朱慧峰

(中國石化上海石油化工股份有限公司公司，上海200540)

物流管理理論在管道供熱系統(tǒng)優(yōu)化中的應用

朱慧峰

(中國石化上海石油化工股份有限公司公司，上海200540)

隨著中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)第一聯(lián)合裝置投入生產(chǎn)，其公用工程中的蒸汽系統(tǒng)也并入上海石化的熱網(wǎng)系統(tǒng)，對上海石化的熱網(wǎng)系統(tǒng)沖擊較大，影響熱網(wǎng)系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟運行。通過引入物流管理供應鏈體系和供應鏈結(jié)構(gòu)樹狀圖，全面分析上海石化供熱管網(wǎng)系統(tǒng)及其蒸汽輸送模式，找出熱網(wǎng)系統(tǒng)的薄弱點，提出優(yōu)化改造的建議和方法，并根據(jù)需求預測，提出供熱設備事先投運優(yōu)化法，同時也為上海石化其他長輸管線的安全運行分析和管線優(yōu)化提供參考。

供熱物流 供應鏈體系 回歸分析 優(yōu)化 選址

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)供熱系統(tǒng)是中國最大的的企業(yè)熱網(wǎng)系統(tǒng)之一，其供熱管網(wǎng)大小管道全長近100 km，全系統(tǒng)主要有兩家汽源，即上海石化熱電部熱電二站和烯烴部2#乙烯水汽車間。大小用戶共上百家，其中有一定規(guī)模的用戶二十多家，其低壓蒸汽供熱總量約1.1 kt/h，中壓蒸汽供熱總量約275 t/h。在上海石化第一聯(lián)合裝置投入運行前，供應以保證用戶安全生產(chǎn)和減少管損為主。第一聯(lián)合裝置主要由催化裂化、渣油加氫、氣體分餾、雙脫裝置、S-Zorb裝置、C2回收裝置組成，這些裝置組合運行后的公用工程特點是正常運行時向外大量輸送蒸汽，其中4.2 MPa的蒸汽50 t/h，3.5 MPa中壓蒸汽100 t/h，1.6 MPa低壓蒸汽65 t/h，蒸汽外送量比第二汽源2#乙烯水汽車間正常狀況下多出一倍。事故狀態(tài)下，則會大量引入蒸汽，因此會出現(xiàn)正常運行時熱網(wǎng)系統(tǒng)供熱量太多，大口徑管道空載的現(xiàn)象；另外，各用戶都搶著要熱負荷，又造成管道投運速度慢，管道使用超負荷，壓力下降，誰也用不上的局面。這種輸送方式是最傳統(tǒng)的“點到點，線線相互獨立”的輸送方式，其最好的解決方式就是引入物流管理理念，分析整個熱網(wǎng)系統(tǒng)的供應鏈狀況，找出物流系統(tǒng)關鍵點，進行優(yōu)化改造；同時建立供應鏈體系，加強信息化數(shù)據(jù)采集和管理，增加輸送環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，對輸送的負荷進行規(guī)律性統(tǒng)計，達到對系統(tǒng)熱負荷在不同階段下進行超前估算的目的，使系統(tǒng)始終處于安全經(jīng)濟的環(huán)境中運行。

1 根據(jù)上海石化供熱系統(tǒng)及其供熱能力現(xiàn)狀，建立供熱物流供應鏈體系

1.1 上海石化供熱系統(tǒng)供熱能力現(xiàn)狀

(1)上海石化熱電部熱電二站

熱電二站有6臺蒸汽鍋爐和6臺發(fā)電機組。其中1#、2#、3#、4#均為410 t/h蒸發(fā)能力的高溫高壓煤粉爐，配5臺熱電聯(lián)供發(fā)電機組(0#～4#機)，設計低壓供熱能力共800 t/h，4#機設計可供中壓汽75 t/h；5#A、5#B為高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐(即CFB鍋爐)，鍋爐蒸發(fā)能力310 t/h，配1臺熱電聯(lián)供發(fā)電機組5#機，設計低壓供熱能力150 t/h,中壓供熱能力100 t/h；6#爐為1臺620 t/h循環(huán)流化床鍋爐，設計低壓供熱能力150 t/h,中壓供熱能力100 t/h。還有供低壓的1#、2#減溫減壓器100 t/h，11#減溫減壓器150 t/h，21#減溫減壓器200 t/h；供中壓的4#、14#減溫減壓器100 t/h，24#減溫減壓器150 t/h。

