煉廠蒸汽動力系統(tǒng)能量優(yōu)化途徑和方法［摘要］介紹煉廠蒸汽動力系統(tǒng)的能量優(yōu)化特點、優(yōu)化思路、優(yōu)化方法。一、 煉廠蒸汽動力系統(tǒng)特點；二、 煉廠蒸汽動力系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化；一、煉廠蒸汽動力系統(tǒng)特點煉廠的蒸汽動力系統(tǒng)消耗大量原煤、石油焦、天然氣等一次能源，通過鍋爐、汽輪機和發(fā)電機，向工藝系統(tǒng)提供動力、電力、熱、蒸汽等，這部分能耗在煉廠能耗中占有很大的比例。蒸汽動力系統(tǒng)的優(yōu)化運行對煉廠的安全生產(chǎn)和成本控制具有重要的影響，是煉廠能量系統(tǒng)優(yōu)化的重要方面。滿足工藝生產(chǎn)要求的前提下，蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化的最終結(jié)果應(yīng)體現(xiàn)在外輸入燃料、電、蒸汽等能量的減少或者輸出蒸汽、熱量的增加，其優(yōu)化結(jié)果是整個能量系統(tǒng)優(yōu)化效益的反映。煉廠的蒸汽動力系統(tǒng)具有以下特點：（1）煉廠內(nèi)產(chǎn)汽點多且分散，用戶也多。煉廠的蒸汽不僅僅在動力站產(chǎn)生，工藝裝置也會發(fā)生各等級的蒸汽，并且會并入全廠蒸汽管網(wǎng)；煉廠蒸汽用戶大多在工藝裝置內(nèi)，分散于企業(yè)全廠的各個區(qū)域，通過蒸汽管網(wǎng)連接蒸汽用戶和產(chǎn)汽點。（2） 壓力等級多。煉廠各裝置及系統(tǒng)的用汽壓力等級各不相同，受工程和經(jīng)濟因素限制不可能設(shè)置過多的蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)，不可能生產(chǎn)各種壓力等級的蒸汽以適應(yīng)不同的裝置要求，所以都是只設(shè)定幾個等級，根據(jù)多年的實際生產(chǎn)經(jīng)驗和工藝要求一般設(shè)置10.0MPa、3.5MPa、1.0MPa和0.3MPa四個管網(wǎng)系統(tǒng)；對于無高壓蒸汽要求的煉廠，只有三級管網(wǎng)就可以了；有一些則為區(qū)域性的局部管網(wǎng)。管網(wǎng)設(shè)置不僅要考慮蒸汽多級利用，更應(yīng)考慮現(xiàn)實和工程因素。而根據(jù)按質(zhì)用能的原則，動力鍋爐盡可能產(chǎn)生較高參數(shù)的蒸汽，逐級利用產(chǎn)汽和用汽的壓差，特殊情況下會減溫減壓使用蒸汽。（3） 燃料來源多樣性。動力站的燃料除了煉廠石油焦、煉廠干氣外，還要外購部分煤、天然氣等；蒸汽動力系統(tǒng)除了自身發(fā)電以外，同時為了滿足企業(yè)生產(chǎn)需要還會從外部購入一定電力，外購電與自發(fā)電存在最優(yōu)比例。（4） 工況變化多。煉廠常處于多工況的變化之中，引起蒸汽動力系統(tǒng)需求波動巨大，如隨季節(jié)、加工量、生產(chǎn)方案、市場價格等變化；這些變化主要來自于生產(chǎn)裝置波動對蒸汽、電力需求產(chǎn)生的影響。（5） 煉廠自備電廠運行要求“以汽定電”。煉廠蒸汽動力系統(tǒng)是汽電聯(lián)產(chǎn)的過程，蒸汽和電力的生產(chǎn)必需以實際消耗來確定，不能儲存。工藝裝置的蒸汽需求只能通過蒸汽動力系統(tǒng)提供，電力需求可以通過外部電網(wǎng)來調(diào)解；因此要求煉油企業(yè)的蒸汽動力系統(tǒng)必需“以汽定電”，鍋爐產(chǎn)汽首先滿足工藝裝置需求，其次用于發(fā)電。（6） 煉廠的蒸汽管網(wǎng)運行時刻處于變動中。管網(wǎng)內(nèi)蒸汽流量的變動導(dǎo)致壓降和溫度會有不同的變化。蒸汽流量過大時，管網(wǎng)的壓降較大，造成末端的壓力達(dá)不到工藝的需求；而流量過小時，由于熱容流率過低，蒸汽管網(wǎng)的溫降過大，過熱蒸汽會在末端變成飽和蒸汽，甚至進(jìn)一步降低飽和壓力，達(dá)不到用戶的需求。