“雙碳”背景下煉油裝置能效評價方法研究

陳 廣 衛

(中國石油化工集團有限公司能源管理與環境保護部，北京 100728)

近期，國際能源署分析指出，按照全球溫升不大于2 ℃的目標，2050年前全球溫室氣體排放需從當前的33 Gt降至10 Gt左右，為此，要求節能提效、可再生能源、替代燃料、核電以及二氧化碳捕獲和封存(CCUS)技術對全球二氧化碳減排的貢獻率分別達到37%，32%，8%，3%，9%，還有12%的貢獻率由其他技術滿足。另外，經多方測算表明，節能和提高能效對我國實現2030年前碳排放達峰目標的貢獻率要達到70%以上，發展可再生能源和核電貢獻率接近30%。CCUS技術對我國實現碳達峰很難作出實質性貢獻。

煉油廠不僅是能源生產大戶，同時也是能源消費大戶、碳排放大戶。例如，一個千萬噸級燃料型煉油廠每年的綜合能源消費量折合標準煤大約為2.0 Mt左右，其中燃料和動力能耗占比高達60%以上；二氧化碳排放量大約為3.5 Mt左右，其中固定排放(煤、石油焦、煉油廠干氣、天然氣等燃燒排放)占50%左右，是主要的二氧化碳排放源和降碳潛力點。因此，節能是煉油廠實現碳達峰目標的最重要途徑。

為進一步推動節能降耗工作，需要對當前的能效評價方法進行改進，使其適用于煉油裝置為滿足“雙碳”目標要求的能效評價。本研究從用能機理出發，結合“三環節”理論的用能分析，以流程模擬技術為依托，提出一種新型的能效評價方法，用以指導煉油裝置的節能潛力分析和節能方案優化，使煉油裝置實現能耗更低。

1 國內外主要能效評價方法

1.1 國外主要評價方法

(1)能源密度指數(EII)

EII由美國所羅門公司(Solomon)提出，是用于反映煉油廠能耗水平的評價指標。煉油裝置的工藝類型、加工方案、加工負荷對裝置能耗均有較大影響。EII指標的優勢在于計算不同工況下的裝置理論能耗時綜合考慮裝置類型、進料性質、操作條件及產品質量等主要因素，相當于為每個煉油廠制定一個能耗標準。如常減壓蒸餾裝置需要考慮閃蒸段溫度，催化裂化裝置需要考慮燒焦率，重整裝置需要考慮反應器溫差等。

EII方法在計算裝置基準能耗時增加了能耗影響因素，包括環境溫度、燒焦率、反應溫升等，主要用于全廠能耗的對比。也可用于裝置能耗對比，但準確度不夠[1]。目前BP、SHELL等大多數國際石油公司均采用EII方法作為與其他石油公司進行外部能耗對標的方法。

(2)最佳技術指數(BT)

BT法由KBC公司提出，通過分析每個裝置的操作數據和工藝數據，特別是影響能耗的主要工藝參數，如加熱爐效率、機泵效率、夾點溫差、轉化率、分餾效果等，建立能量使用效率的評估標準。BT為100%的煉油廠能效最高，而一般煉油廠的BT為120%～250%，BT越大表示能耗越高。

BT評估方法已在全球煉油化工企業廣泛使用，適用于單個工藝裝置、公用工程系統，也適用于全廠。BT為100%的工廠至少要達到以下標準：①所有加熱爐的效率超過92%；②工藝換熱網絡達到或接近夾點分析最優結果；③轉動設備的軸功率達到85%；④蒸汽無放空[2]。

BT評估方法是KBC公司專有技術，保密性高，其詳細計算評估方法難以獲取。

1.2 國內主要評價方法

(1)煉油綜合能耗

煉油綜合能耗是國內煉油企業普遍采用的方法，以一個完整的煉油廠為整體，將加工過程所消耗的一次能源與二次能源統一折算成加工每噸原油的標準能源消耗量。該指標反映了煉油廠加工單位原油的能源消耗，具有較好的歷史同期可比性，但在不同煉油廠間對比時，由于各個企業采用不同原料和工藝流程，該方法很難客觀評價真實的用能水平，無法科學判斷節能潛力，也無法幫助尋找關鍵的節能改進方向[3]。

