碳中和及碳達(dá)峰背景下石化企業(yè)用能趨勢分析

李 君，時(shí)振堂，張洪陽，李紅葉，王鵬凱

（中國石油化工股份有限公司大連石油化工研究院，遼寧 大連 116000）

截至2020年我國一次能源消費(fèi)中非化石能源約為15%，風(fēng)能、太陽能的發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到530 GW，占總發(fā)電設(shè)備容量的24%[1-2]。2020年9月，習(xí)近平主席在聯(lián)合國大會(huì)上做出了碳達(dá)峰、碳中和的承諾。同年12月，習(xí)主席在氣候雄心峰會(huì)上宣布，到2030年我國一次能源消費(fèi)中非化石能源達(dá)到25%，風(fēng)電、太陽能總裝機(jī)超過12億千瓦。至2030年的10年間，非化石能源消費(fèi)要增加10%，風(fēng)、光新能源需增加670 GW，任務(wù)艱巨。中國石化作為清潔能源提供者，消費(fèi)側(cè)常規(guī)能源占比仍舊較高，因此在碳達(dá)峰、碳中和背景下，增加新能源比例、推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)多元化，建設(shè)綠色供能系統(tǒng)，助推新能源發(fā)展義不容辭。

為落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和指標(biāo)，各個(gè)部委、各省密集下發(fā)文件，提供政策支持，各企業(yè)研究路線圖，制定實(shí)施方案。2021年1月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了指導(dǎo)意見，提出了應(yīng)對(duì)氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作原則及目標(biāo)[3]。2021年2月，山東省制定能源工作指導(dǎo)意見，到2021年清潔能源裝機(jī)達(dá)52 GW，控制煤電裝機(jī)在100 GW[4]。能源企業(yè)也積極響應(yīng)節(jié)能減排政策，紛紛構(gòu)建與碳達(dá)峰、碳中和相適應(yīng)的能源體系。大唐集團(tuán)黨組副書記時(shí)家林指出，應(yīng)打破行業(yè)壁壘，構(gòu)建“發(fā)輸儲(chǔ)用”現(xiàn)代能源體系[5]。國家電網(wǎng)董事長辛保安指出，國家電網(wǎng)將從平臺(tái)建設(shè)、能源服務(wù)、方案提供三方面開展工作，促進(jìn)能源低碳化轉(zhuǎn)型[6]。中國石化董事長張玉卓簽署《中國石油和化學(xué)工業(yè)碳達(dá)峰與碳中和宣言》，并表示企業(yè)已開展碧水藍(lán)天計(jì)劃和綠色企業(yè)行動(dòng)計(jì)劃和相關(guān)課題研究，計(jì)劃建設(shè)碳捕集等示范項(xiàng)目[7]。

1 石化企業(yè)供能方式

石化企業(yè)在抽油提升、注采加熱、催化裂解、氣液輸送過程中都會(huì)用到熱、電、氣等多種能源，目前一般采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式。機(jī)組以汽定電保證蒸汽平衡，熱電聯(lián)產(chǎn)效率達(dá)到65%～70%，高于公用電廠純凝機(jī)組30%左右。石化企業(yè)部分生產(chǎn)裝置消耗蒸汽，部分自產(chǎn)蒸汽，不足蒸汽由熱電機(jī)組補(bǔ)充，蒸汽自產(chǎn)自用提高了裝置能耗水平。中國石化2019年公布數(shù)據(jù)，熱電廠供熱與發(fā)電能量之比為2.8∶1，熱電廠的主要功能是供熱[8]。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，與生產(chǎn)、消耗蒸汽工藝裝置一體化運(yùn)行，對(duì)于石化企業(yè)來說是效率最高的方式，但不符合低碳發(fā)展的潮流。除了綠色電能替代，還涉及到工藝流程調(diào)整，是全廠優(yōu)化的系統(tǒng)問題，企業(yè)用能綠色化轉(zhuǎn)變勢在必行。

