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1、全厂蒸汽动力平衡以及全厂蒸汽动力平衡以及系统优化节能系统优化节能李斌红2011-8-14二者关系全厂蒸汽动力平衡全厂蒸汽动力平衡系统优化节能系统优化节能一. 什么是全厂蒸汽动力系统1. 狭义2. 广义狭义全厂蒸汽动力系统各级蒸汽产汽系统各级蒸汽输送系统各级蒸汽用汽系统广义全厂蒸汽动力系统全厂蒸汽动力系统各级蒸汽系统电力系统各级蒸汽产汽系统各级蒸汽输送系统各级蒸汽用汽系统凝结水回收系统二. 为什么要研究全厂蒸汽动力系统二. 为什么要研究全厂蒸汽动力系统蒸汽动力系统管理方式- 粗放管理 “表面”管理 “差不多”管理 “短暂”管理蒸汽动力平衡的管理层次满足用户的蒸汽品质要求经优化后的粗放管理在线无实
2、时优化功能的数据管理利用管网优化软件的模型管理建立实时集管网、产汽、用汽、发电为一体的动态优化数学模型管理蒸汽动力系统存在的主要问题相当一部分蒸汽动力系统设备陈旧，效率低下，相当一部分蒸汽动力系统设备陈旧，效率低下，规模小。规模小。热电联产潜力没有挖掘出来热电联产潜力没有挖掘出来 。低压、低效的烧油凝汽发电低压、低效的烧油凝汽发电 。蒸汽管网在结构上形成了多级、多环的复杂结构蒸汽管网在结构上形成了多级、多环的复杂结构 。蒸汽管网投入不足，管理力度不足，导致跑冒滴蒸汽管网投入不足，管理力度不足，导致跑冒滴漏现象不少。漏现象不少。 凝结水回收率低，而且凝结水回收时热量回收率凝结水回收率低，而且凝结
3、水回收时热量回收率更低。更低。三. 蒸汽动力系统的平衡1.什么时候需要开展蒸汽动力系统平衡工作 2. 蒸汽的特点 3. 蒸汽动力系统运行的要求 4. 蒸汽动力系统平衡需要考虑的问题1. 什么时候需要开展蒸汽动力系统平衡工作 蒸汽动力平衡工作设计运行持续改进正常生产事故状态2. 蒸汽的特点 蒸汽的不可贮存性蒸汽存在状态变化的可能性3. 蒸汽动力系统平衡涉及哪些工作 产耗平衡。蒸汽管网运行的安全运行。蒸汽动力系统的能级匹配。蒸汽与电力的平衡。产耗平衡目的：目的：满足各用户的温度、压力需求。满足各用户的温度、压力需求。作用：作用：A A、使各级蒸汽生产量与消耗量及损耗量平衡。、使各级蒸汽生产量与消耗
4、量及损耗量平衡。B B、在平衡中努力消灭放空现象，减少损耗量。、在平衡中努力消灭放空现象，减少损耗量。C C、通过产耗平衡，减少用户不合理的用汽量和用汽、通过产耗平衡，减少用户不合理的用汽量和用汽方式。方式。D D、平衡各产汽单位的发汽量，利用足低价燃料的、平衡各产汽单位的发汽量，利用足低价燃料的锅炉蒸发量。锅炉蒸发量。蒸汽管网运行的安全运行蒸汽系统无缓冲裕量，必须时刻保持产耗的动态平衡。蒸汽动力系统运行必须有调节裕量。所有运行的蒸汽管路必须保持最低流通量，以保证蒸汽温度。未投用蒸汽管路或运行蒸汽管路的盲端必须疏水，防止水击的发生。 蒸汽动力系统的能级匹配前提:前面二个内容：A、用户使用的蒸汽
5、品质温度、压力要求应选取刚好能满足条件的蒸汽等级。B、最在限度减少无功减温减压量。蒸汽与电力的平衡企业电力来源：自备发电及网供电锅炉总蒸发量=自备发电用汽量+供热总量4. 如何开展蒸汽动力平衡工作数学模型简易在线蒸汽动力平衡表蒸汽产耗平衡表数学模型A、理论基础：最优化理论B、优化调度的发展过程 C、优化调度的应用 D、优化调度存在的问题 E、发展方向-在线自适应优化方法 F、管网优化模型A、最优化理论定义： 热力系统优化调度是随着数学规划理论的发展和计算机技术的推广和应用发展起来的，它采用数学规划的方法，通过对热力系统的分析，确定最佳的负荷分配方案，使整个热力系统处在最优的条件下运行。B、优化
6、调度的发展过程 优化算法的发展过程：优化算法的发展过程：a. a. 等微增率法等微增率法b. b. 传统的线性和非线性规划方法传统的线性和非线性规划方法c. c. 启发式算法启发式算法计算方法的发展过程：计算方法的发展过程： 离线计算离线计算 在线计算在线计算 研究对象的发展过程：研究对象的发展过程： 单一循环方式纯供电的热力系统单一循环方式纯供电的热力系统 多种循环方式多种循环方式并存的热电联供的复杂系统并存的热电联供的复杂系统 等微增率法基础：严格的数学极值理论诞生时间：1934年。原理：这一方法在理论上给出了并联运行的若干机组满足总能耗最小的最优条件，即当并联运行机组的耗量微增率不相等时
7、，可以通过减小耗量微增率大的机组的负荷，增加耗量微增率小的机组的负荷来达到全厂的总消耗量最小。 等微增率法优点：该方法的物理意义明确，易于被调度人员优点：该方法的物理意义明确，易于被调度人员所理解。所理解。不足：首先，该方法采用锅炉煤耗发电功率曲不足：首先，该方法采用锅炉煤耗发电功率曲线，因此只适用于机炉一体的单元机组，很难应线，因此只适用于机炉一体的单元机组，很难应用于母管制热力系统中；用于母管制热力系统中； 其次，即使在单元机组中，这种方法对煤耗其次，即使在单元机组中，这种方法对煤耗特性曲线的要求也是比较严格的，只有当特性曲特性曲线的要求也是比较严格的，只有当特性曲线为凸函数时才能得到严格