(2)單因能耗

單因能耗是近年來國內能效領跑企業評價的關鍵指標。其技術原理規定各個裝置或系統基準能量因數，如規定常減壓蒸餾裝置能量因數為10 kgEO/t(1 kgEO=41.8 MJ)，焦化裝置能量因數為25 kgEO/t，蠟油催化裂化裝置能量因數為48 kgEO/t。按實際總流程計算全廠整體基準能量因數，采用實際能耗比較基準能量因數作為能效高低的評判。單因能耗的技術優勢是考慮了企業間加工流程的影響因素，易于進行煉油廠間能耗對比；不足是為了指標通用性，將單裝置基準能耗定義為固定值，且該值比目前實際水平偏高，用于裝置的能效評價與分析時誤差較大。

2 基于用能機理的能效評價方法

2.1 我國煉油行業特點

(1)煉油工序模塊化

國內煉油工藝經過近50年發展，針對不同餾分或性質的原料和國內市場需求，發展出一整套具有中國特色的煉油技術體系，通過模塊化配置，基于一個或多個主要模塊(包括反應模塊、分餾模塊)配置相應的流程模塊(換熱網絡、機泵、加熱爐、壓縮機)，常見的煉油裝置包括常減壓蒸餾裝置、催化裂化裝置、延遲焦化裝置、重整裝置以及加氫裝置等，主要模塊如表1所示。

表1 煉制單元匯總表

(2)煉油過程能量消耗機理復雜

煉油加工過程流程復雜，用能過程互相關聯，能效影響因素很多。以加氫裝置燃料氣消耗為例：加熱爐燃料氣消耗的關鍵因素不僅是加熱爐效率，還有加熱爐前后溫差。爐前溫度，由裝置熱回收效率決定；爐后溫度，由反應條件決定，本質上由加工方案和催化劑性能決定，如圖1所示。

圖1 燃料氣消耗邏輯

2.2 裝置能效評價方案設計構想

針對現有能效評價方法的不足和我國煉油行業特點，提出一種基于能耗機理和大數據支持的指標化、通用化、體系化的單裝置能效評價方案，其示意見圖2。技術路線如下：

(1)研究煉油裝置用能機理，將用能過程模塊化，構建模塊間能量關系。

(2)研究模塊內用能機理，探索、總結模塊內關鍵能效指標，分主要能效指標和次要能效指標。

(3)通過機理模型和大數據分析相結合的方式，研究能效指標具體評價方法。

(4)設計裝置能效指數，研究主要能效指標對裝置能耗的影響因子，通過權重法構建裝置能效指數。

(5)總結形成煉油裝置能效評價方法，即三級能效評價：裝置能效指標、模塊主要能效指標、模塊次要能效指標。

圖2 能效評價流程

3 能效評價技術工具

基于能耗機理的能效評價研究是從用能機理出發，梳理各模塊間的能量關系，借助一定的技術工具對能效影響因素進行定性和定量分析，以生產大數據作為關鍵支持，形成裝置能效指標。可應用的技術工具有：

(1)利用“三環節”理論，建立模塊間的能量平衡和邏輯關系。

“三環節”能量模型是適用于復雜能量過程系統的嚴格、定量的能量結構數學模型。決定用能關鍵的是能量利用環節，它是過程系統的核心部分，在該環節中能量推動各個單元過程的進行，主要是反應過程和分離過程。其次是能量回收環節，主要涉及換熱網絡，還包括功回收、能量升級、物流循環等。能量回收對過程系統優化是很重要的，但不是決定性的。第三個環節是能量轉化和傳輸環節，如熱能和物流的流動能。“三環節”能量模型結構示意見圖3。根據該模型，先對能量利用環節進行計算，評估分析工藝本身用能情況，再對能量回收環節進行計算，評估能量回收情況，在能量利用環節和能量回收環節優化后，根據工藝方的能量需求合理配置公用工程，評估能量轉化環節的效率。

圖3 三環節能量模型結構

利用“三環節”理論可清晰描述各模塊間的用能邏輯關系，建立裝置各模塊間的能量平衡關系，結合“三環節”能量模型結構，能量平衡關系如式(1)所示。

EP=EB+EW+ET+EJ+EE

(1)

