大型石化企業(yè)蒸汽動力系統(tǒng)運營優(yōu)化

1、2009年5刀石汕煉制與化工 pet ro l eu m pro cesstn g a n d pet r och em ica l s笫40卷第5期大型石化企業(yè)蒸汽動力系統(tǒng)運營優(yōu)化羅向龍，張高博，王1 2智，華3賁2（1.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣州510006; 2.華南理工大學(xué)強(qiáng)化傳熱與過程節(jié) 能教育部重點實驗室；3.中國石油化工股份有限公司齊魯分公司）摘耍針對大型石化企業(yè) 蒸汽動力系統(tǒng)（sps）具冇多個動力產(chǎn)汽點h距離較遠(yuǎn)、動力產(chǎn)汽點各產(chǎn)供汽參數(shù)和成本不同的特點，在傳統(tǒng)sps能量轉(zhuǎn)換壞節(jié)運營優(yōu)化的基礎(chǔ)上，提出 sps能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和傳輸環(huán)節(jié)集成優(yōu)化的策略，建立大型石化企業(yè)sps能量轉(zhuǎn)

2、換環(huán)節(jié)和能 雖傳輸環(huán)節(jié)集成運營優(yōu)化的混合整數(shù)線性規(guī)劃（milp）模型；對某大型石化金業(yè)蒸汽動力 系統(tǒng)建立模型并求解得到了產(chǎn)汽成木和傳輸費用綜合最優(yōu)的優(yōu)化運營方案，與原有的計劃 運行方案相比，優(yōu)化運營方案可節(jié)約運行成本2.8%。關(guān)鍵詞：蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化運營1前營費用最小為h標(biāo)，冃標(biāo)函數(shù)見式（1），其中總費用包括全公司所冇動丿j產(chǎn)汽鍋爐燃 料消耗費用、sps水處理費用、全公司所有動力產(chǎn)供汽設(shè)備維護(hù)費用、外購電費用。m in qb j = t t （ i etbuy蒸汽動力系統(tǒng)（sps）作為過程工業(yè)的重要組成部分，在為企業(yè)提供保質(zhì)保量的蒸汽和 動力的同時，本身也是耗能大戶，它的安全、穩(wěn)定、高效運行是

3、企業(yè)長周期、經(jīng)濟(jì)運 行的棊礎(chǔ)。大型石化企業(yè)sps除了具有多工藝產(chǎn)汽點、多工藝用汽點、多壓力等級外，還 具冇多動力產(chǎn)汽點。工藝產(chǎn)汽點、工藝用汽點、動力產(chǎn)汽點z間形成了錯綜復(fù)雜的產(chǎn)供汽 網(wǎng)絡(luò)。sps運營優(yōu)化一直是研究的熱點，包括sps的多周期運營優(yōu)化13、集成管 網(wǎng)模擬考慮管線損失的運營優(yōu)化4、優(yōu)化運營軟件的開發(fā)5 6等。然而這些研究 主要側(cè)重于能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的優(yōu)化，很少同傳輸環(huán)節(jié)集成考慮。大型石化企業(yè)一般由煉油分 廠及幾個人的化工分廠組成，各分廠之間距離較遠(yuǎn)，各分廠動力產(chǎn)汽設(shè)備的型號、燃料、 水系統(tǒng)循環(huán)類型不同，產(chǎn)供汽成本有較大差界，各廠的蒸汽互供和互備存在很大的優(yōu)化潛 力。然而各廠之間的長 距離

4、和管道的輸送能力限制了各廠之間的蒸汽和動力的互供和互備 潛力的發(fā)揮。因此大型石化企業(yè)蒸 汽動力的優(yōu)化應(yīng)該從全局出發(fā)，在安全穩(wěn)定的前提 下, 以sps的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換經(jīng)濟(jì)性和傳輸環(huán)節(jié)的傳輸損失的綜合最優(yōu)為冃標(biāo)實施運營優(yōu)化, 以提高整個sps的經(jīng)濟(jì)性。木課題在以往sps能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)優(yōu)化工作的基礎(chǔ)上，建立 sps能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和能量傳輸環(huán)節(jié)集成優(yōu)化模型，并進(jìn)行詳細(xì)案例分析。2 sps優(yōu)化運營 模型2. 1冃標(biāo)函數(shù)大型企業(yè)sps運營優(yōu)化以全公司sp s年總運i bb kkf i bkt f k +w n t w + ( 1)e) p t +tt nnon y nt + s n ( 1- yn t )式中

