收稿日期：2023-04-22

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0802100）;國家管網(wǎng)集團(tuán)科技項(xiàng)目（DTXNY202202）

第一作者：劉國豪（1983-），男，高級工程師，博士研究生，研究方向?yàn)橛蜌鈨?chǔ)運(yùn)系統(tǒng)能效監(jiān)測與分析評價(jià)等。E-mail： liugh01@pipechina.com.cn。

通信作者：侯磊（1966-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛蜌夤艿垒斔团c油氣田集輸相關(guān)技術(shù)。E-mail：houleicup@126.com。

文章編號：1673-5005（2024）02-0179-07""" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2024.02.020

摘要：用能評價(jià)分析方法對系統(tǒng)節(jié)能減排和“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有指導(dǎo)作用，實(shí)際用能分析除了需要考慮能量分析外，還需要考慮污染物及溫室氣體排放等影響；基于能量利用和環(huán)境效應(yīng)（污染物和溫室氣體排放等），構(gòu)建新的用能評價(jià)分析模型，提出溫室氣體排放過程的虛擬能計(jì)算方法；利用所建模型對原油輸送場站典型工藝系統(tǒng)進(jìn)行用能分析，考慮輸入及輸出過程虛擬能對運(yùn)行效率的影響。結(jié)果表明，考慮環(huán)境效應(yīng)的用能分析，系統(tǒng)及設(shè)備（單元）虛擬效率均有所降低。

關(guān)鍵詞：虛擬能； 用能分析方法； 環(huán)境效應(yīng)； 模型構(gòu)建； 節(jié)能減排

中圖分類號：TE 973""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：劉國豪，侯磊，王志國，等.考慮環(huán)境影響的管道輸送場站系統(tǒng)用能評價(jià)分析模型及應(yīng)用［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，48（2）：179-185.

LIU Guohao， HOU Lei， WANG Zhiguo， et al. Analysis model and application of energy consumption evaluation of" pipeline transportation station system considering" environmental impact［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（2）：179-185.

Analysis model and application of energy consumption evaluation of

pipeline transportation station system considering" environmental impact

LIU Guohao1，2，3， HOU Lei1，3， WANG Zhiguo4， XUE Meng4， XIANG Xinyao4， DU Juan2

（1.College of Mechanical and Transportation Engineering" in China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 102249， China；

2.PipeChina Institute of Science and Technology， Langfang 065000， China；

3.National Engineering Laboratory for Pipeline Safety in China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 102249， China;

4.School of Civil Engineering and Architecture，Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China）

Abstract：The energy use evaluation analysis method has a guiding role in the system energy saving and emission reduction and the realization of the dual carbon goal. In addition to the energy analysis， the actual energy use analysis needs to consider the impact of pollutants and greenhouse gas emissions. A new analytical model was constructed for energy use evaluation based on the energy use and environmental effects （pollutants and greenhouse gas emissions， etc.） and" an embodied energy calculation method was proposed for the greenhouse gas emission process. Using the established model， the energy consumption of the typical process system of crude oil transportation station was analyzed， and the influence of embodied energy in the input and output processes on the operation efficiency was considered. The results show that the embodied efficiency of the system and equipment （unit） is reduced in the energy consumption analysis considering the environmental effect.

Keywords：embodied energy; energy analysis method; environmental effect; model construction; energy saving and emission reduction

