蒸汽动力系统（精选7篇）
蒸汽动力系统 篇1
引言
在石化企业中,蒸汽动力系统在向工艺过程提供动力、电力、热、工艺蒸汽等的同时本身也消耗大量的能源,其能在整个石化企业中占有相当大的比例。蒸汽动力系统的优化运行对石化企业的安全生产和成本控制具有重要的影响[1]。因此,优化蒸汽动力系统的操作,降低运行成本,是石油化工业节能降耗、提高效益的重要途径。蒸汽动力系的多周期运行优化可以表述为:在满足工艺过程工量、产品方案、气候、季节等因素变化引起的蒸汽和电力需求变化的条件下,选择蒸汽动力系统最佳的运行操作方案,使全周期内总费用最低。当蒸汽和动力的需求变化时,便出现了设备的启动和停运问题[2]。蒸汽动力系统的设备启停费用相当可观,是不可忽略的,因此在研究蒸汽动力系统的优化运行调度时,设备的启停费用是必不可少的。
综合考虑设备启停费用,本文建立了蒸汽动力系统多周期最优运行的混合整数线性规划模型,利用线性规划软件LINGO对某石化公司蒸汽动力系统进行了优化,得到了令人满意的优化运行计划,节省了大量的运行成本。
1 蒸汽动力系统优化建模
考虑一段时间内有P个操作周期的运行优化问题,以全周期内总费用为目标函数,用连续变量代表单元设备的处理能力和流量,用二元变量(取值为0或1)来代表在给定工况下各设备的运行状态(二元变量取值为1时表示运行该设备,取值为0时表示不运行该设备)。最终的目标是使全周期内总费用最小,并给出各工况下各设备的最优运行状态和运行负荷。
1.1 目标函数
目标函数取系统在全周期内总费用最小,一般取全周期为1a,即:
undefined
(1)第t个周期单元设备n的运行费用函数为COFnt,主要为锅炉燃料费用、冷凝水费用、锅炉给水费用等。
(2)第t个周期单元n启停费用函数CZFnt,
CZFnt=Cn×ZOnt+CSn×ZSnt (2)
式中:Cn—设备启动费用,元;
CSn—设备停运费用,元;
ZOnt—第t个周期单元设备n的启动状态变量(ZOnt=1表示第t个周期单元n存在启动费用,ZOnt=0表示第t个周期单元n不存在启动费用);
ZSnt—第t个周期单元设备n的停运状态变量(ZSnt=1表示第t个周期单元n存在停运费用,ZSnt=0表示第t个周期单元n不存在停运费用)。
(3)第t个周期外购动力的费用函数CWFpt,
CWFpt=cwp×wfpt (3)
式中:cwp—外购动力单价,元/kWh;
wfpt—周期t外购p等级动力量函数,kWh。
(4)第t个周期外购蒸汽的费用函数CSFrt,
CSFrt=csr×sfrt (4)
式中:csr—外购蒸汽单价,元/t;
sfrt—第t个周期外购r等级蒸汽量函数,t/h。
1.2 约束条件
(1)单元设备n的物料平衡方程:
undefined
式中:Fn,in,t—周期t输入到单元n的物流单位流量函数;
Fn,out,t—周期t从单元n输出的物流单位流量函数。
(2)单元设备n的能量平衡方程:
undefined
式中:wnpt—周期t单元n单位时间内对外输出p等级功的函数,kW;
Qnrt—周期t单元n单位时间内对外放出热量函数,kJ。
(3)设备能力约束:
ΩLFn,in≤Fn,in,t≤Ωundefinedn,in (7)
ΩLFn,out≤Fn,out,t≤Ωundefinedn,out (8)
Ωundefined≤wnpt≤Ωundefined (9)
Ωundefined≤Qnrt≤Ωundefined (10)
Ωundefined≤Snrt≤Ωundefined (11)
式中:Snrt—周期t单元n单位时间内产汽量函数,kW。
Ωundefined、Ωundefined为各对应项的上下界。
(4)周期t满足蒸汽和动力的需求约束
undefined
式中:DWpt—第t个周期p级动力的需求量,kW;
DSrt—第t个周期r等级蒸汽的需求量,t/h。
(5)周期t单元设备运行状态约束:
undefined
式中:Yn—设备选取变量(Yn=1表示单元n在设计阶段被选取,Yn=0表示单元n在设计阶段不被选取);
Ynt—第t个周期设备的运行状态(Ynt=1表示单元n在周期t运行,Ynt=0表示单元n在周期t不运行)。
(6)单元设备启停约束:
ZOnt≥Ynt-Yn,t-1 (16)
ZSnt≥Ynt-Yn,t+1 (17)
2 求解策略与方法
在以上建立的多周期模型中,可以是混合整数线性模型,也可以是混合整数非线性模型。对于线性模型求解,国内外众多学者已经开发了相应的算法,如Grossmann[3]提出的改进的分支定界算法和两级分解算法等,并且已经有了相应成熟的计算软件,如GAMS、ASPEN PLUS、LINGO等。其中,LINGO是美国LINDO系统公司开发的求解数学规划系列软件中的一个(其他软件为LINDO,GINO,What's Best等),其主要用于求解大规模线性、非线性和整数规划模型。它运行速度快,内置建模语言,提供几十个内部函数,从而能以较少语句,较直观的方式描述较大规模的规划模型;并且能方便地与EXCEL、数据库等其他软件交换数据。本文利用LINGO对某石化公司蒸汽动力系统进行了优化,并且将锅炉和汽轮机的模型根据实际运行情况进行了合理的线性化,得到了令人满意的优化运行计划,节省了大量的运行成本。
3 案例研究
我国某一石化企业的蒸汽动力系统的流程如图1所示,针对蒸汽动力系统优化提出了以下目标:
(1)提高锅炉和汽轮机的运行效率。在正常生产中,根据对汽、电需求的实时变化及时调整锅炉和汽轮机的开、停、负荷率,使整个系统始终处于最优的运行状态。
(2)提高联产效率,增加发电。及时根据外界变化计算出系统对汽/电需求比例的变化,并给出优化的运行方案对策;使蒸汽动力系统始终在最大可能的联产效率下提供工艺用蒸汽。
(3)避免因蒸汽不平衡而致的排空损失。
为实现上述目标,根据前面提出的集成建模理论,利用优化软件LINGO8.0对该企业蒸汽动力系统进行年生产计划优化。
4 运行计划优化及结果
该企业以往制定生产计划是基于EXCEL平台计算和输入输出的,而LINGO软件能方便地和EXCEL交换数据,并能有效求解大型线性问题,因此对该蒸汽动力系统优化运行计划问题建立混合整数线性模型,利用LINGO8.0进行求解。
该蒸汽动力系统包括一台高压锅炉、一台中压锅炉、两台背压式汽轮机和一台抽凝式汽轮机,两个最大流量为60t/h的减温减压阀。各单元折旧维护费用和设备的启停费用如表1所示。
现考虑总时间720h的优化调度问题,总时间分为6个周期,每个周期120h,每个周期的蒸汽和动力需求如表2所示。外购高压蒸汽费用为120元/t,外购动力费用为0.55元/kWh,燃料煤的低位热值为24000kJ/kg,价格为230元/t。
由于不考虑设计问题,各设备的折旧和维护费用可认为是不变的,不作为优化变量;企业蒸汽需求波动比较大,导致锅炉的负荷变化也较频繁,同一台锅炉的实际效率往往和设计值相差较大,而实际运行状态的变化会对锅炉的效率产生较大影响,因此锅炉效率与蒸发量关系的变工况特性需要通过实测得出。设备数学模型按企业要求采用线性模型(企业根据设备实际运行数据建立的模型)。
5 结果分析(见表3)
由计算得出全周期总费用为2554973元,其中启停费用120000元,占总费用的4.6%。与各周期单独优化结果(模型中不考虑启停费用)对比可知,考虑了启停费用后,各设备运行发生变化。虽然操作费用有所提高,但是启停费用降低的幅度较大,使得总费用降低更多,其数量相当可观。各周期之间蒸汽和动力需求量变化越大,同一时间段内划分的周期越多,总费用降低越多。模型中如果不考虑启停费用约束的另一个结果是设备启停频繁,从安全和经济方面考虑都是不允许的。综合以上两点可知,启停费用在蒸汽动力系统多周期优化调度过程中是不可忽视的。
另外,从优化运行结果可以看出,通过全厂蒸汽动力系统的集成优化,避免了以往经常出现的大量中压蒸汽减温减压以及设备启停频繁等问题,各设备大多在额定工况附近工作,没有出现低压蒸汽放空的问题。既能满足各工况的热功需求,又能保证运行的安全可靠,能够实现年总费用最低,进而证明了本文建立的考虑设备启停费用的多周期模型的有效性和实用性。
参考文献
[1]张国喜,华贲,刘金平.石化企业蒸汽动力系统的多工况操作优化[J].石油炼制与工程,2001,32(5):42-46.