5、，obj為目標(biāo)函數(shù)值，即年總運營費用；t為周期集合；t為分廠集合；b為鍋爐 集合；k為燃料集合；n為sps設(shè)備集合；f為燃料消耗量，t / h; f為燃料單價，元/ t; w為sps設(shè)備耗水t / h; w為給水單價，元/ t ; e為電量，m w ! h; e為電 單價，元/ ( mw ! h);上標(biāo)bu y表示外購；p為周期時間，h; 0為設(shè)備運行時的維護(hù) 費用，元；s為設(shè)備停運吋的維護(hù)費用，元；y為表征設(shè)備是否運行的二元變量。2. 2工 藝需求能耗模型工藝裝置對sps的蒸汽和動力的需求會隨著工藝裝置的生產(chǎn)計劃和生產(chǎn) 規(guī)模的變化而變化，因此必須從工藝裝直變工況能耗模型出發(fā)才能更準(zhǔn)確地確定各

6、種工況 卜各分丿蒸汽和動力的需求。d iur t = ( iur + iurt ) z iut + iur yi ut i 1 , u u, r r, t tdem(2)收稿日期:2008 11 10;修改稿收到日期:2009 01 08。作者簡介:羅向龍,講師,博 士。主要從事過程工業(yè)能量系統(tǒng)集成建模優(yōu)化及應(yīng)用的研究工作?；痦椖浚簭V東工 業(yè)大學(xué)博士基金(083009) o第5期羅向龍等.大型石化企業(yè)蒸汽動力系統(tǒng)運營優(yōu)化49e dem =(!+?) z iut + # y iut iut iu iut iu1i, uu, tt ( 3)和互備的最主要制約因素便是各廠之間的連接管道 參數(shù)，即要

7、保證供汽參數(shù)滿足用戶 的要求。式(10)表示管道流量的范圍。d m rin ? d ij r t ? d max ij ij r i> j i, i u j d min ? d j irt ? d m ax j ir j ir ( 10)式中，上標(biāo)dem表示需求；u為工藝設(shè)備集合；r為蒸汽等級集合；d為蒸汽量，t/h; 為工藝裝置固定蒸汽單耗，t/ t ;為工藝裝置蒸汽單耗變化量，t/ t; u為工藝設(shè)備集合; z為工藝裝置運行負(fù)荷，t/h;為工藝裝置蒸汽能耗模型常數(shù)項，t/h; !為工藝裝置固定 動丿j單耗，(m w ! h) / t ; ?為工藝裝置驅(qū)動單耗變化量，(mw ! h)

8、/ t ; #為工藝裝 置駁動能耗模型常數(shù)項，mw ! ho 2. 3鍋爐運行模型(？ y ibt + % d ibt ) ( &h + ? &h) =ib ib ib i i, b b, t t f ibkt q k k ( 4)式中，d ij rt表示周期t從分廠i到分廠j的蒸汽等級為r的蒸汽管道流量，t / h; d j irt表示周期t從分廠j到分廠i的蒸汽等級為r的蒸汽管道流量，t / h;上 標(biāo)m 1n代表最??；max代表最大。2. 9 sps蒸汽平衡約束蒸汽動力系統(tǒng)輸入各等級的蒸 汽量(包括外購的蒸汽屋)減去輸出該等級的蒸汽屋應(yīng)該不小丁該等級的工藝裝置蒸汽需 求量

9、。b bk式中，？為鍋爐模型系數(shù)；&h為蒸汽焙增量，、kj/ kg; ?為鍋爐排污率， ； &h為排污水恰增量，kj/ kg; q為燃料低位發(fā)熱量，kj/ kg0 2. 4鍋爐運行負(fù)荷約朿i t, b b, r r, t t （ 5）式中，（為鍋爐最小運行負(fù)荷，t/ h;）為鍋爐最大運行負(fù)荷，t / h。 2. 5 egen imt i ib ( b y 讓r t ? d ibr t ? ) y ibr td ibrt +ji, j # i(d j irt - d ij rt ) +m m(d out - d tn t ) + imrt imr i, r r, t t ( 11

10、)1(d ou t - d int ) ?u ud dem 訂rt ilr iurt1式中，l為減溫減壓器集合。2. 10電需求約束汽輪機(jī)產(chǎn)生的電力和外購電力之和應(yīng) 大于或者等于工藝系統(tǒng)總電力需求量。i i m m汽輪機(jī)運行模型=? y imt + imr re imt + e tgenbuy1e iutdemtt（12）+ rd imou t imr t1i, mm, tt （ 6）式（1） 式（12）與各分廠設(shè)備性能模型、設(shè)備5負(fù)荷約束模型組成了大型石化 企業(yè)sps運營優(yōu)化的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型（mil p ）。根據(jù)建立的模型開發(fā)考慮不 同產(chǎn)用汽點蒸汽供應(yīng)和備用蒸汽動力系統(tǒng)多周期運營優(yōu)化模

