石化企業(yè)能源優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用_圖文

1、2016年1月 CIESC JournalJanuary 2016第67卷 第1期 化 工 學(xué) 報(bào) V ol.67 No.1 石化企業(yè)能源優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用李德芳1,蔣白樺2,索寒生2,劉暄2(1中國(guó)石油化工集團(tuán)公司信息化管理部,北京 100728;2石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司,北京 100007 摘要:石化工業(yè)是高能耗行業(yè),發(fā)展面臨資源緊缺的約束。基于信息化和工業(yè)化深度融合的能源管理系統(tǒng),大幅度提高了能源的定量管理水平,在支撐企業(yè)節(jié)能方面應(yīng)用前景廣闊。中國(guó)石化應(yīng)用信息技術(shù)構(gòu)建能源管理信息系統(tǒng)促進(jìn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能,取得了較好的效果。論文闡述了能源優(yōu)化系統(tǒng)的整體規(guī)劃,并基于石化業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行了能源優(yōu)

2、化系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。以蒸汽動(dòng)力優(yōu)化系統(tǒng)為例,分析了優(yōu)化系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能,并從機(jī)理模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、在線優(yōu)化以及在線模型校驗(yàn)等方面論述了優(yōu)化流程。最后,從中國(guó)石化下屬的三家試點(diǎn)企業(yè)的應(yīng)用成效出發(fā),為石化企業(yè)推進(jìn)節(jié)能降耗信息化建設(shè)提供參考。 關(guān)鍵詞:石化;過程系統(tǒng);系統(tǒng)工程;信息系統(tǒng);能源;優(yōu)化 DOI :10.11949/j.issn.0438-1157.20151455中圖分類號(hào):TE 99;TP 39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):04381157(201601028509Design and application of energy optimization system in pe

3、trochemical enterpriseLI Defang 1, JIANG Baihua 2, SUO Hansheng 2, LIU Xuan 2(1Sinopec , Beijing 100728, China ; 2Petro -CyberWorks Information Technology Co ., Ltd , Beijing 100007, China Abstract : Petrochemical industry is a high energy consumption area, its development is being restricted by the

4、 shortage of resources. Energy management system based on t he deep integration of informatization and industrialization can greatly improve the quantitative management abilities of energy and has a great prospect on supporting an enterprise to optimize its energy consumption. Sinopec achieves satis

5、factory results by constructing energy management system based on information technology. The overall planning of energy optimization system has been proposed in this paper, the functions of this system have been designed by analyzing petrochemical businesses. Moreover, the steam power system has be

6、en taken as an example to illustrate the business functions of the optimization system. The specific description of energy optimization process of the system has been demonstrated in the aspects of the construction of mechanism factory model, data inspection, data correction, online energy optimizat

7、ion and online model regulation. Finally, the application benefits of three pilot enterprises have been analyzed. Especially, this can be regarded as a reference provided for petrochemical enterprises to promote energy conservation in their informatization construction process.Key words : petrochemi

8、cal; process system; system engineering; information system; energy; optimization引 言近年來,世界石化工業(yè)發(fā)展越來越受到資源環(huán)境制約1,開始高度重視節(jié)能環(huán)保、綠色低碳和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,正逐漸從“末端治理”向“生產(chǎn)全過程控制”轉(zhuǎn)變。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)字表明2,2014年2015-09-16收到初稿,2015-09-30收到修改稿。聯(lián)系人:索寒生。第一作者:李德芳(1961,男,博士,教授級(jí)高級(jí)工程師。Received date : 2015-09-16.Corresponding author : SUO Hanshen

9、g, hansheng.suo化工學(xué)報(bào)第67卷·286·全國(guó)能源總消耗量為426,000.00萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤,比2013年(416,913.00萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤增長(zhǎng)2.1%。石化產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱性產(chǎn)業(yè),具有危險(xiǎn)性高、能耗高等特點(diǎn),如何對(duì)這一規(guī)模龐大的高能耗產(chǎn)業(yè)進(jìn)行有效的能源管控,提高能源使用效率,以便靈活應(yīng)對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),獲取最大的經(jīng)濟(jì)收益,是石化產(chǎn)業(yè)關(guān)注的核心問題。2014年6月,中國(guó)石化啟動(dòng)“能效倍增”計(jì)劃,當(dāng)年實(shí)施500多個(gè)項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)節(jié)煤87萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤,獲得效益12.2億元。通過技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、信息化建設(shè)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),使石化產(chǎn)業(yè)升級(jí),對(duì)促進(jìn)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)意義重大

