节能原理能耗计算与评价.docx
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节能原理能耗计算与评价
节能原理、方法和能耗计算与评价
中国石化集团公司节能技术中心
郭文豪
1石化工业用能特点及潜力
2能耗计算与评价
3节能原理与方法
4能量平衡
5节能新技术、新设备
6石化工业的节能方向
7基准能耗
1石化工业用能特点及潜力
1.1用能量大，占加工成本比例大
以乙烯装置为例，国内装置能耗大部分在750kg标准油/t，2003年国内乙烯总产量约600万吨，总能耗450万吨标准油，能耗费用近60亿元（2007年国内乙烯总产量将达1100万吨，总能耗达825万吨标准油）。
炼油工业综合能耗量占原油加工量的8%~10%。
2003年全国原油加工量为2.6亿吨，耗能量约2100万吨标油，费用约320亿元。
平均能耗成本（包括自产燃料等）占总加工成本的40%~60%。
但目前加工成本计算中，将自产燃料形成的能耗未计入成本，造成了能耗成本占总加工成本比例不高的假象，将能耗成本淹没在巨大的产品销售中，大大弱化了能耗的影响及其节能工作的开展。
表1某炼油厂加工每吨原油的完全能耗费用
项目
每吨原油的能源消耗量
能源价格
每吨原油能耗费用/元
燃料
35kg
1371元/t
48.0
催化烧焦
25kg
1371元/t
34.3
电
67kWh
0.5元/kWh
33.5
1.0Mpa蒸汽
0.086t
80元/t
6.9
新鲜水
7.2t
1.8元/t
13.0
合计
135.7
表2计入自用燃料与动力后的炼油加工费
项目
分项加工费
元/吨
占百分比，%
辅助材料费
18.5
6.7
能耗费
135.7
49.0
工资及附加费
6.0
2.2
折旧费
57.6
20.8
修理费
24.3
8.8
其它制造费
7.9
2.9
管理费用
12.5
4.5
财务费用
4.8
1.7
销售费用
9.5
3.4
合计
276.8
100
表3不计自用燃料与动力费用的现状炼油加工费
项目
分项加工费
元/t
占百分比，%
辅助材料费
18.5
10.7
能耗费
31.2
18.1
工资及附加费
6.0
3.5
折旧费
57.6
33.4
修理费
24.3
14.1
其它制造费
7.9
4.6
管理费用
12.5
7.3
财务费用
4.8
2.8
销售费用
9.5
5.5
合计
172.3
100
表42002年中国石化集团公司炼油专业达标指标
序号
企业名称
轻油收率
%
综合商品率，%
加工损失
%
综合能耗
kgEo/t
原油途耗
%
完全费用
元/t
集团公司
72.56
92.55
1.10
79.60
0.41
股份公司
72.5
92.45
1.08
79.40
0.40
196
1
燕山
70.00
92.40
1.15
94.00
0.40
193
2
天津
79.00
93.00
1.20
68.00
0.34
185
3
石家庄
76.00
90.50
1.05
88.00
0.35
192
4
沧州
71.00
90.65
1.15
87.50
0.40
190
5
上海
79.5
96.00
0.90
56.00
0.26
115
6
高桥
67.5
92.50
1.00
98.00
0.28
230
7
金陵
75.5
92.60
1.20
82.00
0.42
188
8
扬子
72.1
94.50
0.95
57.00
0.19
123
9
镇海
72.00
93.80
1.00
71.00
0.20
153
10
安庆
71.50
93.50
1.10
86.00
0.70
200
11
福建
78.20
91.60
1.15
77.00
0.22
248
12
九江
64.20
90.50
1.10
81.00
0.75
188
13
济南
71.00
90.00
1.10
95.00
0.45
257
14
齐鲁
74.10
93.10
1.15
85.00
0.40
188
15
洛阳
76.5
90.60
1.03
87.00
0.50
164
16
武汉
68.2
93.00
0.95
73.00
0.55
220
17
荆门
68.00
91.50
1.20
120.00