2 石化企業(yè)火電機(jī)組退役及轉(zhuǎn)型壓力

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，火電也經(jīng)歷了由不足到過剩的過程。20世紀(jì)80年代政策鼓勵(lì)多家辦電、多渠道辦電，企業(yè)自備電廠緩解了供用電矛盾。近年來，火電環(huán)保問題不斷凸顯，火電利用小時(shí)不斷降低，國家出臺(tái)了一系列限制措施，石化企業(yè)熱電機(jī)組也在限制范圍內(nèi)。2020年全國6 000 kW以上火電利用小時(shí)數(shù)降低到4 216 h[2]，同比降低92 h，是火電過剩的縮影。國家能源局《關(guān)于加強(qiáng)發(fā)電企業(yè)許可監(jiān)督管理有關(guān)事項(xiàng)的通知》，對(duì)發(fā)電機(jī)延壽提出了更高的要求。國家發(fā)展改革委、國家能源局《關(guān)于深入推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革 進(jìn)一步淘汰煤電落后產(chǎn)能 促進(jìn)煤電行業(yè)優(yōu)化升級(jí)的意見》不允許重點(diǎn)區(qū)域建設(shè)火電機(jī)組。

由于產(chǎn)能過剩和環(huán)保壓力，中國石化東部企業(yè)燃煤機(jī)組延壽困難。如江蘇能監(jiān)辦注銷揚(yáng)子石化4臺(tái)機(jī)組和儀征化纖4臺(tái)機(jī)組，山東能監(jiān)辦注銷齊魯石化1號(hào)機(jī)組。山東能監(jiān)辦同意勝利油田1號(hào)機(jī)組、2號(hào)機(jī)組延續(xù)運(yùn)行，是少量延壽成功的案例。中國石化東部企業(yè)新增燃煤機(jī)組困難，網(wǎng)供電比例增加。燕山石化網(wǎng)供電超過80%，越來越多的城市煉廠外電網(wǎng)成為主力電源點(diǎn)。西部企業(yè)新增燃煤機(jī)組大型化，單機(jī)普遍達(dá)到或超過100 MW，停運(yùn)檢修安排困難。中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，熱電裝置已投運(yùn)2臺(tái)135 MW抽凝式機(jī)組，1臺(tái)機(jī)組檢修，全廠熱平衡調(diào)整較大。

未來火電機(jī)組電源地位不斷弱化，更多轉(zhuǎn)變?yōu)殪`活調(diào)節(jié)電源，解決電網(wǎng)中新能源接入和消納問題。長期來看，因生存壓力，石化企業(yè)熱電機(jī)組會(huì)更多參與電網(wǎng)輔助服務(wù)，面臨深度調(diào)峰壓力。石化企業(yè)供能可靠性要求高，供熱需求多于供電需求，熱電耦合嚴(yán)重，深度調(diào)峰壓力較大。因此熱電機(jī)組選擇合理的靈活性改造路線，成為下一階段重點(diǎn)攻關(guān)的問題。

3 企業(yè)用能轉(zhuǎn)型升級(jí)路徑

3.1 油田能源互聯(lián)技術(shù)

能源互聯(lián)技術(shù)不斷進(jìn)步。2007年瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院提出了能量樞紐概念，通過能源輸入、輸出矩陣表示電、熱、氣多種能源的轉(zhuǎn)變換，成為多能源分析的工具。2011年，美國學(xué)者杰里米·里夫金提出能源互聯(lián)網(wǎng)概念，認(rèn)為可再生能源與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是核心[9]。能源互聯(lián)網(wǎng)定義包括兩類，一類以智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)，一類以電、氣、熱等多能流為基礎(chǔ)[10]，石化企業(yè)一般采用第二類定義。

