蒸汽平衡计算导则修订稿

蒸 汽 平 衡 计 算 导 则WEIHUAsystemofficeroom【WEIHUA16H-WEIHUAWEIHUA8Q8-则1 总则编制目的为指导热工专业人员进行蒸汽平衡计算，统一本公司蒸汽平衡计算方法，使之更合理、更准确可靠，特制订本导则。适用范围本导则适用于石油化工厂新建、扩建和改建工程中单套装置或全厂的蒸汽平衡计算。由于国内尚没有很好的工程化的蒸汽系统优化设计的计算软件，目前的蒸汽平衡主要以利用计算机软件辅以手工计算为主，所以本导则主要用于指导以这种方式进行蒸汽平衡计算，同时，也可以指导相应的计算机软件开发。关于燃气-蒸汽联合循环，由于本公司的工程经验尚不丰富，所以本导则暂不涉及燃气-蒸汽联合循环。本导则有待于在以后的工程实践中进一步补充、完善。术语、符号蒸汽系统(SteamSystem)蒸汽平衡(SteamBalance)(Optimization)(Energy-consumption)蒸汽用户(SteamUser)符号主要符号—汽轮机输出轴功率，Fst—汽轮机入口蒸汽流量，kg/s△Ht—蒸汽等熵焓降，kJ/kg△Hst—蒸汽实际有效焓降，kJ/kg△Hc—冷凝器焓降，kJ/kgQc—冷凝器热负荷，kWηi—汽轮机相对内效率，%ηm—汽轮机机械效率，%脚标b—背压c—冷凝d—除氧器e—抽汽f—闪蒸罐in—进口out—出口svw—水2 /一般蒸汽系统的构成石油化工厂的生产工艺在热能利用方面有以下特点：需要蒸汽来驱动发电机、压缩机、泵或风机；需要不同等级的蒸汽来加(伴)热和作为生产原料；可以回收大量余热，用以产生副产蒸汽或加热给水；可以回收大量的蒸汽冷凝水；一些大型石油化工厂还设有自备电站，满足装置部分用电。石油化工厂的蒸汽系统一般包括以下部件：母管、锅炉、余热锅炉、汽轮机、除氧器、闪蒸罐、减温减压器、工艺蒸汽用户、放空消音器等。在进行蒸汽平衡计算时，由于习惯不同，一般采用蒸汽平衡表或者蒸汽平衡图，将蒸汽系统中的各部件表示出来。蒸汽平衡表在蒸汽平衡表中，按照不同蒸汽等级的产汽设备、用汽设备，分别列出其产汽量、用汽量，各等级蒸汽的产、用汽量必须相等。常用的蒸汽7章附录中表7-1。该表只列出了一种等级蒸汽的产/用汽情况，对于不同等级蒸汽，应列出不同表格。蒸汽平衡图在蒸汽平衡图中，需按蒸汽等级画出各级蒸汽母管，再按照蒸汽系统中的各主要部件所产生或消耗的蒸汽参数，在相应的蒸汽母管下画出这些主要部件，然后经过计算调整，使各级蒸汽母管的进出蒸汽量相等。常见的蒸汽7章附录中蒸汽蒸汽平衡表和蒸汽平衡图的区别、供状况比较直观，图则有利系统设计、运行及管理人员整个系统不同工况安全性、稳定性、可靠性进行分析，并在系统设计中采取相应措施，或在生中进行适当的调度，以保证整个系统安全、稳定、连续运行。本公司一般采用3中主要部件的数学模型汽轮机汽轮机是驱动机泵和将各级蒸汽母管相互连接起来，实现各蒸汽母管之间能量梯级利用的重要部件。石油化工厂中采用的汽轮机的种类较多，按照型式不同，常用的汽轮机主要有背压式、冷凝式、抽汽背压式、抽汽冷凝式、双抽汽背压式、双抽汽冷凝式，另外还有三抽汽冷凝式、抽汽注汽式；按照用途不同，汽轮机可分为驱动工艺设备和驱动发电机两种。对于驱动工艺设备的汽轮机，计算时先给定汽轮机的功率；对于发电用的汽轮机，计算时则不给定汽轮机的功率，而是根据蒸汽平衡情况，按照“以汽定电”的原则，最后计算出发电机的功率。在进行蒸汽平衡计算时，如果没有汽轮机的性能曲线，按下述模型计算；如果有汽轮机的性能曲线，则可以直接在曲线上确定汽轮机的各管口流量，而不需按下述模型计算。常用的每种型式的汽轮机的数学模型如下(以驱动用的汽轮机为例)。