[2]罗向龙,华贲,张冰剑.石化企业蒸汽动力系统的多周期运行优化[J].计算机与应用化学,2006,23(1):41-45.
[3]Papoulias,Grossmann.Astructural opti mization approach inprocess synthesis-I:utility systems[J].Comput.Chem.En-gng,1983,19:481-488.
蒸汽动力系统 篇2
近年来,国内炼化企业积极应用先进的节能技术,切实加强能源管理,有效提高了企业能源利用水平。但是,与国外先进水平相比,国内炼化企业的能效水平仍存在较大差距。
炼化企业的蒸汽动力系统作为生产的公用工程,其任务是将一次能源(燃料等)转化成二次能源(电、蒸汽、热水等),为企业提供过程系统所需要的工艺蒸汽、热能和动力等。同时,蒸汽动力系统本身也消耗大量的能源。华贲[1]指出,近年来对十多个大型炼油厂节能改造的可行性研究和项目调查表明,目前中国炼油厂节能潜力最大的是对蒸汽动力系统进行节能改造和优化。因此,蒸汽动力系统的优化分析和高效运行,对炼化企业降低能源消耗、提升能效水平和经济效益具有重要的作用和积极的意义。
多年来,国内外众多学者针对蒸汽动力系统的优化研究一直比较活跃,由此发展起来的优化方法有力推动了蒸汽动力系统的节能改造和优化运行。最初,基于热力学分析的启发式方法以推导有效利用能量的总体原则和各种指导为目的,能够得到符合现有工程经验的优化方案,但是不能保证解的最优性。近年来,随着研究工作的深入,基于全局温焓曲线的夹点分析法、确定剩余热负荷最佳转化途径的顶层分析法、基于数学方法的数学规划法以及热电联产优化的R-曲线分析法逐步得到了广泛应用。同时,以优化分析方法为基础,国内外技术公司和高校相继开发并成功应用了商业化的蒸汽动力系统模拟优化软件,如:Aspen Utilities、ProSteam、OptiSteam和SPSOpti等。以上优化分析方法以及模拟优化软件在工程实际中的有效应用,为众多炼化企业蒸汽动力系统节能改造带来了显著的经济效益。
本文将对蒸汽动力系统优化方法、常用的软件工具以及应用情况分别进行阐述,对优化步骤进行总结,并提出一套完整的用于蒸汽动力系统能量优化的方法论。
1 蒸汽动力系统优化方法
近年来,国内外发展起来的蒸汽动力系统优化方法主要有基于全局温焓曲线的夹点分析法、确定剩余热负荷最佳转化途径的顶层分析法、基于数学方法的数学规划法以及热电联产优化的R-曲线分析法等。
1.1 全局温焓曲线夹点分析法
以Linnhoff[2]为代表的学者提出的夹点分析是以热力学为基础,从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布,从中发现系统用能的瓶颈并给以解瓶颈的一种方法。夹点分析最初用于换热网络设计,并取得了显著的节能效果。之后,Linnhoff等将夹点技术推广应用到整个全局系统的能量分析与调优,提出了用于描述工艺过程系统和公用工程系统的全局温焓曲线[3](Total site profile),即:对于多个工艺过程,每个过程内部的冷、热物流匹配换热后还可能存在剩余冷热负荷,这就为各过程之间的换热匹配提供了可能。为了进行各过程之间及其与公用工程系统的能量集成,可以进一步将各过程总组合曲线上表示的热源和热阱分别组合到一起,得到全局过程系统与公用工程系统相关的全局温焓曲线。其中,热源曲线表明热源部分的剩余热量,热阱曲线表明热阱部分的需求热量。在实际过程中,由于各装置之间不能直接换热,需要将热源剩余的热量分别产生高、中、低压蒸汽,而热阱部分采用相应蒸汽加热。通过工艺过程与公用工程的集成优化,有效降低公用工程的耗量。
Linnhoff等比较系统地论述了用于换热网络综合的夹点技术,并推广应用于整个过程系统的能量分析与调优。不久,他们提出了用于描述工艺过程系统和公用工程系统的全局温焓曲线[4]。
进一步地,尹洪超[5]等提出在原夹点处或其上、下方增加蒸汽等级,可增加热回收量或联产功量。
1.2 数学规划法
以数学方法为基础的数学规划法是由Grossmann等提出的,该方法将所研究的工程问题转化为由目标函数和约束条件组成的数学模型,并根据数学模型的类型选择适宜的优化算法进行求解,求得满足约束条件并使目标函数最小(或最大)的解。
应用数学规划法优化蒸汽动力系统,首先是构造一个包含各种单元设备的超结构(superstructure),其次是建立混合整数线性规划(MILP)模型或混合整数非线性规划(MINLP)模型来表征蒸汽动力系统,最后根据数学模型的类型选择合适的优化算法来求解,得到蒸汽动力系统最优流程结构和操作条件。
例如,Papoulias[6]提出了一种混合整数线性规划方法来对蒸汽需求和动力需求固定的蒸汽动力系统进行结构和参数优化,并进一步考虑了多周期蒸汽动力系统中工艺过程需求变化的情况[7]。Chi Wai Hui[8]等通过建立混合整数线性规划模型优化了日本某炼化企业蒸汽动力系统的运行并对系统进行了改造。张国喜[9,10]等利用分段线性函数和分区线性函数表达汽轮机非线性做功过程,并针对蒸汽动力系统的运行和计划调度问题,建立了蒸汽动力系统多工况操作优化的混合整数线性规划模型,采用建模工具GAMS进行求解。刘金平[11]等提出了蒸汽动力系统优化改造专家系统并建立了相应的规则,采用专家系统与数学规划法相结合的方法,针对炼化企业的蒸汽动力系统提出了几种优化改造方案,然后通过对各改造方案的经济性比较来确定最终改造方案。近年来,针对数学规划法的求解方法主要有遗传算法[12]和模拟退火法。
1.3 顶层分析法
Zhu X X[13,14]等提出的“顶层分析法”(Top Level Analysis)是在工艺过程优化的基础上,从公用工程系统的用能诊断出发,确定剩余热负荷的最佳转化途径并计算经济效益,从而获得公用工程与全局系统的最佳用能优化方案。该方法认为,剩余热负荷的转化途径有3种:(1)通过做功效率最高的途径使公用工程系统多产功,当通过某汽轮机转化的效率较高时,可根据剩余热负荷增加该汽轮机用汽量至最大设计用汽量;(2)减少剩余热负荷使公用工程少产功,不足部分由外购动力弥补,外购动力的效率为购买单位燃料所需费用与外购单位动力所需费用的比值;(3)维持现有消耗途径。通过分别计算现有蒸汽消耗途径效率、过剩热负荷用于不同做功途径效率以及节省剩余热负荷外购动力的效率,可以比较确定出过剩热负荷的使用方案。运用该方法,邱若磐[15]等对某大型乙烯厂进行了优化分析,提出了超高压蒸汽通过最佳转换途径的冷凝抽出汽轮机组满负荷运行,减少超高压蒸汽产量,动力不足部分由外购电弥补等优化方案。
进一步地,范继宽[16]等对透平能力下降情况的顶层分析法进行了扩展和改进,提出对于热电联产的发电透平,增加该透平用气量至最大或最小设计值的调优方式是可行的,但是对于工艺透平的最大调节量要进行具体分析。
1.4 热电联产优化的R-曲线分析法[17]
热电联产技术已在炼化企业得到了广泛应用,由此发展起来的R-曲线分析方法深入剖析了热电联产的优化配置。
考虑到燃料的能量转化为热量和电力,在转化过程中有一部分能量损失,该方法将电热比定义为电力与热量的需求比,将联产效率定义为所产功量、热量之和与燃料消耗总量之比,并利用R-曲线表示最佳联产效率与电热比之间的关系,同时指出了一定电热比下的最佳公用工程组合配置。