所以變工況下管網(wǎng)的模擬和優(yōu)化運行是蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化的一項重要內(nèi)容。目前，已經(jīng)有商業(yè)化蒸汽管網(wǎng)模擬軟件，利用模擬軟件，可以模擬管網(wǎng)優(yōu)化的運行方案，通過調(diào)節(jié)改變管網(wǎng)的不同管段的流量，從而使壓降和溫降保持在合理的范圍內(nèi)。（7） 裝置的大功率電機開、停時對電力系統(tǒng)沖擊大。突發(fā)事故預(yù)案要求各級蒸汽、動力有完善的緊急備用設(shè)施；為保證工藝系統(tǒng)需求，煉廠蒸汽動力系統(tǒng)熱功聯(lián)產(chǎn)效率目標(biāo)常被犧牲。二、煉廠蒸汽動力系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化基于裝置的供/耗平衡優(yōu)化蒸汽、電力產(chǎn)耗的關(guān)鍵性因素都是來自于工藝裝置，工藝裝置的內(nèi)部優(yōu)化會改變蒸汽、電力的需求和產(chǎn)出；裝置內(nèi)部使用過程中的減溫減壓、大功率機泵的驅(qū)動方式、背壓改為抽凝、汽機驅(qū)動改為電機驅(qū)動等都會對全廠蒸汽系統(tǒng)平衡產(chǎn)生影響。所以蒸汽動力系統(tǒng)運行優(yōu)化首先基于工藝裝置、熱集成等優(yōu)化的結(jié)果，確定蒸汽系統(tǒng)的邊界條件。（1） 裝置產(chǎn)汽量裝置的工藝過程就是用能過程，在使用過程中也產(chǎn)生大量的富余能量，該能量根據(jù)其溫位可產(chǎn)生不同等級的蒸汽。比如催化裝置的再生煙氣，重整裝置的加熱爐余熱、制氫和硫磺等裝置的加熱爐和工藝過程，均有余熱通過設(shè)置汽包產(chǎn)生蒸汽，常減壓、加氫裂化及渣油加氫等裝置的工藝流程中設(shè)置蒸汽發(fā)生器用于產(chǎn)生蒸汽。裝置的余熱是非穩(wěn)定、不可控的能量，其產(chǎn)生的蒸汽一般不作為全廠的保證汽源，所以裝置產(chǎn)汽對煉廠蒸汽動力系統(tǒng)有較大影響，尤其催化裂化裝置、延遲焦化裝置等發(fā)大量蒸汽，對蒸汽管網(wǎng)的壓力控制、蒸汽流速和蒸汽平衡形成約束，工藝裝置優(yōu)化后的產(chǎn)汽情況是優(yōu)化蒸汽動力系統(tǒng)的重要初始條件。（2） 裝置的用汽量工藝裝置的蒸汽使用主要包括以下幾個方面：工藝過程用蒸汽。如：汽提蒸汽、催化裂化反應(yīng)器沉降段汽提蒸汽，以及作為反應(yīng)物參與完成反應(yīng)過程用的蒸汽，如烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫過程的蒸汽等。加熱用蒸汽。如分餾塔底再沸器加熱用蒸汽，以及各種伴熱、采暖用汽。動力用蒸汽。包括蒸汽往復(fù)泵、凝汽透平用汽、減壓塔頂抽空器用汽。霧化蒸汽。包括燃油加熱爐霧化蒸汽，催化裂化反應(yīng)器進(jìn)料霧化蒸汽等。吹掃、事故、消防用汽。這些用汽的特點是具有間斷性。惰性介質(zhì)及保護(hù)用汽。煉廠許多化學(xué)反應(yīng)過程是需要阻抑的，蒸汽起到抑制反應(yīng)、保護(hù)設(shè)備的惰性介質(zhì)作用，如催化裂化反應(yīng)器安全閥防焦蒸汽、再生器的稀相注汽、減壓爐和焦化加熱的爐管注汽、催化裂化提升管預(yù)提升蒸汽等。其目的在于降低油汽分壓、增加流速、縮短停留時間。裝置的優(yōu)化結(jié)果會改變蒸汽消耗量，蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化必須基于新的蒸汽產(chǎn)耗平衡條件下進(jìn)行，尤其對于溶劑再生蒸汽、動力用蒸汽等大的蒸汽使用情況。（3）裝置的動力需求工藝裝置的動力需求是推動過程物料連續(xù)穩(wěn)定流動的能量供入，主要包括電力和蒸汽驅(qū)動的各種泵、壓縮機等，工藝裝置優(yōu)化的結(jié)果會產(chǎn)生新的動力需求平衡；同時結(jié)合蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果，對裝置內(nèi)的驅(qū)動源進(jìn)行優(yōu)化，適應(yīng)蒸汽動力優(yōu)化的結(jié)果。