蒸汽动力系统模型建立及评估优化技术报告.docx

蒸汽动力系统模型建立及评估优化技术报告.docx

《蒸汽动力系统模型建立及评估优化技术报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《蒸汽动力系统模型建立及评估优化技术报告.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

蒸汽动力系统模型建立及评估优化技术报告

《蒸汽动力系统模型建立及评估优化》

技术报告

福建省龙岩金叶复烤有限责任公司

2016年12月

3蒸汽动力系统数学模型研究与建立16

1、项目背景及意义

公司现有两台20T/H循环流化床锅炉,产生的蒸汽主要作为热源来完成生产中所需要的真空回潮、润叶、片烟复烤和梗复烤等工序的各种加热过程。

根据公司2015年度用能情况统计，蒸汽动力系统是公司能量流最大的交换平台，贯穿于蒸汽的产生、输送、使用、回收等环节，面广点多，环环相扣，因此如何快速、准确、有效掌握蒸汽动力系统运行状况，提高其运行效率是公司节能降耗的关键点。

我们知道，蒸汽热力系统是由蒸汽转换系统（锅炉）、输送系统（供汽管网）、利用系统（用汽设备）及蒸汽余热（冷凝水、乏汽等）回收系统共同组成。

但由于蒸汽是在密闭的空间内流动，且具有专业性强、输送线长、用汽点多等特点，造成蒸汽动力系统在运行过程中存在诸多“盲点”。

一是公司蒸汽动力系统仅有总体流向示意图，缺乏系统能流图、用汽设备能流图等，对系统内能量流动不明确，导致部分作业人员对蒸汽回路不熟悉，容易引起误操作；二是未建立蒸汽动力系统配置清单，维修人员对系统配置数量、具体位置、使用寿命等基础技术信息不明确，系统出现故障时，维修作业较多采用直接更换配件方式，未能从整个蒸汽动力系统分析可能存在问题，从而无法从根本上解决问题；三是公司将于2017年启用燃气锅炉，吨蒸汽成本进一步上升，未建立蒸汽动力系统评估方法，不利于有效挖掘系统节能潜力、提高系统运行效率和节约系统运行成本。

基于实际蒸汽网络建立蒸汽动力系统模型，可以将分散的蒸汽管线、产/用汽设备、减温减压系统和冷凝水系统等蒸汽管网内设备进行集成，完成物料及热力学的平衡，实现对蒸汽动力系统的模拟，明晰现场作业层面，优化系统操作，提高系统运行效率；通过运行和分析模型，建立蒸汽动力系统评估方法，可以直观地了解蒸汽系统的运行情况、了解全部放空点及总的放空流量，通过运行模型，了解锅炉、用汽设备的热负荷及运行效率等多项性能，对特定案例进行运行分析，对案例效果进行评估，从而深度挖掘系统节能潜力，对今后的节能改造提出改进建议和解决方案。

2、项目主要研究内容

1、构建蒸汽动力系统模型：

蒸汽动力系统模型由图像模型和数学模型构成，主要从绘制蒸汽动力系统、用能设备能流图，编制蒸汽动力系统配置（疏水阀）清单和设计系统数学模型三个方面构建蒸汽动力系统模型。

2、建立蒸汽动力系统评估方法：

根据蒸汽动力系统模型，结合系统设计、运行控制、维护保养等多个方面建立蒸汽动力系统评估方法，科学合理评估系统现状，发现系统存在缺陷和不足，提出节能改造改进建议和解决方案。

3、技术路线及技术关键

1、技术路线

2、技术关键

2.1蒸汽动力系统模拟方法研究，确定蒸汽动力系统模拟方法。

2.2蒸汽动力系统数学模型设计，绘制用能设备能流图，编制蒸汽动力系统配置（疏水阀）清单，完成蒸汽动力系统模型建立。

2.3蒸汽动力系统评估方法建立，开展系统评估，提出改进建议和解决方案。

4、项目主要经济技术指标

1、建立一套蒸汽动力系统模型和评估方法，直观系统运行现状，提高作业效率。

2、通过进行蒸汽动力系统评估，提出3～5个节能改进建议和解决方案。

3、通过理论分析，节约5%能源使用量。

5、结果与分析

（1）蒸汽动力系统模拟可行性分析

随着世界范围内能源危机的出现，如何有效利用能源已经成为现代工业生产的一个重要课题。

蒸汽动力系统是过程工业企业的重要组成部分,其设计水平、运行和控制性能对过程工业的能量利用效率和经济性具有重要影响,在过去的30多年里,蒸汽动力系统的研究一直是国内外学者研究的热点。