能源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展是21世紀(jì)人類社會(huì)生存和發(fā)展的主題，其中可持續(xù)發(fā)展是中心，能源和環(huán)境是保障和基礎(chǔ)［1］。近年來，一些廢氣、廢水等污染物和溫室氣體排放等負(fù)面影響日益嚴(yán)重，一定程度上已經(jīng)影響了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。目前，在“雙碳”目標(biāo)大背景下，節(jié)能減排作用更加重要，需要在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行過程中努力提高用能水平；另外，要考慮努力減少各類污染物及溫室氣體排放。過程系統(tǒng)工業(yè)（石化、化工和建材等）在用能分析研究方面取得了一些進(jìn)展，主要包括直觀推斷法、最優(yōu)化法、夾點(diǎn)分析法和火用經(jīng)濟(jì)調(diào)優(yōu)法等，并進(jìn)行了應(yīng)用［2-9］。目前的用能分析方法僅將環(huán)境的影響作為次要目標(biāo)，缺少統(tǒng)一的尺度，將物質(zhì)、能量、排放及環(huán)境影響進(jìn)行統(tǒng)一評價(jià)和對比［10-13］。對油氣生產(chǎn)過程而言，能源消耗量很大，其用能分析方法主要包括：能量成本分析法、“三箱”分析法、基于數(shù)學(xué)優(yōu)化方法的遺傳算法、改進(jìn)粒子算法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等［14-17］。筆者在文獻(xiàn)［18］的基礎(chǔ)上，基于能量利用和污染排放，同時(shí)考慮溫室氣體排放等影響，綜合熱力學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和環(huán)境目標(biāo)，構(gòu)建系統(tǒng)用能分析過程的工藝單元（設(shè)備）及系統(tǒng)的綜合用能評價(jià)分析模型，將其應(yīng)用于油氣管道場站外輸系統(tǒng)，深化和拓展節(jié)能減排分析方法研究。

1" 虛擬能概念

1.1" 定" 義

“虛擬能”［18-19］或“隱性能源”［20］起源于“embodied energy”一詞。為此國際高級研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合會(huì)（ IFIAS） 指出，為了衡量某產(chǎn)品或服務(wù)生產(chǎn)過程中直接和間接消耗的某種資源的總量，可以使用“embodied”這一概念［20-23］。原則上來說，“embodied”后可以加其他資源的名稱，如水、土地，或勞動(dòng)力等。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行排放特點(diǎn)，對虛擬能概念進(jìn)行擴(kuò)展。定義虛擬能為：生產(chǎn)過程中消耗的間接能量或因污染物及溫室氣體排放處理等產(chǎn)生的附加能耗，如廢氣、廢水處理及CO2溫室氣體處理等的能耗等。

1.2" 虛擬能特點(diǎn)

（1）間接性。由于虛擬能不是實(shí)際消耗能量，一般都具有間接性特點(diǎn)；

（2）過程性。實(shí)際用能分析過程，虛擬能與工藝過程、技術(shù)特點(diǎn)及系統(tǒng)組成等有關(guān)；

（3）區(qū)域性。污染物或溫室氣體處理因工藝及外在條件等不同，虛擬能的計(jì)算可能有區(qū)別；

（4）等同性。在系統(tǒng)用能分析過程中，虛擬能與實(shí)際消耗的資源具有等同性；

（5）廣泛性。虛擬能在實(shí)際工藝過程或系統(tǒng)評價(jià)分析時(shí)，可以存在于供給項(xiàng)中，也可以在中間產(chǎn)物或輸出物流項(xiàng)中。

2" 考慮環(huán)境影響的用能分析模型

對于用能分析過程而言，其對象可以是一個(gè)設(shè)備（工藝單元），也可以是一個(gè)生產(chǎn)過程（子系統(tǒng)），或者是由若干設(shè)備（單元）和生產(chǎn)過程組成的復(fù)雜用能系統(tǒng)等［18］。

具體的用能分析評價(jià)指標(biāo)，除了一些通用的指標(biāo)外，針對不同的分析對象，還可以提出反應(yīng)用能對象特征的其他指標(biāo)。

