王 敏，趙東風(fēng),，王永強(qiáng)，宋春敏，張婷婷

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580； 2. 青島歐賽斯環(huán)境與安全技術(shù)有限責(zé)任公司， 山東 青島 266555）

煉化企業(yè)裝置能耗是全廠能耗最重要的組成部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)，大型煉廠工藝裝置能耗占全廠能耗的比例達(dá)到85%～90%［1］，因此對(duì)耗能裝置采取科學(xué)的用能分析方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出用能薄弱環(huán)節(jié)，以進(jìn)行節(jié)能改造，對(duì)于全廠節(jié)能降耗至關(guān)重要。

煉化裝置用能分析方法經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：長(zhǎng)期以來(lái)一直采用的以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的能量平衡法，主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為裝置的綜合能耗及產(chǎn)品單耗等，這些指標(biāo)只代表裝置能耗值的大小，并不能反映整套裝置用能水平，因此可比性、適用性較差。此時(shí)提出了熵分析法，該方法可全面揭示能損的特征，但不能確定能流的有效能及損失，熵分析法多停留在學(xué)術(shù)理論研究的階段，并未廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中［2］。隨著用能分析理論的研究，出現(xiàn)了火用分析法，該方法比能量平衡法更為完善，可反映能量使用過(guò)程中能質(zhì)的變化情況，實(shí)際應(yīng)用廣泛。與此同時(shí)，將熱力學(xué)分析和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化結(jié)合的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)方法也得到了一定的發(fā)展，但該方法在裝置用能評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用還不及其他方法，覆蓋面較小。在這期間，由我國(guó)學(xué)者楊東華提出了一種能級(jí)分析法［3］，是一種更加完善的用能分析方法，但相關(guān)工程應(yīng)用并不很多。在隨后的發(fā)展研究中，人們發(fā)現(xiàn)由于火用分析法作為一種靜態(tài)熱力學(xué)方法存在種種不足，由此火用傳遞的概念應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)從不同方面分析而揭示了火用的傳遞規(guī)律，可對(duì)用能過(guò)程進(jìn)行針對(duì)性地指導(dǎo)、設(shè)計(jì)［4］；這是一種復(fù)雜而嚴(yán)密的分析方法，還在不斷地研究發(fā)展中，目前工程實(shí)踐應(yīng)用還未普及。

用能分析方法的發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了多種評(píng)價(jià)方法，但能量分析法以及火用分析法還是占據(jù)了主導(dǎo)地位。本文將對(duì)已在工程應(yīng)用中證實(shí)具有可行性的一些裝置用能分析方法進(jìn)行總結(jié)，提出各方法的應(yīng)用建議，以期為煉化企業(yè)裝置用能評(píng)價(jià)提供一定的參考。

1 三環(huán)節(jié)分析法

根據(jù)石油化工過(guò)程用能特點(diǎn)，華賁等人總結(jié)出用能過(guò)程的三個(gè)環(huán)節(jié)：（1）轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)：通過(guò)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備將外界供給的一次能源（或二次能源）轉(zhuǎn)換為工藝過(guò)程得以直接利用的能量；（2）能量利用環(huán)節(jié)：是工藝過(guò)程的核心環(huán)節(jié)，完成原料到產(chǎn)品的變化過(guò)程；（3）能量回收環(huán)節(jié)：通過(guò)換熱、換功等過(guò)程從能量利用環(huán)節(jié)所排出的能量中進(jìn)行回收（圖 1，2）［5］。

圖1 三環(huán)節(jié)能量結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Three-link energy structural model

圖2 三環(huán)節(jié)火用結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Three-link exergy structural model