最初,Kenney提出了用于分析热电联产潜力的R-曲线概念,该曲线基于简单公用工程系统结构且假设汽轮机为连续等熵效率,不适用于复杂多级蒸汽系统的分析。
Kimura[17]等对最初的R-曲线进行了改进,提出了用于增加新工艺过程或电热需求量时脱瓶颈的Grassroots R-曲线。Grassroots R-曲线基于理想公用工程系统做出了两个假设:每一级只有一个蒸汽透平,所有蒸汽透平在满负荷条件下运行。该曲线提供了复杂多级蒸汽系统最优改进的机会,但由于基于理想公用工程系统,并未考虑现有设备的实际处理能量,其最佳联产效率往往偏高而不易达到。
之后,Kimura等人又提出了用于不投资下公用工程系统操作优化的Retrofit R-曲线,该曲线考虑了现有设备处理能力的约束。由于在电热需求固定的情况下,提高联产效率等同于减少燃料消耗量,因此,可以首先优化公用工程各部位的操作参数,其次考察输入电力的机会。为了得到更为严格和准确的R-曲线,该方法将每个蒸汽透平分解为一系列结构简单的蒸汽透平,建立了以燃料消耗量最小为目标函数的混合整数线性规划模型,并以每个路径的质量流量作为变量,进行优化求解。
综上所述,全局温焓曲线夹点分析法比较直观,但需采集大量的现场数据,并需对各过程间的相互关系有深入的了解,因此,利用该方法进行节能改造需要花费较多的时间与精力。数学规划法在大型公用工程系统中得到验证并取得显著经济效益,但是数学模型复杂且求解困难,不易为工程技术人员所接受和运用。顶层分析法仅需要公用工程的有关信息,所需工作量大大减少,但是该方法仅适用于简单公用工程系统,对于复杂公用工程系统不易得到全局最优解。热电联产优化的R-曲线分析法可直观发现目前联产效率与理想联产效率的差距,并给出到达理想联产效率的措施,但由于R-曲线是基于理想假设得到的,与实际生产状况不完全相符。
因此,目前研究提出的蒸汽动力系统优化方法各有利弊,应努力将各种方法综合利用、取长补短。
2 蒸汽动力系统优化软件介绍
利用数学规划法等优化分析方法,国内外技术公司和高校相继开发形成了商业化的蒸汽动力系统模拟优化软件,主要包括Aspen公司的Aspen Utilities、KBC公司的ProSteam和OptiSteam、Shell公司的SmartUtil、华南理工大学的SPSOpti等。以下,主要对Aspen Utilities和OptiSteam的功能等进行阐述。
2.1 Aspen Utilities软件
该软件主要从生产运营方面对供能方和用能方进行能量系统优化和管理,包括Utilities Planner(公用工程计划器)、Utilities Operations(公用工程运营管理器)和ECM(能量成本管理器)3个软件工具。其中,Aspen Utilities Planner是基于混合整数规划和过程模拟的离线优化工具,可基于工厂运营用能数据,建立严格模拟模型,对公用工程的供能生产进行离线优化;同时通过与计划和调度工具的联合使用,形成一个对应于生产计划的包括公用工程采购、生产和分配的最佳计划,帮助企业按照生产的要求来管理优化公用工程系统。Aspen Utilities Operations是在线应用工具,通过与装置信息管理系统的集成,采集有关工艺单元能量需求和公用工程设备性能的实时数据并进行数据整合,动态提出最合适的能量供应策略,实现对生产过程变化的能源供应调整。ECM则是基于实时数据库系统的在线应用工具,将生产运营成本控制在目标范围内,并迅速发现导致能量成本过高的原因,最终节约能量成本。
该软件目前已成功在一些炼化企业得到了应用。例如,2001年4月,位于韩国Yosu的一家大型石化企业Yeochun NCC(YNCC)应用Aspen Utilities进行节能改造,分别于两个阶段提出了在不改造、低成本改造主要压缩机和蒸汽透平条件下的优化方案,节能效果显著,节约百万美元的投资。
2.2 OptiSteam软件[18,19]
该软件能够进行工厂公用工程系统的需求预测和在线优化操作控制,主要包括离线模型和在线模型两部分,具有在线/离线运行、历史数据采集、数据整合、模拟优化和基于Excel、Internet或数据库(SQL)的报告输出等功能。该软件中包含了公用工程系统所有装置的操作和相关热动力学原理,如:蒸汽管网、燃料系统、蒸汽透平、锅炉和燃气轮机等。在运行和优化过程中,该软件基于混合整数线性规划和非线性规划相结合的数学方法,以成本最低为目标,在满足工艺要求、设备可用性、热平衡和物料平衡等约束的前提下,对公用工程系统进行需求预测和优化操作。其中,离线模型主要用于预测炼厂在完成生产计划时的公用工程需求量和编制公用工程计划,并对任何选定时期的生产计划做出分析;在线模型则从DCS、PHD等系统中采集历史数据并进行实时校正,然后基于设计数据、历史数据和热动力学原理进行操作方案优化,数据校正和优化每30min运行一次。
目前,该软件已在国外部分炼厂得到成功应用。例如,西班牙石油公司下属最大的Gibraltar炼厂于2003年开始应用该软件,实现了锅炉和加热炉燃料的优化平衡、公用工程系统操作效率的提高,解决了公用工程购销合同的复杂事务,仅2003年下半年就已进行了350次优化运行,模型预测平均降低操作成本3%左右。
3 优化过程及步骤
目前,国内外许多炼化企业应用蒸汽动力系统优化方法及优化软件对企业的蒸汽动力系统进行了节能改造,并取得了较为显著的经济效益。以下,对炼化企业蒸汽动力系统的优化过程及步骤进行简要总结。
(1)现场调研和数据收集。
详细了解现场操作状况与瓶颈,收集企业蒸汽动力系统的相关数据。
(2)建立模型。
应用软件工具建立蒸汽动力系统模型,并根据现场收集数据进行校验。
(3)优化分析。
利用优化分析方法对蒸汽动力系统进行用能分析与诊断,发现产供能方面存在的问题。利用模型完成不同工况的研究,通过各种假设分析找到改进操作和最佳系统改造方案。
(4)提出优化方案。
在保证经济效益和安全生产前提下,提出详细的节能优化改造方案。
例如,某技术公司为国内一炼化企业实施蒸汽动力系统优化时,首先在数据收集的基础上建立了该企业的蒸汽动力系统模型,并利用模型计算得到其电热比为0.97、联产效率为38.2%,之后利用R-曲线和专家经验提出了新增背压式汽轮机、关闭2个减温减压器、改进锅炉操作等投资方案,预计年经济效益约2000万元。
4 蒸汽动力系统优化分析方法论
根据以上分析,在综合分析各种蒸汽动力系统优化方法基础上,结合炼化企业蒸汽动力系统热电联产的特点,提出了一套完整的蒸汽动力系统能量优化方法论:
(1)利用热电联产优化的R-曲线分析法进行节能潜力分析及初步投资改造方案研究。热电联产优化的R-曲线表明在当前电热比下的最高联产效率及最佳组合配置。在利用R-曲线提出的计算方法计算出当前电热比和联产效率后,与最佳联产效率相比较,即可得出当前的节能潜力。同时,可以看出当前电热比下的最佳组合配置。与最佳组合配置相比,可以得出初步的投资改造方案。
(2)利用模拟优化软件进行优化,在保证当前电热需求量的前提下提出具体设备有效性及操作负荷。热电联产优化的R-曲线仅指出了当前电热比下的最佳组合配置,并未给出具体的设备负荷,显然不能为现场操作人员提供操作信息。由于蒸汽动力系统数学模型复杂且求解难度较大,建议不要使用单纯的数学规划法来解决问题。目前,国内外技术公司和高校相继开发形成的商业化蒸汽动力系统模拟优化软件相对成熟,其优化功能大都基于混合整数线性规划和非线性规划。可运用模拟优化软件建立符合当前工况的模型后,利用软件的优化功能进行优化。在保证当前电热需求量的前提下,给出具体的设备有效性及操作负荷,得出详细具体的优化方案。
