煉化企業裝置能耗分析方法研究進展

王 敏，趙東風,，王永強，宋春敏，張婷婷

（1. 中國石油大學（華東）化學工程學院，山東 青島 266580； 2. 青島歐賽斯環境與安全技術有限責任公司， 山東 青島 266555）

煉化企業裝置能耗是全廠能耗最重要的組成部分，據統計，大型煉廠工藝裝置能耗占全廠能耗的比例達到85%～90%［1］，因此對耗能裝置采取科學的用能分析方法進行評價，找出用能薄弱環節，以進行節能改造，對于全廠節能降耗至關重要。

煉化裝置用能分析方法經歷了以下幾個階段：長期以來一直采用的以熱力學第一定律為基礎的能量平衡法，主要評價指標為裝置的綜合能耗及產品單耗等，這些指標只代表裝置能耗值的大小，并不能反映整套裝置用能水平，因此可比性、適用性較差。此時提出了熵分析法，該方法可全面揭示能損的特征，但不能確定能流的有效能及損失，熵分析法多停留在學術理論研究的階段，并未廣泛應用于實際工程中［2］。隨著用能分析理論的研究，出現了火用分析法，該方法比能量平衡法更為完善，可反映能量使用過程中能質的變化情況，實際應用廣泛。與此同時，將熱力學分析和經濟優化結合的熱經濟學方法也得到了一定的發展，但該方法在裝置用能評價方面的應用還不及其他方法，覆蓋面較小。在這期間，由我國學者楊東華提出了一種能級分析法［3］，是一種更加完善的用能分析方法，但相關工程應用并不很多。在隨后的發展研究中，人們發現由于火用分析法作為一種靜態熱力學方法存在種種不足，由此火用傳遞的概念應運而生，通過從不同方面分析而揭示了火用的傳遞規律，可對用能過程進行針對性地指導、設計［4］；這是一種復雜而嚴密的分析方法，還在不斷地研究發展中，目前工程實踐應用還未普及。

用能分析方法的發展歷程中，出現了多種評價方法，但能量分析法以及火用分析法還是占據了主導地位。本文將對已在工程應用中證實具有可行性的一些裝置用能分析方法進行總結，提出各方法的應用建議，以期為煉化企業裝置用能評價提供一定的參考。

1 三環節分析法

根據石油化工過程用能特點，華賁等人總結出用能過程的三個環節：（1）轉換和傳輸環節：通過能量轉換設備將外界供給的一次能源（或二次能源）轉換為工藝過程得以直接利用的能量；（2）能量利用環節：是工藝過程的核心環節，完成原料到產品的變化過程；（3）能量回收環節：通過換熱、換功等過程從能量利用環節所排出的能量中進行回收（圖 1，2）［5］。

圖1 三環節能量結構模型Fig.1 Three-link energy structural model

圖2 三環節火用結構模型Fig.2 Three-link exergy structural model

（1）能量（火用）轉換效率：ηU=（EU+ EB+ EUO）/ EP×100%，ηXU=（EXU+ EXB+ EXUO）/ EXP×100%；

（2）工藝總用能（火用）：EN=EU+ ER+ ERE， EXN=EXU+ EXR+ EXRE；

（3）能量（火用）利用效率：ηP=（1- EUD/EN）×100%，ηXP=[1-（DKP+DJP）/EXN]×100%；

（4）能量（火用）回收效率：ηP=（ER+ EE）/（EO+ EUO）×100%，ηXR=（EXR+ EXE）/（EXO+ EXUO）×100%；

三環節分析方法的特點是按照能量變化規律而非物料變化規律分析研究工藝過程用能，將原料及產品的化學能差異放入熱力學能耗中來處理，不記原料的里正文內容化學能，不僅可以對裝置工藝過程能量使用數量進行分析，還可以分析能量質量的變化，運用三環節分析方法時需要裝置設備全面的能量平衡工藝參數及標定結果作為基礎數據。通過對現有、擴產改造后的裝置進行能量綜合分析，可以清晰地展示出工藝裝置用能情況，發掘節能潛力，從而找到節能降耗主要的方向，以采取相應的節能措施。