11、型spsopt i。 spsopt i是圖1所示的煉油企業(yè)計劃排產(chǎn)與能量綜合集成建模和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的重耍組成部 分。通過與計劃排產(chǎn)軟件opt echp lan的冇機(jī)集成，獲得運營計劃方案對應(yīng)的蒸汽和動 力的需求，實現(xiàn)全公司從計劃排產(chǎn)到能量系統(tǒng)的集成優(yōu)化，且可以隨看牛產(chǎn)計劃的變化和 一次能源價格的變化及時調(diào)整蒸汽動力系統(tǒng)的運營計劃或者調(diào)度方案，保證在各種7 6式中，上標(biāo)gen表示發(fā)電；上標(biāo)ou t表示排汽；m為汽輪機(jī)集合；？ +為汽輪機(jī)模型 系數(shù)。、2. 6r r汽輪機(jī)質(zhì)量平衡方程d imrt =in r rd imr tout1i, mm, rr, tt ( 7)式中，上標(biāo)in表示進(jìn)汽。2. 7汽

12、輪機(jī)運行負(fù)荷約束，r y imt ? d in rt ? ? y im t im im imr . r yimt ? dourtt ? / imr yoimt im im i i i, m i, m m, r m, r r, t t ( 8) r, t t ( 9)式屮，為汽輪機(jī)進(jìn)汽最小負(fù)荷，t / h; ?為汽輪機(jī)進(jìn)汽最人負(fù)荷，t/ h;. 為汽輪機(jī)排汽最小負(fù)荷，t / h; /為汽輪機(jī)排汽最大負(fù)荷，t / ho 2. 8廠際之間供汽 能力約束大型石化企業(yè)存在多個工藝產(chǎn)汽點和動力產(chǎn)汽點，而各個動力產(chǎn)汽點產(chǎn)汽成本不 同、運營狀況不同、備用負(fù)荷也不同，因此各分廠之間正常工況蒸汽互供和變工況下互

13、備存在優(yōu)化潛力。而互供圖1計劃排產(chǎn)與能量綜合集成結(jié)構(gòu)示意50石汕煉制與化工2009 年第40卷牛產(chǎn)計劃方案和一次能源價格變化條件下實現(xiàn)全公司能量系統(tǒng)的最優(yōu)運營。3案例分 析3. 1案例描述某大型石化企業(yè)由熱電分廠(rd)、化工分廠(pa, pb, pc, pd)組成, 其sp s超結(jié)構(gòu)流程示意見圖2。熱電分廠設(shè)置8爐8機(jī)，承擔(dān)全公司主要供汽和供電 任務(wù)；化工分廠pa, pb, pc分別設(shè)置不同型號動力鍋爐和發(fā)電汽輪機(jī)，在熱電分廠(rd) 的保障下向各分廠供應(yīng)蒸汽和電力；化工分廠p d內(nèi)部沒有動力鍋爐和汽輪機(jī)，其全部蒸 汽和電力山熱電廠供應(yīng)。各分廠產(chǎn)汽鍋爐所產(chǎn)蒸汽等級不同，采用的燃料不同，rd和

14、pa分廠鍋爐產(chǎn)高壓蒸汽，燃料為煤；pb分廠鍋爐產(chǎn)高壓蒸汽, 燃料為按一定比例混合的石汕焦和煤；pc分廠鍋爐產(chǎn)中壓蒸汽，燃料為水煤漿。各分廠鍋 爐產(chǎn)汽成本和汽輪機(jī)運行效率差別較大，特別是當(dāng)各種燃料市場價格波動較人時，這種差 別更加明顯，各分廠鍋爐和汽輪機(jī)存在較大運營節(jié)能潛力，另外從熱電分廠到各化工分廠 的蒸汽管道較長，損失也較大，因此冇必要從全公司的角度出發(fā)建立運營優(yōu)化模型，從產(chǎn) 供汽成本和傳輸損失兩方面權(quán)衡確定最優(yōu)產(chǎn)供汽方案。該企業(yè)全年可分為冬、夏兩個典 型的運行周期，各周期各分廠各等級蒸汽盂求見表1。圖2某石化企業(yè)sps超結(jié)構(gòu)流程示意表1冬、夏兩季各分廠各等級蒸汽需求分廠 pa pa pb