8、的最优解，否则结果线为凸函数时才能得到严格的最优解，否则结果可能是失真的；可能是失真的； 最后，对于热电联供的热力系统，热负荷的最后，对于热电联供的热力系统，热负荷的调度和电负荷的调度往往是耦合在一起的，这就调度和电负荷的调度往往是耦合在一起的，这就限制了该方法的使用。限制了该方法的使用。 b. 传统的线性和非线性规划方法 (1) (1)线性规划法：线性规划法： 最主要的求解方法是单纯形法，基于单纯形最主要的求解方法是单纯形法，基于单纯形法又针对混合整数线性规划问题发展了分枝限界法又针对混合整数线性规划问题发展了分枝限界反向跟踪法、隐枚举法等，这些方法都可以准确反向跟踪法、隐枚举法等，这些方法
9、都可以准确地求解全局最优解。地求解全局最优解。 应用情况：应用情况：R T CouchR T Couch等对等对6 6台锅炉、台锅炉、2525台汽台汽轮机和轮机和1 1台备用汽轮机构成的供电系统进行了研究，台备用汽轮机构成的供电系统进行了研究，采用线性混合整数规划的方法在技术上解决了较采用线性混合整数规划的方法在技术上解决了较为复杂的能量系统的负荷分配问题，其中涉及到为复杂的能量系统的负荷分配问题，其中涉及到了部分机组启停的情况。了部分机组启停的情况。 b. 传统的线性和非线性规划方法(2)非线性规划法：发展原因： 热力系统部件的特性往往是非线性的，在很多情况下采用线性模型计算往往与实际相差很
10、大，因此必须建立相应的非线性算法。 非线性算法 ：转动坐标轴直接搜索（DSFD）法、罚函数法等 。b. 传统的线性和非线性规划方法(2)非线性规划法：应用情况：A T Clary在1996年对Tennessee Eastman Division of Eastman化工公司24台锅炉、19台汽轮机构成的复杂系统使用非线性算法进行了计算。不足：这些算法虽然已经比较成熟，但无法保证对于任意的非线性规划问题都能准确地收敛到全局最优解。 c. 启发式算法基础：蒸汽动力系统的热力学分析目的：推导出针对能量使用优化的总体原则和各种指导准则方法：(1)搜索禁忌(Tabu Search)法：Glover在19
11、86年首次提出 。(2)模拟退火（Simulated Annealing）法:Mertropolis于1953年提出。 c. 启发式算法(3)遗传算法（Genetic Algorithms）：70年代初期由美国密执根大学的Holland教授 提出(4)人工神经网络(Neutral Network)法：Hopfield教授将人工神经网络的早期成就应用于优化问题中形成的一种算法。 C、优化调度的应用国外应用例子：国外应用例子：MareckiMarecki等较早地将数学规划的方法应用于热力系统优化等较早地将数学规划的方法应用于热力系统优化调度的研究中，并在调度的研究中，并在7070年代后期对大型热电
12、联供的核电年代后期对大型热电联供的核电厂从经济角度确定了热负荷的分配方案厂从经济角度确定了热负荷的分配方案 。早期，早期，R T CouchR T Couch等研究的单一供电蒸汽系统的优化调等研究的单一供电蒸汽系统的优化调度相对比较简单，仅仅涉及到外界电负荷的约束。度相对比较简单，仅仅涉及到外界电负荷的约束。 K MoslehiK Moslehi等在等在9090年代初对个热电联产电厂构成的热电年代初对个热电联产电厂构成的热电联供系统进行优化计算，该热电联供系统共包含联供系统进行优化计算，该热电联供系统共包含1919台锅台锅炉和炉和1111台汽轮发电机，它需要考虑到外界电负荷和各类台汽轮发电机，
13、它需要考虑到外界电负荷和各类供汽量的要求，结果在最优情况下总费用减小了供汽量的要求，结果在最优情况下总费用减小了1.1%1.1%。 C、优化调度的应用d. M S Diaz和J A Bandoni使用混合整数非线性规划的方法提出了大型化工厂的优化策略，所研究的系统包含8台高温裂解炉、1台裂解气压缩机、110t/h余热锅炉、4台常规锅炉、5台背压式汽轮机构成的三级母管制联合循环系统的优化调度进行了研究。C、优化调度的应用e. KBC公司于1996年开发成蒸汽系统仿真和优化软件并在德国Gelsenkerchen的Scholven炼油厂得到了使用，平均每年可节省费用百万德国马克。 f. A Thom
14、as等提到在Westinghouse过程控制部门开发的集散控制系统中，新增加了在线监测和优化计算的软件包，表明在线优化计算已经进入市场应用阶段。 C、优化调度的应用国内应用例子：国内应用例子：清华大学等较早地对热力系统优化调度进行了清华大学等较早地对热力系统优化调度进行了研究，他们对燕山石化公司炼油厂的蒸汽系统研究，他们对燕山石化公司炼油厂的蒸汽系统采用采用0/10/1整数规划的方法进行了详细的优化调度整数规划的方法进行了详细的优化调度计算，分别对其中的燃气轮机、催化裂化气压计算，分别对其中的燃气轮机、催化裂化气压机、发电用汽轮机、锅炉、减温减压器和换热机、发电用汽轮机、锅炉、减温减压器和换热