10、3。其中,信息技術(shù)已成為支撐企業(yè)綠色發(fā)展的重要手段,大力推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合,建設(shè)覆蓋煉化企業(yè)全口徑的能源管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)“能效最大化、能流可視化、在線可優(yōu)化”4是支撐上述工作的有效途徑之一。1 能源優(yōu)化系統(tǒng)整體規(guī)劃能源優(yōu)化是石化企業(yè)能源管理的核心技術(shù),按照用能最低,途耗最少,產(chǎn)能最優(yōu)的整體目標(biāo),中國(guó)石化能源優(yōu)化系統(tǒng)的整體規(guī)劃如圖1所示。在上述規(guī)劃下,能源優(yōu)化系統(tǒng)分為如下4個(gè)軟件系列:U系列(utility-公用工程、P系列(pipe network-管網(wǎng)、R系列(refining-煉化、M系列(manage-管理,如圖2所示。(1U系列(utility-公用工程U1蒸汽動(dòng)力優(yōu)化,目標(biāo)為生

11、產(chǎn)成本最低,根據(jù)外部需求,優(yōu)化熱電廠鍋爐、汽機(jī)等;U2水優(yōu)化,目標(biāo)為生產(chǎn)成本最低,包括水平衡測(cè)試、循環(huán)水運(yùn)行及參數(shù)調(diào)優(yōu),整體節(jié)水節(jié)電;U3空分優(yōu)化,目標(biāo)為生產(chǎn)成本最低,包括調(diào)整空分運(yùn)行,氮氧系統(tǒng)優(yōu)化,減少排空及資源浪費(fèi)。(2P系列(pipe network-管網(wǎng)P1蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化,模擬現(xiàn)實(shí)管網(wǎng),定位相變點(diǎn)、熱損溫?fù)p管段,模擬管網(wǎng)流程。可與U1及R系列軟件組合聯(lián)動(dòng);P2水網(wǎng)優(yōu)化,模擬現(xiàn)實(shí)管網(wǎng),結(jié)合U2,實(shí)現(xiàn)全廠水網(wǎng)平衡、循環(huán)水網(wǎng)及補(bǔ)水策略優(yōu)化; P3氮、氧網(wǎng)優(yōu)化,模擬現(xiàn)實(shí)管網(wǎng),結(jié)合U3實(shí)現(xiàn)全廠氮、氧平衡,模擬壓降,優(yōu)化生產(chǎn)及壓縮機(jī)用功等;P4氫氣網(wǎng)優(yōu)化,模擬現(xiàn)實(shí)管網(wǎng),實(shí)現(xiàn)氫氣的優(yōu)化輸送,結(jié)合R系列

12、氫氣產(chǎn)耗裝置,實(shí)現(xiàn)全廠氫氣優(yōu)化;P5燃料氣網(wǎng)優(yōu)化,模擬現(xiàn)實(shí)管網(wǎng),實(shí)現(xiàn)燃料氣的優(yōu)化輸送,結(jié)合R系列產(chǎn)耗裝置,實(shí)現(xiàn)全廠燃料氣優(yōu)化。(3R系列(refining-煉化R1常減壓優(yōu)化,模擬常減壓裝置,尋找裝置能耗重點(diǎn)及優(yōu)化方向,確定調(diào)優(yōu)目標(biāo)值,可分解用于一般分餾類裝置;R2催化類優(yōu)化,模擬催化裂化裝 圖1 中國(guó)石化能源優(yōu)化整體規(guī)劃Fig.1 Overall planning of energy optimization in Sinopec第1期李德芳等:石化企業(yè)能源優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用·287·置,尋找裝置能耗重點(diǎn)及優(yōu)化方向,確定調(diào)優(yōu)目標(biāo)值,可移植用于一般反應(yīng)類裝置;R3制氫類優(yōu)化

