節(jié)能技術講座(ppt)
節(jié)能技術講座

中國石化集團公司節(jié)能技術中心
主要內容
1. 石化工業(yè)用能特點及潛力
2. 能耗計算與評價
3. 節(jié)能原理、方法與途徑
4. 窄點技術
5. 能量平衡
6. 節(jié)能新技術、新設備
7. 石化工業(yè)的節(jié)能方向
1.石化工業(yè)用能特點及潛力
1.1 用能量大,占加工成本比例大
以乙烯裝置為例，國內裝置能耗大部分在750kg標準油/t，2003年國內乙烯總產量約600萬噸，總能耗450萬噸標準油，能耗費用近60億元（2007年國內乙烯總產量將達1100萬噸，總能耗達825萬噸標準油）。
以煉油工業(yè)為例，綜合能耗量占原油加工量的8%~10%。2001年全國原油加工量達1.98億噸，耗能量約1700萬噸標油，費用約220億元。平均能耗成本(包括自產燃料等)占總加工成本的50%~60%。
但目前加工成本計算中，將自產燃料形成的能耗未計入成本，造成了能耗成本占總加工成本比例不高的假象，將能耗成本淹沒在巨大的產品銷售中，大大弱化了能耗的影響及其節(jié)能工作的開展。

某煉油廠加工每噸原油的完全能耗費用


　　國內某煉油廠的煉油加工費對比
　　
　　該煉油廠綜合能耗為86.8kg標油/t,平均每kg標油能耗的費用為1.56元，全廠能量因數(shù)為6.626，單位能量因數(shù)能耗為13.1 kg標油/(t.Ef)。從最具可比性的單位能量因數(shù)能耗來看，該煉油廠與國內能耗先進值(11kg標油/(t.Ef))相比有較大的差距。若該煉油廠能耗達到國內先進水平，綜合能耗將下降13.9kg標油/t，使每噸原油的加工費下降21.7元，下降幅度幾乎達到了每年修理費的水平。
　　 由于該廠的單位能量因數(shù)能耗是全國平均水平，因此煉油企業(yè)的平均節(jié)能潛力為20元/噸原油。
　　 修正后的煉油加工費指標合理地反映了各項影響因素，能耗費用成為煉油加工成本的第一影響因素。 　　因此節(jié)能永遠是石化企業(yè)挖潛增效，增強競爭力的一個主題。

2002年中國石化集團公司煉油專業(yè)達標指標
1.2 加熱冷卻過程多
石化工業(yè)加工過程中，有非常多的冷、熱物流（過程物流、公用工程物流等）需要換熱。如乙烯裝置、煉油過程主要是通過物理的辦法，按照各油品沸點的差別進行分離，即通過冷冷熱熱，就完成了加工過程。
以冷熱物流相聯(lián)系的換熱網絡優(yōu)化（廣義）技術，在石化工業(yè)大有用武之地。
1.3 節(jié)能涉及全過程
石化生產是連續(xù)、多工序、多層次的加工過程，從全廠發(fā)展規(guī)劃、設計、生產運行、維護等過程均涉及能量的利用，可以說，加工全過程就是能量流的過程,節(jié)能絕不是一個部門或幾個部門的事情。
能耗指標是一個高度綜合性的指標，如果一個石化企業(yè)的能耗指標是先進的，則必然意味著規(guī)劃、設計、運行、維護、管理等所有環(huán)節(jié)的高水平，缺一不可。
國內節(jié)能工作存在的一個重要問題是：重技術輕管理 。必須加強管理，提高所有人員的節(jié)能意識，激發(fā)節(jié)能積極性，才能真正將節(jié)能工作落到實處。

生產企業(yè)各部門對能源的要求不一樣
技術部門為了生產高質量產品，有時在探討工藝過程中反而會提出增加能耗的建議；
生產部門重點是放在生產方面，始終努力采用高生產效率的方式，而提高生產性的效果，幾乎均與節(jié)能直接關連。
生產計劃部門為將庫存壓于最小程度，根據(jù)適時生產的方式而制定頻繁更換作業(yè)內容的生產計劃，而這種生產方式不利于節(jié)能的；
動力設備高效運轉是動力管理部門的工作任務，但有時因過度追求節(jié)能，也會提出妨礙生產效率的要求。
日本節(jié)能的觀點
生產工廠的使命是制造產品，因而努力推進能量有效利用的工作人員是難能可貴的后勤部隊。與生產部門相比，推進節(jié)能的工作是種不顯眼的苦差事，因而需要“廠領導的節(jié)能意識”，即應該針對節(jié)能作出的努力表示敬意并對所取得的成果給予高度評價和鼓勵。