15、器等热力系统进行了部分化建模并完成了整个器等热力系统进行了部分化建模并完成了整个系统的自动建模。系统的自动建模。 西安交通大学李崇祥等通过将发电功率分解为西安交通大学李崇祥等通过将发电功率分解为纯冷凝发电部分和热化发电部分解决了供热机纯冷凝发电部分和热化发电部分解决了供热机组热电负荷调度的问题，并将其方法应用到石组热电负荷调度的问题，并将其方法应用到石化厂中取得了较好的效果。化厂中取得了较好的效果。 C、优化调度的应用c. 清华大学和抚顺石化热电厂进行合作，通过综合采用分枝限界反向跟踪优化算法和转动坐标轴直接搜索可行方向法，节约燃料37%。 D、优化调度存在的问题 a.对理论建模的过分依赖，无
16、法精确反映当前系统的真实特性。b.所建立的模型无法体现系统部件特性的变化。 c.优化计算软件缺乏通用性 E、发展方向-在线自适应优化方法 以实时运行数据为基础，根据用户输入的系统信息自动建立当前热力系统优化模型，并随着系统的运行通过分析运行数据来确定是否有必要重新建模。 E、发展方向-在线自适应优化方法组成部分：a. 系统输入部分b. 实时数据采集部分c. 数据处理部分d. 自适应建模部分e. 优化计算部分f. 调度决策部分g. 渐近寻优部分F、管网模型a. 目前状况：此类模型软件极少。中国石化股份有限公司科技开发部、炼油事业部和节能中心组织协调了“炼油厂蒸汽管网监测管理系统（简称SNAMER
17、）”的开发工作，该项目以北京华思维科技有限公司为主，并在镇海炼化等单位的配合下于2003年底通过了中国石化科技开发部组织的技术鉴定，目前该项技术已经进入工业化推广应用阶段。F、管网模型b. b. 原理：热力管网的仿真模拟涉及到网络拓扑学、原理：热力管网的仿真模拟涉及到网络拓扑学、流体力学、热力学、计算数学和热能工程等领域流体力学、热力学、计算数学和热能工程等领域的知识，其整体设计构想是根据管网的结构数据，的知识，其整体设计构想是根据管网的结构数据，汽源流量、温度、压力和用户流量或压力等有限汽源流量、温度、压力和用户流量或压力等有限参数，建立网络拓扑模型，并由模型自动生成流参数，建立网络拓扑模型
18、，并由模型自动生成流体网络非线性方程组，通过求解非线性方程组得体网络非线性方程组，通过求解非线性方程组得到网络任意管段内介质的流量、流向、流速、压到网络任意管段内介质的流量、流向、流速、压降、温降、散热损失以及各节点的温度、压力等降、温降、散热损失以及各节点的温度、压力等参数，实现优化调度、合理用汽的节能目的，即参数，实现优化调度、合理用汽的节能目的，即能离线应用，也能在线运行。能离线应用，也能在线运行。 F、管网模型c. 关键技术措施 将基尔霍夫的电网理论应用于流体管网，以非线性方程组描述管网流程，通过自由度分析判断决策变量，允许用户选择温度或压力作为自变量。用图形描述网络流程，用表格输入属
19、性，以拓扑学知识自动识别管网结构，自动建立数学模型。 F、管网模型d. 数学模型 热网分析监测模型由网络拓扑模型、网络热力学模型、网络流体力学模型三个部分组成，而网络拓扑模型又包括：用于描述网络节点与管段关系的关联矩阵和描述网络回路信息的圈矩阵以及描述网络通路信息的割矩阵等部分。 F、管网模型e. 数值求解方法 SNAMER采用的数值解法是牛顿拉夫森法，该算法经过优化后计算速度有了明显的提高，例如计算一个具有400根管段的管网模型，其计算时间约为10秒钟，满足在线运行的需要。F、管网模型f. f. 作用：作用： 离线应用可以模拟管网可能出现的运行工况，分析管离线应用可以模拟管网可能出现的运行工
20、况，分析管网的可靠性和保温状况，计算散热损失、凝结水的生成量网的可靠性和保温状况，计算散热损失、凝结水的生成量和产生的位置，为合理排凝和工况调整提供决策依据，也和产生的位置，为合理排凝和工况调整提供决策依据，也是设计新管网和模拟改造老管网的有力工具；是设计新管网和模拟改造老管网的有力工具； 在线运行能够模拟监测管网的实际运行情况，使运行在线运行能够模拟监测管网的实际运行情况，使运行管理人员随时掌握管网的工况，实现优化调度。管理人员随时掌握管网的工况，实现优化调度。 SNAMERSNAMER还能为企业的蒸汽管网建立电子档案数据库，还能为企业的蒸汽管网建立电子档案数据库，包括管网的结构数据和运行参
21、数以及历次改造的信息数据，包括管网的结构数据和运行参数以及历次改造的信息数据，能为扩建及改造工程及时、准确地提供完整的基础资料，能为扩建及改造工程及时、准确地提供完整的基础资料，是制定全厂用能优化决策方案的基础。是制定全厂用能优化决策方案的基础。 F、管网模型需要改进或注意的问题：需要改进或注意的问题：(1) (1) 计算数据校核的依据只能是现有的蒸汽流量、温计算数据校核的依据只能是现有的蒸汽流量、温度、压力参数，但这些参数测点不少点本身存在度、压力参数，但这些参数测点不少点本身存在较大的误差，导致计算有失真现象。较大的误差，导致计算有失真现象。(2)(2)蒸汽母管因进出蒸汽分枝多，且压力测点