13、,模擬制氫類裝置尋找裝置能耗重點(diǎn)及優(yōu)化方向,確定調(diào)優(yōu)目標(biāo)值,可移植用于一般水合、膜分離類裝置;R4加氫類優(yōu)化,模擬加氫裝置,尋找裝置能耗重點(diǎn)及優(yōu)化方向,確定調(diào)優(yōu)目標(biāo)值,可移植用于一般加氫反應(yīng)類裝置;R5焦化類優(yōu)化,模擬焦化裝置,尋找裝置能耗重點(diǎn)及優(yōu)化方向,確定調(diào)優(yōu)目標(biāo)值; R6乙烯優(yōu)化,模擬乙烯裝置,尋找裝置能耗重點(diǎn)及優(yōu)化方向,確定調(diào)優(yōu)目標(biāo)值;R7聚烯烴優(yōu)化,模擬聚烯烴裝置,尋找裝置能耗重點(diǎn)及優(yōu)化方向確定調(diào)優(yōu)目標(biāo)值;R8聚酯類優(yōu)化,模擬聚酯類裝置,尋找裝置能耗重點(diǎn)及優(yōu)化方向,確定調(diào)優(yōu)目標(biāo)值;R9橡膠優(yōu)化,模擬合成橡膠類裝置,尋找裝置能耗重點(diǎn)及優(yōu)化方向,確定調(diào)優(yōu)目標(biāo)值,可移植間歇釜反應(yīng);R10化

14、肥類優(yōu)化,模擬化肥裝置,尋找裝置能耗重點(diǎn)及優(yōu)化方向,確定調(diào)優(yōu)目標(biāo)值。(4M系列(manage-管理M1優(yōu)化操作管理,根據(jù)系統(tǒng)提供的優(yōu)化策略及實(shí)際操作,監(jiān)管優(yōu)化方向的實(shí)際操作情況,將優(yōu)化操作和生產(chǎn)實(shí)際操作緊密結(jié)合,實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化從策略制定、方案選擇、指令下達(dá)到實(shí)操反饋的閉環(huán)管理;M2效益評(píng)定管理,根據(jù)優(yōu)化策略核定效益,根據(jù)實(shí)操管理的實(shí)際操作數(shù)據(jù),評(píng)估節(jié)能效益潛力及實(shí)際操作效率,實(shí)現(xiàn)班組優(yōu)化操作效益核算,促進(jìn)裝置操作崗位節(jié)能意識(shí)的提升。2 能源優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文以公用工程(U系列中的蒸汽動(dòng)力優(yōu)化(U1為例,闡述系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)備、管網(wǎng)遍布全廠,系統(tǒng)十分龐大,且隨著新裝置的投產(chǎn)以及企業(yè)裝置

15、的擴(kuò)能,蒸汽耗量不斷增加;汽輪機(jī)種類多,發(fā)電和抽汽方式有多種選擇;系統(tǒng)運(yùn)行受外部電網(wǎng)調(diào)控和環(huán)保指標(biāo)等因素的影響,操作上主要以安全生產(chǎn)、平穩(wěn)操作為指導(dǎo),在實(shí)際中大部分操作都以人工經(jīng)驗(yàn)為主,缺乏定量管理、模擬和優(yōu)化工具。蒸汽動(dòng)力優(yōu)化系統(tǒng)是對(duì)企業(yè)能源的生產(chǎn)、燃料的選擇與采購(gòu)、設(shè)備的生產(chǎn)負(fù)荷等進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化,以降低能源生產(chǎn)成本、提高企業(yè)能源利用效率,實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能目標(biāo)。圖3為蒸汽動(dòng)力優(yōu)化系統(tǒng)業(yè)務(wù)圖。2.1機(jī)理模型構(gòu)建蒸汽動(dòng)力優(yōu)化系統(tǒng)采用離線建模、在線優(yōu)化的工作模式。離線建模主要針對(duì)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)中的單元模塊,如設(shè)備、管網(wǎng)等,建立機(jī)理模型,并將這些單元模塊的機(jī)理模型集成到優(yōu)化系統(tǒng)中成為標(biāo)準(zhǔn)元模型庫(kù)。標(biāo)準(zhǔn)元模

