“雙碳”背景下煉油裝置能效評(píng)價(jià)方法研究

陳 廣 衛(wèi)

(中國石油化工集團(tuán)有限公司能源管理與環(huán)境保護(hù)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(biāo)，2050年前全球溫室氣體排放需從當(dāng)前的33 Gt降至10 Gt左右，為此，要求節(jié)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(shù)對(duì)全球二氧化碳減排的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到37%，32%，8%，3%，9%，還有12%的貢獻(xiàn)率由其他技術(shù)滿足。另外，經(jīng)多方測算表明，節(jié)能和提高能效對(duì)我國實(shí)現(xiàn)2030年前碳排放達(dá)峰目標(biāo)的貢獻(xiàn)率要達(dá)到70%以上，發(fā)展可再生能源和核電貢獻(xiàn)率接近30%。CCUS技術(shù)對(duì)我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰很難作出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。

煉油廠不僅是能源生產(chǎn)大戶，同時(shí)也是能源消費(fèi)大戶、碳排放大戶。例如，一個(gè)千萬噸級(jí)燃料型煉油廠每年的綜合能源消費(fèi)量折合標(biāo)準(zhǔn)煤大約為2.0 Mt左右，其中燃料和動(dòng)力能耗占比高達(dá)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(diǎn)。因此，節(jié)能是煉油廠實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的最重要途徑。

為進(jìn)一步推動(dòng)節(jié)能降耗工作，需要對(duì)當(dāng)前的能效評(píng)價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn)，使其適用于煉油裝置為滿足“雙碳”目標(biāo)要求的能效評(píng)價(jià)。本研究從用能機(jī)理出發(fā)，結(jié)合“三環(huán)節(jié)”理論的用能分析，以流程模擬技術(shù)為依托，提出一種新型的能效評(píng)價(jià)方法，用以指導(dǎo)煉油裝置的節(jié)能潛力分析和節(jié)能方案優(yōu)化，使煉油裝置實(shí)現(xiàn)能耗更低。

1 國內(nèi)外主要能效評(píng)價(jià)方法

1.1 國外主要評(píng)價(jià)方法

(1)能源密度指數(shù)(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(píng)價(jià)指標(biāo)。煉油裝置的工藝類型、加工方案、加工負(fù)荷對(duì)裝置能耗均有較大影響。EII指標(biāo)的優(yōu)勢在于計(jì)算不同工況下的裝置理論能耗時(shí)綜合考慮裝置類型、進(jìn)料性質(zhì)、操作條件及產(chǎn)品質(zhì)量等主要因素，相當(dāng)于為每個(gè)煉油廠制定一個(gè)能耗標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)器溫差等。

EII方法在計(jì)算裝置基準(zhǔn)能耗時(shí)增加了能耗影響因素，包括環(huán)境溫度、燒焦率、反應(yīng)溫升等，主要用于全廠能耗的對(duì)比。也可用于裝置能耗對(duì)比，但準(zhǔn)確度不夠[1]。目前BP、SHELL等大多數(shù)國際石油公司均采用EII方法作為與其他石油公司進(jìn)行外部能耗對(duì)標(biāo)的方法。

(2)最佳技術(shù)指數(shù)(BT)

BT法由KBC公司提出，通過分析每個(gè)裝置的操作數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)，特別是影響能耗的主要工藝參數(shù)，如加熱爐效率、機(jī)泵效率、夾點(diǎn)溫差、轉(zhuǎn)化率、分餾效果等，建立能量使用效率的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。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(píng)估方法已在全球煉油化工企業(yè)廣泛使用，適用于單個(gè)工藝裝置、公用工程系統(tǒng)，也適用于全廠。BT為100%的工廠至少要達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：①所有加熱爐的效率超過92%；②工藝換熱網(wǎng)絡(luò)達(dá)到或接近夾點(diǎn)分析最優(yōu)結(jié)果；③轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的軸功率達(dá)到85%；④蒸汽無放空[2]。

