姚 冬 梅，　賈 成 錫，　王 克 峰，　王 　 棟*，　鄒 　 濤

( 1.大連理工大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 遼寧 大連　116024；2.遼寧師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 遼寧 大連　116029；3.大連理工大學(xué) 化工學(xué)院， 遼寧 大連　116024；4.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所， 遼寧 沈陽　110819 )

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基于設(shè)備的石化能效監(jiān)測方法研究

姚 冬 梅1，賈 成 錫2，王 克 峰3，王 棟*1，鄒 濤4

( 1.大連理工大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 遼寧 大連116024；2.遼寧師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 遼寧 大連116029；3.大連理工大學(xué) 化工學(xué)院， 遼寧 大連116024；4.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所， 遼寧 沈陽110819 )

摘要：根據(jù)國內(nèi)石化行業(yè)生產(chǎn)過程中在能效監(jiān)測上的現(xiàn)狀，建立了能效監(jiān)測體系架構(gòu)，并根據(jù)該體系架構(gòu)提出了基于設(shè)備的能效監(jiān)測方法．利用該方法對石化行業(yè)中換熱器、機泵設(shè)備建立了能效計算模型，并給出了每種設(shè)備在能效參數(shù)上的求解方法，通過對能源消耗的實時監(jiān)測明確了能源消耗的去向，實現(xiàn)了能源的精細(xì)化管理，為后續(xù)能效評估打下了基礎(chǔ)．

關(guān)鍵詞：石化企業(yè)；設(shè)備級；能效；監(jiān)測；模型

0引言

隨著全球科技和經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源消耗和浪費越來越多．石化行業(yè)是國內(nèi)能源消耗高行業(yè)，以2014年我國能源消耗情況為例，工業(yè)能源消耗量為2.45×109t標(biāo)準(zhǔn)煤，石化行業(yè)的能源消耗量為6.44×108t標(biāo)準(zhǔn)煤．可以看出，我國石化行業(yè)能源需求量非常大．但實際上，石化行業(yè)能源利用率相對較低，國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：每年的工業(yè)企業(yè)能源消耗中有10%是缺乏能源監(jiān)測和設(shè)備維護(hù)計劃造成的，而每年的石化行業(yè)能源消耗中高達(dá)12%是由于缺乏能源管控造成的．目前，歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)普遍將計算機監(jiān)控系統(tǒng)、能源數(shù)據(jù)優(yōu)化分析系統(tǒng)應(yīng)用于先進(jìn)企業(yè)的生產(chǎn)過程中．通過現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，建立了一套完善的能源消耗監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)能源消耗結(jié)構(gòu)信息化、可視化管控及優(yōu)化，提高能源的利用效率[1-2]．

在實際應(yīng)用中，大多企業(yè)僅對部分關(guān)鍵設(shè)備實現(xiàn)了能效的實時監(jiān)測，缺乏科學(xué)有效的能效監(jiān)測方法和體系，無法全面了解企業(yè)整體能源消耗情況，使進(jìn)一步通過管理手段挖掘節(jié)能潛力、降低能源消耗受到很大制約．作為節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用的主要載體，很多大型石化企業(yè)仍缺乏切實有效的監(jiān)測手段來管理系統(tǒng)能效[3-4]，比如，石化企業(yè)無法對生產(chǎn)過程中設(shè)備的能源消耗狀況進(jìn)行全面了解，這樣企業(yè)對于能源是如何被消耗的、如何建立一體化的能效評價標(biāo)準(zhǔn)是不清楚的．因此，建立有效的能源消耗監(jiān)測系統(tǒng)，能夠幫助石化企業(yè)對設(shè)備的能源消耗進(jìn)行全面掌握，有利于對其運作成本、生產(chǎn)成本進(jìn)行分析，及時采取針對性整改措施，達(dá)到降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)精細(xì)化節(jié)能管理的目的．