式中：EP為供入能；EB為轉換輸出能；EW為損失能；ET為熱力學能差；EJ為排棄能；EE為回收輸出能。

以加氫裝置燃料氣消耗為例，利用“三環節”理論進行用能分析。經分析，加氫裝置燃料氣消耗的關鍵影響因素為熱回收模塊和反應模塊。回收熱量決定了原料進加熱爐的溫度，熱回收模塊的熱量回收率越高，原料進加熱爐溫度越高，加熱爐消耗燃料氣越少；而反應模塊的燃料氣消耗主要取決于原料性質和催化劑性能，原料性質和催化劑性能越好，加氫反應放熱越多，熱量回收率越高，燃料氣消耗越少。因此，利用“三環節”理論可梳理出能耗影響的關鍵因素，建立各模塊間的用能邏輯關系。

(2)利用流程模擬軟件闡述各模塊間的用能機理，探索關鍵影響因素。

流程模擬技術是以工藝過程機理為基礎，采用數學方法來描述化工過程，通過應用流程模擬軟件(Aspen Plus，Pro/II，Petro-SIM等)，進行物料平衡、熱量衡算、機理研究和能量分析[4]。它是化學工程、化工熱力學、系統工程、計算方法以及計算機應用技術的結合產物，是近十幾年發展起來的一門新技術[5]。

現代化流程模擬軟件具備完善的數據庫，復雜而精確的數學模型，能進行物料、能量和設備計算、經濟評價、工況分析、穩態和動態集成、離線或在線模擬。應用Aspen Plus，Pro/II，Petro-SIM等先進流程模擬軟件，建立裝置嚴格能量計算模型，獲得裝置進料性質變化、裝置負荷變化以及不同生產方案對能耗的影響規律；利用流程模擬軟件建立煉油廠流程優化模型和能量優化模型，描述進料性質變化對裝置單耗數據的影響，依托模擬軟件強大的數據庫，精準的計算能力，構建全局能流平衡，進行各模塊內的用能機理研究。

(3)大數據綜合處理分析也是能效指標建設過程的重要工具。

煉油是一門試驗科學，過程機理較為復雜，很多用能過程無法用機理清晰闡述，亦無法建立嚴格的機理模型。隨著數字化煉油廠的建立和計算機信息技術的發展，各煉油廠將煉油裝置運行工況數據儲存于PI系統或MES系統，構成了煉油工藝海量數據庫，奠定了大數據分析和應用的數據基礎。因此，可利用企業生產的大數據進行綜合分析，結合實踐經驗、化工原理以及相關技術文獻，類比多個煉油廠、多套同類裝置的大數據，包括工藝參數、設備參數、綜合參數等，合理地調用和篩選，在大數據橫向、縱向對比及分析的基礎上，分析關鍵參數變化對工藝與能耗的影響，以此總結關鍵能效指標及其評價方法。

4 案例分析

以常減壓蒸餾裝置為例，對其用能過程進行分析，各類能源消耗中，燃料氣(熱能)占比最大，在總能耗中約占80%以上，其次是電能和蒸汽。

4.1 能量邏輯關系

以熱量(燃料氣)消耗為例，利用“三環節”理論建立能量邏輯關系，如圖4所示。根據“三環節”用能理論分析和能量平衡，結合燃料氣消耗邏輯關系，燃料氣用能過程中的能量平衡關系如式(2)所示。

EP=EW+ET+EJ+EE

(2)

式中，EW為常壓爐和減壓爐的散熱損失能。

圖4 燃料氣消耗邏輯關系

能量轉換環節：燃料氣進入常壓爐和減壓爐燃燒，將化學能轉換成熱能，提供工藝需求的熱量，此過程為能量轉換環節。能量轉換過程中存在轉換效率問題(即常壓爐和減壓爐的熱效率η常壓爐、η減壓爐)，從而導致存在傳遞和轉換損失EW(Q常壓爐損失、Q減壓爐損失)，包括散熱損失和煙氣排放損失，其余熱量為送入工藝裝置的有效能Eu1+Eu2，能量轉換環節的能量平衡關系見式(3)。

EP=EW+Eu1+Eu2

(3)

