乙烯裝置蒸汽系統的優(yōu)化

石油煉制與化T.2001年10月PETROLEUM PROCESSING AND PEIROCHEMICALS第32卷第10期乙烯裝置蒸汽系統的優(yōu)化呂澤華'趙士杭' 陳鋼'尤成宏2*{1.清華大學(xué).北京10084; 2.撫順石油化工公司)摘要針對撫順石油 化工公司乙烯裝置擴容改造后,蒸汽系統失去操作彈性,工I況無(wú)法進(jìn)行調整,造成能耗和生產(chǎn)成本偏高,運行可靠性下降等問(wèn)題,利用有效的優(yōu)化調度方法,建立了蒸汽系統熱平衡優(yōu)化計算的數學(xué)模型,通過(guò)優(yōu)化計算分析蒸汽系統變工況的性能和診斷系統能耗高的癥結所在,提出節能改造方案.并對改造后的蒸汽系統實(shí)施優(yōu)化調度和管理。實(shí)施結果表明:蒸汽系統恢復了操作彈性，可節省高壓蒸汽8 tvh,每年節約經(jīng)費1 000萬(wàn)元,實(shí)現了節能臧耗提效的目的。關(guān)鍵詞:乙烯裝置蒸汽能耗優(yōu)化數學(xué)模型節能1前言題[1.2]。蒸汽系統熱平衡計算的目的是為了尋找撫順石油化工公司乙烯廠(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)乙烯廠(chǎng))一個(gè)能使系統能耗最小的工況,這與最優(yōu)化的概念乙烯裝置和設備都是由國外引進(jìn)的，1997 年擴容是一致的,因此使用優(yōu)化方法計算蒸汽系統熱平改造后，年生產(chǎn)能力由115 kt提高到148 kt,擴容衡,只要將它表述成為一個(gè)數學(xué)規劃問(wèn)題,優(yōu)化計近30% ,改造后的蒸汽系統如圖1所示。由于在算過(guò)程實(shí)際上即問(wèn)題的求解過(guò)程。構造好的數學(xué)改造中僅僅提高了乙烯生產(chǎn)能力，并沒(méi)有對蒸汽系規劃問(wèn)題的- .般形式如下:統中的有關(guān)設備進(jìn)行必要的擴容和更換,使得汽輪Minf(x)x∈E"(1)機GT201和GTS01各缸進(jìn)汽量達到最大值,低壓S.T. g;(x)≥0j = 1.2......缸進(jìn)汽量因遠大于系統的設計值而造成功率后移h;(x) = 0j=p..,m和凝汽器真空惡化,蒸汽系統失去了操作彈性,工式中，f(x)為目標函數,通常定義為能耗最小，況無(wú)法進(jìn)行調整的弊病,造成該廠(chǎng)蒸汽系統能耗g;(x)和h;(x)為約束函數。過(guò)大,熱電廠(chǎng)所供高、中壓蒸汽量偏大,夏季低壓3乙烯廠(chǎng) 蒸汽系統主要部件數學(xué)模型和算法蒸汽過(guò)剩排空造成浪費。為解決此難題,建立了蒸3.1 蒸汽系統的組成汽系統的數學(xué)模型,對系統進(jìn)行熱平衡優(yōu)化計算，將圖1所示蒸汽系統的原則性系統圖按照蒸找到問(wèn)題癥結所在,提出改造方案,并對改造后恢汽參數相同即合并成 一臺設備的原則簡(jiǎn)化為圖2。復了操作彈性的蒸汽系統實(shí)施優(yōu)化調度和管理，蒸汽系統主要由裂解爐、汽輪機( GT201 , CT501)、實(shí)現了節能提效、優(yōu)化運行的目的。乙烯脫氧器、臧溫減壓器( PDIC-913, PDIC-914)、四2蒸汽系統熱平衡優(yōu)化計算方法級蒸汽母管及- -些熱用戶(hù)組成。裂解爐的工況取蒸汽系統熱平衡計算的常規方法是根據各級決于生產(chǎn)過(guò)程,當蒸汽系統汽源是裂解爐余熱鍋母管的蒸汽流量平衡和熱量平衡的原理,列出各設爐，其產(chǎn)汽量也就取決于生產(chǎn)工況,無(wú)法調整,因而備熱力學(xué)參數之間存在的數學(xué)關(guān)系,通過(guò)迭代計它不包括在優(yōu)化范圍內。算,確定一個(gè)能滿(mǎn)足生產(chǎn)運行條件的工況,如此得到一系列工況后,選擇能耗最小者作為較好的運行方案來(lái)調整運行參數。其缺點(diǎn)是當蒸汽系統趨于收稿日期2000-12.19:雄改稿收到日期200102-150復雜時(shí),迭代計算將變得十分困難;另外在建模時(shí),作者簡(jiǎn)中國煤化工畢業(yè),教授,現當考慮各種約束條件而存在不等式方程時(shí)，常規的從事熱:HCNMHG_內外公開(kāi)刊物上發(fā)表計算方法將無(wú)能為力。