雙酚A 裝置多能互補(bǔ)與碳減排分析

王東

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

2020 年，中國(guó)在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)宣布：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。中國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)（以下簡(jiǎn)稱“雙碳”目標(biāo)）就此提出，在國(guó)內(nèi)國(guó)際社會(huì)引發(fā)關(guān)注，同時(shí)也引發(fā)了各行業(yè)的廣泛討論。石油化工行業(yè)是工業(yè)體系的用能大戶，“雙碳”目標(biāo)的提出，既是對(duì)石油化工行業(yè)提出了更高的要求，又為石油化工行業(yè)的技術(shù)發(fā)展路線提供了方向。

在“雙碳”目標(biāo)提出前，石化行業(yè)對(duì)于能源的利用多以安全穩(wěn)定為基礎(chǔ)，以降低能耗成本為目標(biāo)，建立了蒸汽為主、電能為輔的能源利用架構(gòu)。其中電能的利用主要為泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等電機(jī)用電，對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高，多依賴于園區(qū)工業(yè)供電，對(duì)于光伏、風(fēng)電等存在不確定性的綠色電力利用較少。因此“雙碳”目標(biāo)提出后，行業(yè)內(nèi)開始了對(duì)利用綠色電力的研究，提出了將綠色電力嵌入石化用電結(jié)構(gòu)的多能互補(bǔ)方向[1-3]。

本文以石化行業(yè)中一種典型的化工裝置-雙酚A生產(chǎn)裝置為例，結(jié)合其工藝和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，從利用綠色低碳能源進(jìn)行多能互補(bǔ)的角度出發(fā)進(jìn)行了分析探討。

1 研究方法

石油化工裝置設(shè)計(jì)中，電能屬于高品位能源，在同等的能量值消耗下，電能的能耗核算成本屬于最高的一檔?；ぱb置能耗總量大，且對(duì)用電設(shè)備有較高的防爆等級(jí)要求，大規(guī)模的電能利用會(huì)極大提高用電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備建設(shè)成本，因此在傳統(tǒng)的化工裝置設(shè)計(jì)建設(shè)中，會(huì)傾向于減少用電負(fù)荷，主要使用蒸汽等經(jīng)濟(jì)且穩(wěn)定的傳統(tǒng)能源。然而煤/油鍋爐蒸汽、火電等傳統(tǒng)能源的使用所帶來(lái)的碳排放成本日益顯著，隨著諸如風(fēng)電、光伏發(fā)電等綠色可再生能源建設(shè)和使用成本降低，提高綠色電能應(yīng)用比例，進(jìn)行多能互補(bǔ)，成為化工裝置低碳轉(zhuǎn)型的一個(gè)有效途徑。

在雙碳目標(biāo)的總體規(guī)劃下，石油化工多能互補(bǔ)研究探索目前較好的方案是在傳統(tǒng)的蒸汽、電、循環(huán)水等能耗結(jié)構(gòu)中，剖析出如風(fēng)電、光伏電、水電等綠色能源的可利用性?；ぱb置的生命線是安全，因此能源選擇有其特殊性，必須要在滿足裝置本質(zhì)安全冗余的基礎(chǔ)上，才可以在裝置能耗需求中拆解出滿足風(fēng)電、光伏電、水電供能不確定性的高冗余度負(fù)荷。目前關(guān)于綠色電能替代的研究分為園區(qū)供能和裝置用能兩個(gè)層次[4-5]。

關(guān)于園區(qū)多能互補(bǔ)，目前主要是電氣工程領(lǐng)域?qū)υ?網(wǎng)-荷環(huán)節(jié)的能量來(lái)源和配電網(wǎng)的研究。在電源側(cè)，分布式發(fā)電、電儲(chǔ)能及綜合能源等技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了配電網(wǎng)能量來(lái)源的清潔化和多元化；在電網(wǎng)側(cè)，一次電氣網(wǎng)絡(luò)中的電力電子應(yīng)用、二次信息網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋等因素大幅提升了配電網(wǎng)的可控性和可觀性；在負(fù)荷側(cè)，目前電動(dòng)汽車，家庭儲(chǔ)能站，工業(yè)儲(chǔ)能站的活躍發(fā)展也引發(fā)了業(yè)界的關(guān)注與研究[6]。

