突破節能“天花板”需全局優化用能

——關于煉油能量系統優化的思考與展望

閱讀提示：近年來，伴隨著我國經濟社會發展，煉油節能面臨新的約束和要求：一是受國家、地方政策影響，煉油企業能源供應形勢發生變化；二是煉油產業面臨產能總體過剩的嚴峻挑戰，通過節能降耗降低生產成本、增強企業綜合競爭力成為應對產能過剩的重要抓手之一，也對煉油全局節能提出了新的要求。能量系統優化是指導煉油企業開展節能工作的重要理論基礎和研究領域，遵循科學合理的能量利用原則，以能量利用最優狀態指導煉廠的節能和能效提升工作，是未來煉廠能源管理的重要內容。

田 濤
近年來，隨著我國煉油行業節能工作逐步深入，提高煉油過程能源效率已經成為一項涉及全廠物料平衡、工藝路線、操作優化、設備更新改造等的綜合性工作。理清節能、用能優化與煉油生產的關系，成為指導煉油廠開展能源優化管理的重要基礎。
能量系統優化是未來煉廠能源管理的重要內容
節能與能量系統優化是既有區別又有聯系的兩個方面。節能是以降低生產過程的能源消耗、減少不必要的能量浪費以實現節約生產成本的實踐活動；能量系統優化是在遵循能量合理利用的基礎上，運用過程系統工程的方法整體優化能量推動過程的活動，是過程系統工程方法在能量利用領域的運用和發展，對企業開展節能工作具有重要指導作用。節能可以降低企業的能源消耗，但卻未必是通過最優的能量利用措施來實現，如對出口閥門截流的機泵采用葉輪切削降低電耗、對管網乏汽進行回收利用等，這些措施都節約了能量，卻不一定達到能量利用的最優狀態。
在遵循科學合理的能量利用原則基礎上采取最優的能量利用方式，是實現煉油廠用能本質合理的重要體現。煉油能量系統優化就是從過程用能本質合理的角度出發，在揭示和運用能量利用規律基礎上，從企業用能的全局視角優化能量利用過程，切實提升企業的整體用能水平。
能量系統優化在煉油行業的應用較早，20世紀70年代，Linhoff教授創立夾點理論，極大促進了換熱網絡優化技術的發展；國內華賁教授在總結用能過程熱力學基礎上，創立了用能分析的“三環節”理論。線性規劃（LP）求解軟件及技術的應用促進了煉油蒸汽動力系統和管網系統的優化和求解，同時PIMS（生產過程信息管理系統）、Pro/II（化工工藝模擬計算軟件）、Aspen（大型通用流程模擬系統）等商業流程模擬軟件的應用也推動了系統優化手段在煉油節能領域的進步。隨著節能工作的深入，煉油能量系統優化的應用將會越來越廣泛。
能量是推動煉油生產過程的重要因素，既要驅動流體物料的流動，又要完成工藝介質的分離，同時也是推動反應進行的條件，因此能量在煉油生產過程中的利用形式多樣。能量的來源廣泛、品種繁多，包括原煤、石油焦、煉廠干氣（瓦斯）、燃料油、天然氣、蒸汽、電等，能源的轉化和用能形式差別較大，加之煉油過程的工藝物流數量多、溫位分布廣、壓力等級多，物料間的能量選擇匹配余地大。因此，煉油生產的工藝特點決定了用能過程的復雜性，這使得應用過程系統方法優化煉油用能過程具有較大的施展空間。
煉油產能的逐步發展，對能量系統優化提出了現實需求。我國多數煉油企業建設年代跨度較大，煉油能力逐步增加，項目投資中對主要工藝裝置的擴能投入較大，而對公用工程和用能系統關注較少，工藝裝置依托原有公用工程建設，導致工藝過程與用能系統缺少統一規劃。未來一個時期內，油品質量升級、環境保護與“雙碳”目標將會驅動新一輪煉油裝置升級改造，能量系統優化技術將在工藝產能升級與用能優化的協同發展中發揮重要作用，降低產能升級項目投資的同時提升過程能效水平。