式中：EW為常壓爐和減壓爐損失；Eu1、Eu2分別為供入常壓塔和減壓塔的熱量。

能量利用環節：工藝用能裝置即電脫鹽、初餾塔、常壓塔和減壓塔。從常壓爐、減壓爐供入的有效能Eu1+Eu2直接供入常壓塔和減壓塔；同時，能量回收利用環節ER送入能量利用環節，共同為工藝裝置對原料的分離提供能量。工藝的能量利用水平取決于原料轉換為產品過程所消耗的實際能量和原料及產品的熱力學能差ET(物理能和化學能能差之和)。此環節的能量平衡關系如式(4)所示。

EN=Eu1+Eu2+ER-ET-EO

(4)

式中：EN為工藝總用能；ER為回收循環能；EO為待回收能。

能量回收環節：此環節對工藝裝置或系統存在的可利用能量進行回收，如對常壓塔和減壓塔中段回流以及側線產品的熱量進行回收，用于給原料加熱。所回收的熱量反饋至能量利用環節，未回收的熱量一部分作為回收輸出能，另一部分作為排棄能(被空氣冷卻器或水冷卻器冷卻)，此環節的能量平衡關系如式(5)所示。

EO=ER+EJ+EE

(5)

4.2 模塊用能機理和能效評價指標

根據常減壓蒸餾裝置用能機理，原油通過加熱爐提供的熱量一次汽化，經常壓塔、減壓塔進行產品分離，加熱爐提供的熱量取決于工藝用能裝置，同時工藝環節的能量經回收反饋于工藝用能裝置。

(1)常壓塔

常壓塔熱量平衡如圖5所示。常壓塔熱平衡方程如式(6)所示。

H爐出口+H蒸汽=H常頂油+H常一線+H常二線+
H常三線+H常渣+Q頂冷+Q頂循+Q一中+Q二中

(6)

式中：H爐出口為常壓塔入塔能量；H蒸汽為常壓塔汽提蒸汽能量；H常一線、H常二線、H常三線、H常渣分別為常一線、常二線、常三線、常壓渣油所攜帶能量；Q頂冷為常壓塔塔頂冷卻負荷；Q頂循、Q一中、Q二中分別為頂循環、一中段循環、二中段循環取熱量。

圖5 常壓塔熱平衡示意

常壓塔能量由H爐出口和H蒸汽提供，以常壓爐出口能耗H爐出口為主。H爐出口取決于產品收率(常頂油、常一線、常二線、常三線、常壓渣油)和過汽化率。過汽化率越高，產品分餾質量越好，但H爐出口越大，所消耗的燃料氣越多。

該指標評價方案采用大數據集合與分析的評價方法，集合行業同類裝置實際運行數據，通過大數據綜合分析，并將排名前10%定為先進水平，排名10%～50%定為常規水平。

回流取熱比例影響換熱網絡熱量回收率。分餾塔下部回流取熱比例越高，越有利于熱量回收；上部取熱比例越高，越有利于全塔氣液交互作用，提供更好的切割效果；同時，下部負荷存在理論極限值。

該指標評價方案采用流程模擬與大數據綜合分析相結合的方式，將機理模型最佳值作為節能最佳指標，大數據類比作為評價指標，制定取熱比例的合理指標范圍。

回流取熱溫差對能效也有影響，溫差越小，則所取熱量品質越高，有利于換熱網絡熱量回收，但泵和管線造價越大。閃蒸段壓力和全塔壓降影響燃料氣能耗，塔壓越低，越有利于分餾，但氣相體積增大，所需塔徑越大，同時較低的塔壓不利于塔頂氣的排出，需借助壓縮機將塔頂氣抽出。

綜合以上用能過程分析，常壓塔關鍵能效評價指標如表2所示。

(2)減壓塔

與常壓塔分析過程類似，減壓塔關鍵能效評價指標如表3所示。

表2 常壓塔關鍵能效評價指標

表3 減壓塔關鍵能效評價指標

(3)換熱網絡

換熱網絡是通過換熱器將熱物流熱量回收的過程，熱量回收率的大小與傳熱系數、換熱器面積和傳熱溫差有關，換熱網絡回收的熱量采用式(7)計算。

Q=∑(Ki×Ai×ΔTi)

(7)

