龔 維

(中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103)

蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)作為煉化企業(yè)的主要用能單元之一，其在能耗中的權(quán)重僅次于燃料消耗，因此如何將蒸汽設(shè)備的運(yùn)行優(yōu)化與整個(gè)蒸汽系統(tǒng)的產(chǎn)耗結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)蒸汽系統(tǒng)的全局優(yōu)化，是企業(yè)節(jié)能潛力最大的途徑之一[1-2]。在保證蒸汽系統(tǒng)安全運(yùn)行的同時(shí)，為了提高蒸汽使用效率、降低生產(chǎn)成本、增加企業(yè)效益，中化泉州石化有限公司(簡稱泉州石化)開發(fā)了蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)。蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)是指利用信息化手段，對蒸汽管網(wǎng)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過建立管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型對蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算[3-4]。該系統(tǒng)可以采集全廠蒸汽系統(tǒng)的生產(chǎn)信息，隨時(shí)顯示蒸汽管網(wǎng)各部位的工況，通過對這些信息加以分析、優(yōu)化、配置和管理，明顯提高蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行管理水平，同時(shí)增加蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)介紹

1.1 蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，其中模擬系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以人工輸入的方式存于模擬系統(tǒng)中，蒸汽汽源及各用戶的實(shí)測操作參數(shù)由DCS系統(tǒng)采集并存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，供模擬系統(tǒng)取用；模擬系統(tǒng)利用上述管網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)測操作參數(shù)作模擬計(jì)算，得到指定的管網(wǎng)中各部位的大量參數(shù)信息，傳回實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；監(jiān)測系統(tǒng)隨時(shí)反映實(shí)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果。蒸汽管網(wǎng)技術(shù)人員既可通過監(jiān)測系統(tǒng)掌握管網(wǎng)的生產(chǎn)狀況，進(jìn)行優(yōu)化管理和運(yùn)行調(diào)度；也可通過模擬計(jì)算對蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、規(guī)劃、分析和優(yōu)化。

圖1 蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)功能架構(gòu)

蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。功能架構(gòu)包括離線模擬、在線模擬和在線監(jiān)測3個(gè)功能模塊，其中離線模擬包括管網(wǎng)模型和管網(wǎng)評估，以泉州石化蒸汽管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型和管網(wǎng)評估報(bào)告的形式展現(xiàn)；在線模擬模塊包括在線計(jì)算和數(shù)據(jù)報(bào)表，在線計(jì)算實(shí)現(xiàn)定時(shí)自動(dòng)模擬計(jì)算，數(shù)據(jù)報(bào)表用于輸出計(jì)算結(jié)果；在線監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)對管網(wǎng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，該模塊包括分布顯示、超限報(bào)警、蒸汽平衡和歷史查詢4個(gè)模塊。

圖2 蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)功能架構(gòu)

2 蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

泉州石化全廠蒸汽系統(tǒng)設(shè)置3.5 MPa中壓蒸汽、1.0 MPa低壓蒸汽、0.4 MPa低低壓蒸汽3個(gè)壓力等級的蒸汽管網(wǎng)，全廠蒸汽系統(tǒng)管網(wǎng)及裝置內(nèi)主線總長約25.1 km。全廠蒸汽管網(wǎng)龐大復(fù)雜，呈環(huán)路、多級、多分支狀態(tài)，蒸汽用戶變化時(shí)，各管段流量、溫度狀態(tài)不明，蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)熱損失難以量化。泉州石化中壓蒸汽70%左右供裝置透平使用，30%供制氫配汽及裝置加熱使用，中壓蒸汽管網(wǎng)溫度、壓力的穩(wěn)定對裝置蒸汽透平設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。低壓和低低壓蒸汽主要供裝置加熱使用，對溫度、壓力的要求較中壓蒸汽低，因此主要介紹智能監(jiān)測系統(tǒng)在中壓蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.1 中壓蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題

