——關于煉油能量系統(tǒng)優(yōu)化的思考與展望

閱讀提示：近年來，伴隨著我國經(jīng)濟社會發(fā)展，煉油節(jié)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(yè)能源供應形勢發(fā)生變化；二是煉油產(chǎn)業(yè)面臨產(chǎn)能總體過剩的嚴峻挑戰(zhàn)，通過節(jié)能降耗降低生產(chǎn)成本、增強企業(yè)綜合競爭力成為應對產(chǎn)能過剩的重要抓手之一，也對煉油全局節(jié)能提出了新的要求。能量系統(tǒng)優(yōu)化是指導煉油企業(yè)開展節(jié)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(yōu)狀態(tài)指導煉廠的節(jié)能和能效提升工作，是未來煉廠能源管理的重要內(nèi)容。

田 濤

近年來，隨著我國煉油行業(yè)節(jié)能工作逐步深入，提高煉油過程能源效率已經(jīng)成為一項涉及全廠物料平衡、工藝路線、操作優(yōu)化、設備更新改造等的綜合性工作。理清節(jié)能、用能優(yōu)化與煉油生產(chǎn)的關系，成為指導煉油廠開展能源優(yōu)化管理的重要基礎。

能量系統(tǒng)優(yōu)化是未來煉廠能源管理的重要內(nèi)容

節(jié)能與能量系統(tǒng)優(yōu)化是既有區(qū)別又有聯(lián)系的兩個方面。節(jié)能是以降低生產(chǎn)過程的能源消耗、減少不必要的能量浪費以實現(xiàn)節(jié)約生產(chǎn)成本的實踐活動；能量系統(tǒng)優(yōu)化是在遵循能量合理利用的基礎上，運用過程系統(tǒng)工程的方法整體優(yōu)化能量推動過程的活動，是過程系統(tǒng)工程方法在能量利用領域的運用和發(fā)展，對企業(yè)開展節(jié)能工作具有重要指導作用。節(jié)能可以降低企業(yè)的能源消耗，但卻未必是通過最優(yōu)的能量利用措施來實現(xiàn)，如對出口閥門截流的機泵采用葉輪切削降低電耗、對管網(wǎng)乏汽進行回收利用等，這些措施都節(jié)約了能量，卻不一定達到能量利用的最優(yōu)狀態(tài)。

在遵循科學合理的能量利用原則基礎上采取最優(yōu)的能量利用方式，是實現(xiàn)煉油廠用能本質(zhì)合理的重要體現(xiàn)。煉油能量系統(tǒng)優(yōu)化就是從過程用能本質(zhì)合理的角度出發(fā)，在揭示和運用能量利用規(guī)律基礎上，從企業(yè)用能的全局視角優(yōu)化能量利用過程，切實提升企業(yè)的整體用能水平。

能量系統(tǒng)優(yōu)化在煉油行業(yè)的應用較早，20世紀70年代，Linhoff教授創(chuàng)立夾點理論，極大促進了換熱網(wǎng)絡優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展；國內(nèi)華賁教授在總結(jié)用能過程熱力學基礎上，創(chuàng)立了用能分析的“三環(huán)節(jié)”理論。線性規(guī)劃（LP）求解軟件及技術(shù)的應用促進了煉油蒸汽動力系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化和求解，同時PIMS（生產(chǎn)過程信息管理系統(tǒng)）、Pro/II（化工工藝模擬計算軟件）、Aspen（大型通用流程模擬系統(tǒng)）等商業(yè)流程模擬軟件的應用也推動了系統(tǒng)優(yōu)化手段在煉油節(jié)能領域的進步。隨著節(jié)能工作的深入，煉油能量系統(tǒng)優(yōu)化的應用將會越來越廣泛。

能量是推動煉油生產(chǎn)過程的重要因素，既要驅(qū)動流體物料的流動，又要完成工藝介質(zhì)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(chǎn)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(zhuǎn)化和用能形式差別較大，加之煉油過程的工藝物流數(shù)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(chǎn)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(tǒng)方法優(yōu)化煉油用能過程具有較大的施展空間。

煉油產(chǎn)能的逐步發(fā)展，對能量系統(tǒng)優(yōu)化提出了現(xiàn)實需求。我國多數(shù)煉油企業(yè)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(tǒng)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(tǒng)缺少統(tǒng)一規(guī)劃。未來一個時期內(nèi)，油品質(zhì)量升級、環(huán)境保護與“雙碳”目標將會驅(qū)動新一輪煉油裝置升級改造，能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)將在工藝產(chǎn)能升級與用能優(yōu)化的協(xié)同發(fā)展中發(fā)揮重要作用，降低產(chǎn)能升級項目投資的同時提升過程能效水平。

技術(shù)經(jīng)濟條件的改變及新技術(shù)的出現(xiàn)，對煉油用能提出新要求。能量系統(tǒng)優(yōu)化的本質(zhì)是追求用能過程的經(jīng)濟最優(yōu)化，權(quán)衡生產(chǎn)過程推動力與設備投資的最佳組合，因此全社會技術(shù)經(jīng)濟條件的改變必然帶來用能過程最優(yōu)條件參數(shù)的變化，需要能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)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(jié)能設備的經(jīng)濟平衡點會出現(xiàn)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(yōu)的能量回收條件也會因經(jīng)濟條件的變化而改變。