式中：Ki為換熱器i傳熱系數；Ai為換熱器i的換熱面積；ΔTi為換熱器i的傳熱溫差。

換熱網絡能量過程主要是回收熱量用于原料加熱，回收的熱量直接影響到燃料氣消耗，常壓塔和減壓塔熱量回收條件對換熱網絡有直接影響，這部分影響因素已在該模塊中討論。換熱網絡單元內部主要依據“溫位匹配，梯級利用”的科學原則，將熱源、熱阱集中規劃，選用經濟合理的傳熱溫差匹配換熱網絡，進而決定公用工程需要的負荷。

換熱網絡單元技術分析的重要工具是夾點技術，夾點溫差是評價換熱網絡熱量回收效率的重要指標。換熱網絡“好壞”直接反饋出熱回收負荷大小，即加熱爐負荷大小。但加熱爐負荷也受到具體生產任務的影響，若生產任務要求高收率，則加熱負荷大。利用夾點技術，引入“夾點溫差”參數，從數學角度闡述夾點溫差對加熱爐負荷的影響，避免了生產任務的干擾，可以有效地評價換熱網絡的能效水平。

常減壓蒸餾裝置換熱網絡夾點溫差-公用工程負荷的關系如圖6所示。

由圖6可知：換熱網絡夾點溫差越小，熱公用工程用量越小；但夾點溫差越小，所需換熱面積越大，換熱器臺數增大，投資越大，因此換熱網絡夾點溫差存在最優范圍。換熱網絡夾點溫差對總費用(投資+能耗)的影響如圖7所示。

圖6 夾點溫差-公用工程負荷關系

圖7 換熱網絡夾點溫差對總費用的影響

因此，常減壓蒸餾裝置換熱網絡夾點溫差是評價燃料氣消耗的關鍵指標。該指標與其他次要指標的研究結果如表4所示。

表4 換熱網絡模塊能效評價指標

(4)加熱爐

常減壓蒸餾裝置包含常壓爐和減壓爐，是燃料能量轉換的環節，由燃料氣經燃燒轉換后提供能量，主要體現在燃料氣在加熱爐中的燃燒過程。加熱爐能量平衡如圖8所示。加熱爐熱平衡方程如式(8)所示。

Q=H出口-H爐入口=H燃料氣+
Q反應-Q煙氣-Q散熱=Q燃料氣×η

(8)

式中：Q為加熱爐有效熱負荷；H爐入口、H爐出口分別為工藝側物流進、出加熱爐所攜帶能量；H燃料氣為進入加熱爐燃料氣所攜帶能量；Q反應為燃料氣燃燒放出的熱量；Q煙氣為排煙熱損失；Q散熱為加熱爐散熱損失；Q燃料氣為燃料氣熱負荷；η為加熱爐效率。

圖8 加熱爐能量平衡

加熱爐模塊的關鍵影響因素是加熱爐效率，影響加熱爐效率的因素包括過剩空氣系數、排煙溫度、外表散熱(平均外表面溫度)。

以上指標采用數據集合與分析的評價方法，集合行業同類裝置加熱爐實際運行數據，通過大數據綜合分析，并將排名前10%定為先進水平，排名10%～50%定為常規水平，具體如表5所示。

表5 加熱爐模塊關鍵能效評價指標

(5)指標匯總

經以上分析，常減壓蒸餾裝置關鍵能效評價指標如表6所示。

表6 常減壓蒸餾裝置關鍵能效評價指標

4.3 設計能效指數

綜合各模塊的主要能效評價指標，對裝置能效指數(Z)初步設計如式(9)所示。

Z=∑Ai×α+∑Bi×β+∑Ci×γ

(9)

式中：Ai為能量利用環節分餾塔模塊第i個指標的評價得分；α為Ai的權重占比；Bi為能量回收環節換熱網絡模塊第i個指標的評價得分；β為Bi的權重占比；Ci為能量轉換環節加熱爐模塊第i個指標的評價得分，γ為Ci的指標權重占比。

5 結 論

(1)目前國內外存在的能效評價方法各有優劣，主要適用于企業間整體能效水平的對比，缺少一種有效的針對目前國內煉油技術水平的裝置能效評價方法。在“雙碳”背景下，亟需這種全新的評價方法來評價現有裝置的用能水平。

(2)基于煉油過程用能機理與大數據支持，建立裝置的三級能效指標體系，提出一種新的煉油裝置能效評價方法。通過同類裝置之間的對比，挖掘裝置節能潛力，為實現“雙碳”目標提供助力。