炼油蒸汽管网模拟与监测管理系统

　　
黄维章，孙恒慧

　　(宁波镇海炼油化工股份有限公司，宁波315207)

摘　要：介绍了利用计算机技术建立的炼油厂蒸汽管网模拟与监测管理系统，通过该系统能在线监测整个管网系统，以保证管网优化节能运行。
关键词：炼油；蒸汽；节能；优化

Managementsystemofsteamnetworksimulatingandmonitoringinoilrefining

　
HuangWei－zhang，SunHeng－hui

　　(ZhenhaiRefiningandChemicalCompanyLimited，Ningbo315207，China)

Abstract：Managementsystemofsteamnetworksimulatingandmonitoringisintroduced．Thissystem，establishedbycomput－ertechnology，canmonitorthesteamnetworkonline，sothatthesteamnetworkrunoptimallyandcansaveenergy．
　　Keywords：oilrefining；steam；energysaving；optimization

0　前　言
　　大型炼油、石化企业中，蒸汽作为各生产环节的主要能源之一，其系统十分庞大、复杂。在一些炼油企业，特别是一些老厂，不断扩大生产规模，对公用工程系统惯用“填平补齐”措施，缺乏统一规划，致使蒸汽系统从管网结构到设备配置，均存在不合理状况，特别是管网系统，由于逐年的改造，使管路形成多环、多级的复杂管网。在对蒸汽系统的管理上，由于系统的复杂性和缺少管网的温度、压力、流量等参数，使管理仅仅停留在经验操作上，造成了对管网路径选择和管网调整上的盲目性，甚至蒸汽流向、流量不明，蒸汽降质使用，放空现象得不到遏止，造成能源的极大浪费。管理人员迫切需要一个科学的办法，随时掌握蒸汽管网的工况，以便开展节汽、节能工作。
　　在规模扩大的过程中，蒸汽管网系统也遇到了与其它炼油厂相同的问题。目前蒸汽系统所承载输送的能量每年有20万t标准油以上，而其中管网的能量浪费达到1万t标油以上。
针对上述现实，利用现有的计算机技术，开发一个以计算机模拟软件为主的监测管理系统，帮助管理人员随时掌握蒸汽管网的工况。蒸汽管网的监测管理系统以热力学、流体力学为基础，通过建立数学模型的方法实现管网的模拟，并利用实时数据库系统，在线反映蒸汽系统的工况即蒸汽在分支及回路管线中的流向、流量、温度、压力，实现管网系统的集中监测管理；同时具有离线优化功能，为工况调整提供决策依据。

1　系统结构及原理
1．1　系统的结构
　　蒸汽管网监测管理系统由以下几部分组成：管网模拟软件、PI数据库系统、装置DCS数据、管网系统数据，其中数据流向见图1。
　　装置蒸汽系统数据与管网系统的数据通过实时数据系统上传至实时数据中心库，管网模拟系统从中心数据库获取管网及蒸汽各用户的实时数据，经数据筛选，为模拟系统提供必要的数据；模拟系统利用管线参数和已知数据模拟管网各段管线蒸汽的全部参数，并将其模拟数据上传至PI实时数据中心库，监测管理人员可通过PI客户端系统从PI中心数据库获取实时监测数据。同时可提供必要的数据，进行模拟系统离线工况优化，并利用管网模拟系统对未知管线的参数进行计算。

1．2管网模拟系统的原理
　　管网模拟系统是监测管理系统的核心，其逻辑结构如图2所示。

1．2．1　数学模型
　　蒸汽管网可以看成是由若干根具有一定的物理特性，并且按照一定的物理、逻辑规律布置的管段所组成的网络。管网由以下内容描述：各管段的物理特性，如管段的材质、管长、管径、粗糙度，以及管件的种类、个数及状态等；管段之间连接的物理与逻辑关系；管段中蒸汽的流体力学状态，如蒸汽流量、流向、流速、雷诺数以及压降等。

管网的模型化描述。任何网络可以用中心封闭的网络与向外辐射的外支管路组成，并且每根管路具有方向性，如图3所示。其中，外支管路的外端点可以是用户、汽源，也可以是放空管。
　　对网络W有m根外支管，n根内管，j个节点。m根外支管外端的压力值分别为P1、P2、……、Pm，利用节点、回路模拟法，可求出每根管段的压降ΔP和流量G。
　　根据质量守恒定理：对于任意节点j，都有

