石化企業(yè)能源管理系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)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(shù)有限責(zé)任公司MES事業(yè)部，北京 100007）

引 言

石化企業(yè)能源消耗較大，一方面是由石化行業(yè)的特點造成的，另一方面也與以前能源管理較為粗放相關(guān)。以前，石化企業(yè)的能源管理計劃性不強，各能源介質(zhì)的管理相對獨立，整體集成度不夠，無法及時統(tǒng)計、分析能源供需實績，制約了能源資源的合理分配、利用、優(yōu)化。充分依托信息技術(shù)，建設(shè)石化企業(yè)能源管理系統(tǒng)，提升能源管理水平，提高節(jié)能意識，對能源消耗進行預(yù)警、監(jiān)控，實現(xiàn)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(shè)能源管理系統(tǒng)，建立起能源供應(yīng)、轉(zhuǎn)換、輸配和消耗集中的能流體系，實現(xiàn)能流、能耗的動態(tài)監(jiān)控及能源集中統(tǒng)一管理和優(yōu)化利用，形成能源管理業(yè)務(wù)從用能計劃、用能監(jiān)控、用能統(tǒng)計到用能改進的業(yè)務(wù)完整閉環(huán)，做到能源用前有計劃、使用過程有跟蹤、成效結(jié)果有評價。

其次，通過能源管理系統(tǒng)建設(shè)，有助于“總部－企業(yè)”集成一體的能源管理體系的形成。并通過信息技術(shù)，將國內(nèi)外先進、成熟的技術(shù)轉(zhuǎn)化為節(jié)能減排的生產(chǎn)力。尤其是一些成熟的節(jié)能模型、實時優(yōu)化技術(shù)、模擬技術(shù)，它們與信息系統(tǒng)結(jié)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(yè)化與信息化兩化深度融合的重要標(biāo)志，是企業(yè)利用信息和系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)降低能源消耗成本，提高能源使用效率，支持企業(yè)節(jié)能降耗的重要手段[7]。

1 石化企業(yè)能源管理系統(tǒng)設(shè)計思路

1.1 能源管理業(yè)務(wù)范圍

作為傳統(tǒng)的高耗能大戶，石化企業(yè)日常生產(chǎn)過程中，能源產(chǎn)、輸、轉(zhuǎn)、存、耗、銷整個過程非常復(fù)雜。以煉化企業(yè)為例，能源管理業(yè)務(wù)范圍如圖 1所示。

圖1 煉化企業(yè)能源管理業(yè)務(wù)總貌Fig.1 Energy management business of petrochemical enterprises

圖2 能源管理系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計重點Fig.2 Design focus of energy management system

1.2 能源管理系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1所示，石化企業(yè)能源管理系統(tǒng)在業(yè)務(wù)維度上包括了化石能源（石油、煤炭產(chǎn)品）與非化石能源（風(fēng)力、水力、太陽能）的能源供應(yīng)、能源生產(chǎn)、能源存儲、能源轉(zhuǎn)換、能源輸送與能源消耗各環(huán)節(jié)。在管理層級上，形成從計劃、執(zhí)行監(jiān)控、統(tǒng)計、績效評價、考核的管理閉環(huán)，幫助企業(yè)能源管理實現(xiàn)能效最大化、能流可視化、在線可優(yōu)化。圍繞“Plan-Do-Check-Action”（PDCA循環(huán)），系統(tǒng)在各環(huán)節(jié)的設(shè)計重點如圖2所示。

1.3 能源管理系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)石化企業(yè)能源管理的業(yè)務(wù)特點，梳理業(yè)務(wù)定位，石化企業(yè)能源管理系統(tǒng)主要有6個功能模塊：能源計劃、能源運行、能源優(yōu)化、能源統(tǒng)計、能源評價與能源績效，如圖3所示。