BT評(píng)估方法是KBC公司專有技術(shù)，保密性高，其詳細(xì)計(jì)算評(píng)估方法難以獲取。

1.2 國內(nèi)主要評(píng)價(jià)方法

(1)煉油綜合能耗

煉油綜合能耗是國內(nèi)煉油企業(yè)普遍采用的方法，以一個(gè)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(tǒng)一折算成加工每噸原油的標(biāo)準(zhǔn)能源消耗量。該指標(biāo)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(duì)比時(shí)，由于各個(gè)企業(yè)采用不同原料和工藝流程，該方法很難客觀評(píng)價(jià)真實(shí)的用能水平，無法科學(xué)判斷節(jié)能潛力，也無法幫助尋找關(guān)鍵的節(jié)能改進(jìn)方向[3]。

(2)單因能耗

單因能耗是近年來國內(nèi)能效領(lǐng)跑企業(yè)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。其技術(shù)原理規(guī)定各個(gè)裝置或系統(tǒng)基準(zhǔn)能量因數(shù)，如規(guī)定常減壓蒸餾裝置能量因數(shù)為10 kgEO/t(1 kgEO=41.8 MJ)，焦化裝置能量因數(shù)為25 kgEO/t，蠟油催化裂化裝置能量因數(shù)為48 kgEO/t。按實(shí)際總流程計(jì)算全廠整體基準(zhǔn)能量因數(shù)，采用實(shí)際能耗比較基準(zhǔn)能量因數(shù)作為能效高低的評(píng)判。單因能耗的技術(shù)優(yōu)勢是考慮了企業(yè)間加工流程的影響因素，易于進(jìn)行煉油廠間能耗對(duì)比；不足是為了指標(biāo)通用性，將單裝置基準(zhǔn)能耗定義為固定值，且該值比目前實(shí)際水平偏高，用于裝置的能效評(píng)價(jià)與分析時(shí)誤差較大。

2 基于用能機(jī)理的能效評(píng)價(jià)方法

2.1 我國煉油行業(yè)特點(diǎn)

(1)煉油工序模塊化

國內(nèi)煉油工藝經(jīng)過近50年發(fā)展，針對(duì)不同餾分或性質(zhì)的原料和國內(nèi)市場需求，發(fā)展出一整套具有中國特色的煉油技術(shù)體系，通過模塊化配置，基于一個(gè)或多個(gè)主要模塊(包括反應(yīng)模塊、分餾模塊)配置相應(yīng)的流程模塊(換熱網(wǎng)絡(luò)、機(jī)泵、加熱爐、壓縮機(jī))，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(jī)理復(fù)雜

煉油加工過程流程復(fù)雜，用能過程互相關(guān)聯(lián)，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(guān)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(yīng)條件決定，本質(zhì)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(píng)價(jià)方案設(shè)計(jì)構(gòu)想

針對(duì)現(xiàn)有能效評(píng)價(jià)方法的不足和我國煉油行業(yè)特點(diǎn)，提出一種基于能耗機(jī)理和大數(shù)據(jù)支持的指標(biāo)化、通用化、體系化的單裝置能效評(píng)價(jià)方案，其示意見圖2。技術(shù)路線如下：

(1)研究煉油裝置用能機(jī)理，將用能過程模塊化，構(gòu)建模塊間能量關(guān)系。

(2)研究模塊內(nèi)用能機(jī)理，探索、總結(jié)模塊內(nèi)關(guān)鍵能效指標(biāo)，分主要能效指標(biāo)和次要能效指標(biāo)。

(3)通過機(jī)理模型和大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方式，研究能效指標(biāo)具體評(píng)價(jià)方法。

(4)設(shè)計(jì)裝置能效指數(shù)，研究主要能效指標(biāo)對(duì)裝置能耗的影響因子，通過權(quán)重法構(gòu)建裝置能效指數(shù)。

