大型石化企业蒸汽动力系统运营优化

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２００９　年　５　月

石　油　炼　制　与　化　工　ＰＥＴ　ＲＯ　Ｌ　ＥＵ　Ｍ　ＰＲＯ　ＣＥＳＳＩＮ　Ｇ　Ａ　Ｎ　Ｄ　ＰＥＴ　Ｒ　ＯＣＨ　ＥＭ　ＩＣＡ　Ｌ　Ｓ

第　４０　卷第　５　期

大型石化企业蒸汽动力系统运营优化

罗向龙　，　张高博　，　王

１　２

智　，　华

３

贲

２

（　１．　广东工业大学材料与能源学院，　广州　５１０００６；　２．　华南理工大学强化传热与过程节能教育部重点实验室；　３．　中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司）　摘要　针对大型石化企业蒸汽动力系统（　ＳＰＳ）　具　有多个动力产汽点　且距离较远、　动力产汽点　各

产供汽参数和成本不同的特点，　在传统　ＳＰＳ　能量　转换环节运营优化　的基础上，　提出　ＳＰＳ　能量转换环　节和传输环节集成优化的策略，　建立大型石化企业　ＳＰＳ　能量转换环节和能量传输环节集成运营优化　的混合整数线性规划（　Ｍ　ＩＬ　Ｐ）　模型；　对某大型石化企业蒸汽动力系统建立模型并求解得到了产汽成本和　传输费用综合最优的优化运营方案，　与原有的计划运行方案相比，　优化运营方案可节约运行成本　２．８％。　关键词：　蒸汽动力　系统　优化　运营

１　前

言

营费用最小为目标，　目标函数见式（　１）　，　其中总费用　包括全公司所有动力产汽锅炉燃料消耗费用、　ＳＰＳ　水处理费用、　全公司所有动力　产供汽设备维　护费　用、　外购电费用。　Ｍ　ｉｎ　ＱＢ　Ｊ　＝　ｔ　Ｔ　（　ｉ　Ｅｔ

ＢＵＹ

蒸汽动力系统（　ＳＰ　Ｓ）　作为过程工业的重要组　成部分，　在为企业提供保质保量的蒸汽和动力的同　时，　本身也是耗能大户，　它的安全、　稳定、　高效运行　是企业长周期、　经济　运行的基础。大型石化企业　ＳＰＳ　除了具有多工艺产汽点、　多工艺用汽点、　多压　力等级外，　还具有多动力产汽点。工艺产汽点、　工　艺用汽点、　动力产汽点之间形成了错综复杂的产供　汽网络。ＳＰ　Ｓ　运营优　化一直是研　究的热点，　包括　ＳＰＳ　的多周期运营优化　［　１　３］　、　集成管网模拟考虑管　线损失的运营优化［　４］　、　优化运营软件的开发　［　５　６］　等。　然而这些研究主要侧重于能量转换环节的优化，　很　少同传输环节集成考虑。大型石化企业一般由炼　油分厂及几个大的化工分厂组成，　各分厂之间距离　较远，　各分厂动力产汽设备的型号、　燃料、　水系统循　环类型不同，　产供汽成本有较大差异，　各厂的蒸汽互　供和互备存在很大的优化潜力。然而各厂之间的长　距离和管道的输送能力限制了各厂之间的蒸汽和动　力的互供和互备潜力的发挥。因此大型石化企业蒸　汽动力的优化应该从全局出发，　在安全稳定的前提　下，　以　ＳＰＳ　的转换环节的转换经济性和传输环节的　传输损失的综合最优为目标实施运营优化，　以提高　整个　ＳＰＳ　的经济性。本课题在以往　ＳＰＳ　能量转换　环节优化工作的基础上，　建立　ＳＰＳ　能量转换环节和　能量传输环节集成优化模型，　并进行详细案例分析。　２　ＳＰＳ　优化运营模型　２．　１　目标函数　大型企业　ＳＰＳ　运营优化以全公司　ＳＰ　Ｓ　年总运 Ｉ　ｂ