其中，Gi为与节点j连接的管段中流体的质量流量，E为与节点j连接的管段的数量。当流入节点j时，r为1；流出节点j时，r为2(即流入为负，流出为正)。
　　根据能量平恒定理：对于任意一个回路R，都有

其中，ΔPi为组成回路R的管段中流体的压降，F为组成回路R的管段的数量。规定一个压降累加方向(顺时针或逆时针)，当管中流体流向与该规定方向相同时，r为2；不同时，r为1。如图4。

取其中的一根外支管a作为基准，其外端点压力值为Pa。则从a到另外任意一根外支管b(外端点压力值为Pb)形成一条通路，该通路中各管路压力降相加即等于a、b两管段外端点压力值之差，即：

其中，ΔPi为ab通路中某管段i中流体的压降，D为ab通路中管段的数量。规定从a到b为正方向，当管中流体流向与该规定方向相同时，r为2；方向不同时，r为1。
通过建立任意拓扑结构的流体网络非线性方程组，并以牛顿—拉夫森法来求解。
1．2．2　蒸汽管网的流体力学模型
　　蒸汽输送过程中，若压力损失较大，则气体密度的变化会很明显，因此必须考虑气体的压缩效应。在一段管段中取一长为dL的微分段，根据能量守恒定律，得：

式中，g为重力加速度，m／s2；z为流体的标高，m；ub为主体流速，m／s；We为泵或其他输送机械对单位质量流体做的有效功,J／kg。单位质量流体的总能量损失，J／kg。
　　忽略高度的影响，即dz＝0
假设系统没有外界能量输入，即δWe＝0，

式中，λ为摩擦系数；D为管内径，m。
在等温状态下，可以按理想气体处理，即　


综合(1)、(2)、(3)式，对整个管段积分，并略去高阶项，得：

1．2．3　蒸汽管网的热力学模型
　　蒸汽管网暴露在空气中，虽然也作了相应的保温处理，但不可避免地出现热能向周围环境的散失。因此在蒸汽管网模拟软件中加入传热计算模块，以方便用户对管网中各管段热损失情况的了解。
　　该模块包含热力学物性计算、管网热损失计算两部分。其中物性计算部分是为管网热损失计算提供基础数据，在编程中可以子程序形式实现。　　
国际公式化委员会(IFC)制定的水蒸气热力学性质，被广泛应用于工程设计、科学研究等领域，因此在热力学物性计算中采用该公式。一段有保温层的蒸汽圆管的传热过程，包括管内蒸汽到管内侧壁面、管内侧壁面到管外侧壁面、管外侧壁面到保温层内侧壁面、保温层内侧壁面到保温层外侧壁面、保温层外侧壁面到环境大气等五个环节。由于金属圆管的导热系数很大、热阻可忽略不计；管外侧与保温内侧紧贴，热阻也很小，可忽略不计。因此实际计算中只考虑管内蒸汽到管外侧壁面、管外侧壁面到保温层外侧壁面、保温层外侧壁面到环境大气三个环节。
管网在稳定状态下，流经某一管段的蒸汽也相应处于热平衡状态；因此有：

式中，di，do为管外径和保温层外径，ri，ro为管外半径和保温层外半径，hi为管内蒸汽向管壁的对流传热系数，h0为保温材料与大气的对流传热系数，twi为管外侧壁温，two为保温层表面温度，ti为管内蒸汽温度，to为大气温度。
　　对保温层外侧表面积而言的传热系数k的定义为：

　　
因此，由式(6)、(7)可以得到以保温层外侧
　　表面积为基准的传热系数k的计算公式：

2　结　论
　　(1)本文建立了带有任意支路和回路的复杂蒸汽管网的数学模型，该数学模型符合流体力学、热力学的基本定律，因此适用于各种形式的热力管网运行模拟。该数学模型建立为实时数据采集及模拟运行、离线优化创造了条件。
　　(2)开发了具有实时数据采集与模拟运行管理功能的热网监测系统并应用于生产管理，改变了以往对热网系统仅凭经验操作的管理模式，能通过及时调整保证管网的优化节能运行。
　　(3)该监测系统具有以下特点：能通过少量的管网实时数据模拟出整个管网的状态，及时发现管网存在的问题；在实时监测数据与模拟计算数据产生较大偏差时，能判断热网出现的故障。

　
参考文献

［1］吴双应，李友荣．供热蒸汽管道的最佳经济设计［J］．煤气与热力，1998，(2)：53－55．
［2］赵　钦，王志勤，等．大型蒸汽管网仿真的数学模型研究［J］．热能动力工程，1997，(3)：173－175．
能源工程