2.1" 設(shè)備（工藝單元）評價(jià)分析模型

對于一般的工藝單元或用能設(shè)備，考慮環(huán)境及溫室氣體影響，改進(jìn)后的評價(jià)分析模型如圖1所示。

在圖1所示模型中，實(shí)線表示實(shí)際物流或能量，虛線表示虛擬物流或虛擬能。其中Ein，i為實(shí)際物流帶入能量；Eout，i為實(shí)際物流帶出能量；Esup為實(shí)際供給能量；Einemp為考慮環(huán)境污染效應(yīng)虛擬供給能量；Einemg為考慮溫室氣體虛擬供給能量；Elos為實(shí)際損失能量；Elosemp為考慮環(huán)境污染效應(yīng)虛擬損失能量；Elosemg為考慮溫室氣體虛擬損失能量，各能量單位均為kJ/h。

一般設(shè)備（工藝單元）的評價(jià)準(zhǔn)則包括用能效率、熱力學(xué)完善度和能損系數(shù)等。

（1）設(shè)備（工藝單元）用能效率。設(shè)備（工藝單元）的用能效率是指有效利用能與總供給能之比。

不考慮虛擬能時(shí)有

ηe=EefEsup .（1）

式中，ηe為不考慮虛擬能時(shí)的用能效率；Eef為有效利用能，kJ/h。

考慮虛擬能時(shí)有

ηem=EefEsup+Einemp+Einemg .（2）

式中，ηem為考慮虛擬能時(shí)的用能效率 。

與一般定義不同的是，式（2）與式（1）不同之處是總供給能包括了實(shí)際供給能、環(huán)境污染效應(yīng)虛擬供給能量和考慮溫室氣體虛擬供給能量。

對于熱動(dòng)力類設(shè)備，如加熱爐（鍋爐）或機(jī)泵、壓縮機(jī)等，有效利用能量即設(shè)備內(nèi)流體經(jīng)過加熱或增壓等獲得的能量為

Eef=∑Eout，i-∑Ein，i." （3）

當(dāng)圖1所示模型為工藝單元時(shí)，有效利用能量除包括式（3）外，還包括內(nèi)部工藝過程所需的能量，直接計(jì)算困難?？赏ㄟ^能損系數(shù)計(jì)算。

（2）設(shè)備（工藝單元）熱力學(xué)完善度。設(shè)備（工藝單元）輸出的能量之和與輸入的能量之和的比值，稱為工藝單元（設(shè)備）的熱力學(xué)完善度。

不考慮虛擬能時(shí)有

εe=∑Eout，i∑Ein，i+Esup .（4）

式中，εe為不考慮虛擬能時(shí)的熱力學(xué)完善度。

考慮虛擬能時(shí)，有

εem=∑Eout，i∑Ein，i+Esup+Einemp+Einemg .（5）

式中，εem為考慮虛擬能時(shí)的熱力學(xué)完善度。

（3）設(shè)備（工藝單元）能損系數(shù)。設(shè)備（工藝單元）能損系數(shù)為損失能量與總供給能之比。

不考慮虛擬能時(shí)有

ee=Elos/Esup.（6）

式中，ee為不考慮虛擬能時(shí)的能損系數(shù)。

對于式（1）和式（6）有

ηe=1-ee.（7）

考慮虛擬能時(shí)有

eem=Elos+Elosemp+ElosemgEsup+Einemp+Einemg .（8）

式中，eem為考慮虛擬能時(shí)的能損系數(shù)。

一般熱動(dòng)力類設(shè)備，有效利用能量為流體加熱或增壓等獲得的能量，而對于有些過程工業(yè)（如石化、化工、食品、造紙、冶金、制藥和建材等）的一些工藝單元有效利用能量難于直接計(jì)算，但工藝單元的各項(xiàng)損失卻很明確，因此用能效率可通過式（7）計(jì)算，類似于加熱爐類設(shè)備的反平衡。