而本文采用最優(yōu)化方法處基金項目:國家“攀登計劃B-<8--35)。理蒸汽系統熱平衡的計算問(wèn)題,解決了此難*參加工作的還有:周建華李大力。50石油煉制與化工2001年第32卷|1號爐| 2號爐3號爐| 4 號爐5號爐6號爐GT201H PDIC-911石油_)來(lái)\高壓蒸汽| 廢贓| Gr901GTSOL| G1601熱H。EG I[BOP PPE氧化| -912,石袖二1‘東低壓蒸汽GTIo4|GT10PDIC:-913低壓燕汽>PDIC- -914乙烯|4烯丁爆]廊「P廣前換熱器脫氧器放空熱水站EG圖1撫順石化乙烯廠(chǎng)蒸汽系統原則性原理圖裂觶爐(;T201超高壓燕汽管高壓蒸汽管<石袖二廠(chǎng)來(lái)、高壓蒸汽用戶(hù)1I GTS01|| 戶(hù)2|中壓蒸汽骨,石油二廠(chǎng)來(lái)K中壓蒸汽用戶(hù)3| 用戶(hù)4|PDIC低壓蒸汽管PDIC- 914乙烯脫氧器用戶(hù)圖2撫順石化乙烯廠(chǎng) 蒸汽系統簡(jiǎn)圖3.2汽輪機的數學(xué)模型行了詳細的測繪,并在高壓缸調節級增加了四個(gè)噴在蒸汽系統中,汽輪機是驅動(dòng)機泵并將各級蒸嘴以加大流量。依據測繪數據和實(shí)際運行數據首汽母管相互連接,實(shí)現能量梯級利用的核心部件。先進(jìn)行詳細的設計工況核算,再分別對各缸進(jìn)行變優(yōu)化計算蒸汽系統熱平衡的目的是為了降低系統工況計算得到它們的變工況特性,據此建立汽輪機的能耗,而優(yōu)化結果的具體實(shí)現則是通過(guò)調整汽輪的數學(xué)中國煤化工機的進(jìn)汽量和抽汽量。因此,建立符合實(shí)際的汽輪1HCNMHG機模型是成功進(jìn)行蒸汽系統熱平衡優(yōu)化計算的關(guān)設計點(diǎn):進(jìn)入壓刀ii. 16 MPa,進(jìn)汽溫度鍵。錦西化工機械廠(chǎng)對GT201和GT501汽輪機進(jìn)515 C ,排汽壓力3.185 MPa,轉速8 390 r/min。第10期呂澤華等.乙烯裝置燕汽系統的優(yōu)化51功率模型:建立設計點(diǎn)功率與進(jìn)汽流量的關(guān)母管的流量約束如下:系。G3+ Gw- Ciu- G2- Cu- Gu2= OG2 (2)[No= 548.862 - 17.795 14G + 1.544 852C2，G13+ Gn+ Gu2- Gu3- G,- Gu4= OC3 (3C≤49Gis+ G,1+ Gua- G,- G2- Gus = OG4 (4)No= 2132.14 + 29.9732G - 0.6593C2+式中，G12、 Cp為GT201中壓缸和GTS501高壓缸的0.086C3 + 0.000 063C*進(jìn)汽量,Vh; C1. Ggs為GT201二級抽汽量和GT50149< G≤67抽汽量,Vh; C。、G.2. Gg、Ca和G.s為熱用戶(hù)用汽No= 29251.65- 754.4601C + 5.869 986C2量,Vh;G,和Cr為減溫減壓器PDIC-913 和PDIC-G>67914的進(jìn)汽量,Vh;G,為脫氧器的進(jìn)汽量, Vh;式中No- -設計功率, kW;△G2.OG;和OGs為高、中和低壓母管流量的不平C一進(jìn)汽流量,th。衡量,Vh。同理可建立效率7與流量G的關(guān)系模型。(3)汽輪機作功量約束修正因子模型:當進(jìn)、排汽參數非設計參數時(shí)，CT201和CTS01汽輪機分別驅動(dòng)裂解氣壓縮需對原設計參數下的模型進(jìn)行修正。機和丙烯壓縮機,必須保證它們的功率優(yōu)化計算前初玉修正因子后相等。Ks,p, = 0.210 168 + 0.067 228PoN+ N2+ Ny= Nn1o+ Nzo+ Nxo (5)Kr,n。= 0.973 015 +2.542 2619x 10-3P。式中，N、N2、N3為優(yōu)化計算前CT201 高、中、低式中，Kx,p.、Kr.p。為功率和效率的初壓修正因子,壓缸作功量, kW; Nuo、N20、Nxo為優(yōu)化計算后GT201高、中、低壓缸作功量,kW。無(wú)因次; Po為進(jìn)汽壓力,MPa。