近年来，国内许多大型的石化企业对其蒸汽动力系统开展建模研究和系统优化，取得了一定效益。

因此，如何学习借鉴石化企业建模经验，结合公司蒸汽动力系统实际，科学建立蒸汽动力系统模型是一个值得进一步研究的课题。

本项目通过对蒸汽动力系统的模拟，旨在为明晰现场作业层面提供基础资料，为优化系统操作，提高系统运行效率提供理论依据，达到蒸汽动力系统经济可靠运行的目的。

1蒸汽动力系统模拟方法研究

蒸汽动力系统是一种过程系统，过程系统主要有三种基本模拟方法：

序贯模块法、面向方程法和联立模块法。

1.1序贯模块法

序贯模块法是目前最常用的流程模拟方法，其模拟方式是按照由各种单元模块组成的过程系统的结构，序贯的对各单元模块进行计算，从而完成该过程系统的模拟计算。

序贯模块法的优点主要有：

①与实际过程的直观联系强；②模拟系统软件的建立、维护和扩充都很方便，易于通用化；③计算出错时易于诊断出错位置。

序贯模块法的主要缺点是计算效率低，不适合动态连续运行模拟。

1.2面向方程法

面向方程法是将整个流程的各个单元过程的数学模型方程组联立成一个大型总体方程组，然后一次同时求解的模拟方法。

面向方程法的优点是各种约束条件方程循环流的迭代计算不再存在，因而计算速度大为提高。

但由于复杂流程的整体数学模型涉及大量的非线性方程组，而这种大型非线性方程组的解算方法尚欠成熟，往往难以保证求解成功。

1.3联立模块法

联立模块法是介于序贯模块法和面向方程法之间的一种模拟方法。

与序贯模拟法相比，在求解设计型、优化型问题时，具有更大的灵活性和较高的计算效率；与联立方程法相比，由于它只流程水平的简化方程组，因而能处理更大规模的问题。

但该方法需先建立简化模型，需通过多次严格模型对其进行修正。

1.4研究确定模拟方法

公司蒸汽动力系统涉及锅炉、蒸汽管路、真空回潮机、润叶机、复烤机和冷凝水回收系统等，运行工况较为稳定，流程较为明确，易于划分。

本项目蒸汽动力系统模拟目的是建立系统静态模型，了解蒸汽动力系统能源分布，对特定问题进行分析，寻找系统优化空间。

综上三种模拟方法，决定采用序贯模块法，具有流程明确，关联性强，易于发现问题等优点，有利于系统有效真实的模拟。

2蒸汽动力系统图像模型研究与建立

蒸汽动力系统图像模型主要由系统流程图和配置清单构成，图像模型是蒸汽动力系统模型的重要组成部分，目的是明确系统流程，清晰现场作业，为系统数学模型建立提供基础资料。

2.1蒸汽动力系统流程图

蒸汽动力系统流程图分为系统总能流图和各子模块流程图。

基于实际蒸汽网络，我们通过查阅系统施工图、现场比对等方法，研究车间各用汽设备工作原理及现场走向，对蒸汽动力系统进行了划分，共绘制1张系统总能流图和锅炉系统、冷凝水系统、A线一润&二润等共10张子系统流程图，具体如下：

图1蒸汽动力系统能流图

图2锅炉系统流程图

图3冷凝水系统流程图

图4A线一润&二润流程图

图5A线叶复烤机干燥区流程图

图6A线叶复烤机回潮区流程图

图7A线梗复烤机&碎叶复烤机流程图

图8B线叶复烤机干燥区流程图

图9B线叶复烤机回潮区流程图

图10B线梗复烤机&碎叶复烤机流程图

图11把梗一润&二润流程图

2.2蒸汽动力系统配置清单

通过查阅资料、现场比对等方法，对蒸汽动力系统配置进行了现场测试、编号挂牌，设计编制蒸汽动力系统配置（疏水阀）清单，清单涵盖吊牌编号、位置、设备、口径、品牌、型号、类型、疏水阀选型、压力、状态等，配置清单如下表：

