——关于炼油能量系统优化的思考与展望

阅读提示：近年来，伴随着我国经济社会发展，炼油节能面临新的约束和要求：一是受国家、地方政策影响，炼油企业能源供应形势发生变化；二是炼油产业面临产能总体过剩的严峻挑战，通过节能降耗降低生产成本、增强企业综合竞争力成为应对产能过剩的重要抓手之一，也对炼油全局节能提出了新的要求。能量系统优化是指导炼油企业开展节能工作的重要理论基础和研究领域，遵循科学合理的能量利用原则，以能量利用最优状态指导炼厂的节能和能效提升工作，是未来炼厂能源管理的重要内容。

田 涛

近年来，随着我国炼油行业节能工作逐步深入，提高炼油过程能源效率已经成为一项涉及全厂物料平衡、工艺路线、操作优化、设备更新改造等的综合性工作。理清节能、用能优化与炼油生产的关系，成为指导炼油厂开展能源优化管理的重要基础。

能量系统优化是未来炼厂能源管理的重要内容

节能与能量系统优化是既有区别又有联系的两个方面。节能是以降低生产过程的能源消耗、减少不必要的能量浪费以实现节约生产成本的实践活动；能量系统优化是在遵循能量合理利用的基础上，运用过程系统工程的方法整体优化能量推动过程的活动，是过程系统工程方法在能量利用领域的运用和发展，对企业开展节能工作具有重要指导作用。节能可以降低企业的能源消耗，但却未必是通过最优的能量利用措施来实现，如对出口阀门截流的机泵采用叶轮切削降低电耗、对管网乏汽进行回收利用等，这些措施都节约了能量，却不一定达到能量利用的最优状态。

在遵循科学合理的能量利用原则基础上采取最优的能量利用方式，是实现炼油厂用能本质合理的重要体现。炼油能量系统优化就是从过程用能本质合理的角度出发，在揭示和运用能量利用规律基础上，从企业用能的全局视角优化能量利用过程，切实提升企业的整体用能水平。

能量系统优化在炼油行业的应用较早，20世纪70年代，Linhoff教授创立夹点理论，极大促进了换热网络优化技术的发展；国内华贲教授在总结用能过程热力学基础上，创立了用能分析的“三环节”理论。线性规划（LP）求解软件及技术的应用促进了炼油蒸汽动力系统和管网系统的优化和求解，同时PIMS（生产过程信息管理系统）、Pro/II（化工工艺模拟计算软件）、Aspen（大型通用流程模拟系统）等商业流程模拟软件的应用也推动了系统优化手段在炼油节能领域的进步。随着节能工作的深入，炼油能量系统优化的应用将会越来越广泛。

能量是推动炼油生产过程的重要因素，既要驱动流体物料的流动，又要完成工艺介质的分离，同时也是推动反应进行的条件，因此能量在炼油生产过程中的利用形式多样。能量的来源广泛、品种繁多，包括原煤、石油焦、炼厂干气（瓦斯）、燃料油、天然气、蒸汽、电等，能源的转化和用能形式差别较大，加之炼油过程的工艺物流数量多、温位分布广、压力等级多，物料间的能量选择匹配余地大。因此，炼油生产的工艺特点决定了用能过程的复杂性，这使得应用过程系统方法优化炼油用能过程具有较大的施展空间。

炼油产能的逐步发展，对能量系统优化提出了现实需求。我国多数炼油企业建设年代跨度较大，炼油能力逐步增加，项目投资中对主要工艺装置的扩能投入较大，而对公用工程和用能系统关注较少，工艺装置依托原有公用工程建设，导致工艺过程与用能系统缺少统一规划。未来一个时期内，油品质量升级、环境保护与“双碳”目标将会驱动新一轮炼油装置升级改造，能量系统优化技术将在工艺产能升级与用能优化的协同发展中发挥重要作用，降低产能升级项目投资的同时提升过程能效水平。