16、型庫(kù)涵蓋了蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)中蒸汽鍋爐、多級(jí)汽輪機(jī)、單極汽輪機(jī)、機(jī)泵、除氧器等九大類常用熱力設(shè)備,并依據(jù)各設(shè)備機(jī)理配置相關(guān)重要參數(shù),作為標(biāo)準(zhǔn)化建模依據(jù)。與其他的能源 圖2 中國(guó)石化能源優(yōu)化軟件產(chǎn)品序列圖Fig.2 Software products planning of energy optimization in Sinopec化 工 學(xué) 報(bào) 第67卷·288·圖3 蒸汽動(dòng)力優(yōu)化系統(tǒng)業(yè)務(wù)圖Fig.3 Business map of steam power optimization優(yōu)化系統(tǒng)不同,本文設(shè)計(jì)開發(fā)的能源優(yōu)化系統(tǒng)中集成的各個(gè)單元模塊的標(biāo)準(zhǔn)元模型,均為通用模型,即:可通過

17、對(duì)元模型的參數(shù)進(jìn)行配置獲得不同規(guī)格設(shè)備的模型、不同規(guī)模管網(wǎng)的模型等。在機(jī)理模型構(gòu)建過程中,需要滿足質(zhì)量平衡與能量守恒,也需考慮設(shè)備與設(shè)備的連接等因素。因此,建模過程還需調(diào)用水蒸氣的物性庫(kù)。采用圖形化建模方法模擬實(shí)際工藝流程,方便技術(shù)人員進(jìn)行過程建模、參數(shù)配置及后期模型維護(hù)等。在圖形化建模使用中,通過點(diǎn)擊、拖拽相應(yīng)設(shè)備模型,依據(jù)企業(yè)實(shí)際流程,搭建準(zhǔn)確工廠模型。如圖4所示,通過以上過程,可建立工廠能源優(yōu)化的虛擬模型。 2.2 數(shù)據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)檢測(cè)具體指的是儀表可靠性檢查和測(cè)量數(shù)據(jù)校正。儀表可靠性檢查指的是儀表在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中重要性的分析。根據(jù)儀表精確度的不同,賦予采集到的相應(yīng)儀表的數(shù)據(jù)不同的權(quán)值,使其更

18、好地模擬實(shí)際狀況。測(cè)量數(shù)據(jù)校正的主要操作步驟如下:讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)的DCS 數(shù)據(jù)和能源管理平臺(tái)的維護(hù)數(shù)據(jù)。其中DCS 數(shù)據(jù)包括鍋爐負(fù)荷數(shù)據(jù)和蒸汽的需求量數(shù)據(jù)。在這里,每一個(gè)數(shù)據(jù)均包含其狀態(tài)信息,即:“good ”和“bad ”。其中,“good ”表示數(shù)據(jù)通訊正常,無斷電、電位虛接等現(xiàn)象;“bad ”則表示數(shù)據(jù)傳輸失敗。如果數(shù)據(jù)的狀態(tài)值是“good ”,則檢查此數(shù)據(jù)是否處于數(shù)據(jù)的上下限范圍之內(nèi),如果在上下限范圍之內(nèi),則保留此數(shù)據(jù),反之,利用上下限對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行卡限處理。如果數(shù)據(jù)的狀態(tài)值是“bad ”,則利用所有數(shù)據(jù)中出現(xiàn)頻率較高的數(shù)據(jù)代替當(dāng)前的“bad ”數(shù)據(jù),流程如圖5所示。 2.3 數(shù)據(jù)