背压式汽轮机对于背压式汽轮机，其计算公式为：Ne=Fst△Htηiηm (3.1.1-1)ηi=△Hst/△Ht (3.1.1-2)FstNeFst图 3-1 背压式汽轮机计算示意图计算过程：给定汽轮机输出功率 Ne、相对内效率ηi、机械效率ηm和蒸汽进出口参数，调整汽轮机入口蒸汽流量 Fst，使其功率 Ne满足工艺要求。冷凝式汽轮机对于冷凝式汽轮机，其计算公式为：FstFstNe冷凝器图 3-2 冷凝式汽轮机计算示意图Ne=Fst△Htηiηm(3.1.2-1)Qc=Fst△Hc(3.1.2-2)ηi=△Hst/△Ht(3.1.2-3)计算过程：给定汽轮机输出功率 Ne、相对内效率ηi、机械效率ηm、蒸汽进口和冷凝器出口参数，调整汽轮机入口蒸汽流量 Fst，使其功率 Ne满足工艺要求，再进一步计算冷凝器热负荷Qc。抽汽背压式汽轮机对于抽汽背压式汽轮机，其计算公式为：(3.1.3-1)Fst=Fste+Fstb (3.1.3-2)ηie=△Hste/△Hte (3.1.3-3)ηib=△Hstb/△Htb (3.1.3-4)FstFst图3-3 抽汽背压式汽轮机计算示意图计算过程：给定汽轮机输出功率Ne、相对内效率ηie和ηib、机械效率ηme和ηmb、蒸汽进口、抽汽口、排汽口参数，根据蒸汽平衡情况，确定抽汽量FsteFstNe满足工艺要求。抽汽冷凝式汽轮机对于抽汽冷凝式汽轮机，其计算公式为：(3.1.4-1)Fst=Fste+Fstc (3.1.4-2)Qc=Fstc△Hc (3.1.4-3)ηie=△Hste/△Hte (3.1.4-4)ηic=△Hstc/△Htc (3.1.4-5)FstNe冷凝器图 3-4 抽汽冷凝式汽轮机计算示意图计算过程：给定汽轮机输出功率 Ne、相对内效率ηie和ηic、机械效率ηme和ηmc、蒸汽进口、抽汽口、冷凝器出口参数，根据蒸汽平衡情况，确定抽汽量Fste，调整汽轮机入口蒸汽流量 Fst，使其功率 Ne满足工艺要求。双抽汽背压式汽轮机对于双抽汽背压式汽轮机，其计算公式为：NeFste1△te1ηieηme1Fste2△Hteηie2me2+st△Htbibmb (3.1.5-1)Fst=Fste1+Fste2+Fstb η1=△H1/△H1 η2=△H2/△H2 ηib=△st/△Htb (3.1.5-5)FstFst图 3-5 双抽汽背压式汽轮机计算示意图计算过程：给定汽轮机输出功率Ne、相对内效率ηie1ηie2ηib、机械效率ηme1、ηme2和ηmb、蒸汽进口、两级抽汽口、出口参数，根据蒸汽平衡情况，确定抽汽量 Fste1和 F2，调整汽轮机入口蒸汽流量 Fst，使其功率 Ne满足工艺要求。双抽汽冷凝式汽轮机对于双抽汽冷凝式汽轮机，其计算公式为：(3.1.6-1)Fst=Fste1+Fste2+Fstc (3.1.6-2)Qc=Fstc△Hc (3.1.6-3)ηie1=△Hste1/△Hte1 (3.1.6-4)ηie2=△Hste2/△Hte2 (3.1.6-5)ηic=△Hstc/△Htc (3.1.6-6)计算过程：给定汽轮机输出功率Ne、相对内效率ηie2ηic、机械效率ηme1、ηme2和ηmc、蒸汽进口、两级抽汽口、出口参数，根据蒸汽平衡情况，确定抽汽量Fste1和F2，调整汽轮机入口蒸汽流量Fst，使其功率Ne满足工艺要求。并计算冷凝器热负荷Qc。FstNe冷凝器图 3-6 双抽汽冷凝式汽轮机计算示意图废热锅炉废热锅炉用于回收工艺余热，接收锅炉给水，产生过热蒸汽，并入蒸汽管网。对于一种操作工况，废热锅炉的产汽量是一定的，因此，在做相应工况的蒸汽平衡计算时，其产汽量、锅炉给水量、排污量按工艺条件的数值，计算过程中不变。有的工艺废热锅炉带有补燃设施，可以根据需要改变蒸汽产量，此时的蒸汽平衡，就要与工艺专业相互配合，共同完成计算。