0.48
270
18
长岭
69.00
91.70
1.00
81.00
0.36
214
19
广州
78.00
94.00
0.95
64.50
0.17
170
20
茂名
74.00
92.00
1.20
76.00
0.19
155
21
胜利
71.00
90.00
1.25
110.00
0.00
315
22
河南
52.00
89.15
1.20
100.00
0.00
400
23
中原
79.95
90.25
1.20
93.00
0.07
220
24
北海
76.50
90.65
1.20
100.00
0.38
220
存续企业
25
巴陵
72.20
92.45
1.00
89.00
0.95
26
扬州
70.00
90.00
1.00
94.00
0.50
27
清江
73.00
91.00
1.20
92.00
28
杭州
72.50
92.00
1.10
85.00
0.45
29
青岛
78.00
91.50
1.05
81.00
0.50
30
泰州
35.40
91.85
1.30
31
西安
40.20
92.80
1.30
32
塔里木
44.50
83.70
1.30
某炼油厂的完全能耗费用及占炼油加工费的比例见表1~3。
该炼油厂综合能耗为86.8kg标油/t,平均每kg标油能耗的费用为1.56元，全厂能量因数为6.626，单位能量因数能耗为13.1kg标油/（t.Ef）。
从最具可比性的单位能量因数能耗来看，该炼油厂与国内能耗先进值（11kg标油/（t.Ef））相比有较大的差距。
若该炼油厂能耗达到国内先进水平，综合能耗将下降13.9kg标油/t，使每吨原油的加工费下降21.7元，下降幅度几乎达到了每年修理费的水平。
由于该厂的单位能量因数能耗是全国平均水平，因此炼油企业的平均节能潜力为20元/吨原油。
修正后的炼油加工费指标合理地反映了各项影响因素，能耗费用成为炼油加工成本的第一影响因素。
因此节能永远是石化企业挖潜增效，增强竞争力的一个主题。
1.2加热冷却过程多
石化工业加工过程中，有非常多的冷、热物流（过程物流、公用工程物流等）需要换热。
如乙烯装置、炼油过程主要是通过物理的办法，按照各油品沸点的差别进行分离，即通过冷冷热热，就完成了加工过程。
以冷热物流相联系的换热网络优化（广义）技术，在石化工业大有用武之地。
1.3涉及全过程，需要加强管理，需要全体人员参加
石化生产是连续、多工序、多层次的加工过程，从全厂发展规划、设计、生产运行、维护等过程均涉及能量的利用，可以说，加工全过程就是能量流的过程,节能绝不是一个部门或几个部门的事情。
从反例来说明：
如规划时不把一些可过程优化组合的装置放在一起，丧失了许多好的机会。
如FCC过程有大量的低温余热，而气体分馏装置可使用，如果把此二种装置布置很远，就难以实施该措施。
有些厂的这二种装置相距2公里远。
能耗指标是一个高度综合性的指标，如果一个石化企业的能耗指标是先进的，则必然意味着规划、设计、运行、维护、管理等所有环节的高水平，缺一不可。
国内节能工作存在的一个重要问题是：
重技术轻管理。
必须加强管理，提高所有人员的节能意识，激发节能积极性，才能真正将节能工作落到实处。
另外，企业不同的部门对能源的要求也不一样：
技术部门为了生产高质量产品，有时在探讨工艺过程中反而会提出增加能耗的建议；
生产部门重点是放在生产方面，始终努力采用高生产效率的方式，而提高生产性的效果，几乎均与节能直接关连；
生产计划部门为将库存压于最小程度，根据适时生产的方式而制定频繁更换作业内容的生产计划，而这种生产方式不利于节能的；
动力设备高效运转是动力管理部门的工作任务，但有时因过度追求节能，也会提出妨碍生产效率的要求。
日本节能的观点：
生产工厂的使命是制造产品，因而努力推进能量有效利用的工作人员是难能可贵的后勤部队。
与生产部门相比，推进节能的工作是种不显眼的苦差事，因而需要“厂领导的节能意识”，即应该针对节能作出的努力表示敬意并对所取得的成果给予高度评价和鼓励。
1.4本质上存在三环节过程
（a）过程用能的主要形式是热、流动功和蒸汽，它们一般是通过转换设备（如炉、机泵）等转换过来的。
此环节称为能量转换环节。