蒸汽動力系統(tǒng)運行的優(yōu)化煉廠蒸汽動力系統(tǒng)普遍存在運行不合理的現(xiàn)象，如：包括鍋爐與汽輪機等在內(nèi)的設(shè)備陳舊、規(guī)模小、效率低，結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置不合理；因擴產(chǎn)需要，煉廠蒸汽動力系統(tǒng)時常會增加小型鍋爐與小型汽輪機，但卻沒有進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化，造成系統(tǒng)效率低下。應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃法優(yōu)化蒸汽動力系統(tǒng)時，一般先構(gòu)造一個包括各種單元設(shè)備，（如鍋爐、蒸汽輪機、燃?xì)廨啓C、電動機等）及不同壓力等級的蒸汽管網(wǎng)及其他輔助設(shè)備的超結(jié)構(gòu)，然后建立混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型或者混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）模型來表征蒸汽動力系統(tǒng)。目標(biāo)函數(shù)可以是全周期內(nèi)費用最小或者多個優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)解。最后選擇合適的優(yōu)化算法來求解，得到蒸汽動力系統(tǒng)最優(yōu)流程結(jié)構(gòu)和操作條件。（1）優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)往往要求系統(tǒng)運行費用最低，運行費用包括：燃料費用、設(shè)備折舊費用、購入電力和蒸汽費用，同時企業(yè)銷售蒸汽和電力又能折消部分運行費用。目標(biāo)函數(shù)：瑟配潟=￡￡命、耳十￡1＞虬十口.45逐,十￡》產(chǎn)4廠1].35崩,一￡，郵距flI fl J I實際的煉廠運營中，蒸汽動力系統(tǒng)的各種燃料、外購電力的價格會隨季節(jié)改變和產(chǎn)品方案變動而變化；有效地利用價格在不同季節(jié)、時段的變化，優(yōu)化設(shè)備的運行，是蒸汽動力系統(tǒng)運行優(yōu)化要解決的一個重要方面。在保證蒸汽動力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前能源市場，核算系統(tǒng)內(nèi)各個設(shè)備操作性能指標(biāo)，計算蒸汽和電力的實際成本，考慮外購電力的合理性，以經(jīng)濟性為目標(biāo)，調(diào)整鍋爐和汽輪機的操作狀態(tài)。（2）約束關(guān)系蒸汽動力系統(tǒng)主要完成燃料、蒸汽和電力的轉(zhuǎn)換過程以及不同壓力等級蒸汽間的調(diào)節(jié)，對于沒有燃?xì)廨啓C的蒸汽動力系統(tǒng)，上述各能量工質(zhì)的轉(zhuǎn)化主要通過鍋爐、汽輪機和減溫器實現(xiàn)，因此，蒸汽動力系統(tǒng)的優(yōu)化建模必須要建立上述完成各轉(zhuǎn)化過程的單體設(shè)備模型，在單體設(shè)備模型和工藝需求確定的條件基礎(chǔ)上，建立模型的約束條件和最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。?蒸汽-電力轉(zhuǎn)化關(guān)系一一汽輪機不含燃?xì)廨啓C的蒸汽動力系統(tǒng)，蒸汽輪機是完成蒸汽和電力轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備。背壓和凝汽蒸汽輪機，機組發(fā)電量與進(jìn)汽量滿足關(guān)系：怎=晶+必,一次抽汽式汽輪機，機組的發(fā)電量主要由機組進(jìn)汽量和抽汽量決定，且滿足關(guān)系：4二4十』括茂玖十。柢二次抽汽式汽輪機，機組發(fā)電量與機組汽量的關(guān)系滿足：。鈕=弘乂％+此x。