严格在线模拟与智能监测技术成功用于蒸汽管网系统

1、严格在线模拟与智能监测技术成功用于蒸汽管网系统!曹雁青 陈志奎蒸汽作为生产过程中的主要携能工质和辅助工艺物流，被广泛用于炼油、化工、钢铁、轻工、热电、区 域集中供热等各个领域。随着生产规模的渐进开展， 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。为此，国内外学界和工程界都在研究蒸汽系统， 实施技术改造方案。管网本身诸如管线老化、阀门和 疏水器失效、仪表不灵、保温破损等问题，比拟容易 发现和解决。而操作工况，特别是管网内未安装测量 仪表的重要部位，其温度、压力、热损失等参数难以 及时掌握，导致调度管理不力、造成蒸汽严重浪费， 甚至出现重大运行事故。这类问题必须有先进的模 拟和监测

2、技术才能解决。近年来，国内学者在理论上 已经解决了籍基尔霍夫定律建立蒸汽管网水力学模 型的问题，以及有关网络计算的方法，但因工程化不 力，故一直未见成功实用；国外已有专用的商品软 件，多用于管网设计计算，在实时智能监测方面也鲜 见报导。笔者近年来专门研究蒸汽管网系统的数学模拟 和智能监测方法，承接了前人的研究经验，完善了模 拟策略，采取了工程化措施后，形成了一套实用的严格在线模拟与智能监测技术。裁汪誉龙博士率先提出，对炼油化工装置实施严格在 线 模 拟3(4050,6 7* 89(*) :0;)-(*4，即 以 流 程 模拟软件 6?)*)A 公司总裁 9.B5)*)2C2DE.*6 那么提倡

3、在线动态模拟 的策略。他们期望把模拟技术推行到生产装置上，帮 助工程师及时调整操作条件，获取更好的经济效益。 但是在常减压、合成氨等装置上试验的效果不理想， 主要原因是装置流程和物料太复杂。时过境迁，1 技 术的快速开展，促使我们重温他们那很有见地的思 想。特别是对于蒸汽管网那样物料单一的系统，在线 模拟获得成功的希望很大。蒸 汽 管 网 严 格 在 线 模 拟 与 智 能 监 测 技 术 外支管：管段的一端与其它管段连接，另一端 与汽源或用户连接。如图 = 中的线段 (?、A、%B、CD。模拟原理图 ; 中的模拟系统即对蒸汽管网水力和传热工况进行模拟计算的软件。该软件集成了基尔霍夫关 于电网

4、络的定律、流体力学、化学工程、拓扑学和计 算数学等根底理论和知识如图 内管：管段的两端均与其它管段连接。如图 =中的线段 ?、?% 等。 节点E：管段之间的连接处，不包括二通连 接，即每个节点至少与三根管段连接。如图 = 中的点?、%、C，点 (、A、B、D 那么不属于节点。 回路?：由假设干根管段组成的封闭环路。如 图 = 中的 !?%、!?%C、!?C。 通路：从某一根外支管沿相连的管段 到另一根外支管，其间经过的管段组成一个 通路。如图 = 中 的 折 线 (?A、(?%B、(?CD 等。蒸汽网络与电网络相似，可以将描述电 网 络 的 基 尔 霍 夫 F、FF 定 律 应 用 到 蒸 汽

5、 网 络 中，形成如下问题和解：设：网络 G 有 2 根外支管，/ 根内管，E 个 节点。2 根外支管外端的压力值分别为 !;、!?1 个 8l lDp = C G 2 其中 C =mmp 2 d 5 r物料平衡方程 个 m$# 传热模型方 回路方程 1A?!个能量平衡方程 蒸汽管道通常都有保温处理，但不可完全防止程 通路方程 A!个热能向周围环境散失。在模拟系统中有散热模拟功数 阻力方程 ?1 个能，计算管段温降和凝结水情况等。合计 &=?1 个 !蒸汽主要热力学物性的计算方法结论 可以得到唯一解 国际公式化委员会6-+制定的水蒸气热力学 性质，被广泛应用于科学研究、工程设计等领域，其# 水

6、力学模型 可靠性得到了公认。789: 以 6-+ 提供的公式为主，对上述能量平衡方程，用流体力学的知识，确定结合 /6; Ts ，说明管段末端温 n ( 12n )| f x , x ,L, x= 0度 T2 = T20 ； %0122 采用牛顿.拉夫森法解上述非线性方程 如果 DH Q ，并且T20 Ts ，说明 !) 偏小，增 组。在实际计算中，针对蒸汽等流体网络的具体情加 !) 继续计算，直到 DH = Q ； 况，采用了一些加速收敛的技巧和必要的边界条件，如果 DH Ts，说明 !) 偏大，减小 使得方程解算有稳定的收敛性。!) 继续计算，直到 DH = Q ；如果减小到 T20 =