蒸汽动力系统配置清单

编号

位置

设备

口径

品牌

型号

类型

疏水阀选型

压力

状态

备注

ST001

锅炉房

分汽缸

40

Ari

未知

浮球

不合适

9

泄漏

原因：

疏水阀选型过大改进措施：

更换为DN25FT14-14

ST002

锅炉房

除氧器蒸汽管道底部

25

Ari

未知

浮球

合适

9

泄漏

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

更换为DN20FT14-14；安装DN25DCV3止回阀

ST003

室外

蒸汽管道

32

国产

未知

浮球

合适

9

排水不畅

原因：

疏水管道已腐蚀生锈改进措施：

更换疏水阀组（DN20BSA2T*3+DN20TD16F+DN20DCV3）

ST004

室外

闪蒸汽管道

32

国产

未知

浮球

合适

0.2

排水不畅

原因：

疏水管道已腐蚀生锈改进措施：

更换疏水阀组（DN20BSA2T*3+DN20TD16F+DN20DCV3）或移除现有闪蒸汽管路

ST005

冷凝水站

1#分汽缸

50

Ari

未知

浮球

不合适

8.7

泄漏

原因：

疏水阀选型过大改进措施：

更换为DN25FT14-14

ST006

冷凝水站

2#分汽缸

50

Ari

未知

浮球

不合适

8.7

泄漏

原因：

疏水阀选型过大改进措施：

更换为DN25FT14-14

ST007

A线复烤机

回潮2区蒸汽管道末端

20

Ari

未知

浮球

合适

6

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN20DCV3止回阀

ST008

A线复烤机

1#干燥区

50

Gestra

未知

浮球

合适

1.2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN50DCV3止回阀

ST009

A线复烤机

1#干燥区

50

Spirax

FT43-14

浮球

合适

1.2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN50DCV3止回阀

ST010

A线复烤机

2#干燥区

40

Spirax

FT43-10

浮球

合适

1.2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN40DCV3止回阀

ST011

A线复烤机

2#干燥区

40

Spirax

FT43-10

浮球

合适

1.2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN40DCV3止回阀

ST012

A线复烤机

3#干燥区

40

Spirax

FT43H-14

浮球

合适

1

排水不畅

原因：

疏水阀失流；其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN40DCV3止回阀

ST013

A线复烤机

3#干燥区

25

Spirax

FT43-14

浮球

合适

1

排水不畅

原因：

疏水阀失流；其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST014

A线复烤机

4#干燥区

25

Spirax

FT43-14

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST015

A线复烤机

4#干燥区

25

Spirax

FT43-14

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST016

A线复烤机

5#干燥区

25

Spirax

FT43-10

浮球

合适

1

排水不畅

原因：

疏水阀失流；其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST017

A线复烤机

干燥区蒸汽管道末端

20

Ari

未知

浮球

合适

7.5

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN20DCV3止回阀

ST018

A线复烤机

回潮一区蛇形管蒸汽

25

Ari

未知

浮球

合适

4.5

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST019

A线复烤机

回潮二区蛇形管蒸汽

15

Ari

未知

浮球

合适

3

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN15DCV3止回阀

ST020

A线复烤机

回潮区周边蒸汽

25

Ari

未知

浮球

合适

3

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST021

A线复烤机

加热顶鹏蒸汽盘管

15

Ari

未知

浮球

合适

2

未使用

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN15DCV3止回阀

ST022

A线碎叶复烤机

滚筒疏水

25

Ari

未知

浮球

合适

3

排水不畅

原因：

疏水阀失流；其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