對(duì)于裝置用能的多能互補(bǔ)，目前研究較少。傳統(tǒng)化工設(shè)計(jì)能耗結(jié)構(gòu)整體上對(duì)于不確定性的冗余度非常小，若要實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)別的多能互補(bǔ)，需要對(duì)具體的生產(chǎn)能耗用戶行為特征進(jìn)行分析，從功能設(shè)計(jì)和工藝安全的角度分析判斷具體用戶對(duì)供能不確定性的冗余。以一種典型的雙酚A 生產(chǎn)裝置為例，分析其各能源用戶特點(diǎn)，并從其能否包容能源功率和時(shí)間不確定性的角度，探討使用風(fēng)電、光伏電能等綠色可再生能源的可能性。從單套化工裝置的角度出發(fā)，挖掘化工裝置單元操作中綠色能源替換潛力。

2 研究對(duì)象介紹

雙酚A，也稱BPA，分子式為C15H16O2，是世界上使用最廣泛的工業(yè)化合物之一，其生產(chǎn)原料苯酚和丙酮來(lái)自上游苯酚丙酮裝置，下游主要是生產(chǎn)聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、聚砜樹脂、聚苯醚樹脂、不飽和聚酯樹脂等多種高分子材料。本研究基于一種離子樹脂法雙酚A 生產(chǎn)工藝。

2.1 化學(xué)原理介紹

雙酚A 通過(guò)2 個(gè)苯酚分子與1 個(gè)丙酮分子反應(yīng)獲得，因此被叫做“雙酚A”，反應(yīng)方程式如下所示。

以上反應(yīng)過(guò)程均在離子樹脂床反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)溫度約60～ 90℃，壓力控制在0.8～ 1.3 MPa，苯酚過(guò)量投料循環(huán)使用，調(diào)節(jié)丙酮加入量控制反應(yīng)進(jìn)程。反應(yīng)整體較為溫和，放熱量較小，因此目前主流的雙酚A 生產(chǎn)工藝在反應(yīng)器均無(wú)緊急冷卻設(shè)計(jì)，僅需聯(lián)鎖切斷丙酮進(jìn)料便可終止反應(yīng)。

雙酚A 反應(yīng)生成p，p-BPA 和o，p-BPA 兩種同分異構(gòu)體，其中p，p-BPA 為目標(biāo)產(chǎn)品，特性為在一定的溫度區(qū)間可以和苯酚以1∶1 摩爾比形成加合物結(jié)晶，在苯酚溶液中析出。加合物結(jié)晶可通過(guò)離心機(jī)等物理手段分離精制，得到的高純度苯酚/p，p-BPA加合物結(jié)晶，再經(jīng)加熱后可以重新分解為苯酚和p，p-BPA，分離回收其中的苯酚后便可以得到高純度的雙酚A 產(chǎn)品。

雙酚A 裝置生產(chǎn)中苯酚和加合物均需要維持一定溫度，一旦低于結(jié)晶溫度，會(huì)造成管道內(nèi)堵塞等影響正常運(yùn)行操作，因此管道和設(shè)備的伴熱設(shè)計(jì)是雙酚A 生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)關(guān)注的關(guān)鍵要素，詳見表1，這也使得該工藝的伴熱設(shè)計(jì)較為特殊且關(guān)鍵。

表1 苯酚、雙酚A 混合物比熱特性參數(shù)Tab.1 Specific heat parameters of phenol and BPA liquid mixtures