15、pb pc pd pd pd 蒸汽壓力等級/ m pa 4. 10 1. 37 4. 30 1. 00 1. 00 4. 10 1. 40 1. 00 蒸汽需求/ t ! h- 1 夏季 342 136 88 76 119 177 198 57 冬季 349 166 90 257 175 182 225 115spsopt i得到最優(yōu)的鍋爐、汽輪機(jī)、管道的運行方案。各分廠鍋爐冬、夏兩季當(dāng) 前運行方案和最優(yōu)運行方案對比見圖3,各分廠汽輪機(jī)冬、兩季當(dāng)前夏運行方案和最優(yōu) 運行方案對比見圖4。由圖3和圖4可以看岀，最優(yōu)運行方案與當(dāng)前運行方案相比, 鍋爐、汽輪機(jī)運營負(fù)荷變化較大，其主要原因是最優(yōu)方案充分

16、挖掘了各分廠動力鍋爐產(chǎn)汽 成本存在較大差別的優(yōu)化潛力。各分廠動力鍋爐的產(chǎn)汽參數(shù)和產(chǎn)汽成本見表2。從表2可 以看出，熱電分廠產(chǎn)汽成木最小，化工分 廠pc產(chǎn)汽成本最大r產(chǎn)汽壓力等級最低。從成 本對比可知，應(yīng)該優(yōu)先運行分廠rd和pa的鍋爐，3. 2優(yōu)化結(jié)果與討論根據(jù)上述模型，應(yīng)用sps優(yōu)化運營軟件平臺第5期羅向龍等.大型石化企業(yè)蒸汽動力系統(tǒng)運營優(yōu)化51而在廠際管線供應(yīng)能力范圍內(nèi)，盡量降低分廠p b和pc鍋爐供汽量或者停運這兩個 廠的產(chǎn)供汽設(shè)備，如圖3中的鍋爐最優(yōu)運行方案。表2各分廠鍋爐平均產(chǎn)汽成本分廠rd pa pb pc蒸汽壓力等級/ m pa 9. 8 9. 8 9. 8 3. 5產(chǎn)汽成本/元！

17、 t - 1 148 152 231 287廠際之間蒸汽管線參數(shù)和優(yōu)化前后管線蒸汽圖3冬、夏兩季各分廠動力鍋爐的當(dāng)前運行方案和最優(yōu)運行方案對比% &夏季最優(yōu)運行方案；？ &夏季當(dāng)前運行方案；（&冬季最優(yōu)運行方案；）&冬季當(dāng) 前運行方案流量對比見表3。由于各分廠鍋爐和汽輪機(jī)運行方案發(fā)牛了較人變 化，廠際之間蒸汽 管線的流量也進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，通過廠際之間的互供，在保證供汽安全穩(wěn)定的條件 下盡量運行產(chǎn)汽成木低的鍋爐，實現(xiàn)全公司蒸汽動力系統(tǒng)的最大經(jīng)濟(jì)效益。由sps優(yōu) 化運營軟件平臺spsopt i得出當(dāng)前運營方案全年總運營費用為495 984萬元，優(yōu)化的運 營方案

18、全年運營費用為482 060萬元，全年節(jié)約運營費用13 924萬元，占總運營費用的2. 8%。蒸汽動力系統(tǒng)的優(yōu)化運營思路和軟件對蒸汽動力系統(tǒng)的實際運營優(yōu)化具有非常 重要的意義。木課題捉出的優(yōu)化運營思路和運營方案已經(jīng)得到石化企業(yè)的認(rèn)可，并11針對 系統(tǒng)的不足，以優(yōu)化運營方案為指導(dǎo)，提出了一系列的改造方案，如改造cfb鍋爐以提高 燃料的適用范用、分廠內(nèi)部管網(wǎng)優(yōu)化改造、分廠之間管道改造等，最人限度挖掘全公司 的節(jié)能潛力。通過該案例分析，針対大型石化優(yōu)化前流量/ t ! h- 1 夏季 50 75 0 79 0 177 198 57 冬季 50 75 110 85 50 182 226 78 優(yōu)化后流

19、量/ t ! h 夏季 0 88 76 119 0 177 198 57圖4冬、夏兩季各分廠動力汽輪機(jī)的當(dāng)前運行方案和最優(yōu)運行方案對比% &夏季授優(yōu)運行方案；？ &夏季當(dāng)前運行方案；（&冬季授優(yōu)運行方案；）&冬季當(dāng) 前運行方案表3管道 pl( rd ? pa) p2( r d ? pb) p3( r d ? pb) p4( pb ? pc) p5( r d ? pc) p6( r d ? pd) p7( r d ? pd) p8( r d ? pd)蒸汽壓力等級/ m pa 4. 30 4. 30 1. 45 1. 00 1. 45 4. 30 1. 45 1.