(5)總結(jié)形成煉油裝置能效評(píng)價(jià)方法，即三級(jí)能效評(píng)價(jià)：裝置能效指標(biāo)、模塊主要能效指標(biāo)、模塊次要能效指標(biāo)。

圖2 能效評(píng)價(jià)流程

3 能效評(píng)價(jià)技術(shù)工具

基于能耗機(jī)理的能效評(píng)價(jià)研究是從用能機(jī)理出發(fā)，梳理各模塊間的能量關(guān)系，借助一定的技術(shù)工具對(duì)能效影響因素進(jìn)行定性和定量分析，以生產(chǎn)大數(shù)據(jù)作為關(guān)鍵支持，形成裝置能效指標(biāo)。可應(yīng)用的技術(shù)工具有：

(1)利用“三環(huán)節(jié)”理論，建立模塊間的能量平衡和邏輯關(guān)系。

“三環(huán)節(jié)”能量模型是適用于復(fù)雜能量過程系統(tǒng)的嚴(yán)格、定量的能量結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型。決定用能關(guān)鍵的是能量利用環(huán)節(jié)，它是過程系統(tǒng)的核心部分，在該環(huán)節(jié)中能量推動(dòng)各個(gè)單元過程的進(jìn)行，主要是反應(yīng)過程和分離過程。其次是能量回收環(huán)節(jié)，主要涉及換熱網(wǎng)絡(luò)，還包括功回收、能量升級(jí)、物流循環(huán)等。能量回收對(duì)過程系統(tǒng)優(yōu)化是很重要的，但不是決定性的。第三個(gè)環(huán)節(jié)是能量轉(zhuǎn)化和傳輸環(huán)節(jié)，如熱能和物流的流動(dòng)能?！叭h(huán)節(jié)”能量模型結(jié)構(gòu)示意見圖3。根據(jù)該模型，先對(duì)能量利用環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算，評(píng)估分析工藝本身用能情況，再對(duì)能量回收環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算，評(píng)估能量回收情況，在能量利用環(huán)節(jié)和能量回收環(huán)節(jié)優(yōu)化后，根據(jù)工藝方的能量需求合理配置公用工程，評(píng)估能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的效率。

圖3 三環(huán)節(jié)能量模型結(jié)構(gòu)

利用“三環(huán)節(jié)”理論可清晰描述各模塊間的用能邏輯關(guān)系，建立裝置各模塊間的能量平衡關(guān)系，結(jié)合“三環(huán)節(jié)”能量模型結(jié)構(gòu)，能量平衡關(guān)系如式(1)所示。

EP=EB+EW+ET+EJ+EE

(1)

式中：EP為供入能；EB為轉(zhuǎn)換輸出能；EW為損失能；ET為熱力學(xué)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(huán)節(jié)”理論進(jìn)行用能分析。經(jīng)分析，加氫裝置燃料氣消耗的關(guān)鍵影響因素為熱回收模塊和反應(yīng)模塊?；厥諢崃繘Q定了原料進(jìn)加熱爐的溫度，熱回收模塊的熱量回收率越高，原料進(jìn)加熱爐溫度越高，加熱爐消耗燃料氣越少；而反應(yīng)模塊的燃料氣消耗主要取決于原料性質(zhì)和催化劑性能，原料性質(zhì)和催化劑性能越好，加氫反應(yīng)放熱越多，熱量回收率越高，燃料氣消耗越少。因此，利用“三環(huán)節(jié)”理論可梳理出能耗影響的關(guān)鍵因素，建立各模塊間的用能邏輯關(guān)系。

(2)利用流程模擬軟件闡述各模塊間的用能機(jī)理，探索關(guān)鍵影響因素。

流程模擬技術(shù)是以工藝過程機(jī)理為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)方法來描述化工過程，通過應(yīng)用流程模擬軟件(Aspen Plus，Pro/II，Petro-SIM等)，進(jìn)行物料平衡、熱量衡算、機(jī)理研究和能量分析[4]。它是化學(xué)工程、化工熱力學(xué)、系統(tǒng)工程、計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，是近十幾年發(fā)展起來的一門新技術(shù)[5]。