2.2 生產(chǎn)工藝介紹

離子交換樹脂法（簡(jiǎn)稱樹脂法）雙酚A 生產(chǎn)工藝是以酸性陽(yáng)離子交換樹脂作為催化劑的生產(chǎn)方法。樹脂法催化劑腐蝕性小，設(shè)備管道材質(zhì)要求較低；采用離子交換樹脂固定床反應(yīng)器，無(wú)需催化劑回收系統(tǒng)；僅產(chǎn)生少量含苯酚、丙酮的廢水、有機(jī)廢液、廢氣。樹脂法生產(chǎn)雙酚A 工藝的一般過(guò)程是過(guò)量苯酚和丙酮以一定的摩爾比混合輸入盛有酸性陽(yáng)離子交換樹脂催化劑的反應(yīng)器中，二者發(fā)生縮合反應(yīng)生成雙酚A、水及副產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物先脫除未反應(yīng)的丙酮、部分苯酚和反應(yīng)生成的水，經(jīng)過(guò)結(jié)晶、脫苯酚等步驟對(duì)雙酚A 進(jìn)行精制和提純。最后經(jīng)過(guò)結(jié)晶、結(jié)片或造粒等不同的方法處理后得到固體的雙酚A 產(chǎn)品。對(duì)未反應(yīng)的丙酮和過(guò)量的苯酚進(jìn)行提純，回收利用。一種BPA 典型流程如圖1 所示。

圖1 一種典型的雙酚A 生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 A typical BPA production process flow diagram

2.3 用戶能耗行為分析

2.3.1 能耗分析

本文以GB/T 50441—2016《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定能耗核算系數(shù)，對(duì)某雙酚A 裝置各類能耗進(jìn)行統(tǒng)一折算，能耗百分比分布如圖2所 示。

圖2 一種典型的雙酚A 生產(chǎn)工藝能耗分布圖Fig.2 Distribution of energy consumption of a typical BPA production process

從圖2 可以看出，該雙酚A 裝置生產(chǎn)過(guò)程能耗主要由蒸汽，電，氮?dú)夂脱h(huán)冷卻水構(gòu)成。其中：

（1）蒸汽主要是用做換熱器加熱源。蒸汽是在傳統(tǒng)的化工行業(yè)中應(yīng)用最廣的二次能源，是石油化工行業(yè)易得、廉價(jià)、穩(wěn)定的公用工程組成，蒸汽類能耗占比也最大。雙酚A 裝置的原料苯酚和丙酮可以直接從異丙苯法苯酚丙酮裝置獲得，因此通常不單獨(dú)建廠，而是嵌合在苯酚丙酮產(chǎn)品鏈中，蒸汽來(lái)源多為依托園區(qū)或工廠集中提供。

（2）電能主要是用于設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電伴熱消耗，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分對(duì)電力穩(wěn)定要求非常高，對(duì)電能不確定性冗余非常??；電伴熱使用的是電流熱效應(yīng)，具有較大的用能優(yōu)化潛力。

（3）氮?dú)獠糠种饕亲鳛槎栊詺怏w消耗，主要由空壓站或園區(qū)集中供應(yīng)，在惰性氣體使用上，氮?dú)鈱儆诜€(wěn)定且易得的選擇，使用其他氣體代替的話難度較 大。

（4）循環(huán)冷卻水主要是換熱器撤熱用，主要由園區(qū)或工廠循環(huán)水場(chǎng)集中供應(yīng)。

2.3.2 裝置用能行為分析

（1）蒸汽和循環(huán)冷卻水

基于目前的石油化工裝置設(shè)計(jì)思路，在裝置界區(qū)內(nèi)使用蒸汽作為熱源進(jìn)行換熱器加熱和使用循環(huán)冷卻水進(jìn)行撤熱仍是最經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定的換熱方式，且工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的裝置對(duì)于換熱器穩(wěn)定操作要求非常高，此處對(duì)裝置本質(zhì)安全設(shè)計(jì)影響頗大，因此進(jìn)行用能優(yōu)化多采用換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等傳統(tǒng)節(jié)能措施，綠色能源如風(fēng)電和光伏發(fā)電直接在裝置層面參與優(yōu)化的空間較小。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，園區(qū)冷熱動(dòng)力中心和循環(huán)水場(chǎng)可以利用可再生能源驅(qū)動(dòng)的電鍋爐、溴化鋰熱泵，天然氣發(fā)電機(jī)組等進(jìn)行能耗架構(gòu)優(yōu)化[1，3，7]，如圖3 所 示。