更换为APT10泵组

ST023

A线梗复烤机

一区疏水

40

Ari

未知

浮球

合适

0.8

排水不畅

原因：

疏水阀失流；其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

并联APT泵组；疏水阀后安装DN40DCV3止回阀

ST024

A线梗复烤机

一区疏水

40

Ari

未知

浮球

合适

0.8

排水不畅

原因：

疏水阀失流；其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

并联APT泵组并联APT泵组；疏水阀后安装DN40DCV3止回阀

ST025

A线梗复烤机

一区疏水

40

Ari

未知

浮球

合适

1.2

正常

原因：

疏水阀失流；其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

并联APT泵组；并联APT泵组；疏水阀后安装DN40DCV3止回阀

ST026

A线梗复烤机

主蒸汽管道末端

20

Spirax

FT14-10

浮球

合适

7

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN20DCV3止回阀

ST027

A线梗复烤机

二区疏水

40

Spirax

未知

浮球

合适

0.2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN40DCV3止回阀

ST028

A线一润

滚筒底部

50

Spirax

FT43H-10

浮球

合适

6

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN50DCV3止回阀

ST029

A线一润

滚筒底部

25

Ari

未知

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST030

A线一润

滚筒底部

25

Ari

未知

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST031

A线一润

滚筒底部

25

Ari

未知

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST032

A线二润

滚筒底部

50

Spirax

FT43H-10

浮球

合适

6

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN50DCV3止回阀

ST033

A线二润

滚筒底部

25

Ari

未知

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST034

A线二润

滚筒底部

25

Ari

未知

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST035

A线二润

滚筒底部

25

Ari

未知

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST036

B线一润

滚筒底部

25

Ari

未知

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST037

B线一润

滚筒底部

20

Ari

未知

浮球

合适

2

未使用

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN20DCV3止回阀

ST038

B线一润

滚筒底部

25

Ari

未知

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST039

B线一润

滚筒底部

50

Ari

未知

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN50DCV3止回阀

ST040

B线二润

滚筒底部

25

Ari

未知

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN25DCV3止回阀

ST041

B线二润

滚筒底部

20

Ari

未知

浮球

合适

2

未使用

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN20DCV3止回阀

ST042

B线二润

滚筒底部

25

Ari

未知

浮球

合适

2

泄漏

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

更换为DN25FT14-14；安装DN25DCV3止回阀

ST043

B线二润

滚筒底部

50

Ari

未知

浮球

合适

2

正常

其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

安装DN50DCV3止回阀

ST044

B线复烤机

1#干燥区

50

Ari

未知

浮球

合适

1.2

未使用

ST045

B线复烤机

1#干燥区

50

Ari

未知

浮球

合适

1.2

未使用

ST046

B线复烤机

2#干燥区

40

Ari

未知

浮球

合适

1.2

未使用

ST047

B线复烤机

2#干燥区

40

Ari

未知

浮球

合适

1.2

未使用

