过程能量优化

七、过程能量优化

过程能量是以能量系统为主线，研究能流与物流的最佳结合关系，用多种技术集成，实现最优技术条件的科学方法。过程能量优化技术的应用，对过程工业中单个技术的研究向多项技术的集合发展、单一过程向复杂过程发展起到促进作用，使这类十分复杂和繁重的技术劳动缩短了时间并提高了质量。过程能量优化技术改造属无风险、高回报投资项目。中国研究这项技术的时间与西方发达国家同步，但应用较慢。

过程能量优化技术是计算机技术与过程工业科学技术相结合，研究更有效地利用能量和提高生产工艺水平的边缘科学。

过程能量优化技术的应用，使得过程工业中单个技术的研究向多项技术的集合发展、单一过程向复杂过程发展缩短了时间并提高了质量。

利用计算机技术处理，专业人士根据长期工业生产积累的成熟经验数据编制了计算软件，经过反复的比较、模拟、测算，寻找最佳设计和操作条件，实现工业生产物流和能流更高效利用并可降低生产成本。采用过程能量优化技术，带给企业好的经济效益和环保效益，并获得较高的投资回报率。西方工业发达国家近十年的综合技术就是应用这种方法来设计最佳工况，提高生产效率，降低消耗，占领市场的。

1.过程能量综合技术的概念

过程能量综合技术英文表述为Process Integration，中文名称有过程能量优化、过程能量集成、能量系统优化等，名称不一，内涵基本一致。过称能量综合技术是以能量系统为主线，研究能流与物流的最佳结合关系，用多种技术成，实现最优技术条件的科学方法。过程能量综合是化学工程中发展最快的领域之一。作为化学工程的一个新的核心部分，它发展于20世纪80年代初，它是过程系统工程(Process System Engineering)的一部分，是继20世纪20年代单元操作技术的拓展，也是化学工程的第三次重大发展。近年来，生产的扩大化和集约化以及市场的激烈竞争，更促进了系统技术(System Technology)的发展，其应用面也超出化学工程的范畴，成为一种有深刻理论基础的应用技术和方法论科学。在某种程度上可以说，除了人们比较熟悉的工艺技术和设备技术外，系统技术是第三方面，而且非常重要。例如，在代表一个国家化工技术的乙烯装置技术市场上，各大公司相互竞争的实质就是系统技术的较量。能量消耗更低和投资更少的生产装置主要来自于高度集成化的过程能量系统的改进。而作为其基础生产装置，裂解—深冷分离管式炉、多级压缩制冷—精馏分离等设备技术，多年来并无很大改变。

从单元设备到相互连接组成一个过程系统，从给定的原料到生产标准的产品，能否在最少的总费用和最小的环境污染条件下安全生产，能否在运行中采取和保持最优的操作条件，都是衡量生产水平的重要指标。显然，它强调整个系统在设计和运行中的结构、合成和能量综合。从这点理解，我们可以把过程的系统技术归纳为三个方面，即系统设计、系统操作和系统控制。系统设计属于基本的、静态的方面，系统控制是动态的方面，系统操作介于两者之间，这三者对于总的优化目标是相互紧密联系的。

过程系统优化从设计抓起才能解决根本性问题。目前与过程操作和系统控制相比，我国系统优化设计的研究开发无论是在重视程度、投入力量，还是在成果应用方面，都还是很不够的。迄今为止，用于实际的过程，设计较多的还是依靠经验、技巧加计算的格式套路，并没有形成一套集成创新的设计体系，所以新技术应用往往滞后。系统工程的主要任务应该是使过程设计从经验和技巧走向科学，把优化和集成贯穿于全过程，这样，才能从源头抓起实现过程系统全面优化。

乙烯装置设备

过程系统设计优化包括两部分：物料优化和能量优化。物料优化涉及原料选择、产品分布、种类和质量标准。这关系到工艺方法、工艺路线、反应条件和生产流程的安排等问题，这些都受市场的左右。不同的产品过程，物料优化差别很大，较少有共性的规律。能量优化即过程能量综合，它关注更多的是在一定物料流程方案的前提下，能量综合利用与相应设备的优化选择以及流程优化组合过程中权衡能耗和投资费用，这是优化任何过程系统的共性。随着日益严格的环保和对操作的可靠性、安全性和市场变化的适应性（系统的柔性）等形成的总体要求，系统优化的思路和技术将渗透在任何一个过程工业的全部环节，而选择最佳本身就是效益。

2.推广过程能量系统优化技术是实现可持续发展的有效方式

(1)能源利用与实现可持续发展的关系

人类在新世纪面临的重大挑战是：“在实现可持续发展的条件下，保证社会的能源供应”。目前世界上主要能源仍以石油和煤为主。据有关资料分析，我国未来面临的能源形势相当严峻。

①人均一次能源极其有限

到2050年，假定可开发的水电260吉（10⁹）瓦全部开发完毕（相当于从现在起再增加10个三峡电站的容量），同时核电发展到120吉瓦规模（相当于66个大亚湾核电站），新能源（生物质能、太阳能等）发展到可替代4.6亿吨标煤，这样我国国内每年可供一次能源才达到30亿吨标煤（其中包括煤的年极限供应量19亿吨标煤，人均仅2吨多一点，比1995年增加一倍左右）。然而要使我国进入中等发达国家行列，人均国内生产总值(GDP按不变价计)应比现在增加10倍以上。如果发展核电和水电以及新能源利用的计划不能如期实现，我国的一次能源就会有相当大的缺口。