鬲+勤x如+耳3由以上各關(guān)系式通過實際生產(chǎn)中機組運行數(shù)據(jù)可以采用線性回歸方法得到各關(guān)系式中的參數(shù)，從而建立蒸汽動力系統(tǒng)中的汽電轉(zhuǎn)化關(guān)系。?汽汽轉(zhuǎn)換關(guān)系一一減溫減壓煉廠裝置對不同等級蒸汽的需求不同，在蒸汽動力系統(tǒng)中，除背壓汽輪機外，減溫器同樣可以實現(xiàn)高等級蒸汽轉(zhuǎn)化為低等級蒸汽的過程。對減溫器做物料和能量衡算可以得到減溫器模型：蒸汽在減溫減壓過程中壓力能和熱能無謂浪費，蒸汽的做功能力和品質(zhì)會降低，所以蒸汽動力系統(tǒng)的合理調(diào)度應(yīng)盡量減少減溫減壓手段調(diào)解蒸汽的耗用平衡。?模型其他約束蒸汽動力系統(tǒng)的燃料、蒸汽和電力之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系是不同能量介質(zhì)間的約束。同時約束系統(tǒng)運行的關(guān)系還包括：燃料供應(yīng)約束關(guān)系：1設(shè)備能力約束關(guān)系：- -+MZ如」+頭蒸汽平衡約束關(guān)系：2%」+丹乏&+琮電力供應(yīng)約束關(guān)系：(3)模型求解根據(jù)全廠熱電需求量，綜合蒸汽發(fā)生量、熱力管網(wǎng)壓力等級，優(yōu)化動力鍋爐負(fù)荷及汽輪機運行。許多商業(yè)軟件可以完成上述優(yōu)化功能，包括AspenUtility，KBC公司的Petro-sim、PIL公司的Site-int、石林公司的燃動模型等。優(yōu)化的內(nèi)容主要包括：?確保變生產(chǎn)工況條件下蒸汽、電的品質(zhì)和數(shù)量。工藝裝置對蒸汽和電力的需求會隨著各種因素發(fā)生變化，優(yōu)化模型可以得到最優(yōu)的產(chǎn)、耗平衡。?全廠蒸汽和瓦斯的產(chǎn)、用平衡，蒸汽動力系統(tǒng)的最優(yōu)燃料構(gòu)成；?在保證供應(yīng)和產(chǎn)/用平衡的條件下，實現(xiàn)最佳的功熱聯(lián)產(chǎn)，達(dá)到最優(yōu)的汽電比例；?鍋爐、汽輪機的開停狀態(tài)及運行負(fù)荷率分配；?各種變工況條件下的最高功熱聯(lián)產(chǎn)效率；?減溫減壓閥的合理啟用和監(jiān)控。?價格變動影響。數(shù)學(xué)規(guī)劃法雖然已經(jīng)在公用工程系統(tǒng)中得到驗證并且取得顯著的經(jīng)濟效益，但對于規(guī)模較大、設(shè)備單元多的系統(tǒng)，變量數(shù)太多，混合整數(shù)線性規(guī)劃和混合整數(shù)非線性規(guī)劃容易出現(xiàn)無法求解的情況；實際生產(chǎn)過程中，設(shè)備的價格及其處理能力并非連續(xù)的函數(shù)，而在數(shù)學(xué)規(guī)劃法中則做了簡化，可能得到的解并不是最優(yōu)解；煉廠在不同時期進(jìn)料的組成、生產(chǎn)計劃、熱功需求隨著季節(jié)變化等，使得工藝過程的實際情況非常復(fù)雜，應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃法時都是將問題簡化為多周期問題，但隨著周期與系統(tǒng)單元的增加，模型求解變得非常困難，無法在合理的時間內(nèi)得到問題的最優(yōu)解。環(huán)境因素優(yōu)化蒸汽動力系統(tǒng)運行成本同時應(yīng)考慮環(huán)境因素。如考慮碳減排條件下的煉廠原油優(yōu)化。煉廠蒸汽動力系統(tǒng)消耗大量能源，同時會產(chǎn)生許多污染物。蒸汽動力系統(tǒng)產(chǎn)生的污染物來源于鍋爐的燃料燃燒，主要有二氧化硫、氮氧化物以及一些懸浮顆粒物、爐渣等。隨著能源與環(huán)境問題日益加劇，考慮環(huán)境因素的蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化勢在必行。