多能流計(jì)算方法中，基于簡化模型多能流計(jì)算方法，基于復(fù)雜多能流模型的有限元計(jì)算方法取得一定進(jìn)展[11]。近年來，孫宏斌提出了統(tǒng)一能路理論[12-13]、康重慶提出了廣義電路分析理論[14-15]、陳群使用火積理論進(jìn)行多能源建模[16]，陳皓勇提出了能量網(wǎng)絡(luò)理論[17-18]，賈宏杰提出全能流模型[19]，為多能流統(tǒng)一分析、計(jì)算開創(chuàng)了新的思路。多能源系統(tǒng)潮流分析是復(fù)雜功能計(jì)算的基礎(chǔ)，統(tǒng)一求解法和解耦求解法取得一定進(jìn)展[20]，最優(yōu)潮流計(jì)算的線性化法和人工智能算法發(fā)展很快[21]，基于潮流的規(guī)劃及調(diào)度率先進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用[22]。目前進(jìn)入實(shí)用化的多能流暫態(tài)計(jì)算，認(rèn)為電力已經(jīng)穩(wěn)定，考慮天然氣簡化網(wǎng)絡(luò)模型、蒸汽半動(dòng)態(tài)過程，多能流全動(dòng)態(tài)建模難度較大[23]。

相對(duì)于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，油田能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)模型和設(shè)備模型涵蓋面更廣、模型更為復(fù)雜。油田企業(yè)包括電、氣、熱、油網(wǎng)絡(luò)模型，電熱鍋爐、燃?xì)忮仩t、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備。新能源機(jī)組包括大型集中式光伏電站、井場分布式光儲(chǔ)系統(tǒng)、井場分布式風(fēng)電系統(tǒng)、交直流微網(wǎng)系統(tǒng)等。

中國石化勝利油田完成了油田能源互聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)示范課題，中國石油大港油田開展了能源綜合利用研究，中國石化大連院、中國石油大學(xué)華東等開展了油田能源互聯(lián)建模、優(yōu)化運(yùn)行等工作。勝利孤東油區(qū)在運(yùn)80MW光伏示范項(xiàng)目，是中國石化首個(gè)大型光伏示范裝置。勝利現(xiàn)河采油廠王崗聯(lián)合站分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，大發(fā)時(shí)除為聯(lián)合站供能，還可以為其他注水站、油井供電。

3.2 煉化智慧能源技術(shù)

2015年發(fā)布的《國務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)＋”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》文件中，“互聯(lián)網(wǎng)＋”智慧能源是重要內(nèi)容之一。智慧能源實(shí)現(xiàn)多種能源物理上的連接與互通，是多能耦合系統(tǒng)。構(gòu)建智慧能源系統(tǒng)，考慮多種能源在耦合狀態(tài)下的協(xié)同效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換高效利用，提高能源供給可靠性[24]。

煉化、發(fā)電、冶金等流程行業(yè)企業(yè)已經(jīng)開展了智能化工作，為智慧能源研究打下了基礎(chǔ)。覃偉中介紹了生產(chǎn)運(yùn)行信息化子系統(tǒng)的最新進(jìn)展，以及在九江石化智能工廠的運(yùn)行情況，認(rèn)為要利用信息化手段整合升級(jí)現(xiàn)有系統(tǒng)，建設(shè)計(jì)劃優(yōu)化與操作執(zhí)行集成的智能煉化系統(tǒng)[25]。吳青認(rèn)為智慧煉化是智能化建設(shè)的目標(biāo)，數(shù)字煉化是智能煉化的前提，并以中海煉化為例介紹了智慧系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)和專題設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法[26]。劉吉臻院士提出了智能發(fā)電的概念，認(rèn)為其具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等智慧特征；認(rèn)為智能電廠的科學(xué)問題包括復(fù)雜系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化、基于智能算法的電站設(shè)備優(yōu)化、自組織一體化管控問題[27]。李文介紹了基于CPS的智能發(fā)電基本特點(diǎn)，體系結(jié)構(gòu)，信息獲取方面，采用智能前端獲取海量信息，提高現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)智能化水平；采用軟件定義設(shè)備（SDE）和軟件定義系統(tǒng)（SDS）的模式，提高了傳統(tǒng)DCS/SIS系統(tǒng)靈活性；采用云平臺(tái)系統(tǒng)，提高了管控一體化水平[28]。張琦介紹了鋼鐵企業(yè)智慧能源開發(fā)現(xiàn)狀及遠(yuǎn)景，鋼鐵企業(yè)正在構(gòu)建以物質(zhì)流、能量流、價(jià)值流和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)為核心的工藝與能源運(yùn)行體系，利用多能源優(yōu)化調(diào)度降低了總運(yùn)行成本，并進(jìn)行了碳排放優(yōu)化的探索[29]。郝飛闡述了一體化協(xié)同管控、知識(shí)性調(diào)度管控、多能源介質(zhì)優(yōu)化是冶金企業(yè)智慧能源系統(tǒng)發(fā)展方向，介紹了某鋼鐵企業(yè)利用能源優(yōu)化導(dǎo)航方法實(shí)現(xiàn)煤氣、蒸汽、電力等優(yōu)化調(diào)配的案例[30]。

