炼厂蒸汽动力系统能量优化途径和方法

炼厂蒸汽动力系统能量优化途径和方法［摘要］介绍炼厂蒸汽动力系统的能量优化特点、优化思路、优化方法。一、 炼厂蒸汽动力系统特点；二、 炼厂蒸汽动力系统节能优化；一、炼厂蒸汽动力系统特点炼厂的蒸汽动力系统消耗大量原煤、石油焦、天然气等一次能源，通过锅炉、汽轮机和发电机，向工艺系统提供动力、电力、热、蒸汽等，这部分能耗在炼厂能耗中占有很大的比例。蒸汽动力系统的优化运行对炼厂的安全生产和成本控制具有重要的影响，是炼厂能量系统优化的重要方面。满足工艺生产要求的前提下，蒸汽动力系统优化的最终结果应体现在外输入燃料、电、蒸汽等能量的减少或者输出蒸汽、热量的增加，其优化结果是整个能量系统优化效益的反映。炼厂的蒸汽动力系统具有以下特点：（1）炼厂内产汽点多且分散，用户也多。炼厂的蒸汽不仅仅在动力站产生，工艺装置也会发生各等级的蒸汽，并且会并入全厂蒸汽管网；炼厂蒸汽用户大多在工艺装置内，分散于企业全厂的各个区域，通过蒸汽管网连接蒸汽用户和产汽点。（2） 压力等级多。炼厂各装置及系统的用汽压力等级各不相同，受工程和经济因素限制不可能设置过多的蒸汽管网系统，不可能生产各种压力等级的蒸汽以适应不同的装置要求，所以都是只设定几个等级，根据多年的实际生产经验和工艺要求一般设置10.0MPa、3.5MPa、1.0MPa和0.3MPa四个管网系统；对于无高压蒸汽要求的炼厂，只有三级管网就可以了；有一些则为区域性的局部管网。管网设置不仅要考虑蒸汽多级利用，更应考虑现实和工程因素。而根据按质用能的原则，动力锅炉尽可能产生较高参数的蒸汽，逐级利用产汽和用汽的压差，特殊情况下会减温减压使用蒸汽。（3） 燃料来源多样性。动力站的燃料除了炼厂石油焦、炼厂干气外，还要外购部分煤、天然气等；蒸汽动力系统除了自身发电以外，同时为了满足企业生产需要还会从外部购入一定电力，外购电与自发电存在最优比例。（4） 工况变化多。炼厂常处于多工况的变化之中，引起蒸汽动力系统需求波动巨大，如随季节、加工量、生产方案、市场价格等变化；这些变化主要来自于生产装置波动对蒸汽、电力需求产生的影响。（5） 炼厂自备电厂运行要求“以汽定电”。炼厂蒸汽动力系统是汽电联产的过程，蒸汽和电力的生产必需以实际消耗来确定，不能储存。工艺装置的蒸汽需求只能通过蒸汽动力系统提供，电力需求可以通过外部电网来调解；因此要求炼油企业的蒸汽动力系统必需“以汽定电”，锅炉产汽首先满足工艺装置需求，其次用于发电。（6） 炼厂的蒸汽管网运行时刻处于变动中。管网内蒸汽流量的变动导致压降和温度会有不同的变化。蒸汽流量过大时，管网的压降较大，造成末端的压力达不到工艺的需求；而流量过小时，由于热容流率过低，蒸汽管网的温降过大，过热蒸汽会在末端变成饱和蒸汽，甚至进一步降低饱和压力，达不到用户的需求。所以变工况下管网的模拟和优化运行是蒸汽系统优化的一项重要内容。目前，已经有商业化蒸汽管网模拟软件，利用模拟软件，可以模拟管网优化的运行方案，通过调节改变管网的不同管段的流量，从而使压降和温降保持在合理的范围内。（7） 装置的大功率电机开、停时对电力系统冲击大。突发事故预案要求各级蒸汽、动力有完善的紧急备用设施；为保证工艺系统需求，炼厂蒸汽动力系统热功联产效率目标常被牺牲。