BIOTEK/EXL-808型酶標(biāo)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(chǎn)能計劃，涉及計劃上報、審批、下達分解、調(diào)整。一是根據(jù)用能裝置能耗、生產(chǎn)負荷等實際情況，制定全廠用能計劃；二是根據(jù)用能計劃、動力生產(chǎn)約束條件，制定產(chǎn)能計劃，優(yōu)化動力燃料及動力裝置負荷，降低產(chǎn)能成本；三是協(xié)調(diào)優(yōu)化結(jié)果，得到優(yōu)化的全廠能源計劃。

圖3 石化企業(yè)能源管理系統(tǒng)功能圖Fig.3 Function of petrochemical enterprises energy management system

（2）能源優(yōu)化 能源優(yōu)化包括用能優(yōu)化、管網(wǎng)優(yōu)化、動力優(yōu)化（產(chǎn)能優(yōu)化）、優(yōu)化效益評定、優(yōu)化操作評價等。包括下列介質(zhì)優(yōu)化：水系統(tǒng)、電系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)與瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化。用能優(yōu)化針對煉化用能裝置能源消耗進行優(yōu)化，對裝置的用能結(jié)構(gòu)，裝置布局設(shè)計等進行優(yōu)化設(shè)計；管網(wǎng)優(yōu)化針對能源介質(zhì)在供應(yīng)、生產(chǎn)、輸送、轉(zhuǎn)換、消耗過程中的優(yōu)化；動力優(yōu)化考慮現(xiàn)場設(shè)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(jīng)濟性的能源生產(chǎn)運行方案，優(yōu)化能源生產(chǎn)安排，降低能源生產(chǎn)成本；介質(zhì)優(yōu)化防止過度備份和介質(zhì)質(zhì)量過剩造成浪費，降低生產(chǎn)成本；優(yōu)化效益評定是將企業(yè)進行優(yōu)化操作的當(dāng)前運行成本、優(yōu)化運行成本，操作后成本、操作后單位運行成本、實際節(jié)約成本進行分析比較，對其優(yōu)化經(jīng)濟效益進行評定；優(yōu)化操作評價對模型數(shù)據(jù)維護、優(yōu)化方案、優(yōu)化執(zhí)行、優(yōu)化效益進行優(yōu)化實操的業(yè)務(wù)評價，方便企業(yè)進行班組考核與效益統(tǒng)計[8-9]。

（3）能源運行 能源運行完成能源運行數(shù)據(jù)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(tài)的監(jiān)控和維護，最終通過能源運行數(shù)據(jù)反映全公司能源產(chǎn)耗的結(jié)構(gòu)全貌和具體情況，為能源優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐和優(yōu)化效果評價依據(jù)，實現(xiàn)對優(yōu)化效用的評定。

（4）能源統(tǒng)計 能源統(tǒng)計利用能源運行收集和確認的能源產(chǎn)耗數(shù)據(jù)，對能源供應(yīng)、生產(chǎn)、消耗全流程的運行數(shù)據(jù)進行歸集和統(tǒng)計，實現(xiàn)能源統(tǒng)計核算。能源統(tǒng)計包括管網(wǎng)平衡、產(chǎn)能統(tǒng)計、指標(biāo)試算、損失統(tǒng)計、耗能統(tǒng)計、開停工消耗、指標(biāo)核算、項目統(tǒng)計、碳排統(tǒng)計等。

（5）評價分析 評價分析是在能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用物料、質(zhì)量、設(shè)備等相關(guān)數(shù)據(jù)，對能源的產(chǎn)耗狀況進行評價和分析，明確企業(yè)的能源產(chǎn)耗狀況，找出能源產(chǎn)耗存在的問題和可優(yōu)化的空間。評價分析包括基準管理、理論能耗、評價管理、對標(biāo)管理、實際產(chǎn)耗、項目評價、優(yōu)化評價、損失分析、能源結(jié)構(gòu)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(chǎn)耗，實現(xiàn)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(xiàn)績效的過程管理及操作評價。在能源績效考核的基礎(chǔ)上，結(jié)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(yōu)化、降低加工損失、節(jié)能減排等工作的開展，促進裝置全面達標(biāo)。能源績效包括績效指標(biāo)、節(jié)能績效、達標(biāo)績效、項目績效、碳排績效、系統(tǒng)績效等。