石化企業(yè)智慧能源系統(tǒng)是智慧煉化或智慧油田的組成部分，是石化企業(yè)生產(chǎn)過程綠色化的重要支撐。石化企業(yè)用能主要為熱力、電氣、天然氣系統(tǒng)，重點(diǎn)為電–熱系統(tǒng)，熱能在系統(tǒng)中起主要作用。石化智慧能源系統(tǒng)，在考慮裝置能耗、安全性、可操作性基礎(chǔ)上，挖掘不同能源間的替換潛力，采用多目標(biāo)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能效提升。智慧能源可以提高系統(tǒng)可靠性，外部供電系統(tǒng)發(fā)生故障，形成企業(yè)孤網(wǎng)時(shí)，可以調(diào)整熱能負(fù)荷，調(diào)整鍋爐出力，達(dá)到電力系統(tǒng)平衡。生產(chǎn)供能裝置出現(xiàn)故障時(shí)，電制熱、電制氫等裝置，可以實(shí)現(xiàn)能源間轉(zhuǎn)化，提升能源供應(yīng)可靠性。智能傳感器、智能電表不斷完善，采集能源生產(chǎn)、消耗全過程的數(shù)據(jù)，為構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)石化智慧能源信息物理系統(tǒng)提供保證。

3.3 節(jié)能第五能源

節(jié)能被稱為和煤、石油、天然氣、電并列的“第五能源”。張玉卓董事長指出，中國石化既是能源生產(chǎn)大戶，也是能源消耗大戶，必須用好節(jié)能這個(gè)“第五能源”，不僅在能源供給側(cè)走在前列，也要在能源消費(fèi)革命中作出表率。中國石化在企業(yè)及科研單位開展“綠色企業(yè)行動(dòng)計(jì)劃”，貫徹了“奉獻(xiàn)清潔能源，踐行綠色發(fā)展”的理念。