19、校驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)過程中的測(cè)量數(shù)據(jù)不可避免存在隨 圖4 能源優(yōu)化虛擬工廠模型Fig.4 Virtual factory model for energy optimization第1期 李德芳等:石化企業(yè)能源優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用·289· 機(jī)誤差或過失誤差,從而不滿足物料、能量等守恒規(guī)律,因此在進(jìn)行操作優(yōu)化時(shí),必須對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整定。原始測(cè)量數(shù)據(jù)為來自DCS 或者PLC 等的實(shí)時(shí)工藝運(yùn)行數(shù)據(jù),采樣/校驗(yàn)頻率為1分鐘/次,可以保證實(shí)時(shí)性。選取測(cè)量數(shù)據(jù)的整定值,使其既滿足整個(gè)裝置和單元設(shè)備的物料、能量平衡關(guān)系,同時(shí)又使其與測(cè)量值之差的平方和最小。在數(shù)學(xué)上可表示為求滿足一組等式約

20、束條件方程組的最小二乘解,相當(dāng)于求最小方差無偏估計(jì)問題。整定的過程首先要通過最小二乘算法5-6,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線整定和優(yōu)化,計(jì)算出與測(cè)量值偏差最小的數(shù)據(jù)整定值。計(jì)算原理如下21min (X *nm i XW = (1 其中,X m 為測(cè)量值,X為整定值,W 為相對(duì)權(quán)重,n 為測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)。然后,利用模型全局的質(zhì)量與能量平衡建立方程組,全局質(zhì)量平衡方程如式(2所示,in ,out inout0n n F F = (2其中,in inn F 為流入設(shè)備n 的物流流量;,out outn F 為從設(shè)備n 流出的物流流量。全局能量平衡方程如式(3所示,in,in ,out ,out out inout0n

21、 n n n n FH F H W Q = (3其中,in n H 為流入設(shè)備n 的物流的比焓;,out n H 為從設(shè)備n 流出的物流的比焓;out W 為設(shè)備n 對(duì)外界做的功;n Q 為設(shè)備n 對(duì)外界放出的熱。2.4 在線優(yōu)化國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化方法主要有基于全局溫焓曲線的夾點(diǎn)分析法7-8、基于數(shù)學(xué)方法的數(shù)學(xué)規(guī)劃法9-11 、確定剩余熱負(fù)荷最佳轉(zhuǎn)化途徑的頂層分析法以及熱電聯(lián)產(chǎn)優(yōu)化的R 曲線分析法等12-14。其中,夾點(diǎn)分析法需采集大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù), 并需對(duì)各過程間的相互關(guān)系有深入的了解,耗時(shí)耗力。頂層分析法僅適用于簡(jiǎn)單公用工程系統(tǒng), 對(duì)于復(fù)雜公用工程系統(tǒng)15-17不易得到全局最

22、優(yōu)解。R 曲線分析法是基于理想假設(shè)得到的,與實(shí)際生產(chǎn)狀況不完全相符。本系統(tǒng)采用混合整數(shù)規(guī)劃法18-19。綜合考慮能源價(jià)格、需求、設(shè)備限制、工況、人員經(jīng)驗(yàn)等因素,利用系統(tǒng)中集成的混合整數(shù)規(guī)劃優(yōu)化器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線優(yōu)化,優(yōu)化推動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最低成本操作,以滿足界定限制內(nèi)的當(dāng)前和未來的蒸汽動(dòng)力需求。在當(dāng)前能源價(jià)格市場(chǎng)環(huán)境下,以系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行成本最小為目標(biāo)20,優(yōu)化系統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)配置,降低燃料成本;調(diào)整鍋爐/汽機(jī)等蒸汽設(shè)備的操作狀態(tài),提高系統(tǒng)效率,降低操作費(fèi)用;核算系統(tǒng)各設(shè)備操作性能指標(biāo),從全系統(tǒng)的角度,計(jì)算蒸汽和電力的實(shí)際成本,尋找最優(yōu)的能量流經(jīng)系統(tǒng)方式;結(jié)合能源市場(chǎng)狀況,考慮燃料價(jià)格/外購(gòu)電力的經(jīng)濟(jì)性,

