石化企業(yè)提高終端電氣化率路徑

袁明江，王志剛

中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

根據(jù)發(fā)改能源〔2022〕210 號《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》和發(fā)改能源〔2022〕353 號《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)電能替代的指導(dǎo)意見》，中國加快推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，推動(dòng)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，促進(jìn)新能源占比逐漸提高，科學(xué)有序推進(jìn)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，不斷提升綠色發(fā)展能力；全面深入拓展電能替代，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域擴(kuò)大電鍋爐、電窯爐、電動(dòng)力等應(yīng)用；工業(yè)生產(chǎn)持續(xù)提升電氣化水平，預(yù)計(jì)到2025年電能占終端用能比例達(dá)30%左右［1］。國際大型煉化公司也積極推進(jìn)生產(chǎn)電氣化和電力結(jié)構(gòu)清潔化工作，如，BASF SE（巴斯夫歐洲公司）、Sabic（沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司）和Linde（林德集團(tuán)）正在建造全球首個(gè)電加熱蒸汽裂解爐示范工廠［2］。據(jù)中國某大型油氣集團(tuán)內(nèi)部調(diào)研，2022年底，中國石化企業(yè)的平均終端電氣化率為8%～12%。

根據(jù)《中國石油綠色低碳發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃3.0》，中國石油天然氣集團(tuán)有限公司將實(shí)施深度電氣化改造工程；中國石油化工集團(tuán)有限公司也積極推進(jìn)石化企業(yè)的電氣化率提升工作。為此，各石化企業(yè)需不斷增加電能使用，減少蒸汽和燃料的消耗。但是目前，石化企業(yè)進(jìn)一步提高終端電氣化率還面臨著技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和現(xiàn)有系統(tǒng)改造投資高等挑戰(zhàn)。本文采用“模擬設(shè)計(jì)+路徑分析”的方法對石化企業(yè)提高終端電氣化率的路徑進(jìn)行研究。

1 總體思路及制約因素

終端電氣化率的定義為“（終端用戶電耗/總能耗）×100%”，其中，1 kW·h 折合成0.086 kg 標(biāo)準(zhǔn)油。電氣化率的研究對象可以是某個(gè)企業(yè)或是單個(gè)系統(tǒng)或單元。石化企業(yè)提高終端電氣化率的總體思路見圖1。

圖1 石化企業(yè)提高終端電氣化率總體思路

石化企業(yè)可采取的路徑有兩個(gè)基本方向。一是“做大分子”，即在總能耗不變的情況下提升能耗中的電能比例。電替代主要分為電的動(dòng)力替代和熱力替代，動(dòng)力替代主要指電驅(qū)動(dòng)、真空泵、液環(huán)泵等動(dòng)力應(yīng)用，熱力替代主要指電伴熱、電鍋爐、電加熱器和電加熱爐的應(yīng)用。增加電能的其他應(yīng)用還包括采用電能的新工藝技術(shù)，如電解水制氫和電裂解制烯烴等工藝。二是“做小分母”，即降低全廠或者裝置的總能源消耗，特別是非電力能耗。實(shí)施節(jié)能改造，也是提高企業(yè)終端電氣化率的重要手段，特別是對于煉油和乙烯能效尚未達(dá)標(biāo)的石化企業(yè)，應(yīng)首選節(jié)能類的改造替代路徑，重點(diǎn)考慮低溫?zé)岣咝Ю?、熱泵?yīng)用等節(jié)能措施。這類路徑一般具有合理的經(jīng)濟(jì)效益，但對于全廠電氣化率的提升幅度較為有限。

目前，石化企業(yè)提高終端電氣化率的制約因素主要包括：新能源綠電尚未形成規(guī)模化供應(yīng)，且綠電生產(chǎn)地大多與石化企業(yè)距離較遠(yuǎn)；綠電的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性影響了動(dòng)力替代效果，且大規(guī)模儲能技術(shù)仍有瓶頸，成本較高；現(xiàn)有價(jià)格體系下，電力價(jià)格明顯高于自用的油氣價(jià)格，因此，目前電的熱力替代在石化企業(yè)中經(jīng)濟(jì)性較差。此外，大規(guī)模電力替代后，對于石化企業(yè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和抗晃電要求也是新的挑戰(zhàn)。