二、炼厂蒸汽动力系统节能优化基于装置的供/耗平衡优化蒸汽、电力产耗的关键性因素都是来自于工艺装置，工艺装置的内部优化会改变蒸汽、电力的需求和产出；装置内部使用过程中的减温减压、大功率机泵的驱动方式、背压改为抽凝、汽机驱动改为电机驱动等都会对全厂蒸汽系统平衡产生影响。所以蒸汽动力系统运行优化首先基于工艺装置、热集成等优化的结果，确定蒸汽系统的边界条件。（1） 装置产汽量装置的工艺过程就是用能过程，在使用过程中也产生大量的富余能量，该能量根据其温位可产生不同等级的蒸汽。比如催化装置的再生烟气，重整装置的加热炉余热、制氢和硫磺等装置的加热炉和工艺过程，均有余热通过设置汽包产生蒸汽，常减压、加氢裂化及渣油加氢等装置的工艺流程中设置蒸汽发生器用于产生蒸汽。装置的余热是非稳定、不可控的能量，其产生的蒸汽一般不作为全厂的保证汽源，所以装置产汽对炼厂蒸汽动力系统有较大影响，尤其催化裂化装置、延迟焦化装置等发大量蒸汽，对蒸汽管网的压力控制、蒸汽流速和蒸汽平衡形成约束，工艺装置优化后的产汽情况是优化蒸汽动力系统的重要初始条件。（2） 装置的用汽量工艺装置的蒸汽使用主要包括以下几个方面：工艺过程用蒸汽。如：汽提蒸汽、催化裂化反应器沉降段汽提蒸汽，以及作为反应物参与完成反应过程用的蒸汽，如烃类蒸汽转化制氢过程的蒸汽等。加热用蒸汽。如分馏塔底再沸器加热用蒸汽，以及各种伴热、采暖用汽。动力用蒸汽。包括蒸汽往复泵、凝汽透平用汽、减压塔顶抽空器用汽。雾化蒸汽。包括燃油加热炉雾化蒸汽，催化裂化反应器进料雾化蒸汽等。吹扫、事故、消防用汽。这些用汽的特点是具有间断性。惰性介质及保护用汽。炼厂许多化学反应过程是需要阻抑的，蒸汽起到抑制反应、保护设备的惰性介质作用，如催化裂化反应器安全阀防焦蒸汽、再生器的稀相注汽、减压炉和焦化加热的炉管注汽、催化裂化提升管预提升蒸汽等。其目的在于降低油汽分压、增加流速、缩短停留时间。装置的优化结果会改变蒸汽消耗量，蒸汽动力系统优化必须基于新的蒸汽产耗平衡条件下进行，尤其对于溶剂再生蒸汽、动力用蒸汽等大的蒸汽使用情况。（3）装置的动力需求工艺装置的动力需求是推动过程物料连续稳定流动的能量供入，主要包括电力和蒸汽驱动的各种泵、压缩机等，工艺装置优化的结果会产生新的动力需求平衡；同时结合蒸汽动力系统优化结果，对装置内的驱动源进行优化，适应蒸汽动力优化的结果。蒸汽动力系统运行的优化炼厂蒸汽动力系统普遍存在运行不合理的现象，如：包括锅炉与汽轮机等在内的设备陈旧、规模小、效率低，结构和参数设置不合理；因扩产需要，炼厂蒸汽动力系统时常会增加小型锅炉与小型汽轮机，但却没有进行系统的优化，造成系统效率低下。应用数学规划法优化蒸汽动力系统时，一般先构造一个包括各种单元设备，（如锅炉、蒸汽轮机、燃气轮机、电动机等）及不同压力等级的蒸汽管网及其他辅助设备的超结构，然后建立混合整数线性规划（MILP）模型或者混合整数非线性规划（MINLP）模型来表征蒸汽动力系统。目标函数可以是全周期内费用最小或者多个优化目标的最优解。最后选择合适的优化算法来求解，得到蒸汽动力系统最优流程结构和操作条件。（1）优化目标函数蒸汽动力系统优化目标往往要求系统运行费用最低，运行费用包括：燃料费用、设备折旧费用、购入电力和蒸汽费用，同时企业销售蒸汽和电力又能折消部分运行费用。