一种基于边际成本核算的蒸汽动力系统优化方法与流程
本发明涉及蒸汽动力系统改造优化技术领域，尤其涉及一种基于边际成本核算的蒸汽动力系统优化方法。
背景技术：
作为能量密集型的石油化工产业素来以高能耗著称，伴随着能源类资源的供需关系日益紧张，能源价格不断攀升，同时，随着对环境保护的力度不断加大，石化企业对蒸汽系统的经济性越来越重视。在大型化工或石油化工装置中，蒸汽动力系统已成为重要组成部分，所有的工艺过程都需要蒸汽和电力等公用工程的连续供应，而提供这些公用工程需要消耗大量的投资和运行费用，因此即使在运行方面做很小的改进，就能获得很可观的经济效益。
目前蒸汽动力系统的典型特点是：
1、锅炉、汽机负荷基本靠经验，能满足生产需求即可，仅凭经验来调节运行则很难保证经济性的指标，易造成系统运行成本偏高。
2、多工况变化(季节变化、燃料价格变化、电价格变化、加工负荷变化)，这些工况变化之间互相联系、互相影响，使得运行操作复杂。
考虑到蒸汽动力系统的上述特点，炼油企业在自产蒸汽和电力不够用或者自产蒸汽不够经济的前提下，外购蒸汽和电力。如果盲目购买或者完全自产都有可能造成不经济，于是需要对蒸汽系统加以优化。
目前，针对蒸汽系统的优化，主要分为两种，其一，针对蒸汽系统管网的调度方法的优化，通过集成蒸汽系统的能源产耗历史数据和调度参数，建立调度优化模型，并采用优化算法计算得到优化运行方案，供现场调度人员和管理人员根据优化方案进行调度。其二，针对蒸汽管网、动力站和装置产用汽的操作优化，通过建立蒸汽动力系统模型并模拟求解，确定蒸汽流向、流量、压力和温度变量的最优操作运行值。
针对蒸汽动力系统操作参数优化主要有采用线性规划法或以生产成本为目标函数，对目标函数进行优化计算获得运行操作方法。目前，企业在计算生产成本时，通常采用的是完全成本法。实际上，总成本(TC)包括固定成本(TFC)和可变成本(TVC)，其中的固定部分(TFC)，属于总成本(TC)中的沉没部分，不随产汽负荷(Q)变化而变化，固定成本对生产指导的意义有限。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对蒸汽动力系统的特点，在保证用汽工艺需求的条件下，满足蒸汽动力系统实际运行过程中的安全、稳定、经济、设备特性等因素的约束，提出基于边际成本分析的蒸汽动力优化系统，用于评价系统实际运行的成本及操作建议，使蒸汽动力系统运行负荷最优，效益最好，为企业降低生产成本。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于边际成本核算的蒸汽动力系统优化方法，包括以下步骤：
(1)获取蒸汽动力系统中产汽设备、动力和电力设备的运行状态及数据；
(2)获取产汽设备的额定负荷和实际可操作的区间及性能参数；
(3)获取动力和电力设备的额定负荷和实际可操作的区间及性能参数；
(4)获取蒸汽动力系统进行成本计算的基础数据；
(5)根据步骤(1)至(4)中的数据，计算产汽设备产汽负荷及动力和电力设备发电负荷对应的可变成本及边际成本；
(6)将步骤(5)中计算后获得的边际成本与外购成本加以比较，以确定蒸汽动力系统的发汽量、发电量以及外购蒸汽量和电量。
作为优选，所述步骤(1)获取蒸汽动力系统中锅炉、汽轮机的运行状态及数据，其包括如下步骤：
(101)根据用汽设备的用汽量建立蒸汽动力系统拓扑模型；
(102)在上述模型基础上，确定用汽设备在不同运行工况下的用汽量；
(103)对用汽设备在不同运行工况下的用汽量求和，确定蒸汽需求总量；
(104)根据蒸汽需求总量，设定蒸汽动力系统中产汽设备、动力和电力设备的运行状态及数据。