5 结论
蒸汽动力系统 篇3
在石化企业中,蒸汽动力系统在向工艺过程提供动力、电力、工艺热蒸汽等的同时本身也消耗大量的能源,且消耗值在整个石化企业耗能中占有相当大的比例。蒸汽动力系统的优化运行对石化企业的安全生产和成本控制具有重要的影响[1]。蒸汽动力系统的运行优化主要区分为参数确定性和不确定性条件下的蒸汽动力系统的运营优化。目前,参数确定性条件下的运营研究已经日趋成熟[2,3,4,5,6,7],也有了一些成功的工程应用案例[8,9],而参数不确定性条件下的研究则有待进一步深入,工程应用方面更是鲜有报道。
Pistikopoulos[10]等借助于数据整合软件对系统数据进行数据整合,通过模拟软件包进行设备模拟,建立了产汽网络运行优化模型并实现了实际工业应用。根据能量需求的变化规律,分别对2 个不同的运行周期进行了能量管理方案优化。文献中考虑了汽轮机效率变化的不确定性,将汽轮机效率变化问题处理成在某一给定区间变化的问题。Katerina P. Papalexandri[11]介绍了能量管理模拟和优化的实际应用,考虑了汽轮机效率的不确定性,分析了各周期间设备启停转换费用对总的运行费用的影响。Y. Kwok和C. W. Hui[12]提出了一种新的公用工程运行策略,允许优化蒸汽等级来适应外部的经济因素( 如电价) 和内部运行因素的变化( 如冷却水温度) 。
国内大部分炼油企业的蒸汽动力系统的运行计划和调度还依靠经验来实施,运行计划和调度方案优化研究还远远不够[13,14]。实际的蒸汽动力系统运营过程同理论研究的理想过程相差甚远,存在着众多的约束和不确定性因素,处理起来非常困难,而且方案的可操作性较差[15,16,17]。
文中通过对影响蒸汽系统的不确定性因素的分析,给出了蒸汽动力系统在参数不确定条件下的混合整数线性规划( MILP) 模型,并结合工程实例进行了优化研究。
1 蒸汽动力系统参数不确定性问题的求解
由于精确模型的缺乏以及系统内部和外部环境的变化,参数的不确定性始终贯穿于整个蒸汽动力系统的运行过程,它是蒸汽动力系统的重要特征[18]。运行层次蒸汽动力系统的不确定性因素主要包括外部电力、蒸汽需求、燃料价格和设备的运行效率等的不确定性。正确处理系统的不确定性对于实际系统方案的可实施性具有决定性的影响。
对于蒸汽动力系统运行计划和调度优化问题,由于在不同的时期系统的需求是变化的,具体体现为一种多周期问题,不确定性条件下多周期形式可以表示为:
其中,A、B、C、D、E、F、G、H、U、V为模型系数矩阵,x表示控制变量向量,如温度、压力、流量等;y是表征系统设备运行状态的二元变量向量,也属于控制变量;x和分别为控制变量的下限和上限向量; G和H是确定性参数向量; Cx + Dy = G是该优化问题的等式约束,一般包含系统的质量方程和能量方程; Ex + Fy ≤ H是优化问题的确定性不等式约束,一般包含变量的逻辑约束等; Ux + Vy ≤ θ是该优化问题的不等式约束,一般包括需求约束; θ是系统的不确定性参数向量,这里假设蒸汽动力系统的不确定性参数满足在标称值附近变化,其可行的变化区域T如式( 2) 表示,其中,θ 表示不确定性参数的真实值,θN表示不确定性参数的标称值,ε表示参数的不确定性水平,且 ε ≥ 0。
由式( 2) 可以得到另一种形式:
式( 3) 给出了不确定性参数的变化范围,同时也给出了该参数不同不确定性水平下的上下限值。该类不确定性问题的目的是给出运行费用最小的运行方案的同时,要保证不确定性参数在其可行域内的任何一点取值时,带有该不确定参数的不等式约束均成立。该不确定性问题要满足的要求是可行性和经济性,即当不确定性参数 θ 在其整个变化区间内取任意值时,均能通过调节控制变量x满足系统的目标,且要求运行费用最小。蒸汽动力系统运行管理影响最大的不确定性因素是需求的不确定性,因此,最优的决策变量值是关于不确定参数θ 的函数,即:
将问题转化成另一种形式,即选择适当的控制变量x,保证不确定性参数 θ 在其可行空间内取值时,运行费用的平均值最小[19],即将式( 1) 转化为数学期望值的形式,同时由于二元变量y不随 θ 变化而变化,是一个在 θ 空间上确定的值,并对 θ 在T空间上进行离散化来近似得到带权重的有限个目标函数的和的形式,ST为离散后的参数数量。则在单周期下,问题转化为式( 5) ,有:
为求解上式,需要合理选择T空间上的离散点,得到合理的y,使得通过调节控制变量x满足空间T中的所有取值。Grossmann[20]证明了问题P2的最优解必于T空间的顶点上,因此只要考虑包含空间T的所有顶点的解必为全局最优解。如果离散点用工况形式来表示,则原始不确定性问题转变为一个确定的确定性多工况优化问题。工况数等于T空间的顶点数加1( 所有顶点加上不确定性参数标称值对应的点) ,即假设系统存在p个不确定性参数,则其顶点数ST计算公式为:
蒸汽动力系统多周期不确定性问题就转化成了多工况问题,其总的工况数tk为:
为了把原始两步规划问题( 首先确定系统运行方案,然后分配负荷) 转化为一步规划问题,这里将二元变量y在各工况离散化为YOt,st,使得y的工况数与x工况数相同,从而能够同步优化x和y,此时只要保证y在各不确定性工况不变化就可以保证问题的解不变,因而需要加入如下约束:
式( 1) 多周期问题转化为:
2 参数不确定条件下蒸汽动力系统运行优化模型
2.1设备模型及约束条件
1)锅炉模型。
式中: a、b— 分别为锅炉的模型系数; k— 锅炉的排污率; hs、hfw、hsat— 分别为锅炉的产蒸汽焓、给水焓、饱和水焓,k J/kg。
2) 汽轮机模型。
对背压式汽轮机工况图做线性分段处理后得模型方程:
对抽凝式汽轮机工况图做线性化处理后得模型方程:
式中: Gm、Gcond—分别为汽轮机的抽汽量和凝汽量。
3) 单元设备启停约束。
当相邻2 个周期的运行状态不同时,会出现设备启停现象,产生设备启停费用。一般情况下启停变量采用二元变量来表示,但是这样表示会造成模型中二元离散变量过多,导致求解困难,因此文中用正的连续变量ZOn,t、ZSn,t来代替二元变量,通过逻辑约束方程式( 13) 和式( 14) 来保证ZOn,t、ZSn,t只能取0、1 值,可以大大降低问题的求解难度。式( 15) 则是为了保证在不确定性工况下设备运行状态不变。
另外,单元设备物料平衡方程、能量平衡方程、设备能力约束以及蒸汽和动力的需求约束见参考文献[21],这里不再赘述。
2. 2 目标函数
目标函数取系统在全周期内总费用最小,一般取全周期为1a,即式( 16) ,其中,COFnt,st、CZFnt,st、CWFpt,st、CSFrt,st分别为周期t工况st单元设备n的运行费用函数( 主要为锅炉燃料费用、冷凝水费用、锅炉给水费用等) 、启停费用函数、外购动力的费用函数及外购蒸汽的费用函数。
3 案例研究
某石化企业的蒸汽动力系统的流程如图1 所示,各操作费用以及需求如表1、表2、表3 所示。
t/h
k W /h