目标函数：瑟配潟=££命、耳十£1＞虬十口.45逐,十£》产4厂1].35崩,一£，邮距flI fl J I实际的炼厂运营中，蒸汽动力系统的各种燃料、外购电力的价格会随季节改变和产品方案变动而变化；有效地利用价格在不同季节、时段的变化，优化设备的运行，是蒸汽动力系统运行优化要解决的一个重要方面。在保证蒸汽动力系统安全、稳定运行的基础上，根据当前能源市场，核算系统内各个设备操作性能指标，计算蒸汽和电力的实际成本，考虑外购电力的合理性，以经济性为目标，调整锅炉和汽轮机的操作状态。（2）约束关系蒸汽动力系统主要完成燃料、蒸汽和电力的转换过程以及不同压力等级蒸汽间的调节，对于没有燃气轮机的蒸汽动力系统，上述各能量工质的转化主要通过锅炉、汽轮机和减温器实现，因此，蒸汽动力系统的优化建模必须要建立上述完成各转化过程的单体设备模型，在单体设备模型和工艺需求确定的条件基础上，建立模型的约束条件和最优化目标函数。•蒸汽-电力转化关系一一汽轮机不含燃气轮机的蒸汽动力系统，蒸汽轮机是完成蒸汽和电力转换的主要设备。背压和凝汽蒸汽轮机，机组发电量与进汽量满足关系：怎=晶+必,一次抽汽式汽轮机，机组的发电量主要由机组进汽量和抽汽量决定，且满足关系：4二4十』括茂玖十。柢二次抽汽式汽轮机，机组发电量与机组汽量的关系满足：。钮=弘乂％+此x。鬲+勤x如+耳3由以上各关系式通过实际生产中机组运行数据可以采用线性回归方法得到各关系式中的参数，从而建立蒸汽动力系统中的汽电转化关系。•汽汽转换关系一一减温减压炼厂装置对不同等级蒸汽的需求不同，在蒸汽动力系统中，除背压汽轮机外，减温器同样可以实现高等级蒸汽转化为低等级蒸汽的过程。对减温器做物料和能量衡算可以得到减温器模型：蒸汽在减温减压过程中压力能和热能无谓浪费，蒸汽的做功能力和品质会降低，所以蒸汽动力系统的合理调度应尽量减少减温减压手段调解蒸汽的耗用平衡。•模型其他约束蒸汽动力系统的燃料、蒸汽和电力之间的转化关系是不同能量介质间的约束。同时约束系统运行的关系还包括：燃料供应约束关系：1设备能力约束关系：- -+MZ如」+头蒸汽平衡约束关系：2%」+丹乏&+琮电力供应约束关系：(3)模型求解根据全厂热电需求量，综合蒸汽发生量、热力管网压力等级，优化动力锅炉负荷及汽轮机运行。许多商业软件可以完成上述优化功能，包括AspenUtility，KBC公司的Petro-sim、PIL公司的Site-int、石林公司的燃动模型等。优化的内容主要包括：•确保变生产工况条件下蒸汽、电的品质和数量。工艺装置对蒸汽和电力的需求会随着各种因素发生变化，优化模型可以得到最优的产、耗平衡。•全厂蒸汽和瓦斯的产、用平衡，蒸汽动力系统的最优燃料构成；•在保证供应和产/用平衡的条件下，实现最佳的功热联产，达到最优的汽电比例；•锅炉、汽轮机的开停状态及运行负荷率分配；•各种变工况条件下的最高功热联产效率；•减温减压阀的合理启用和监控。•价格变动影响。数学规划法虽然已经在公用工程系统中得到验证并且取得显著的经济效益，但对于规模较大、设备单元多的系统，变量数太多，混合整数线性规划和混合整数非线性规划容易出现无法求解的情况；实际生产过程中，设备的价格及其处理能力并非连续的函数，而在数学规划法中则做了简化，可能得到的解并不是最优解；炼厂在不同时期进料的组成、生产计划、热功需求随着季节变化等，使得工艺过程的实际情况非常复杂，应用数学规划法时都是将问题简化为多周期问题，但随着周期与系统单元的增加，模型求解变得非常困难，无法在合理的时间内得到问题的最优解。