2.2" 系統(tǒng)分析模型

對于多個(gè)工藝單元或設(shè)備組成的工藝系統(tǒng)，其評價(jià)分析模型如圖2所示。

在圖2所示模型中，數(shù)字1、…、n代表不同的設(shè)備（工藝單元）。

用能系統(tǒng)的評價(jià)準(zhǔn)則除用能效率、熱力學(xué)完善度和能損系數(shù)外，還應(yīng)包括一些單耗指標(biāo)等。

（1）系統(tǒng)用能效率?；趫D2模型，不考慮虛擬能時(shí)有

ηex=Eef∑Esup，i .（9）

式中，ηex為不考慮虛擬能時(shí)的系統(tǒng)用能效率；∑Esup， i為所有設(shè)備（工藝單元）實(shí)際供給能量之和，kJ/h。

考慮虛擬能時(shí)有

ηemx=Eef∑Esup，i+∑Einemp，i+∑Einemg，i . （10）

式中，ηemx為考慮虛擬能時(shí)的系統(tǒng)用能效率；∑Einemp，i為所有設(shè)備（工藝單元）考慮環(huán)境污染效應(yīng)虛擬供給能量之和，kJ/h； ∑Einemg，i為所有設(shè)備（工藝單元）考慮溫室氣體虛擬供給能量之和，kJ/h。

（2）系統(tǒng)熱力學(xué)完善度。根據(jù)圖2，不考慮虛擬能時(shí)計(jì)算式為

εex=∑Eout，i∑Ein，i+∑Esup，i .（11）

式中，εex為不考慮虛擬能時(shí)的系統(tǒng)熱力學(xué)完善度。

考慮虛擬能時(shí)，計(jì)算式為

εemx=∑Eout，i∑Ein，i+∑Esup，i+∑Einemp，i+∑Einemg，i .（12）

式中，εemx為考慮虛擬能時(shí)的系統(tǒng)熱力學(xué)完善度。

（3）系統(tǒng)能損系數(shù)?；趫D2，不考慮虛擬能時(shí)，計(jì)算式為

eex=∑Elos，i∑Esup，i .（13）

式中，eex為不考慮虛擬能時(shí)的系統(tǒng)能損系數(shù)。

考慮虛擬能時(shí)，計(jì)算式為

eemx=∑Elos，i+∑Elosemp，i+∑Elosemg，i∑Esup，i+∑Einemp，i+∑Einemg，i .（14）

式中，eemx為考慮虛擬能時(shí)的系統(tǒng)能損系數(shù)。

（4）系統(tǒng)單耗指標(biāo)。能耗指標(biāo)是以生產(chǎn)單位產(chǎn)品或創(chuàng)造單位產(chǎn)值所消耗的能源來計(jì)算的。本文中所述的用能過程一般指一些能源、化工等動(dòng)力過程。因此以單位產(chǎn)量定義單耗指標(biāo)是合理的。

不考慮虛擬能時(shí)，實(shí)際單位能耗為

ρ=∑Esup，iM .（15）

式中，ρ為實(shí)際單位能耗，kJ/kg; M為總產(chǎn)量，kg/h。

考慮虛擬能時(shí)，虛擬單位能耗為

ρem=∑Esup，i+∑Einemp，i+∑Einemg，iM .（16）

式中，ρem為虛擬單位能耗，kJ/kg。

此外，也可根據(jù)用能系統(tǒng)特點(diǎn)，定義一些其他單耗指標(biāo)。

3" 虛擬能計(jì)算方法

王志國等［18］對虛擬能的計(jì)算給出了一些方法，其中對于能源的附加虛擬能和污染物（廢氣、廢水）處理虛擬能給出了詳細(xì)方法。

對于排放溫室氣體的虛擬能計(jì)算方法，以二氧化碳排放為例進(jìn)行計(jì)算說明。對二氧化碳而言，一些燃料燃燒過程，馬建國［23］給出碳排放系數(shù)（因子），據(jù)此可以計(jì)算燃燒過程的排放量，結(jié)合碳交易價(jià)格和燃料價(jià)格、低位發(fā)熱值等計(jì)算出二氧化碳排放虛擬損失能。