石化企業(yè)節(jié)能減排，需要工藝改造、升級(jí)、優(yōu)化，同時(shí)需要過程系統(tǒng)工程、信息、優(yōu)化等技術(shù)支撐。袁晴棠院士介紹了石油石化產(chǎn)業(yè)綠色低碳趨勢，介紹了?？松梨诠镜吞寄Ｊ?，BP公司工廠能效優(yōu)化方案，中國石化綠色低碳發(fā)展理念，提出了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能減排、技術(shù)創(chuàng)新、生態(tài)文明建設(shè)、煤炭清潔利用、低碳發(fā)展等一系列前瞻理念[31]。王基銘院士介紹了過程系統(tǒng)工程技術(shù)在中國石化節(jié)能減排中的應(yīng)用，煉化領(lǐng)域計(jì)劃優(yōu)化、流程模擬、先進(jìn)控制等提高了節(jié)能水平，油田領(lǐng)域機(jī)采系統(tǒng)人工智能改造、網(wǎng)電鉆井、注水效率提升等降低油田能耗6.1%[32]。李德芳分析了信息技術(shù)在石化節(jié)能中的應(yīng)用，介紹了石化企業(yè)能源管理系統(tǒng)在計(jì)劃、運(yùn)行、優(yōu)化、統(tǒng)計(jì)上的功能。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用4層工廠模型，對(duì)動(dòng)力、管網(wǎng)、產(chǎn)能進(jìn)行優(yōu)化，在揚(yáng)子石化實(shí)現(xiàn)了能耗整體監(jiān)控、在線優(yōu)化功能，每小時(shí)節(jié)約6 894元[33]。陳希章系統(tǒng)梳理了石化企業(yè)系統(tǒng)節(jié)能方法，回收不同品味熱能，可以減少熱電消耗；石化工業(yè)園上下游裝置、物流運(yùn)輸、公用工程、環(huán)保治理一體化布局，降低輸送損耗；水系統(tǒng)選擇高效輸送設(shè)備，提高重復(fù)利用率，降低能耗，節(jié)約資源；電力系統(tǒng)優(yōu)化改造，選擇高效傳動(dòng)、照明設(shè)備，降低電能損失；熱力系統(tǒng)采用熱–電聯(lián)產(chǎn)、燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)、高效鍋爐、管網(wǎng)改造等，提高用能效率[34]。尹兆林按照過程系統(tǒng)三環(huán)節(jié)理論，對(duì)茂名石化用能進(jìn)行了診斷，采取了常減壓裝置熱聯(lián)合優(yōu)化、柴油加氫余熱利用、原油罐區(qū)伴熱、再沸爐蒸汽替代等措施提高了能效近10%[35]。趙勇將?損分析方法應(yīng)用在母管制機(jī)組能效優(yōu)化中，認(rèn)為裝備型號(hào)和容量差異大、設(shè)備相互關(guān)聯(lián)度高、熱用戶需求波動(dòng)大是影響效率的主要原因，某電廠采用進(jìn)汽順序閥改造、供水系統(tǒng)改造、余熱回收優(yōu)化、熱負(fù)荷分配優(yōu)化等方式，發(fā)電煤耗降低18～21 g/（kW·h）[36]。

工藝優(yōu)化是節(jié)能的有效途徑，武漢石化引入武鋼富余氮?dú)?，停掉空分裝置每年可節(jié)電2 000萬kW·h，管道儲(chǔ)運(yùn)公司利用周邊熱電和煉廠余熱蒸汽加熱原油，節(jié)約成本近400萬元。熱力系統(tǒng)改造是節(jié)能的重要方面，茂名石化應(yīng)用余熱發(fā)電余熱回收利用，停運(yùn)6臺(tái)空冷；廣州石化蒸汽乏汽回收，節(jié)約低加蒸汽2.1 t/h；齊魯石化進(jìn)氣順序閥改造，減少標(biāo)煤耗5.6 g/（kW·h）。電氣化可起到節(jié)能和環(huán)保的雙重效果，西北油田推進(jìn)電能替代改造，注氣、網(wǎng)鉆、修井、泵車等工程電氣化接入率100%。石化企業(yè)利用新能源降低化石能源消耗，油品銷售華南分公司、安徽石油分公司完成光伏裝機(jī)超2 000 kW，完成58座加油站新能源接入；中原油田地?zé)峁┡娣e達(dá)104萬平方米，為4個(gè)社區(qū)提供地?zé)岱?wù)。

4 總結(jié)及展望

概述了石化企業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)的供能特點(diǎn)，用熱大于用電的耗能情況，以及在全國煤電產(chǎn)能過剩的背景下，石化熱電機(jī)組的發(fā)展困局。能源轉(zhuǎn)型升級(jí)路徑方面，油田企業(yè)可采用能源互聯(lián)技術(shù)，構(gòu)建以新能源為核心的多能互補(bǔ)、綠色高效能源系統(tǒng)；煉化企業(yè)可采用人工智能技術(shù)，打造多能耦合、協(xié)同優(yōu)化的智慧能源系統(tǒng)；節(jié)能是第五能源，貫徹在發(fā)、輸、用的全鏈條中。