诊断、在线补漏、管网产品的在 线检测、计算机监测与管理等管网系统技术正在发展。 ( 1 ) 工程研究 徐忠等1 4 】分析了原设计正常负荷与实际生产负荷下的广州乙烯装 置的蒸汽管网的蒸汽平衡情况和存在的问题，由此提出了改进措施，做 中国l i 油人学( 华东) 硕十论文第2 章文献综述 好蒸汽平衡工作，稳定生产。 张卓理【5 l 介绍了大化肥蒸汽管网优化控制系统，并对开车过程中该 系统存在的一些问题提出了解决办法。经生产实际应用证明，明显减少 了管网蒸汽的放空量，并提高了蒸汽管网控制系统的调节品质。 胡连营等1 6 】从工艺到监控个问题的概述既简要总结了现有凝结水 回收技术，也不同程度指出了发展方向。认为就整体而言，首先尚需进 行一些论研究，在此基础上形成必要的设计思想和技术施；其次应加强 技术和产品的先进性和可靠性开发。 谷传芝【7 】就当前国内橡胶企业蒸汽管网存在的问题、蒸气节能的潜 力、节能效果和开展节能工作的可行性进行了论述。认为当前各橡胶企 业蒸汽能耗大，潜力大，开展节能工作效果会很好，根据现在的客观条 件大力开展节能工作是可行的。 蔺迎征等【8 】着重对山西铝厂近年来在优化热力管网，解决生产薄弱 环节的一些工作进行了总结，并对所产生的经济效益进行了计算分析， 最后阐述了节能与生产之间的内在关系。 尹铁成【9 】指出，节约用汽包括四个途径：减少漏气和散热，改进设 备和工艺，蒸汽梯次利用和余热利用，合理安排生产、调节生产负荷。 王茜卅从宏观和管理的角度分析，论述了冶金行业蒸汽系统当前存 在的浪费能源的现状，提出节能方向、节能潜力和部分企业采用系统优 化设计的实例和建议。 兰州炼油厂通过集中供暖、加强疏水器管理、平衡蒸汽供应和优化 运行等措施，不断开展节能工作，蒸汽耗量、单耗逐年降低，1 9 9 0 年 为o 5 8 吨汽吨油，2 0 0 0 年降至0 4 0 吨汽吨油j 。 南化大化肥【1 2 】根据蒸汽管网的现状对高压蒸汽管网、中压蒸汽管网 及全厂动力联锁进行了改造。改造后提高了蒸汽管网的安全性和操作弹 性，避免了经济损失。 石家庄炼油石化股份有限公司 1 3 1 针对其蒸汽凝结水回收系统存在 的问题( 主蒸汽管线传输效率低、沿程压力降大；疏水器的选型不当、 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 质量参差不齐；凝结水回收系统不健全、布局不合理；缺乏性能可靠的 凝结水设备等) 采取一系列措施进行改造，改造取得了明显效果：除盐 水消耗减少3 6 7 2 k t a 。多回收凝结水余热4 5 9 t j a 。节约除氧蒸汽 2 8 8 k t a ，年经济效益达3 9 9 5 9 x 1 0 4 r m b 。 茂名石化炼油2 0 0 5 年通过应用保温新技术、新材料对蒸汽系统管 线保温进行攻关改造，通过对保温改造的管线进行测试，其表面温度基 本低于5 0 c ，大大降低了蒸汽管网的能源损耗，目前共完成中、低压 蒸汽管线保温改造4 2 0 0 米，仅7 个月减少散热损失1 5 2 万元。同时加 大管网的巡查、堵漏力度，节水达2 5 0 吨小时，节约了大量蒸汽。 大庆石化厂注重供热系统节能，2 0 0 5 年调整方案，优化流程，随 时调整各装置的供汽方案，利用三个换热站、锅炉除氧器和个厂前热 水换热站来控制调整蒸汽用量及软化水、脱盐水、凝结水的用量。对管 网布置进行合理规划，降低损失折合资金1 1 4 万元。取消不必要的蒸汽 放空，使车间节能1 8 7 2 万元。 云南曲靖复烤厂1 9 9 6 和1 9 9 8 年采用密闭式冷凝水回收技术对厂里 的两大支柱型工艺车间的冷凝水回收系统进行了节能改造，不仅明显降 低了能源消耗及相应费用，支持和促进了环保事业，而且也大大缩短了 锅炉的运行时间，延长了其维修间隔和使用寿命。 