3.1加熱爐（鍋爐）二氧化碳排放過程虛擬能計(jì)算

對加熱爐（鍋爐）燃燒過程而言，有二氧化碳排放。以燃油鍋爐為例，計(jì)算排放的二氧化碳虛擬能。對于正常排放水平，碳排放量為

Ggh=αhG.（17）

式中，Ggh為溫室CO2排放量，t/h;

αh為鍋爐燃燒過程碳排放系數(shù)；

G為燃料耗量，t/h。

結(jié)合碳交易價(jià)格、燃料價(jià)格等可以計(jì)算二氧化碳排放虛擬能，有

Elosemg=GghpCO2Qlpr . （18）

式中，pCO2為二氧化碳交易價(jià)格，元/t；pr 為消耗燃料價(jià)格，元/ t；Ql為低位發(fā)熱量，kJ/t。

令βh=pCO2pr，帶入式（18），得

Elosemg=αhGβhQl.（19）

如果不考慮其他能量時(shí)有

Esup=GQl. （20）

定義θh 為加熱爐虛擬損失能計(jì)算系數(shù)，即

θh=ElosemgEsup .（21）

式中，θh為加熱爐輸出端虛擬損失能量與供給能量之比。

將式（19）和（20）帶入式（21），得

θh=αhβh. （22）

3.2" 機(jī)泵類設(shè)備供給能的虛擬能計(jì)算

對于機(jī)泵類消耗電能設(shè)備，供給電能的二氧化碳的間接排放計(jì)算式為

Ggp=αpW.（23）

式中，Ggp為二氧化碳間接排放量，t/h; αp為間接碳排放系數(shù)，t/（kW·h）；W為電機(jī)總輸入功率，kW。

結(jié)合碳交易價(jià)格、電價(jià)格等，計(jì)算二氧化碳排放虛擬能，得

Einemg=GgppCO2Qepe .（24）

式中，pe為電單價(jià)，元/ （kW·h）；Qe為電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，kJ/（kW·h） 。

令βp=pCO2pe，帶入式（24），得

Einemg=αpWβpQe. （25）

如果不考慮其他輸入能量時(shí)，有

Esup=WQe.（26）

定義θp 為機(jī)泵虛擬輸入能計(jì)算系數(shù)，即

θp=Einemg/Esup.（27）

式中，θp 為機(jī)泵輸入端虛擬輸入能量與供給能量之比。

將式（25）和（26）帶入式（27），得

θp=αpβp. （28）

4" 原油管道輸送場站系統(tǒng)應(yīng)用

目前國家管網(wǎng)集團(tuán)油氣輸送大多采用熱泵站形式，典型的外輸熱泵站由加熱爐和機(jī)泵等組成。根據(jù)國家管網(wǎng)集團(tuán)研究總院提供的典型的熱泵站系統(tǒng)，利用前述方法進(jìn)行了用能特性分析。這些輸送熱泵站系統(tǒng)涵蓋了東部、中部及西部等地域，具有一定典型性。

4.1" 管網(wǎng)外輸站典型系統(tǒng)用能分析模型

根據(jù)原油管道典型輸送工藝、控制方式以及工藝流程等，基于圖2所示通用模型，給出管站系統(tǒng)虛擬能評價(jià)分析模型，如圖3所示。設(shè)備1為加熱爐、設(shè)備2為1#泵、設(shè)備3為2#泵。

對于圖3所示的典型工藝模型，一般管站系統(tǒng)采用先加熱后增壓模式，一般增壓采用兩臺(tái)機(jī)泵串聯(lián)形式。

4.2" 模型構(gòu)建

根據(jù)原油管網(wǎng)輸送工藝流程，結(jié)合實(shí)際管網(wǎng)運(yùn)行情況，進(jìn)行用能評價(jià)分析。對圖3而言，機(jī)泵主要耗能形式為電能，沒有污染物及溫室氣體排放，因此可以認(rèn)為輸出過程沒有虛擬能損失；但是，供給的電能包含了二氧化碳的間接排放，存在溫室氣體排放虛擬能。另外圖3中加熱爐（鍋爐）主要的消耗能源是燃?xì)饣蛴停疚闹胁挥?jì)燃料開采及輸送等過程附加能耗，即不考慮輸入端虛擬能；但加熱爐（鍋爐）運(yùn)行過程中，有污染物（二氧化硫、粉塵等）及溫室氣體（二氧化碳）等排放，輸出端包含虛擬能。