技術經濟條件的改變及新技術的出現，對煉油用能提出新要求。能量系統優化的本質是追求用能過程的經濟最優化，權衡生產過程推動力與設備投資的最佳組合，因此全社會技術經濟條件的改變必然帶來用能過程最優條件參數的變化，需要能量系統優化技術的迭代應用。例如能源價格的上漲使得鋼材與原油的比價越來越低，以熱回收為主的節能設備的經濟平衡點會出現新變化，煉油過程加熱爐排煙溫度、傳熱溫差等逐漸降低，最優的能量回收條件也會因經濟條件的變化而改變。
尋求能量系統優化最優解需結合煉油過程能量利用特點
煉油生產過程的能量利用具有高度非線性特征，現有技術多是在某個具體方面實施，針對煉油過程的集成應用尚沒有完整統一的原則和策略方法。同時，能量系統優化也未找到一種適用于所有問題、任何體系的最優化模型和求解方法，必須要結合煉油過程的能量利用特點，逐步逼近最優的能量利用狀態。
煉油生產工藝的用能過程復雜，全局系統更是涉及幾十個工藝裝置和公用工程系統，在進行工藝裝置和全局系統優化過程中涉及數量龐大的過程變量和約束關系，需要采用科學的分解調優策略，避免或降低變量與約束關系間的相互干擾，保證能量全局優化的系統性和可行性。
針對以熱加工為主的煉油過程用能規律及特點，能量系統優化應以工藝裝置用能改進為核心，同時對煉油企業全局的總體用能過程、裝置間熱集成系統、低溫熱綜合利用系統、公用工程系統等進行集成調優，其相關工作內容、層次及工作步驟包括企業總體用能改進、工藝裝置能量優化、裝置間熱集成、低溫熱綜合利用優化和公用工程系統優化等5個相互聯系的任務包和闖關卡。
企業總體用能改進在原料、產品數量確定的條件下，應優化從原料到產品的工藝路線，合理確定和優化全廠的總加工流程，例如循環比、回煉比等，避免重復分離-混合、加氫等過程。總體用能改進的結果是確定最優的裝置運行邊界條件，為工藝裝置優化提供依據。
工藝裝置是全廠能量利用的核心。工藝裝置用能優化是能量系統優化的關鍵過程，同時也是全廠多個系統調優的前提和邊界條件，工藝裝置優化后所確定的燃料氣產/用量、蒸汽產/用量、低溫熱產/用量、熱出料條件、熱量富余情況、公用工程參數等是全局系統優化的初始邊界。同時，系統優化結果也會反饋到工藝裝置用能，各個全局系統在優化前后也會相互關聯，例如熱集成系統優化結果會影響全局低溫熱的資源量，進而對低溫熱利用系統產生影響。
未來能量系統優化將在三大領域實現長足發展
能量系統優化作為指導煉油企業開展節能工作的重要理論基礎和研究領域，是無止境、無邊界的開放知識體系，需要在總結大量具體措施的基礎上進行實踐規律的抽象提升，既堅持措施方法的實用性，又兼顧實際應用的一般性，但要達到這個目的絕非易事。同時，能量系統優化不僅需要信息類知識，也需要思維型能力，總結實踐中開展能量系統優化工作的內容，積累煉油生產中的能效提升措施，歸納提煉能量系統優化所涉及的改進方向和策略，才能建立開展該項工作所涉及的知識體系和專業方法，擴大其應用面。未來，能量系統優化在以下三個領域必將有長足發展。
一是能量與能源利用的跨尺度集成優化。能量作為推動物質運動變化的源泉和根本，其作用的尺度包括分子級（反應）、設備級（三傳）、工廠級（公用工程系統）和宏觀級（國家區域能源）等多個層面，因此構建從反應熱、工業裝置熱、蒸汽動力平衡直至區域能源稟賦為約束的跨尺度模型對于豐富能量優化的應用領域意義重大，由此實現能量優化到工業過程的閉環調優。
二是新一代信息技術的應用，包括智能優化算法、專家知識系統開發、大數據規律發現等方面。信息技術的應用不僅體現在新的軟件系統和軟件功能的開發，更重要的是深入能量利用實際發現實踐中的問題，構建模型、開發方法、指導實踐。
三是在國家“雙碳”目標下，碳排放將成為能源利用問題的重要約束條件。碳排放成本體現在碳稅、碳配額交易、新能源應用等環節，能量的優化利用不僅要增加新的外部約束，而且更應該從自身規律出發，確立實現“雙碳”目標的行動方向。
（作者單位：中國石化節能技術服務中心）