采用文中提出的不确定性处理方法,建立多周期MILP模型,该实例模型包含约束方程1801 个,连续变量1080 个,离散变量450 个,应用LINGO建模求解,得到了不确定性水平 ε = 0. 15 时的最优运行方案,如图2、图3、图4 所示。图中共有6 个周期( 横坐标主刻度) ,每个周期包含5 个子周期( 横坐标子刻度) ,总共30 个周期,全年总运行费用为519675 美元。在各个虚拟子周期,虽然设备运行负荷不同,但是运行状态( 运行或停机) 却相同,这就保证了当不确定性需求变化发生时,不需要也不可能通过开启或者关闭运行中的设备来调节,而是只要调节正在运行中的设备运行负荷就可以满足在给定不确定性水平的需求变化下的安全稳定运行。为了便于对比,图5、图6、图7 给出了不确定性水平 ε = 0( 确定性问题) 时的最优运行方案,此时只考虑需求的确定性多周期变化,未考虑参数的不确定性变化,因而在各个虚拟子周期,不但设备运行状态相同,而且运行负荷也相同,此时年总运行费用为497306 美元,比确定性水平 ε =0. 15 时的最优运行方案的年总费用少22369 美元。
4 结论
蒸汽动力系统 篇4
蒸汽动力系统的优化运行对石化企业的安全生产和成本控制具有重要的影响[1]。在石化企业中蒸汽动力系统的一个显著特点就是其操作必须随公用工程的需求量而变化[2]。目前,参数确定性条件下的运营研究已经日趋成熟,也有了一些成功的工程应用案例[3,4,5],而参数不确定性条件下的研究则有待进一步深入,工程应用方面更是鲜有报道。
目前,国内大部分炼油企业的蒸汽动力系统的运行计划和调度还依靠经验来实施,运行计划和调度方案优化研究还远远不够。实际的蒸汽动力系统运营过程同理论研究的理想过程相差甚远,存在着众多的约束和不确定性因素,处理起来非常困难,而且方案的可操作性较差。文中通过对影响蒸汽系统的不确定性因素的分析,建立了蒸汽动力系统在参数 不确定条 件下的混 合整数线 性规划( MILP) 模型,并利用优化软件LINGO结合工程实例进行了优化研究。
1 LINGO 简介
LINGO是美国LINDO系统公司 ( Lindo System Inc) 开发的求解数学规划系列软件中的一个( 其他软件为LINDO、GINO、What' s Best等) ,LINGO主要用于求解大规模线性、非线性( 只能得到局部最优解) 和整数规划模型。LINGO软件执行速度快,可以方便地输入、求解和分析数学规划问题。因此在教学科研和工业界得到广泛应用。
用LINGO求解多目标规划,可按多目标优先级逐级展开,将多目标转化为线 性规划。LINGO8. 0具有以下优点:
1) 运行速度快;
2) 内置建模语言,提供几十个内部函数,从而能以较少语句,较直观的方式描述较大规模的规划模型;
3) @ For语句和@ IF语句的应用,极大地方便了数学模型的建立;
4) 全部包含LINDO功能更强大;
5) 能方便地与EXCEL、数据库等其他软件交换数据。
LINGO模型以“M ODEL : ”语句开始,以“END”语句结束。所有语句除END、ENDSET、DATA、ENDDATA、INIT、ENDDATA、M ODEL、END之外必须以一个分号“; ”结尾。在LINGO中建立优化模型时可以引用大量的内部函数,这些函数以“@ ”打头。LINGO中在使用变量时已假设变量非负,如果变量可以为负,则必须用“@ FREE( Variable name) ”对非负条件予以取消。注释部分用“! ”开始。对于优化目标函数必须用min或max ; 如果变量是整型变量,则要加上语句“@ GIN( Variable name) ”,其他详细 使用方法 见LINGO9. 0的帮助文档。
2 参数不确定性问题的求解
由于精确模型的缺乏以及系统内部和外部环境的变化,参数的不确定性始终贯穿于整个蒸汽动力系统的运行过程,它是蒸汽动力系统的重要特征[6]。运行层次蒸汽动力系统的不确定性因素主要包括外部电力、蒸汽需求、燃料价格和设备的运行效率等的不确定性。正确处理系统的不确定性对于实际系统方案的可实施性具有决定性的影响。
对于蒸汽动力系统运行计划和调度优化问题,由于在不同的时期系统的需求是变化的,具体体现为一种多周期问题,不确定性条件下多周期形式可以表示为:
式中: A、B、C、D、E、F、G、H、U、V—分别为模型系数矩阵; x—控制变量向量,如温度、压力、流量等; y—表征系统设备运行状态的二元变量向量,也属于控制变量;和—分别为控制变量的下限和上限向量; G、H—确定性参数向量。
其中Cx + Dy = G,是该优化问题的等式约束,一般包含系统的质量方程和能量方程; Ex + Fy≤H是优化问题的确定性不等式约束,一般包含变量的逻辑约束等; Ux + Vy≤θ是该优化问题的不等式约束,一般包括需求约束; θ是系统的不确定性参数向量,这里假设蒸汽动力系统的不确定性参数满足在标称值附近变化,其可行的变化区域T如式( 2)表示,其中θ表示不确定性参数的真实值,θN表示不确定性参数的标称值,ε表示参数的不确定性水平,且ε≥0。
由式( 2) 可以得到另一种形式:
式( 3) 给出了不确定性参数的变化范围,同时也给出了该参数不同不确定性水平下的上下限值。该类不确定性问题的目的是给出运行费用最小的运行方案的同时,要保证不确定性参数在其可行域内的任何一点取值时,带有该不确定参数的不等式约束均成立。该不确定性问题要满足的要求是可行性和经济性,即当不确定性参数θ在其整个变化区间内取任意值时,均能通过调节控制变量x满足系统的目标,且要求运行费用最小。蒸汽动力系统运行管理影响最大的不确定性因素是需求的不确定性,因此,最优的决策变量值是关于不确定参数θ的函数,即:
将问题转化成另一种形式,即选择适当的控制变量x,保证不确定性参数θ在其可行空间内取值时,运行费用的平均值最小,即将式( 1) 转化为数学期望值的形式,同时由于二元变量y不随θ变化而变化,是一个在θ空间上确定的值,并对θ在T空间上进行离散化来近似得到带权重的有限个目标函数的和的形式,ST为离散后的参数数量。则在单周期下,问题转化为:
为求解式( 5) ,需要合理选择T空间上的离散点,得到合理的y,使得通过调节控制变量x满足空间T中的所有取值。Grossmann[7]证明了问题P2的最优解必于T空间的顶点上,因此只要考虑包含空间T的所有顶点的解必为全局最优解。如果离散点用工况形式来表示,则原始不确定性问题转变为一个确定的确定性多工况优化问题。工况数等于T空间的顶点数加1( 所有顶点加上不确定性参数标称值对应的点) ,即假设系统存在p个不确定性参数,则其顶点数ST计算公式为:
蒸汽动力系统多周期不确定性问题就转化成了多工况问题,其总的工况数tk为:
为了把原始2步规划问题( 首先确定系统运行方案,然后分配负荷) 转化为1步规划问题,这里将二元变量y在各工况离散化为YOt,st,使得y的工况数与x工况数相同,从而能够同步优化x和y,此时只要保证y在各不确定性工况不变化就可以保证问题的解不变,因而需要加入如下约束:
式( 1) 多周期问题转化为:
3 系统运行优化模型的建立
3. 1 设备模型及约束条件
1) 锅炉模型。
式中: a、b—锅炉的模型系数;
k—锅炉的排污率;
hs、hfw、hsat—分别为锅炉的产蒸汽焓、给水焓、饱和水焓,k J/kg。
2) 汽轮机模型。
对背压式汽轮机工况图做线性分段处理后得到模型方程:
对抽凝式汽轮机工况图做线性化处理后得到模型方程:
式中: a、b—汽轮机的模型系数;
Gm、Gcond—分别为汽轮机的抽汽量和凝汽量。
3) 单元设备启停约束。
