蒸汽管網智能監測及優化技術在大連石化的應用

孫煒

(中國石油大連石化公司,遼寧大連 116032)

蒸汽管網智能監測及優化技術在大連石化的應用

孫煒

(中國石油大連石化公司,遼寧大連 116032)

蒸汽管網智能監測及優化技術是指利用信息化手段,對蒸汽管網的參數進行實時監測,并通過模型對蒸汽管網進行模擬計算,找出現有官網存在的問題并找出原因,從而提出最優的解決方案,并實現整個蒸汽系統的節能優化。

信息化 蒸汽管網 實時監測 模型 模擬計算 節能

1 前言

石化企業能耗主要來源于生產裝置和公用工程系統兩個面，前者經不斷的技術改造，綜合能耗穩步下降，例如，從1996年至2003年中國石化集團公司所屬煉油企業的綜合能耗從84.39千克標油/噸下降到了76.06千克標油/噸;但后者公用工程系統的能耗仍然偏高;通常耗能以蒸汽為主，占全廠總能耗20%～30%，蒸汽系統熱損在10%左右，足見節能潛力非常大。許多石化企業，特別是老廠，蒸汽管網系統缺乏統籌規劃，主要采用增減蒸汽管線等措施來滿足工藝裝置的擴能需求，導致蒸汽管網在結構上形成了多級化、多環化的復雜結構，給運行管理工作帶來了很大困難。利用蒸汽管網模擬軟件可以計算出管網中任一管段蒸汽的流向、流速、流量、溫度、壓力、熱損失和冷凝情況;而且計算精度較高，與實際相比，相對偏差在5%以內。它計算速度快、性能穩定;使調度人員隨時掌握管網工況;對提高蒸汽管網的管理、運行和改造水平有指導作用。

2 大連石化公司蒸汽管網概況

2.1 概述

大連石化現有煉油生產裝置68套，化工生產裝置7套，年原油一次加工能力2050萬噸，能生產汽油、煤油、柴油、潤滑油、石蠟、苯類、聚丙烯、細旦纖維等石化產品200多種。

大連石化蒸汽管網分為老區和新區，全廠夏季平均產汽量約為1070t/h，冬季平均產汽量約為1450t/h。老區主要包括熱電廠、四催化、西廠、東廠、合成廠等單位，新區主要包括220萬噸連續重整、加氫裂化、制氫、渣油加氫、煤柴油加氫、27萬噸硫磺等生產裝置，形成了熱電廠主供西廠、東廠、合成廠蒸汽的供汽格局。

圖1 大連石化公司蒸汽管網流程示意

表1 大連石化蒸汽管線統計數據

2.2 管網流程

大連石化公司蒸汽管網主要分為5個壓力等級，流程如圖1所示。

圖1中各條線段代表蒸汽管線，聯接產汽點和用汽點，包括9.3MPa、3.5MPa、1.0MPa、0.45MPa、0.3MPa五個壓力等級的蒸汽管線，其中：1)紅色管線代表9.3MPa等級蒸汽管線;2)橙色管線代表3.5MPa等級蒸汽管線;3)綠色管線代表1.0MPa等級蒸汽管線;4)藍色管線代表0.45MPa等級蒸汽管線;5)青色管線代表0.3MPa等級蒸汽管線。

2.3 管線統計

大連石化蒸汽管線統計數據見表1，統計范圍包括以上五個壓力等級，其中除帶產汽設備的車間外，都不包括用戶界區內部的蒸汽管線。

大連石化管線總長約47km，與其它石化企業的管網規模相比，它屬于規模較大的。

面對如此龐大的蒸汽系統，大連石化公司急需要一套專業的模擬軟件，來對全廠的蒸汽進行優化調度。因此大連石化公司實施了《大連石化蒸汽管網優化研究和智能監測系統升級》項目。

圖2 總體架構圖

圖3 管網模擬系統理論基礎

3 蒸汽管網智能監測及優化系統技術方案

3.1 總體構架

表2 冬季運行工況改變前后設備用汽對比

圖4 中壓管網壓力示意

圖5 中壓管網壓力瓶頸示意

如圖2所示為大連石化蒸汽管網優化研究和智能監測系統總體框架圖，分為物理層、信息層和應用層三個層面，包括蒸汽管網、測量儀表、數據采集系統、數據中心、模擬系統和監測系統等六個部分。DL-PROSS處于應用層，包括模擬系統和監測系統兩個部分。

蒸汽管網的結構參數由人工輸入到模擬系統中;實際測量的操作參數通過數據采集系統采集到數據中心;模擬系統利用管網結構參數和實時測量操作參數，模擬得到管網中各段管線的全部蒸汽參數;管網實時數據和模擬數據通過監測系統進行展示。管理人員即可以利用系統對管網進行設計、規劃、分析、優化等應用，也可以通過系統進行監測、管理和調度等應用。