（b）转换设备提供的热、功、蒸汽等形式的能量进入工艺核心环节（塔、反应器），连同回收循环能量一起推动工艺过程完成后，除部分能量转入到产品中外，其余均进入能量回收系统。
此环节称为工艺利用环节。
（c）能量在工艺核心环节完成其使命后，质量下降，但仍具有较高的压力和温度，可以通过换热设备、换功设备（液力透平）等回收利用。
但受工程和经济条件约束，回收不能到底，最终通过冷却、散热等排弃到环境中。
此环节称为能量回收环节。
从三环节理论的节能：
首先应选用或改进工艺过程，减少工艺用能；再考虑经济合理地回收；其不足部分再由转换设备提供。
1.5目前还存在较大的节能潜力
目前有些装置的能耗水分较大，装置实际能耗与统计能耗不一致，有时差别还比较大。
如某企业相距一年的装置能耗相差一倍，而却没有采用过任何节能措施。
先进装置与落后装置的差距即是装置的节能潜力（见表5）。
表5国内外主要炼油装置能耗对比（不包括小企业）
序号
装置名称
先进能耗
国内一般或平均
国际先进
1
常减压
10.4
11.8
9.3
2
FCC
47
56
法国东日（1992）37.2
3
RFCC
55
68
4
延迟焦化
21
27
5
加氢裂化
26
46
38（全循环）
6
炼厂单因能耗
11
13
国际先进9.5-10.0
7
乙烯
585
750-800
400-450
相对来说，过程组合即系统节能的潜力更大。
Ø热联合
Ø蒸汽动力系统
Ø储运系统
Ø低温余热的回收和利用
根据节能中心掌握的有关资料：
目前对于30万吨/年的乙烯装置或500万吨／年的炼油厂，设定投资回收期为２年时，年节能效益一般在5000万元以上。
对某300万吨/年炼油厂所做的节能规划，仅气体分馏装置和储运系统用低温余热代替1.0MPa蒸汽就达40t/h,年效益2500万元。
2能耗计算与评价
2.1能耗计算
2.1.1综合能耗量
综合能耗量是统计对象（炼油装置、辅助系统或全厂）在统计期内,消耗的各种能源的总和。
其计算通式如下：
E=∑MiRi+Q
式中：
E—统计对象综合能耗量，kg/年（月、季）；
Mi—某种能源或耗能工质的实物消耗或输出量，t（kWh）/年（月、季）；
Ri—对应某种能源或耗能工质的能量换算系数，kg/t（kWh）；
Q—与外界交换的有效能量折为一次能源的代数和，kg/年（月、季）。
向统计对象输入的实物消耗量和有效热量计为正值，输出时为负值。
实际上，此式数据单位还有其它形式，如kg/h。
有效热量主要指不同统计对象之间的热进出料热量、烟气热量和低温余热的回收利用。
燃料消耗指生产过程消耗的各种燃料之和。
如果原料或产品的一部分（如PSA尾气、分馏塔顶油气等）作为燃料提供能量，则必须计入能耗。
有关详细计算及规定见新修订的《炼油厂能耗计算与评价方法》2003年版。
2.1.2单位综合能耗
单位综合能耗是统计对象在统计期内，以单位原油、原料油加工量或产品产量所表示的能耗量。
单位综合能耗的计算通式如下：
e=E/G
式中：
e—统计对象的单位综合能耗，kg/t；
E—统计对象综合能耗量，kg/年（月、季）；
G—统计对象的原油加工量（或原料加工量、产品产量），t/年（月、季）。
2.1.3能耗大小对比需要注意的问题
从能耗计算公式可以看出，能耗计算结果取决于计入能耗的能耗工质种类与能量换算系数。
不同的国家有不同的标准和方法，因此，不同国家之间的同类装置、单元或全厂的实物消耗相同（国外，甚至一个公司有2种方法），但能耗可能差别较大，不能直接对比。
从今年开始，国内能耗对比时，将有三类不同的标准的能耗结果：
（1）＜炼油厂能量消耗计算方法＞修订前；
（2）＜炼油厂能量消耗计算方法＞修订后，从今年开始试运行；
（3）《石油化工设计能量消耗计算方法》SH/T3110-2001已于2002年5月1日开始执行。
2.1.4能耗计算例题
某炼油装置的实物消耗及与装置界区外的物流关系见图1。
设蜡油、顶循、柴油、油浆的比热分别为0.55,0.6,0.55,0.7kcal/（kg.℃），热损失为5%。
此题仅为说明能耗的计算，能耗数值无实际意义。
能耗计算见表6。
图1某装置实物消耗及装置界区外的关系
表6某装置能耗计算举例
序
号
项目
原方法结果
kg/h
新方法结果
kg/h
说明
1
新鲜水10t/h
10*0.18=1.8