锅炉石油化工厂中，锅炉的主要作用有三点：一是在废热锅炉的产汽量不足以供化工装置时，锅炉作为补充汽源；二是在化工装置开、停车过程中，废热锅炉不能满足蒸汽需求，需要锅炉供应蒸汽；三是利用锅炉所产蒸汽，驱动汽轮发电机，为石油化工厂提供所需的电力。所以，在石油化工厂中，锅炉通常被称为辅助锅炉或开工锅炉。在进行蒸汽平衡计算时，按照蒸汽需求，调整锅炉产汽量，同时相应调整锅炉给水量和排污量。除氧器石油化工厂中，除氧器具有以下特点：锅炉及废热锅炉的参数般较高要求锅炉给水的残留溶解氧低，所以，除氧器一般采用压力除氧；通常化工装置可以回收一部分温度较高、比较干净的蒸汽冷凝水，直接进入除氧器，因而所采用的除氧器一般为部分补给水式。有时化工装置可能还有少量低压蒸汽 Fs1可直接回收到除氧器，其数量一般为定值。除氧器的计算公式为：FvFdF1Fs1F2FsFiFoutFd+Fs+(F1+F2+…+Fi)+Fs1=Fv+Fout HdFd+HsFs+(H1F1+H2F2+…+HiFi)+Hs1Fs1=HFvFdF1Fs1F2FsFiFout图 3-7 除氧器计算示意图计算过程：给定除氧器入口、出口物料参数(压力、温度)、以及出口流量Fout，除氧器入口量 Fd蒸汽量 s，程。闪蒸罐石油化工厂中经常有温度较高的水(如锅炉、废热锅炉的连续排污、工艺冷凝水等)，为了回收其热量，便于用泵输送，通常将其送到闪蒸罐，闪蒸的二次蒸汽回蒸汽管网，或者放空。闪蒸罐的计算公式为：Ff=Fv+FoutHfFf=HvFv+HoutFoutFvFvFfFout图 3-8 闪蒸罐计算示意图计算过程：给定闪蒸罐入口、出口物料参数(压力、温度)、以及入口流量Ff，按上述两方程求得闪蒸罐的二次蒸汽量Fv和闪蒸后的水量Fout。减温减压器为了保证上级蒸汽母管的压力不超过限定值，或者满足下级蒸汽母管的压力，或者工艺要求的蒸汽参数与母管的参数不一致，或者作为有抽汽或者背压式汽轮机事故状况的备用设施，均需要设置减温减压器。减温减压器的计算公式为：FsinFwinFsout图 3-9 减温减压器计算示意图Fsin+Fwin=FsoutHsinFsin+HwinFwin=HoutFout计算过程：根据工艺要求，或者下游蒸汽管网温度和压力，确定减温减压器出口参数和流量t，调整减温减压器入口锅炉给水流量Fn，按上述两方程求得减温减压器入口的蒸汽流量Fsin。蒸汽母管在蒸汽系统中，按照参数的不同，分为不同等级的蒸汽母管。在石油化工厂中，通常蒸汽母管分为三至四级，有些复杂的系统有五级。计算过程：虽然进入蒸汽母管的蒸汽参数可能不尽相同，但在蒸汽平衡计算过程中，可以简单地认为：所有进出同一级蒸汽母管的蒸汽参数相同，这样，对于蒸汽母管，只需保证进、出蒸汽母管的流量相等即可。4对于工艺连续用汽负荷，按照工艺条件，一般取其正常用汽量。对于工艺连续用汽负荷，如果工艺提出最大用汽量，并且不同时出现，则取最大用汽量的 70；若同时出现，计算时采用正常用汽量，计算完毕，再根据最大用汽量，核算系统能力。对于工艺间断用汽负荷，按照工艺提出的间隔时间长短，间隔时间较长的，可以不考虑，间隔时间较短的，可以按用汽量的30-50%考虑。对于冬季采暖负荷，一般由暖通专业提出用汽负荷，如果暖通专业无法2提出，则可根据化工厂采暖面积估算，采暖负荷按70-110W/m计算。2对于换热器、减温减压器、闪蒸罐、除氧器等设备的热损失按 2%考虑。蒸汽系统的损失主要体现在各级蒸汽母管的平衡上，一般取母管总负荷的%，对于母管总负荷较大、参数较高的系统，取较小值。除氧器的蒸汽放空量按考虑，容量大的取较大值。对于石油化工厂中参数较高的废热锅炉和高压锅炉，其排污率按%考虑，参数较低的，按 2-5%考虑；若有工艺条件或锅炉厂资料，则按其选取排污率。对于新建的化工厂或装置，在蒸汽平衡计算时，减温减压器及放空阀流量应为零；对于改造或扩建的化工厂或装置，即使各级母管可以平衡，也应考虑减温减压器在热备用状态时的漏汽量，一般对于参数高的可取 3-5t/h，参低的可取 1-3t/h。