乙烯装置蒸汽系统的优化

石油炼制与化T.2001年10月PETROLEUM PROCESSING AND PEIROCHEMICALS第32卷第10期乙烯装置蒸汽系统的优化吕泽华'赵士杭' 陈钢'尤成宏2*{1.清华大学.北京10084; 2.抚顺石油化工公司)摘要针对抚顺石油 化工公司乙烯装置扩容改造后,蒸汽系统失去操作弹性,工I况无法进行调整,造成能耗和生产成本偏高,运行可靠性下降等问题,利用有效的优化调度方法,建立了蒸汽系统热平衡优化计算的数学模型,通过优化计算分析蒸汽系统变工况的性能和诊断系统能耗高的症结所在,提出节能改造方案.并对改造后的蒸汽系统实施优化调度和管理。实施结果表明:蒸汽系统恢复了操作弹性，可节省高压蒸汽8 tvh,每年节约经费1 000万元,实现了节能臧耗提效的目的。关键词:乙烯装置蒸汽能耗优化数学模型节能1前言题[1.2]。蒸汽系统热平衡计算的目的是为了寻找抚顺石油化工公司乙烯厂(以下简称乙烯厂)一个能使系统能耗最小的工况,这与最优化的概念乙烯装置和设备都是由国外引进的，1997 年扩容是一致的,因此使用优化方法计算蒸汽系统热平改造后，年生产能力由115 kt提高到148 kt,扩容衡,只要将它表述成为一个数学规划问题,优化计近30% ,改造后的蒸汽系统如图1所示。由于在算过程实际上即问题的求解过程。构造好的数学改造中仅仅提高了乙烯生产能力，并没有对蒸汽系规划问题的- .般形式如下:统中的有关设备进行必要的扩容和更换,使得汽轮Minf(x)x∈E"(1)机GT201和GTS01各缸进汽量达到最大值,低压S.T. g;(x)≥0j = 1.2......缸进汽量因远大于系统的设计值而造成功率后移h;(x) = 0j=p..,m和凝汽器真空恶化,蒸汽系统失去了操作弹性,工式中，f(x)为目标函数,通常定义为能耗最小，况无法进行调整的弊病,造成该厂蒸汽系统能耗g;(x)和h;(x)为约束函数。过大,热电厂所供高、中压蒸汽量偏大,夏季低压3乙烯厂 蒸汽系统主要部件数学模型和算法蒸汽过剩排空造成浪费。为解决此难题,建立了蒸3.1 蒸汽系统的组成汽系统的数学模型,对系统进行热平衡优化计算，将图1所示蒸汽系统的原则性系统图按照蒸找到问题症结所在,提出改造方案,并对改造后恢汽参数相同即合并成 一台设备的原则简化为图2。复了操作弹性的蒸汽系统实施优化调度和管理，蒸汽系统主要由裂解炉、汽轮机( GT201 , CT501)、实现了节能提效、优化运行的目的。乙烯脱氧器、臧温减压器( PDIC-913, PDIC-914)、四2蒸汽系统热平衡优化计算方法级蒸汽母管及- -些热用户组成。裂解炉的工况取蒸汽系统热平衡计算的常规方法是根据各级决于生产过程,当蒸汽系统汽源是裂解炉余热锅母管的蒸汽流量平衡和热量平衡的原理,列出各设炉，其产汽量也就取决于生产工况,无法调整,因而备热力学参数之间存在的数学关系,通过迭代计它不包括在优化范围内。算,确定一个能满足生产运行条件的工况,如此得到一系列工况后,选择能耗最小者作为较好的运行方案来调整运行参数。其缺点是当蒸汽系统趋于收稿日期2000-12.19:雄改稿收到日期200102-150复杂时,迭代计算将变得十分困难;另外在建模时,作者简中国煤化工毕业,教授,现当考虑各种约束条件而存在不等式方程时，常规的从事热:HCNMHG_内外公开刊物上发表计算方法将无能为力。而本文采用最优化方法处基金项目:国家“攀登计划B-<8--35)。理蒸汽系统热平衡的计算问题,解决了此难*参加工作的还有:周建华李大力。50石油炼制与化工2001年第32卷|1号炉| 2号炉3号炉| 4 号炉5号炉6号炉GT201H PDIC-911石油_)来\高压蒸汽| 废贓| Gr901GTSOL| G1601热H。