2 考慮因素及影響分析

石化企業(yè)提高終端電氣化率是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其目標(biāo)是替代部分化石能源消耗［3-7］，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程深度脫碳。在研究制定提高終端電氣化率路徑時(shí)，各企業(yè)需要綜合考慮各方因素，主要包括技術(shù)和裝備的可行性、技術(shù)路徑的經(jīng)濟(jì)性和安全性，其他考慮因素還包括新增電力負(fù)荷的來源、電力系統(tǒng)擴(kuò)建方案，以及電氣化改造后對全廠蒸汽平衡、燃料平衡的關(guān)聯(lián)影響等。

2.1 技術(shù)和裝備成熟度分析

根據(jù)技術(shù)和裝備成熟度情況，目前可采取的提高電氣化率技術(shù)和裝備主要有電伴熱、電加熱器、電驅(qū)動(dòng)、液環(huán)泵和熱泵。20 MW 以下的電機(jī)技術(shù)較為成熟，能夠滿足煉油過程的各裝置及系統(tǒng)對于壓縮機(jī)和汽輪機(jī)的電驅(qū)需求。大型乙烯項(xiàng)目，由于乙烯裂解氣壓縮機(jī)的規(guī)模較大（60 MW 以上），國產(chǎn)的防爆電機(jī)尚缺乏此規(guī)模的應(yīng)用案例，或需要采用拆分為兩臺電機(jī)合力驅(qū)動(dòng)的實(shí)施方案。

技術(shù)和裝備尚不成熟，需繼續(xù)進(jìn)行開發(fā)和工業(yè)驗(yàn)證的技術(shù)主要有電裂解爐、電加熱爐、電蒸汽鍋爐、微電網(wǎng)、電力儲能、電催化及電解。電蒸汽鍋爐主要分為電阻式、電磁式和電極式三大類，對于電阻式和電磁式鍋爐，現(xiàn)有的工業(yè)應(yīng)用普遍存在規(guī)模小、蒸汽壓力等級低的問題［8-9］。電極式鍋爐具有很好的熱效率，已被廣泛應(yīng)用于電力供暖、化工（非連續(xù)長周期運(yùn)行時(shí)）等行業(yè)，目前設(shè)備規(guī)模能夠達(dá)到30 t/h 左右，可生產(chǎn)70～130 ℃熱水；因絕緣和密封問題，其蒸汽壓力等級和長周期能力尚無法滿足石化行業(yè)8 000 h 以上的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)需要。智能微電網(wǎng)的關(guān)鍵是PCS（儲能電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)），憑借儲能使綠電更易與電網(wǎng)用電整合，運(yùn)用分散式發(fā)電技術(shù)，增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。孤網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)要求配置一定容量的儲能系統(tǒng)，這也是投資較高的原因。

電蒸汽鍋爐技術(shù)和微電網(wǎng)技術(shù)都在不斷發(fā)展進(jìn)步，在石化行業(yè)會得到越來越多的應(yīng)用。2025—2035年，預(yù)計(jì)電氣化相關(guān)技術(shù)發(fā)展和可用情況見表1。其中，相關(guān)技術(shù)按如下進(jìn)行編號：①電伴熱；②工藝電加熱器（加熱氣體類）；③電驅(qū)動(dòng)；④液環(huán)泵；⑤熱泵；⑥380 ℃以下熱載體加熱爐（5 MW 及以上）；⑦50 t/h 中壓蒸汽電鍋爐；⑧600 ℃以下電加熱爐（5 MW 及以上）；⑨智能微電網(wǎng)；⑩800 ℃以下電熔鹽爐；?900 ℃以下電加熱爐；?電裂解爐；?低壓蒸汽電鍋爐。

表1 電氣化相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展階段預(yù)測

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

以某石化企業(yè)的全廠電氣化改造路徑為例，對電伴熱與蒸汽伴熱、電驅(qū)動(dòng)與蒸汽驅(qū)動(dòng)、電爐和燃料加熱爐的投資和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了初步對比，分析情況見表2。需要說明的是，由于不同區(qū)域的電力價(jià)格、燃料價(jià)格的不同，具體的費(fèi)用亦有差別。