在计算蒸汽平衡时，一般还没有汽轮机制造厂的详细资料，其相对内效率可按4-1选取。冷凝式汽轮机非冷凝式汽轮机冷凝式汽轮机非冷凝式汽轮机功率(kW)平均内效率(%)功率(kW)平均内效率(%)10-15030-4910-15030-51151-75050-65151-75052-66751-350066-75751-350067-753501-200003501-2000076-793501-2000076-80汽轮机的机械效率可按表 4-2选取，如果有调速齿轮箱，还应计及变速效率，一般取。序号与轴功的关系轴功率 (kW)表4-2机械效率 1<10080-882100-30088-923301-75092-944751-300094-9653001-600096-9766001-1200097-98798-998>25000在没有汽轮机厂家的资料之前，冷凝式汽轮机的排汽干度一般按考虑。为了保证汽轮机的末段冷却和防止汽轮机喘振，所有汽轮机的背压排汽量或者冷凝量均有一个最小值，在没有汽轮机厂家的资料之前，虽然冷凝量越小，系统的能耗越低，但一般必须保证汽轮机的背压排汽量或者冷凝量不小于汽轮机进汽量的 10-12%。平衡计算方法蒸汽平衡图的初步拟定在拟定蒸汽平衡图时，必须遵循有关设计规定和文件要求。蒸汽平衡图中应体现的内容和所作的准备工作包括：确定蒸汽系统的级数，即确定系统中蒸汽母管的压力等级数。确定蒸汽系统的初参数根据系统容量大小和用汽参数确定初参数。对于大系统，应选取高参数，对于中小型系统，一般可选用次高压、中压或次中压参数，特殊需要时，也可选高参数。确定中间和末级母管的蒸汽参数，根据工艺用汽要求，在其允许的最低压力基础上，相应增加管道阻力、调节阀阻力等，即为母管压力。为此，需将各蒸汽用户提出的参数要求进行必要的等级划分和归类。确定汽轮机在母管间的位置根据“以汽定电”的原则 和安全 要求，确定用汽轮机直接驱动 的机泵并安排 在各级母管间。为了 调节方便及化工装置开车前、停车后的蒸汽合理利用，可安排 适当容量的抽汽冷凝式发电机组。一般主力机组放在 1-2级或 1-3级母管之间，小功率机组放在压力等级较低的母管之间。两级母管间汽轮机的总功率及台数，应在蒸汽平衡计算过程中不断作出调整，最后达到全 系统的平衡。其中调节因素主要依赖各级冷凝量的大小。确定减温减压器、放空阀、安全 阀在各级母管间的设置，使系统具有适应开、停车及事故处理、工况变动 的需要，在非正常工况下运行时，所产的损失最小，保证蒸汽系统安全 运行。在开发蒸汽平衡计算优化设计软件时，温减压器的流量应该设为自变量，由软件自动 求解。将系统中可能回收冷凝水，在有检测监视系统的情况下予以回收。在系统中还应表示出补充脱盐水的来源和数量。副产蒸汽的参数、量应遵循高位余热用于副产高压蒸汽，中位余热用于加热给水，低位余热用于加热脱盐水的基本原则。因此，副产蒸汽的参数和用途并入哪一级母管的选择，应由热工设计人员与工艺设计人员共同协商确定。根据工程规定的燃料品种和工艺生产的特殊要求，初步选取锅炉的型式及容量大小。蒸汽平衡计算步骤首先查出系统中各种参数的蒸汽和水(包括补充脱盐水、蒸汽水、锅炉给水等)的焓值。3章中的数学模型，对蒸汽系统中的各部件进行初步计算。对于整个系统，按照从低压到高压的顺序，逐级进行平衡计算，首先需假定除氧器的用汽惯从高压到低压进行计算，其结果应是一样的。对于比较大的迭代的次数可能会比较多，为了减少工作量，可以将需要计算确定的未知数，按各部件的数学模型建立方程组，利用计算机软件对其求解。不同工况的蒸汽平衡蒸汽平衡计算的主要工况为使蒸汽系统具有较大的灵活性和适应性，应对生产系统可能出现的工况进行验算。这种可能出现的工况多达数十种。