10*0.17=1.7
折算系数变化
2
除盐水30t/h
30*2.3=69
30*2.3=69
3
循环水2500t/h
2500*0.1=250
2500*0.1=250
4
凝结水50t/h
50*7.4=370
50*7.65=382.5
折算系数变化
5
3.5MPa蒸汽-10t/h
-10*88=-880
-10*88=-880
6
1.0MPa蒸汽-40t/h
-40*76=-3040
-40*76=-3040
7
0.5MPa蒸汽4t/h
4*66=264
4*66=264
8
电1500kW
1500*0.3=450
1500*0.26=390
折算系数变化
9
焦炭10t/h
5000*1=5000
5000*0.95=4750
折算系数变化
10
热进料400t/h
40*（200-90）*0.55=2420
400*（200-90）*0.55=2420
11
热出料120t/h
-12*（140-80）*0.55*0.95
=-376
-12*（140-80）*0.55*0.95
=-376
柴油为热出料
12
热联合-催化油浆
-20*（330-300）*0.7*0.95
=-399
-20*（330-300）*0.7*0.95
=-399
13
热联合-顶循
-20*（130-100）*0.6*0.95
=-342
-20*（130-100）*0.6*0.95
*0.5=-171
温度低，按低温余热输出
14
低温余热输出
-20*（90-25）*1*0.6=-780
-20*（90-60）*1*0.5=-300
只计算60℃以上热量，且折算系数变化
合计
装置合计消耗
（括号内为能耗）
3007.8kg标油/h
（7.52kg标油/t进料）
3361.2kg/h
（8.40kg标油/t进料）
主要由焦炭和低温余热的变化引起
2.2 能耗评价
2.2.1能耗评价指标
工艺装置：
（1）单位进料或产品的综合能耗；
（2）单位能量因数能耗（对联合装置）;
（3）基准能耗。
全厂：
（1）加工每吨原油的综合能耗；
（2）单位能量因数能耗；
（3）能源密度指数。
2.2.2单位能量因数能耗及能源密度指数
2.2.2.1单位能量因数能耗的意义
设一个炼油厂共有n套工艺装置，同一时期的加工量分别为A1，A2……An;实际能耗（对各自装置的进料或产品）分别为E1,E2……En,评价体系中确定的每套装置应可达到的先进标准能耗（国内称为能耗定额，下称标准能耗）分别为C1,C2……Cn,其中只有编号为1的装置为常减压蒸馏装置，相应的加工量就是该炼油厂的原油加工量。
则此炼油厂工艺装置作为一个整体来讲，单位能量因数能耗U的定义为：
U=
（1）
式
（1）中分母称为能量因数，可以看出的是：
其中的
是该炼油厂应达到的能源消耗总量，A1.C1是常减压装置应达到的标准能源消耗量，二者的比值即能量因数，直接意义则是炼油厂应达到的标准能源消耗总量折算成具有标准能耗的常减压装置的套数。
由于在一定的评价体系中，标准能耗C1,C2……Cn是不变的，因此，能量因数就是标准能耗常减压装置的套数。
显然，高能耗的装置琥多或加工流程越长，折成的常减压装置套数越多，所以是炼油厂加工复杂程度的体现。
式
（1）中的分子项是该炼油厂的单位综合能耗，即加工每吨原油的综合能源消耗量，除以能量因数后，就是单位能量因数能耗，意义就是标准能耗常减压装置的实际能耗。
在上述定义中，为讨论方便起见，设常减压蒸馏仅有1套，且没有考虑公用工程部分。
实际上，储运、蒸汽动力系统、给排水等公用工程系统很容易按工艺装置同样的方法进行处理。
2.2.2.2单位能量因数能耗与能源密度指数的关系
将式
（1）分子分母的A1约去，并整理成下式：
U=C1
（2）
令EII=
，则式
（2）变成下式：
U=C1.EII（3）
EII为炼油厂实际能耗消耗总量与应达到的标准能耗消耗总量的比值，这就是国外一些公司所采用的能源密度指数。
此概念意义很容易直接理解，若该比值为1，说明炼油厂总体上已达到了先进能耗指标；若比值大于1，如为1.2，实际能耗比先进能耗指标高20%。
如果一个评价体系中，规定的各装置标准能耗不是很先进，则EII将会小于1，这时统计分析的炼油厂中EII最小者则是最先进者，并且可能如EII低至0.8时，才达到了较先进的能耗指标。