当相邻2个周期的运行状态不同时,会出现设备启停现象,产生设备启停费用。一般情况下启停变量采用二元变量来表示,但是这样表示会造成模型中二元离散变量过多,导致求解困难,因此文中用正的连续变量ZOn,t、ZSn,t来代替二元变量,通过逻辑约束方程式( 13) 和式( 14) 来保证ZOn,t、ZSn,t只能取0、1值,可以大大降低问题的求解难度。式( 15) 则是为了保证在不确定性工况下设备运行状态不变。
另外,单元设备物料平衡方程、能量平衡方程、设备能力约束以及蒸汽和动力的需求约束见文献[8],这里不再赘述。
3. 2 目标函数
目标函数取系统在全周期内总费用最小,一般取全周期为1a,即式( 16) ,其中,COFnt,st、CZFnt,st、CWFpt,st、CSFrt,st分别为周期t工况st单元设备n的运行费用函数( 主要为锅炉燃料费用、冷凝水费用、锅炉给水费用等) 、启停费用函数、外购动力的费用函数及外购蒸汽的费用函数。
4 案例研究
某石化企业的蒸汽动力系统的流程如图1所示,各操作费用以及需求如表1所示。
采用提出的不确定性处理方法,建立多周期MILP模型,应用LINGO建模求解,得到了不确定性水平ε = 0. 15时的最优运行方案,如图2 ~ 图4所示。图中共有6个周期( 横坐标主刻度) ,每个周期包含5个子周期( 横坐标子刻度) ,总共30个周期,全年总运行费用为293720300元。在各个虚拟子周期,虽然设备运行负荷不同,但是运行状态( 运行或停机) 却相同,这就保证了当不确定性需求变化发生时,不需要也不可能通过开启或者关闭运行中的设备来调节,而是只要调节正在运行中的设备运行负荷就可以满足在给定不确定性水平的需求变化下的安全稳定运行。
为了便于对比,图5、图6、图7分别给出了不确定性水平ε = 0( 确定性问题) 时的最优运行方案,此时只考虑需求的确定性多周期变化,未考虑参数的不确定性变化,因而在各个虚拟子周期,不但设备运行状态相同,而且运行负荷也相同,此时年总运行费用为289187900元,比确定性水平ε =0. 15时的最优运行方案的年总费用少4532400元。
5 结语
文中提出了将不确定性参数在其可行域内进行离散化,将不确定性问题转化为确定性问题的方法,建立了不确定性条件下运行优化模型,该模型将锅炉和汽轮机的模型根据实际运行情况进行了合理的线性化。然后结合工程实例进行优化,从而证明了该处理方法和模型的可行性和合理性,为企业的优化调度提供很重要的指导意义。
摘要：首先将蒸汽动力系统的不确定性参数在其可行域内进行离散化,把不确定性问题转化为确定性问题;然后建立参数不确定条件下的蒸汽动力系统的混合整数线性规划模型(MILP),该模型综合考虑了设备的启停费用,并将锅炉和汽轮机的模型根据实际运行情况进行合理的线性化,这样既保证了系统运行优化求解精度,又避免了非线性模型求解困难。结合工程实例,采用提出的问题处理策略,利用优化软件LINGO求解,得到了经济性和可操作性都较好的运行方案,证明了模型的可行性和合理性,为企业运行计划人员提供了计划调度指导。
关键词：蒸汽动力系统,LINGO语言,不确定参数,优化
参考文献
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[3]鄢烈祥,胡晟华,麻德贤.锅炉蒸汽系统多操作周期的优化调度[J].化工学报,2003,54(12):1708-1712.
[4]张国喜,华贲,刘金平.石化企业蒸汽动力系统的多工况操作优化[J].石油炼制与化工,2001,32(5):42-46.
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蒸汽动力系统 篇5
1 朗肯循环的效率及其算法模型
朗肯循环受到水和水蒸汽工质热力学性质以及循环特征双重影响,其效率受主汽压力、主汽温度和排汽真空3个参数的影响[4],循环压力降低,蒸汽有效焓降降低,在发电机出力不变的情况下,蒸汽流量将增加,机组的经济性降低[5],因而研究蒸汽压力对循环效率的影响具有重要的意义。朗肯循环的原则性热力系统和T-S如图1所示。
提高主汽温度和主汽压力、降低排汽真空均可改善循环效率[2],然而,主汽温度与主汽压力对循环效率的影响是否具有相同的规律,哪一个参数的影响更显著,需要在循环效率模型的基础上,通过多参数组合变化的分析加以研究。
朗肯循环的效率计算模型:
汽轮机膨胀做功:wt=h0-hc t(1)
给水泵压缩功:wp=vm·(pb-pc)·K(2)
锅炉给水比焓:hf w=hw c+wp(3)
单位蒸汽循环吸热量:q0=h0-hf w(4)
单位蒸汽循环做功量:wi=wt-wp(5)
朗肯循环效率:ηt=wi/q0(6)式中:h0、hct、hw c和hf w分别为主蒸汽焓、理想排汽焓、凝结水焓和给水焓,kJ/kg;pb、pc分别为给水泵进出水压力,MPa;vm表示给水泵进出口平均比容,m3/kg。
2 蒸汽参数大尺度范围变化分析
主汽温度、主汽压力和排汽真空的提高,可以改善经济性,所以说超临界及超超临界机组具有更高的效率[6],但参数的提高受到技术条件的限制,需对循环效率影响规律进行探讨。
目前在役运行的的机组主要是超高压参数(13.5/535)的125 MW/200 MW机组、亚临界参数(17.5/550)的300 MW/600 MW机组和超临界参数(25.5/575-580)600 MW以上机组。鉴于排汽真空受环境、设备以及运行费用的影响,上述各机组的真空基本相同,故分别研究了主汽压力、主汽温度的大尺度范围变化的规律,分别如图2和3所示。
由图2可见,循环效率随主汽压力的上升而上升,但升幅不断减少,其对循环效率的影响呈曲线状;在不同基准温度下,循环效率随主汽压力上升的规律是相似的,且曲线间的距离几乎不变。图3表示不同基准压力下,循环效率随主汽温度的变化规律。循环效率随主汽温度的上升而上升,与主汽压力影响不同的是随温度的提高,效率几乎呈线性增长;在不同基准压力下,循环效率随主汽温度上升的规律相似,但曲线间的距离随基准压力的升高而减少。
根据上述分析,主汽压力与温度同步增长可以获得较大的效率增长,但由于材料性能的限制,主汽温度的增长空间有限,于是面临着如何抑制主汽压力上升对汽轮机内效率的负面影响(除了其对循环效率增长呈逐渐趋缓之外,负面影响主要表现为进汽比容下降影响容积流量和排汽干度下降对汽轮机相对内效率和安全性的影响)的课题。
3 蒸汽参数小尺度范围变化分析
以超高压参数(13.5/535)、亚临界参数(17.5/550)和超临界参数(25.5/575-580)为基准,进一步研究了主汽参数在小尺度范围内(相对变化不大于10%)的变化规律,如图4、5、6、7所示。
由图4,循环效率的相对变化与主汽压力的相对变化方向相同;但随着基准压力的增大(文中列举了从超高压参数到超超临界参数的4个等级),同样的压力相对变化率对循环效率的影响在下降,可见,对于超高压参数的小机组,主汽压力下降对循环效率的影响比较显著。
由图5,循环效率的相对变化与主汽温度的相对变化方向相同;且随着基准压力的增大,同样的温度相对变化率对循环效率的影响在增加,可见,对于超超临界参数的大机组,保持更高的主汽温度具有更高的循环效率。
由图6,循环效率的相对变化与排汽压力的相对变化方向相反;但随着基准压力的增大,同样的排汽压力相对变化率对循环效率的影响在下降,但这种差异几乎可以忽略。可见,维持机组良好的排汽真空,有助于保持较高的循环效率。