1.4 本質上存在用能三環(huán)節(jié)過程
（1）過程用能的主要形式是熱、流動功和蒸汽，它們一般是通過轉換設備（如爐、機泵）等轉換過來的；
（2）轉換設備提供的熱、功、蒸汽等形式的能量進入工藝核心環(huán)節(jié)（塔、反應器），連同回收循環(huán)能量一起推動工藝過程完成后，除部分能量轉入到產品中外，其余均進入能量回收系統(tǒng)；
（3）能量在工藝核心環(huán)節(jié)完成其使命后，質量下降，但仍具有較高的壓力和溫度，可以通過換熱設備、換功設備（液力透平）等回收利用。但受工程和經濟條件約束，回收不能到底，最終通過冷卻、散熱等排棄到環(huán)境中。
從三環(huán)節(jié)理論的節(jié)能：首先應選用或改進工藝過程，減少工藝用能；再考慮經濟合理地回收；其不足部分再由轉換設備提供。
1.5 目前還存在較大的節(jié)能潛力
裝置的節(jié)能潛力
先進裝置與落后裝置的差距即是節(jié)能潛力.

裝置名稱 國內先進 國內一般或平均 國際先進
----------------------------------------------------------------------------------------------------
乙 烯 　 585 750-800 400-450
煉廠單因能耗 11 13 9.5-10
常減壓 10.4 11.8 9.3(大連規(guī)劃)
餾分油催化 47 56 37(法國東日)
重油催化 55 68
延遲焦化 21 27
加氫裂化 26 46 38(全循環(huán)，規(guī)劃)
-----------------------------------------------------------------------------------------------------



系統(tǒng)存在更大的節(jié)能潛力
相對來說，過程組合即系統(tǒng)節(jié)能的潛力更大。
熱聯(lián)合
蒸汽動力系統(tǒng)
儲運系統(tǒng)
低溫余熱的回收和利用。

根據(jù)節(jié)能中心掌握的有關資料：目前對于30萬噸/年的乙烯裝置或500萬噸／年的煉油廠，設定投資回收期為２年時，年節(jié)能效益一般在5000萬元以上。
對某3０0萬噸/年煉油廠所做的節(jié)能規(guī)劃，僅氣體分餾裝置和儲運系統(tǒng)用低溫余熱代替1.0Mpa蒸汽就達40t/h,年效益2500萬元。

3.節(jié)能原理與方法
3.1 熱力學第一定律分析法
3.2 熱力學第二定律分析法
3.3 熱經濟學
3.4 用能的本質認識
3.5 節(jié)能方法


掌握節(jié)能原理
科學找出節(jié)能潛力與部位
制定節(jié)能措施的指導原則
規(guī)劃長短期節(jié)能目標
不掌握節(jié)能原理
提出不恰當?shù)墓?jié)能指標
制定出不合理的節(jié)能決策
批準不合理的節(jié)能方案

3.1 第一定律分析法
熱力學第一定律即能量守恒定律：能量是物質運動的量度，當任何一種形式的能量被轉移或轉化為另一種形式的能量時，數(shù)量不變。
該分析法得到了廣泛應用，它主要是用熱效率的高低來估計節(jié)能潛力，熱效率越高說明節(jié)能潛力越大。
能量平衡工作正是基于這一定律，把能量的來龍去脈搞清楚，確定多少能量被利用，多少能量損失掉。
優(yōu)點：簡單直觀，容易理解和掌握，運用得當對節(jié)能工作能起到重要作用。
缺點：由于它所依據(jù)的僅是能量數(shù)量上的守恒性，在挖掘節(jié)能潛力時有較大的局限性和不合理性。
3.2 第二定律分析法
20世紀50年代以后，熱力學第二定律的理論開始在節(jié)能實踐中廣泛應用。它的表述方法很多，其中之一是：當任何一種形式的能量被轉移或轉化為另一種形式的能量時，其品位只可能降低或來變，絕不可能提高。這樣能量在數(shù)量的守恒性和質量上的貶值性，就構成了能量的全面本性。
現(xiàn)代節(jié)能原理是同時依據(jù)熱力學第一、第二定律，并通過直觀實用的方式，來體現(xiàn)能的全面本性，由此建立的節(jié)能理論和方法，稱為第二定律分析法。這種方法有兩大類，熵分析法和火用分析法。由于熵分析法比較抽象，不能評價能量的使用價值，且本身也不是一種能量，現(xiàn)在已被火用分析法取代。
火用分析法認為：能量=火用+火無
火用是這樣一種能，在給定環(huán)境的作用下，可以完全連續(xù)地轉化為任何一種其它形式的能量，而火無是一種不可能轉化的能量形式。
火用主要是針對熱提出的，即熱量中最大能轉化為功的部分。
采用火用分析法，能從本質上找出能量損失。
3.3 熱經濟學
20世紀60年代以來，在節(jié)能領域產生了將火用分析法與經濟因素及優(yōu)化理論有機結合的熱經濟學，即除了研究體系與自然環(huán)境之間的相互作用外，還要研究一個體系內部的經濟參量與環(huán)境經濟參量之間的相互作用。
一般來說，第一定律和第二定律分析法，在方案比較中僅能給出一個參考方向，而不能得出具體結論。而熱經濟學分析法可以直接給出結果，這種方法特別適用于解決大型、復雜的能量系統(tǒng)分析、設計和優(yōu)化。
3.4 用能的本質認識
按能量的作功能力，將其分為三大類：
高級能量：理論上可以完全轉化為功的能量，如機械功、電能、
水能等；
低級能量：理論上不能全部轉化為功的能量，主要是熱能；
僵態(tài)能量：完全不能轉化為功的能量。
可逆過程是熱力學中的一種理想過程，在這個過程中，如為機械運動則沒有摩擦阻力，如為傳熱過程則沒有溫差，如對常減壓蒸餾裝置，如達到可逆過程，其能耗就可能僅為2~3的程度。因此可以看出：真正的可逆過程是不存在的，事實上，自然界的任何過程都不是可逆過程。節(jié)能工作就是要在現(xiàn)有的經濟合理條件下，接近可逆過程。
用能的本質：
大部分能量是過客；
能量是完成過程中不發(fā)生化學變化的“催化劑”；
能量是完成過程的推動力。