4.3" 主要耗能設(shè)備用能評價(jià)

根據(jù)所建模型和相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對熱泵站

中主要耗能設(shè)備進(jìn)行了分析計(jì)算。4個(gè)典型熱泵站設(shè)備用能評價(jià)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，分析如下：

（1）對于4臺(tái)加熱爐而言，虛擬能分析效率與實(shí)際能量分析效率相比下降3.8%～3.9%，下降幅度相差不大；對于8臺(tái)機(jī)泵而言，虛擬能分析效率與實(shí)際能量分析效率相比下降3.0%～4.7%，相差幅度較大；

（2）機(jī)泵的虛擬效率比加熱爐的虛擬效率下降幅度大，主要原因在于，根據(jù)目前的能源與碳交易價(jià)格，θp超過θh 1.5倍，即機(jī)泵的虛擬輸入量占比大于加熱爐的虛擬損失占比；

（3）加熱爐的虛擬損失體現(xiàn)在二氧化碳的溫室氣體排放上，使排放損失增加；機(jī)泵沒有物流排放損失，其虛擬能體現(xiàn)在供給電能的二氧化碳間接排放上，反映在供給能量中。

4.4" 熱泵站系統(tǒng)用能評價(jià)

4個(gè)典型熱泵站系統(tǒng)用能評價(jià)結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，分析如下：

（1）基于虛擬能方法的效率比實(shí)際運(yùn)行效率下降1.8%～3.1%；

（2）系統(tǒng)的虛擬供給能量占實(shí)際供給能量的0.65%～2.54%，而占機(jī)泵供給能量的4.62%～6.82%，主要在于加熱爐負(fù)荷占比較大，占比為62.78%～85.83%；系統(tǒng)虛擬損失能量與實(shí)際損失占比為13.16%～18.56%，加熱爐排放的二氧化碳造成溫室氣體效應(yīng)不應(yīng)忽視；

（3）系統(tǒng)與單體設(shè)備相比虛擬效率下降幅度有所減少，主要原因在于評價(jià)計(jì)算時(shí)機(jī)泵的虛擬能放在了供給項(xiàng)中，加熱爐的虛擬能放在了損失項(xiàng)中；

（4）4#熱泵站所在區(qū)域?yàn)橹胁康貐^(qū)，如果按照東北地區(qū)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行用能分析評價(jià)， 則計(jì)算過程中間接碳排放系數(shù)由5.257×10-4 t/（kW·h）變?yōu)?.769×10-4 t/（kW·h）;系統(tǒng)能損率由19.90%上升為22.92%，系統(tǒng)效率由80.10%下降為77.08%，區(qū)域不同對系統(tǒng)的用能評價(jià)有一定影響。

5" 結(jié)束語

基于能量利用和環(huán)境效應(yīng)（污染物和溫室氣體排放等），構(gòu)建了新的設(shè)備（單元）及系統(tǒng)的用能評價(jià)分析模型；給出了加熱爐（鍋爐）二氧化碳排放和機(jī)泵供給電能的虛擬能計(jì)算方法；根據(jù)通用的系統(tǒng)分析模型給出了原油管網(wǎng)輸送場站典型工藝系統(tǒng)虛擬能分析計(jì)算模型，并進(jìn)行了實(shí)際評價(jià)分析；

原油管網(wǎng)輸送場站系統(tǒng)及主要設(shè)備虛擬能效率均有所下降，主要原因在于過程中有虛擬能輸入和虛擬能損失。

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（編輯" 沈玉英）