圖3 一種典型的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)圖[7]Fig.3 An architecture diagram of a typical integrated energy system in chemical industry park [7]

（2）電能

從圖2 中可以看出，雙酚A 裝置的電能消耗在總能耗中占比不低，分別達(dá)到17.7%，在各類石油化工裝置中屬于高品位用能占比較高的，這為裝置使用風(fēng)電，太陽(yáng)能等綠色可再生能源替代傳統(tǒng)火電用能提供了用能優(yōu)化空間。根據(jù)電能用戶用能特點(diǎn)，將其按照泵、攪拌器等常規(guī)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)，離心機(jī)（大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備機(jī)組）驅(qū)動(dòng)，電加熱器，電伴熱四類用電進(jìn)行詳細(xì)拆解數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 某雙酚A 裝置電能用戶分析Tab.2 Analysis of electric energy users of a BPA facility

其中：

（1）泵、攪拌器等常規(guī)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)用電穩(wěn)定性要求最高。機(jī)泵常配置備泵，且一般為工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)荷較為固定；攪拌器需維持特定轉(zhuǎn)速以免被攪拌相失穩(wěn)，因此常規(guī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，在裝置層面使用不確定性綠色能源參與供電的難度很大，即便是園區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)對(duì)泵和攪拌器影響也非常大。該部分負(fù)荷需要在配電網(wǎng)環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化，避免不確定性傳導(dǎo)至用戶終端。

（2）雙酚A 裝置按照規(guī)模不同、配備的6～ 8 臺(tái)大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備-離心機(jī)，雖然跟機(jī)泵、攪拌器類似，也需要穩(wěn)定的電能供應(yīng)，但離心機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)質(zhì)量很大，潤(rùn)滑系統(tǒng)正常時(shí)，啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程在1 小時(shí)以上，即轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的大質(zhì)量保存的巨大的動(dòng)能儲(chǔ)備，因此諸如供電能源切換導(dǎo)致的瞬時(shí)失電不會(huì)帶來(lái)較大的生產(chǎn)波動(dòng)或安全后果，為使用風(fēng)電、光伏在園區(qū)配電網(wǎng)參與功能提供了可能性。

（3）電加熱器主要用于雙酚A 渣油裂解加熱用，雖然用電量只占總用電負(fù)荷2%不到，但其為靜態(tài)設(shè)備，功能原理是使用電熱元件通電發(fā)熱效應(yīng)將裂解對(duì)象介質(zhì)加熱至250～ 300℃，在做好保溫降低熱損失的條件下，對(duì)電源短時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)敏感性較低，具備利用綠色電能和火電互補(bǔ)的潛力。

（4）電伴熱的大規(guī)模使用是雙酚A 裝置較其他大型化工裝置特殊之處。經(jīng)調(diào)研，國(guó)際市占率靠前幾種雙酚A 生產(chǎn)工藝專利技術(shù)持有方如Badger、科思創(chuàng)等，在經(jīng)過(guò)數(shù)十年的流程設(shè)計(jì)優(yōu)化和操作穩(wěn)定性經(jīng)驗(yàn)積累后，均選擇了建設(shè)成本較高的電伴熱，而不是化工上常見的較為經(jīng)濟(jì)的蒸汽伴熱。除卻電伴熱施工便捷，伴熱均勻，覆蓋面積更大，操作靈活的優(yōu)點(diǎn)，其使用電熱效應(yīng)進(jìn)行易凝固/結(jié)晶介質(zhì)的溫度維持和升溫，所需電能更注重時(shí)間積分量，而不是微分量即瞬時(shí)功率，因此對(duì)電源的波動(dòng)起伏不甚敏感，在做好隔熱措施時(shí)，短時(shí)間的功能波動(dòng)影響極小。