由图7,针对目前承担主力发电任务的亚临界机组,比较了相同的主汽温度、主汽压力与排汽压力相对变化对循环效率的影响,计算结果表明:主汽温度的相对变化对循环效率的影响比较大(几乎是主汽压力对循环效率影响的3倍);主汽压力相对变化对循环效率的影响与排汽压力相对变化对循环效率的影响几乎相当(斜率近似相等),但方向相反。可见,在运行中保持较高的主汽压力和温度水平可以取得较好的经济性。
4 结束语
探讨了循环参数对循环效率的影响,建立了包含等熵膨胀作功和等熵压缩耗功在内的循环效率计算模型,分别从循环参数大尺度范围变化和小尺度范围变化2个方面探讨了参数变化对循环效率的影响,获得以下结论。
(1)在大尺度范围内循环参数的变化中,主蒸汽温度增加对循环效率的影响几乎是线性增长,而主汽压力提高对循环效率的影响却是增幅递减的曲线关系。
(2)在大尺度范围内循环参数的变化中,基准温度对主汽压力与循环效率的变化关系影响不大,但基准压力对主汽温度与循环效率的变化关系却有较大的影响,基准压力越高,温度提高对循环效率的改善有所降低(曲线间距离缩短)。
(3)在小尺度范围内循环参数的变化中,主汽温度对循环效率的影响几乎3倍于主汽压力和排汽压力。
(4)在小尺度范围内循环参数的变化中,主汽压力对循环效率的影响会随着基准参数的提高而降低。
(5)在小尺度范围内循环参数变化中,排汽压力对循环效率影响与主汽压力相反,但影响规律几乎相同(斜率近似相等)而且几乎不受基准参数影响。
可见,主汽压力虽然具有较大的上升空间,但对循环效率有不同于主汽温度的影响,结合其对汽轮机相对内效率的负面影响,需要同时提高主汽压力与主汽温度。
参考文献
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蒸汽动力系统 篇6
1. 引言
经过了多年研究和工业上的实践应用,螺杆膨胀机主要应用于低品位的热能的回收;近年来,蒸汽动力螺杆膨胀机广泛用于石油石化炼厂替代原有的减温减压器,用来发电或者驱动循坏水泵,节能效果明显,无三废排放。
2. 工作原理
螺杆膨胀机是一种靠气体膨胀将内能转化为动能的机械,螺杆膨胀机按螺杆压缩机的逆原理工作,其基本构造和螺杆压缩机类似,工作过程相反。如图1所示为螺杆膨胀机的结构图,主要由阴转子、阳转子、同步齿轮、密封组件、轴承及少数零件组成,结构简单,其气缸呈两圆相交的“∞”字形,两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、阳转子平行地置于气缸中。
螺杆膨胀机的工作周期是由齿间容积中的进气、膨胀和排气三个过程组成的。如图1所示。
进气过程:高压介质从进气口进入转子的齿间容积,推动转子旋转,并使齿间容积不断扩大,当齿间容积完全与进气口脱离时,进气过程结束。
膨胀过程:齿间容积继续增大,高压介质体积膨胀温度降低,同时输出动力到转子的伸出轴处。
排气过程:当齿间容积与排气口相通时便开始排气过程,至齿间容积减小为零,一个工作周期结束。
3. 螺杆膨胀机的性能特点
与透平膨胀机及汽轮机相比,螺杆膨胀机具有以下优点:
(1)与汽轮机相比,膨胀机不但适用于高品质热源,也适用于各种低品位热源,并有较高的转化效率。
(2)相对于透平膨胀机和汽轮机,效率高,成本低;不会发生喘振。
(3)结构简单安装维修方便。转速可调,运转平稳,运行周期长。
4. 蒸汽动力螺杆膨胀机应用
蒸汽螺杆膨胀机对热源品质要求不高,可将各种低品位热源的热电转换,在变工况环境下仍保持较高转化效率,它将企业在生产环节产生的低品位的或废弃的热能转化为高级能源-电能或直接拖动设备。
本次中国石油呼和浩特石化公司减压蒸汽系统优化运行改造节能项目就是应用蒸汽动力螺杆膨胀机代替减温减压阀发电技术。机组的主要难点在于高温高压下的选材以及轴封两点,下面主要从工艺概述、选材和轴封三方面阐述。
(1)工艺概述
将3.5MPa中压蒸汽从减温减压器的减压阀前引出,分别进入两台螺杆发电机组的入口。中压蒸汽膨胀做功,驱动螺杆机带动发电机并网,在螺杆机出口得到压力为1.0MPa的低压蒸汽,两台螺杆机出口蒸汽合并后送入原减温减压器后的低压蒸汽管网,供各车间使用。通过调节阀可以控制螺杆机的蒸汽进汽量,从而达到控制螺杆机转速及调节功率的目的。如图2所示为代替减温减压阀的螺杆膨胀机发电流程示意图
(1)两种技术指标对比
(2)成本分析
从图3中可以看出:蒸汽总管压力为3.5Mpa,而后续工况要求压力为1.0Mpa,之前的方案是通过减温减压阀将压力由3.5Mpa降到1.0Mpa,这样白白地浪费了很多能量,如果将方案改为通过如图3所示的螺杆膨胀机进行减压,既能将压力降到后续工艺要求的1.0Mpa,也可以将蒸汽能量进行发电,大大节约了企业成本。按照上图工况进行选型,可以选3000kw的螺杆膨胀机并联,每年可发电2156万kw·h,按照0.6元/kwh进行计算,每年可回收约1250万元,回收周期在一年半之内,而且螺杆膨胀机可以长期稳定运行,其投入成本要远远低于螺杆膨胀机之后所带来的经济效益。
(2)选材和轴封
(1)选材
螺杆膨胀机组机壳采用ZG20Cr Mo,轴采用35Cr Mo。
(2)轴封
A.概述
由于膨胀机入口处温度高(415℃-435℃),同时入口压力大(3.3-3.82Mpa),因此轴封方案的选择是该项目成功实施的一个关键因素。
由于此项目在国内尚属首次,所以没有成功的经验可借鉴,目前确定了碳环密封和碳环密封+双端面干气密封两种方案,选型的原则是轴封能够保证轴封的漏气不进入到轴承处,不造成油污染,确保膨胀机组长周期稳定运行。
B.碳环密封
碳环密封方案的设计思路是将轴封处泄露出的蒸汽逐级减压、疏导,主要结构由前3道前置碳环,6道主密封和2道隔离密封组成。3道前置密封处温度较高,采用整体碳环结构,密封处壳体设冷却腔为密封处降温,温度降低至280℃以内,确保O型圈的使用寿命。轴封处泄露出的蒸汽经过3道前置密封后通过S口与膨胀机组排气管道连接进一步泄压,泄压后的蒸汽压力在0.8-1.2MPa,与膨胀机组排气压力基本一致,然后经过5道主密封进行泄压。主密封采用3+2结构,3道主密封采用整体结构,以保证碳环的强度,后两道密封采用3瓣式自补偿结构,能够进一步减小轴封处轴封与轴的间隙,以减少蒸汽泄漏量。经过主密封的泄露蒸汽在B口处与轴封抽汽器联通,这里的压力会处于微负压状态,保证不会有蒸汽向轴承腔处泄露。轴封隔离氮气从C口注入,压力为5-10KPa,用来防止轴承箱的油气与蒸汽混合。
如果主密封失效,那么B口的泄漏量会增大导致B口压力增高,在设计时,B处设压力高报警和联锁,当判断主密封失效时,机组会联锁停机。
C.碳环密封+双端面干气密封
此方案前置密封和主密封与方案一基本一致,与碳环密封方案的区别在于,密封厂家在隔离气处设置双端面干气密封,这个方案是为了预防建立在主密封碳环密封失效而又没有及时利用压力监测连锁停机的情况下,泄露蒸汽会迅速进入到轴承中,利用干气密封进行阻隔。
如果配备了该干气密封,一旦经过前置密封和主密封泄压后,仍有高温高压蒸汽进入后端的干气密封,干气密封的O形圈(耐250℃)也可能很快失效,端面带液运行,干气密封的效果就会急剧下降,泄漏蒸气就会窜入轴承箱,也存在风险。
D.选型结论
因此本项目轴封设计选型的关键点在于如何通过前置密封、主密封和轴封抽汽系统将轴封处泄露的蒸汽温度压力尽可能释放,因此选用碳环密封作为密封首选方案,并在安庆项目中做试验验证。同时经过与密封厂家沟通,轴封处膨胀机壳体结构能够兼容方案二,一旦方案一不够完善可以用方案二再次进行验证。