环境因素优化蒸汽动力系统运行成本同时应考虑环境因素。如考虑碳减排条件下的炼厂原油优化。炼厂蒸汽动力系统消耗大量能源，同时会产生许多污染物。蒸汽动力系统产生的污染物来源于锅炉的燃料燃烧，主要有二氧化硫、氮氧化物以及一些悬浮颗粒物、炉渣等。随着能源与环境问题日益加剧，考虑环境因素的蒸汽动力系统优化势在必行。为了在优化设计的过程中使得蒸汽动力系统的污染物排放量达到最小的环境影响，不仅要从已有的系统出发进行研究改造，也要从设计之初就引入环境成本，即企业为防治自身活动对环境造成的影响而采用措施的成本，以及企业为达到环境目标所要付出的其他成本。同时集成各种成熟的节能减排工艺系统，多使用清洁燃料，合理降低锅炉排污量，对污水进行能量回收利用，在保证经济效益的同时，降低对环境的污染，实现可持续发展。蒸汽管网的平衡优化蒸汽伴热与热力管网布局优化，包括结构、参数、保温、压力等级、疏水方式、设备等。优化物料伴热、降低蒸汽伴热。炼厂的很多物料通过蒸汽和输油管线内介质的热交换及管线外绝热层的作用，保证正常的输送工艺。蒸汽伴热虽然一次性投资低，但维护成本较高。在操作温度不高或者不能采用高温伴热介质的管线，应该充分利用热媒水替代蒸汽伴热，降低伴热蒸汽消耗量。优化蒸汽管网布局。在满足汽源流量、温度、压力等要求的情况下，调整管网的结构参数。通过调节管径大小、材质、弯头、阀门等布置，减少蒸汽沿程阻力损失；加强管理维护、检修，避免蒸汽泄漏损失；通过有效的保温措施减少管道散热损失；保证凝结水及时疏出，避免造成蒸汽管网磨损、腐蚀；保证蒸汽主管有坡度，防止管网供气距离过长，降低管线压降、温降；优化管网运行。需在现有管网模拟基础上借助PROSS优化管网运行。蒸汽动力系统设备优化汽轮机。炼厂蒸汽动力系统的汽轮机种类较多，主要有背压式、凝汽式、抽汽背压式、抽汽凝汽式等，按照用途不同，汽轮机可分为驱动工艺机泵和驱动发电机两种。对于发电用的汽轮机，则根据蒸汽平衡情况，按照“以汽定电”的原则，确定发电机的功率。锅炉。炼油厂锅炉的主要作用是：在工艺产汽量不能满足装置需求时，作为补充汽源；在装置开、停车过程中，锅炉发生蒸汽供应装置使用；锅炉产蒸汽，驱动汽轮发电机，为工厂提供所需的电力。锅炉主要有循环流化床锅炉和煤粉炉等。除氧器。炼厂的锅炉及余热锅炉的参数一般较高，要求锅炉给水的残留溶解氧较低，所以，除氧器一般采用压力式热力除氧；当锅炉及余热锅炉的参数不高时，也经常采用大气式除氧器。闪蒸罐。炼厂回收的温度较高的水(如锅炉、余热锅炉的连续排污、工艺冷凝水等)，为了回收其热量，便于用泵输送，通常将其送到闪蒸罐，闪蒸的二次蒸汽回蒸汽管网利用。减温减压。为保证上级蒸汽母管的压力不超过限定值，或者满足下级蒸汽母管的压力，或者工艺要求的蒸汽参数与母管的参数不一致，或者作为有抽汽式汽轮机或者背压式汽轮机事故状况的备用设施，均需要设置减温减压装置。4.1.确定设备工况条件对蒸汽动力系统进行优化，通过建立数学模型可以确定符合生产实际的最优操作运行方式、锅炉负荷分配和燃料配比、汽轮机的发电/抽汽情况，蒸汽系统的自发电与外购电比例等，降低了系统操作成本。蒸汽动力系统的建模优化结果会确定设备的运行工况条件，为提高设备运行效率提供边界条件。.减少蒸汽减温减压在炼油生产过程中，蒸汽动力系统与工艺过程