2 三箱分析法

實際運行的大型工藝裝置火用分析，可分為粗略分析、精細分析、次精細分析，相應模型分別為黑箱模型、白箱模型、灰箱模型（簡稱“三箱”模型）［6,7］。

2.1 黑箱分析模型

黑箱分析是利用輸入、輸出設備能流信息進行設備內部用能過程研究的一種手段。將設備視為由“不透明”邊界包圍的體系，不必剖析設備的內部過程，通過監測、計算得到火用流值、火用損值等（圖3）。

圖3 黑箱模型Fig.3 Black box model

黑箱模型分析中可通過計算得到設備的火用效率：

式中，Exef—有效火用，Exl—內部火用損與外部火用損之和，Exl=Exlr+Exlf；

但黑箱模型不能計算出設備各過程的火用損率，所以黑箱模型分析只可用于設備用能狀況的粗略分析。

2.2 白箱分析模型

白箱模型將設備看作由透明邊界包圍的體系，對體系內各個用能過程分別進行剖析，計算各個過程的耗散火用。白箱模型不僅能計算設備火用效率，還可計算體系各個過程火用損率（圖4）。

圖4 白箱模型Fig.4 White box model

內部火用損系數：

復雜設備的白箱分析、計算過程會比較繁瑣，其優點是通過火用損率的計算可揭示體系中用能的薄弱環節。

2.3 灰箱分析模型

灰箱分析模型將分析對象看作由半透明的邊界包圍的體系，對象內的設備或子系統看作黑箱，黑箱之間由主流火用相連接。灰箱分析模型適用于系統及子系統的評價分析（圖5）。

圖5 灰箱模型Fig.5 Grey box model

由灰箱分析模型可以計算出體系的火用效率及火用損系數：

其中：Exf=Exin+Exlf，則火用損系數為：

三箱模型分析法可減少復雜生產系統測試工作量，還能夠滿足用能分析的需要，找出工藝過程用能薄弱環節，比較適用于裝置環節及設備的分析。國內學者還將“三環節”與“三箱”分析法有機地結合起來，形成“三環節”“三箱”組合分析法[8]，基本思路是先對工藝裝置進行三環節分析，再對各環節用三箱分析法進行剖析，不僅清晰地解釋了三個環節的用能狀況，還準確判別了系統、設備用能薄弱環節。通過實際案例表明了該組合方法能更全面地進行綜合分析，并為提出節能改造方案提供切實可靠的依據。

3 基準能耗法

基準能耗的思路就是將裝置實際能耗指標與其基準能耗進行對比以評價裝置用能水平。例如美國埃克森公司提出的能耗基準因數法，英國KBC公司提出的BT指數法等，前者限制條件太多，普適性一般；后者屬于專利算法，使用具有很大的局限性[9]。此外由于國內外裝置工藝條件、參數的不同，也不能完全照搬使用國外的方法。但值得借鑒的是這些國外裝置用能評價方法都在不同程度上結合了實際生產過程中裝置加工流程、原料性質、加工方案等因素對能耗的影響，比單一的綜合能耗指標更加合理、全面。

20世紀80年代以來，中石化節能技術中心開展了煉油裝置基準能耗的研究，形成了常減壓裝置、催化裂化裝置、加氫裂化裝置、催化重整裝置、延遲焦化裝置等多套裝置的基準能耗計算方法[10]。基準能耗制定了比較先進的基礎工藝條件（包括較高水平的加熱爐效率、壓縮機效率、換熱溫差等），通過計算得到一定原料性質和產品要求下的基準能耗，將裝置的實際單項工藝參數等數據和基準能耗中所規定的基礎條件和基準能耗進行比較，可比較清晰地找到存在的用能問題，并發現節能潛力[11]。而基準能耗的結果表明了裝置所應該達到的能耗指標，是設計和節能改造的目標。

