專利名稱：一種工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種過(guò)程優(yōu)化運(yùn)行方法，尤其是一種大型工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方法。
背景技術(shù)：
蒸汽管網(wǎng)是大型工業(yè)裝置公用工程的重要組成部分，其能量消耗大約占到裝置能耗的15%。目前，我國(guó)工業(yè)裝置的蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行效率降低，亟需提高其運(yùn)行水平。因此，建立蒸汽管網(wǎng)中主要設(shè)備和整個(gè)管網(wǎng)的用能過(guò)程模型，實(shí)現(xiàn)工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，對(duì)降低裝置能耗，提高能量利用效率等具有重要意義。近些年來(lái)，大量化工過(guò)程流程模擬專業(yè)軟件的出現(xiàn)，如Aspen公司的Aspentech/ HYSYS系統(tǒng)、Simsci公司的ftOcess系統(tǒng)、Winsim公司的Design II軟件等，使得蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)流程模擬變得簡(jiǎn)便快捷，為蒸汽系統(tǒng)的優(yōu)化提供了必要的模型基礎(chǔ)。目前，對(duì)蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化主要有三個(gè)方面蒸汽管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化、蒸汽管網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和蒸汽管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)同步優(yōu)化。國(guó)外學(xué)者建立的蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)模型有混合整數(shù)線性規(guī)劃模型(MILP)、混合整數(shù)線性規(guī)劃模型(MINLP)和多周期最優(yōu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的混合整數(shù)線性規(guī)劃(MSOP)等，運(yùn)用專門(mén)的求解器來(lái)獲得蒸汽管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)。但這些商業(yè)軟件在技術(shù)上不適合我國(guó)國(guó)情，主要表現(xiàn)在①?zèng)]有針對(duì)國(guó)內(nèi)工業(yè)裝置的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)相關(guān)的功能，如無(wú)法處理關(guān)鍵儀表信息缺失的問(wèn)題；②受市場(chǎng)約束，國(guó)內(nèi)裝置的原料變化較大，生產(chǎn)工況變化也很大，并且存在很多產(chǎn)品質(zhì)量約束，不能滿足國(guó)外軟件的求解條件。因此，開(kāi)發(fā)適合中國(guó)工業(yè)裝置實(shí)際情況的蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)，發(fā)展低碳工業(yè)和完成國(guó)家“節(jié)能減排”的任務(wù)具有重要意義。國(guó)內(nèi)學(xué)者在理論上解決了從基爾霍夫定律出發(fā)，建立蒸汽管網(wǎng)水力學(xué)模型的問(wèn)題，但工程應(yīng)用的案例很少。目前，大多數(shù)的研究工作只關(guān)注了蒸汽在管線傳輸中的情況，研究了蒸汽管網(wǎng)管線中的參數(shù)(如蒸汽的溫度、壓力等) 的模擬計(jì)算和實(shí)時(shí)監(jiān)控問(wèn)題，對(duì)用汽設(shè)備的蒸汽使用過(guò)程中的情況，以及不同設(shè)備間蒸汽的優(yōu)化配置問(wèn)題等少有涉及。以乙烯裝置為例，典型的工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)包括鍋爐、壓縮機(jī)透平、泵透平、換熱器和減溫減壓器等設(shè)備，以及超高壓蒸汽(SS)、高壓蒸汽(Hs)、中壓蒸汽(MQ和低壓蒸汽 (LS)等4個(gè)主要蒸汽等級(jí)。

圖1是蒸汽管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，SS等級(jí)的產(chǎn)汽設(shè)備包括輔助鍋爐和廢熱鍋爐，其中廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量由裝置的負(fù)荷決定，是不能調(diào)整的；輔助鍋爐的作用是在廢熱鍋爐的發(fā)汽量不夠時(shí)，為裝置提供SS等級(jí)的蒸汽，它的發(fā)汽量是由裝置需要決定的，是可以調(diào)整的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行方法，目的在于通過(guò)優(yōu)化配置蒸汽系統(tǒng)的能量使用過(guò)程，降低輔鍋的發(fā)汽量，以降低成本，提高效率。此方法基于化工熱力學(xué)原理、透平做功非線性過(guò)程模型和蒸汽管網(wǎng)的超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際工業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)， 應(yīng)用協(xié)同量子粒子優(yōu)化算法，根據(jù)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)，對(duì)蒸汽管網(wǎng)中壓縮機(jī)透平的運(yùn)行參數(shù)、和電泵/透平泵的開(kāi)備(即開(kāi)關(guān)量)等操作條件進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行， 降低裝置蒸汽系統(tǒng)的運(yùn)行成本。抽汽凝汽式透平非線性做功過(guò)程建模圖2是抽汽凝汽式透平的基本結(jié)構(gòu)示意圖，蒸汽由傳輸系統(tǒng)(蒸汽管網(wǎng))將一定溫度(Ti)和壓力(Pi)的蒸汽通過(guò)進(jìn)汽閥進(jìn)入透平帶動(dòng)透平葉片旋轉(zhuǎn)將蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，抽汽凝汽式透平允許在透平的級(jí)之間將一定壓力品質(zhì)的蒸汽抽出，到相對(duì)較低等級(jí)管網(wǎng)系統(tǒng)，從而為工業(yè)過(guò)程提供不同等級(jí)的蒸汽。抽凝式汽輪機(jī)的排汽進(jìn)入一個(gè)真空凝汽器，從而減低排汽溫度，提高汽輪機(jī)的熱效率。圖2所示透平的軸功率Ws由兩部分組成從進(jìn)汽到抽汽的功率W1和從抽汽到排汽的功率W2,且有Ws = Wi+W2。根據(jù)透平做功過(guò)程的原理，Ws可由以下公式計(jì)算