供熱管道：13#、14#、15#、16#管、1#煤中管、2#煤中管、3#煤中管。

(2)2#乙烯水汽車間

2#乙烯水汽車間的超高壓燃油鍋爐設計能力為150 t/h，共兩臺，由于使用時間較長，設計蒸發(fā)量與實際相差較大，基本自用，緊急情況下，余量可外送低壓蒸汽約50 t/h，事故狀態(tài)下，還需要從外網(wǎng)大量引進。

供熱管道： 10#管、渣中管、霧化蒸汽管。

(3)煉油部第一聯(lián)合裝置

兩臺余熱鍋爐，每臺設計蒸發(fā)量138 t/h。

供熱管道：催中管。

1.2 供熱物流供應鏈體系

供應鏈是圍繞核心企業(yè)，通過對信息流、物流、資金流和服務流的控制，將供應商、制造商、分銷商、零售商直到最終用戶連成一個整體的功能網(wǎng)鏈式結(jié)構(gòu)模式，上海石化供熱物流供應鏈體系可見圖1[1]。

圖1 供熱物流供應鏈體系

其中生產(chǎn)部門為熱源部門，供應商為公用事業(yè)公司，核心部門為生產(chǎn)調(diào)度，用戶為各個生產(chǎn)部門，用戶的裝置為各個生產(chǎn)部門的裝置。

在供應鏈管理環(huán)境下，企業(yè)的采購方式與傳統(tǒng)的采購方式有所不同，主要體現(xiàn)在從為庫存采購到為訂單采購。傳統(tǒng)的采購模式是為庫存而采購，也就是圖1中用戶裝置需要多少熱負荷就要求煤電廠送出多少，整個采購過程缺乏主動性和預見性，其年初制定的采購計劃，比如需要多少燃煤、供電與供汽比是多少，什么時候多送，什么時候少送，應該保證多少供熱管道的投入運行，很難適應需求的變化。而在供應鏈管理模式下，熱負荷的采購活動是帶有預見性的。用戶的預見需求驅(qū)動采購訂單，采購訂單再驅(qū)動供應商。這種準時化的訂單驅(qū)動模式，使供應鏈系統(tǒng)得以及時響應用戶的需求，從而降低設備的投運成本，提高物流的速度和庫存周轉(zhuǎn)率。

2 第一聯(lián)合裝置對供熱物流供需平衡的影響

2.1 建立供應鏈結(jié)構(gòu)樹狀圖

以第一聯(lián)合裝置低壓蒸汽為例，根據(jù)圖1，低壓蒸汽由供應源熱電二站的13#、14#管發(fā)出，13#、14#管的正常供熱量分別為170 t/h和190 t/h，通過供應商管道的數(shù)據(jù)采集點并進行蒸汽參數(shù)的采集匯總，結(jié)合各個用戶和裝置上報的需求點信息，由核心部門生產(chǎn)調(diào)度這個分配點向用戶和用戶的裝置進行輸送。用戶收到管道蒸汽后，根據(jù)其實際使用情況，通過信息流向核心部門修正物流輸送量偏差，最終達到最佳物流輸送效果。根據(jù)這個體系建立第一聯(lián)合裝置供應鏈結(jié)構(gòu)樹狀圖(圖2)。

圖2 13#、14#管供應鏈結(jié)構(gòu)樹狀圖

根據(jù)圖2箭頭表示的物流輸送方向，第一聯(lián)合裝置的低壓蒸汽正常情況下是65 t/h的供應源，箭頭表示輸送方向為向外送。所以在正常情況下，該結(jié)構(gòu)有兩個供應源:一個是熱電二站的13#、14#管，另一個是第一聯(lián)合裝置。但在第一聯(lián)合裝置出現(xiàn)故障需要全面停車時，其從供應源立刻轉(zhuǎn)變成用戶，箭頭轉(zhuǎn)向內(nèi)，供應源變成一個用戶，不但65 t/h外送沒有了，反而需要每1 h引進65 t蒸汽。而中壓蒸汽的使用也出現(xiàn)了同樣的情況。