5. 结论
螺杆膨胀机具有对热源品质要求不高、成本造价低、运行周期长等特点,且国内各行业存在着大量的低品位热源浪费情况,螺杆膨胀机能够高效率的回收低品位热源从而达到节能环保的目的。所以,螺杆膨胀动力机有很大的发展前景。
摘要：本文介绍了螺杆膨胀动力机的工作原理及性能特点,并着重于蒸汽动力螺杆膨胀机应用情况。由于螺杆膨胀机的适用范围广,螺杆膨胀机在余热余压回收中会发挥越来越大的作用。
关键词：驱动原理,性能,蒸汽动力,轴封
参考文献
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蒸汽动力系统 篇7
蒸汽管道作为稠油热采工艺中注汽系统的主要设备之一 ,是影响井口干度的主要因素,也是降低能量利用率的重要因素。饱和蒸汽在输汽管线中流动时,不断地同周围环境、分支管路之间进行热量交换和质量交换,导致蒸汽的流量、压力、热焓和蒸汽干度逐渐变化,引起输汽管路内各处的注汽压差和蒸汽干度不同 ,进而使热采井口处蒸汽压力和蒸汽干度发生变化。本计算方法通过计算蒸汽压力、热损失等一系列参数,进而分析管路中蒸汽干度变化情况。
影响管道保温效果的因素很多,主要有:保温材料的导热系数,保温层表面散热系数,管道所处环境常年平均气温及常年平均风速、管道架空的高度系数、保温层厚度及施工质量等。一般来说,在同样热损失的情况下,导热系数及保温层表面散热系数愈大,保温层厚度愈厚。所处环境常年平均气温越低、常年平均风速愈大、室外管道架得愈高,所需的保温层厚度就愈厚。如果管道是深埋于地下的那么热损失就和土壤的温度和导热系数有关。以下就是针对管道深埋于土壤中进行的热损失计算及其温度场进行分析。
本计算方案所采用的所有原始数据均来自辽宁石油化工大学课题研究小组在辽河油田锦州采油厂8号站所做的锅炉出口蒸汽干度实验所得。该课题组已成功的研发了锅炉蒸汽干度采集系统,并且已经长期在辽河油田锦州采油厂的多台锅炉上实施了检测。
1 物理数学模型建立
1.1 物理与数学模型
蒸汽管道输送情况受诸多因素的影响,为了问题的简化,对蒸汽管道内的汽液两相流做出以下假设[1,2,3]:①管道的横截面积A不变;②混合物在水平管道中是一维稳态流动;③在理想情况下,蒸汽和水均匀混合,流速相同,可以把汽水混合物看成是均匀流体;
在蒸汽管道内,取任意截面进行分析,建立数学模型如下:
1)管道热损失的传热过程及计算
供热介质的热量通过管道内表面向管道外表面传递,然后再从保温结构的内表面传到外表面;从保温结构的外表面向保温结构的空气传递。传热方式先是导热、对流。
式中 Q——单位质量的蒸汽向环境的散热量,J/kg;
t0——环境温度,℃;
λus——保温层的导热系数,W/(m·K);
dus——保温结构的外经,m;
dmp——蒸汽管道的外经,m;
λ土——土壤的导热系数,W/(m·K);
H——管道的埋地深度,m。
2)求出管道内水蒸气的干度
湿蒸汽是干饱和蒸汽和饱和水的混合物, 干饱和蒸汽的质量与湿蒸汽质量的比值定义为蒸汽干度。对蒸汽的热力过程存在一点、两线、三区、五态:一点是临界点;两线为饱和液体线和饱和蒸汽线;三区为未饱和液体(过冷液体)区、湿蒸汽区、过热蒸汽区;五态为未饱和液体(过冷液体)状态、饱和液体状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态和过热蒸汽状态。
把整个系统看作与外界达到良好绝缘,根据能量守恒:
h1-Q=h2 (2)
式中 h1——锅炉出口的蒸汽焓值,kJ/kg;
h2——蒸汽对环境散热之后的焓值,kJ/kg。
蒸汽的干度
式中 h′——饱和水的焓值,kJ/kg;
h″——保护水蒸汽的焓值,kJ/kg。
1.2 参数确定
1)压降计算[2]
根据各国研究学者所提出了各种计算方法,总的来说,摩擦阻力除了与管道尺寸,流速有关以外,还与水蒸气的干度有关。可以把汽水混合物看成是均匀流体,写成单相流体的摩擦阻力计算公式的形式,然后在用实验数据加以修正。可得到以下公式:
式中 φ——实际情况下摩擦阻力损失校正系数。
摩擦阻力损失校正系数φ是通过实验得出来的,表示实际情况和理想情况的差别。经实验证明,φ与工作压力、水蒸气干度χ、质量流速ρω有关。对于受热管而言,管内水不断汽化,各个管截面的汽水混合物的流速也随之而变化,使用起来不方便。因此人们采用质量流速ρω来表示管内工质流量。定义为:单位截面上在单位时间内流过工质的质量。
式中 ω0——循环流速,m/s;
ρ′——饱和水的密度,kg/m3;
ρ″——饱和水蒸气密度,kg/m3;
λ —— 管段摩擦阻力系数。
因为锅炉蒸发管内的工质流动的雷诺数很大,基本上都处在阻力平方区范围,计算公式如下:
式中 k——管内壁绝对粗糙度,mm;
d1——管子内径,m。
汽水两相流体流动的局部阻力损失的计算与摩擦阻力类似,先按照理想的情况写成均匀流体的局部阻力计算公式,然后用实验数据加以修正。计算公式如下:
式中 ξ——两相流体局部阻力系数。
2 计算过程及算例
2.1 计算过程
主要计算过程由以下及部分组成
①根据基础数据;
②根据基础数据计算压降,绝热层表面温度及其它物性参数;
③计算保温层散热系数;
④计算水蒸气对环境的散热量;
⑤计算未知点处水蒸气的压力及其焓值。
⑥计算水蒸气的干度。
2.2 计算数据及求解过程
以下是计算距离地面200 m处管道内蒸汽干度的方法。
蒸汽管道外经dmp为89 mm,内径d163 mm,壁厚为26 mm,外侧包有厚度δ为50 mm的硅酸铝保温层,其导热系数λus为0.085 W/(m·K),垂直安置在地下,周围土壤温度t0为27℃的空气中,管内蒸汽温度tm为320.77℃,出口压力p出为11.4 MPa,出口干度χ为58.25%,介质的流量Ws为10.7 t/h。
Δp总=Δpm+Δpjb=1.3+0.086=1.386 MPa
距离地面200 m处的蒸汽压力为10.014 MPa,相应的温度为311℃。蒸汽的平均温度
单位质量的热损失 Q=39.87 kJ/kg
h1=h′+χ(h″-h′)=2 144.82 kJ/kg
h2=2350.82-25.88=2104.41 kJ/kg
蒸汽的干度
3 用有限元的方法分析蒸汽管道的温度场
本文应用有限单元思想,使用ANSYS,通过计算机仿真,模拟了蒸汽管道及其保温层的温度场变化情况。通过ANSYS进一步分析了本文所提出的蒸汽干度计算方法的可行性。在图2中,因为管道是轴对称的所以只对其截面进行分析。其中的黑线表示蒸汽管道和保温层的分割线,保温层和土壤的分割线。
4 结论
(1)在注汽锅炉正常运行过程中,可以看出给水流量、蒸汽压力、锅炉热效率、饱和水焓、汽化潜热、给水焓和环境温度的扰动都将引起蒸汽干度的波动。
(2)考虑了传输过程中导热系数的变化,增加了模型的可靠性。对于不同的保温材料,管道热损失也不一样。因此,为了计算更加符合实际情况,需适当的调节参数。
(3)通过此项算法结果证明,蒸汽管道中的热损失、蒸汽干度损失是客观存在的。为了取得较高的经济效益,尽量减少热损失和蒸汽干度损失,选择导热系数小的保温材料和控制好蒸汽的流量和压力。
参考文献
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