基于設備的石化能效監測方法研究

姚 冬 梅，　賈 成 錫，　王 克 峰，　王 　 棟*，　鄒 　 濤

( 1.大連理工大學 環境學院， 遼寧 大連　116024；2.遼寧師范大學 生命科學學院， 遼寧 大連　116029；3.大連理工大學 化工學院， 遼寧 大連　116024；4.中國科學院 沈陽自動化研究所， 遼寧 沈陽　110819 )

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基于設備的石化能效監測方法研究

姚 冬 梅1，賈 成 錫2，王 克 峰3，王 棟*1，鄒 濤4

( 1.大連理工大學 環境學院， 遼寧 大連116024；2.遼寧師范大學 生命科學學院， 遼寧 大連116029；3.大連理工大學 化工學院， 遼寧 大連116024；4.中國科學院 沈陽自動化研究所， 遼寧 沈陽110819 )

摘要：根據國內石化行業生產過程中在能效監測上的現狀，建立了能效監測體系架構，并根據該體系架構提出了基于設備的能效監測方法．利用該方法對石化行業中換熱器、機泵設備建立了能效計算模型，并給出了每種設備在能效參數上的求解方法，通過對能源消耗的實時監測明確了能源消耗的去向，實現了能源的精細化管理，為后續能效評估打下了基礎．

關鍵詞：石化企業；設備級；能效；監測；模型

0引言

隨著全球科技和經濟的高速發展，能源消耗和浪費越來越多．石化行業是國內能源消耗高行業，以2014年我國能源消耗情況為例，工業能源消耗量為2.45×109t標準煤，石化行業的能源消耗量為6.44×108t標準煤．可以看出，我國石化行業能源需求量非常大．但實際上，石化行業能源利用率相對較低，國外統計數據顯示：每年的工業企業能源消耗中有10%是缺乏能源監測和設備維護計劃造成的，而每年的石化行業能源消耗中高達12%是由于缺乏能源管控造成的．目前，歐美發達國家已經普遍將計算機監控系統、能源數據優化分析系統應用于先進企業的生產過程中．通過現代計算機網絡通信技術，建立了一套完善的能源消耗監測系統，實現能源消耗結構信息化、可視化管控及優化，提高能源的利用效率[1-2]．

在實際應用中，大多企業僅對部分關鍵設備實現了能效的實時監測，缺乏科學有效的能效監測方法和體系，無法全面了解企業整體能源消耗情況，使進一步通過管理手段挖掘節能潛力、降低能源消耗受到很大制約．作為節能減排技術應用的主要載體，很多大型石化企業仍缺乏切實有效的監測手段來管理系統能效[3-4]，比如，石化企業無法對生產過程中設備的能源消耗狀況進行全面了解，這樣企業對于能源是如何被消耗的、如何建立一體化的能效評價標準是不清楚的．因此，建立有效的能源消耗監測系統，能夠幫助石化企業對設備的能源消耗進行全面掌握，有利于對其運作成本、生產成本進行分析，及時采取針對性整改措施，達到降低生產成本、實現精細化節能管理的目的．

石化工業過程能源消耗除燃料外還主要包括水系統、蒸汽系統、制冷系統等能源消耗．每一個系統中都有大大小小的各種設備，這些設備的運行決定了整個系統的能源消耗情況．因此，設備在石化行業的各個系統中處于舉足輕重的地位．本文根據當前石化企業實際技術進展情況，提出一種基于設備級的能效計算方法，通過建立基于設備級的能效監測系統，對設備級中的換熱器、機泵的能源消耗情況進行計算，以清晰地了解能源消耗的分布，降低企業生產成本，提高用能效率，實現能源的精細化管理，為后續能效評估的實現打下基礎．

1能效監測系統架構

1.1系統網絡架構

能效監測系統通過OPC獲取實時數據(包括操作參數、分析數據)，結合設備數據，計算出能效，單設備的能效計算后存入關系數據庫．多種設備組成一個過程或一個系統，核算過程和系統的能效，相關數據存入關系數據庫，系統的網絡架構如圖1所示．

