第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
能源是人类生存的物质基础，这些珍贵的资源是有限且是不可再生的。我国的能源资源储量中煤炭为92%、水电为4.7%、石油为2.9%、天然气为0.2%，煤炭储量远高于其他，这就决定了我国的能源消费结构必须以煤炭为主。我国经济发展的目标是在2050年前达到中等发达国家水平，但目前却只处于工业化初期，因此必须投入足够多的能源才能保持经济高速、稳定地发展。近几年来，我国能源储备紧张，能源使用状况也不容乐观。火力发电是一个资源消耗量庞大的产业，主要使用煤炭为燃料生产电能，它的基本生产过程是:燃料在锅炉中燃烧产生的热量使液态水变为水蒸汽，化学能转变为热能;水蒸汽压力推动汽轮机旋转，热能转变为机械能;随后汽轮机带动发电机旋转，机械能转变为电能。我国目前的燃煤机组占全国装机总容量的77.82%，为4.84亿kw，年均煤炭消耗量占总煤炭消耗量的一半以上。预计到了2050年，我国装机容量将达到16亿kw，其中燃煤机组仍将占总装机容量的60%以上，电力行业对煤炭的需求在未来50年内将大大增加[2j。届时，煤炭要满足电力行业的发展将有相当的难度，因此要想保持国民经济的持续增长，势必要求电力系统本身进一步增效减耗、节约能源。
与此同时，我国的能源使用效率也不容乐观，有资料显示，到2006年底，我国火电厂平均供电标准煤耗为375叭Wh，而国际同期先进水平仅为3179瓜wh。我国电力行业与国际水平相比普遍存在能耗高、效率低的特点。主要问题是:(l)一部分蒸汽动力系统的设备包括锅炉和汽轮机已经陈旧，效率低下;(2)一些炼油厂随着扩产的需要而逐步增加了新的小锅炉、小汽轮机，但没有从系统优化的角度把扩产的设备有机的结合起来。(3)一部分蒸汽动力系统己经不能适应目前市场经济条件下不断变化的加工量、产品方案等对蒸汽和电力的需求变化，造成了低压、低效发电。目前我国能源利用效率约为33%，比先进国家约低10个百分点，由此可见，提高火电机组使用效率、降低煤耗必定会是一条缓解我国现存能源危机的有效途径。在如此大的燃料消耗基数下，以2006年为例，如果全年平均供电煤耗量下降，则可节省标准煤2834.4万吨/年，占煤炭总产量的1.35%，因此火电厂拥有十分巨大的节能潜力。由上面的分析可以看到，火电厂节能工作理应成为国民经济发展的一项长期战略任务，要坚持资源开发与节约并举的思想，把节约放在首位，力争达到在“十一五”期间火电厂供电煤耗量下降的政策。火电厂节能工作可采取以下措施:(l)通过对火电机组系统进行工艺计算，分析运行状况，优化操作参数，提高设备使用效率，实现系统的最优运行;(2)在满足用户用电需求(即火电机组负荷)的前提下，优化调度系统中各发电机组的负荷分配和运行工况，使系统运行所需的总费用或总燃料量最小;(3)对火电机组系统主要设备的运行状况进行实时监测，以便随时找出导致机组设备经济性降低的原因和部位，指导工作人员进行调整和维修。电力企业发电机组全部为燃煤火力发电机组，有单机容量300一600MW的大机组电厂，也有单机6一12MW的小机组热电厂。本文的研究对象虽然是蒸汽管网中的透平网络，但和火电厂机组的设备性质是相同的，因此对透平网络研究中得出的结论同样适用于电力公司火电机组。本文的运用前文节能降耗的基本措施之一，即通过合理分配火电机组负荷、实现科学的经济调度来降低燃料消耗，以最小的能源消耗实现国民经济的可持续健康发展，具有十分重要的意义。
1.2课题研究现状
本文针对某乙烯装置蒸汽管网中的透平网络系统，运用AspenPlus流程模拟软件和数学规划法建立了透平网络的混合模型。随后在所建立模型的基础上，以压缩机透平的抽汽量，泵透平的开关量等变量为自变量，以透平网络总进汽量即能耗量为目标变量，选用粒子群优化算法同时优化网络结构及参数，达到节能降耗的目的。因此，文献综述按照内容分为两部分:第一部分为蒸汽动力系统或蒸汽透平网络的模型，第二部分为透平网络的经济调度，即负荷优化分配。
第2章蒸汽透平网络
2.1蒸汽透平网络背景描述