ST048

B线复烤机

3#干燥区

40

Ari

未知

浮球

合适

1

未使用

ST049

B线复烤机

3#干燥区

25

Spirax

FT43-14

浮球

合适

1

未使用

ST050

B线复烤机

4#干燥区

25

Ari

未知

浮球

合适

2

未使用

ST051

B线复烤机

4#干燥区

25

Ari

未知

浮球

合适

2

未使用

ST052

B线复烤机

5#干燥区

25

Ari

未知

浮球

合适

1

未使用

ST053

B线复烤机

干燥区蒸汽管道末端

20

Ari

未知

浮球

合适

7.5

未使用

ST054

B线复烤机

回潮一区蛇形管蒸汽

25

Ari

未知

浮球

合适

4.5

未使用

ST055

B线复烤机

回潮二区蛇形管蒸汽

20

Ari

未知

浮球

合适

3

未使用

ST056

B线复烤机

回潮区周边蒸汽

20

Ari

未知

浮球

合适

3

未使用

ST057

B线复烤机

加热顶鹏蒸汽盘管

20

Ari

未知

浮球

合适

2

未使用

ST058

B线梗复烤机

一区疏水

40

Ari

未知

浮球

合适

0.8

未使用

ST059

B线梗复烤机

一区疏水

40

Ari

未知

浮球

合适

0.8

未使用

ST060

B线梗复烤机

一区疏水

40

Ari

未知

浮球

合适

1.2

未使用

ST061

B线梗复烤机

主蒸汽管道末端

20

Ari

未知

浮球

合适

7

未使用

ST062

B线梗复烤机

二区疏水

40

Ari

未知

浮球

合适

0.2

未使用

ST063

B线碎叶复烤机

滚筒疏水

25

Ari

未知

浮球

合适

0.2

排水不畅

原因：

疏水阀失流；其他问题：

疏水阀后无止回阀；改进措施：

更换为APT10泵组

注：

因项目开展时，B线未生产，部分疏水阀状态待下一步检测。

3蒸汽动力系统数学模型研究与建立

根据序贯模块法，我们将过程能量系统多层次集成建模的思想应用到蒸汽动力系统数学模型建立上，从蒸汽产生、管网输送和蒸汽使用进行模块划分，根据锅炉效率、关键设备的工艺要求以及常规操作下的数据，利用相关能量平衡方程，分别建立了锅炉房能耗计算模型、室外管道能耗计算模型、室内管道及阀门能耗计算模型、生产设备（含真空回潮机、润叶机、复烤机等）能耗计算模型等数学模型。

图12锅炉房能耗计算模型

图13真空回潮机能耗计算模型

图14叶一润能耗计算模型

图15叶二润能耗计算模型

图15叶复烤机能耗计算模型

图16梗复烤机能耗计算模型

（2）蒸汽动力系统评估方法建立与应用

1蒸汽动力系统评估方法建立

根据蒸汽动力系统模型，结合系统设计、运行控制、维护保养等多个方面建立蒸汽动力系统评估方法，评估步骤主要为：

①观察蒸汽动力系统模型运行数据

②依据系统能量平衡和一定的经验查找节能机会

③根据节能机会，设定优化和节能策略，制定出设想方案，修改模型数据，计算新的能量平衡

④基于模型新的平衡条件，观察系统的供求关系和设备约束条件是否满足，同时观察设想方案实施前后的特性数据，对策略进行评估，进行经济效益分析

⑤制定解决方案。

2蒸汽动力系统评估优化

根据蒸汽动力系统评估方法，我们对公司现有蒸汽动力系统进行了全面细致评估，发现了一些改进机会，并提出了节约蒸汽使用、改善蒸汽品质、提高系统运行安全性的改进建议和解决方案。

其主要内容包括以下几方面：

Ø工艺节能的评估结果和改进建议；

Ø非工艺节能的评估结果和改进建议；

Ø系统布置的评估结果和改进建议；

2.1工艺节能的评估结果和改进建议

（1）预热一润和二润的回风

现状：

目前，叶一润和叶二润热风加热器的回风温度分别为45℃、49℃，采用蒸汽加热后的温度分别为135℃、135℃。

一润现有的耗汽量如下所示：

分析：

若利用余热将一润和二润热风加热器的回风温度预热至75℃，那么一润的耗汽量如下所示：

和现有状况比较，一润热风加热器耗汽量减少了394.12-262.75=131.37kg/h。

按全年生产2700小时，一年减少的蒸汽耗量为355吨，折合费用为8.88万元。

同样，二润热风加热器每年减少的蒸汽耗量307吨，折合费用为7.68万元。

改进建议：

利用公司生产余热给一润和二润热风加热器回风预热，每年将减少蒸汽耗量662吨，节约费用为16.56万元。

（2）降低叶二润产品出口水分

现状：

目前，叶二润出口水分含量为18%，叶二润和叶复烤机的现有耗汽量如下所示：

分析：

若将叶二润出口水分含量调低0.5%，那么叶二润和叶复烤机的耗汽量如下所示：

那么叶二润和叶复烤机蒸汽量减少61.73kg/h，软化水耗量减少84.81kg/h；每年将减少蒸汽耗量166.7吨，软化水耗量减少229m³，每年节约费用为4.28万元。

改进建议：

将叶二润出口产品的水分降低0.5%，每年将减少蒸汽耗量166.7吨，软化水耗量减少229m³，每年节省费用为4.28万元。

（3）提高叶复烤机产品入口温度

现状：

目前，叶复烤机产品入口温度为30℃，现有的耗汽量如下所示：

分析：

若利用余热将叶复烤机产品入口温度提高至40℃，那么叶复烤机的耗汽量如下所示：

和现有状况比较，叶复烤机耗汽量减少了2515.25-2421.59=93.66kg/h。

按全年生产2700小时，年减少的蒸汽耗量为253吨，折合费用为6.3万元。

改进建议：

利用公司生产余热将叶复烤入口产品温度从30℃提升至40℃，每年将减少蒸汽耗量253吨，节约费用为6.3万元。

（4）降低叶复烤机干燥区排潮风机