Ｂ　ｋ

Ｋ

Ｆ　ｉ　ｂｋｔ　ｆ　ｋ　＋

ｎ

Ｗ　ｎｔ　ｗ　＋　（　１）

ｅ）　Ｐ　ｔ　＋

ｔ

Ｔ　ｎ

Ｎ

Ｏｎ　Ｙ　ｎｔ　＋　Ｓ　ｎ　（　１－　Ｙｎ　ｔ　）

式中，　ＯＢＪ　为目标函数值，　即年总运营费用；　Ｔ　为　周期集合；　Ｉ　为分厂集合；　Ｂ　为锅炉集合；　Ｋ　为燃料　集合；　Ｎ　为　ＳＰＳ　设备集合；　Ｆ　为燃　料消耗量，　ｔ　／　ｈ；　ｆ　为燃料单价，　元／　ｔ；　Ｗ　为　ＳＰＳ　设　备耗水　量，　ｔ　／　ｈ；　ｗ　为给水单价，　元／　ｔ　；　Ｅ　为电量，　Ｍ　Ｗ　！　ｈ；　ｅ　为电单　价，　元／　（　ＭＷ　！　ｈ）　；　上标　ＢＵ　Ｙ　表示外购；　Ｐ　为周期　时间，　ｈ；　Ｏ　为设备运行时的维护费用，　元；　Ｓ　为设备　停运时的维护费用，　元；　Ｙ　为表征设备是否运行的　二元变量。　２．　２　工艺需求能耗模型　工艺装置对　ＳＰＳ　的蒸汽和动力的需求会随着　工艺装置的生产计划和生产规模的变化而变化，　因　此必须从工艺装置变工况能耗模型出发才能更准　确地确定各种工况下各分厂蒸汽和动力的需求。　Ｄ　ｉｕｒ　ｔ　＝　（　ｉｕｒ　＋　ｉｕｒｔ　）　Ｚ　ｉｕｔ　＋　ｉｕｒ　Ｙｉ　ｕｔ　ｉ　Ｉ　，　ｕ　Ｕ，　ｒ　Ｒ，　ｔ　Ｔ

ＤＥＭ

（　２）

收稿日期：　２００８　１１　１０；　修改稿收到日期：　２００９　０１　０８。　作者简介：　罗向　龙，　讲师，　博士。主要　从事　过程工　业能量　系统　集成建模优化及应用的研究工作。　基金项目：　广东工业大学博士基金（　０８３００９）　。

第５期

罗向龙等．　大型石化企业蒸汽动力系统运营优化

４９

Ｅ　ＤＥＭ　＝　（　！　＋　？　）　Ｚ　ｉｕｔ　＋　＃　Ｙ　ｉｕｔ　ｉｕｔ　ｉｕ　ｉｕｔ　ｉｕ

ｉ

Ｉ，　ｕ

Ｕ，　ｔ

Ｔ　（　３）

和互备的最主要制约因素便是各厂之间的连接管道　参数，　即要保证供汽参数满足用户的要求。式（　１０）　表示管道流量的范围。　Ｄ　Ｍ　ｒＩＮ　？　Ｄ　ｉｊ　ｒ　ｔ　？　Ｄ　ＭＡＸ　ｉｊ　ｉｊ　ｒ　ｉ、　ｊ　Ｉ，　ｉ　＃　ｊ　Ｄ　ＭＩＮ　？　Ｄ　ｊ　ｉｒｔ　？　Ｄ　Ｍ　ＡＸ　ｊ　ｉｒ　ｊ　ｉｒ　（　１０）

式中，　上标　ＤＥＭ　表示需求；　Ｕ　为工艺设备集合；　Ｒ　为蒸汽等级集合；　Ｄ　为蒸汽量，　ｔ　／　ｈ；　为工艺装置　固定蒸汽单耗，　ｔ／　ｔ　；　为工艺装置蒸汽单耗变化量，　ｔ／　ｔ；　Ｕ　为工艺设备集合；　Ｚ　为工艺装置运行负荷，　ｔ／　ｈ；　为工艺装置蒸汽能耗模型常数项，　ｔ　／　ｈ；　！为工艺　装置固定动力单耗，　（　Ｍ　Ｗ　！　ｈ）　／　ｔ　；　？为工艺装置驱　动单耗变化量，　（　ＭＷ　！　ｈ）　／　ｔ　；　＃为工艺装置驱动能　耗模型常数项，　ＭＷ　！　ｈ。　２．　３　锅炉运行模型　（　？　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　从分厂　ｉ　到分厂　ｊ　的蒸汽等　级为　ｒ　的蒸汽管道流量，　ｔ　／　ｈ；　Ｄ　ｊ　ｉｒｔ　表示周期　ｔ　从分　厂　ｊ　到分厂　ｉ　的蒸汽等级为　ｒ　的蒸汽管道流量，　ｔ　／　ｈ；　上标　Ｍ　ＩＮ　代表最小；　ＭＡＸ　代表最大。　２．　９　ＳＰＳ　蒸汽平衡约束　蒸汽动力系统输入各等级的蒸汽量（　包括外购　的蒸汽量）　减去输出该等级的蒸汽量应该不小于该　等级的工艺装置蒸汽需求量。

ｂ　Ｂ

ｋ

式中，　？　％为　锅炉　模　型系　数；　＆Ｈ　为蒸　汽焓　增　量，　、　ｋＪ／　ｋｇ；　？为锅炉排污率，　％　；　＆ｈ　为排　污水焓增量，　ｋＪ／　ｋｇ；　ｑ　为燃料低位发热量，　ｋＪ／　ｋｇ。　２．　４　锅炉运行负荷约束　ｉ　Ｉ，　ｂ　Ｂ，　ｒ　Ｒ，　ｔ　Ｔ　（　５）　式中，　（为锅炉最小运行负荷，　ｔ／　ｈ；　）　为锅炉最大运　行负荷，　ｔ　／　ｈ。　２．　５　Ｅ

ＧＥＮ　ｉｍｔ　ｉ　ｉｂ　（　ｂ　Ｙ　ｉｂｒ　ｔ　？　Ｄ　ｉｂｒ　ｔ　？　）　Ｙ　ｉｂｒ　ｔ

Ｄ　ｉｂｒｔ　＋