②能源强度（单位产值能耗）高

我国近年来创造同等生产总值所消耗的能源是日本的12倍、美国的5倍，也远高于巴西、印度、墨西哥等发展中国家。

冶金工业

我国石油石化行业大部分企业的单位综合能耗与国际先进水平相比差距不大，尤其在炼油方面已接近世界先进水平，其中主要是系统优化技术的应用发挥了一定的作用。但还应注意到，石油石化在能源综合利用和经济效益方面，还有很大的潜力。经对九江、镇海石化、抚顺石油一厂等部分石化企业进行能量系统优化技术改造还可以再降低炼油综合能耗15～20个单位(千克标油/吨)，投资回收期也仅为2年。由此可见，冶金、电力等国内大型企业均有很大的节能潜力。

目前我国正进行大规模的基础设施建设，国内水泥产量占全球的1/3，因此高耗能企业数量不可能很快减下来。如果2050年国内经济达到增长的目标，能源强度须下降到现在的20%以下才有可能。

③矿产燃料引起的环境污染

主要是二氧化硫的排放相当严重。空气污染、酸雨、温室效应等都严重地破坏我们赖以生存的环境，其中很大部分都是由于能源发展，特别是对能源矿产的利用引起的。

所以，不管人类能够开发多少新的能源，高消耗、高污染的粗放型生产方式都是自取灭亡。发展节能、节水的集约化生产技术是解决资源缺口和保护环境的最佳手段。

(2)能量优化是节能深化的必然进程

过去，工业企业在大力抓单项节能技术改造方面取得了长足的进步，这是粗放型生产向集约化生产迈进的第一步。近几十年来，世界上许多传统的生产过程能耗一直呈逐年下降趋势，其中大部分不是由于工艺或设备有什么新的突破，而主要是将已有的技术进行过程能量集成、综合匹配，使其产生整体的节能效果。

过程综合是化学工程、系统工程和计算机科学的交叉学科，近十多年来已逐步形成一套理论方法。应用这一科学技术方法，对过程工业（主要是耗能密集型行业）进行能量系统优化改造是节能深化的重要途径。

①传统技术产业渗透高技术产生的变革

大力推广电子技术

能源技术总体上属传统技术的范畴，技术创新和出现重大突破的机会比高科技学科少得多，但高新技术与传统技术的相互渗透将会导致传统产业的重大变革。如电力电子技术在高压输配电领域的工业应用促成了“灵活交流输电”新技术。这项技术可实现电力系统电压参数（如线路阻抗）、相位角、功率的连续调节控制，从而大幅度提高线路输送能力，提高系统的稳定水平，降低输电损耗，这是常规技术无法实现的。又如，一系列的电子技术，如静止无功发生器、动态电压恢复器、变频调速器等在配电用电系统的应用可大幅度提高用电的质量和效率。据统计，全国推广电子技术每年可节电4000亿度，节材40%～90%，可称为“硅片引起的第二次革命”。

②能量系统优化改造与实际生产紧密结合

对一个企业而言，应用过程能量系统优化技术是全系统的、宏观的。在总体技术改造规划确定之后，落实单项技术改造的措施是微观的，有新技术的应用，也有常规技术的重新组合，个别技术措施比较简单。

能源技术总体上属传统技术。从事过程能量系统优化的人，用新的学科方法和全面的技术分析来考量用能的合理性和实现系统优化的可行性，而项目来源于企业。长期在生产第一线的工作人员最了解生产情况，能够提出最突出的实际问题。但问题如何解决，解决的方法能否与全局的优化方案结合起来，从而提出全面的技术论证，有一定的困难。进行能量系统优化研究，首先要从全局优化的角度找出能量利用存在的问题，找出各种问题之间技术的、经济的影响关系，对全系统问题进行主次的定位和定性，再进一步作全面的可行性研究，对需要解决的问题作出技术的、经济的定量分析判断。这个研究过程是由一套系统的研究方法和专业配套技术作为支撑的。系统优化是物流与能流的同时优化，装置的操作优化也是研究的重要部分。系统优化积累的实践经验还要与企业生产实际相结合，如解决热源与热阱的合理匹配以及如何选择能实现新技术的设备等问题。从能量系统优化的内涵看，在全局系统优化的把握度方面，与来自生产作业人员直观性地看问题有质的差别。如果通过调查研究，融入双方的意见，经过专业技术加工处理，梳理成技术方向清晰的咨询意见，形成技术改造规划的参考框架，就会帮助企业把握方向做好决策。

③过程能量优化技术改造属无风险、高回报投资项目

随着市场竞争日趋激烈，企业自身发展需要不断投入，在众多的项目中如何选择投资方向、估计投资风险、计算投资回报和分析投资形势是非常重要的。

投资于过程能量技术改造项目，属能源环保、新技术和大型工程项目，投资风险与单个技术、单项工程比要小得多。由于过程能量优化改造紧密结合生产，立项要经过多方专家严格论证，可杜绝技术方面的失误。因此，投资这种项目是没有风险的，也受到国家的鼓励和支持。

企业经过改造选用一批新技术，能量利用更合理、生产成本降低，效益突出，已做的大量案例表明，最短的投资回收期仅为5～6个月，最长的不超过两年。对一个大型企业，过程能量优化改造可使企业通过优化自身的工艺路线、能源结构产生效益，及时收回投资并表现出强劲的盈利势头，这是可持续发展的具体表现。同样，投资方关注的是如何把手中的资金投向能产生效益的项目，过程能量优化改造正体现了以上两方面的优势。