2.4 綠色能源替代方案

為了確保多能互補(bǔ)優(yōu)化獲得最大的綠色能源替代，需要在多時(shí)間尺度下展開典型場(chǎng)景選取和融合方法研究。以月、日、小時(shí)為單位時(shí)間跨度，充分計(jì)及“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”交互的不確定性（間歇性和波動(dòng)性）過(guò)程，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)規(guī)劃結(jié)合配電網(wǎng)中綠色電源出力規(guī)律，建立不同時(shí)間跨度的綠色能源替代規(guī)劃方案和碳減排日程，優(yōu)化風(fēng)電、光電等綠電配置調(diào)度和儲(chǔ)能管理機(jī)制，盡可能地降低單位產(chǎn)值碳排放指標(biāo)。

2.4.1 年跨度規(guī)劃

圖4 為多時(shí)間尺度下的用電負(fù)荷規(guī)劃，離子交換樹脂法（簡(jiǎn)稱樹脂法）雙酚A 生產(chǎn)工藝在年時(shí)間跨度上有工藝自身決定的時(shí)間規(guī)律。所使用反應(yīng)催化劑不論是陶氏、朗盛、漂萊特等專業(yè)催化劑生產(chǎn)商提供的磺酸基樹脂，還是工藝專利技術(shù)方自制的諸如鍵和型離子交換樹脂，使用壽命相對(duì)其他石油化工催化劑來(lái)講較短。典型的催化劑更換周期為7～ 9 個(gè)月，個(gè)別性能優(yōu)越的催化劑能夠達(dá)到10～ 12 個(gè)月，催化劑更換操作持續(xù)2 周到1 個(gè)月，這也就使得雙酚A裝置的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)在一年之內(nèi)具有規(guī)律性，即7～ 9 個(gè)月進(jìn)行一次催化劑更換操作。

圖4 多時(shí)間尺度下的用電負(fù)荷規(guī)劃 [8]Fig.4 Electricity load planning on multiple time scales [8]

各家工藝專利技術(shù)考慮催化劑更換這一操作，在設(shè)計(jì)上多采用反應(yīng)器冗余設(shè)計(jì)，即設(shè)有備用反應(yīng)器或切出一臺(tái)反應(yīng)器也可以短時(shí)間支撐滿負(fù)荷生產(chǎn)。因此催化劑的更換一般不會(huì)影響裝置整體生產(chǎn)負(fù)荷，但催化劑更換的過(guò)程，需要進(jìn)行苯酚轉(zhuǎn)移，使用大量的熱脫鹽水對(duì)離子樹脂進(jìn)行清洗，使用熱苯酚置換脫除新鮮催化劑濕基運(yùn)輸保存所需的水（脫水操作），過(guò)程中需要熱負(fù)荷約4 000 kW，泵功率約28 kW，操作周期約14 天。

雖然催化劑廠商建議在切換反應(yīng)器前的一個(gè)月內(nèi)完成新鮮催化劑的脫水準(zhǔn)備，但相對(duì)規(guī)律有序的生產(chǎn)流程，舊催化劑的卸載與新催化劑的裝填可以提前計(jì)劃調(diào)整，與風(fēng)電、光伏發(fā)電側(cè)供能高峰匹配規(guī)劃。

2.4.2 月跨度規(guī)劃

雙酚A 裝置運(yùn)營(yíng)另一特點(diǎn)是需要定期進(jìn)行結(jié)晶器“融疤”處理。根據(jù)業(yè)內(nèi)操作經(jīng)驗(yàn)，約30～ 45 天便需要對(duì)結(jié)晶器進(jìn)行升溫操作，熔融結(jié)晶器內(nèi)壁積累粘結(jié)的固相?！叭诎獭边^(guò)程持續(xù)7～ 10 天，同時(shí)裝置需降負(fù)荷運(yùn)行。雖然裝置產(chǎn)能下降至60%，但融疤過(guò)程需要融疤線機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，換熱器加熱升溫，裝置整體能耗為70%左右運(yùn)轉(zhuǎn)，其中下降的30%集中在蒸汽消耗上。雙酚A 裝置產(chǎn)能負(fù)荷周期如圖5 所示。