（1）能量（火用）轉(zhuǎn)換效率：ηU=（EU+ EB+ EUO）/ EP×100%，ηXU=（EXU+ EXB+ EXUO）/ EXP×100%；

（2）工藝總用能（火用）：EN=EU+ ER+ ERE， EXN=EXU+ EXR+ EXRE；

（3）能量（火用）利用效率：ηP=（1- EUD/EN）×100%，ηXP=[1-（DKP+DJP）/EXN]×100%；

（4）能量（火用）回收效率：ηP=（ER+ EE）/（EO+ EUO）×100%，ηXR=（EXR+ EXE）/（EXO+ EXUO）×100%；

三環(huán)節(jié)分析方法的特點(diǎn)是按照能量變化規(guī)律而非物料變化規(guī)律分析研究工藝過(guò)程用能，將原料及產(chǎn)品的化學(xué)能差異放入熱力學(xué)能耗中來(lái)處理，不記原料的里正文內(nèi)容化學(xué)能，不僅可以對(duì)裝置工藝過(guò)程能量使用數(shù)量進(jìn)行分析，還可以分析能量質(zhì)量的變化，運(yùn)用三環(huán)節(jié)分析方法時(shí)需要裝置設(shè)備全面的能量平衡工藝參數(shù)及標(biāo)定結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有、擴(kuò)產(chǎn)改造后的裝置進(jìn)行能量綜合分析，可以清晰地展示出工藝裝置用能情況，發(fā)掘節(jié)能潛力，從而找到節(jié)能降耗主要的方向，以采取相應(yīng)的節(jié)能措施。

2 三箱分析法

實(shí)際運(yùn)行的大型工藝裝置火用分析，可分為粗略分析、精細(xì)分析、次精細(xì)分析，相應(yīng)模型分別為黑箱模型、白箱模型、灰箱模型（簡(jiǎn)稱“三箱”模型）［6,7］。

2.1 黑箱分析模型

黑箱分析是利用輸入、輸出設(shè)備能流信息進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部用能過(guò)程研究的一種手段。將設(shè)備視為由“不透明”邊界包圍的體系，不必剖析設(shè)備的內(nèi)部過(guò)程，通過(guò)監(jiān)測(cè)、計(jì)算得到火用流值、火用損值等（圖3）。

圖3 黑箱模型Fig.3 Black box model

黑箱模型分析中可通過(guò)計(jì)算得到設(shè)備的火用效率：

式中，Exef—有效火用，Exl—內(nèi)部火用損與外部火用損之和，Exl=Exlr+Exlf；

但黑箱模型不能計(jì)算出設(shè)備各過(guò)程的火用損率，所以黑箱模型分析只可用于設(shè)備用能狀況的粗略分析。

2.2 白箱分析模型

白箱模型將設(shè)備看作由透明邊界包圍的體系，對(duì)體系內(nèi)各個(gè)用能過(guò)程分別進(jìn)行剖析，計(jì)算各個(gè)過(guò)程的耗散火用。白箱模型不僅能計(jì)算設(shè)備火用效率，還可計(jì)算體系各個(gè)過(guò)程火用損率（圖4）。

圖4 白箱模型Fig.4 White box model

內(nèi)部火用損系數(shù)：

復(fù)雜設(shè)備的白箱分析、計(jì)算過(guò)程會(huì)比較繁瑣，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)火用損率的計(jì)算可揭示體系中用能的薄弱環(huán)節(jié)。

2.3 灰箱分析模型

灰箱分析模型將分析對(duì)象看作由半透明的邊界包圍的體系，對(duì)象內(nèi)的設(shè)備或子系統(tǒng)看作黑箱，黑箱之間由主流火用相連接。灰箱分析模型適用于系統(tǒng)及子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)分析（圖5）。

圖5 灰箱模型Fig.5 Grey box model

由灰箱分析模型可以計(jì)算出體系的火用效率及火用損系數(shù)：

其中：Exf=Exin+Exlf，則火用損系數(shù)為：

三箱模型分析法可減少?gòu)?fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試工作量，還能夠滿足用能分析的需要，找出工藝過(guò)程用能薄弱環(huán)節(jié)，比較適用于裝置環(huán)節(jié)及設(shè)備的分析。國(guó)內(nèi)學(xué)者還將“三環(huán)節(jié)”與“三箱”分析法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成“三環(huán)節(jié)”“三箱”組合分析法[8]，基本思路是先對(duì)工藝裝置進(jìn)行三環(huán)節(jié)分析，再對(duì)各環(huán)節(jié)用三箱分析法進(jìn)行剖析，不僅清晰地解釋了三個(gè)環(huán)節(jié)的用能狀況，還準(zhǔn)確判別了系統(tǒng)、設(shè)備用能薄弱環(huán)節(jié)。通過(guò)實(shí)際案例表明了該組合方法能更全面地進(jìn)行綜合分析，并為提出節(jié)能改造方案提供切實(shí)可靠的依據(jù)。