沧州某化肥厂1 1 1 对厂内管网进行凝结水回收改造后，投资分析结果 表明，仅仅一个半月，全部改造投资己从凝结水回收所降低的成本中全 部收回，效益非常显著。 华北某制药厂对某蒸汽管网节能工程的“疏水”、“减压”、“温控” 和“凝结水回收”等环节进行优化与更新后，节约蒸汽1 5 万g e a 年，回 收凝结水1 6 万吨年，两项节约折价2 3 0 万元，全部改造投资不到九个 月即己安全收回。 吉林市集中供热管网采用热力信息管理系统管理软件，解决了热力 公司生产过程控制管理手段与实际管理技术水平相对滞后的矛盾，提高 了科学化管理水平，降低了成本，提高了供热质量，取得较好的节能效 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章文献综述 益和其它非能源效益。一个采暖期( 2 0 0 0 年1 0 月2 0 0 1 年3 月) 节约 原煤1 0 3 万吨，节能率为6 6 。年节约原煤1 0 3 万吨( 以每吨1 8 0 元 计算) ，公司年纯增节能效益1 8 5 8 万元。考虑到应用该系统带来的人 员减少、系统运行品质提高等因素，年间接节约管理费用为1 0 0 万元。 总的经济效益为2 8 5 8 万元。年可减排c 0 21 8 9 万吨，减少了环境污染。 陈晓等【1 4 】介绍了宝钢中压蒸汽疏水器的现状，通过试验对节能型疏 水器与普通疏水阀的性能进行了对比，并对节能型疏水阀的经济性进行 分析，并提出了宝钢中压蒸汽疏水系统改造方案。 孙玉宝等1 1 5 1 调查了济南市蒸汽管网的情况，分析了集中供热蒸汽管 道热损失的组成，通过采集济南市具有代表性的三个蒸汽管网的运行数 据，计算了其热损失，绘制了蒸汽管网的热损失率曲线图并对其进行了 分析，对济南市的蒸汽管网提出了整改建议可供参考。 ( 2 ) 数学模拟研究 田子平等【l6 l 针对宝山钢铁( 集团) 公司低压蒸汽管网三期改造工程， 进行了热网计算机实时仿真。将热网结构归纳并抽象为“节点”和“管 段”两大类管网元素，简化构成数据结构体。用基本物理定律得出控制 方程组，通过与克希荷夫定律类比的方法，建立了仿真数学模型。求解 中采取适当的排除伪根的措施和收敛速度快、精确度高的迭代求解方 法。投入在线运行，达到了数学仿真模型的计算时间3 0 s ：计算迭代 误差5 ；数据更新周期一 4 5 s 的预定要求。 李世武【l7 1 论述了蒸汽管网系统运行工况的模拟计算方法，用节点模 拟计算法能实现对蒸汽管网系统运行中的流量、压力和温度分布等状况 作出总体的模拟计算。论述了蒸汽管网系统统节点残量修正计算法的原 理、步骤和应用情况。 章金华【1 8 l 编制了简化蒸汽管网水力计算的应用软件，将此软件用于 宁波经济开发章金华区金鸡山一兴洋毛毯公司的供热管网的设计计算 中，证明该水力计算软件可以满足工程实际的需要。 宋杨等【9 l 建立一种高精度的蒸汽供热管网动态仿真模型。该模型将 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 蒸汽处理成为单相可压缩流体，将管网处理成为由节点和支路组成的 种网络结构。在仿真计算中，采用隐式e u l e r 算法、线性迭代方法和稀 疏矩阵算法求解由物理模型所得的非线性微分方程组。证明了所用的算 法具有大范围收敛特性。此方法将被应用于青岛市蒸汽供热管网的工程 项目中。 刘笑驰等【2 0 l 将蒸汽处理成为单相可压缩流体，将管网处理成为由节 点和支路组成的一种网络结构，建立数学模型。在仿真计算中，采用稀 疏矩阵算法求解非线性方程组。同时，将管网模型与控制系统并列运行， 通过实际运行数据辨识管路的阻力系数，使实际系统中管路的阻力变化 实时反映到模型中来，达到在线仿真的目的。 朱云等【2 l 】针对蒸汽供热管网中热损耗现象作出两种分类：正常的管 网散热和被称之为故障的各种不可预计的散热、漏气。在此基础上通过 传热理论建立了正常管网散热的热损耗模型，并以管网各节点的温度作 为对象提出了一种递推算法。