本文针对某乙烯装置蒸汽管网中的透平网络系统，研究的内容包括四个压力等级:超高压蒸汽系统(55管网)、高压蒸汽系统(HS管网)、中压蒸汽系统(MS管网)和低压蒸汽系统(LS管网)。透平网络中的设备按类型主要分为三类:压缩机透平、泵透平和减温减压器。透平是将流体工质中蕴有的能量转换成机械功的机器。透平机械的工质可以是气体，如蒸汽、燃气、空气和其他气体或混合气体，也可以是液体，如水、油或其他液体。以水为工质的透平称为水轮机:以蒸汽为工质的透平称为汽轮机;以燃气为工质的透平称为燃气透平。乙烯装置中的透平都是蒸汽驱动的汽轮机。第2章蒸汽透平网络2.1蒸汽透平网络背景描述本文针对某乙烯装置蒸汽管网中的透平网络系统，研究的内容包括四个压力等级:超高压蒸汽系统(55管网)、高压蒸汽系统(HS管网)、中压蒸汽系统(MS管网)和低压蒸汽系统(LS管网)。透平网络中的设备按类型主要分为三类:压缩机透平、泵透平和减温减压器。透平是将流体工质中蕴有的能量转换成机械功的机器。透平机械的工质可以是气体，如蒸汽、燃气、空气和其他气体或混合气体，也可以是液体，如水、油或其他液体。以水为工质的透平称为水轮机:以蒸汽为工质的透平称为汽轮机;以燃气为工质的透平称为燃气透平。乙烯装置中的透平都是蒸汽驱动的汽轮机。
第3章 工业装置蒸汽透平网络建模 ...................26-41
3.1 基于Aspen Plus的压缩机透平网络模拟................. 26-37
3.2 基于数学规划法的减温减压器.................37-39
3.2.1 减温减压器模型................. 37-39
3.2.2 泵透平(电泵)建模 .................39
3.3 本章小结 .................39-41
第4章 基于PSO算法的蒸汽透平网络优化................. 41-53
4.1 蒸汽透平网络用能优化的数学模型................. 42-44
4.2 粒子群算法 .................44-48
4.2.1 基本粒子群算法.................44-45
4.2.2 标准粒子群算法................. 45-47
4.2.3 约束处理 .................47-48
4.3 蒸汽透平网络用能优化................. 48-52
4.3.1 Matlab-Aspen Plus接口工具箱................. 48-49
4.3.2 优化结果与分析................. 49-52
4.4 本章小结................. 52-53
第5章 总结与展望................. 53-55
5.1 研究工作总结................. 53
5.2 工作展望................. 53-55
结论
本文以乙烯装置蒸汽管网实时监控与用能优化项目为研究背景，通过AspenPlus流程模拟软件和数学规划法建立蒸汽透平网络机理模型模拟实际生产状况，通过选择合适的控制变量、目标变量，运用标准的粒子群优化算法对该网络的生产工艺提出调整，提高炼厂的经济效益。具体工作如下:
(l)论文背景及应用现状研究。首先指出石油化工行业能耗很大，且能源利用水平不容乐观，随即引出了蒸汽透平网络模拟和优化的重要性。然后分两部分简述了国内外蒸汽透平网络用能优化的现状。
(2)介绍了某乙烯装置蒸汽管网中的透平网络系统和化工流程模拟软件AspenPlus。针对AspenPlus软件的稳态模拟特性，指出在实际工厂中，透平网络蒸汽热力学参数关系的复杂性以及工况的多样性会导致设备的参数发生变化，随后考察了因透平排汽量变化引起的做功非线性问题，并以Fortran语句的形式写入AsPenPlus软件。
(3)蒸汽透平网络的混合模型。首先运用AspenPlus化工流程模拟软件建立了压缩机透平网络的模型。以所建立模型为基础，考察了单个透平操作条件的变化对透平效率的影响以及四台透平抽汽量的变化对压缩机透平网络总进汽需求量的影响。其次，运用数学规划法建立了减温减压器蒸汽出口流量与进口流量的关系式以及透平泵蒸汽耗量和电泵功率耗量的模型。
(4)蒸汽透平网络的用能优化。首先介绍了粒子群优化算法、接口工具箱和约束处理等基本概念。然后以粒子群优化算法为基础，运用Matlab一AsPenPlus接口工具进行蒸汽透平网络的优化。以各透平抽汽量、减温减压器进口流量和电泵/透平泵的投用和备用组合为自变量，以总透平网络蒸汽消耗为目标变量，同时优化网络结构与参数。
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