現(xiàn)代化流程模擬軟件具備完善的數(shù)據(jù)庫，復(fù)雜而精確的數(shù)學(xué)模型，能進(jìn)行物料、能量和設(shè)備計(jì)算、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、工況分析、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)集成、離線或在線模擬。應(yīng)用Aspen Plus，Pro/II，Petro-SIM等先進(jìn)流程模擬軟件，建立裝置嚴(yán)格能量計(jì)算模型，獲得裝置進(jìn)料性質(zhì)變化、裝置負(fù)荷變化以及不同生產(chǎn)方案對(duì)能耗的影響規(guī)律；利用流程模擬軟件建立煉油廠流程優(yōu)化模型和能量優(yōu)化模型，描述進(jìn)料性質(zhì)變化對(duì)裝置單耗數(shù)據(jù)的影響，依托模擬軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫，精準(zhǔn)的計(jì)算能力，構(gòu)建全局能流平衡，進(jìn)行各模塊內(nèi)的用能機(jī)理研究。

(3)大數(shù)據(jù)綜合處理分析也是能效指標(biāo)建設(shè)過程的重要工具。

煉油是一門試驗(yàn)科學(xué)，過程機(jī)理較為復(fù)雜，很多用能過程無法用機(jī)理清晰闡述，亦無法建立嚴(yán)格的機(jī)理模型。隨著數(shù)字化煉油廠的建立和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，各煉油廠將煉油裝置運(yùn)行工況數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于PI系統(tǒng)或MES系統(tǒng)，構(gòu)成了煉油工藝海量數(shù)據(jù)庫，奠定了大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，可利用企業(yè)生產(chǎn)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、化工原理以及相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，類比多個(gè)煉油廠、多套同類裝置的大數(shù)據(jù)，包括工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、綜合參數(shù)等，合理地調(diào)用和篩選，在大數(shù)據(jù)橫向、縱向?qū)Ρ燃胺治龅幕A(chǔ)上，分析關(guān)鍵參數(shù)變化對(duì)工藝與能耗的影響，以此總結(jié)關(guān)鍵能效指標(biāo)及其評(píng)價(jià)方法。

4 案例分析

以常減壓蒸餾裝置為例，對(duì)其用能過程進(jìn)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(guān)系

以熱量(燃料氣)消耗為例，利用“三環(huán)節(jié)”理論建立能量邏輯關(guān)系，如圖4所示。根據(jù)“三環(huán)節(jié)”用能理論分析和能量平衡，結(jié)合燃料氣消耗邏輯關(guān)系，燃料氣用能過程中的能量平衡關(guān)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(guān)系

能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：燃料氣進(jìn)入常壓爐和減壓爐燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，提供工藝需求的熱量，此過程為能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。能量轉(zhuǎn)換過程中存在轉(zhuǎn)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(dǎo)致存在傳遞和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能量平衡關(guān)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(huán)節(jié)：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(shí)，能量回收利用環(huán)節(jié)ER送入能量利用環(huán)節(jié)，共同為工藝裝置對(duì)原料的分離提供能量。工藝的能量利用水平取決于原料轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品過程所消耗的實(shí)際能量和原料及產(chǎn)品的熱力學(xué)能差ET(物理能和化學(xué)能能差之和)。此環(huán)節(jié)的能量平衡關(guān)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(huán)能；EO為待回收能。

能量回收環(huán)節(jié)：此環(huán)節(jié)對(duì)工藝裝置或系統(tǒng)存在的可利用能量進(jìn)行回收，如對(duì)常壓塔和減壓塔中段回流以及側(cè)線產(chǎn)品的熱量進(jìn)行回收，用于給原料加熱。所回收的熱量反饋至能量利用環(huán)節(jié)，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(huán)節(jié)的能量平衡關(guān)系如式(5)所示。