以此作为切入点，通过故障诊断规则的引 入，与蒸汽供热管网抄表系统的监测数据的对比，用计算机实现故障的 诊断。 张重坤等【2 2 】【2 3 】针对典型炼油厂中压蒸汽管网的实际运行状况，运 用先进的石油化工工艺模拟软件d e s i g ni i 对炼油厂中压蒸汽管网进 行模拟，提出了提出了中压蒸汽管网科学、安全、优化运行方法和中压 蒸汽管网改造方案。 张伯嗣等1 2 4 】利用流体及电网络相似性原理建立蒸汽网络的数学模 型，结合网络技术解决两相流体动力学以及网络系统的传热、散热问题。 工程实践证明，该数学模型具有良好的数值稳定性和收敛性，可用来求 解大规模的复杂管网系统问题。 黄维章等1 3 】介绍了利用计算机技术建立的炼油厂蒸汽管网模拟与 监测管理系统，通过该系统能在线监测整个管网系统，以保证管网优化 节能运行。 沈晓翔等【25 】针对d z s 型锅炉热效率不高、蒸汽压力不稳、蒸汽供 中国f i 油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 热管网易短路或局部不热、凝结水回收难等问题，对低压蒸汽锅炉采用 了“实现平衡通风、安装在线仪表、完善调节手段、回收尾部余热、稳 定锅炉液位”等措施，对蒸汽供热管网采用了“稳定蒸汽压力、强化下 游疏水、优化工艺流程、改进调节方法、回收凝结水”等技术思路，对 锅炉房及相关流程进行了技术改造，取得了显著的节能效果。 李祥立等1 2 6 】提出了可用于蒸汽管网水力计算的分段积分法，该方法 考虑了蒸汽作为弹性介质对管段压力损失的影响。对各管段分段积分， 无迭代过程，计算结果准确。 陈志奎等【27 l 将化学工程、热能工程、i t 技术、计算数学和拓扑学 集于一体，开发了过程严格在线模拟与智能监测( p r s i m ) 软件，并将 此项技术用于蒸汽系统模拟计算和实时监测，投用以后能产生的综合经 济效益相当于节省蒸汽2 以上。 黄镇海等【2 b 】利用正常蒸汽管网的实测数据作为神经网络学习样本， 通过神经网络的学习不断调整通过传热理论建立的正常管网传热模型 中的温度分布系数，由此建立一个逼近实际蒸汽管网模型的传热模型， 并以此作为蒸汽管网的诊断系统的诊断标准。再结合数据采集系统和对 管网实时运行状况模拟和故障报警系统，组成蒸汽管网的智能监测系统 最后，用v c 编程实现了该系统。 2 3 文献综述小结 通过以上文献综述，可以看出： 1 、节能对于我国的能源安全、环境保护和经济社会的可持续发展 都具有非常深远的意义。蒸汽系统作为能源的重要组成部分，其节能研 究也越来越受到各方面的重视。 2 、随着生产规模的渐进发展，蒸汽管网系统变得庞大复杂，不仅 难以管理调度，而且浪费惊人，实施蒸汽管网节能工程极为必要。 3 、对蒸汽管网热损分析与研究的专项工作做得不多，目前应该高 度重视这方面的研究，并结合企业实际情况开展工作。 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章文献综述 4 、为合理优化蒸汽管网、指导工程操作，必须依靠先进的模拟和 监测技术。近年来，国内学者在理论上已经解决了建立蒸汽管网水力学 模型的问题，并提出了一些建模方法，但因工程化不力，故一直未见成 功实用；国外虽有专用的商品软件，但多用于管网设计计算，在实时智 能监测方面也鲜见报导。管理人员迫切需要一个科学的办法，随时掌握 蒸汽管网的工况，以便开展节汽、节能工作。 第3 章基丁管网模拟技术的若算分析方法的建立 第3 章基于管网模拟技术的热损分析方法的建立 3 1 热损的定义 管网热损分为两类：一类是指蒸汽质量的损失，主要由蒸汽的冷凝 和泄漏造成；另一类是指蒸汽热量的损失，主要原因是管线的散热和冷 凝水排放带走了热量。蒸汽质量的损失必然会带来热量的损失，反之， 蒸汽热量损失，不定带来质量损失。 