3 基準(zhǔn)能耗法

基準(zhǔn)能耗的思路就是將裝置實(shí)際能耗指標(biāo)與其基準(zhǔn)能耗進(jìn)行對(duì)比以評(píng)價(jià)裝置用能水平。例如美國(guó)?？松咎岢龅哪芎幕鶞?zhǔn)因數(shù)法，英國(guó)KBC公司提出的BT指數(shù)法等，前者限制條件太多，普適性一般；后者屬于專利算法，使用具有很大的局限性[9]。此外由于國(guó)內(nèi)外裝置工藝條件、參數(shù)的不同，也不能完全照搬使用國(guó)外的方法。但值得借鑒的是這些國(guó)外裝置用能評(píng)價(jià)方法都在不同程度上結(jié)合了實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中裝置加工流程、原料性質(zhì)、加工方案等因素對(duì)能耗的影響，比單一的綜合能耗指標(biāo)更加合理、全面。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，中石化節(jié)能技術(shù)中心開展了煉油裝置基準(zhǔn)能耗的研究，形成了常減壓裝置、催化裂化裝置、加氫裂化裝置、催化重整裝置、延遲焦化裝置等多套裝置的基準(zhǔn)能耗計(jì)算方法[10]。基準(zhǔn)能耗制定了比較先進(jìn)的基礎(chǔ)工藝條件（包括較高水平的加熱爐效率、壓縮機(jī)效率、換熱溫差等），通過(guò)計(jì)算得到一定原料性質(zhì)和產(chǎn)品要求下的基準(zhǔn)能耗，將裝置的實(shí)際單項(xiàng)工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)能耗中所規(guī)定的基礎(chǔ)條件和基準(zhǔn)能耗進(jìn)行比較，可比較清晰地找到存在的用能問(wèn)題，并發(fā)現(xiàn)節(jié)能潛力[11]。而基準(zhǔn)能耗的結(jié)果表明了裝置所應(yīng)該達(dá)到的能耗指標(biāo)，是設(shè)計(jì)和節(jié)能改造的目標(biāo)。

值得注意的是能耗基準(zhǔn)具有其特有的使用范圍，計(jì)算基準(zhǔn)不同會(huì)導(dǎo)致能耗計(jì)算結(jié)果的巨大差別，能耗大小和原油性質(zhì)之間的關(guān)系也會(huì)截然相反[12]。能耗基準(zhǔn)的確立是該方法的核心，隨著技術(shù)的進(jìn)步和其他客觀條件的變化，基準(zhǔn)能耗計(jì)算方法也需要隨之改進(jìn)，因此，選擇實(shí)際合理的計(jì)算基準(zhǔn)及約束條件并且適時(shí)進(jìn)行方法的改進(jìn)是非常必要的。

4 夾點(diǎn)分析法

Linnhoff 等在20世紀(jì)70年代提出了夾點(diǎn)技術(shù)（Pinch Technology），在此后的數(shù)十年里，夾點(diǎn)技術(shù)迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于分析工藝過(guò)程能量目標(biāo)，找出用能瓶頸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置的節(jié)能改造和能量綜合利用，以下介紹夾點(diǎn)技術(shù)的基本概念：

在一個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)中，將每一股參與換熱的冷、熱物流按照溫度的高低首尾相連得到各自的 T-H（溫度—焓）曲線，所有熱（冷）物流按照不同的溫位加合可得到熱（冷）物流的組合曲線；通過(guò)移動(dòng)兩組合曲線，使其垂直距離最接近的位置恰好為最小傳熱溫差，該位置所對(duì)應(yīng)的溫位即為夾點(diǎn)；對(duì)一個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，保證只有位于夾點(diǎn)同一側(cè)的冷、熱流股進(jìn)行熱量交換，避免交叉換熱及能量穿過(guò)夾點(diǎn)，則一定會(huì)使得過(guò)程的冷、熱公用工程達(dá)到最??；由此可總結(jié)出夾點(diǎn)設(shè)計(jì)分析的三個(gè)原則：①物流不能跨夾點(diǎn)傳熱；②夾點(diǎn)上方不設(shè)冷公用工程；③夾點(diǎn)下方不設(shè)熱公用工程[13,14]。

利用夾點(diǎn)分析法就是對(duì)現(xiàn)有裝置工藝流程夾點(diǎn)位置進(jìn)行確定并分析其對(duì)于上述規(guī)則的符合情況，進(jìn)而以?shī)A點(diǎn)設(shè)計(jì)的原則，并根據(jù)分析的結(jié)果確定節(jié)能改造方案。夾點(diǎn)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于節(jié)能改造中，并取得了顯著成效，“過(guò)程系統(tǒng)能量集成技術(shù)”是以?shī)A點(diǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)的節(jié)能優(yōu)化手段，已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)石化企業(yè)的多套裝置用能分析[15]。