圖5 雙酚A 裝置產(chǎn)能負(fù)荷周期Fig.5 BPA facility capacity load cycle

基于以上操作規(guī)律，可以利用雙酚A 生產(chǎn)月跨度的負(fù)荷變動(dòng)，與風(fēng)、光、水電的季節(jié)性變化進(jìn)行匹配耦合，增加裝置能耗中綠色低碳能源占比。

2.4.3 日跨度規(guī)劃

日跨度級(jí)別的能耗變動(dòng)一般不會(huì)出現(xiàn)在大型連續(xù)化工生產(chǎn)裝置中，但雙酚A 裝置大規(guī)模的電伴熱使用為此提供了基礎(chǔ)。

目前雙酚A 所用電伴熱多為自限溫伴熱帶，電伴熱負(fù)荷具備主動(dòng)調(diào)節(jié)功能?；诿恳唤M伴熱帶均會(huì)配置獨(dú)立溫度檢測(cè)（RTD）和控制端口，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠所有電伴熱帶的網(wǎng)絡(luò)化精確管理。

電伴熱帶所覆蓋的管道及其內(nèi)介質(zhì)可以通過(guò)伴熱溫控調(diào)整維持溫度，如富苯酚相可在不產(chǎn)生相變的50～ 80 ℃區(qū)調(diào)節(jié)。利用風(fēng)電-光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電伴熱進(jìn)行供電，當(dāng)發(fā)電功率充足時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作，同時(shí)可以將維持溫度調(diào)至較高區(qū)間，將多出需要負(fù)荷的電能供應(yīng)轉(zhuǎn)換為工藝介質(zhì)及管道熱能；當(dāng)發(fā)電功率低于所需負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，同時(shí)工藝介質(zhì)及管道儲(chǔ)存的熱能釋放，維持溫度降至可控范圍的較低區(qū)間，緊急情況下有充足的時(shí)間窗口啟動(dòng)備用園區(qū)供電（火電）。

雙酚A 管道內(nèi)需維持特定溫度的工藝介質(zhì)如苯酚、雙酚A 等，通過(guò)溫度變化吸收或釋放顯熱，形成類似熱量蓄能池。工藝介質(zhì)比熱容典型值在2.1～ 2.3 kJ/kg.℃，如表1 所示，折算下來(lái)1 噸液相工藝介質(zhì)升高1℃便可存儲(chǔ)約0.61 kWh 的電能，利用工藝介質(zhì)蓄熱儲(chǔ)能可以有效降低目前配電工程上研究的風(fēng)電-光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的投入。

電伴熱管道的熱損失Q計(jì)算公式如下：

式中Q——管道熱損失，W/m；

t——主管內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；

ta——環(huán)境溫度，℃，；

λ——保溫材料制品的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

Do——管道外徑，m；

Di——管道及保溫層內(nèi)徑，m；

α——保溫層外表面向大氣的放熱系數(shù)，W/（m2·K）；

VW——風(fēng)速，m/s，取歷年年平均風(fēng)速的平均值。

以某綜合園區(qū)為算例進(jìn)行計(jì)算，全年的平均氣溫為14.3℃，7 月為一年中最熱的時(shí)間段，平均溫度可達(dá)27℃，1 月最冷平均溫度為0.1℃，全年太陽(yáng)光照時(shí)間為2 400 h，年平均風(fēng)速為2.1 m/s。根據(jù)園區(qū)所在地的氣候分布條件，將全年分為冬季、夏季和春秋過(guò)渡季3 種運(yùn)行場(chǎng)景，對(duì)園區(qū)進(jìn)行風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)容量配置并驗(yàn)證本文所提電能替代的合理性。調(diào)度周期T取24 h，單位調(diào)度時(shí)間Δt取1h。伴熱功率以DN 100 管道，40 mm 保溫厚度為計(jì)算基礎(chǔ)，結(jié)合風(fēng)速估算，結(jié)果如圖6、7、8 所示。

圖6 基于某園區(qū)冬季氣象信息的伴熱功率曲線Fig.6 Heat trace power curve based on winter weather information of a park