作为优选，所述步骤(2)中获取的产汽设备的额定负荷为每台产汽设备安全运行的最低和最高负荷，以及产汽设备所产气量满足用汽和供热的最低值；
确定的产汽设备的实际可操作区间，需要根据历史数据给出设备一定的运行余量，产汽设备运行需要满足以下约束条件：
△S：产汽设备负荷余量，单位t/h；Si：第i个锅炉产汽量，单位t/h；Si,max：第i个锅炉最大产汽量，单位t/h。
作为优选，所述步骤(3)中获取的动力和电力设备的额定负荷和实际可操作的区间及性能参数为涉及动力和电力设备启停约束条件的额定负荷和实际可操作的区间及性能参数。
作为优选，所述步骤(4)中的基础数据包括：燃料消耗量、除氧水消耗量、自用蒸汽消耗量、自用动力消耗量、能源价格。
作为优选，所述燃料消耗量与产汽设备负荷和产汽设备效率相关，产汽设备效率与产汽设备负荷相关，产汽设备效率与产汽设备负荷满足以下关系式：
η：锅炉效率；Q：产汽负荷，单位t/h；A、B：常数；
通过以下热平衡关系式计算产汽设备所需燃料量：
Bqt：燃料耗量，单位t/h；Q：产汽负荷，单位t/h；HST：蒸汽热焓，单位kJ/kg；HWL：产汽设备给水热焓，单位kJ/kg；Qarq：燃料热值，单位kJ/kg；η：锅炉效率。
作为优选，所述自用动力消耗量与产汽设备负荷满足以下关系：
DS＝aQ3+bQ2+cQ+d
DS：自用动力消耗量；Q：产汽负荷；a、b、c、d：常数。
作为优选，所述步骤(5)中每台产汽设备的发蒸汽可变成本通过下述公式计算：
TVC＝MM×YM+MW×YW+MD×YD+MG×YG+MST×YST
TVC：产汽设备的发蒸汽可变成本；MM：燃料耗量，单位t/h；MW：除氧水耗量，单位t/h；MD：自用电耗量，单位kW·h；MG：石灰石耗量，单位t/h；MST：自用蒸汽耗量，单位t/h；YM：燃料价格；YW：除氧水价格；YD：自用电价格；YG：石灰石价格；YST：自用蒸汽价格；
每吨蒸汽的边际成本，即，产汽设备产汽负荷变动1t/h的可变成本的增量通过下述公式计算：
DVCST：每吨蒸汽的边际成本；TVC：产汽设备的发蒸汽可变成本；Q：产汽负荷；
发电边际成本，即，动力和电力设备发电负荷变动1kW·h的可变成本的增量通过下述公式计算：
DVCD：每kW·h电的边际成本；TVC：产汽设备的发蒸汽可变成本。
作为优选，所述步骤(6)中若计算后获得的最小边际成本≥外购成本，则满足最小负荷运行即可，不需增加负荷；
若计算后获得的最小边际成本＜外购成本，则可增加负荷运行。
本发明所提供的基于边际成本核算的蒸汽动力系统优化方法，其通过获取蒸汽动力系统中产汽设备、动力和电力设备的相关数据，结合这些数据计算产汽设备产汽负荷及动力和电力设备发电负荷对应的可变成本及边际成本，并将计算后获得的边际成本与外购成本加以比较，以确定蒸汽动力系统的发汽量、发电量以及外购蒸汽量和电量。该方法针对蒸汽动力系统的特点，在保证用汽工艺需求的条件下，满足蒸汽动力系统实际运行过程中的安全、稳定、经济、设备特性等因素的约束，提出基于边际成本分析的蒸汽动力优化系统，用于评价系统实际运行的成本及操作建议，使蒸汽动力系统运行负荷最优，效益最好，为企业降低生产成本。
附图说明
图1是本发明所提供的实施例中蒸汽动力系统拓扑模型；
图2是本发明所提供的实施例中边际成本与锅炉负荷增量的关系曲线图；
图3是本发明所提供的实施例中边际成本与锅炉负荷增量的关系曲线比较分析图。
图1中：1-中压蒸汽管网、2-低压蒸汽管网、3-1#锅炉、4-2#锅炉、5-3#锅炉、6-减温减压器、7-1#汽轮机、8-2#汽轮机、9-冷凝水、10-第一用户、11-第二用户、12-外排冷凝水、13-除盐水、14-除氧器、15-锅炉给水泵。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在本实施例中，产汽设备为锅炉，动力和电力设备为汽轮机，那么，一种基于边际成本核算的蒸汽动力系统优化方法，包括以下步骤：