夾點(diǎn)分析的優(yōu)勢(shì)在于可通過(guò)簡(jiǎn)單清晰的圖形來(lái)反映系統(tǒng)的相關(guān)信息，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。同時(shí)在進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)也存在著一定的不足，例如夾點(diǎn)分析不適用于單體設(shè)備的用能分析；在初步合成換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致初步合成的換熱單元數(shù)過(guò)多；夾點(diǎn)技術(shù)還比較依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，得到的換熱網(wǎng)絡(luò)不一定最優(yōu)；另外，相關(guān)研究表明，夾點(diǎn)技術(shù)法還受原油性質(zhì)的影響，重質(zhì)原油冷、熱流股的熱平衡會(huì)不受夾點(diǎn)的約束[12]。相關(guān)專家學(xué)者也提出了改進(jìn)的方法如三溫差法、系統(tǒng)能量松弛法等，對(duì)夾點(diǎn)分析法進(jìn)行了一定的完善與補(bǔ)充， 但夾點(diǎn)分析法作為一種多目標(biāo)的分步優(yōu)化方法，難以一次性地得到網(wǎng)絡(luò)整體最優(yōu)解，還有待于進(jìn)一步研究。

5 能級(jí)分析法

20世紀(jì)60年代，國(guó)外學(xué)者朗特提出了能級(jí)的概念，定義能級(jí)=火用/能量。我國(guó)學(xué)者楊東華提出了能級(jí)分析的方法，指出在節(jié)能的同時(shí)也要做到能級(jí)匹配用能，能級(jí)指的是在一定的狀態(tài)下某種形式能量中火用的量，其數(shù)值反映了能量質(zhì)量的優(yōu)劣；能級(jí)匹配則是指輸入的的能量得到了完全利用，又剛好符合用戶工作所需［3，16］。而能級(jí)分析就是在能量平衡以及火用平衡的基礎(chǔ)上，遵循能級(jí)匹配和減少能損的原則，對(duì)能量的質(zhì)量和數(shù)量利用的合理性進(jìn)行分析的一種方法，其指標(biāo)有能級(jí)差、能級(jí)平衡系數(shù)及效率等。能級(jí)分析法是一種更加優(yōu)化的用能分析方法，解決了供、用能之間的能量合理匹配問(wèn)題，以達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益值，在工程應(yīng)用中具有重要的推廣價(jià)值。

專家學(xué)者通過(guò)研究，將夾點(diǎn)分析法與能級(jí)分析法相結(jié)合得到能級(jí)—焓（Ω-H）圖法，從圖5-1中可以看出橫坐標(biāo)表示了用能過(guò)程的能量平衡（Qin=Qout+Q1），而根據(jù)折線包圍的及陰影部分面積分別可得到輸入火用及火用損失的大小，進(jìn)而可計(jì)算得到輸出火用［17］。從圖中可以看出整個(gè)用能系統(tǒng)以及各個(gè)單元部件的性能，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)某個(gè)環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)的變化帶來(lái)的影響，系統(tǒng)用能“瓶頸”也可在圖中直觀地表現(xiàn)出來(lái)［18］。

圖6 能級(jí)復(fù)合曲線Fig.6 Energy level composite curve

6 結(jié) 語(yǔ)

目前煉化裝置常采用能耗分析方法有三環(huán)節(jié)模型、三箱模式、基準(zhǔn)能耗、夾點(diǎn)分析、能級(jí)分析等方法，各種方法均有其應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)及局限性，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合具體情況選擇其中一個(gè)或幾個(gè)方法進(jìn)行綜合分析。

（1）基準(zhǔn)能耗法與夾點(diǎn)技術(shù)法的操作實(shí)行相對(duì)比較簡(jiǎn)單靈活，也都在實(shí)際工程中有著廣泛的應(yīng)用?；鶞?zhǔn)能耗法可適用于用能工況較為穩(wěn)定，能級(jí)差可忽略的裝置分析中，對(duì)于換熱及公用工程的用能分析則可運(yùn)用成熟的夾點(diǎn)分析法。此外二者的一大優(yōu)勢(shì)是不僅可以對(duì)現(xiàn)有實(shí)際運(yùn)行的裝置進(jìn)行用能分析，還可以對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)方案的用能情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，可適用于項(xiàng)目前期的預(yù)評(píng)估中。