為了在優(yōu)化設(shè)計的過程中使得蒸汽動力系統(tǒng)的污染物排放量達(dá)到最小的環(huán)境影響，不僅要從已有的系統(tǒng)出發(fā)進(jìn)行研究改造，也要從設(shè)計之初就引入環(huán)境成本，即企業(yè)為防治自身活動對環(huán)境造成的影響而采用措施的成本，以及企業(yè)為達(dá)到環(huán)境目標(biāo)所要付出的其他成本。同時集成各種成熟的節(jié)能減排工藝系統(tǒng)，多使用清潔燃料，合理降低鍋爐排污量，對污水進(jìn)行能量回收利用，在保證經(jīng)濟效益的同時，降低對環(huán)境的污染，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。蒸汽管網(wǎng)的平衡優(yōu)化蒸汽伴熱與熱力管網(wǎng)布局優(yōu)化，包括結(jié)構(gòu)、參數(shù)、保溫、壓力等級、疏水方式、設(shè)備等。優(yōu)化物料伴熱、降低蒸汽伴熱。煉廠的很多物料通過蒸汽和輸油管線內(nèi)介質(zhì)的熱交換及管線外絕熱層的作用，保證正常的輸送工藝。蒸汽伴熱雖然一次性投資低，但維護(hù)成本較高。在操作溫度不高或者不能采用高溫伴熱介質(zhì)的管線，應(yīng)該充分利用熱媒水替代蒸汽伴熱，降低伴熱蒸汽消耗量。優(yōu)化蒸汽管網(wǎng)布局。在滿足汽源流量、溫度、壓力等要求的情況下，調(diào)整管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過調(diào)節(jié)管徑大小、材質(zhì)、彎頭、閥門等布置，減少蒸汽沿程阻力損失；加強管理維護(hù)、檢修，避免蒸汽泄漏損失；通過有效的保溫措施減少管道散熱損失；保證凝結(jié)水及時疏出，避免造成蒸汽管網(wǎng)磨損、腐蝕；保證蒸汽主管有坡度，防止管網(wǎng)供氣距離過長，降低管線壓降、溫降；優(yōu)化管網(wǎng)運行。需在現(xiàn)有管網(wǎng)模擬基礎(chǔ)上借助PROSS優(yōu)化管網(wǎng)運行。蒸汽動力系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化汽輪機。煉廠蒸汽動力系統(tǒng)的汽輪機種類較多，主要有背壓式、凝汽式、抽汽背壓式、抽汽凝汽式等，按照用途不同，汽輪機可分為驅(qū)動工藝機泵和驅(qū)動發(fā)電機兩種。對于發(fā)電用的汽輪機，則根據(jù)蒸汽平衡情況，按照“以汽定電”的原則，確定發(fā)電機的功率。鍋爐。煉油廠鍋爐的主要作用是：在工藝產(chǎn)汽量不能滿足裝置需求時，作為補充汽源；在裝置開、停車過程中，鍋爐發(fā)生蒸汽供應(yīng)裝置使用；鍋爐產(chǎn)蒸汽，驅(qū)動汽輪發(fā)電機，為工廠提供所需的電力。鍋爐主要有循環(huán)流化床鍋爐和煤粉爐等。除氧器。煉廠的鍋爐及余熱鍋爐的參數(shù)一般較高，要求鍋爐給水的殘留溶解氧較低，所以，除氧器一般采用壓力式熱力除氧；當(dāng)鍋爐及余熱鍋爐的參數(shù)不高時，也經(jīng)常采用大氣式除氧器。閃蒸罐。煉廠回收的溫度較高的水(如鍋爐、余熱鍋爐的連續(xù)排污、工藝?yán)淠?，為了回收其熱量，便于用泵輸送，通常將其送到閃蒸罐，閃蒸的二次蒸汽回蒸汽管網(wǎng)利用。減溫減壓。為保證上級蒸汽母管的壓力不超過限定值，或者滿足下級蒸汽母管的壓力，或者工藝要求的蒸汽參數(shù)與母管的參數(shù)不一致，或者作為有抽汽式汽輪機或者背壓式汽輪機事故狀況的備用設(shè)施，均需要設(shè)置減溫減壓裝置。4.1.確定設(shè)備工況條件對蒸汽動力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過建立數(shù)學(xué)模型可以確定符合生產(chǎn)實際的最優(yōu)操作運行方式、鍋爐負(fù)荷分配和燃料配比、汽輪機的發(fā)電/抽汽情況，蒸汽系統(tǒng)的自發(fā)電與外購電比例等，降低了系統(tǒng)操作成本。蒸汽動力系統(tǒng)的建模優(yōu)化結(jié)果會確定設(shè)備的運行工況條件，為提高設(shè)備運行效率提供邊界條件。.減少蒸汽減溫減壓在煉油生產(chǎn)過程中，蒸汽動力系統(tǒng)與工藝過程