23、提出合理的外購(gòu)優(yōu)化操作方式。目標(biāo)方程可以圖5 數(shù)據(jù)檢測(cè)流程Fig.5 Data inspection and correction·290· 表示為 Cobj ( Ciuse × Eiuse + Fi use = 1 i = min t supply supply supply × Ej + Fj ( Pj j =1 s 化 工 學(xué) 報(bào) 第 67 卷 (4 其中， Cobj 為總成本，元； Ciuse 為需要消耗的（包 括自產(chǎn)和外購(gòu)）第 i 種能源的單價(jià)，元/噸； Eiuse 為 需要消耗的第 i 種能源的購(gòu)買量，噸； Fi use 為生產(chǎn) 所需的固定成

24、本，如人力費(fèi)、環(huán)境保護(hù)費(fèi)、排污費(fèi) 等，元；i 為生產(chǎn)所需不同能源種類（如煤、天然 氣等）的消耗量，根據(jù)熱電廠不同，所需能源種類 不同；Pjsupply 為用于外供的第 j 種能源的單價(jià)， 元/噸； 2.5 在線模型校正 區(qū)別于其他能源優(yōu)化系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)開發(fā)的能 源優(yōu)化系統(tǒng)具有在線模型校正功能。所校正的模型 參數(shù)為設(shè)備的性能參數(shù)，如鍋爐和汽輪機(jī)的熱效率 值等。即，通過現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算相應(yīng) 的參數(shù)， 在線更新系統(tǒng)中預(yù)先配置好的模型參數(shù)值， 進(jìn)行下次優(yōu)化時(shí)可以保證模型更為精確，從而可以 更好地模擬實(shí)際情況，更有效地優(yōu)化能源使用。 以上五部分為整個(gè)蒸汽動(dòng)力優(yōu)化系統(tǒng)的優(yōu)化 流程，可以總結(jié)如圖

25、6 所示。 3 系統(tǒng)應(yīng)用成效 通過分析能源生產(chǎn)消耗、 管網(wǎng)差異情況、 能源儀 表?xiàng)l件、 主要指標(biāo)趨勢(shì)等方面的數(shù)據(jù)， 發(fā)現(xiàn)企業(yè)能源 薄弱點(diǎn)，從而找到節(jié)能點(diǎn)，采取針對(duì)性能源優(yōu)化措 施和手段， 實(shí)現(xiàn)能源運(yùn)行效益最大化， 如圖 7 所示。 基于能源優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化企業(yè)能源結(jié)構(gòu)配置， 調(diào)整鍋爐/汽機(jī)等設(shè)備操作狀態(tài)，優(yōu)化外購(gòu)/外供電 優(yōu)化操作方式，大大降低了石化企業(yè)能源成本，取 得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。此能源優(yōu)化系統(tǒng)已在中國(guó)石 化下屬企業(yè)試點(diǎn)運(yùn)行，為保證優(yōu)化實(shí)時(shí)性以及企業(yè) 工況運(yùn)行穩(wěn)定且有足夠的調(diào)節(jié)操作時(shí)間，系統(tǒng)優(yōu)化 頻率為每小時(shí)一次， 優(yōu)化結(jié)果通過企業(yè)展示頁(yè)面 （圖 形/表格）反饋，通過人工手動(dòng)調(diào)節(jié)生產(chǎn)裝置運(yùn)

26、行參 E supply 為用于外供的第 j 種能源的銷售量， 噸； Fjsupply j 為用于外供的固定成本，元；j 為外供的能源種類 （如，蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的過剩的蒸汽、電等）的 外供量， 根據(jù)熱電廠不同， 所銷售的能源種類不同。 對(duì)于上述目標(biāo)函數(shù)，其約束條件有四大類：在 設(shè)備負(fù)荷方面，考慮每臺(tái)設(shè)備的負(fù)荷范圍，使其運(yùn) 行在各自范圍之內(nèi)；在需求方面，要滿足外部能量 需求，在整個(gè)優(yōu)化過程中，外部需求為定值；合同 需求方面，考慮工廠所需原料的價(jià)格、排污等價(jià)格 的變化，確定采購(gòu)目標(biāo)；在限制約束方面，主要表 現(xiàn)為政策、環(huán)境等的約束，如政策影響下的天然氣 的使用量、污水排放量等。 圖 6 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)