7、Ts 时， 工 程 化 方 法仍然是 DH Q ，那么说明有冷凝水析出，管段末端温度 。 上述管网系统的建模理论虽然已经很成熟了，T2 = Ts设该温度下蒸汽的汽化潜热为 *，那么冷凝水量： 但是，只有采取了必要的工程化措施，这些理论才能con = (Q - DH ) / r 应用于实际。以下即为所采用的工程化措施。!方程组求解# 大型蒸汽管网系统的识别&方程自由度分析%0122 引入了自动建模策略，以拓朴学原理识 系统自由度可以用下式表示： 别蒸汽管网结构，确定独立方程数，自动建立联立方+,-./程组。26!#$% 数字石油和化工视点资源节约专题视点资源节约专题图 - 关联矩阵!关联矩阵整个

8、网络系统的逻辑关系可以用完全关联矩阵#$% 来描述。完全关联矩阵定义如下： 设该网络系统 & 有 # 个顶点，% 根管段，令!， 假设管段 ( 与顶点 ) 关联，且 ( 的方向流出 )；#!#*!，假设管段 ( 与顶点 ) 关联，且 ( 的方向流入 )；#$+， 假设管段 ( 与顶点 ) 不关联，如图 , 所示的管网，可以用如图 - 所示的矩阵 来描述。添加虚拟节点的方法，计算得到管网中任何位置的蒸汽参数，这是软仪表技术。使用该项技术，不须在 汽源、用户等关键点外再安装仪表，工程师就可以得 到管网中任何管段、任何位置的蒸汽参数，其中包括 流速、散热损失、蒸汽凝结等难以测量的参数。软仪 表技术已

9、被证明是可靠的，对及时、详细掌握蒸汽管 网工况起到了关键作用。#在线温压校正蒸汽流量计量不准是一个很棘手的问题。除了 流量计本身因操作时间长、保养不好而失准外，多数 情况与工况多变，引起蒸汽温度、压力波动，继而使 其密度、粘度变化有很大的关系。34566 采用温压在 线校正方法，使得模拟计算出来的流量值比拟准确， 有利于管理人员校验流量计，把蒸汽平衡做准。$开放式的工程数据库34566 在模拟计算时，要用到的工程数据繁多， 涉及到钢管材料、管径系列、各种尺寸的弯头、热补 偿器、大小头、阀门等管件，以及保温材料、疏水器布 置等。34566 的工程数据库收集了全部国产管材、保 温材料和煤质分析等数

10、据，而且对用户“开放，即可 以在必要时由用户修改这些数据，或者建立专用数 据集，以保证 34566 模拟结果符合实际。适于工程应用的特点还有自动计算管网各管段 的管径、保温层厚度、疏水器定位等，这些对管网设 计和改造很有用。% 装置因子 鉴于蒸汽管网流程太复杂，管道上管件非常多，加上气候、管壁粗糙度、保温完整情况、实际蒸汽流通 量等都不可能描述得绝对准确，故模拟计算结果，如 指定点的温度、压力、流量、冷凝水量等会与真值有偏 差。这个问题不可能仅依靠严密的理论和方程式来解 决。34566 采用了装置因子来“纠偏，效果很好。用户 体会到不断完善装置因子，可以使数学模型与实际蒸 汽系统日趋吻合，模拟

11、结果也会更加的可靠。&数据传输接口34566 实施时，要开发实时数据采集系统与各.圈矩阵设该网络系统 & 有 # 个顶点，% 根管段，令!，假设管段 ( 在第 ) 个环路中，且管段的方向与环路 ) 的方向一致；!#$#*!，假设管段 ( 在第 ) 个环路中，且管段的方向与环路 ) 的方向相反；#$+，假设管段 ( 不在第 ) 个环路中，,割矩阵设该网络系统 & 有 # 个顶点，% 根管段，令!，假设管段 ( 在断集 ) 中，且管段的方向与断集 ) 的方向一致；#%#*!，假设管段 ( 在断集 ) 中，且管段的方向与断集 ) 的方向相反；#$+，假设管段 ( 不在断集 ) 中，-各矩阵间的关系关

12、联矩阵通过 选 主 元 初 等 行 变 换 即 可 得 到 割 阵。再根据圈矩阵和割矩阵的关系 /01+，得到圈矩 阵。然后用圈矩阵列出环路方程。2自动建立联立方程描述整个系统物料平衡和能量平衡的是一组联 立方程。由!、.、,和-所述方法可以得到这 两类方程所涉及到的管线和顶点等要素的关系，再 结合水力学模型，即可建立描述管网的联立方程。此 过程由计算机自动完成。!软仪表技术34566 以联立方程描述蒸汽管网，于是可以用27数字石油和化工 !#$%视点资源节约专题视点资源节约专题子系统间的接口。该接口用户化后，可以从实时数据库中自动地下载数据，使模拟计算在线自动进行。因 用户通信设施各不相同，