N2 + Na= N210+ Nxo(6)同理可得初溫、背壓、轉速的修正因子。計算機組運行時(shí)的實(shí)際功率和實(shí)際效率的總式中，N2、N2a為優(yōu)化計算前GTS0I 中、低壓缸作功量,kW; N210、N0為優(yōu)化計算后GT501 中、低壓公式為:N= K.oK.7RN.pK.,No缸作功量, kW。(4)汽輪機進(jìn)汽量約束中, N為實(shí)際功率, kW; Kv.T。、KN.p、Kw.n為功GT201和GT501汽輪機各缸通過(guò)的最大流量率的初溫、背壓、轉速的修正因子,無(wú)因次。和最小流量是- -定的。7 = Kq.pKr.To Kq.pKp.n70(5)蒸汽母管溫度變化的約束式中，刀為實(shí)際效率;K,r。、Kp,p.、K.,n為效率的初蒸汽母管的溫度在優(yōu)化前后會(huì )有所變化,此參溫、背壓、轉速的修正因子，無(wú)因次;yo為設計效數和優(yōu)化計算過(guò)程無(wú)關(guān),但優(yōu)化計算結果應滿(mǎn)足蒸汽母管的溫度變化較小，且在約束范圍內。(2)同理可建立G1T201中壓缸和低壓缸的數(6)可控決策變量學(xué)模型。分析表明,當乙烯裝置的運行工況確定以后，(3)同理可建立CT501的數學(xué)模型。等式方程2~6的變量?jì)H有6個(gè),設為:xI= Gr2,x23.3蒸汽系統熱平衡優(yōu)化計算的數學(xué)模型= Gn2- Gg,x3= Giu,x4= G4- Gis,x5= Gw),x6(1)目標函數= CGr。所以，系統的自由度為1, 即系統的可控決乙烯廠(chǎng)蒸汽系統的能耗主要體現在外來(lái)高壓策變量只有一個(gè)。將以上的數學(xué)模型整理成公和中壓蒸汽流量上,因此目標函數可定義為:式1的形式,即可選用轉軸直接搜索可行方向法f(x) = anGmn + a2Gmn(DSFD方法)來(lái)求解此非線(xiàn)性規劃的問(wèn)題(4.5)。式中，Gn、Gn為高壓、中壓蒸汽流量,Vh;a1和4乙烯竺果a2分別為權重,代表高壓蒸汽和中壓蒸汽的價(jià)值。經(jīng)YH中國煤化工明, 雖兩汽輪(2)蒸汽母管流量不平衡約束機低壓CNMHG.統所設計的由于蒸汽母管實(shí)際上存在泄漏現象,所以進(jìn)出實(shí)際運行時(shí)的工作流量都很小,CT201機組的流量母管的蒸汽流量不可能完全相等高壓、中壓、低壓僅為5t/h。而擴容改造后運行時(shí),都已達到最大52石油煉制與化I2001年第32卷表1非線(xiàn)性?xún)?yōu)化方法的計算結果汽器的投資為120萬(wàn)元,1個(gè)多月即可收回成本。項目更換凝汽器前更換凝汽器后撫順石化乙烯廠(chǎng)于2000年5月進(jìn)行此項節能改高壓母管溫度(冬/廈)/C380/384374.5/378.8造,使得汽輪機凝汽器背壓降至0.02 MPa,恢復了中壓母管溫度(冬/夏)/心269/271 264.2/269.4蒸汽系統的操作彈性。按表1結果優(yōu)化調整系統低壓母管溫度(冬/廈)/心183/186179.6/183.8的運行參數,經(jīng)實(shí)測2000年夏天實(shí)現了節省高壓GT201汽輪機(定值)蒸汽8 /h的預期目標,達到了良好的節能減耗、提高壓缸進(jìn)汽流量/th-170效的目的。中壓缸進(jìn)汽流量/+h-'4641.3/42.1低壓缸進(jìn)汽流量/h-'21.2/20.85結論凝汽壓力/MPa0.070.02(給定)(1)利用優(yōu)化調度方法,建立蒸汽系統熱平衡CTS01汽輪機優(yōu)化數學(xué)模型，通過(guò)計算,找到了撫順石化乙烯廠(chǎng)高壓缸進(jìn)汽流最/th" '43.237.1/38.1能耗高的問(wèn)題所在,提出改造方案,并進(jìn)行了節能低壓缸進(jìn)汽流最/+h112.914. 1/12.0改造。(2)對改造后的系統,按模型計算結果優(yōu)化調堿溫堿壓器PDIC-913流量/th"0/2.8整系統運行參數,實(shí)際可節省高壓蒸汽8 Vh,節約乙烯脫氧器迸汽流量/th~'4.4/74.4/7.1臧溫跋壓器PDIC-914流量/經(jīng)費1 000萬(wàn)元/a,1個(gè)月即可收回改造成本[6。