22、不足，蒸汽母管因进出蒸汽分枝多，且压力测点不足，运用管网压差，计算蒸汽流通量准确性仍不足。运用管网压差，计算蒸汽流通量准确性仍不足。(3)(3)管网基础数据输入工作量大，管网改造后可能存管网基础数据输入工作量大，管网改造后可能存在数据未及时录入的问题。在数据未及时录入的问题。简易在线蒸汽动力平衡表简易在线蒸汽动力平衡表简易在线蒸汽动力平衡表蒸汽产耗平衡表 A、编制原则：a. 产耗分别开列。b. 只计算最终的产及耗的发生量，不计算中间转移量。B、分开工、运行、事故状态三种情况分别编写。C、分析产耗不平衡，查找蒸汽系统存在的问题。四.蒸汽动力系统优化1.蒸汽动力系统优化的方法 2.优化软件应用的情
23、况3.实际工作中如何开展蒸汽动力系统优化工作1. 蒸汽动力系统优化的方法热力学目标方法数学规划法三环节模型法启发式方法热力学目标方法A、夹点分析法B、顶层分析法A、夹点分析法a. 产生：1982年Linnhoff等人提出的夹点技术，在此基础上提出了热力学目标方法。b. 夹点技术应用的演变 换热网络和单级、多级公用工程能量集成热回收络热机热泵等单个能量集中单元与全局能量集成几个工艺过程组成组成的全局系统A、夹点分析法c. 核心技术：全局温焓曲线d. 具体方法：利用全局温焓曲线对系统进行直接敏锐的分析，确定热力学目标以及提出很好的设计决策，并且根据该热力学目标可以选择最优的短网络。通过性能的限制约
24、束，热力学目标方法揭示了系统的改善范围，使设计者在交互模式下进行不同的设计方案的筛选。A、夹点分析法e. e. 夹点技术特点：夹点技术特点： 全局过程的夹点分析法，建立了从各过程冷、热全局过程的夹点分析法，建立了从各过程冷、热物流构成组合曲线出发，逐步外推，最终形成全局温焓物流构成组合曲线出发，逐步外推，最终形成全局温焓曲线和全局公用工程总组合曲线，再进行能量集成的方曲线和全局公用工程总组合曲线，再进行能量集成的方法和策略。法和策略。f. f. 优点：该方法对于新设计节能效果显著。优点：该方法对于新设计节能效果显著。g.g.不足：对改造项目，其公用工程系统已存在，有时虽实施不足：对改造项目，其
25、公用工程系统已存在，有时虽实施节能，却无经济效益。而且这种全局集成策略是建立在节能，却无经济效益。而且这种全局集成策略是建立在对全局各过程间的相互关系有深入了解，并已收集到全对全局各过程间的相互关系有深入了解，并已收集到全局各过程所有冷、热物流及公用工程数据的基础之上的；局各过程所有冷、热物流及公用工程数据的基础之上的；对正在运行着的大型石化企业，进行如此详尽的数据收对正在运行着的大型石化企业，进行如此详尽的数据收集需花费大量的人力和时间，这无疑会影响全局过程夹集需花费大量的人力和时间，这无疑会影响全局过程夹点分析法的应用。点分析法的应用。 B、顶层分析法a. 起源：夹点分析法的不足b. 19
26、97年Zhu XX 等提出这一概念c. 方法：从公用工程出发，先完成公用工程系统的用能诊断，寻找出全局节能（节约蒸汽）的潜力所在，充分发挥公用工程系统的各种剩余热转化途径作用，使剩余热发挥最大的经济效益。对于公用工程系统难以利用的剩余热，寻找出相关过程，再利用全局夹点分析方法进行能量集成 。B、顶层分析法d. 图示B、顶层分析法e. 基本方法：(1) 剩余热负荷的产生 (2) 剩余热负荷通过发电汽轮机做功 (3) 外购动力节省剩余热负荷 (4) 剩余热负荷转化途径的经济效益分析 (1) 剩余热负荷的产生 过程换热网络的优化可使过程用蒸汽量减少过程换热网络的优化可使过程用蒸汽量减少或过程副产蒸汽
27、量增加，这两种结果都将打破原或过程副产蒸汽量增加，这两种结果都将打破原有公用工程系统的平衡关系，产生剩余蒸汽。剩有公用工程系统的平衡关系，产生剩余蒸汽。剩余热负荷的转化途径一般有：（）用做功效率余热负荷的转化途径一般有：（）用做功效率最高的途径做功，使公用工程系统多产功；（）最高的途径做功，使公用工程系统多产功；（）减少剩余热负荷，直接节省燃料，同时使公用工减少剩余热负荷，直接节省燃料，同时使公用工程系统做功能力下降，产用功之间的差额需外程系统做功能力下降，产用功之间的差额需外购动力弥补；（）维持现有消耗途径。因此，购动力弥补；（）维持现有消耗途径。因此，实现过程优化改造所产生的效益，必须寻找
28、剩余实现过程优化改造所产生的效益，必须寻找剩余热负荷的最佳转化途径。热负荷的最佳转化途径。 (2) 剩余热负荷通过发电汽轮机做功 过剩热负荷通过某一途径转化可增加系统做功量，而节省对应的燃料消耗量的变化为。过剩热负荷转化途径的做功效率为： (3) 外购动力节省剩余热负荷 对于必须进行热功权衡的公用工程系统，节对于必须进行热功权衡的公用工程系统，节省剩余热负荷省剩余热负荷 就等于节省了锅炉蒸汽，其结就等于节省了锅炉蒸汽，其结果是燃料消耗减少果是燃料消耗减少 ，同时造成了系统做功量，同时造成了系统做功量的下降。为弥补这部分做功能力的减少，公用工的下降。为弥补这部分做功能力的减少，公用工程系统需从外
29、界购入动力或电力。若购买单位燃程系统需从外界购入动力或电力。若购买单位燃料所需费用为料所需费用为，外购单位动力所需费用为，外购单位动力所需费用为，定义外购动力的效率为定义外购动力的效率为 inin inin11，则应购入外部动力。，则应购入外部动力。(4) 剩余热负荷转化途径的经济效益分析 若将若将1MJ1MJ燃料的热负荷从现有途径移至最佳效率途径燃料的热负荷从现有途径移至最佳效率途径可多产功可多产功WaddWadd为：为： WaddWaddWmWmWcWcmmcc 式中，式中，cc为现有途径效率，为现有途径效率，mm为最佳途径效率。为最佳途径效率。 为保持公用工程系统产用功的平衡，多产的功量
