石化企業能源管理系統的研發與應用

李德芳，索寒生，劉暄

（1中國石油化工集團公司信息化管理部，北京 100728；2石化盈科信息技術有限責任公司MES事業部，北京 100007）

引 言

石化企業能源消耗較大，一方面是由石化行業的特點造成的，另一方面也與以前能源管理較為粗放相關。以前，石化企業的能源管理計劃性不強，各能源介質的管理相對獨立，整體集成度不夠，無法及時統計、分析能源供需實績，制約了能源資源的合理分配、利用、優化。充分依托信息技術，建設石化企業能源管理系統，提升能源管理水平，提高節能意識，對能源消耗進行預警、監控，實現能效最大化，無疑是支撐上述工作的有效路徑之一。

首先，通過建設能源管理系統，建立起能源供應、轉換、輸配和消耗集中的能流體系，實現能流、能耗的動態監控及能源集中統一管理和優化利用，形成能源管理業務從用能計劃、用能監控、用能統計到用能改進的業務完整閉環，做到能源用前有計劃、使用過程有跟蹤、成效結果有評價。

其次，通過能源管理系統建設，有助于“總部－企業”集成一體的能源管理體系的形成。并通過信息技術，將國內外先進、成熟的技術轉化為節能減排的生產力。尤其是一些成熟的節能模型、實時優化技術、模擬技術，它們與信息系統結合，將大幅度提高能源管理的定量管理水平[5-6]。

最后，能源管理信息化是工業化與信息化兩化深度融合的重要標志，是企業利用信息和系統優化技術實現降低能源消耗成本，提高能源使用效率，支持企業節能降耗的重要手段[7]。

1 石化企業能源管理系統設計思路

1.1 能源管理業務范圍

作為傳統的高耗能大戶，石化企業日常生產過程中，能源產、輸、轉、存、耗、銷整個過程非常復雜。以煉化企業為例，能源管理業務范圍如圖 1所示。

圖1 煉化企業能源管理業務總貌Fig.1 Energy management business of petrochemical enterprises

圖2 能源管理系統各環節設計重點Fig.2 Design focus of energy management system

1.2 能源管理系統總體設計

如圖1所示，石化企業能源管理系統在業務維度上包括了化石能源（石油、煤炭產品）與非化石能源（風力、水力、太陽能）的能源供應、能源生產、能源存儲、能源轉換、能源輸送與能源消耗各環節。在管理層級上，形成從計劃、執行監控、統計、績效評價、考核的管理閉環，幫助企業能源管理實現能效最大化、能流可視化、在線可優化。圍繞“Plan-Do-Check-Action”（PDCA循環），系統在各環節的設計重點如圖2所示。

1.3 能源管理系統功能設計

根據石化企業能源管理的業務特點，梳理業務定位，石化企業能源管理系統主要有6個功能模塊：能源計劃、能源運行、能源優化、能源統計、能源評價與能源績效，如圖3所示。

BIOTEK/EXL-808型酶標儀（美國伯騰）、Evolution-300分光光度計（美國賽默飛世爾）、KBFP-240恒溫恒濕箱（德國賓得）、MC-350磁力攪拌器（瑞士Salvis）、DH-800全自動血液生化分析儀（美國貝克曼庫爾特）、DxH-600血液分析儀（美國貝克曼庫爾特）。

（1）能源計劃 能源計劃包括能源的用能計劃與產能計劃，涉及計劃上報、審批、下達分解、調整。一是根據用能裝置能耗、生產負荷等實際情況，制定全廠用能計劃；二是根據用能計劃、動力生產約束條件，制定產能計劃，優化動力燃料及動力裝置負荷，降低產能成本；三是協調優化結果，得到優化的全廠能源計劃。

圖3 石化企業能源管理系統功能圖Fig.3 Function of petrochemical enterprises energy management system

（2）能源優化 能源優化包括用能優化、管網優化、動力優化（產能優化）、優化效益評定、優化操作評價等。包括下列介質優化：水系統、電系統、蒸汽系統、氫氣系統、燃料系統、風系統與瓦斯系統優化。用能優化針對煉化用能裝置能源消耗進行優化，對裝置的用能結構，裝置布局設計等進行優化設計；管網優化針對能源介質在供應、生產、輸送、轉換、消耗過程中的優化；動力優化考慮現場設備（動力鍋爐、汽輪機等）的各種約束條件（如鍋爐熱效率、汽機效率、燃料需求等）和能源價格（如電價差異、燃料價格等）因素，找出最經濟性的能源生產運行方案，優化能源生產安排，降低能源生產成本；介質優化防止過度備份和介質質量過剩造成浪費，降低生產成本；優化效益評定是將企業進行優化操作的當前運行成本、優化運行成本，操作后成本、操作后單位運行成本、實際節約成本進行分析比較，對其優化經濟效益進行評定；優化操作評價對模型數據維護、優化方案、優化執行、優化效益進行優化實操的業務評價，方便企業進行班組考核與效益統計[8-9]。