石化工業(yè)過程能源消耗除燃料外還主要包括水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等能源消耗．每一個系統(tǒng)中都有大大小小的各種設(shè)備，這些設(shè)備的運行決定了整個系統(tǒng)的能源消耗情況．因此，設(shè)備在石化行業(yè)的各個系統(tǒng)中處于舉足輕重的地位．本文根據(jù)當(dāng)前石化企業(yè)實際技術(shù)進(jìn)展情況，提出一種基于設(shè)備級的能效計算方法，通過建立基于設(shè)備級的能效監(jiān)測系統(tǒng)，對設(shè)備級中的換熱器、機泵的能源消耗情況進(jìn)行計算，以清晰地了解能源消耗的分布，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高用能效率，實現(xiàn)能源的精細(xì)化管理，為后續(xù)能效評估的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)．

1能效監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

能效監(jiān)測系統(tǒng)通過OPC獲取實時數(shù)據(jù)(包括操作參數(shù)、分析數(shù)據(jù))，結(jié)合設(shè)備數(shù)據(jù)，計算出能效，單設(shè)備的能效計算后存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫．多種設(shè)備組成一個過程或一個系統(tǒng)，核算過程和系統(tǒng)的能效，相關(guān)數(shù)據(jù)存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示．

圖1　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2功能模塊設(shè)計

在石化行業(yè)中，數(shù)量較多、單位較小而自身很完整的用能設(shè)備，是冷換設(shè)備和機泵，這樣監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)備級分為兩類：

(1)冷換設(shè)備

冷換設(shè)備是化工行業(yè)中非常常見和重要的設(shè)備，其工作原理是，使得不同溫度的流體實現(xiàn)熱量的交換[5]．

本文中冷換設(shè)備包括換熱器和冷卻器．換熱器指工藝物流之間換熱的設(shè)備，包括蒸汽加熱；冷卻器指通過循環(huán)水冷卻工藝物流的設(shè)備．

在實際的換熱器能效監(jiān)測中，通過數(shù)據(jù)接口獲取到的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)包括冷熱物流流量、出入口溫度和壓力等數(shù)據(jù)，需要計算的監(jiān)測參數(shù)有熱負(fù)荷、傳熱系數(shù)、火用損、火用效率等．

火用又可稱為有用能，是指當(dāng)系統(tǒng)由一任意狀態(tài)可逆地變化到與給定環(huán)境相平衡的狀態(tài)時，理論上可以無限轉(zhuǎn)換為任何其他能量形式的那部分能量，即理論上可轉(zhuǎn)化為最大有用功的能量．

火用作為一種參數(shù)，從“量”和“質(zhì)”兩個方面定義了能量的“價值”，解決了熱力學(xué)中長期以來沒有一個參數(shù)可以單獨評價能量價值的問題，改變了人們對能量的性質(zhì)、能量的損失和能量的轉(zhuǎn)換效率等問題的傳統(tǒng)看法，提供了熱工學(xué)分析的基礎(chǔ)[6-9]．

對于不同換熱器的能效監(jiān)測，可以采用如今廣泛應(yīng)用的換熱效率分析方法，但是換熱效率反映能量的差異只能表現(xiàn)在數(shù)量上，而對于反映品質(zhì)上的差異有所欠缺，因此引入火用效率，以在能量平衡時既考慮數(shù)量，也考慮到質(zhì)量[10-11]．

(2)機泵

石化生產(chǎn)裝置中用到的最大的傳動設(shè)備是工業(yè)用泵，它像人的心臟輸送血液那樣把各種液體介質(zhì)如急冷水、蒸汽、化工原料及各種中間產(chǎn)品輸送到其他地方．

主要監(jiān)測泵的軸功率、輸出功率，泵效率，電機輸入功率和電機效率．

本文中對泵的這些參數(shù)計算采用的是基于性能曲線的公式計算法．利用基于特性曲線的泵能效計算方法具有較高的精準(zhǔn)度，適于用計算機程序確定泵輸送流體的性能，并繪制其性能曲線．