2 石化企業(yè)能源管理系統(tǒng)技術(shù)特點

2.1 能源管理系統(tǒng)工廠模型

能源管理系統(tǒng)工廠模型共4層，包括測量網(wǎng)絡(luò)層、生產(chǎn)操作層、統(tǒng)計歸并層與核算模型層，如圖4所示。其中，測量網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)操作層描述了能源移動中的節(jié)點要素與節(jié)點間的連接關(guān)系；統(tǒng)計歸并層按統(tǒng)計規(guī)則抽象描述能源拓撲邏輯關(guān)系；核算模型層依據(jù)企業(yè)能源核算的需求，描述企業(yè)能源產(chǎn)耗的核算關(guān)系[10]。

圖4 石化企業(yè)能源管理系統(tǒng)工廠模型Fig.4 Plant model of petrochemical enterprise energy management system

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

圖6 用能優(yōu)化過程Fig.6 Energy consumption optimization process

能源管理系統(tǒng)工廠模型基本對象如圖5所示。

2.2 能源優(yōu)化技術(shù)

按照用能最低，途耗最少，產(chǎn)能最優(yōu)的整體目標(biāo)，能源優(yōu)化技術(shù)核心為用能優(yōu)化、管網(wǎng)優(yōu)化與動力優(yōu)化3部分。

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

（2）管網(wǎng)優(yōu)化 管網(wǎng)優(yōu)化主要針對水、電、汽、氮、風(fēng)以及燃料等能源介質(zhì)在供應(yīng)、生產(chǎn)、輸送、轉(zhuǎn)換、消耗過程中的優(yōu)化。管網(wǎng)優(yōu)化功能包括：根據(jù)管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和典型工況數(shù)據(jù)，建立管網(wǎng)模型，根據(jù)模擬分析結(jié)果和實測數(shù)據(jù)，對管網(wǎng)的現(xiàn)狀做出評估；對管網(wǎng)進行在線監(jiān)控，實時監(jiān)測管網(wǎng)運行工況；輔助管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度，增強管網(wǎng)安全優(yōu)化運行；輔助設(shè)計人員進行管網(wǎng)設(shè)計與改造等。蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化過程如圖7所示。

圖7 蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化過程Fig.7 Steam pipe network optimization process

圖8 能源動力優(yōu)化策略Fig.8 Energy power optimization strategy

（3）動力優(yōu)化 動力優(yōu)化是指考慮現(xiàn)場設(shè)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(yōu)化工具，優(yōu)化公用工程生產(chǎn)計劃；與現(xiàn)場控制系統(tǒng)連接，按照離線的最優(yōu)動力生產(chǎn)計劃進行在線閉環(huán)控制；在線進行原料優(yōu)化、設(shè)備負荷優(yōu)化、產(chǎn)出優(yōu)化。動力優(yōu)化效益主要體現(xiàn)在優(yōu)化的燃料配比及應(yīng)用，發(fā)汽負荷的優(yōu)化及熱電聯(lián)產(chǎn)、削峰平谷電價政策等方面。能源動力優(yōu)化策略如圖8所示。

3 石化企業(yè)能源管理系統(tǒng)應(yīng)用成效

3.1 實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)和指標(biāo)評價分析可視化

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

能源產(chǎn)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(zhì)的外購、自產(chǎn)、消耗、轉(zhuǎn)供、自用、外售等信息。以揚子石化為例，其能源產(chǎn)耗分析如圖9所示。

