2.5　蒸汽動力系統設計集約化

2.5.1　蒸汽動力系統設計集約化目標和方法

基于整體化集約方法思路，動力系統設置的集約化是在全面識別石化工程項目用熱等級等資源要素，以及詳細分析燃料分配、安全環保等資源特征和影響因素的基礎上，通過對蒸汽等級層級規劃和梯級利用研究等，實施全過程管理和統一的優化配置，從而實現資源的高效利用和節能減排。蒸汽動力系統設計集約化過程如圖2-28所示。

制約蒸汽動力系統集約化設計的要素主要有供熱等級、用戶負荷、公用工程依托條件、燃料來源、開停工＆事故工況、平面布置規劃、國家行業及地方能源政策、環保安全要求、企業長遠規劃等。

在進行石化工程項目蒸汽動力系統集約化設計時，圍繞“供熱可靠、節能降耗、綠色低碳、效益最大化”目標，制定全廠蒸汽動力加工及利用方案，實現資源利用最大化、服務全廠生產加工要求、清潔環保等多目標的協調統一，適應國家未來能源戰略的發展需求。

2.5.2　蒸汽動力系統設計集約化的過程實施

設計傳統的蒸汽動力系統時，工藝生產裝置完成自身優化設計后，對于需求僅進行簡單加和，得到整體公用工程平衡，各裝置系統之間沒有形成集成優化。按照整體化集約方法，全廠蒸汽動力系統的設計不僅僅是全廠蒸汽負荷的簡單統計和平衡，同時還承擔了全廠節能降耗、資源利用最大化、效益最大化等多項設計目標任務，應從全局角度出發，全過程參與裝置內蒸汽利用方案。

按照整體化集約方法思路，蒸汽動力系統的集約化設計，需先進行數據資料統計，接著進行蒸汽動力方案設計，通過對比進行系統優化，最終輸出最優方案。以全局統一規劃為出發點，優化平衡，制定全廠用汽梯級利用方案，確定各供熱單元，如動力站、除氧站、除鹽水和凝結水站、全廠熱力管網的配置方案及規模，確定余熱利用方案，如制冷站、熱水站、余熱發電站等。在系統優化設計過程中，一要對比歷史數據庫及專家經驗庫資料，確保制定的蒸汽動力系統方案可靠、工程可行；二要研究透平優化模型、燃料配比模型等關鍵路徑，實現優化目標；三要識別環保、安全及其他相關政策要求，考核效益、能耗指標要求等。蒸汽動力系統集約化設計流程如圖2-29所示。

在進行蒸汽動力系統集約化設計時，重點考慮蒸汽動力系統與過程生產、全廠燃料、公用工程、功能區、安全環保間的協同集約，以實現系統整體化集約。

2.5.2.1　蒸汽動力系統與過程生產間的集約化

由于能量系統與生產過程密不可分，從全局的角度對蒸汽動力系統和過程生產進行集約化設計勢在必行。蒸汽動力系統不僅要滿足生產用能的需要，同時還應自上而下對生產進行用能指導，提出優化方案，進行全過程監控和管理。

（1）應用熱力學方法體系，分析裝置用能情況

根據專家經驗庫和一定的熱力學方法，如全局夾點技術等，評估用戶在能級利用上是否合理，匹配相適應的蒸汽管網等級；不僅僅局限于裝置內孤立的換熱網絡，而是結合裝置間熱聯合，模擬全廠裝置間最優的換熱方案，為過程生產提供用能指導。

典型的如酸性水汽提裝置，根據汽提塔溫位要求，可以設置1.0MPa和0.4MPa兩種蒸汽等級供給不同的汽提塔，而非全部采用單一等級。全廠設計時，在霧化用蒸汽及抽空用蒸汽使用范圍內，適當降低低壓管網參數，提高透平用蒸汽參數等有利于全廠節能。

（2）全廠汽輪機和透平優化在能量梯級利用中的作用和影響

全廠汽輪機和透平設計在整個蒸汽系統能量梯級利用規劃中起著關鍵性作用，對全廠能耗水平及全廠效益影響重大。通過汽輪機和透平優化模型，優化各管網負荷，獲得最大化收益。

如對于大型乙烯裝置，透平功率往往很大，全部背壓式設計會導致下游管網無法承受，全部冷凝設計會導致能耗過大，設計時常采用抽汽凝汽式汽輪機保證系統平衡。在最近幾年的催化裝置高壓化探討中，采用前置式發電機組-富氣壓縮機組合設計，不僅可以接收高壓余熱鍋爐產生的高壓蒸汽，還能保證裝置開工、鍋爐故障時壓縮機透平的正常運行，是一種靈活、高效的設計模式。