（3）能源運行 能源運行完成能源運行數據的收集、確認，以及對能源運行事件的有效記錄和能源運行狀態的監控和維護，最終通過能源運行數據反映全公司能源產耗的結構全貌和具體情況，為能源優化提供數據支撐和優化效果評價依據，實現對優化效用的評定。

（4）能源統計 能源統計利用能源運行收集和確認的能源產耗數據，對能源供應、生產、消耗全流程的運行數據進行歸集和統計，實現能源統計核算。能源統計包括管網平衡、產能統計、指標試算、損失統計、耗能統計、開停工消耗、指標核算、項目統計、碳排統計等。

（5）評價分析 評價分析是在能源統計數據的基礎上，利用物料、質量、設備等相關數據，對能源的產耗狀況進行評價和分析，明確企業的能源產耗狀況，找出能源產耗存在的問題和可優化的空間。評價分析包括基準管理、理論能耗、評價管理、對標管理、實際產耗、項目評價、優化評價、損失分析、能源結構分析、分布分析、成本分析、重點分析、碳排評價、碳排分析等。

（6）能源績效 能源績效管理面向能源產耗，實現績效評價與考核的量化、公平和公正；通過支持實時績效考核與評比，實現績效的過程管理及操作評價。在能源績效考核的基礎上，結合各裝置特點，形成面向各二級分廠的績效考核體系。通過分廠績效考核，推動裝置運行優化、降低加工損失、節能減排等工作的開展，促進裝置全面達標。能源績效包括績效指標、節能績效、達標績效、項目績效、碳排績效、系統績效等。

2 石化企業能源管理系統技術特點

2.1 能源管理系統工廠模型

能源管理系統工廠模型共4層，包括測量網絡層、生產操作層、統計歸并層與核算模型層，如圖4所示。其中，測量網絡層描述真實的物理儀表或虛擬儀表，測量點包括儀表、衡器和槽車計量，如汽車衡、軌道衡等；生產操作層描述了能源移動中的節點要素與節點間的連接關系；統計歸并層按統計規則抽象描述能源拓撲邏輯關系；核算模型層依據企業能源核算的需求，描述企業能源產耗的核算關系[10]。

圖4 石化企業能源管理系統工廠模型Fig.4 Plant model of petrochemical enterprise energy management system

圖5 石化企業能源管理系統工廠模型對象Fig.5 Object of petrochemical enterprise energy management system plant model

圖6 用能優化過程Fig.6 Energy consumption optimization process

能源管理系統工廠模型基本對象如圖5所示。

2.2 能源優化技術

按照用能最低，途耗最少，產能最優的整體目標，能源優化技術核心為用能優化、管網優化與動力優化3部分。

（1）用能優化 用能優化通過建立能源需求計劃優化模型，細化能源介質描述，優化裝置用能計劃，提高用能計劃準確性，促進產耗平衡，減少能源備份冗余，降低用能成本。用能優化過程如圖6所示。

（2）管網優化 管網優化主要針對水、電、汽、氮、風以及燃料等能源介質在供應、生產、輸送、轉換、消耗過程中的優化。管網優化功能包括：根據管網的結構數據和典型工況數據，建立管網模型，根據模擬分析結果和實測數據，對管網的現狀做出評估；對管網進行在線監控，實時監測管網運行工況；輔助管網優化調度，增強管網安全優化運行；輔助設計人員進行管網設計與改造等。蒸汽管網優化過程如圖7所示。

圖7 蒸汽管網優化過程Fig.7 Steam pipe network optimization process

圖8 能源動力優化策略Fig.8 Energy power optimization strategy

（3）動力優化 動力優化是指考慮現場設備的各種約束條件和公用工程的價格因素，利用熱動力模型和優化工具，優化公用工程生產計劃；與現場控制系統連接，按照離線的最優動力生產計劃進行在線閉環控制；在線進行原料優化、設備負荷優化、產出優化。動力優化效益主要體現在優化的燃料配比及應用，發汽負荷的優化及熱電聯產、削峰平谷電價政策等方面。能源動力優化策略如圖8所示。