(1)获取蒸汽动力系统中锅炉、汽轮机的运行状态及数据，其具体步骤为：
(101)根据用汽设备的用汽量建立蒸汽动力系统拓扑模型，如图1所示，蒸汽动力系统包含两级蒸汽管网：中压蒸汽管网1，低压蒸汽管网2。管网作为蒸汽输送系统，蒸汽管网上的设备包括1#锅炉3、2#锅炉4和3#锅炉5、透平、减温减压器6。锅炉为产汽系统，生产中压蒸汽。1#汽轮机7和2#汽轮机8为动力、电力系统，发电汽轮机为能级转换做功设备，进入汽轮机的蒸汽做功发电。图1中1#汽轮7机为全凝式发电汽轮机，冷凝水9并入冷凝水管道；2#汽轮机8为背压式汽轮机，中压蒸汽进入汽轮机驱动压缩机做功后背压产生低压蒸汽。减温减压器6将中压蒸汽减温减压为低压蒸汽。蒸汽管网上的各个用户为用汽系统，如图1所示，第一用户10和第二用户11利用完蒸汽后产生凝结水，部分凝结水外排，为图1中的外排冷凝水12，部分统一回收处理后与除盐水13进入除氧器14加热除氧，除氧水经锅炉给水泵15进入锅炉，这部分为水系统。
(102)在上述模型基础上，确定用汽设备在不同运行工况下的用汽量：一般企业冬夏季用蒸汽量会有差距，需要确定全厂冬、夏两季的运行工况、最大用汽工况和最小用汽工况。
(103)对用汽设备在不同运行工况下的用汽量求和，确定蒸汽需求总量：根据工艺需求确定蒸汽的用汽量，在确定工艺蒸汽用量时需要考虑工艺用户的运行周期及加工负荷，需要根据历史数据和加工方案的情况确定工艺用户的用蒸汽量。
(104)根据蒸汽需求总量，设定蒸汽动力系统中产汽设备、动力和电力设备的运行状态及数据并有待获取。
(2)获取锅炉的额定负荷和实际可操作的区间及性能参数；
锅炉的额定负荷为每台锅炉安全运行的最低和最高负荷，以及锅炉所产气量满足用汽和供热的最低值。
在实际运行中，管网时刻处于动态变化过程，要求蒸汽动力系统必须处于动态变化的过程来响应工艺用户的变化，保证系统的安全稳定运行，不能使所有设备都满负荷状态下运行，在确定锅炉实际可操作区间，需要根据历史数据给出设备一定的运行余量，锅炉运行需要满足以下约束条件。
△S：锅炉负荷余量，单位t/h；Si：第i个锅炉产汽量，单位t/h；
Si,max：第i个锅炉最大产汽量，单位t/h。
(3)获取汽轮机的额定负荷和实际可操作的区间及性能参数；
炼油企业的蒸汽动力系统随着工艺过程的多工况变化而变化，设备的启动和停运费用不能忽略，频繁启停设备会造成操作运行费用的增加，在运行中要综合考虑设备启停的约束条件。
(4)获取蒸汽动力系统进行成本计算的基础数据；
获取可变部分(TVC)包含数据：采用数据主要包含能源用量及能源价格。能源用量主要有：
a、燃料耗量：燃料消耗可来自电站报表，剔除因仪表原因明显不符合设备运行规律和违反能量、热量平衡的数据。燃料的消耗与锅炉负荷及锅炉效率相关，而锅炉效率则与锅炉负荷相关。锅炉效率与锅炉负荷满足以下关系式：
η：锅炉效率；Q：产汽负荷，单位t/h；A、B：常数；
锅炉的效率曲线一般可收集锅炉各种工况下的效率数据或各种工况下排烟、飞灰和灰渣(CFB锅炉)的详细分析数据。
通过以下热平衡关系式计算锅炉所需燃料量：
Bqt、：燃料耗量，单位t/h；Q：产汽负荷，单位t/h；HST：蒸汽热焓，单位kJ/kg；HWL：锅炉给水热焓，单位kJ/kg；Qarq：燃料热值，单位kJ/kg；η：锅炉效率。
b、除氧水耗量：需要考虑锅炉汽包和水冷壁下联箱合计排污率。
c、自用蒸汽耗量：包括除氧用、预热给水用、锅炉其它自用汽。其中，除氧蒸汽用量与除氧器负荷线性关系。