/00/0(給定)1h-'(放空)外來(lái)高壓燕汽流量(冬/廈)/66.9/83.457.9/76.1lh-1外來(lái)中壓蒸汽流量(冬/夏)/7.1/28.53.6/28.61 Clary A T. Open Lp Optinimion of a Corplex Sirun CagenerationSyucn, Power Divisin (ubliation) PWR Proconding of 1996 lnler外來(lái)蒸光量的加權值(冬/廈)/36.257.1nioud Joint Pomer Generaian Cnferaxe. Par2 (d2) Vol 30 1996uh-1Houston, us流量, GT201達30 Vh。此時(shí)凝汽器工作不正常，2于萬(wàn)紀. 石油化工廠(chǎng)蒸汽系統優(yōu)化設計的研究:[碩士學(xué)位論背壓由設計值0.02 MPa升至0.07 MPa以上。若文].北京:清華大學(xué)熱能工程系，1993更換新的凝汽器,降低背壓使汽輪機低壓缸提效，3趙金鐸. 中小型沖動(dòng)式I業(yè)汽輪機通流部分CAD系統商品化開(kāi)發(fā):[碩士學(xué)位論文].北京:清華大學(xué)熱能工程系，1992才有望調整抽汽量,恢復系統的操作彈性,實(shí)現節沈幼庭,何館英.熱力系統及設備最優(yōu)化.北京:機械工業(yè)出版能。對更換凝汽器前后進(jìn)行優(yōu)化計算,結果見(jiàn)表社, 1985. l68- 1721。 由表1可知,年均可節省外來(lái)高壓蒸汽何建坤,江道琪,陳松華.實(shí)用線(xiàn)性規劃及計算機程序.北京:清華大學(xué)出版社，1985.8-30 .8.15 /h,中壓蒸汽1.7 Vh,以每噸蒸汽150元,年6周建華. 蒸汽系統優(yōu)化調度研究:[碩士學(xué)位論文].北京:清華運行300d計算,節約經(jīng)費1000多萬(wàn)元，而更換凝大學(xué)熱能工程系，2000OPTIMAL DISPATCH FOR STEAM SYSTEMOF ETHYLENE PLANTLu Zehua' , Zhao Shihang' , Chen Gang'，You Chenghong2(1. Qinghua Uniersity, Bejing 00084; 2. Fushun Petrochemical Company)AbstractSome prblems, such as loss of opernation elasticity of the steam systen, higher energy con-sumption and production cot, and descent of running sabilit, were emerged after the capacity expansion of the ethy-lene plant in Fusun Ptrchenical Conpanry. An efcle opinirzton and dispalch method was intoduced to build amathematical model for heal balance calculation of the steam system. The performance of the stean system under vari-able conditins was calculated and analyoed, and the cnux o[ high e中國煤化工An enery con-servation scheme was proposed and optimal dispatch and managemer:YHC N M H Gs ralined. Aferthe schene put into effect, the operation elasticity was recovered and 8U/h high-pressure steam was saved.Key Words: etylene unit; stean; enengy consumption; oplimization; mathematical models; energy conservation