總之，為設(shè)備級能效監(jiān)測提供多種有效、準(zhǔn)確的計算方法，可為后續(xù)的能效評估做好準(zhǔn)備．

2設(shè)備級的能效計算

2.1冷換設(shè)備

(1)熱負(fù)荷、傳熱系數(shù)的計算

在換熱器進(jìn)行換熱的過程中，熱流體釋放的熱量和冷流體吸收的熱量是相等的，即Qh=Qc，Qh、Qc的表達(dá)式分別為

式中：Qh、Qc分別為熱、冷流體單位時間的換熱量，kW；Fh、Fc分別為熱、冷流體的實際流量，t/h；ch、cc分別為熱、冷流體的比熱容，J/(kg·K)；Thi、Tho分別為熱流體的輸入、輸出溫度，K；Tci、Tco分別為冷流體的輸入、輸出溫度，K．

換熱器的傳熱系數(shù)

式中：A為換熱面積，m2．

對于式中ΔTm的計算，采用的是求對數(shù)平均溫差法：

套管式換熱器中流體存在逆流和順流兩種情況，如圖2所示．

圖2　套管式換熱器流向

在實際的計算當(dāng)中，有些換熱器計算需要輸入的參數(shù)經(jīng)常不全，或者數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，這時需要依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)校正．在換熱器冷熱物流沒有計量的情況下，需要通過其他方式計算流量，包括閥門流量計算，下面就系統(tǒng)中未知的換熱器流量計算做出詳解．

對于換熱器流量的計算主要有以下兩種方法：

①依據(jù)調(diào)節(jié)閥的閥門開度和閥門壓降計算

首先需要計算閥門開度與流量的關(guān)系，不同類型的閥門對應(yīng)不同的流量特性關(guān)系．

閥門直線流量特性：

閥門等百分比流量特性：

δ=R(L/Lmax-1)

閥門快開流量特性：

式中：δ為相對流量；R=Fmax/Fmin，為可調(diào)比；L為閥門的實際開度；Lmax為閥門的最大開度．

其中，接近快開特性的為隔膜閥的流量特性，接近等百分比特性的為蝶閥的流量特性，接近直線特性的為閘閥的流量特性；球閥的流量特性比較特殊，在啟閉階段為直線特性，在中間開度的時候為等百分比特性[12]．

換熱器流量

Fh=δ·Fmax·(dp1/dp)0.5

式中：Fmax為最大流量，dp1為換熱器的設(shè)計壓降，dp為閥門的設(shè)計壓降．

②依據(jù)實際總流量與設(shè)計流量關(guān)系計算

(2)火用損和火用效率的計算

對于換熱器火用變，考慮熱物流和冷物流在無相變時的計算公式為

式中：TE,i、TE,o分別為物流進(jìn)、出口溫度，K；F為物流的流量；ci為物流的比熱容，i=h,c；對于熱物流火用變?yōu)樨?fù)，對于冷物流火用變?yōu)檎?，這里假設(shè)物質(zhì)的比熱容不隨溫度的改變而改變．

對于有相變的物流：

這里假設(shè)相變溫度不變，熱物流ΔE1為負(fù)，冷物流ΔE2為正．

如果物流有相變，同時還有相變以外的熱量，則需要分段計算，即相變火用變、無相變火用變單獨計算．

對于多組分物流有相變，如果相變溫度變化范圍不大，則按溫度不變計算；如果相變溫度變化范圍較大，則看相變曲線是否為直線，如果是直線，則按非相變處理，如果不是直線，或者曲線程度很大，需要另外單獨計算．