圖1　系統網絡架構

1.2功能模塊設計

在石化行業中，數量較多、單位較小而自身很完整的用能設備，是冷換設備和機泵，這樣監測系統中設備級分為兩類：

(1)冷換設備

冷換設備是化工行業中非常常見和重要的設備，其工作原理是，使得不同溫度的流體實現熱量的交換[5]．

本文中冷換設備包括換熱器和冷卻器．換熱器指工藝物流之間換熱的設備，包括蒸汽加熱；冷卻器指通過循環水冷卻工藝物流的設備．

在實際的換熱器能效監測中，通過數據接口獲取到的實時監測數據包括冷熱物流流量、出入口溫度和壓力等數據，需要計算的監測參數有熱負荷、傳熱系數、火用損、火用效率等．

火用又可稱為有用能，是指當系統由一任意狀態可逆地變化到與給定環境相平衡的狀態時，理論上可以無限轉換為任何其他能量形式的那部分能量，即理論上可轉化為最大有用功的能量．

火用作為一種參數，從“量”和“質”兩個方面定義了能量的“價值”，解決了熱力學中長期以來沒有一個參數可以單獨評價能量價值的問題，改變了人們對能量的性質、能量的損失和能量的轉換效率等問題的傳統看法，提供了熱工學分析的基礎[6-9]．

對于不同換熱器的能效監測，可以采用如今廣泛應用的換熱效率分析方法，但是換熱效率反映能量的差異只能表現在數量上，而對于反映品質上的差異有所欠缺，因此引入火用效率，以在能量平衡時既考慮數量，也考慮到質量[10-11]．

(2)機泵

石化生產裝置中用到的最大的傳動設備是工業用泵，它像人的心臟輸送血液那樣把各種液體介質如急冷水、蒸汽、化工原料及各種中間產品輸送到其他地方．

主要監測泵的軸功率、輸出功率，泵效率，電機輸入功率和電機效率．

本文中對泵的這些參數計算采用的是基于性能曲線的公式計算法．利用基于特性曲線的泵能效計算方法具有較高的精準度，適于用計算機程序確定泵輸送流體的性能，并繪制其性能曲線．

總之，為設備級能效監測提供多種有效、準確的計算方法，可為后續的能效評估做好準備．

2設備級的能效計算

2.1冷換設備

(1)熱負荷、傳熱系數的計算

在換熱器進行換熱的過程中，熱流體釋放的熱量和冷流體吸收的熱量是相等的，即Qh=Qc，Qh、Qc的表達式分別為

式中：Qh、Qc分別為熱、冷流體單位時間的換熱量，kW；Fh、Fc分別為熱、冷流體的實際流量，t/h；ch、cc分別為熱、冷流體的比熱容，J/(kg·K)；Thi、Tho分別為熱流體的輸入、輸出溫度，K；Tci、Tco分別為冷流體的輸入、輸出溫度，K．

換熱器的傳熱系數

式中：A為換熱面積，m2．

對于式中ΔTm的計算，采用的是求對數平均溫差法：

套管式換熱器中流體存在逆流和順流兩種情況，如圖2所示．

圖2　套管式換熱器流向

在實際的計算當中，有些換熱器計算需要輸入的參數經常不全，或者數據不準，這時需要依據相關數據校正．在換熱器冷熱物流沒有計量的情況下，需要通過其他方式計算流量，包括閥門流量計算，下面就系統中未知的換熱器流量計算做出詳解．

對于換熱器流量的計算主要有以下兩種方法：

①依據調節閥的閥門開度和閥門壓降計算

首先需要計算閥門開度與流量的關系，不同類型的閥門對應不同的流量特性關系．

閥門直線流量特性：

閥門等百分比流量特性：

δ=R(L/Lmax-1)

閥門快開流量特性：

式中：δ為相對流量；R=Fmax/Fmin，為可調比；L為閥門的實際開度；Lmax為閥門的最大開度．

其中，接近快開特性的為隔膜閥的流量特性，接近等百分比特性的為蝶閥的流量特性，接近直線特性的為閘閥的流量特性；球閥的流量特性比較特殊，在啟閉階段為直線特性，在中間開度的時候為等百分比特性[12]．