表2 電氣化相關(guān)技術(shù)投資及經(jīng)濟(jì)性分析

由于目前綠電價(jià)格總體上高于平均上網(wǎng)電價(jià)，即使在綠電供應(yīng)充足的西北地區(qū)，綠電上網(wǎng)價(jià)格仍高于火電上網(wǎng)電價(jià)30%左右。以青海油田為例，天然氣價(jià)格1.15 元/m3，若用電力替代天然氣，則等熱值成本約為3.6 元/m3。因此，在目前價(jià)格體系下，采用電力進(jìn)行熱力替代不具有經(jīng)濟(jì)性。

由于發(fā)電總體效率高于裝置的凝汽器效率，采用電力替代石化企業(yè)的凝汽器從用能角度看是合理的，而替代背壓汽輪機(jī)未必合理。采用電驅(qū)代替蒸汽驅(qū)動(dòng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性（見表2），例證可參考中國石化燕山石化公司等的工業(yè)實(shí)驗(yàn)［10-12］。

2.3 安全性分析

根據(jù)某石化企業(yè)近5年內(nèi)用電設(shè)備非計(jì)劃停工事故統(tǒng)計(jì)，因外部電網(wǎng)導(dǎo)致的事故占比高達(dá)81%。加之近年來極端氣候增多，企業(yè)用電量不斷增長，在迎峰度夏、迎峰度冬等特殊時(shí)段，石化企業(yè)限電概率增加，進(jìn)而給企業(yè)的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)帶來較大影響。部分老企業(yè)現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、配電線路負(fù)荷重、線路長、分支多，需要進(jìn)行較大改造以適應(yīng)電氣化發(fā)展需要。為應(yīng)對外電網(wǎng)的電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、電壓暫降（晃電）、頻率波動(dòng)、波形畸變等波動(dòng)與偏差，各企業(yè)可采取電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行合理配置與整定，電氣裝置中關(guān)鍵元件采用寬電壓產(chǎn)品或?qū)Ｓ玫目够坞姰a(chǎn)品，對關(guān)鍵電源采用交流或直流不間斷電源供電等措施［13-14］。未來，還需在大容量非線性電力元件引起的諧波污染、變頻器的備用及冗余、高壓電力系統(tǒng)接入和抵御晃電向進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備配置［15］，為煉化裝置電氣化改造提供穩(wěn)定的供電。

3 實(shí)施路徑

不同石化企業(yè)由于加工規(guī)模、流程配置的不同，現(xiàn)有用能結(jié)構(gòu)的差異，可采取的電氣化率提升路徑也不盡相同。建議按圖2所示的總體路徑開展電氣率提升的路徑研究和比選。

圖2 石化企業(yè)提高終端電氣化率路徑

3.1 節(jié)能改造

節(jié)能改造具有提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和終端電氣化率的雙重意義，對石化企業(yè)普遍適用。建議做好全廠蒸汽-電力系統(tǒng)的平衡和優(yōu)化，消除蒸汽不合理利用，減少蒸汽減溫減壓使用，減少管網(wǎng)散熱損失，提高蒸汽系統(tǒng)的利用效率，持續(xù)降低煉化裝置的能源消耗。煉化裝置可考慮采用冷再生劑循環(huán)催化裂解技術(shù)提高催化裂化反應(yīng)的選擇性；采用高效空氣預(yù)熱器，推廣應(yīng)用高效換熱器；采用高效煙機(jī)，高效回收催化裂化裝置再生煙氣的熱能和壓力能；推廣加氫裝置原料泵液力透平應(yīng)用；加強(qiáng)裝置間物料直供；推進(jìn)企業(yè)氫氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化等技術(shù)。

目前，推薦的主要方向有低溫?zé)岙a(chǎn)熱水或低溫?zé)岙a(chǎn)蒸汽、熱泵應(yīng)用等。通過熱泵生產(chǎn)低壓蒸汽可減少對鍋爐生產(chǎn)蒸汽的依賴。目前市場上熱泵產(chǎn)品（如兩級熱泵）供熱溫度可達(dá)120～150 ℃。采用“閃蒸+壓縮”工藝，回收煉化裝置低溫余熱，生產(chǎn)符合蒸汽管網(wǎng)參數(shù)的低壓蒸汽，節(jié)能效果顯著。熱泵技術(shù)生產(chǎn)的低壓蒸汽運(yùn)行成本要低于電加熱鍋爐，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