从式（3）看出，单位能量因数能耗是在能源密度指数的基础上乘以常减压装置的标准能耗C1，因C1一般是不变的，所以比较U的高低实际是在比较EII的大小。
如果U等于C1，说明炼油厂总体上达到了先进能耗指标；如果U大于C1，它们的差值就是每套标准常减压装置的节能潜力。
2.2.2.3单位能量因数能耗的特性与使用
综合上述单位能量因数能耗的意义与分析，可以得出它的如下特性：
（1）单位能量因数能耗与常减压装置标准能耗的比值即能源密度指数，故它实际上表示炼油厂所有工艺装置的实际能耗总量与应该达到的先进能耗总量相比的平均节能潜力，是一个高度综合性的指标，用于整体上评价不同炼油厂的能耗是科学合理的。
（2）使用国内外不同的评价体系时，所规定的能耗计算方法不同，各工艺装置的标准能耗不同，单位能量因数能耗结果不一样，差别可能较大。
所以对比时，必须使用同一个评价体系。
（3）从式
（2）中看出，单位能量因数能耗与原油加工量无关，完全适合于二次加工装置有外购原料的炼油厂能耗评价。
（4）对于越来越多的联合装置，由于其中的各装置实物消耗量难于分开，故难于评价单个装置能耗，可使用单位能量因数能耗进行整体评价。
（5）单位能量因数能耗中，已经考虑了加工流程的复杂程度，故不再与其有关。
单位能量因数能耗评价的缺点是，评价的准确性取决于标准能耗的确定。
随着技术的发展，一些工艺装置的先进能耗下降的幅度较大，则必须及时调整标准能耗，以增强可比性。
另一方面，尽管对某类工艺装置可能制定许多档次的标准先进能耗，甚至采用考虑主要影响因素后的拟合公式表达标准能耗，以大大增强其可比性，评价结果已经足以从宏观上表明能耗水平的高低，但毕竟制定的标准先进能耗还是有局限性的，所以不可能在细微的程度上分析对比能耗的高低。
2.2.3＜炼油厂能量消耗计算方法＞的修订
Ø主要修订内容
（1）将现有的计算方法改为计算与评价方法，规定了全厂、炼油装置和辅助系统的评价指标。
（2）对所有工艺装置能耗定额修订，补充了新型炼油工艺装置的能耗定额;对辅助系统的能耗定额作了部分修订。
（3）修改完善了统一能量换算系数，如燃料气、电、催化焦炭、低温余热等。
（4）修订了能耗计算中的有关规定，如能耗计算范围。
Ø修订后最主要的影响：
工艺装置能耗定额：
修订后的工艺装置能耗大幅下降，划分档次更加合理，这将使单位能量因数能耗指标的评价合理性大大增加，有助于挖掘节能潜力。
统一能量换算系数：
主要修改了燃料气、电、催化焦炭、低温余热的统一换算系数，这将对使用这几种能耗工质为主要消耗的装置能耗带来较大或很大的影响。
表7修订前后统一能量换算系数的变化
序号
类别
数量与
单位
能源折算值对比kg（标油）
改变情况
修订前
修订后
1
电
1kWh
0.3
0.26
减少13.3%
2
新鲜水
1t
0.18
0.17
减少5.5%
3
循环水
1t
0.10
0.10
不变
4
软化水
1t
0.25
0.25
不变
5
除盐水
1t
2.3
2.30
不变
6
除氧水
1t
9.2
9.20
不变
7
凝汽式蒸汽轮机凝结水
1t
3.4
3.65
增大3.4%
8
加热设备凝结水
1t
7.4
7.65
增大3.4%
9
燃料油
1t
1000
1000
不变
10
燃料气
1t
1000
950
减少5%
11
催化烧焦
1t
1000
950
减少5%
12
工业焦炭
1t
800
800
不变
13
10.0MPa级蒸汽
1t
无
92
新增项目
14
3.5MPa级蒸汽
1t
88
88
不变
15
1.0MPa级蒸汽
1t
76
76
不变
16
0.3MPa级蒸汽
1t
66
66
不变
17
<0.3MPa级蒸汽
1t
无
55
新增项目
18
低温余热
无
有
新增项目
19
直接交换的热量
无
有
新增项目
表8修订前后部分炼油装置能耗定额的变化
序号
装置名称
1995年
能耗定额
2003年
能耗定额
2003年
能量系数
计算基准
备注（指新修订的内容）
1
常减压蒸馏
18
11
1
对处理量
不包括电脱盐。
该定额为燃料型，润滑油型能耗定额另增加0.5。
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