泉州石化煉油項(xiàng)目在中壓蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不僅考慮到裝置開停工期間各種極限工況下不同蒸汽的平衡情況，而且提前考慮到二期乙烯及煉油改擴(kuò)建項(xiàng)目對煉油項(xiàng)目的影響，所以中壓蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的管線較粗，且大部分系統(tǒng)管線供汽量不大，系統(tǒng)管線流速普遍偏慢。中壓蒸汽管網(wǎng)為環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)管理上，系統(tǒng)較為復(fù)雜，且缺少蒸汽管網(wǎng)內(nèi)部溫度、壓力、流量等參數(shù)測點(diǎn)，致使部分管道內(nèi)蒸汽流向、流量及冷凝狀況經(jīng)常發(fā)生變化。這就使中壓蒸汽管網(wǎng)形成多汽源供汽格局，催化裂化裝置供汽影響連續(xù)重整、芳烴抽提和干氣液化氣脫硫(雙脫)裝置用汽，硫磺回收裝置供汽影響聚丙烯、汽油加氫、柴油加氫裝置用汽，延遲焦化、加氫裂化和渣油加氫等部分裝置用汽參數(shù)隨工況變化明顯。煉油裝置正常生產(chǎn)期間，煉油系統(tǒng)裝置自產(chǎn)蒸汽與消耗蒸汽基本平衡，動(dòng)力站外供蒸汽量很少，此時(shí)延遲焦化裝置及渣油加氫裝置中壓蒸汽溫度偏低且波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響裝置蒸汽透平安全平穩(wěn)運(yùn)行。

全廠中壓蒸汽系統(tǒng)管網(wǎng)及裝置內(nèi)主線總長約6.7 km，中壓蒸汽系統(tǒng)管網(wǎng)流程見圖3。中壓蒸汽參數(shù)設(shè)計(jì)值為溫度400 ℃、壓力3.7 MPa，正常生產(chǎn)時(shí)主要由催化裂化裝置、制氫裝置、硫磺回收裝置和連續(xù)重整裝置的余熱鍋爐提供，不足部分由動(dòng)力站汽輪機(jī)抽汽、開工鍋爐、高/中壓減溫減壓器供給，以此維持不同工況下全廠的中壓蒸汽管網(wǎng)的平衡。

圖3 中壓蒸汽系統(tǒng)管網(wǎng)流程

2.2 動(dòng)力站中壓供汽對關(guān)鍵裝置用汽影響模擬

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，延遲焦化透平的供汽源會(huì)隨著工況變化，尤其是在動(dòng)力站供汽方向發(fā)生反向的時(shí)候，其透平進(jìn)汽溫度波動(dòng)較大。為了解決裝置透平進(jìn)汽溫度偏低且波動(dòng)的問題，一般采用增加動(dòng)力站外供蒸汽量來提高并穩(wěn)定延遲焦化及渣油加氫裝置中壓蒸汽溫度[5-6]，為了分析動(dòng)力站外供蒸汽量變化對其他裝置帶來的影響，利用蒸汽智能管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)對多種工況進(jìn)行模擬分析，主要選擇以下兩種工況進(jìn)行介紹。

2.2.1 動(dòng)力站供汽量為-30～60 th工況下對延遲焦化透平進(jìn)汽溫度的影響動(dòng)力站供汽量為-30～60 th工況下，由動(dòng)力站、催化裂化裝置和硫磺回收裝置同時(shí)向延遲焦化透平供汽，延遲焦化裝置供汽量和硫磺回收裝置供汽量隨動(dòng)力站外供汽量的變化曲線見圖4，延遲焦化裝置供汽源及進(jìn)汽溫度隨動(dòng)力站外供汽量的變化曲線見圖5。由圖4和圖5可以看出：動(dòng)力站供汽量為-30 th時(shí)，硫磺回收裝置提供了延遲焦化裝置92%的汽量，此時(shí)延遲焦化透平進(jìn)汽溫度主要受硫磺回收裝置控制；動(dòng)力站供汽量為60 th時(shí)，動(dòng)力站和硫磺回收裝置向延遲焦化裝置各供汽約50%，共同決定延遲焦化透平的進(jìn)汽溫度。