通過基于低溫?zé)岬臒岜眉夹g(shù)，最大程度替代1.0 MPa 蒸汽是一個(gè)重要方向，只有減少了1.0 MPa 蒸汽的需求，才能為后續(xù)3.5 MPa 背壓機(jī)組改造為電驅(qū)創(chuàng)造條件。煉廠的低溫?zé)徇€將優(yōu)先用于罐區(qū)保溫及管道伴熱，而不只是用于低溫?zé)岚l(fā)電。

3.2 電驅(qū)替代

目前煉廠用各規(guī)模的壓縮機(jī)均可采用電驅(qū)進(jìn)行替代。在替代路徑上，根據(jù)全廠蒸汽-電力平衡，首選凝汽式汽輪機(jī)進(jìn)行改造，然后再考慮背壓式汽輪機(jī)，如確需采用抽凝式汽輪機(jī)，要多抽汽、少凝汽，抽汽的功率占比要達(dá)到45%～70%，充分發(fā)揮抽凝汽輪機(jī)組對蒸汽管網(wǎng)的調(diào)節(jié)作用。

汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)改電驅(qū)后將重構(gòu)石化企業(yè)的蒸汽平衡，目標(biāo)是停鍋爐自產(chǎn)蒸汽，保持小的蒸汽系統(tǒng)，減少管網(wǎng)損失。對于部分石化企業(yè)富余的蒸汽，也可以考慮蒸汽發(fā)電，從能源效率角度，盡可能采用11.9 MPa 或者4.0 MPa 的高壓蒸汽發(fā)電，采用抽凝式機(jī)組，以提高蒸汽系統(tǒng)的整體效能。

3.3 電伴熱替代

電伴熱是成熟的技術(shù)，具有控溫準(zhǔn)確、施工簡便、日常維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)。煉廠管網(wǎng)上長距離重油管道可以考慮使用電伴熱，特別是間斷投用的管道和火炬管道的伴熱，由于要求的維持溫度不高，只考慮補(bǔ)充熱量損失，因此，雖然電伴熱能夠降低蒸汽系統(tǒng)的運(yùn)行成本，但對于提高全廠電氣化率的影響幅度較小。

3.4 電加熱替代

電加熱路徑主要是使用電加熱器替代蒸汽加熱、電加熱爐替代燃料加熱。電加熱器替代蒸汽重沸器作為熱源，首先考慮應(yīng)用的被加熱物料為氣體類、輕烴類、非熱敏性的單相流體，出口溫度最高可達(dá)710 ℃，熱效率可達(dá)95%，加熱元件溫度一般高于被加熱介質(zhì)50～100 ℃。若被加熱物料為兩相流，一般采用間接輻射電加熱爐，即：被加熱物料走盤管內(nèi)，中間傳熱介質(zhì)為氮?dú)饣驘彷d體，出口溫度可達(dá)550 ℃，熱效率高于90%。

目前中國較為成熟的單臺電加熱器負(fù)荷為3.5～5 MW。對于5 MW 及以上的電加熱器和電加熱爐，推薦采用1～6 kV 電壓作為加熱電源，這樣能夠減少變壓器和電纜回路的數(shù)量，還能減少電能損耗，相較220 V 電源可提高電熱效率10%左右。功率密度對電加熱器來說非常重要，功率密度過大會導(dǎo)致電加熱器過熱，可能損壞加熱元件。實(shí)際的功率密度須根據(jù)介質(zhì)的流速、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和黏度來計(jì)算，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正［16］。

除了中高壓電源外，大負(fù)荷電加熱時(shí)一般需要采用浸沒式加熱器，以快速轉(zhuǎn)移走電熱元件周圍的熱量，避免電熱元件的超溫?fù)p壞。電加熱器或電加熱爐技術(shù)對于提高企業(yè)的終端電氣化率具有決定性作用。

3.5 其他措施

煉廠減壓塔頂通常采用一、二級蒸汽抽真空+三級液環(huán)泵組合方案，采用兩級液環(huán)泵串聯(lián)抽真空方式，即可實(shí)現(xiàn)1.0 MPa 蒸汽的替代。對于有減壓深拔工況的減壓蒸餾裝置，前邊仍需增加一級蒸汽噴射器。目前，羅茨真空泵抽真空在中國已有應(yīng)用業(yè)績，采用兩級羅茨真空泵+液環(huán)泵，可滿足減壓塔頂對殘壓的設(shè)計(jì)要求。