EG I[BOP PPE氧化| -912,石袖二1‘東低压蒸汽GTIo4|GT10PDIC:-913低压燕汽>PDIC- -914乙烯|4烯丁爆]廊「P广前换热器脱氧器放空热水站EG图1抚顺石化乙烯厂蒸汽系统原则性原理图裂觶炉(;T201超高压燕汽管高压蒸汽管<石袖二厂来、高压蒸汽用户1I GTS01|| 户2|中压蒸汽骨,石油二厂来K中压蒸汽用户3| 用户4|PDIC低压蒸汽管PDIC- 914乙烯脱氧器用户图2抚顺石化乙烯厂 蒸汽系统简图3.2汽轮机的数学模型行了详细的测绘,并在高压缸调节级增加了四个喷在蒸汽系统中,汽轮机是驱动机泵并将各级蒸嘴以加大流量。依据测绘数据和实际运行数据首汽母管相互连接,实现能量梯级利用的核心部件。先进行详细的设计工况核算,再分别对各缸进行变优化计算蒸汽系统热平衡的目的是为了降低系统工况计算得到它们的变工况特性,据此建立汽轮机的能耗,而优化结果的具体实现则是通过调整汽轮的数学中国煤化工机的进汽量和抽汽量。因此,建立符合实际的汽轮1HCNMHG机模型是成功进行蒸汽系统热平衡优化计算的关设计点:进入压刀ii. 16 MPa,进汽温度键。锦西化工机械厂对GT201和GT501汽轮机进515 C ,排汽压力3.185 MPa,转速8 390 r/min。第10期吕泽华等.乙烯装置燕汽系统的优化51功率模型:建立设计点功率与进汽流量的关母管的流量约束如下: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为GT201中压缸和GTS501高压缸的0.086C3 + 0.000 063C*进汽量,Vh; C1. Ggs为GT201二级抽汽量和GT50149< G≤67抽汽量,Vh; C。、G.2. Gg、Ca和G.s为热用户用汽No= 29251.65- 754.4601C + 5.869 986C2量,Vh;G,和Cr为减温减压器PDIC-913 和PDIC-G>67914的进汽量,Vh;G,为脱氧器的进汽量, Vh;式中No- -设计功率, kW;△G2.OG;和OGs为高、中和低压母管流量的不平C一进汽流量,th。衡量,Vh。同理可建立效率7与流量G的关系模型。(3)汽轮机作功量约束修正因子模型:当进、排汽参数非设计参数时，CT201和CTS01汽轮机分别驱动裂解气压缩需对原设计参数下的模型进行修正。机和丙烯压缩机,必须保证它们的功率优化计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为优化计算前CT201 高、中、低式中，Kx,p.、Kr.p。为功率和效率的初压修正因子,压缸作功量, kW; Nuo、N20、Nxo为优化计算后GT201高、中、低压缸作功量,kW。无因次; Po为进汽压力,MPa。N2 + Na= N210+ Nxo(6)同理可得初温、背压、转速的修正因子。计算机组运行时的实际功率和实际效率的总式中，N2、N2a为优化计算前GTS0I 中、低压缸作功量,kW; N210、N0为优化计算后GT501 中、低压公式为:N= K.oK.7RN.pK.,No缸作功量, kW。(4)汽轮机进汽量约束中, N为实际功率, kW; Kv.T。、KN.p、Kw.n为功GT201和GT501汽轮机各缸通过的最大流量率的初温、背压、转速的修正因子,无因次。和最小流量是- -定的。7 = Kq.pKr.To Kq.pKp.n70(5)蒸汽母管温度变化的约束式中，刀为实际效率;K,r。、Kp,p.、K.,n为效率的初蒸汽母管的温度在优化前后会有所变化,此参温、背压、转速的修正因子，无因次;yo为设计效数和优化计算过程无关,但优化计算结果应满足蒸汽母管的温度变化较小，且在约束范围内。(2)同理可建立G1T201中压缸和低压缸的数(6)可控决策变量学模型。分析表明,当乙烯装置的运行工况确定以后，(3)同理可建立CT501的数学模型。等式方程2~6的变量仅有6个,设为:xI= Gr2,x23.3蒸汽系统热平衡优化计算的数学模型= Gn2- Gg,x3= Giu,x4= G4- Gis,x5= Gw),x6(1)目标函数= CGr。所以，系统的自由度为1, 即系统的可控决乙烯厂蒸汽系统的能耗主要体现在外来高压策变量只有一个。