3.2 系統功能

系統包括模擬系統和監測系統，模擬系統的主要功能包括管網規劃、協助調度、評估熱損、工況分析，監測系統的主要功能有實時工況監測、歷史數據查詢。

3.2.1 模擬系統的功能

(1)管網規劃：利用數學模型和模擬技術尋找不合理的熱損源，尋找蒸汽管網管線設計的薄弱環節，能為蒸汽管網改造提供優化方案及整改措施。

(2)協助調度：通過可視化、圖形化、組態化的界面，直觀地協助管理人員提高調度能力，對供熱系統進行科學、及時的操作管理和合理的運行調度提供有效的手段。

圖6 中壓管網優化措施示意

(3)評估熱損：系統可以對數據熱損進行精確的量化計算。根據模擬計算的結果與系統設定的理論結果相比較，及時發現影響管網系統熱損的原因、熱損異常的環節，識別故障的模式。系統具有測量值、理論計算值、設定值三者的比較功能，能及時做出提示和警告。從而為管網熱損分析提供理論依據和詳細的數據支持，使系統成為提高蒸汽管網經濟性和運行管理水平、降低熱損的輔助決策工具。

(4)工況分析：系統能夠模擬計算出在不同工況下，管網上任一管段任一點的操作參數，例如每根管段的流量、流向、線速度、壓降、局部壓損、溫降、保溫層外表面溫度、熱損失、冷凝水量、冷凝水產生的位置等，以及管線上任意一點的壓力、溫度等，從而全面掌握不同工況下蒸汽管網的運行特性。

3.2.2 監測系統的功能

(1)實時工況監測：監測系統可以實時監測蒸汽管網的運行參數，監測系統可以通過常駐顯示、趨勢圖、報表等來實時查看當前蒸汽管網運行參數。

(2)歷史數據查詢：可以查找蒸汽管網操作參數的歷史數據，通過設置查詢時間點，輸出歷史某個時刻的操作參數;還通過設置歷史時間區間輸出歷史曲線，能夠方便管理人員對蒸汽系統進行統計和分析。

3.3 技術路線

(1)引進研智科技管網通用模擬系統軟件PROSS，對該軟件進行二次開發;(2)詳細收集整理蒸汽管網結構參數和操作參數，資料的準確性和完整性關系到建模的質量;(3)建立全廠蒸汽系統的數學模型，并在現場進行調試、確認，保證模型的準確性;(4)在建模確認的基礎上，對蒸汽管網進行分析評估并提出優化措施;(5)開發數據庫接口，實現蒸汽管網的實時監測。

3.4 模擬原理

引進研智科技管網通用模擬系統軟件PROSS。PROSS是一款對蒸汽管網的模擬計算軟件。該軟件集成了基爾霍定律、流體力學、化學工程、拓撲學和計算數學、等基礎理論和知識（如圖3所示）。

3.5 工程化方法

管網系統的建模理論雖然已經很成熟了，但是，只有采取了必要的工程化措施，這些理論才能應用于實際。以下即為所采用的工程化措施。

(1)大型蒸汽管網系統的識別：PROSS引入了自動建模策略，以拓樸學原理識別蒸汽管網結構，確定獨立方程數，自動建立聯立方程組。

(2)軟儀表：PROSS以聯立方程描述蒸汽管網，可以用添加虛擬節點的方法，計算得到管網中任何點的蒸汽參數，這是軟儀表技術。使用該項技術，不須在汽源、用戶等關鍵點外再安裝儀表，工程師就可以得到管網中任何管段、任何位置的蒸汽參數。軟儀表技術已被證明是可靠的，對及時、詳細掌握蒸汽管網工況起到了關鍵作用。

(3)在線溫壓校正：蒸汽流量計量不準是一個很棘手的問題。除了流量計本身因操作時間長、保養不好而失準外，多數情況與工況多變，引起蒸汽溫度、壓力波動，繼而使其密度、粘度變化有很大的關系。PROSS采用溫壓在線校正方法，使得模擬計算出來的流量值比較準確，有利于管理人員校驗流量計，把蒸汽平衡做準。

(4)開放式的工程數據庫：PROSS在模擬計算時，要用到的工程數據繁多，涉及到鋼管材料、管徑系列、各種尺寸的彎頭、熱補償器、大小頭、閥門等管件，以及保溫材料、疏水器布置等。PROSS的工程數據庫收集了全部國產管材、保溫材料和煤質分析等數據，而且對用戶“開放”，即可以在必要時由用戶修改這些數據，或者建立專用數據集，以保證PROSS模擬結果符合實際。