換熱器流量

Fh=δ·Fmax·(dp1/dp)0.5

式中：Fmax為最大流量，dp1為換熱器的設計壓降，dp為閥門的設計壓降．

②依據實際總流量與設計流量關系計算

(2)火用損和火用效率的計算

對于換熱器火用變，考慮熱物流和冷物流在無相變時的計算公式為

式中：TE,i、TE,o分別為物流進、出口溫度，K；F為物流的流量；ci為物流的比熱容，i=h,c；對于熱物流火用變為負，對于冷物流火用變為正，這里假設物質的比熱容不隨溫度的改變而改變．

對于有相變的物流：

這里假設相變溫度不變，熱物流ΔE1為負，冷物流ΔE2為正．

如果物流有相變，同時還有相變以外的熱量，則需要分段計算，即相變火用變、無相變火用變單獨計算．

對于多組分物流有相變，如果相變溫度變化范圍不大，則按溫度不變計算；如果相變溫度變化范圍較大，則看相變曲線是否為直線，如果是直線，則按非相變處理，如果不是直線，或者曲線程度很大，需要另外單獨計算．

換熱器總的火用損可表示為

ΔE=ΔE1+ΔE2

2.2機泵

泵的輸出功率可以表示為

式中：Ppo為泵的輸出功率，kW；pin為泵入口壓力，kPa；pout為泵出口壓力，kPa；F為流量，kg/h；ρ為流體密度，kg/m3．

電機功率：

Peo=1.732×U×I×cosφ

式中：Peo為電機的有功功率；U為電機電壓；I為電機電流；cosφ為功率因數．

泵的性能曲線表示的是在某一特定轉速下，揚程H、軸功率P、泵效率η與流量Q之間的關系，如圖3所示，為通過現場實測數據得出的電機轉速為1 480 r/min時泵的性能曲線．

當離心泵的轉速變化不大時，泵的流量、揚程、軸功率與轉速可近似用比例定律來計算，即

H、η與F的關系式為

其中F可以直接通過儀表來測量，而H則通過公式來計算：

H=h+(pout-pin)/ρ

式中：h為泵進出口的垂直距離．

圖3　泵的性能曲線

運用最小二乘法求解：

當且僅當M和N取最小值時，所求性能曲線的誤差最小，運用隱函數求最值的方法即可得到性能曲線，根據現場數據得到流量、揚程，由流量-揚程性能曲線和泵的比例關系確定精確轉速，再由流量-效率性能曲線查出效率，這樣便可計算出泵軸功率．

3仿真

3.1換熱器

圖4為某石化廠急冷水系統，對換熱器E-1101進行能效監測，其冷流體為石腦油，熱流體為急冷水，根據流量計算的第一種算法，從PID圖中可以找到，E-1101換熱器左側的閥門為球閥．E-1101設計流量為279.450 t/h，閥門開度為100%，換熱器與閥門的壓降分別為70 kPa和140 kPa，可以得到E-1101實際流量為

根據流量計算的第二種算法，E-1530A設計流量1 462.458 t/h，E-1530B設計流量1 462.458 t/h，E-1430A/B設計流量為544.364 t/h，E-1340設計流量為48.499 t/h，則熱流體急冷水設計流量為(3 517.779+279.450) t/h．由現場數據可知，熱流體急冷水的實際總流量為2 846.700 t/h．因此，換熱器E-1101急冷水的實際流量為

279.450 t/h=209.500 t/h

在實際計算中，第二種流量計算結果更為精確．換熱器E-1101的熱流體急冷水入口溫度為89.9 ℃，出口溫度為65.0 ℃，急冷水的比熱容為4.2×103J/(kg·K)，則熱流體一側的換熱量為QE-1101=Fh_E-1101×cc×(Tco-Tci)=

6 085.98 kW/h

E-1101換熱器中冷熱流體為逆流換熱，換熱器的換熱面積為282 m2，E-1101換熱器中冷流體石腦油的入口溫度為30.9 ℃，出口溫度為60.0 ℃，冷流體石腦油的實際流量為640 t/h，冷流體石腦油的比熱容為1.71×103J/(kg·K)，環境溫度為20 ℃，則