一般情况，在项目前期阶段和基础设计阶段，只做夏季和冬季正常工况两种蒸汽平衡计算，在详细设计阶段，按工艺条件，需做两到六种工况的蒸汽平衡计算。通常情况下，下述工况若能满足平衡计算要求，系统就能长周期正常运转。开车工况此时工艺生产刚开始，余热资源由小变大，蒸汽系统必须满足这一特定要求。正常生产工况通常是指设计工况，此时生产最理想，运转时间最长，产品能耗较低。平衡计算时，对此工况应作详尽计算。冬季生产工况此时系统生产能力最大。因为大气温度和水温均较低，带冷凝的汽轮机功率增加，同时，生产、生活区用于采暖的蒸汽量也有较大幅度的增加。蒸汽系统在此种工况下的负荷最大。夏季生产工况这种工况较正常工况时的负荷较小，大气环境有较大的变化，但系统还是处于正常生产。正常停车工况、居民用汽必须。事故情况下的各种工况主要化工装置低负荷运行。汽轮机及其驱动的工艺设备跳车。电源中断，要能使系统安全停车。当石油化工厂中的辅助装置突然停车时，蒸汽系统应能采取措 施，维持主装置的正常生产 、减负荷或安全停车 。6.2蒸汽 平衡系统的 优化蒸汽平衡系统的优化是以降低投资和提高能量利用率为目标。影响蒸汽系统投资的主要因素是锅炉和汽轮机的选型，而影响能量利用率的因素则为汽轮机的冷凝量、减温减压蒸汽量、蒸汽放空量。优化的蒸汽系统应在降低投资的基础上，使各种工况下减温减压蒸汽量和蒸汽放空量达到最小值，从而降低化工装置的能耗。常用的蒸汽平衡表格式见表 7-1。平衡表 表7-1蒸蒸汽参数： 压力(MPa(G))温度(℃)产/用汽设备名称流量 (t/h)备 注产汽合 计用汽合 计典型程序简介我公司于1994年与清华大学合作开发了《大型石化厂蒸汽系统优化设计软件》，该软件是在系统工程理论指导下，运大系统自动建模技术完成的。在调查国内外大型石油化工厂蒸汽系统构成的基础上，根据系统中可能采用的各种部件和不同构成归纳出通用的蒸汽系统，接着建立各种部件的数学模型，选了一种求解有约束非线性规划问题优化算法，即转动坐标轴直接搜索可行方向法(DSFD法)，并对它进行了改进，以减少寻优次数和时间，最终编制出了通用的蒸汽系统优化设计软件。该软件以蒸汽系统综合能耗最低为目标函数，其主要功能为：通用的、能自动建模的软件，适用于蒸汽母管级数2-5级的、各种部件和各种组合方式的大中型乙烯厂和合成氨厂等的蒸汽系统设计。在已知生产过程对热和驱动动力的需求、以及各处可回收的工艺余热的条件下构置蒸汽系统后，通过软件运算可得到系统在综合能耗最低的情况下的最佳参数配合，也可用于蒸汽系统非优化的平衡计算。具有蒸汽系统图形显示和连机输出最优结果的功能，便于分析。生产过程的工况变化，导致对热和驱动动力的需求变化，以及各处可回收的工艺余热变化，运用该软件计算可得到变工况下蒸汽系统的最优参数配合。这说明在设计时可用该软件来考察蒸汽系统对变工况的适应能力，在工厂运行时可对蒸汽系统的最优调度作出指导。在进行蒸汽系统设计时，可以选定多个方案，分别用该软件计算得到各自的优化结果，并对其进行分析，以帮助确定最佳的蒸汽系统。本公司利用该软件，对某工程的蒸汽系统进行了优化计算，其结果比手工计算所得能耗降低了%；在另一工程中，对外商提供的蒸汽平衡进行了核算，结果基本与外商一致。但是，由于该软件存在一些缺陷，目前尚不能推广使用。蒸汽平衡计算实例以中原乙烯改造工程冬季蒸汽平衡为例。为了方便计算，在计算过程中，t/hkcal/kg为kW。在以后的工程计算中，应采用法定计量单位。按照工艺提出的蒸汽消耗及冷凝水回收情况，画出蒸汽平衡图，见图 7-1。在蒸汽平衡图标出已知的蒸汽及冷凝水流量，对需要通过计算才能确定的流量设定未知数X1X9，按照蒸汽及冷凝水的条件，计算各级蒸汽及冷凝水的焓值。由于该工程已有E-GT201的性能曲线，在考虑原有冷凝器仍能满足改造后工况的情况下，先