值得注意的是能耗基準具有其特有的使用范圍，計算基準不同會導致能耗計算結果的巨大差別，能耗大小和原油性質之間的關系也會截然相反[12]。能耗基準的確立是該方法的核心，隨著技術的進步和其他客觀條件的變化，基準能耗計算方法也需要隨之改進，因此，選擇實際合理的計算基準及約束條件并且適時進行方法的改進是非常必要的。

4 夾點分析法

Linnhoff 等在20世紀70年代提出了夾點技術（Pinch Technology），在此后的數十年里，夾點技術迅速發展，并廣泛應用于分析工藝過程能量目標，找出用能瓶頸，進而實現裝置的節能改造和能量綜合利用，以下介紹夾點技術的基本概念：

在一個換熱網絡中，將每一股參與換熱的冷、熱物流按照溫度的高低首尾相連得到各自的 T-H（溫度—焓）曲線，所有熱（冷）物流按照不同的溫位加合可得到熱（冷）物流的組合曲線；通過移動兩組合曲線，使其垂直距離最接近的位置恰好為最小傳熱溫差，該位置所對應的溫位即為夾點；對一個換熱網絡來說，保證只有位于夾點同一側的冷、熱流股進行熱量交換，避免交叉換熱及能量穿過夾點，則一定會使得過程的冷、熱公用工程達到最小；由此可總結出夾點設計分析的三個原則：①物流不能跨夾點傳熱；②夾點上方不設冷公用工程；③夾點下方不設熱公用工程[13,14]。

利用夾點分析法就是對現有裝置工藝流程夾點位置進行確定并分析其對于上述規則的符合情況，進而以夾點設計的原則，并根據分析的結果確定節能改造方案。夾點技術已廣泛應用于節能改造中，并取得了顯著成效，“過程系統能量集成技術”是以夾點技術為基礎的節能優化手段，已成功應用于國內石化企業的多套裝置用能分析[15]。

夾點分析的優勢在于可通過簡單清晰的圖形來反映系統的相關信息，具有較強的實用性。同時在進行換熱網絡設計時也存在著一定的不足，例如夾點分析不適用于單體設備的用能分析；在初步合成換熱網絡時，可能會導致初步合成的換熱單元數過多；夾點技術還比較依賴于設計人員的經驗，得到的換熱網絡不一定最優；另外，相關研究表明，夾點技術法還受原油性質的影響，重質原油冷、熱流股的熱平衡會不受夾點的約束[12]。相關專家學者也提出了改進的方法如三溫差法、系統能量松弛法等，對夾點分析法進行了一定的完善與補充， 但夾點分析法作為一種多目標的分步優化方法，難以一次性地得到網絡整體最優解，還有待于進一步研究。

5 能級分析法

20世紀60年代，國外學者朗特提出了能級的概念，定義能級=火用/能量。我國學者楊東華提出了能級分析的方法，指出在節能的同時也要做到能級匹配用能，能級指的是在一定的狀態下某種形式能量中火用的量，其數值反映了能量質量的優劣；能級匹配則是指輸入的的能量得到了完全利用，又剛好符合用戶工作所需［3，16］。而能級分析就是在能量平衡以及火用平衡的基礎上，遵循能級匹配和減少能損的原則，對能量的質量和數量利用的合理性進行分析的一種方法，其指標有能級差、能級平衡系數及效率等。能級分析法是一種更加優化的用能分析方法，解決了供、用能之間的能量合理匹配問題，以達到最佳經濟效益值，在工程應用中具有重要的推廣價值。

專家學者通過研究，將夾點分析法與能級分析法相結合得到能級—焓（Ω-H）圖法，從圖5-1中可以看出橫坐標表示了用能過程的能量平衡（Qin=Qout+Q1），而根據折線包圍的及陰影部分面積分別可得到輸入火用及火用損失的大小，進而可計算得到輸出火用［17］。從圖中可以看出整個用能系統以及各個單元部件的性能，發現系統某個環節或子系統的變化帶來的影響，系統用能“瓶頸”也可在圖中直觀地表現出來［18］。