30、为保持公用工程系统产用功的平衡，多产的功量WaddWadd可从效率最差的途径减少相应的功量，相应节省燃可从效率最差的途径减少相应的功量，相应节省燃料为：料为： F FWaddWaddleastleast（mmcc）leastleast 式中，式中，leastleast为最差途径效率。即在公用工程系统中，为最差途径效率。即在公用工程系统中，1MJ1MJ燃料的热负荷从现有途径移至最佳效率途径可多做功燃料的热负荷从现有途径移至最佳效率途径可多做功WaddWadd。 (4) 剩余热负荷转化途径的经济效益分析 通过做功效率最差的途径减少做功Wadd，即可实现最大的燃料节省，其相应节省燃料费用为： CFQ
31、FCF（ mc ）least 若1t蒸汽相当于s(MJ)燃料，经济效益B（元t）为： CFs（mc）least 式中s（Ploss）boilerB、顶层分析法f. f. 基本步骤基本步骤 ：（）收集公用工程数据；（）收集公用工程数据；（）计算现有和可选蒸汽消耗途径效率及负荷限（）计算现有和可选蒸汽消耗途径效率及负荷限制；制；（）计算节省剩余热负荷外购动力途径效率；（）计算节省剩余热负荷外购动力途径效率；（）比较现有途径，可选途径和外购动力效率；（）比较现有途径，可选途径和外购动力效率；（）选择最优转化途径并计算优化后的效益。（）选择最优转化途径并计算优化后的效益。 数学规划法A A、基础：数学
32、模型、基础：数学模型B B、原理：通过把蒸汽动力系统优化问题转换为一个、原理：通过把蒸汽动力系统优化问题转换为一个数学规划问题并提供一个合适的优化算法来实现数学规划问题并提供一个合适的优化算法来实现系统的优化。系统的优化。C C、发展：、发展：8080年代，随着计算机的普及的热力学理年代，随着计算机的普及的热力学理论的日益完善，才发展起来的。论的日益完善，才发展起来的。19831983年，年，GrossmannGrossmann采用结构最优化合成换热网络，提出采用结构最优化合成换热网络，提出用转运模型的线性规划方法，求出最小公用工程用转运模型的线性规划方法，求出最小公用工程费用，较为方便地考虑
33、物流匹配有约束的情况。费用，较为方便地考虑物流匹配有约束的情况。 数学规划法D D、方法：、方法：第一步是构造一个超结构第一步是构造一个超结构(Superstructure)(Superstructure)，其中包括通常所，其中包括通常所用的单元设备，如锅炉、蒸汽轮机、燃气轮机、电动机，用的单元设备，如锅炉、蒸汽轮机、燃气轮机、电动机，不同压力的蒸汽管网以及其他辅助设备。由此可产生许多不同压力的蒸汽管网以及其他辅助设备。由此可产生许多可行的蒸汽动力系统方案。可行的蒸汽动力系统方案。 第二步是建立混合整数线性规划第二步是建立混合整数线性规划(MILP)(MILP)模型或混合整数非线模型或混合整数
34、非线性一性一(MINLP)(MINLP)模型来表征蒸汽动力系统，其中连续变量代模型来表征蒸汽动力系统，其中连续变量代表所有单元设备的处理能力和各流股流量，二元变量表示表所有单元设备的处理能力和各流股流量，二元变量表示在给定操作条件下所选单元设备是否存在，多周期问题表在给定操作条件下所选单元设备是否存在，多周期问题表示单元设备在某周期是否运行以及运行中单元设备的操作示单元设备在某周期是否运行以及运行中单元设备的操作方式。目标函数是使系统在所有运行时间内总的设备投资方式。目标函数是使系统在所有运行时间内总的设备投资和操作费用最小。和操作费用最小。三环节模型法A A、角度：、角度：yong(yong
35、(火火+ +用用) )分析分析 B B、华南理工大学华贲教授等提出这一方法、华南理工大学华贲教授等提出这一方法C C、方法：从追踪能量变化的全过程和揭示子系统的能量流、方法：从追踪能量变化的全过程和揭示子系统的能量流结构入手，对过程系统进行全局的结构入手，对过程系统进行全局的yongyong分析和分析和yongyong经济经济分析，提出了过程用能的三环节模型（如图所示）、过程分析，提出了过程用能的三环节模型（如图所示）、过程用能的用能的yongyong经济评价方法以及全局系统的经济评价方法以及全局系统的yongyong经济优化经济优化方法，完善了包括个不同功能子系统的能量结构模型的方法，完善了
36、包括个不同功能子系统的能量结构模型的协调优化方法。该模型不仅揭示了各种类型和各种复杂程协调优化方法。该模型不仅揭示了各种类型和各种复杂程度的过程系统能量结构的共性规律，而且建立了严格的通度的过程系统能量结构的共性规律，而且建立了严格的通用模型。严格地说，三环节方法是一个把系统技术和热用模型。严格地说，三环节方法是一个把系统技术和热（yongyong）经济学有机结合的系统方法。）经济学有机结合的系统方法。 三环节模型图三环节模型法D D、不同压力等级蒸汽的能量、不同压力等级蒸汽的能量、yongyong和能级和能级 压力，压力，MPaMPa 温度，温度，能量能量E E，MJ/t MJ/t yong