圖4 動(dòng)力站外供汽量為-30～60 t/h時(shí)對延遲焦化裝置供汽量的影響

圖5 動(dòng)力站外供汽量為-30～60 t/h時(shí)延遲焦化裝置供汽源和透平進(jìn)汽溫度變化曲線

通過模擬分析可知：①隨著動(dòng)力站外供汽量增加，延遲焦化裝置北側(cè)管網(wǎng)供給延遲焦化的汽量會(huì)穩(wěn)定增加，而硫磺回收裝置供給延遲焦化裝置的汽量會(huì)逐漸減少，即動(dòng)力站對延遲焦化裝置用汽參數(shù)的影響逐漸增大，而對硫磺回收裝置供汽參數(shù)的影響逐漸降低[7]。②硫磺回收裝置供延遲焦化裝置的進(jìn)汽溫度相對較穩(wěn)定，在硫磺回收裝置產(chǎn)汽溫度不變的前提下，動(dòng)力站供汽量從-30 th增加到60 th時(shí)，其溫度變化只有8 ℃。動(dòng)力站供汽量為-30～15 th時(shí)，延遲焦化北側(cè)管網(wǎng)供汽的溫度低且波動(dòng)較大；供汽量高于15 th時(shí)延遲焦化裝置北側(cè)管網(wǎng)供汽溫度才開始穩(wěn)步上升。③動(dòng)力站供汽量為-30～-10 th工況時(shí)，硫磺回收裝置供汽量占比較大，但因其供汽溫度較低，延遲焦化透平進(jìn)汽溫度一直處于較低水平；動(dòng)力站供汽量為-5～10 th時(shí)，動(dòng)力站供汽量增大，但其供汽溫度太低，致使延遲焦化透平進(jìn)汽溫度也處于波谷；動(dòng)力站供汽量高于15 th時(shí)，延遲焦化裝置北側(cè)管網(wǎng)供汽溫度處于穩(wěn)定上升階段，其供汽量占比也穩(wěn)步提高，延遲焦化透平進(jìn)汽溫度開始穩(wěn)步上升到一個(gè)較高的水平。

2.2.2 動(dòng)力站供汽量為30～90 th工況下對渣油加氫裝置進(jìn)汽溫度的影響動(dòng)力站供汽量為30～90 th工況下，動(dòng)力站和催化裂化裝置同時(shí)向渣油加氫裝置供汽，動(dòng)力站和催化裂化裝置的中壓蒸汽分別從相反的兩個(gè)方向供入渣油加氫裝置，渣油加氫裝置用汽量不變，兩側(cè)的供汽量會(huì)隨著工況變動(dòng)，其供汽量隨動(dòng)力站外供汽量的變化曲線見圖6，渣油加氫裝置進(jìn)汽源和透平進(jìn)汽溫度隨動(dòng)力站外供汽量的變化曲線見圖7。由圖6和圖7可以看出：動(dòng)力站供汽量低于30 th時(shí)，渣油加氫裝置完全由催化裂化裝置供汽；供汽量高于30 th時(shí)，動(dòng)力站開始向渣油加氫裝置供汽，其溫度一度低至243 ℃，動(dòng)力站供渣油加氫一側(cè)管段產(chǎn)生凝水的幾率較大，此時(shí)該管段應(yīng)加強(qiáng)疏水；當(dāng)動(dòng)力站供汽量為70 th時(shí)，動(dòng)力站和催化裂化裝置各向渣油加氫裝置供汽50%；供汽量為90 th時(shí)，動(dòng)力站供汽量占比已經(jīng)超過70%。

圖6 動(dòng)力站外供汽量為30～90 t/h時(shí)對渣油加氫裝置供汽量的影響

圖7 動(dòng)力站外供汽量為30～90 t/h時(shí)渣油加氫供汽源和透平進(jìn)汽溫度變化曲線

2.3 動(dòng)力站外供蒸汽較佳運(yùn)行工況分析

延遲焦化裝置、渣油加氫裝置進(jìn)汽溫度受動(dòng)力站外供量影響較大，根據(jù)以上兩種工況的模擬分析發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力站外供汽量為50～70 th時(shí)，中壓蒸汽管網(wǎng)整體運(yùn)行較佳；此時(shí)，延遲焦化裝置、渣油加氫裝置進(jìn)汽溫度較為適宜，裝置兩側(cè)管線供汽量分配也較均勻。

表1 動(dòng)力站外供汽量為60 t/h時(shí)各主要裝置透平供汽、用汽參數(shù)模擬結(jié)果

2.4 中壓蒸汽管網(wǎng)新增透平方案模擬

為了保證關(guān)鍵裝置蒸汽透平穩(wěn)定運(yùn)行，動(dòng)力站需要增加其外供蒸汽量，為了保證蒸汽平衡，催化裂化裝置就必須讓部分蒸汽通過其界區(qū)內(nèi)減溫減壓器轉(zhuǎn)化為低壓蒸汽，催化裂化減溫減壓器流量一般在20～40 t/h之間，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。由表2可以看出，蒸汽存在高品位低用現(xiàn)象，造成大量能量浪費(fèi)，因此可以通過新增透平作為消化富余蒸汽和穩(wěn)定中壓管網(wǎng)運(yùn)行的手段來解決這個(gè)問題。