d、自用动力消耗：包括给水泵用电、所有风机用电、冷渣输煤磨煤等用电。可以采用数据回归的方法计算电量。
通过采集数据拟合动力消耗与蒸汽负荷的关系，一般可用以下关系式表达：
DS＝aQ3+bQ2+cQ+d
DS：自用动力消耗量；Q：产汽负荷；a、b、c、d：常数。
e、其他消耗：例如CFB锅炉中石灰石消耗(Ca/S＝2.5，脱硫效率90％)。石灰石用量与煤用量呈线性变化，随负荷呈线性变化。循环水和仪表动力风消耗，该部分能源用量对成本影响较小，按固定值计算。
f、能源价格：来自企业财务。
(5)根据步骤(1)至(4)中的数据，计算锅炉产汽负荷及汽轮机发电负荷对应的可变成本及边际成本；
A、每台锅炉的发蒸汽可变成本通过下述公式计算：
TVC＝MM×YM+MW×YW+MD×YD+MG×YG+MST×YST
TVC：锅炉的发蒸汽可变成本；MM：燃料耗量，单位t/h；MW：除氧水耗量，单位t/h；MD：自用电耗量，单位kW·h；MG：石灰石耗量，单位t/h；MST：自用蒸汽耗量，单位t/h；YM：燃料价格；YW：除氧水价格；YD：自用电价格；YG：石灰石价格；YST：自用蒸汽价格；
B、计算每吨蒸汽的边际成本，即，锅炉产汽负荷变动1t/h的可变成本的增量通过下述公式计算：
DVCST：每吨蒸汽的边际成本；TVC：锅炉的发蒸汽可变成本；Q：产汽负荷；
C、计算发电边际成本，即，汽轮机发电负荷变动1kW·h的可变成本的增量通过下述公式计算：
DVCD：每kW·h电的边际成本；TVC：锅炉的发蒸汽可变成本。
根据边际成本的计算公式算出锅炉产汽负荷(Q)每变动1t/h，可变成本的增量值。根据边际成本曲线可知，当负荷变动到某个值时，边际成本最小。边际成本与锅炉负荷增量的关系曲线如图2所示。
(6)将步骤(5)中计算后获得的边际成本与外购成本加以比较，以确定蒸汽动力系统的发汽量、发电量以及外购蒸汽量和电量。
在满足生产最低的供汽需求的前提下，判断目前锅炉负荷运行是否经济可行，是否需要增加锅炉负荷。
若计算后获得的最小边际成本≥外购成本，则满足最小负荷运行即可，不需增加负荷，如果条件允许还可停用锅炉，全部蒸汽外购；
若计算后获得的最小边际成本＜外购成本，则可增加负荷运行。
如图3所示，X0为工艺所需用汽负荷，Nb为最小边际成本，Xb为最小边际成本对应的负荷增量，Ng为外购成本，X1为外购成本与边际成本交点对应的负荷增量。
建议锅炉负荷操作范围在：
y∈(X0，X0+min(X1，Xmax))
X0为工艺所需用汽负荷；X1为外购成本与边际成本交点对应的负荷增量；Xmax＝Smax-X0，Xmax为最大负荷增量值，Smax为锅炉允许最大负荷值。
通过蒸汽和发电的边际成本分析，制定合理的外购策略，从全厂能量平衡角度来对外购量进行优化。
上述基于边际成本核算的蒸汽动力系统优化方法，其通过获取蒸汽动力系统中产汽设备、动力和电力设备的相关数据，结合这些数据计算产汽设备产汽负荷及动力和电力设备发电负荷对应的可变成本及边际成本，并将计算后获得的边际成本与外购成本加以比较，以确定蒸汽动力系统的发汽量、发电量以及外购蒸汽量和电量。该方法针对蒸汽动力系统的特点，在保证用汽工艺需求的条件下，满足蒸汽动力系统实际运行过程中的安全、稳定、经济、设备特性等因素的约束，提出基于边际成本分析的蒸汽动力优化系统，用于评价系统实际运行的成本及操作建议，使蒸汽动力系统运行负荷最优，效益最好，为企业降低生产成本。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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