27、優(yōu)化流程 Fig.6 Optimization process of steam power system 第1期 李德芳等：石化企業(yè)能源優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 ·291· 圖 7 石化企業(yè)能源分析 Fig.7 Energy analysis of petrochemical enterprises (a energy production and consumption; (b differences of pipe network; (c energy instruments condition; (d indices trends 數(shù)。2015 年 3 月系統(tǒng)順利在茂名石

28、化、天津石化以 及青島煉化進(jìn)行工程驗(yàn)證，效益顯著。以茂名石化 為例， 某動(dòng)力車間汽輪機(jī)運(yùn)行優(yōu)化情況如表 1 所示。 其中， “當(dāng)前運(yùn)行值”表示優(yōu)化前系統(tǒng)實(shí)際運(yùn) 行值， “優(yōu)化值建議” 表示所開發(fā)的蒸汽動(dòng)力優(yōu)化軟 件給出的運(yùn)行建議參考值， “偏差值” 表示二者之差， 偏差越大表明系統(tǒng)可進(jìn)行優(yōu)化的范圍越大。表 2 為 蒸汽動(dòng)力優(yōu)化運(yùn)行成本報(bào)告，根據(jù)用能需求對(duì)燃料 油、石油焦、煤、外供電等能源的消耗進(jìn)行優(yōu)化， 優(yōu)化系統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)配置，以成本最小為目標(biāo)，提 高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。茂名石化的優(yōu)化效益為 10863.0 元/小時(shí)，如圖 8 所示，柱狀圖表示優(yōu)化前后的生產(chǎn) 成本對(duì)比情況，曲線圖表示每小時(shí)節(jié)約成本情

29、況。 上述蒸汽動(dòng)力優(yōu)化系統(tǒng)在天津石化優(yōu)化運(yùn)行的效益 為 6043.3 元/小時(shí)，如圖 9 所示。青島煉化優(yōu)化效 益為 5976.9 元/小時(shí)， 如圖 10 所示。 需要說明的是， 在圖 8圖 10 中， 每一小時(shí)的瞬時(shí)效益均是基于當(dāng) 前工況計(jì)算出的理論效益，由于能源生產(chǎn)過程中的 工況瞬息萬變， 隨之優(yōu)化的邊界條件也會(huì)發(fā)生變化， 這也就造成了前后兩次優(yōu)化的理論效益之間并沒有 關(guān)系，因此后邊的效益可能升高也可能降低。 表 1 茂名石化某動(dòng)力車間汽輪機(jī)運(yùn)行優(yōu)化情況 Table 1 Optimization performance of steam turbine in Maoming Enterpr

30、ise Description 1 power generation capacity of steam turbine/MW 1 steam inlet flow of steam turbine/t·h # 1 # Current value 18.4 158.6 18.5 145.3 48 313.5 50.4 264.7 51 263.9 13.4 268.8 Optimized suggestion 21.9 210 17.3 141 48 270 46.9 190.1 53 327.5 10.1 266.5 Error 3.5 51.4 1.2 4.3 0 43.5 3.

31、5 74.6 -2 63.6 3.3 2.3 2# power generation capacity of steam turbine/MW 2 steam inlet flow of steam turbine/t·h # # 1 3 power generation capacity of steam turbine/MW 3 steam inlet flow of steam turbine/t·h # # 1 4 power generation capacity of steam turbine/MW 4# steam inlet flow of steam t

32、urbine/t·h1 5# power generation capacity of steam turbine/MW 5 steam inlet flow of steam turbine/t·h # # 1 6 power generation capacity of steam turbine/MW 6# steam inlet flow of steam turbine/t·h1 表 2 運(yùn)行成本優(yōu)化報(bào)告 Table 2 Optimization report on operating cost Description total cost fuel o