利用太陽能、綠電等加熱熔鹽，通過儲熱解決了可再生能源不穩(wěn)定的問題。同時(shí)，熔鹽加熱后的輸出溫度可達(dá)550 ℃左右，可以滿足石化企業(yè)大多數(shù)的用熱需求和蒸汽過熱的需要。煉廠設(shè)置大型熔鹽罐，利用熱熔鹽加熱油品物料，替代目前的加熱爐和鍋爐，可以大幅減少石化企業(yè)的碳排放。該技術(shù)對于提高企業(yè)的終端電氣化率具有明顯貢獻(xiàn)。

在國家“雙碳”目標(biāo)背景下，各石化企業(yè)應(yīng)充分利用廠區(qū)及其周邊區(qū)域的新能源發(fā)電、新能源儲能儲熱，增強(qiáng)電力供應(yīng)和多能互補(bǔ)能力，增強(qiáng)企業(yè)的能源使用效率和綠電消納能力。在碳市場交易和資產(chǎn)管理等機(jī)制方面，各石化企業(yè)應(yīng)做好集團(tuán)內(nèi)部碳資產(chǎn)的核查和管理，有序開發(fā)CCER（國家核證自愿減排量）項(xiàng)目、碳金融產(chǎn)品，統(tǒng)籌碳配額和CCER 交易、綠電或綠證交易，促進(jìn)企業(yè)綠色發(fā)展。

3.6 實(shí)施順序及優(yōu)先度

從電氣化實(shí)施路徑的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性、落地可改造空間等方面考慮，建議總體思路上按照節(jié)能優(yōu)先、凝汽式驅(qū)動(dòng)替換、背壓驅(qū)動(dòng)改造、電伴熱改造、電加熱器改造的順序進(jìn)行路徑設(shè)計(jì)，將電加熱爐改造作為最后的手段。對于電加熱器和電加熱爐的改造，可分批進(jìn)行，按照小負(fù)荷、氣體和輕質(zhì)物料優(yōu)選的原則進(jìn)行路徑規(guī)劃。目前，采用電驅(qū)替代蒸汽透平，特別是凝汽式汽輪機(jī)，不僅能夠節(jié)能、減少CO2排放，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論及建議

在國家“雙碳”目標(biāo)背景下，石化企業(yè)提高終端電氣化率是必然的選擇。在進(jìn)行總體路徑規(guī)劃時(shí)，需綜合考慮改造路徑的技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，也需結(jié)合外部可用的綠電資源，做好企業(yè)內(nèi)部蒸汽平衡、燃料平衡和物料平衡。

電伴熱、電加熱器、電驅(qū)動(dòng)、熱泵、電鍋爐、電加熱爐等技術(shù)，目前處于不同的技術(shù)發(fā)展階段，對于石化企業(yè)提高全廠電氣化率的貢獻(xiàn)也不同。不同類型的石化企業(yè)，加工規(guī)模、流程配置和用能結(jié)構(gòu)不同，也增加了實(shí)施電氣化率提升工作的不確定性。各企業(yè)應(yīng)采取“一廠一策”的路徑，結(jié)合企業(yè)“十四五”規(guī)劃和綠色低碳發(fā)展規(guī)劃，不斷增強(qiáng)企業(yè)的能源使用效率和綠電消納能力。

對于電加熱和電伴熱的替換路徑，雖然減少了蒸汽和燃料消耗，但增加了電力消耗，最后折算為企業(yè)加工能耗是增加的。只有按照綠電進(jìn)行能耗計(jì)算，才能實(shí)現(xiàn)綠電節(jié)能的效果。對于新建大型煉化項(xiàng)目，必須與地方政府進(jìn)行商談，保障獲得100%的綠電供應(yīng)指標(biāo)。

由于目前的電價(jià)和燃?xì)鈨r(jià)差，電加熱爐運(yùn)行成本是傳統(tǒng)火焰加熱爐的1.5～3 倍，技術(shù)上也需要進(jìn)一步的工業(yè)驗(yàn)證。建議將電加熱爐路徑作為兜底手段，先行開展工業(yè)驗(yàn)證性試驗(yàn)，待電價(jià)等條件成熟后再全面推廣應(yīng)用。