（3）裝置產汽與蒸汽動力系統間的協調配合

從裝置層面看，副產低壓、低低壓蒸汽對降低裝置能耗非常有益。但是從全廠層面看，有時低等級蒸汽產生過多會導致全廠能量梯級利用變差，部分透平不得不采用冷凝設計，甚至可能由于蒸汽過多導致管網放空。因此進行蒸汽動力系統規劃時，可以根據優化結果對裝置提出合理的產汽方案。

典型的渣油加氫熱高分流程中，熱高分蒸汽發生器的工藝及設備設計較復雜，同時產生的低壓蒸汽在全廠蒸汽平衡的處理上較為困難。因此在某些情況下，通過修改工藝流程可實現裝置不再產汽。

（4）全廠用汽和低溫熱間的協同配合

在新型石化企業內往往設置有熱媒水系統，如除鹽水加熱系統、除氧水加熱系統等，回收低溫熱的同時，減少加熱用蒸汽。動力站內的回熱系統也與全廠蒸汽規劃緊密結合，在新型石化企業中，動力站類似一個產能裝置，蒸汽、低溫熱利用與生產裝置一起規劃，實現雙向互供。

2.5.2.2　蒸汽動力系統與全廠燃料間的集約化

蒸汽動力系統鍋爐燃料方案是石化工程項目方案整體化集約中的重點和難點，應與全廠燃料系統同步規劃。

（1）回收利用廠區內富裕燃料

動力鍋爐的燃料適應性比較廣，可以是常規的煤、天然氣、燃料氣等，也可以是副產燃料、尾渣、廢氣。焦化裝置產生的石油焦在一段時間內還會作為石化企業的主要動力燃料之一，尾油、尾渣、PSA尾氣、化工液態燃料等還會長期作為燃料使用，煤化工中的洗中煤、煤矸石等，環保允許范圍內的污泥、瀝青、焦油等都是石化企業的副產品或廢料，卻能回收至動力站，變廢為寶。

（2）燃料轉換與工藝生產裝置的協同設計

部分工藝裝置，既是化工原料或產品的生產裝置，同時還是燃料的生產與制備、轉化和加工裝置，如煤制氫（含焦制氫）、溶劑脫瀝青、甲烷化處理、低熱值合成氣裝置等。在規劃全廠燃料平衡時，這些工藝裝置與動力站間高度交叉、融合，需要協同設計。在動力站燃料必須由或部分由部分氧化造氣（POX）裝置提供的項目中，典型的POX裝置與動力站協同設計步驟如圖2-30所示。

（3）適應國家、地方能源戰略的發展要求

根據國家、地方現階段和中長期能源規劃，煤、焦炭的替代是今后動力站設計時必須考慮的方案之一。若焦化工藝替代為加工深度更高的漿態床加氫工藝，動力站石油焦的缺口要由天然氣或其他可用燃料替代。燃用固體燃料的動力站與燃用氣體或液體燃料的動力站，自身消耗有很大的差別，同時考慮到成本因素，全廠供熱原則亦會出現天翻地覆的改變，因此在制定全廠總加工方案時亦要考慮可能會出現的燃料變化的影響。

2.5.2.3　蒸汽動力系統與公用工程間集約化

蒸汽動力系統與公用工程間的集約化，體現在與發電機組間，與儲運、空分、火炬間，與海水淡化、污水零排放、焚燒凈化爐等的協同配合上。

全廠各蒸汽管網壓力的穩定是由動力站汽輪發電機組抽汽或排汽來維持和調節的。按“以汽定電”設計原則，汽輪發電機組的裝機規模和臺數除了由供熱負荷決定外，還與電氣接入系統平衡設計等相關。在孤島設計中，電力的可靠供應成為決定性因素，常規需要按N+1模式設計。

蒸汽動力系統在設計時亦要考慮儲運、給排水、環保等公用工程單元方案的影響，從而提出優化建議。具體包括：罐區的維溫采用蒸汽還是熱水，凝結水如何回收，火炬熄火蒸汽的安全性考慮，管網緊急放空、維壓系統及空分驅動方式的選擇，根據全廠低壓蒸汽等低溫余熱情況，是否要考慮多效蒸發海水淡化系統及污水零排放方案，焚燒爐是否采用余熱鍋爐方案等等。

2.5.2.4　蒸汽動力系統區域間集約化

（1）區域間蒸汽互供

煉化一體化項目中，要考慮各功能區之間的蒸汽互供和熱量互供。如包括煉油、乙烯、芳烴、聚酯等區塊的全廠性項目，既要維持各區塊間相對獨立性，減少區際多蒸汽管線的交叉，同時也要保證各區塊間必要、適當的蒸汽互供，以實現全廠能效利用最大化，保障全廠系統可靠性。全廠宜設置一個動力中心，在管網等級設置時需考慮不同區域用能特點，達到全廠統一規劃，能源管理一致。某煉化一體化全廠蒸汽系統互供如圖2-31所示。