但這兩種方法指標(biāo)也比較單一，均未從有效能的角度來(lái)對(duì)用能進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，不夠全面，其本身也各存在著一定的不足。對(duì)于基準(zhǔn)能耗法來(lái)說(shuō)，在借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，要制定出適合我國(guó)煉廠裝置的能耗基準(zhǔn)，中石化制定的《基準(zhǔn)能耗》中，裝置類型還比較少，還需要繼續(xù)不斷地完善、補(bǔ)充，積極地開展相關(guān)研究。夾點(diǎn)分析法在實(shí)行過(guò)程中，還要更全面地考慮可能會(huì)對(duì)其分析、優(yōu)化結(jié)果造成影響的因素（如原油性質(zhì)的影響、溫度對(duì)物性的影響等），在實(shí)際應(yīng)用中可與火用分析法以及能級(jí)匹配原理相結(jié)合，更全面、科學(xué)地對(duì)裝置進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

（2）“三箱”模型分析法是典型的一種火用分析法，“三環(huán)節(jié)”法則將能量平衡法與火用分析法進(jìn)行結(jié)合，更為優(yōu)越、全面，表征了用能過(guò)程中質(zhì)量的變化情況，對(duì)節(jié)能潛力有了更準(zhǔn)確的判斷。但同時(shí)這兩種方法也存在著火用分析法本身的局限性，不能解決也不可能解決供、用能之間的匹配問(wèn)題，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)化，因此這兩種方法也并未真正地對(duì)整個(gè)用能系統(tǒng)進(jìn)行全面洞察，無(wú)法提供更多地改進(jìn)信息。

這兩種方法的計(jì)算分析過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較復(fù)雜，掌握現(xiàn)有裝置的全面用能信息、工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)是進(jìn)行全面分析的關(guān)鍵。對(duì)于現(xiàn)有裝置能源審計(jì)中的分析評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，需要確定用能合理性、用能損失大小、分布情況等詳細(xì)全面的信息，因此可采用相對(duì)比較成熟的“三環(huán)節(jié)”法進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，而對(duì)于項(xiàng)目前期的節(jié)能評(píng)估來(lái)說(shuō)，由于不能得到未建裝置實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)，則不適用。

（3）能級(jí)分析法可以說(shuō)是一種在現(xiàn)有分析方法中最為完善的能量分析方法，真正全面地從能量數(shù)量和質(zhì)量的角度對(duì)用能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，彌補(bǔ)了火用平衡分析法的不足，能夠更科學(xué)、全面地對(duì)用能過(guò)程合理水平進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)用能網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化。雖然在工程應(yīng)用中不及前幾種方法廣泛，但作為一種更先進(jìn)的能量分析方法，隨著研究的不斷深入，應(yīng)用水平的不斷發(fā)展，能級(jí)分析法將會(huì)發(fā)揮更大的作用。

根據(jù)煉化企業(yè)實(shí)際工程應(yīng)用情況，能量平衡法及火用分析法始終占據(jù)著重要地位，而新方法的產(chǎn)生也并不意味著對(duì)傳統(tǒng)方法的完全否定，火用分析法以其本身存在的優(yōu)越性、先進(jìn)性也廣泛地被企業(yè)采用，因此同樣也需要不斷研究發(fā)展。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，工藝裝置的能效水平也不斷提高，要全面、科學(xué)地評(píng)價(jià)裝置的用能水平，需要不斷地對(duì)現(xiàn)有的方法進(jìn)行補(bǔ)充、完善，以適應(yīng)不斷出現(xiàn)的新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備對(duì)裝置用能水平的影響。此外，隨著經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，不能將節(jié)能減排孤立起來(lái)，要將經(jīng)濟(jì)形勢(shì)與節(jié)能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，綜合考慮二者之間的關(guān)系；像現(xiàn)有的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法，將熱力學(xué)分析和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化進(jìn)行結(jié)合，尋求整體的優(yōu)化；火用傳遞法彌補(bǔ)了火用分析法無(wú)法揭示火用的傳遞過(guò)程等缺陷，通過(guò)從不同方面進(jìn)行分析而揭示了火用的傳遞規(guī)律；雖然這些方法應(yīng)用并不廣泛，但也為用能分析方法的發(fā)展起到了很大的參考作用，有待于進(jìn)一步結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行研究并不斷完善，也為科學(xué)、切實(shí)地制定用能分析方法以對(duì)工藝裝置進(jìn)行全面有效的評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

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