換熱器總的火用損可表示為

ΔE=ΔE1+ΔE2

2.2機泵

泵的輸出功率可以表示為

式中：Ppo為泵的輸出功率，kW；pin為泵入口壓力，kPa；pout為泵出口壓力，kPa；F為流量，kg/h；ρ為流體密度，kg/m3．

電機功率：

Peo=1.732×U×I×cosφ

式中：Peo為電機的有功功率；U為電機電壓；I為電機電流；cosφ為功率因數(shù)．

泵的性能曲線表示的是在某一特定轉(zhuǎn)速下，揚程H、軸功率P、泵效率η與流量Q之間的關(guān)系，如圖3所示，為通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)得出的電機轉(zhuǎn)速為1 480 r/min時泵的性能曲線．

當(dāng)離心泵的轉(zhuǎn)速變化不大時，泵的流量、揚程、軸功率與轉(zhuǎn)速可近似用比例定律來計算，即

H、η與F的關(guān)系式為

其中F可以直接通過儀表來測量，而H則通過公式來計算：

H=h+(pout-pin)/ρ

式中：h為泵進(jìn)出口的垂直距離．

圖3　泵的性能曲線

運用最小二乘法求解：

當(dāng)且僅當(dāng)M和N取最小值時，所求性能曲線的誤差最小，運用隱函數(shù)求最值的方法即可得到性能曲線，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)得到流量、揚程，由流量-揚程性能曲線和泵的比例關(guān)系確定精確轉(zhuǎn)速，再由流量-效率性能曲線查出效率，這樣便可計算出泵軸功率．

3仿真

3.1換熱器

圖4為某石化廠急冷水系統(tǒng)，對換熱器E-1101進(jìn)行能效監(jiān)測，其冷流體為石腦油，熱流體為急冷水，根據(jù)流量計算的第一種算法，從PID圖中可以找到，E-1101換熱器左側(cè)的閥門為球閥．E-1101設(shè)計流量為279.450 t/h，閥門開度為100%，換熱器與閥門的壓降分別為70 kPa和140 kPa，可以得到E-1101實際流量為

根據(jù)流量計算的第二種算法，E-1530A設(shè)計流量1 462.458 t/h，E-1530B設(shè)計流量1 462.458 t/h，E-1430A/B設(shè)計流量為544.364 t/h，E-1340設(shè)計流量為48.499 t/h，則熱流體急冷水設(shè)計流量為(3 517.779+279.450) t/h．由現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，熱流體急冷水的實際總流量為2 846.700 t/h．因此，換熱器E-1101急冷水的實際流量為

279.450 t/h=209.500 t/h

在實際計算中，第二種流量計算結(jié)果更為精確．換熱器E-1101的熱流體急冷水入口溫度為89.9 ℃，出口溫度為65.0 ℃，急冷水的比熱容為4.2×103J/(kg·K)，則熱流體一側(cè)的換熱量為QE-1101=Fh_E-1101×cc×(Tco-Tci)=

6 085.98 kW/h

E-1101換熱器中冷熱流體為逆流換熱，換熱器的換熱面積為282 m2，E-1101換熱器中冷流體石腦油的入口溫度為30.9 ℃，出口溫度為60.0 ℃，冷流體石腦油的實際流量為640 t/h，冷流體石腦油的比熱容為1.71×103J/(kg·K)，環(huán)境溫度為20 ℃，則

圖4　急冷水系統(tǒng)

因此，換熱器傳熱系數(shù)

675.48 W/(m2·℃)

E-1101為無相變換熱器，熱流體急冷水的火用損

-4 500.6 kW/h

冷流體石腦油的火用損

4 812.3 kW/h

因此，換熱器的火用損

ΔE=ΔE1+ΔE2=

(-4 500.6+4 812.3) kW/h=

311.7 kW/h

以某石化廠乙烯裝置急冷水系統(tǒng)中的換熱器E-1101為例，本文選取了1個月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行能效監(jiān)測，結(jié)果如圖5所示．

圖5　某石化廠監(jiān)測一個月的傳熱系數(shù)

