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(tǒng)的優(yōu)化呂澤華'趙士杭' 陳鋼'尤成宏2*{1.清華大學.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(tǒng)失去操作彈性,工I況無法進行調(diào)整,造成能耗和生產(chǎn)成本偏高,運行可靠性下降等問題,利用有效的優(yōu)化調(diào)度方法,建立了蒸汽系統(tǒng)熱平衡優(yōu)化計算的數(shù)學模型,通過優(yōu)化計算分析蒸汽系統(tǒng)變工況的性能和診斷系統(tǒng)能耗高的癥結(jié)所在,提出節(jié)能改造方案.并對改造后的蒸汽系統(tǒng)實施優(yōu)化調(diào)度和管理。實施結(jié)果表明:蒸汽系統(tǒng)恢復了操作彈性，可節(jié)省高壓蒸汽8 tvh,每年節(jié)約經(jīng)費1 000萬元,實現(xiàn)了節(jié)能臧耗提效的目的。關(guān)鍵詞:乙烯裝置蒸汽能耗優(yōu)化數(shù)學模型節(jié)能1前言題[1.2]。蒸汽系統(tǒng)熱平衡計算的目的是為了尋找撫順石油化工公司乙烯廠(以下簡稱乙烯廠)一個能使系統(tǒng)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的，1997 年擴容是一致的,因此使用優(yōu)化方法計算蒸汽系統(tǒng)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數(shù)學規(guī)劃問題,優(yōu)化計近30% ,改造后的蒸汽系統(tǒng)如圖1所示。由于在算過程實際上即問題的求解過程。構(gòu)造好的數(shù)學改造中僅僅提高了乙烯生產(chǎn)能力，并沒有對蒸汽系規(guī)劃問題的- .般形式如下:統(tǒng)中的有關(guān)設備進行必要的擴容和更換,使得汽輪Minf(x)x∈E"(1)機GT201和GTS01各缸進汽量達到最大值,低壓S.T. g;(x)≥0j = 1.2......缸進汽量因遠大于系統(tǒng)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(tǒng)失去了操作彈性,工式中，f(x)為目標函數(shù),通常定義為能耗最小，況無法進行調(diào)整的弊病,造成該廠蒸汽系統(tǒng)能耗g;(x)和h;(x)為約束函數(shù)。過大,熱電廠所供高、中壓蒸汽量偏大,夏季低壓3乙烯廠 蒸汽系統(tǒng)主要部件數(shù)學模型和算法蒸汽過剩排空造成浪費。為解決此難題,建立了蒸3.1 蒸汽系統(tǒng)的組成汽系統(tǒng)的數(shù)學模型,對系統(tǒng)進行熱平衡優(yōu)化計算，將圖1所示蒸汽系統(tǒng)的原則性系統(tǒng)圖按照蒸找到問題癥結(jié)所在,提出改造方案,并對改造后恢汽參數(shù)相同即合并成 一臺設備的原則簡化為圖2。復了操作彈性的蒸汽系統(tǒng)實施優(yōu)化調(diào)度和管理，蒸汽系統(tǒng)主要由裂解爐、汽輪機( GT201 , CT501)、實現(xiàn)了節(jié)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(tǒng)熱平衡優(yōu)化計算方法級蒸汽母管及- -些熱用戶組成。裂解爐的工況取蒸汽系統(tǒng)熱平衡計算的常規(guī)方法是根據(jù)各級決于生產(chǎn)過程,當蒸汽系統(tǒng)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,無法調(diào)整,因而備熱力學參數(shù)之間存在的數(shù)學關(guān)系,通過迭代計它不包括在優(yōu)化范圍內(nèi)。算,確定一個能滿足生產(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調(diào)整運行參數(shù)。其缺點是當蒸汽系統(tǒng)趨于收稿日期2000-12.19:雄改稿收到日期200102-150復雜時,迭代計算將變得十分困難;另外在建模時,作者簡中國煤化工畢業(yè),教授,現(xiàn)當考慮各種約束條件而存在不等式方程時，常規(guī)的從事熱:HCNMHG_內(nèi)外公開刊物上發(fā)表計算方法將無能為力。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(tǒng)熱平衡的計算問題,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\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撫順石化乙烯廠蒸汽系統(tǒng)原則性原理圖裂觶爐(;T201超高壓燕汽管高壓蒸汽管<石袖二廠來、高壓蒸汽用戶1I GTS01|| 戶2|中壓蒸汽骨,石油二廠來K中壓蒸汽用戶3| 用戶4|PDIC低壓蒸汽管PDIC- 914乙烯脫氧器用戶圖2撫順石化乙烯廠 蒸汽系統(tǒng)簡圖3.2汽輪機的數(shù)學模型行了詳細的測繪,并在高壓缸調(diào)節(jié)級增加了四個噴在蒸汽系統(tǒng)中,汽輪機是驅(qū)動機泵并將各級蒸嘴以加大流量。依據(jù)測繪數(shù)據(jù)和實際運行數(shù)據(jù)首汽母管相互連接,實現(xiàn)能量梯級利用的核心部件。先進行詳細的設計工況核算,再分別對各缸進行變優(yōu)化計算蒸汽系統(tǒng)熱平衡的目的是為了降低系統(tǒng)工況計算得到它們的變工況特性,據(jù)此建立汽輪機的能耗,而優(yōu)化結(jié)果的具體實現(xiàn)則是通過調(diào)整汽輪的數(shù)學中國煤化工機的進汽量和抽汽量。因此,建立符合實際的汽輪1HCNMHG機模型是成功進行蒸汽系統(tǒng)熱平衡優(yōu)化計算的關(guān)設計點:進入壓刀ii. 16 MPa,進汽溫度鍵。錦西化工機械廠對GT201和GT501汽輪機進515 C ,排汽壓力3.185 MPa,轉(zhuǎn)速8 390 r/min。第10期呂澤華等.乙烯裝置燕汽系統(tǒng)的優(yōu)化51功率模型:建立設計點功率與進汽流量的關(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的進汽量,Vh;G,為脫氧器的進汽量, 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、排汽參數(shù)非設計參數(shù)時，CT201和CTS01汽輪機分別驅(qū)動裂解氣壓縮需對原設計參數(shù)下的模型進行修正。