權(quán)利要求
1. 一種工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行方法，其特征在于所述方法包括以下步驟①采集工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)抽汽凝汽式透平進(jìn)汽、抽汽和排汽的溫度、 壓力和流量，透平泵和電泵的開(kāi)備，和各等級(jí)產(chǎn)汽和用汽設(shè)備的蒸汽流量；②建立各等級(jí)蒸汽管網(wǎng)產(chǎn)汽和用汽的質(zhì)量平衡，其蒸汽平衡關(guān)系如下i=l ；=1其中，i = 1，. . .，n，為產(chǎn)汽設(shè)備的個(gè)數(shù)，f^i為第i個(gè)產(chǎn)汽設(shè)備的蒸汽流量；j = 1，...， m，為用汽設(shè)備的個(gè)數(shù)，fyJ,為第j個(gè)產(chǎn)汽設(shè)備的蒸汽流量；③基于化工熱力學(xué)原理和透平的非線性做功過(guò)程，利用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，獲得透平兩級(jí)做功過(guò)程的等熵效率，建立提供不同軸功率時(shí)，進(jìn)汽量和抽汽量的函數(shù)關(guān)系；④以蒸汽管網(wǎng)的操作費(fèi)用作為約束條件，建立蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)；⑤利用協(xié)同量子粒子優(yōu)化算法，以壓縮機(jī)透平的抽汽量和泵透平的開(kāi)備為操作變量， 抽汽凝汽式透平的個(gè)數(shù)為粒子的維數(shù)，相互備用的透平泵和電泵的個(gè)數(shù)為量子染色體的長(zhǎng)度，分別計(jì)算粒子和量子的適應(yīng)值，以蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)，獲得最優(yōu)的操作條件，并以該操作條件調(diào)整壓縮機(jī)透平的抽汽量和泵透平的開(kāi)備，以達(dá)到最小的目標(biāo)函數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行方法，其特征是所述各等級(jí)蒸汽是指超高壓、高壓、中壓和低壓四個(gè)蒸汽等級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行方法，其特征是所述步驟③中函數(shù)關(guān)系式如下Fi = a · Fe+b · Ws,/7 (H — H、1苴中，α =-'lm'K e~ o)-，b =-，p.為透平進(jìn)^'(H1 -ΗΒ) + η2η·(He-H0) T7hn-(H1 -ΗΒ) + η2ηι·(ΗΒ-H0) ^ ^^汽流量，F(xiàn)e為透平抽汽流量，Hi為透平進(jìn)汽的比焓，He為透平抽汽的比焓，H0為透平排汽的比焓，η lm為透平一段做功的機(jī)械效率，、ω為透平二段做功的機(jī)械效率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行方法，其特征是所述步驟④中的目標(biāo)函數(shù)為蒸汽管網(wǎng)的操作費(fèi)用，即c = pssXfss+pEXfE，其中，Pss為SS價(jià)格，fss 為蒸汽管網(wǎng)SS消耗；pe為電價(jià)，fe為蒸汽管網(wǎng)的電消耗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行方法，其特征是所述步驟⑤中使用粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化連續(xù)變量，即壓縮機(jī)透平的抽汽量，使用量子進(jìn)化算法來(lái)優(yōu)化離散變量，即泵透平的開(kāi)備。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行方法，其特征是所述步驟⑤中的協(xié)同量子粒子優(yōu)化算法，使用二進(jìn)制編碼的算法求解離散變量的優(yōu)化問(wèn)題， 使用實(shí)值編碼的算法求解連續(xù)變量的優(yōu)化問(wèn)題。
全文摘要
一種工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方法，此方法是以蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行成本的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，考慮工業(yè)實(shí)際過(guò)程中質(zhì)量守恒、能量守恒、透平做功能力、透平非線性做功過(guò)程和滿足各等級(jí)蒸汽需求等約束條件，以透平的進(jìn)汽量、抽汽量和泵透平的開(kāi)備等為操作變量，利用協(xié)同量子粒子優(yōu)化算法，對(duì)工藝操作條件進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到降低蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行成本的目的。這種優(yōu)化運(yùn)行方法為生產(chǎn)工藝的改造提供了基礎(chǔ)和依據(jù)，優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)的實(shí)施實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目標(biāo)，降低了裝置的運(yùn)行成本，且適用于各類工業(yè)裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行，有著廣泛的適應(yīng)性。
文檔編號(hào)F17D1/06GK102242868SQ20111010194
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月22日
發(fā)明者葉貞成, 李澤秋, 杜文莉, 趙亮, 錢(qián)鋒 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)