蒸汽管网智能监测及优化技术在大连石化的应用

【摘 要】 蒸汽管网智能监测及优化技术是指利用信息化手段，对蒸汽管网的参数进行实时监测，并通过模型对蒸汽管网进行模拟计算，找出现有官网存在的问题并找出原因，从而提出最优的解决方案，并实现整个蒸汽系统的节能优化。

【关键词】 信息化 蒸汽管网 实时监测 模型 模拟计算 节能

1 前言

石化企业能耗主要来源于生产装置和公用工程系统两个面，前者经不断的技术改造，综合能耗稳步下降，例如，从1996年至2003年中国石化集团公司所属炼油企业的综合能耗从84.39千克标油/吨下降到了76.06千克标油/吨；但后者公用工程系统的能耗仍然偏高；通常耗能以蒸汽为主，占全厂总能耗20%～30%，蒸汽系统热损在10%左右，足见节能潜力非常大。许多石化企业，特别是老厂，蒸汽管网系统缺乏统筹规划，主要采用增减蒸汽管线等措施来满足工艺装置的扩能需求，导致蒸汽管网在结构上形成了多级化、多环化的复杂结构，给运行管理工作带来了很大困难。利用蒸汽管网模拟软件可以计算出管网中任一管段蒸汽的流向、流速、流量、温度、压力、热损失和冷凝情况；而且计算精度较高，与实际相比，相对偏差在5%以内。它计算速度快、性能稳定；使调度人员随时掌握管网工况；对提高蒸汽管网的管理、运行和改造水平有指导作用。

2 大连石化公司蒸汽管网概况

2.1 概述

大连石化现有炼油生产装置68套，化工生产装置7套，年原油一次加工能力2050万吨，能生产汽油、煤油、柴油、润滑油、石蜡、苯类、聚丙烯、细旦纤维等石化产品200多种。

大连石化蒸汽管网分为老区和新区，全厂夏季平均产汽量约为1070t/h，冬季平均产汽量约为1450t/h。老区主要包括热电厂、四催化、西厂、东厂、合成厂等单位，新区主要包括220万吨连续重整、加氢裂化、制氢、渣油加氢、煤柴油加氢、27万吨硫磺等生产装置，形成了热电厂主供西厂、东厂、合成厂蒸汽的供汽格局。

2.2 管网流程

大连石化公司蒸汽管网主要分为5个压力等级，流程如图1所示。

图1中各条线段代表蒸汽管线，联接产汽点和用汽点，包括9.3MPa、3.5MPa、1.0MPa、0.45MPa、0.3MPa五个压力等级的蒸汽管线，其中：1）红色管线代表9.3MPa等级蒸汽管线；2）橙色管线代表3.5MPa等级蒸汽管线；3）绿色管线代表1.0MPa等级蒸汽管线；4）蓝色管线代表0.45MPa等级蒸汽管线；5）青色管线代表0.3MPa等级蒸汽管线。

2.3 管线统计

大连石化蒸汽管线统计数据见表1，统计范围包括以上五个压力等级，其中除带产汽设备的车间外，都不包括用户界区内部的蒸汽管线。

大连石化管线总长约47km，与其它石化企业的管网规模相比，它属于规模较大的。

面对如此庞大的蒸汽系统，大连石化公司急需要一套专业的模拟软件，来对全厂的蒸汽进行优化调度。因此大连石化公司实施了《大连石化蒸汽管网优化研究和智能监测系统升级》项目。

3 蒸汽管网智能监测及优化系统技术方案

3.1 总体构架

如图2所示为大连石化蒸汽管网优化研究和智能监测系统总体框架图，分为物理层、信息层和应用层三个层面，包括蒸汽管网、测量仪表、数据采集系统、数据中心、模拟系统和监测系统等六个部分。DL-PROSS处于应用层，包括模拟系统和监测系统两个部分。

蒸汽管网的结构参数由人工输入到模拟系统中；实际测量的操作参数通过数据采集系统采集到数据中心；模拟系统利用管网结构参数和实时测量操作参数，模拟得到管网中各段管线的全部蒸汽参数；管网实时数据和模拟数据通过监测系统进行展示。管理人员即可以利用系统对管网进行设计、规划、分析、优化等应用，也可以通过系统进行监测、管理和调度等应用。