表2 2019年8—12月動(dòng)力站外供蒸汽量與催化裂化減溫減壓器流量數(shù)據(jù)對比

為了減少增加透平對其他裝置的影響，利用蒸汽智能管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，新增中壓透平位置示意見圖8，不同的解決方案對應(yīng)新增透平的不同位置。

圖8 新增中壓透平位置示意

新增透平位置1靠近催化裂化裝置(方案1)，擬從靠近催化裂化裝置的中壓蒸汽系統(tǒng)主管接出。假定增加透平后，催化裂化減溫減壓器不再運(yùn)行，模擬改變新增透平用汽量對各裝置透平進(jìn)汽溫度的影響，計(jì)算結(jié)果見圖9。由圖9可以看出，新增透平用汽量若低于20 t/h，延遲焦化透平進(jìn)汽溫度偏低，將影響透平運(yùn)行，這也與現(xiàn)階段催化裂化裝置減溫減壓器流量相匹配。新增透平用汽量為40 t/h時(shí)，動(dòng)力站外供汽量為50 t/h，各裝置透平進(jìn)汽溫度都合理。

圖9 方案1各裝置透平進(jìn)汽溫度隨新增透平用汽量的變化曲線

新增透平位置2擬從柴油加氫支線三通附近的系統(tǒng)管網(wǎng)甩頭接出(方案2)，透平布置在循環(huán)水場，新增DN350管線全長約400 m。假定增加透平后，催化裂化減溫減壓器不再運(yùn)行，模擬改變新增透平用汽量對各裝置透平進(jìn)汽溫度的影響，計(jì)算結(jié)果見圖10。由圖10可以看出：方案2在一定程度上改變了中壓管網(wǎng)的供汽、用汽格局，其中變化最明顯的是延遲焦化透平進(jìn)汽溫度，此時(shí)延遲焦化透平受動(dòng)力站供汽影響更大，當(dāng)新增透平用汽量為35 t/h時(shí)，此時(shí)動(dòng)力站外供汽量為45 t/h，各裝置透平進(jìn)汽溫度都較合理。但是新增透平由于處于供汽的最遠(yuǎn)端，壓損和溫降均較大，新增透平用汽量必須達(dá)到50 t/h，才能保證新增透平進(jìn)汽溫度合理，而且新增管道增加了成本。

圖10 方案2各裝置透平進(jìn)汽溫度隨新增透平用汽量變化曲線

新增透平位置3擬從動(dòng)力站界區(qū)中壓蒸汽系統(tǒng)主線上接出(方案3)，從流程上可以看出，方案3能消化富余中壓蒸汽，但無力調(diào)節(jié)中壓蒸汽管網(wǎng)使其穩(wěn)定運(yùn)行。

從增加透平的效果來看，方案1和方案2都能實(shí)現(xiàn)既定的消化富余蒸汽和調(diào)節(jié)管網(wǎng)運(yùn)行的目的，方案3不適用于調(diào)節(jié)中壓管網(wǎng)的運(yùn)行。從成本投入來看，方案2成本明顯高于方案1，且由于方案2遠(yuǎn)距離輸送蒸汽，蒸汽品質(zhì)降低較多。綜合考慮，方案1更具有優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

泉州石化蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)，一方面實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)的實(shí)時(shí)智能監(jiān)測，使管網(wǎng)的單點(diǎn)監(jiān)測變?yōu)槿芫W(wǎng)監(jiān)測；另一方面開發(fā)了蒸汽管網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，提供了一個(gè)蒸汽管網(wǎng)模擬計(jì)算的平臺(tái)，對蒸汽管網(wǎng)從定性分析提升為定量分析，為提高蒸汽管網(wǎng)的運(yùn)行管理水平及節(jié)能優(yōu)化提供了有力的支持。

通過蒸汽管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)對中壓蒸汽管網(wǎng)對動(dòng)力站外供蒸汽量改變的影響進(jìn)行模擬分析，得出動(dòng)力站外供中壓蒸汽量為50～70 t/h時(shí)，中壓蒸汽管網(wǎng)整體運(yùn)行較佳；并對增加透平方案進(jìn)行模擬，新增透平靠近催化裂化裝置時(shí)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)消化富余蒸汽和調(diào)節(jié)管網(wǎng)運(yùn)行的目的，而且節(jié)約成本。