圖4　急冷水系統

因此，換熱器傳熱系數

675.48 W/(m2·℃)

E-1101為無相變換熱器，熱流體急冷水的火用損

-4 500.6 kW/h

冷流體石腦油的火用損

4 812.3 kW/h

因此，換熱器的火用損

ΔE=ΔE1+ΔE2=

(-4 500.6+4 812.3) kW/h=

311.7 kW/h

以某石化廠乙烯裝置急冷水系統中的換熱器E-1101為例，本文選取了1個月的生產數據對其進行能效監測，結果如圖5所示．

圖5　某石化廠監測一個月的傳熱系數

由此可見，從總傳熱系數的變化，可以看出一個換熱器的狀態．傳熱系數計算結果會隨時間不斷變化．影響總傳熱系數的因素很多，測量誤差也有影響，在短時期，總傳熱系數會有不規律的變化，但長時間，總傳熱系數是不斷變小的，換熱效果在一次大檢修后會不斷變差．換熱器換熱效果變差，是由換熱器管道表面結垢引起的，因此需要定時對換熱器的管道進行清理．

3.2機泵

以某石化廠盤油系統中的急冷油循環泵為例，已知該泵在3 000 r/min時的性能參數如表1所示．

表1　3 000 r/min時泵的性能參數

由已知的性能參數，根據最小二乘法可求得流量-揚程、流量-效率性能曲線如圖6所示．

(a) 流量-揚程性能曲線

(b) 流量-效率性能曲線

圖6特性曲線仿真結果

Fig.6Simulation results of characteristic curve

在生產過程中，某一時刻該急冷油循環泵的入口壓力為1.08 MPa，出口壓力為0.15 MPa，流量為2 500 kg/m3，則通過流量-效率性能曲線可以得到泵的效率為77.61%．則泵的軸功率

將計算出的泵軸功率與泵的設計值進行比較，收集一個月軸功率數據，與計算出的軸功率數據進行觀察，確定泵性能的好壞．

4結語

本文分析了當前中國石化行業在能效監測上所面臨的問題，闡述了對石化行業進行能源精細化管理的必要性．建立了能效監測體系架構，并根據該體系架構提出了基于設備的能效監測計算方法．該方法對石化行業中換熱器、機泵設備建立了能效計算模型，并給出了每種設備在能效參數上的求解方法，最后在某石化廠乙烯生產過程中的設備上進行應用，幫助企業監測所有設備的能源消耗情況，實現了石化企業能源的精細化管理，為后續能效評估打下了基礎．

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文章編號：1000-8608(2016)04-0341-07

收稿日期：2015-12-11；修回日期: 2016-05-20．

基金項目:“八六三”國家高技術研究發展計劃資助項目(2014AA041802)；國家自然科學基金資助項目(61374112)；工信部智能制造綜合標準化試驗驗證項目；中國科學院網絡化控制系統重點實驗室基金資助項目(WLHKZ2014010)；浙江省控制科學與工程重中之重一級學科開放基金資助項目．

作者簡介:姚冬梅(1980-)，女，博士生，E-mail:ydm1980@126.com；王 棟*(1964-)，男，教授，E-mail:wangdong@dlut.edu.cn；鄒 濤(1975-)，男，研究員，E-mail:zoutao@sia.cn.

中圖分類號：TK012

文獻標識碼：A

doi:10.7511/dllgxb201604003

Study of petrochemical energy efficiency monitoring method based on equipment

YAODong-mei1,JIACheng-xi2,WANGKe-feng3,WANGDong*1,ZOUTao4

( 1.School of Environmental Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2.School of Life Science, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China；3.School of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；4.Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110819, China )

Abstract：Based on the situation of the process of energy efficiency monitoring in the domestic petrochemical industry，the energy efficiency monitoring system framework is constructed to design the energy efficiency monitoring method based on equipment. The method establishes energy efficiency calculation model for heat exchanger and pump equipment in petrochemical industry and proposes the solving method of each type of equipment in energy parameter, defines the destination of energy consumption by the real-time monitoring of energy flow consumption. The fine energy management is realized and the condition for the energy efficiency evaluation is provided.

Key words：petrochemical enterprise; equipment level; energy efficiency; monitor; model