3.2 系统功能

系统包括模拟系统和监测系统，模拟系统的主要功能包括管网规划、协助调度、评估热损、工况分析，监测系统的主要功能有实时工况监测、历史数据查询。

3.2.1 模拟系统的功能

（1）管网规划：利用数学模型和模拟技术寻找不合理的热损源，寻找蒸汽管网管线设计的薄弱环节，能为蒸汽管网改造提供优化方案及整改措施。

（2）协助调度：通过可视化、图形化、组态化的界面，直观地协助管理人员提高调度能力，对供热系统进行科学、及时的操作管理和合理的运行调度提供有效的手段。

（3）评估热损：系统可以对数据热损进行精确的量化计算。根据模拟计算的结果与系统设定的理论结果相比较，及时发现影响管网系统热损的原因、热损异常的环节，识别故障的模式。系统具有测量值、理论计算值、设定值三者的比较功能，能及时做出提示和警告。从而为管网热损分析提供理论依据和详细的数据支持，使系统成为提高蒸汽管网经济性和运行管理水平、降低热损的辅助决策工具。

（4）工况分析：系统能够模拟计算出在不同工况下，管网上任一管段任一点的操作参数，例如每根管段的流量、流向、线速度、压降、局部压损、温降、保温层外表面温度、热损失、冷凝水量、冷凝水产生的位置等，以及管线上任意一点的压力、温度等，从而全面掌握不同工况下蒸汽管网的运行特性。

3.2.2 监测系统的功能

（1）实时工况监测：监测系统可以实时监测蒸汽管网的运行参数，监测系统可以通过常驻显示、趋势图、报表等来实时查看当前蒸汽管网运行参数。

（2）历史数据查询：可以查找蒸汽管网操作参数的历史数据，通过设置查询时间点，输出历史某个时刻的操作参数；还通过设置历史时间区间输出历史曲线，能够方便管理人员对蒸汽系统进行统计和分析。

3.3 技术路线

（1）引进研智科技管网通用模拟系统软件PROSS，对该软件进行二次开发；（2）详细收集整理蒸汽管网结构参数和操作参数，资料的准确性和完整性关系到建模的质量；（3）建立全厂蒸汽系统的数学模型，并在现场进行调试、确认，保证模型的准确性；（4）在建模确认的基础上，对蒸汽管网进行分析评估并提出优化措施；（5）开发数据库接口，实现蒸汽管网的实时监测。

3.4 模拟原理

引进研智科技管网通用模拟系统软件PROSS。PROSS是一款对蒸汽管网的模拟计算软件。该软件集成了基尔霍定律、流体力学、化学工程、拓扑学和计算数学、等基础理论和知识（如图3所示）。

3.5 工程化方法

管网系统的建模理论虽然已经很成熟了，但是，只有采取了必要的工程化措施，这些理论才能应用于实际。以下即为所采用的工程化措施。

（1）大型蒸汽管网系统的识别：PROSS引入了自动建模策略，以拓朴学原理识别蒸汽管网结构，确定独立方程数，自动建立联立方程组。

（2）软仪表：PROSS以联立方程描述蒸汽管网，可以用添加虚拟节点的方法，计算得到管网中任何点的蒸汽参数，这是软仪表技术。使用该项技术，不须在汽源、用户等关键点外再安装仪表，工程师就可以得到管网中任何管段、任何位置的蒸汽参数。软仪表技术已被证明是可靠的，对及时、详细掌握蒸汽管网工况起到了关键作用。

（3）在线温压校正：蒸汽流量计量不准是一个很棘手的问题。除了流量计本身因操作时间长、保养不好而失准外，多数情况与工况多变，引起蒸汽温度、压力波动，继而使其密度、粘度变化有很大的关系。PROSS采用温压在线校正方法，使得模拟计算出来的流量值比较准确，有利于管理人员校验流量计，把蒸汽平衡做准。

（4）开放式的工程数据库：PROSS在模拟计算时，要用到的工程数据繁多，涉及到钢管材料、管径系列、各种尺寸的弯头、热补偿器、大小头、阀门等管件，以及保温材料、疏水器布置等。PROSS的工程数据库收集了全部国产管材、保温材料和煤质分析等数据，而且对用户“开放”，即可以在必要时由用户修改这些数据，或者建立专用数据集，以保证PROSS模拟结果符合实际。