3 石化企業能源管理系統應用成效

3.1 實現能源數據和指標評價分析可視化

采用“先聚焦，后聯動”的方式，綜合展示、分析能源生產消耗、能源儀表條件、管網差異情況、主要指標趨勢及影響因素等方面的數據，便于管理人員采取針對性管控措施，提高管理效率。

能源產耗分析，快速定位能耗異常波動。以板塊、廠和裝置為空間視角，以日為時間粒度，采用與計劃、與歷史兩類分析方法分析各核算單元、各類能源介質的外購、自產、消耗、轉供、自用、外售等信息。以揚子石化為例，其能源產耗分析如圖9所示。

圖9 揚子石化的能源產耗分析圖Fig.9 Energy production and consumption analysis of Yangzi enterprise

圖10 揚子石化的能源儀表分析圖Fig.10 Energy meter analysis of Yangzi enterprise

能源計量分析，理清能源計量狀況。統計分析儀表的數量、數采率、預計值、數采修改情況，為能源審計和儀表改造提供數據支撐。以揚子石化為例，其能源儀表分析見圖10。

分析管網差異，提高能源管理水平。對管網整體損失量進行歷史趨勢分析，采用與歷史、與計量兩類分析方法對與管網關聯的節點兩個典型數據版本統計預警，突顯存在數據異變的節點，預先計算其差異率，突顯其人為對計量數據干預的偏離信息。以揚子石化為例，其管網差異分析見圖11。

圖11 揚子石化的管網差異分析圖Fig.11 Network difference of Yangzi enterprise

圖12 揚子石化能源指標分析圖Fig.12 Energy indicator analysis of Yangzi enterprise

能源指標分析，確定關鍵因素。采用“先預警后聯動”的設計思路，通過對比計劃、比歷史波動兩種方式，預先提出報警，并與影響指標波動的關鍵影響因素一起聯動分析。以揚子石化為例，其能源指標分析見圖12。

3.2 實現設備整體運行動態監控

基于裝置運行數據、能耗指標，能源管理系統對主要耗能設備及區域進行能耗監測及預測；利用監測結果，為淘汰低能效的設備提供數據依據，提高能源利用整體水平。

對熱力系統整體運行進行監控，包括流量、溫度、壓力數據，同時將在線優化數據并列展示，為優化分析提供數據支撐，如圖13所示。

通過能源消耗裝置運行報警及趨勢展示，實現能源消耗關鍵裝置關鍵工藝點監控報警及趨勢展示，能源管理人員可以第一時間發現用戶側異常，及時調整應對，如圖14所示。

圖13 熱力系統總體監控圖Fig.13 Overall monitoring figure of thermal system

圖14 能源消耗裝置運行報警及趨勢展示圖Fig.14 Figure of energy consumption plant operation alarm and trend

圖15 燃料監控示意圖Fig.15 Fuel monitoring schematic diagram

燃料系統監控圖如圖15所示。

3.3 在線優化實操效益顯著，實現能源生產成本降低

基于能源優化技術，優化企業能源結構配置，調整鍋爐/汽機等設備操作狀態，優化外購/外供電優化操作方式，大大降低了石化企業能源成本，取得了顯著的經濟效益。截止2014年6月，在能源管理系統上線運行的4個月中，揚子石化的能源優化效益如表1所示。

表1 揚子石化能源優化效益Table 1 Energy optimization economic benefits table of Yangzi enterprise

4 結 論

石化工業作為支撐國民經濟發展的能源和基礎原材料產業，在促進國民經濟和社會發展中發揮著十分重要的作用。石化工業在為經濟發展提供物質支撐的同時，也消耗著大量的能源。石化企業節能降耗的潛力很大，信息技術在節能降耗方面前景廣闊。本文給出了面向石化行業的能源管理系統整體方案，覆蓋能源供應、生產、輸送、轉換、消耗全過程，涵蓋能源管理計劃、運行、統計、評價、分析、績效全業務。進一步，按照用能優化、管網優化與動力優化3方面刻畫了能源優化模型，并且在中國石化下屬企業試點成功，為綠色低碳、安全環保、節能減排提供支撐，是“建設世界一流能源化工公司”的一項重要舉措。

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