3 2 热损的表现形式 如图1 - 1 所示，蒸汽通过一段管线，会造成一定的热量散失，温度 等参数发生变化，温度降到饱和温度时，会产生冷凝水。 图3 - 1 管线运行参数示意图 其中： g ，、p ，、乃、研分别表示进口蒸汽的流量、压力、温度和焓值； ，巴、乃，飓分别表示出口蒸汽的流量、压力、温度和焓值； g 旷，岛r 分别表示冷凝水的流量和焓值； 轨表示管线外表面散热。 如果用功，砀、易表示沿管线不同位置的外表面温度，则根据质 量守恒和能量守恒原理，得到如下等式： g j = g 2 + g w ( 3 - 1 ) g jh t = g 2h 2 + g 彤蜥+ q ( 3 2 ) 其中，焓是温度和压力的函数， 第3 章基于管网模拟技术的若算分析方法的建立 h = f ( p ，丁) ( 3 3 ) 一段有保温层的蒸汽圆管的传热过程，包括管内蒸汽到管内侧壁 面、管内侧壁面到管外侧壁面、管外侧壁面到保温层内侧壁面、保温层 内侧壁面到保温层外侧壁面、保温层外侧壁面到环境大气等五个环节。 其中，稳态下通过每个环节的热量是相等的。 保温层外侧壁面到环境大气的散热计算公式如下： 纨= 捌( 巧一z d ( 3 - 4 ) 其中： k 表示保温层# b 坝r j 壁面到环境大气的传热系数； 一表示保温层外侧壁面传热面积； 乃表示保温层外侧壁面的温度； l 表示环境大气温度。 从式( 3 2 ) 可以得到管线的散热损失为： q l = g ih l - - g 2h 2 一g 阱h ( 3 - 5 ) 对于过热蒸汽管线，没有冷凝水产生( g = 0 ，g 产q ) ，则： q l = g 4 h ( 3 6 ) 从式( 3 3 ) 、( 3 - 4 ) 、( 3 5 ) 和( 3 6 ) 可知热损的表现形式为： 外表面有热量流，主要表现在外表面温度高于环境温度。 蒸汽焓值下降，主要表现在温度下降。 蒸汽冷凝，产生凝结水。 基于上述热损的表现形式，测量热损失有两种途径，一是测量蒸汽 进、出口的温度后，用式( 3 5 ) 和( 3 6 ) 计算；二是测量保温层外表 面的温度，用式( 3 - 4 ) 计算。常用的测量方法是采用第二种途径。 3 3 影响热损的因素 如前所述，一段有保温层的蒸汽圆管的传热过程，包括管内蒸汽到 管内侧壁面、管内侧壁面到管外侧壁面、管外侧壁面到保温层内侧壁面、 保温层内侧壁面到保温层外侧壁面、保温层外侧壁面到环境大气等五个 第3 章基丁i 管网模拟技术的若算分析方法的建立 环节。由于钢铁导热系数远远大于保温层的导热系数，保温层内侧与管 壁外侧距离很小。所以，管内侧壁面到管外侧壁面、管外侧壁面到保温 层内侧壁面的传热阻力可以忽略。 总传热系数采用以保温层外侧表面积为基准的传热系数t 的计算公 式： 七2 互趸1 磊j ， 口i d l 2 t d ia o 热损失q 可按下式计算： q = e a a t ( 3 8 ) 其中， 为保温层的导热系数； 以为保温层外侧直径； d 为保温层内侧直径，即钢管外径； 一为传热面积； a t = f - t o ，管内蒸汽温度和环境温度的差值，即传热推动力。 为保温层外侧与大气的对流传热系数，与外界风速、雨雪天气 等有关。 从式( 3 7 ) 和( 3 8 ) 可以看出，影响热损的因素包括：保温层的 导热系数、保温层外表面积、管内蒸汽温度、管外环境温度、环境风速、 雨雪天气等。另外，由于保温层施工不好，造成管段裸露、保温层厚度 密度不足，以及管托导热等因素也造成管段的散热损失。如果产生冷凝 水，则疏水器的完好状况对热损也会造成很大的影响。 第3 章基丁管网模拟技术的若算分析方法的建立 ( 1 ) 保温层导热系数的影响 在式( 3 - 7 ) 中，害d o j 为管段内壁面热阻，童2 2l i l 鲁为保温层热阻，a id i 上为保温层外表面热阻。其中， 口。 生l n 生殄立：生i n d o 土 2 2 d l8 i d 。? 