（5）装置因子：鉴于蒸汽管网流程太复杂，管道上管件非常多，加上气候、管壁粗糙度、保温完整情况、实际蒸汽流通量等都不可能描述得绝对准确，故模拟计算结果，如指定点的温度、压力、流量、冷凝水量等会与真值有偏差。这个问题不可能仅依靠严密的理论和方程式来解决。PROSS采用了装置因子来“纠偏”，效果很好。用户体会到不断完善装置因子，可以使数学模型与实际蒸汽系统日趋吻合，模拟结果也会更加的可靠。

以上关键技术也是本项目的创新点。模型中所用的计算方法均为有关手册和标准上的经典方法，其中涉及到的参数的默认值亦采用手册和标准上推荐的数值。为了增强模型的灵活性，使模型更加符合实际情况，这些参数均向用户开放，用户可以根据实际情况修改。此外，还有实时数据判错与锁定，数学模型现场调试与确认等一系列保证DL-PROSS质量的方法。

4 蒸汽管网智能监测及优化系统的应用情况——新区中压管网蒸汽压力偏低

4.1 问题描述

以冬季工况为例，该工况下，热电厂界区中压蒸汽压力在3.45MPa以上，外送175t/h蒸汽后，到达末端用户时压力偏低。加氢裂化装置的K-1701进汽压力为3.02MPa，渣油加氢装置的K-1801-1进汽压力仅有2.98MPa。新区中压管网蒸汽压力偏低，从而导致新区使用中压蒸汽的几台汽机做功能力下降（如图4所示）。

4.2 问题分析

通往新区的蒸汽线有三条：电厂直供新区线、四催化供新区线、饱和蒸汽线。其中，饱和蒸汽线供往三蒸馏、轻烃回收、芳烃抽提三套装置；新区其它用户所需蒸汽主要由电厂直供新区线和四催化供新区线双线供给，剩余用汽缺口由制氢和27万吨硫磺这两套装置的自产汽补足。蒸汽输送过程中存在压力瓶颈是造成中压管网压力水平较低的原因，主要瓶颈段如图5紫色管段所示。

4.3 优化方案与效益

只有缓解上述压力瓶颈，中压管网用户用汽压力才会提高，故提出以下优化方案：1）在四催化组立北端新装一个阀门（如图6中红色阀门所示），并关闭此阀门，切断四催化北边与新区之间的联系；2）打开四催化组立南端与饱和蒸汽线之间联通线上的三个阀门；在四催化南边与饱和蒸汽线的跨线上新铺两条新的跨线（如图6中绿色加粗管线所示），使四催化南边与四催化供新区线、电厂直供新区线建立连接关系，并通过这两路给新区补汽。

改变运行工况后，新区装置用汽压力明显增加，下表列出了打开阀门前后新区装置内各个汽机用汽压力的对比以及打开阀门后提高的做功能力：

从表2可知，上优化措施后，新区汽机最大做功能力可提高397.4千瓦时，比原最大做功能力提高了约1.6%，冬季这五台汽机每小时供用汽300t/h，冬季工况仍按7个月来计，那么冬季可节省中压用汽24192吨。蒸汽价格按照180元/吨计，冬季效益可达435万元。夏季工况下，五台汽机用汽量稍大，优化后增加的最大做功能力也相差不大，则夏季效益约为310万元，全年效益共计745万元。

5 结语

大连石化蒸汽管网智能监测及优化系统，一方面开发了蒸汽管网的数学模型，提供了一个蒸汽管网模拟计算的平台，使对蒸汽管网的分析从定性变为定量；另一方面实现了管网的实时智能监测，使管网的单点监测变为全管网的监测。蒸汽管网指挥调度平台的建立能为提高蒸汽管网的运行管理水平提供有力的支持。

该系统应用于生产调度方面，实时监测管网全面工况、提出了调整流程和操作参数的方案，模拟分析了冬季用汽量大调度难、冬季电厂减温减压量大、新区中压蒸汽管网压力偏低、低压西厂压降大东厂易凝水、四催化停工无法保证用户正常用汽、二催开工用汽压力偏低等问题，并提出了优化方案。该系统对蒸汽管网热损进行了评估，指出了蒸汽管网节能潜力。

本系统的实时监测功能的发挥有赖于仪表和数采的完善，因此一方面完善仪表和数采特别是重要的监测点，另一方面在现有硬件的基础上用人工输入的方法弥补系统的不足，这需要使用人员熟练掌握系统的使用方法。

参考文献：

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