圖9 揚子石化的能源產(chǎn)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(tǒng)計分析儀表的數(shù)量、數(shù)采率、預(yù)計值、數(shù)采修改情況，為能源審計和儀表改造提供數(shù)據(jù)支撐。以揚子石化為例，其能源儀表分析見圖10。

分析管網(wǎng)差異，提高能源管理水平。對管網(wǎng)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(wǎng)關(guān)聯(lián)的節(jié)點兩個典型數(shù)據(jù)版本統(tǒng)計預(yù)警，突顯存在數(shù)據(jù)異變的節(jié)點，預(yù)先計算其差異率，突顯其人為對計量數(shù)據(jù)干預(yù)的偏離信息。以揚子石化為例，其管網(wǎng)差異分析見圖11。

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

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

能源指標(biāo)分析，確定關(guān)鍵因素。采用“先預(yù)警后聯(lián)動”的設(shè)計思路，通過對比計劃、比歷史波動兩種方式，預(yù)先提出報警，并與影響指標(biāo)波動的關(guān)鍵影響因素一起聯(lián)動分析。以揚子石化為例，其能源指標(biāo)分析見圖12。

3.2 實現(xiàn)設(shè)備整體運行動態(tài)監(jiān)控

基于裝置運行數(shù)據(jù)、能耗指標(biāo)，能源管理系統(tǒng)對主要耗能設(shè)備及區(qū)域進行能耗監(jiān)測及預(yù)測；利用監(jiān)測結(jié)果，為淘汰低能效的設(shè)備提供數(shù)據(jù)依據(jù)，提高能源利用整體水平。

對熱力系統(tǒng)整體運行進行監(jiān)控，包括流量、溫度、壓力數(shù)據(jù)，同時將在線優(yōu)化數(shù)據(jù)并列展示，為優(yōu)化分析提供數(shù)據(jù)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(xiàn)能源消耗關(guān)鍵裝置關(guān)鍵工藝點監(jiān)控報警及趨勢展示，能源管理人員可以第一時間發(fā)現(xiàn)用戶側(cè)異常，及時調(diào)整應(yīng)對，如圖14所示。

圖13 熱力系統(tǒng)總體監(jiān)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(jiān)控示意圖Fig.15 Fuel monitoring schematic diagram

燃料系統(tǒng)監(jiān)控圖如圖15所示。

3.3 在線優(yōu)化實操效益顯著，實現(xiàn)能源生產(chǎn)成本降低

基于能源優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化企業(yè)能源結(jié)構(gòu)配置，調(diào)整鍋爐/汽機等設(shè)備操作狀態(tài)，優(yōu)化外購/外供電優(yōu)化操作方式，大大降低了石化企業(yè)能源成本，取得了顯著的經(jīng)濟效益。截止2014年6月，在能源管理系統(tǒng)上線運行的4個月中，揚子石化的能源優(yōu)化效益如表1所示。

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

4 結(jié) 論

石化工業(yè)作為支撐國民經(jīng)濟發(fā)展的能源和基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，在促進國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮著十分重要的作用。石化工業(yè)在為經(jīng)濟發(fā)展提供物質(zhì)支撐的同時，也消耗著大量的能源。石化企業(yè)節(jié)能降耗的潛力很大，信息技術(shù)在節(jié)能降耗方面前景廣闊。本文給出了面向石化行業(yè)的能源管理系統(tǒng)整體方案，覆蓋能源供應(yīng)、生產(chǎn)、輸送、轉(zhuǎn)換、消耗全過程，涵蓋能源管理計劃、運行、統(tǒng)計、評價、分析、績效全業(yè)務(wù)。進一步，按照用能優(yōu)化、管網(wǎng)優(yōu)化與動力優(yōu)化3方面刻畫了能源優(yōu)化模型，并且在中國石化下屬企業(yè)試點成功，為綠色低碳、安全環(huán)保、節(jié)能減排提供支撐，是“建設(shè)世界一流能源化工公司”的一項重要舉措。

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