20、 00廠際之間蒸汽管線參數(shù)和優(yōu)化前后流蜃對比長度/ km 5. 01 5. 98 7. 00 7. 50 2. 50 3. 36 3. 42 4. 87 最人流量/ t! h- 11冬季 0 90 130 155 20 182 226 781451) 130 155 80 240 250 1201) pl和p2兩條管道的最人流蜃之和。企業(yè)sps實際運營現(xiàn)狀提出以下建議：+大型石化金業(yè)sps實施集中統(tǒng)一管理，各 分廠成本單獨核算；，經(jīng)常對各分廠產(chǎn)供汽設(shè)備進(jìn)行性能分析，根據(jù)原材料市場價格變化 實時核算各分廠產(chǎn)供汽成本，應(yīng)用運營優(yōu)化軟件指導(dǎo)實際運營過程；？在優(yōu)化運營方案指導(dǎo)下，敷設(shè)廠際之間 管線，發(fā)

21、揮廠際之間蒸汽互供、互備優(yōu)勢，進(jìn)一步提髙全公司sps各種工況下的運行經(jīng)濟(jì) 性和安全穩(wěn)定性。52 4結(jié)論石油煉制與2 3化工2009 年笫40卷鄢烈祥，胡炭華，麻德賢鍋爐蒸汽系統(tǒng)多操作周期的優(yōu)化調(diào)度j.化工學(xué)報, 2003, 54( 12) : 1708 1712羅向龍，華賁，張冰劍.石化企業(yè)蒸汽動力系統(tǒng)的多周期運 行優(yōu)化j.計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2006, 23( 1) : 41 45羅向龍，華賁，張冰劍.基于管 網(wǎng)模擬的蒸汽動力系統(tǒng)多周期運行優(yōu)化j.石油學(xué)報(石油加工)，2006, 22( 5) : 56 62羅向龍.煉油企業(yè)蒸汽動力系統(tǒng)運營與設(shè)計優(yōu)化研究d廣州：華南理工大學(xué),2007 羅向龍，

22、華賁煉油廠蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化運營軟件設(shè)計與開發(fā)j1 .計算機(jī)與應(yīng)用 化學(xué)，2006, 23( 12) : 1245 1249張冰劍，華賁，羅向龍，等.煉汕金業(yè)全廠生產(chǎn)計劃 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)j.計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2006, 23( 11) : 1053 1056針對大型石化企業(yè)sp s的特點，建立了 sps的優(yōu)化運營mil p模型，實現(xiàn)了 sps 能最轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和能最傳輸環(huán)節(jié)的集成；案例研究結(jié)果表明，通過實施運營管理優(yōu)化，可為 企業(yè)節(jié)約運營費用2. 8%。4 5參1考文獻(xiàn)6tyer r r , g rossm arm i e. 0 ptim al mu it iperiod operat ional

23、plarmin g f or ut il ity sys t ems j . comput c hem en gng, 1997, 21( 8) : 787 800 7operational management optimization of steam power system in large petrochemical enterprisel uo xiang long 1 , zhang gaobo 2 , wang zhi3 , h ua bcn2(1. school of m ater ial and ener gy , guang dong univer sity of t e

24、chnology , guari£ z hou 510006; 2 k ey l ab of e nhanced h eat t r ansf er and energ y conser vatio n, m inistr y of ecl ucation of chi na, s outh chi na uni ver sity of t ech no logy ;3. s i n opec q訂u comp any )abstractt he st earn pow er syst em s ( sps ) in large petro chemical enterprises

25、are usuallycom po sed of sev er al pow er plants and t he pot ent ial of o peratio nal manag em ent optim izat ion under current ener gy resour ces exists. in t his paper, t he charact erist ic o f sps in a larg e pet ro chem ical ent er prise w as anal yzcd and an opt im ization st rat eg y w as present od. in t his st rat eg y t he on erg y co nv ersion and energy t ranspo rt at ion w ere int egrat ed t o m inimize t he generat ion and t ranspor tat ion co st of steam and pow er. a mix ed integ er linear prog ramming ( m il p ) m odel for mult iperiod operational planning and