37、 yong Ex, MJ/tEx, MJ/t能级系能级系数数 10.010.05405403475.4 3475.4 1650.9 1650.9 0.426 0.426 3.83.84504503263.6 3263.6 1330.1 1330.1 0.407 0.407 1.01.02502502878 2878 947.1 947.1 0.329 0.329 三环节模型法E、改善过程系统用能的措施按其作用分类： U类提高能量转换效率u或yong转换效率xu，属转换环节； N类降低工艺总用能n或yongxn，属利用环节； K类减少利用环节过程损耗DKP，属利用环节； R类提高能量回收效率（R
38、或火用回收效率xR，属回收环节。 三环节模型法F F、作用：、作用：a. a. 通过能量综合分析，清楚地展示装置用能情况，找出用能通过能量综合分析，清楚地展示装置用能情况，找出用能薄弱环节，提出节能降耗的方向。薄弱环节，提出节能降耗的方向。 b. b. 通过单元设备、局部子系统、全局三个层次，工艺装置、通过单元设备、局部子系统、全局三个层次，工艺装置、公用工程到全厂综合优化三个步骤，实现全局用能优化。公用工程到全厂综合优化三个步骤，实现全局用能优化。 c. c. 通过通过yongyong经济分析和优化，对过程系统提出物料和能量综经济分析和优化，对过程系统提出物料和能量综合同时优化的改进方案。合
39、同时优化的改进方案。 d. d. 开发新工艺流程，进行装置的开发新工艺流程，进行装置的“ “瓶颈瓶颈” ”分析，实现在扩产分析，实现在扩产同时的能量综合优化。同时的能量综合优化。 e. e. 对现有装置进行不改动设备流程条件下的操作调优，给出对现有装置进行不改动设备流程条件下的操作调优，给出在各种条件下的工艺参数的优化值，用以指导生产。从而在各种条件下的工艺参数的优化值，用以指导生产。从而达到提高产品品质、节能降耗的目的。达到提高产品品质、节能降耗的目的。 三环节模型法G、 特点： 通过对过程系统能量结构的严格描述，揭示了过程系统用能的本质，并注重本身理论体系的完善。但由于yong计算的复杂性
40、和实际工程体系的复杂性，三环节模型的推广和应用受到限制。 2. 应用情况A A、清华大学吕泽华教授等开发的热电厂优化调度管、清华大学吕泽华教授等开发的热电厂优化调度管理软件，应用于抚顺石化热电厂热电联供系统优理软件，应用于抚顺石化热电厂热电联供系统优化调度。化调度。B B、清华大学开发的蒸汽系统优化设计软件、清华大学开发的蒸汽系统优化设计软件GPODHSGPODHS，应用于燕山石化蒸汽动力与供热系统新建及改，应用于燕山石化蒸汽动力与供热系统新建及改造方案的优化。造方案的优化。C C、清华大学开发的通用蒸汽系统优化设计软件、清华大学开发的通用蒸汽系统优化设计软件ODDSS-THODDSS-TH，
41、应用于茂名乙烯蒸汽系统的优化。，应用于茂名乙烯蒸汽系统的优化。D D、KBCKBC公司的公司的ProsteamProsteam软件应用于大庆、镇海炼化软件应用于大庆、镇海炼化分公司、燕山石化等分公司、燕山石化等 。A、抚顺石化热电厂热电联供系统的优化调度 A、抚顺石化热电厂热电联供系统的优化调度A、抚顺石化热电厂热电联供系统的优化调度A、抚顺石化热电厂热电联供系统的优化调度汽轮机数学模型A、抚顺石化热电厂热电联供系统的优化调度锅炉数学模型A、抚顺石化热电厂热电联供系统的优化调度A、抚顺石化热电厂热电联供系统的优化调度A、抚顺石化热电厂热电联供系统的优化调度A、抚顺石化热电厂热电联供系统的优化调
42、度 优化后总蒸汽消耗量由原来的917.1t/h减小为876.4t/h，节约蒸汽40.7t/h，以每吨蒸汽100元计算，年运行300d计，则年获利就达约1880万元。3. 实际工作中如何开展蒸汽动力系统优化工作分为二个阶段来考虑：设计、改造时正常运行时设计、改造时A、 原则B、 投资决策过程 A、 原则a. a. 蒸汽是绝大多数石化企业必需的能量形式之一，蒸汽是绝大多数石化企业必需的能量形式之一，必需保证稳定可靠的供应。当企业邻近有较大规必需保证稳定可靠的供应。当企业邻近有较大规模的高效热电站，可以保证稳定供应工艺所需参模的高效热电站，可以保证稳定供应工艺所需参数的蒸汽时（一般数的蒸汽时（一般1
43、 13.5 MPa3.5 MPa），应优先考虑按），应优先考虑按合同购进蒸汽。因为在一般情况下，即使充分联合同购进蒸汽。因为在一般情况下，即使充分联产，小规模、烧油、中压锅炉产汽成本也无法同产，小规模、烧油、中压锅炉产汽成本也无法同大型热电站竞争。在两者价格相仿时，宜仔细作大型热电站竞争。在两者价格相仿时，宜仔细作技术经济比较。技术经济比较。b. b. 提高第一定律效率，即锅炉、汽轮机组、电机等提高第一定律效率，即锅炉、汽轮机组、电机等的热效率；节省燃料、汽、电。的热效率；节省燃料、汽、电。A、 原则c. c. 提高第二定律效率，即通过功热联产大大提高一次能源利提高第二定律效率，即通过功热联产