由此可見，從總傳熱系數(shù)的變化，可以看出一個換熱器的狀態(tài)．傳熱系數(shù)計算結(jié)果會隨時間不斷變化．影響總傳熱系數(shù)的因素很多，測量誤差也有影響，在短時期，總傳熱系數(shù)會有不規(guī)律的變化，但長時間，總傳熱系數(shù)是不斷變小的，換熱效果在一次大檢修后會不斷變差．換熱器換熱效果變差，是由換熱器管道表面結(jié)垢引起的，因此需要定時對換熱器的管道進(jìn)行清理．

3.2機泵

以某石化廠盤油系統(tǒng)中的急冷油循環(huán)泵為例，已知該泵在3 000 r/min時的性能參數(shù)如表1所示．

表1　3 000 r/min時泵的性能參數(shù)

由已知的性能參數(shù)，根據(jù)最小二乘法可求得流量-揚程、流量-效率性能曲線如圖6所示．

(a) 流量-揚程性能曲線

(b) 流量-效率性能曲線

圖6特性曲線仿真結(jié)果

Fig.6Simulation results of characteristic curve

在生產(chǎn)過程中，某一時刻該急冷油循環(huán)泵的入口壓力為1.08 MPa，出口壓力為0.15 MPa，流量為2 500 kg/m3，則通過流量-效率性能曲線可以得到泵的效率為77.61%．則泵的軸功率

將計算出的泵軸功率與泵的設(shè)計值進(jìn)行比較，收集一個月軸功率數(shù)據(jù)，與計算出的軸功率數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，確定泵性能的好壞．

4結(jié)語

本文分析了當(dāng)前中國石化行業(yè)在能效監(jiān)測上所面臨的問題，闡述了對石化行業(yè)進(jìn)行能源精細(xì)化管理的必要性．建立了能效監(jiān)測體系架構(gòu)，并根據(jù)該體系架構(gòu)提出了基于設(shè)備的能效監(jiān)測計算方法．該方法對石化行業(yè)中換熱器、機泵設(shè)備建立了能效計算模型，并給出了每種設(shè)備在能效參數(shù)上的求解方法，最后在某石化廠乙烯生產(chǎn)過程中的設(shè)備上進(jìn)行應(yīng)用，幫助企業(yè)監(jiān)測所有設(shè)備的能源消耗情況，實現(xiàn)了石化企業(yè)能源的精細(xì)化管理，為后續(xù)能效評估打下了基礎(chǔ)．

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文章編號：1000-8608(2016)04-0341-07

收稿日期：2015-12-11；修回日期: 2016-05-20．

基金項目:“八六三”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2014AA041802)；國家自然科學(xué)基金資助項目(61374112)；工信部智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化試驗驗證項目；中國科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)重點實驗室基金資助項目(WLHKZ2014010)；浙江省控制科學(xué)與工程重中之重一級學(xué)科開放基金資助項目．

作者簡介:姚冬梅(1980-)，女，博士生，E-mail:ydm1980@126.com；王 棟*(1964-)，男，教授，E-mail:wangdong@dlut.edu.cn；鄒 濤(1975-)，男，研究員，E-mail:zoutao@sia.cn.

中圖分類號：TK012

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.7511/dllgxb201604003

Study of petrochemical energy efficiency monitoring method based on equipment

YAODong-mei1,JIACheng-xi2,WANGKe-feng3,WANGDong*1,ZOUTao4

( 1.School of Environmental Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2.School of Life Science, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China；3.School of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；4.Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110819, China )

Abstract：Based on the situation of the process of energy efficiency monitoring in the domestic petrochemical industry，the energy efficiency monitoring system framework is constructed to design the energy efficiency monitoring method based on equipment. The method establishes energy efficiency calculation model for heat exchanger and pump equipment in petrochemical industry and proposes the solving method of each type of equipment in energy parameter, defines the destination of energy consumption by the real-time monitoring of energy flow consumption. The fine energy management is realized and the condition for the energy efficiency evaluation is provided.

Key words：petrochemical enterprise; equipment level; energy efficiency; monitor; model