技术经济条件的改变及新技术的出现，对炼油用能提出新要求。能量系统优化的本质是追求用能过程的经济最优化，权衡生产过程推动力与设备投资的最佳组合，因此全社会技术经济条件的改变必然带来用能过程最优条件参数的变化，需要能量系统优化技术的迭代应用。例如能源价格的上涨使得钢材与原油的比价越来越低，以热回收为主的节能设备的经济平衡点会出现新变化，炼油过程加热炉排烟温度、传热温差等逐渐降低，最优的能量回收条件也会因经济条件的变化而改变。

寻求能量系统优化最优解需结合炼油过程能量利用特点

炼油生产过程的能量利用具有高度非线性特征，现有技术多是在某个具体方面实施，针对炼油过程的集成应用尚没有完整统一的原则和策略方法。同时，能量系统优化也未找到一种适用于所有问题、任何体系的最优化模型和求解方法，必须要结合炼油过程的能量利用特点，逐步逼近最优的能量利用状态。

炼油生产工艺的用能过程复杂，全局系统更是涉及几十个工艺装置和公用工程系统，在进行工艺装置和全局系统优化过程中涉及数量庞大的过程变量和约束关系，需要采用科学的分解调优策略，避免或降低变量与约束关系间的相互干扰，保证能量全局优化的系统性和可行性。

针对以热加工为主的炼油过程用能规律及特点，能量系统优化应以工艺装置用能改进为核心，同时对炼油企业全局的总体用能过程、装置间热集成系统、低温热综合利用系统、公用工程系统等进行集成调优，其相关工作内容、层次及工作步骤包括企业总体用能改进、工艺装置能量优化、装置间热集成、低温热综合利用优化和公用工程系统优化等5个相互联系的任务包和闯关卡。

企业总体用能改进在原料、产品数量确定的条件下，应优化从原料到产品的工艺路线，合理确定和优化全厂的总加工流程，例如循环比、回炼比等，避免重复分离-混合、加氢等过程。总体用能改进的结果是确定最优的装置运行边界条件，为工艺装置优化提供依据。

工艺装置是全厂能量利用的核心。工艺装置用能优化是能量系统优化的关键过程，同时也是全厂多个系统调优的前提和边界条件，工艺装置优化后所确定的燃料气产/用量、蒸汽产/用量、低温热产/用量、热出料条件、热量富余情况、公用工程参数等是全局系统优化的初始边界。同时，系统优化结果也会反馈到工艺装置用能，各个全局系统在优化前后也会相互关联，例如热集成系统优化结果会影响全局低温热的资源量，进而对低温热利用系统产生影响。

未来能量系统优化将在三大领域实现长足发展

能量系统优化作为指导炼油企业开展节能工作的重要理论基础和研究领域，是无止境、无边界的开放知识体系，需要在总结大量具体措施的基础上进行实践规律的抽象提升，既坚持措施方法的实用性，又兼顾实际应用的一般性，但要达到这个目的绝非易事。同时，能量系统优化不仅需要信息类知识，也需要思维型能力，总结实践中开展能量系统优化工作的内容，积累炼油生产中的能效提升措施，归纳提炼能量系统优化所涉及的改进方向和策略，才能建立开展该项工作所涉及的知识体系和专业方法，扩大其应用面。未来，能量系统优化在以下三个领域必将有长足发展。

一是能量与能源利用的跨尺度集成优化。能量作为推动物质运动变化的源泉和根本，其作用的尺度包括分子级（反应）、设备级（三传）、工厂级（公用工程系统）和宏观级（国家区域能源）等多个层面，因此构建从反应热、工业装置热、蒸汽动力平衡直至区域能源禀赋为约束的跨尺度模型对于丰富能量优化的应用领域意义重大，由此实现能量优化到工业过程的闭环调优。

二是新一代信息技术的应用，包括智能优化算法、专家知识系统开发、大数据规律发现等方面。信息技术的应用不仅体现在新的软件系统和软件功能的开发，更重要的是深入能量利用实际发现实践中的问题，构建模型、开发方法、指导实践。

三是在国家“双碳”目标下，碳排放将成为能源利用问题的重要约束条件。碳排放成本体现在碳税、碳配额交易、新能源应用等环节，能量的优化利用不仅要增加新的外部约束，而且更应该从自身规律出发，确立实现“双碳”目标的行动方向。

（作者单位：中国石化节能技术服务中心）