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。無因次; Po為進汽壓力,MPa。N2 + Na= N210+ Nxo(6)同理可得初溫、背壓、轉(zhuǎn)速的修正因子。計算機組運行時的實際功率和實際效率的總式中，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)汽輪機進汽量約束中, N為實際功率, kW; Kv.T。、KN.p、Kw.n為功GT201和GT501汽輪機各缸通過的最大流量率的初溫、背壓、轉(zhuǎn)速的修正因子,無因次。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)化前后會有所變化,此參溫、背壓、轉(zhuǎn)速的修正因子，無因次;yo為設計效數(shù)和優(yōu)化計算過程無關(guān),但優(yōu)化計算結(jié)果應滿足蒸汽母管的溫度變化較小，且在約束范圍內(nèi)。(2)同理可建立G1T201中壓缸和低壓缸的數(shù)(6)可控決策變量學模型。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(shù)學模型。等式方程2~6的變量僅有6個,設為:xI= Gr2,x23.3蒸汽系統(tǒng)熱平衡優(yōu)化計算的數(shù)學模型= Gn2- Gg,x3= Giu,x4= G4- Gis,x5= Gw),x6(1)目標函數(shù)= CGr。所以，系統(tǒng)的自由度為1, 即系統(tǒng)的可控決乙烯廠蒸汽系統(tǒng)的能耗主要體現(xiàn)在外來高壓策變量只有一個。將以上的數(shù)學模型整理成公和中壓蒸汽流量上,因此目標函數(shù)可定義為:式1的形式,即可選用轉(zhuǎn)軸直接搜索可行方向法f(x) = anGmn + a2Gmn(DSFD方法)來求解此非線性規(guī)劃的問題(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(quán)重,代表高壓蒸汽和中壓蒸汽的價值。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(tǒng)所設計的由于蒸汽母管實際上存在泄漏現(xiàn)象,所以進出實際運行時的工作流量都很小,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,都已達到最大52石油煉制與化I2001年第32卷表1非線性優(yōu)化方法的計算結(jié)果汽器的投資為120萬元,1個多月即可收回成本。項目更換凝汽器前更換凝汽器后撫順石化乙烯廠于2000年5月進行此項節(jié)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(tǒng)的操作彈性。按表1結(jié)果優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)低壓母管溫度(冬/廈)/心183/186179.6/183.8的運行參數(shù),經(jīng)實測2000年夏天實現(xiàn)了節(jié)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(jié)能減耗、提高壓缸進汽流量/th-170效的目的。中壓缸進汽流量/+h-'4641.3/42.1低壓缸進汽流量/h-'21.2/20.85結(jié)論凝汽壓力/MPa0.070.02(給定)(1)利用優(yōu)化調(diào)度方法,建立蒸汽系統(tǒng)熱平衡CTS01汽輪機優(yōu)化數(shù)學模型，通過計算,找到了撫順石化乙烯廠高壓缸進汽流最/th" '43.237.1/38.1能耗高的問題所在,提出改造方案,并進行了節(jié)能低壓缸進汽流最/+h112.914. 1/12.0改造。(2)對改造后的系統(tǒng),按模型計算結(jié)果優(yōu)化調(diào)堿溫堿壓器PDIC-913流量/th"0/2.8整系統(tǒng)運行參數(shù),實際可節(jié)省高壓蒸汽8 Vh,節(jié)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1 000萬元/a,1個月即可收回改造成本[6。/00/0(給定)1h-'(放空)外來高壓燕汽流量(冬/廈)/66.9/83.457.9/76.1lh-1外來中壓蒸汽流量(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外來蒸光量的加權(quán)值(冬/廈)/36.257.1nioud Joint Pomer Generaian Cnferaxe. Par2 (d2) Vol 30 1996uh-1Houston, us流量, GT201達30 Vh。此時凝汽器工作不正常，2于萬紀. 石油化工廠蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化設計的研究:[碩士學位論背壓由設計值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. 中小型沖動式I業(yè)汽輪機通流部分CAD系統(tǒng)商品化開發(fā):[碩士學位論文].北京:清華大學熱能工程系，1992才有望調(diào)整抽汽量,恢復系統(tǒng)的操作彈性,實現(xiàn)節(jié)沈幼庭,何館英.熱力系統(tǒng)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行優(yōu)化計算,結(jié)果見表社, 1985. l68- 1721。 由表1可知,年均可節(jié)省外來高壓蒸汽何建坤,江道琪,陳松華.實用線性規(guī)劃及計算機程序.北京:清華大學出版社，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(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究:[碩士學位論文].北京:清華運行300d計算,節(jié)約經(jīng)費1000多萬元，而更換凝大學熱能工程系，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