尋求能量系統(tǒng)優(yōu)化最優(yōu)解需結(jié)合煉油過程能量利用特點

煉油生產(chǎn)過程的能量利用具有高度非線性特征，現(xiàn)有技術(shù)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(tǒng)一的原則和策略方法。同時，能量系統(tǒng)優(yōu)化也未找到一種適用于所有問題、任何體系的最優(yōu)化模型和求解方法，必須要結(jié)合煉油過程的能量利用特點，逐步逼近最優(yōu)的能量利用狀態(tài)。

煉油生產(chǎn)工藝的用能過程復雜，全局系統(tǒng)更是涉及幾十個工藝裝置和公用工程系統(tǒng)，在進行工藝裝置和全局系統(tǒng)優(yōu)化過程中涉及數(shù)量龐大的過程變量和約束關系，需要采用科學的分解調(diào)優(yōu)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(yōu)化的系統(tǒng)性和可行性。

針對以熱加工為主的煉油過程用能規(guī)律及特點，能量系統(tǒng)優(yōu)化應以工藝裝置用能改進為核心，同時對煉油企業(yè)全局的總體用能過程、裝置間熱集成系統(tǒng)、低溫熱綜合利用系統(tǒng)、公用工程系統(tǒng)等進行集成調(diào)優(yōu)，其相關工作內(nèi)容、層次及工作步驟包括企業(yè)總體用能改進、工藝裝置能量優(yōu)化、裝置間熱集成、低溫熱綜合利用優(yōu)化和公用工程系統(tǒng)優(yōu)化等5個相互聯(lián)系的任務包和闖關卡。

企業(yè)總體用能改進在原料、產(chǎn)品數(shù)量確定的條件下，應優(yōu)化從原料到產(chǎn)品的工藝路線，合理確定和優(yōu)化全廠的總加工流程，例如循環(huán)比、回煉比等，避免重復分離-混合、加氫等過程?？傮w用能改進的結(jié)果是確定最優(yōu)的裝置運行邊界條件，為工藝裝置優(yōu)化提供依據(jù)。

工藝裝置是全廠能量利用的核心。工藝裝置用能優(yōu)化是能量系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵過程，同時也是全廠多個系統(tǒng)調(diào)優(yōu)的前提和邊界條件，工藝裝置優(yōu)化后所確定的燃料氣產(chǎn)/用量、蒸汽產(chǎn)/用量、低溫熱產(chǎn)/用量、熱出料條件、熱量富余情況、公用工程參數(shù)等是全局系統(tǒng)優(yōu)化的初始邊界。同時，系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果也會反饋到工藝裝置用能，各個全局系統(tǒng)在優(yōu)化前后也會相互關聯(lián)，例如熱集成系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果會影響全局低溫熱的資源量，進而對低溫熱利用系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

未來能量系統(tǒng)優(yōu)化將在三大領域?qū)崿F(xiàn)長足發(fā)展

能量系統(tǒng)優(yōu)化作為指導煉油企業(yè)開展節(jié)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(jié)大量具體措施的基礎上進行實踐規(guī)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(tǒng)優(yōu)化不僅需要信息類知識，也需要思維型能力，總結(jié)實踐中開展能量系統(tǒng)優(yōu)化工作的內(nèi)容，積累煉油生產(chǎn)中的能效提升措施，歸納提煉能量系統(tǒng)優(yōu)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(yè)方法，擴大其應用面。未來，能量系統(tǒng)優(yōu)化在以下三個領域必將有長足發(fā)展。

一是能量與能源利用的跨尺度集成優(yōu)化。能量作為推動物質(zhì)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(tǒng)）和宏觀級（國家區(qū)域能源）等多個層面，因此構(gòu)建從反應熱、工業(yè)裝置熱、蒸汽動力平衡直至區(qū)域能源稟賦為約束的跨尺度模型對于豐富能量優(yōu)化的應用領域意義重大，由此實現(xiàn)能量優(yōu)化到工業(yè)過程的閉環(huán)調(diào)優(yōu)。

二是新一代信息技術(shù)的應用，包括智能優(yōu)化算法、專家知識系統(tǒng)開發(fā)、大數(shù)據(jù)規(guī)律發(fā)現(xiàn)等方面。信息技術(shù)的應用不僅體現(xiàn)在新的軟件系統(tǒng)和軟件功能的開發(fā)，更重要的是深入能量利用實際發(fā)現(xiàn)實踐中的問題，構(gòu)建模型、開發(fā)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(xiàn)在碳稅、碳配額交易、新能源應用等環(huán)節(jié)，能量的優(yōu)化利用不僅要增加新的外部約束，而且更應該從自身規(guī)律出發(fā)，確立實現(xiàn)“雙碳”目標的行動方向。

（作者單位：中國石化節(jié)能技術(shù)服務中心）