(5)裝置因子：鑒于蒸汽管網流程太復雜，管道上管件非常多，加上氣候、管壁粗糙度、保溫完整情況、實際蒸汽流通量等都不可能描述得絕對準確，故模擬計算結果，如指定點的溫度、壓力、流量、冷凝水量等會與真值有偏差。這個問題不可能僅依靠嚴密的理論和方程式來解決。PROSS采用了裝置因子來“糾偏”，效果很好。用戶體會到不斷完善裝置因子，可以使數學模型與實際蒸汽系統日趨吻合，模擬結果也會更加的可靠。

以上關鍵技術也是本項目的創新點。模型中所用的計算方法均為有關手冊和標準上的經典方法，其中涉及到的參數的默認值亦采用手冊和標準上推薦的數值。為了增強模型的靈活性，使模型更加符合實際情況，這些參數均向用戶開放，用戶可以根據實際情況修改。此外，還有實時數據判錯與鎖定，數學模型現場調試與確認等一系列保證DL-PROSS質量的方法。

4 蒸汽管網智能監測及優化系統的應用情況——新區中壓管網蒸汽壓力偏低

4.1 問題描述

以冬季工況為例，該工況下，熱電廠界區中壓蒸汽壓力在3.45MPa以上，外送175t/h蒸汽后，到達末端用戶時壓力偏低。加氫裂化裝置的K-1701進汽壓力為3.02MPa，渣油加氫裝置的K-1801-1進汽壓力僅有2.98MPa。新區中壓管網蒸汽壓力偏低，從而導致新區使用中壓蒸汽的幾臺汽機做功能力下降(如圖4所示)。

4.2 問題分析

通往新區的蒸汽線有三條：電廠直供新區線、四催化供新區線、飽和蒸汽線。其中，飽和蒸汽線供往三蒸餾、輕烴回收、芳烴抽提三套裝置;新區其它用戶所需蒸汽主要由電廠直供新區線和四催化供新區線雙線供給，剩余用汽缺口由制氫和27萬噸硫磺這兩套裝置的自產汽補足。蒸汽輸送過程中存在壓力瓶頸是造成中壓管網壓力水平較低的原因，主要瓶頸段如圖5紫色管段所示。

4.3 優化方案與效益

只有緩解上述壓力瓶頸，中壓管網用戶用汽壓力才會提高，故提出以下優化方案：1)在四催化組立北端新裝一個閥門(如圖6中紅色閥門所示)，并關閉此閥門，切斷四催化北邊與新區之間的聯系;2)打開四催化組立南端與飽和蒸汽線之間聯通線上的三個閥門;在四催化南邊與飽和蒸汽線的跨線上新鋪兩條新的跨線(如圖6中綠色加粗管線所示)，使四催化南邊與四催化供新區線、電廠直供新區線建立連接關系，并通過這兩路給新區補汽。

改變運行工況后，新區裝置用汽壓力明顯增加，下表列出了打開閥門前后新區裝置內各個汽機用汽壓力的對比以及打開閥門后提高的做功能力：

從表2可知，上優化措施后，新區汽機最大做功能力可提高397.4千瓦時，比原最大做功能力提高了約1.6%，冬季這五臺汽機每小時供用汽300t/h，冬季工況仍按7個月來計，那么冬季可節省中壓用汽24192噸。蒸汽價格按照180元/噸計，冬季效益可達435萬元。夏季工況下，五臺汽機用汽量稍大，優化后增加的最大做功能力也相差不大，則夏季效益約為310萬元，全年效益共計745萬元。

5 結語

大連石化蒸汽管網智能監測及優化系統，一方面開發了蒸汽管網的數學模型，提供了一個蒸汽管網模擬計算的平臺，使對蒸汽管網的分析從定性變為定量;另一方面實現了管網的實時智能監測，使管網的單點監測變為全管網的監測。蒸汽管網指揮調度平臺的建立能為提高蒸汽管網的運行管理水平提供有力的支持。

該系統應用于生產調度方面，實時監測管網全面工況、提出了調整流程和操作參數的方案，模擬分析了冬季用汽量大調度難、冬季電廠減溫減壓量大、新區中壓蒸汽管網壓力偏低、低壓西廠壓降大東廠易凝水、四催化停工無法保證用戶正常用汽、二催開工用汽壓力偏低等問題，并提出了優化方案。該系統對蒸汽管網熱損進行了評估，指出了蒸汽管網節能潛力。

本系統的實時監測功能的發揮有賴于儀表和數采的完善，因此一方面完善儀表和數采特別是重要的監測點，另一方面在現有硬件的基礎上用人工輸入的方法彌補系統的不足，這需要使用人員熟練掌握系統的使用方法。

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