2 2d a ， 因此由式( 3 7 ) 得： 如覃12 盎 。， 2 丑d ，“d 。 由式( 3 9 ) 可知，对于同样管径和保温层厚度的管段，总传热系 数与保温层材料的导热系数成正比例关系，即散热量与保温层的导热系 数成正比例关系。 一般的保温层导热系数可由下式描述： 旯z a + b ( 乙一0 ( 3 1 0 ) 其中， ：平均温度为l 时的导热系数，w n l - 1 k ； 4 ：常数，0 * c 或者常温下的导热系数，w m - 1 k ： 6 ：温度系数，反映随温度的变化程度，w m - i k ： ：材料的平均温度； c ：平均温度校正系数。 由式( 3 - 1 0 ) 可知，o c 或者常温下的导热系数大的保温层材料， 或者温度系数6 较大的保温层材料，会造成更大的散热损失。 ( 2 ) 保温层厚度的影响 保温层外表面积： 第3 章基丁管网模拟技术的若算分析方法的建立 a = 蒯。， ( 3 1 1 ) 其中，为管长。 由式( 3 7 ) 、( 3 8 ) 和( 3 1 1 ) ，并且忽略蒸汽到管壁内侧的传热， 则管段单位长度的热损失可以写成下式： q 2 工1l n 丝d o + 工12 盟r ，+ r 2 ( 3 _ 1 2 ) 2 视d ，碱口。 其中墨= 乏i l f l 鲁，为保温层导热热阻； 曰：= ，为保温层外表面对环境的对流传热热阻。 蒯。口。 由该式可以看出，当保温层厚度( 酣= ( d o d , ) 2 ) 增加时，虽 然导热热阻增加，但对流传热热阻由于表面积增加而下降，因而热损失 随保温层厚度的增加是增大还是减小取决于两热阻之和是增大还是减 小。通过式( 3 1 2 ) 对磊求导，并另其等于零，即： 旦：竺：! 巫i ：巫11 ：。：= 一= 二二二二：= u d ( 以) ( 1 1 n 生+ l 1 d ，d o a 。7 由此得到热损失o 为最大值时的保温层直径： d 。：一2 2 ( 3 1 3 ) 口。 该值为保温层的临界直径，如果保温层外径小于临界直径，则增加 保温层厚度反而使热损失增加。 在石化企业，蒸汽管线多为室外架空，保温层外表面传热系数口。= 1 0 - - 1 5w m - 2 k 1 ，保温层导热系数在高温情况大大约在o 0 5 - - 0 1 5 第3 章基于管网模拟技术的若算分析方法的建立 w m 1 k 范围内，而蒸汽管线一般都比较粗( 基本都在d n 8 0 以上，伴 热管线也很少小于2 5r a i n ) ，因此，石化企业蒸汽管线保温层外径均大 于临界直径。所以，保温层越厚，散热越小。 ( 3 ) 环境温度天气状况对热损的影响 由式( 3 7 ) 可知，保温层外表面与大气传热系数越大，则散热越 大。晴天时，该系数大约在l o 1 5w m - l k l ；下雨时，该系数可达1 0 0 - - 8 0 0w m - 2 k - 1 。由于保温层热阻远远大约外表面的热阻，因此，保温 层完好的情况下，天气状况对热损影响不大。 由式( 3 - 8 ) 可知，环境温度越低，散热越大。 ( 4 ) 保温层裸露对热损的影响 如果保温层由于损坏，或者阀门、法兰处没有进行保温，则会造成 管线局部裸露。由式( 3 - 1 2 ) 可知，如果管线裸露，则散热损失为： q = 履毛口。( z r o ) ( 3 1 4 ) 由( 式1 2 ) 、( 式1 4 ) 得： q q = 鲁- n 字+ - ( 3 - 1 5 ) 在晴天情况下，i r a 。= 1 0 w m a k ，a = o 1w m i k ，d o = o 5 2 5 m ， 4 = o 3 2 5r l l ，则：q o = 1 3 6 ，即，保温层裸露时的散热损失是保温 层完好时的十倍以上。 在下雨情况下，口。= ( 1 0 0 8 0 0 ) w m a k 一，则散热损失要增加 成百上千倍。因此，保温层裸