圖6 能級復合曲線Fig.6 Energy level composite curve

6 結 語

目前煉化裝置常采用能耗分析方法有三環節模型、三箱模式、基準能耗、夾點分析、能級分析等方法，各種方法均有其應用優點及局限性，在實際應用中應結合具體情況選擇其中一個或幾個方法進行綜合分析。

（1）基準能耗法與夾點技術法的操作實行相對比較簡單靈活，也都在實際工程中有著廣泛的應用。基準能耗法可適用于用能工況較為穩定，能級差可忽略的裝置分析中，對于換熱及公用工程的用能分析則可運用成熟的夾點分析法。此外二者的一大優勢是不僅可以對現有實際運行的裝置進行用能分析，還可以對一個設計方案的用能情況進行分析評價，可適用于項目前期的預評估中。

但這兩種方法指標也比較單一，均未從有效能的角度來對用能進行評價分析，不夠全面，其本身也各存在著一定的不足。對于基準能耗法來說，在借鑒國外經驗的基礎上，要制定出適合我國煉廠裝置的能耗基準，中石化制定的《基準能耗》中，裝置類型還比較少，還需要繼續不斷地完善、補充，積極地開展相關研究。夾點分析法在實行過程中，還要更全面地考慮可能會對其分析、優化結果造成影響的因素（如原油性質的影響、溫度對物性的影響等），在實際應用中可與火用分析法以及能級匹配原理相結合，更全面、科學地對裝置進行分析評價。

（2）“三箱”模型分析法是典型的一種火用分析法，“三環節”法則將能量平衡法與火用分析法進行結合，更為優越、全面，表征了用能過程中質量的變化情況，對節能潛力有了更準確的判斷。但同時這兩種方法也存在著火用分析法本身的局限性，不能解決也不可能解決供、用能之間的匹配問題，從而達到經濟效益的最優化，因此這兩種方法也并未真正地對整個用能系統進行全面洞察，無法提供更多地改進信息。

這兩種方法的計算分析過程相對來說也比較復雜，掌握現有裝置的全面用能信息、工藝參數等數據是進行全面分析的關鍵。對于現有裝置能源審計中的分析評價來說，需要確定用能合理性、用能損失大小、分布情況等詳細全面的信息，因此可采用相對比較成熟的“三環節”法進行分析評價，而對于項目前期的節能評估來說，由于不能得到未建裝置實際運行的數據，則不適用。

（3）能級分析法可以說是一種在現有分析方法中最為完善的能量分析方法，真正全面地從能量數量和質量的角度對用能進行分析評價，彌補了火用平衡分析法的不足，能夠更科學、全面地對用能過程合理水平進行規劃、設計，以實現用能網絡最優化。雖然在工程應用中不及前幾種方法廣泛，但作為一種更先進的能量分析方法，隨著研究的不斷深入，應用水平的不斷發展，能級分析法將會發揮更大的作用。

根據煉化企業實際工程應用情況，能量平衡法及火用分析法始終占據著重要地位，而新方法的產生也并不意味著對傳統方法的完全否定，火用分析法以其本身存在的優越性、先進性也廣泛地被企業采用，因此同樣也需要不斷研究發展。隨著生產技術的發展，工藝裝置的能效水平也不斷提高，要全面、科學地評價裝置的用能水平，需要不斷地對現有的方法進行補充、完善，以適應不斷出現的新工藝、新技術、新設備對裝置用能水平的影響。此外，隨著經濟形勢的日益嚴峻，不能將節能減排孤立起來，要將經濟形勢與節能有機地結合起來，綜合考慮二者之間的關系；像現有的熱經濟學分析方法，將熱力學分析和經濟優化進行結合，尋求整體的優化；火用傳遞法彌補了火用分析法無法揭示火用的傳遞過程等缺陷，通過從不同方面進行分析而揭示了火用的傳遞規律；雖然這些方法應用并不廣泛，但也為用能分析方法的發展起到了很大的參考作用，有待于進一步結合生產實際進行研究并不斷完善，也為科學、切實地制定用能分析方法以對工藝裝置進行全面有效的評價奠定了基礎。

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