44、大大提高一次能源利用的用的yongyong效率；主要是利用生产工艺用低压蒸汽之前的高效率；主要是利用生产工艺用低压蒸汽之前的高温热（温热（yongyong）先多作功。）先多作功。d. d. 通过与工艺装置的热联合，充分利用低温余热发汽和预热通过与工艺装置的热联合，充分利用低温余热发汽和预热各温度段的给水，以节省自用汽和燃料。各温度段的给水，以节省自用汽和燃料。e. e. 因市场状况决定的加工量和产品方案的变化和因气候、季因市场状况决定的加工量和产品方案的变化和因气候、季节等因素决定的汽、电需求的变化，全厂总用电、汽负荷节等因素决定的汽、电需求的变化，全厂总用电、汽负荷将在一定范围内波动。此时，
45、按固定条件设计的蒸汽动力将在一定范围内波动。此时，按固定条件设计的蒸汽动力系统在以上三个方面的目标和预期效果，都会偏离系统在以上三个方面的目标和预期效果，都会偏离; ;有时有时严重偏离。因此，考虑适应各种变化条件的柔性设计，具严重偏离。因此，考虑适应各种变化条件的柔性设计，具有很大的节能潜力。有很大的节能潜力。 B、投资决策过程a. 首先运用三环节方法、夹点分析等过程能量综合技术对蒸汽动力系统与整个系统的能量进行集成，提出多个蒸汽动力系统的优化改造投资方案；b. 根据过程概念设计或专家系统提出的改造方案，建立蒸汽动力系统的超结构模型；c. 建立超结构模型中各个设备的数学模型；B、投资决策过程d
46、. 利用人工智能技术，根据经验建立专家系统以提高计算效率；e. 运用数学规划法和专家系统进行能量集成，利用计算机软件求出全局最优解；f. 对各个待选的方案组织工艺专家进行研究，提出修正意见。g.计算各方案的实施效果，进行效益对比和结果分析，在上述基础上做出合理的投资决策。正常运行时 有优化模型：应用 无优化模型：怎么办？正常运行时 通过对优化软件应用的分析，可简化分为低温热利用，提高热电厂的效益，降低管网损失三个方面开展工作 。A、低温热利用a. 将工艺热源、热阱，包括数量，温位(现在温度、目标温度)列表b. 分析现有高热低用的设备，是否存在改用低级蒸汽的可能。c. 用夹点技术或三环节模型分析
47、热源与热阱的优化机会，并将热量用后面所讲的效益计算进行计算。B、提高热电厂的效益a. a. 搜集数据搜集数据(1) (1) 公用工程的约束条件，包括锅炉、汽机进汽量、公用工程的约束条件，包括锅炉、汽机进汽量、汽机抽汽量、汽机发电量、减温减压器、母管的汽机抽汽量、汽机发电量、减温减压器、母管的流通上下限，汽机最小排汽量。；流通上下限，汽机最小排汽量。；(2) (2) 构成动力的成本单价，包括燃料、循环水、除过构成动力的成本单价，包括燃料、循环水、除过滤水、外购电、外购蒸汽等。滤水、外购电、外购蒸汽等。(3) (3) 汽机建模所需要的数据。汽机建模所需要的数据。(4)(4)明显的节能机会：各减温减
48、压器流通量，蒸汽放明显的节能机会：各减温减压器流通量，蒸汽放空问题，锅炉的氧量、汽温、压力参数，给水的空问题，锅炉的氧量、汽温、压力参数，给水的温度，加热器的投用率。温度，加热器的投用率。 B、提高热电厂的效益b. b. 为上述明显的节能机会设定合适的目标值，并提为上述明显的节能机会设定合适的目标值，并提出可行的措施。出可行的措施。c. c. 优化分配汽轮机的进汽量、锅炉的发汽量优化分配汽轮机的进汽量、锅炉的发汽量d. d. 效益计算如下：效益计算如下：(1)(1)建立简易的汽机、锅炉的数学模型建立简易的汽机、锅炉的数学模型(2)(2)核算各锅炉发汽的成本，初步确定锅炉发汽的经核算各锅炉发汽的
49、成本，初步确定锅炉发汽的经济性，得出原则性的锅炉发汽顺序。济性，得出原则性的锅炉发汽顺序。(3)(3)分别计算各汽轮机纯凝发电和抽汽发电的边际成分别计算各汽轮机纯凝发电和抽汽发电的边际成本，与外购电价比对，确定纯凝发电的经济性。本，与外购电价比对，确定纯凝发电的经济性。 B、提高热电厂的效益(4)(4)计算各级蒸汽在各汽机做功的效率，优化各汽轮计算各级蒸汽在各汽机做功的效率，优化各汽轮机的进汽量。机的进汽量。(5)(5)通过汽轮机总进汽量及减温减压器量，确定锅炉通过汽轮机总进汽量及减温减压器量，确定锅炉总负荷。总负荷。(6)(6)通过锅炉模型再细分锅炉负荷。通过小指标竞赛通过锅炉模型再细分锅炉
50、负荷。通过小指标竞赛等方法调动班组积极性。等方法调动班组积极性。(7)(7)通过简易的模型计算出效益：如果能再增加发电通过简易的模型计算出效益：如果能再增加发电( (当然是发电效益比省燃料效益高当然是发电效益比省燃料效益高) )则用发电利润则用发电利润计算，如果发电已满，则用效益最低的锅炉节省计算，如果发电已满，则用效益最低的锅炉节省燃料量计算。燃料量计算。C、降低管网损失有模型：应用无模型：难了C、降低管网损失可怜的措施：a. 测管网保温层温度与环境温度之差b. 检查现场疏水器的状况 自建模型讲了这么多，都是需要他人帮助建模，能不能自己建模型呢？自建模型能。那么难点是什么？自建模型难点：1.