EO=ER+EJ+EE

(5)

4.2 模塊用能機(jī)理和能效評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)常減壓蒸餾裝置用能機(jī)理，原油通過加熱爐提供的熱量一次汽化，經(jīng)常壓塔、減壓塔進(jìn)行產(chǎn)品分離，加熱爐提供的熱量取決于工藝用能裝置，同時(shí)工藝環(huán)節(jié)的能量經(jīng)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(fù)荷；Q頂循、Q一中、Q二中分別為頂循環(huán)、一中段循環(huán)、二中段循環(huán)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(chǎn)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(chǎn)品分餾質(zhì)量越好，但H爐出口越大，所消耗的燃料氣越多。

該指標(biāo)評(píng)價(jià)方案采用大數(shù)據(jù)集合與分析的評(píng)價(jià)方法，集合行業(yè)同類裝置實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)綜合分析，并將排名前10%定為先進(jìn)水平，排名10%～50%定為常規(guī)水平。

回流取熱比例影響換熱網(wǎng)絡(luò)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(shí)，下部負(fù)荷存在理論極限值。

該指標(biāo)評(píng)價(jià)方案采用流程模擬與大數(shù)據(jù)綜合分析相結(jié)合的方式，將機(jī)理模型最佳值作為節(jié)能最佳指標(biāo)，大數(shù)據(jù)類比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，制定取熱比例的合理指標(biāo)范圍。

回流取熱溫差對(duì)能效也有影響，溫差越小，則所取熱量品質(zhì)越高，有利于換熱網(wǎng)絡(luò)熱量回收，但泵和管線造價(jià)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(shí)較低的塔壓不利于塔頂氣的排出，需借助壓縮機(jī)將塔頂氣抽出。

綜合以上用能過程分析，常壓塔關(guān)鍵能效評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。

(2)減壓塔

與常壓塔分析過程類似，減壓塔關(guān)鍵能效評(píng)價(jià)指標(biāo)如表3所示。

表2 常壓塔關(guān)鍵能效評(píng)價(jià)指標(biāo)

表3 減壓塔關(guān)鍵能效評(píng)價(jià)指標(biāo)

(3)換熱網(wǎng)絡(luò)

換熱網(wǎng)絡(luò)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(shù)、換熱器面積和傳熱溫差有關(guān)，換熱網(wǎng)絡(luò)回收的熱量采用式(7)計(jì)算。

Q=∑(Ki×Ai×ΔTi)

(7)

式中：Ki為換熱器i傳熱系數(shù)；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(wǎng)絡(luò)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(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)有直接影響，這部分影響因素已在該模塊中討論。換熱網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)部主要依據(jù)“溫位匹配，梯級(jí)利用”的科學(xué)原則，將熱源、熱阱集中規(guī)劃，選用經(jīng)濟(jì)合理的傳熱溫差匹配換熱網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而決定公用工程需要的負(fù)荷。

換熱網(wǎng)絡(luò)單元技術(shù)分析的重要工具是夾點(diǎn)技術(shù)，夾點(diǎn)溫差是評(píng)價(jià)換熱網(wǎng)絡(luò)熱量回收效率的重要指標(biāo)。換熱網(wǎng)絡(luò)“好壞”直接反饋出熱回收負(fù)荷大小，即加熱爐負(fù)荷大小。但加熱爐負(fù)荷也受到具體生產(chǎn)任務(wù)的影響，若生產(chǎn)任務(wù)要求高收率，則加熱負(fù)荷大。利用夾點(diǎn)技術(shù)，引入“夾點(diǎn)溫差”參數(shù)，從數(shù)學(xué)角度闡述夾點(diǎn)溫差對(duì)加熱爐負(fù)荷的影響，避免了生產(chǎn)任務(wù)的干擾，可以有效地評(píng)價(jià)換熱網(wǎng)絡(luò)的能效水平。