将以上的数学模型整理成公和中压蒸汽流量上,因此目标函数可定义为:式1的形式,即可选用转轴直接搜索可行方向法f(x) = anGmn + a2Gmn(DSFD方法)来求解此非线性规划的问题(4.5)。式中，Gn、Gn为高压、中压蒸汽流量,Vh;a1和4乙烯竺果a2分别为权重,代表高压蒸汽和中压蒸汽的价值。经YH中国煤化工明, 虽两汽轮(2)蒸汽母管流量不平衡约束机低压CNMHG.统所设计的由于蒸汽母管实际上存在泄漏现象,所以进出实际运行时的工作流量都很小,CT201机组的流量母管的蒸汽流量不可能完全相等高压、中压、低压仅为5t/h。而扩容改造后运行时,都已达到最大52石油炼制与化I2001年第32卷表1非线性优化方法的计算结果汽器的投资为120万元,1个多月即可收回成本。项目更换凝汽器前更换凝汽器后抚顺石化乙烯厂于2000年5月进行此项节能改高压母管温度(冬/厦)/C380/384374.5/378.8造,使得汽轮机凝汽器背压降至0.02 MPa,恢复了中压母管温度(冬/夏)/心269/271 264.2/269.4蒸汽系统的操作弹性。按表1结果优化调整系统低压母管温度(冬/厦)/心183/186179.6/183.8的运行参数,经实测2000年夏天实现了节省高压GT201汽轮机(定值)蒸汽8 /h的预期目标,达到了良好的节能减耗、提高压缸进汽流量/th-170效的目的。中压缸进汽流量/+h-'4641.3/42.1低压缸进汽流量/h-'21.2/20.85结论凝汽压力/MPa0.070.02(给定)(1)利用优化调度方法,建立蒸汽系统热平衡CTS01汽轮机优化数学模型，通过计算,找到了抚顺石化乙烯厂高压缸进汽流最/th" '43.237.1/38.1能耗高的问题所在,提出改造方案,并进行了节能低压缸进汽流最/+h112.914. 1/12.0改造。(2)对改造后的系统,按模型计算结果优化调碱温碱压器PDIC-913流量/th"0/2.8整系统运行参数,实际可节省高压蒸汽8 Vh,节约乙烯脱氧器迸汽流量/th~'4.4/74.4/7.1臧温跋压器PDIC-914流量/经费1 000万元/a,1个月即可收回改造成本[6。/00/0(给定)1h-'(放空)外来高压燕汽流量(冬/厦)/66.9/83.457.9/76.1lh-1外来中压蒸汽流量(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外来蒸光量的加权值(冬/厦)/36.257.1nioud Joint Pomer Generaian Cnferaxe. Par2 (d2) Vol 30 1996uh-1Houston, us流量, GT201达30 Vh。此时凝汽器工作不正常，2于万纪. 石油化工厂蒸汽系统优化设计的研究:[硕士学位论背压由设计值0.02 MPa升至0.07 MPa以上。若文].北京:清华大学热能工程系，1993更换新的凝汽器,降低背压使汽轮机低压缸提效，3赵金铎. 中小型冲动式I业汽轮机通流部分CAD系统商品化开发:[硕士学位论文].北京:清华大学热能工程系，1992才有望调整抽汽量,恢复系统的操作弹性,实现节沈幼庭,何館英.热力系统及设备最优化.北京:机械工业出版能。对更换凝汽器前后进行优化计算,结果见表社, 1985. l68- 1721。 由表1可知,年均可节省外来高压蒸汽何建坤,江道琪,陈松华.实用线性规划及计算机程序.北京:清华大学出版社，1985.8-30 .8.15 /h,中压蒸汽1.7 Vh,以每吨蒸汽150元,年6周建华. 蒸汽系统优化调度研究:[硕士学位论文].北京:清华运行300d计算,节约经费1000多万元，而更换凝大学热能工程系，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中国煤化工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