2.2 根據(jù)供應鏈結(jié)構(gòu)樹狀圖分析產(chǎn)生的問題

(1)由于第一聯(lián)合裝置的公用工程特點是在正常運行時向外大量輸送蒸汽，事故狀態(tài)下，則會大量引入蒸汽。所以在正常情況下，由于供應源的增加，第一聯(lián)合裝置低壓蒸汽的外送將壓低煤電廠13#、14#管總供熱量，會出現(xiàn)正常運行時熱網(wǎng)系統(tǒng)供熱量太多，用戶使用少，大口徑管道空載的現(xiàn)象嚴重，負荷過少導致某些備用管道會被迫停下來。由于石化行業(yè)各個裝置的運行是連續(xù)性的，一套主要裝置出問題，其他與其相關的裝置會出現(xiàn)聯(lián)鎖反應。所以事故狀態(tài)下，各個相關裝置因為非常態(tài)運行，都會搶著要熱負荷，又造成短時間內(nèi)管道使用超負荷，而原先停掉的備用管道投運速度慢，系統(tǒng)壓力下降。第一聯(lián)合裝置在物流管理供應鏈上的地位既是供應商，又是需求方。在物流輸送過程中，起著反向增幅作用，即多時更多，少時更少。

(2)從圖2可以看出：第一聯(lián)合裝置的低壓部分直接連接到了13#、14#管主干上。在聯(lián)合裝置正常運行的時候由于是向外送蒸汽，而事故狀態(tài)下是大量引進蒸汽，所以其物流在從正常狀態(tài)向非正常狀態(tài)的瞬間轉(zhuǎn)換上，走向只能針對13#、14#管。因此造成13#、14#管主管在切換時受到的瞬間沖擊較大，熱電二站外送的各個低壓管道輸送流量不均勻，在潮流流向發(fā)生突變時容易形成管道死點，引發(fā)水沖擊。在正常情況下13#管通流量為170 t/h，要比16#管的220 t/h少送了50 t/h。事故狀態(tài)和極端天氣會把這種情況放大，管通流量的偏大或偏小，將造成管道局部的超負荷狀態(tài)或低流量，這會直接影響管道介質(zhì)輸送的品質(zhì)和參數(shù)，輕則影響管道輸送的經(jīng)濟效益，重則危及管道的使用安全。

3 根據(jù)蒸汽供應鏈結(jié)構(gòu)樹提出的改進方法

在物流管理中，增加供應鏈結(jié)構(gòu)樹枝，可以實現(xiàn)新的互聯(lián)互通，有效地改善供應鏈狀況。與此同時我們還要考慮管道優(yōu)化改造的成本問題，選擇改造的管道和改造的位置成為關鍵。這里還要考慮到選址問題，選址問題一般可以分為這樣幾類：是尋求可行性成本方案還是尋求最優(yōu)成本方案、是尋求總成本的最小化還是成本最大值的最小化、是固定權(quán)重還是可變權(quán)重、是確定性的還是隨機性的、被定位設施間有無相互聯(lián)系、是靜態(tài)的還是動態(tài)的問題。

在這里選擇的是可行性和最優(yōu)性，即首要的目標是得到一個可行的解決方案，一個滿足所有約束條件的解決方案。可行方案得到以后，第二個目標是找到一個更好的解決方案就是最優(yōu)化方案[2]。根據(jù)選址問題中的距離計算，從眾多管線中選擇了既可以改善供應鏈狀況，直線距離又最近的的熱電二站的另外兩根供熱管道15#、16#管的分支8#、9#管進行連接。根據(jù)圖2，可以建立最終優(yōu)化后的第一聯(lián)合裝置供應鏈結(jié)構(gòu)樹狀圖(見圖3)。

圖3 優(yōu)化后的第一聯(lián)合裝置供應鏈結(jié)構(gòu)樹狀圖

在這里同樣建立低壓蒸汽16#管供應鏈結(jié)構(gòu)樹狀圖(圖4)來反映16#管優(yōu)化后，第一聯(lián)合裝置在16#管供應鏈結(jié)構(gòu)樹狀圖中的狀況。

圖4 優(yōu)化后的16#管供應鏈結(jié)構(gòu)樹狀圖

圖3和圖4中的虛線標注的第一聯(lián)合裝置就是需要改造的地方，在16#管的分支9#管上添加了第一聯(lián)合裝置，這樣做的好處有：

(1)在日常運行時，16#管的負荷原先就比13#管大，可以將多余的輸送能力通過9#管向下游裝置輸送，從而降低了16#管的總輸送量，對各個低壓管蒸汽管的均衡輸送有利；

(2)在事故狀態(tài)下，第一聯(lián)合裝置需要大量引進蒸汽，13#、14#管也因為其他用戶的大量引進導致輸送量不夠，系統(tǒng)管道處于超負荷狀態(tài)，而有了這個分支，就可以通過9#管向16#管進行有效的補充；