常減壓蒸餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)溫差-公用工程負(fù)荷的關(guān)系如圖6所示。

由圖6可知：換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)溫差越小，熱公用工程用量越??；但夾點(diǎn)溫差越小，所需換熱面積越大，換熱器臺(tái)數(shù)增大，投資越大，因此換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)溫差存在最優(yōu)范圍。換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)溫差對(duì)總費(fèi)用(投資+能耗)的影響如圖7所示。

圖6 夾點(diǎn)溫差-公用工程負(fù)荷關(guān)系

圖7 換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)溫差對(duì)總費(fèi)用的影響

因此，常減壓蒸餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)溫差是評(píng)價(jià)燃料氣消耗的關(guān)鍵指標(biāo)。該指標(biāo)與其他次要指標(biāo)的研究結(jié)果如表4所示。

表4 換熱網(wǎng)絡(luò)模塊能效評(píng)價(jià)指標(biāo)

(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(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，由燃料氣經(jīng)燃燒轉(zhuǎn)換后提供能量，主要體現(xiàn)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(yīng)-Q煙氣-Q散熱=Q燃料氣×η

(8)

式中：Q為加熱爐有效熱負(fù)荷；H爐入口、H爐出口分別為工藝側(cè)物流進(jìn)、出加熱爐所攜帶能量；H燃料氣為進(jìn)入加熱爐燃料氣所攜帶能量；Q反應(yīng)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(fù)荷；η為加熱爐效率。

圖8 加熱爐能量平衡

加熱爐模塊的關(guān)鍵影響因素是加熱爐效率，影響加熱爐效率的因素包括過?？諝庀禂?shù)、排煙溫度、外表散熱(平均外表面溫度)。

以上指標(biāo)采用數(shù)據(jù)集合與分析的評(píng)價(jià)方法，集合行業(yè)同類裝置加熱爐實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)綜合分析，并將排名前10%定為先進(jìn)水平，排名10%～50%定為常規(guī)水平，具體如表5所示。

表5 加熱爐模塊關(guān)鍵能效評(píng)價(jià)指標(biāo)

(5)指標(biāo)匯總

經(jīng)以上分析，常減壓蒸餾裝置關(guān)鍵能效評(píng)價(jià)指標(biāo)如表6所示。

表6 常減壓蒸餾裝置關(guān)鍵能效評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.3 設(shè)計(jì)能效指數(shù)

綜合各模塊的主要能效評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)裝置能效指數(shù)(Z)初步設(shè)計(jì)如式(9)所示。

Z=∑Ai×α+∑Bi×β+∑Ci×γ

(9)

式中：Ai為能量利用環(huán)節(jié)分餾塔模塊第i個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)得分；α為Ai的權(quán)重占比；Bi為能量回收環(huán)節(jié)換熱網(wǎng)絡(luò)模塊第i個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)得分；β為Bi的權(quán)重占比；Ci為能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)加熱爐模塊第i個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)得分，γ為Ci的指標(biāo)權(quán)重占比。

5 結(jié) 論

(1)目前國內(nèi)外存在的能效評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)劣，主要適用于企業(yè)間整體能效水平的對(duì)比，缺少一種有效的針對(duì)目前國內(nèi)煉油技術(shù)水平的裝置能效評(píng)價(jià)方法。在“雙碳”背景下，亟需這種全新的評(píng)價(jià)方法來評(píng)價(jià)現(xiàn)有裝置的用能水平。

(2)基于煉油過程用能機(jī)理與大數(shù)據(jù)支持，建立裝置的三級(jí)能效指標(biāo)體系，提出一種新的煉油裝置能效評(píng)價(jià)方法。通過同類裝置之間的對(duì)比，挖掘裝置節(jié)能潛力，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供助力。