51、 温度、压力、焓、熵的在线自动计算函数2. 设备模型建立3. 优化计算方法自建模型1、数据收集2、构建模型框架2.1先绘制蒸汽压力等级母管2.2再逐个增加蒸汽设备2.3如有，可加载PI等实时系统库，否则只能手动输入温度、压力、流量等数据。2.4加载温度、压力、焓、熵的宏。自建模型2.5利用已知的温度、压力计算焓值。2.6利用质量守恒与能量守恒定律，计算出没有测量仪器的温度、压力、流量，必要时使用迭代方法。2.7使用EXCEL的功能，利用设备设计参数或性能测试数据，建立如锅炉效率与已知参数的公式，建立各个蒸汽设备的模型。自建模型2.8进行总体质量、能量平衡，计算出各级蒸汽系统的损失量2.9对所建
52、模型进行工艺评估。3、进行优化计算。3.1 建立化工原材料、动力、燃料等价格，建立成本计算公式。3.2 确定所要变化的参数及其限制范围自建模型3.3建立成本计算公式。3.4利用Excel程序自带的工具加载宏规划求解器，进行最小成本的规划求解。3.4.1设定规划求解器的参数，一般可按默认设定，如有特殊要求可进行调整。3.4.2 选定全年成本为目标单元格，这也就是寻优的目标。自建模型3.4.3选定变量参数。3.4.4建立变量参数的限制条件表达式。3.4.4点击规划求解 进行规划求解。3.5 检查规划求解的工况是否符合工艺要求，确认模型及寻优的可行性，并根据寻优的结果，提出具体的优化措施，如提高抽汽
53、量，停用汽泵等措施。自建模型4、建模技巧4.1 输入参数、计算数值、限制条件参数、每股物流的能量总值等不同性质的参数，分别采用不同颜色的字体来进行有效区分，有助于复杂公用系统的直观判断数据的性质，对模型的调校起到事半功倍的作用。4.2 由于工厂的公用系统一般较庞大，因此在绘制流程图时，以一个回路或一个设备为一组来逐步建立模型是很好的选择。自建模型4.3 每股物流的参数排列均要按同一规律，如蒸汽，可按流量、压力、温度、焓、总能量等方式进行排列，这样可方便同类物流的参数输入和焓值计算。4.4 将相同类型的参数尽可能排列在同一行，如此可使后续的平衡、优化计算时取数快捷、准确，而且还可避免如新增蒸汽流
54、量忘记进入蒸汽平衡计算的问题。自建模型4.5 一台锅炉使用两种以上燃料时的处理方法有两种，一种是当锅炉使用的燃料都是气体燃料时，可以将两种燃料混合为一种；另一种是当燃料分别是固体燃料、液体燃料和气体燃料时，燃料无法进行混合计算，此时可以将锅炉的负荷按照比例分为几部分，然后对应不同的燃料进行模拟计算。自建模型4.6 各级蒸汽母管进出平衡参数或设备中需要迭代的流量，应建立偏差报警器，以方便发现出错情况。4.7 基础公式：Q1入*H1入+Q2入*H2入=Q1出*H1出+Q2出*H2出Q1入+Q2入=Q1出+Q2出自建模型应用1、寻找各公用系统的极限能力，为事故预案修订提供科学依据。一般来说设备的极限能力要超出设计的能力，结合PI实时数据库与模型，可以详实还原在事故状态下的各设备的极限条件，为事故预案的优化提供数据支撑。自建模型应用2、企业中统计中蒸汽损失量较大而又无法确认是哪一个蒸汽流量有问题，采用换热的能量守恒，可通过大流量的工艺界质的总能量反推小流量的蒸汽流量，再通过模型进行平衡计算，可解决部分蒸汽流量不准的难题。自建模型应用3、将此与蒸汽管网模型相结合，不但可平衡优级化全厂公用系统，而且还能及时避免蒸汽管网流通量过小的危险运行工况，非常有助于全厂公用系统的运行调度，提高安全运行、经济运行的水平。谢 谢