（2）區域內動力系統

大型石化工程項目往往是工業園區甚至地方上的支柱產業，對周圍區域經濟的發展有很大的影響。石化工程項目同時又是耗能大戶，園區內大部分熱力消耗、電力消耗均集中在石化工程項目上。另一方面，石化工程項目受產業政策的限制，需要從園區、地方上爭取項目所需的各類資源，其中煤、電、環保容量指標成為約束項目發展及影響項目收益的重大外部條件。

與園區、地方或其他企業合作設立熱電中心，可以落實動力燃料等資源來源。

2.5.2.5　蒸汽動力系統與安全環保間的集約化

制定蒸汽動力系統方案時，不能單純為了平衡而平衡，或為了節能降低安全系數。在設計時要充分考慮能適應多工況運行，除了要考慮開停工、關鍵設備故障的影響外，還要考慮全廠總流程內各裝置之間運行的關聯性，動態平衡時的聯動反應等。蒸汽等級要有靈活可調整的措施，如減溫減壓器的設置等。系統單元內透平與電機的相互組合除考慮安全因素外，有時也被用于擔當部分負荷調節的角色。系統容量不宜過小，以減少系統故障對生產運行的影響。

受產業政策的影響，今后動力站將會更多考慮背壓機組方案而非傳統的抽凝機組方案，由此犧牲了部分運行靈活性，因此對動力站機組配置及裝置梯級利用方案提出了更高要求。

動力鍋爐是環保監測的重點對象，鍋爐設計時要確保滿足環保標準，從源頭上減少溫室氣體排放。增設環保措施后，勢必對鍋爐熱效率、公用工程消耗造成一定影響，在設計之初就要充分考慮這一因素。

【案例2-4】　某石化企業蒸汽動力系統集約化設計

某石化企業新建一套1200萬噸/年的煉油工程。配套建設有2×10⁵m³/h（標準狀況）制氫裝置，400萬噸/年高壓加氫裂化裝置，200萬噸/年催化重整裝置，100萬噸/年芳烴聯合裝置和180萬噸/年催化裝置等多套大型化裝置。

在以往的新建項目中，供熱等級多圍繞催化裝置進行，受外取熱器設備制造條件的影響，適于發生3.8MPa中壓蒸汽，因此全廠蒸汽管網多采用中壓蒸汽方案。本項目催化裝置規模適中，但是制氫規模屬于國內單系列最大，制氫加熱爐煙氣余熱溫位高、品質優，適于發生高壓蒸汽。高壓加氫裂化及重整裝置均為用汽大戶，對全廠用能水平影響較大，若裝置透平蒸汽入口壓力提高到高壓后能增加更多梯級利用的機會，可實現全廠節能目標。在經過大量技術經濟對比后，該企業最終的蒸汽動力系統方案確定增設高壓等級局域網。具體蒸汽系統方案如圖2-32所示。

在總平面布置上，制氫裝置、重整裝置、高壓加氫裝置靠近動力站，其中制氫裝置與高壓加氫裝置組成聯合裝置，制氫產生的高壓蒸汽通過裝置內管線直接供應到高壓加氫裝置內，經透平排汽后，中壓蒸汽返回制氫裝置作為配氣來源，高壓蒸汽和中壓蒸汽在聯合裝置內最大限度實現自給自足，減少了管網系統投資。重整氫透平采用高壓蒸汽后，其3.8MPa排汽基本滿足重整裝置及芳烴裝置生產用汽需求。

通常高壓化的推廣主要受初期投資過高的制約，本項目天然氣制氫規模大，動力站燃料采用的又是成本高的天然氣，綜合比較，高壓化后帶來的收益可觀，為高壓化的落實提供了條件。

經測算，全廠采用高壓化設計后，本項目能節約5500m³/h（標準狀況）天然氣，單位產品綜合能耗降低3.3kg oe/t原料，若按天然氣2.1元/m³計（標準狀況），全年成本減少近1億元。

本項目在早期制定蒸汽動力方案時，即從全廠角度出發，對各種資源進行識別，分析各種有利因素及約束條件，統一優化，反復進行技術經濟對比，最終得到較為優化的蒸汽系統方案。本項目是采用整體化集約方法思路的成功案例，蒸汽動力方案確定后，作為統一的用能原則，要求相關專利商按蒸汽系統高壓化設計，項目開工后，各項運行指標與設計數據基本吻合，取得了很好的節能效果，提高了企業自身競爭力。