圖7 基于某園區(qū)夏季氣象信息的伴熱功率曲線Fig.7 Heat trace power curve based on summer weather information of a park

圖8 基于某園區(qū)過(guò)渡季節(jié)氣象信息的伴熱功率曲線Fig.8 Heat trace power curve based on transition season weather information of a park

不同季節(jié)光伏電能的日間功率特點(diǎn)相近，光伏發(fā)電工作時(shí)間集中在日間6:00～ 18:00，且功率高峰一般在8:00～ 16:00，夏日發(fā)電功率最高且日照時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)，冬季發(fā)電功率最低；風(fēng)力發(fā)電的季節(jié)性較強(qiáng)，冬季17:00 至次日7:00 出力，夏季和春秋過(guò)渡季節(jié)則多在日夜交替時(shí)出力，如圖9，10，11 所示。

圖9 冬季某園區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電出力分布Fig.9 Distribution of wind-solar complementary power generation output in a park in winter

圖10 夏季某園區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電出力分布Fig.10 Distribution of wind-solar complementary power generation output in a park in summer

圖11 過(guò)渡季節(jié)某園區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電出力分布Fig.11 Distribution of wind-solar complementary power generation output in a park in transition season

從電伴熱管道的熱損失Q計(jì)算公式可以看出，環(huán)境溫度越低，風(fēng)速越大，Q值越大；環(huán)境溫度越高，風(fēng)速越低，Q值越小。同時(shí)根據(jù)GB/18710—2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》附錄B 中給出的風(fēng)功率密度計(jì)算方法，風(fēng)功率密度和風(fēng)速的三次方成正比：

式中DWP——平均風(fēng)功率密度，W/m2；

n——在設(shè)定時(shí)段內(nèi)的記錄數(shù)；

ρ——空氣密度，kg/m3；

υi3——第i次記錄的風(fēng)速（m/s）值的立方。

從圖9、10、11 可以看出，通過(guò)氣象條件預(yù)測(cè)得到的風(fēng)電和光伏發(fā)電模型，結(jié)合相應(yīng)設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)維持溫度管道和設(shè)備的電伴熱功率網(wǎng)格化管理，雙酚A 裝置電能消耗中27.32%，總能耗的4.91%，可以實(shí)現(xiàn)綠色電能替代。

3 總結(jié)

隨著中國(guó)提出2030 年碳達(dá)峰和2060 年碳中和的愿景，能源體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化迫在眉睫。傳統(tǒng)石油化工裝置用能選擇需要保證工藝的安全穩(wěn)定，對(duì)具有不確定性的綠色可再生能源直接利用有限。隨著近年風(fēng)電、光伏等綠色能源發(fā)電成本和儲(chǔ)能成本的降低，國(guó)家氣象部門對(duì)于風(fēng)能和太陽(yáng)能的統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)日趨完善，低碳智能配電網(wǎng)研究亦有進(jìn)展，充分挖掘綠色低碳能源在石化領(lǐng)域的可用性值得深入研究討論。

借鑒風(fēng)光互補(bǔ)和虛擬電廠的研究方法，本文嘗試將源-網(wǎng)-荷的負(fù)荷端研究與石化裝置的工藝能耗分析結(jié)合，并以雙酚A 生產(chǎn)裝置為例，對(duì)石化裝置進(jìn)行了用戶特征分析。提出了年、月、日不同跨度的用戶行為特征，并結(jié)合一園區(qū)風(fēng)-光-儲(chǔ)多能互補(bǔ)規(guī)劃系統(tǒng)，提出了雙酚A 裝置的綠色能源替換方案。

綠色電能應(yīng)用場(chǎng)景研究已經(jīng)在汽車行業(yè)引發(fā)了“二次電氣化”的風(fēng)潮，對(duì)于石化行業(yè)來(lái)講，綠色能源深度參與的多能互補(bǔ)，既是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，也為產(chǎn)業(yè)升級(jí)進(jìn)步提供了一個(gè)研究方向。