33、il petroleum coke coal coal2# petroleum coke2# fuel gas external power supply 323.2 589.8 503.8 503.8 589.8 2051.3 323.2 0 7.5 75.5 104.3 10.4 15.4 194.9 Unit price Consumption (Current value Cost (Current value 69697 0 4423.5 38036.9 52546.34 6133.92 31590.02 62991.68 0 8.9 89.4 100.4 10 6.8 191.4

34、Consumption (Optimized suggestion Cost (Optimized suggestion 58833.99 0 5249.22 45039.72 50581.52 5898 13948.84 61860.48 Benefit/CNY·h1 10863.01 0 825.72 7002.82 1964.82 235.92 17641.18 1131.2 ·292· 化 工 學(xué) 報(bào) 第 67 卷 圖 8 茂名石化優(yōu)化效益分析圖 Fig.8 Optimization performance of Maoming Enterprise 圖

35、9 天津石化優(yōu)化效益分析圖 Fig.9 Optimization performance of Tianjin Enterprise 圖 10 青島煉化優(yōu)化效益分析圖 Fig.10 Optimization performance of Qingdao Enterprise 4 結(jié) 論 能源優(yōu)化是石化企業(yè)能源管理的核心技術(shù)，論 文以用能最低，途耗最少，產(chǎn)能最優(yōu)為整體目標(biāo)， 對(duì)中國(guó)石化能源優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行了整體規(guī)劃。并以蒸 汽動(dòng)力優(yōu)化系統(tǒng)為例，從元模型建立、虛擬工廠模 第1期 李德芳等：石化企業(yè)能源優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 Mathematics, 2015, 97 (11: 30-41. 7 ·

36、;293· 型搭建、數(shù)據(jù)采集與整定、流程模擬、在線優(yōu)化以 及在線模型校正等方面，闡述了系統(tǒng)的優(yōu)化流程。 最后以三家試點(diǎn)企業(yè)為例，簡(jiǎn)述了蒸汽動(dòng)力優(yōu)化系 統(tǒng)取得的成效。 與國(guó)外同類軟件相比， 在技術(shù)方面， 本文設(shè)計(jì)研發(fā)的能源優(yōu)化系統(tǒng)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備建立通用 的模型并構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)元模型庫(kù)，可通過參數(shù)配置獲得 不同規(guī)格的設(shè)備，縮短建模時(shí)間；為提高鍋爐、汽 輪機(jī)等重要設(shè)備的效率曲線在不同工況下的適應(yīng) 性，系統(tǒng)在效率曲線的設(shè)計(jì)中增添了效率曲線外延 功能， 可明顯增強(qiáng)在特殊運(yùn)行工況下的計(jì)算適應(yīng)性； 對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整定，能夠減小測(cè)量誤差的影響； 利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過模擬計(jì)算對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行在線校 正，提高優(yōu)化性能。

37、在軟件功能方面，系統(tǒng)界面友 好、配置簡(jiǎn)單易用、實(shí)施周期短、操作響應(yīng)迅速。 節(jié)能信息化在中國(guó)石化下屬企業(yè)的成功應(yīng)用， 為石化企業(yè)推進(jìn)節(jié)能信息化建設(shè)提供了借鑒和參 考，支撐了中國(guó)石化綠色低碳的發(fā)展戰(zhàn)略，助力了 公司轉(zhuǎn)型發(fā)展。在未來工作中，可以對(duì)具有分散的 多用戶、多產(chǎn)汽點(diǎn)、多燃料來源、多壓力等級(jí)、多 工況變化(季節(jié)、生產(chǎn)方案、市場(chǎng)價(jià)格等等特點(diǎn)的 工藝系統(tǒng)的需求進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化，并結(jié)合啟發(fā)式算 法、 熱力學(xué)目標(biāo)法的優(yōu)點(diǎn)， 對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步提升。 Reference 1 CHELEMUGE, NAMIOKA T, YOSHIKAWA K, et al. Commercialscale demonstra

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39、lated, or increasing convex, positive data with multiple least-squares exponential curves J. Journal of Computational and Applied Mathematics, 2015, 287: 44-47. 8 LÖFFLER M K. Trapezoid vapour compression heat pump cycles and pinch point analysis J. International Journal of Refrigeration, 2015,

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