(3)由于需要添加的樹枝加在16#管的分支9#管上，可以避免第一聯(lián)合裝置的外送或引進瞬間轉(zhuǎn)換直接對16#管主干造成沖擊，從地理選址上看9#管也比16#管更近。

同樣道理，也可以通過添加分支的方法，對15#管進行改造，把第一聯(lián)合裝置分接到15#管的分支8#管上，實現(xiàn)更加有效的互聯(lián)互通。對于中壓蒸汽來說，這種供應鏈結(jié)構(gòu)圖的方法也能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化改造。

4 經(jīng)濟效益和安全性分析

根據(jù)以上提出的改造方法，在管道投入運行后可以讓第一聯(lián)合裝置有更多的蒸汽輸送方式?？梢宰?3#管和9#管根據(jù)總管管道的流量和實際運行狀況組合使用，也可以14#管配9#管、13#管配8#管等等。因而在出現(xiàn)突發(fā)事故情況下，選擇余地多了，系統(tǒng)也就更加安全，運行也更加可靠。同樣，第一聯(lián)合裝置能夠?qū)崿F(xiàn)熱負荷的有效使用，也體現(xiàn)在經(jīng)濟效益上。在改造前，如果因為擔心第一聯(lián)合裝置事故狀態(tài)要大量使用蒸汽，而不得不使得管道長期處于備用狀態(tài)，造成大量浪費。在系統(tǒng)優(yōu)化后，可以使用物流管理的回歸分析法預測，就是通過物流信息對將來的供熱系統(tǒng)的流量大小進行預測，當以時間為變量時，用多項式或指數(shù)函數(shù)模型來擬合過去的物流信息，從而對未來的物流進行預測[3]。判斷哪個時間段最容易出現(xiàn)事故狀態(tài)或非常態(tài)下的輸送，那么可以在這個時間段之前，預先投入更多的管道設備，確保供熱系統(tǒng)的安全運行。而在更加安全的時間段，則相應停掉多余的管道設備，提高供熱系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益。另外，對于實行改造的費用來說，由于8#、9#管選址相比較其他管道位置近，所以改造費用比較低。

5 結(jié)語

通過物流管理來詮釋設計蒸汽管網(wǎng)的應用有著成熟的理論基礎，如何進行改造和優(yōu)化是一種全新的嘗試，對于第一聯(lián)合裝置的蒸汽系統(tǒng)來說，這種分析改造是非常有效的和可行的。在中國，物流管理這門學科大量被用于汽車、飛機、火車、輪船、快遞等運輸行業(yè)，但在管道的物流輸送方面應用很少。在石油化工行業(yè)，大量的物料如蒸汽、乙烯、航空煤油、柴油、天然氣等需要長距離管道輸送，通過引入物流管理學科進行管理優(yōu)化，不但使得這些高壓、易燃易爆的管道系統(tǒng)的輸送更加安全，更加經(jīng)濟，同時可以對未來物流信息進行預判，也為其他類似的長距離管道輸送系統(tǒng)的運行改造提供借鑒。

[1] 刁柏青，李學軍，王建.物流與供應鏈系統(tǒng)規(guī)劃與設計[M]. 北京：清華大學出版社，2003:8.

[2] 蔡臨寧.物流系統(tǒng)規(guī)劃——建模及實例分析 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2003:27.

[3] 宋偉剛.物流工程及其應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2003:221.

Application of Logistics Management in Optimization of Pipeline Heating Systems

Zhu Huifeng

(SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

With the first united unit of SINOPEC Shanghai Petrochemical Co., Ltd. (the “SPC”) putting into normal production, its steam system was also incorporated into the heating network system of SPC, which exerted high effect on the safe and economic operation of the heating network system. By introducing the logistics supply chain management system, with the supply chain structure dendrogram analysis, the heating network system and steam delivery mode in SPC were comprehensively analyzed, to identify weak points of the first united unit for heating network system, so as toraise proposals on optimization transformation. It also provides reference for the safe operation analysis and pipeline optimization of other long-distance pipelines of SPC.

heating logistics, supply chain system, regression analysis,optimization, address selection

2015-11-02。

朱慧峰，男，1969年出生，1989年畢業(yè)于上海石油化工中等專科學校，2008年畢業(yè)于同濟大學物流管理專業(yè)，工程師，長期從事熱力調(diào)度工作。

1674-1099 (2015)06-0037-04

TQ083+.3

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