13、故在实施 !#$ 工程时，这方面工作量比拟大。实际案例已经有一批 !#$ 工程在城市热力、炼油、钢铁和汽车等企业成功投用，现以某大型供热企业为 例，说明其应用效果。! 现状该热网汽源的供汽压力为 %&(!)，供汽 能 力*+* , - .，用汽单位 /* 多个，管网总长约 +* 公 里，以往损汽率约 /0%0。计量系统完善，蒸汽 参数通过无线数据采集系统采集到中央控制室中。 供热管网如图 1 所示。图中共有两个锅炉圆 圈、两个分汽缸长条、约 /* 个用户方块。箭头表示管段内流体的流向。# 需求%建立供汽管网热力模型，能严格、准确地实 时模拟管网稳态工况，了解任一管道上任一点的参 数温度、压力、

14、流量、散热和冷凝情况等。根据不同用汽负荷要求，确定汽源的配置和 参数。2为环网调度、管网扩建、改造提供流程和工 况的修改依据。+为供汽管网优化操作提供指导性意见。1实现实时智能监测。$ 应用效果!#$ 工程的实施，满足了上述需求，以下为该 厂管理人员用 !#$ 做的日常主要工作。%实时监测如图 3 所示，为蒸汽管网实时智能监测系统的 主监测界面局部示意界面。该界面用来显示测量 数据和模拟计算数据，管理人员借此实时、详细地了解蒸汽管网任何部位的操作参数和工况。图 % 主监测界面统计报表系统可以对整个蒸汽管网的实时和历 史数据分别进行统计分析，该系统还可以对管网进行分区域统计，如图 4、图 / 所

15、示。图 & 实时区域统计表界面图 日、月、年报表统计此外，还设置了必要的报警功能，按用户制定要求，在重要部位有异常情况时自动报警。根本工况分析表 中除用汽量和管线长度为外，其它均为!#$ 的模拟计算结果、这些结果符合实际工况。28!#$% 数字石油和化工视点资源节约专题视点资源节约专题图 ! 供热管网模型示意图29数字石油和化工 !#$%视点资源节约专题视点资源节约专题表 !管网工况表! 一区、五区和六区用汽量较小，流速过低，管径相对于供汽量偏大，造成单位供汽量热损失偏大， 沿途冷凝水量也偏大。! 二区、三区和四区情况较为正常。! 增加对一区和五区的供汽量是可行的，并且 增大供汽量后，流速增加

16、，可以减少冷凝水量。!六区距离供汽点较远，沿途蒸汽输送必经四区，而四区目前平均流速已达约 ,). / 0。假设增加六区的供汽量，那么会使四区的压损增大。因此，六区的供 热潜力受到四区用户压力要求的限制。可以考虑开 通五区与六区的联网管，蒸汽通过五区管线供往六 区的方案。&供热和管损分析表 热损失表! 一区管网规模占整个管网的近 #$，而供汽量缺乏 $；损汽率约 %#$；冷凝水量占整个管网冷 凝水的 &($；一区管网效率仅为 )*$。因此，增加 一区用户的用汽量或者在该区开展新的大用户，是 提高一区管网效率的有效途径。! 二区管网规模占整个管网的 (%$，供汽量约 %&$，管网效率 +)$。该区

17、域虽然远离供汽源，但是由于几个较大用汽单位存在，使管网平均流速较大，因此损汽率较低，并且有较大的供汽潜力。! 三区和四区集中了大局部大用汽量的用户， 用汽量占 *)$，而管网规模仅占 ,-($，并且距离供 热点较近。二区和五区的用汽经过这两个区域，因此 区域内流速大，冷凝水很少，管网效率最高，达 +($以上。30!#$% 数字石油和化工区域用户热量 百分比供热量 百分比区域管 网效率管线长度 百分比散热损失 百分比冷凝水量 百分比一区#*$)$)*$+,$($&($二区)-$)$+)$(%$,)$(#$三区,(&$,)($+-$-$-,$,&$四区)-($)($+($+-$,-$#*$五区*)

18、$+,$*)$,($,%($&)+$六区,$)&$)*$+#$+$),)$合计#$#$+($#$#$#$区域用户数用汽量1 / 2供汽量1 / 2管线总长度.局部当量 长度.平均流速. / 0散热损失34#(56 / 27凝结水58 / 2一区+%+&+&+%&*%+)&,%)#&%二区%&,(&+(&,)*,-,)*%)%)三区%)+-%(#%&,*+(-&),-(&%,*(四区+#&)#+-*&(*,+)#%,&*:， 是由于炼油厂操作不稳定致使原始数据不能作为优化的根底，或系统偶尔出现的一些小问题。结论为了帮助 %*+?= 炼厂以经济优化的方式运行其日渐复杂的公用工程系统，到达降低操作本钱的 目 的 ，678 开 发 了 一 套 公 用 工 程 系 统 的 优 化 模 型