3.5 節(jié)能方法
（1）使用用能量小的先進工藝過程和高效設備；
（2）減少過程。由于凡有過程，就有不可逆性，因此應盡可能減少過程，減少不可逆性。如裝置之間的熱進出料；從整個系統(tǒng)的角度使用能量，抓住優(yōu)化匹配的機會，減少不可逆性。
（3）多次使用能量。如對傳熱過程，就是要減少傳熱溫差，目前的經濟傳熱平均溫差（不包括加熱爐）已經達到達20~30℃ ，隨著強化傳熱技術的發(fā)展，傳熱系數(shù)提高后，經濟傳熱過程可能進一步減小。煉油過程中，最常見最典型的過程為傳熱過程，各個裝置均有大量的換熱器。凡是傳熱溫差很大或較大的地方，也即是用不合理的地方。
（4）高級高用，低能低用。
燒開水的例子
將100kg水從15 ℃ 加熱到100 ℃ ，需能量8500kcal，按數(shù)量折為0.85kg標油。

（1）用電加熱 ：2.5kg標油；
（2）LPG加熱： 1kg標油；
（3）用燃料發(fā)生中壓蒸汽，通過凝汽機的排汽加熱：0.7kg標油。此時，所需的一次能源已小于水本身升溫所需的熱量0.85kg標油。

能量多次使用的例子
如有八個物理過程，分別從起始溫度加熱至終止溫度后，即需將熱量排掉，每個過程的需熱量為10kg標油。
（1）1200~1400℃
（2）800~1000 ℃
（3）400~600 ℃
（4）200~300 ℃
（5）150~200 ℃
（6）110~130 ℃
（7）80~100 ℃
（8）50~70 ℃
如果每一個過程單獨進行，至少需要8*10=80 kg標油。
如果將前一個過程完成后的熱量回收用于下一個過程，則總需能量僅為10 kg標油，是單獨過程用能的八分之一。由此可以看出能量多次使用的本質和系統(tǒng)優(yōu)化的極大優(yōu)越性。


4. 窄點技術
4.1窄點技術的起源、特點及應用范圍
4.2窄點技術的概念及術語
4.3窄點技術超目標方法
4.4窄點設計法
4.5公用工程能級優(yōu)選法
4.6加熱爐在過程組合中的適宜布局
4.7易污垢換熱的網絡設計法
4.8用于裝置改造
4.9全廠性能量組合設計
4.10 例題

4.1窄點技術的起源、特點及應用范圍
窄點技術的原理1978年由英國曼徹斯特大學的B.Linnhoff教授提出，經過多年的應用研究，已成為過程工業(yè)節(jié)能的一種先進且特別實用的技術，廣泛應用于煉油、石油化工、造紙、制藥等幾乎所有過程工業(yè)部門。據(jù)一項1994年的統(tǒng)計資料，窄點技術在全世界的工業(yè)應用項目在2500個以上。曾有人對此項技術的評價是可以代替20年的的工程經驗，在最流行此技術的時候，世界上的一些大公司專門成立了窄點技術組，日本三菱化學公司曾專門請B.Linnhoff的博士進行輔導學習和應用。
傳統(tǒng)方法及數(shù)學法的缺點：
（1）第一定律：不能真正說明能量損失的原因；
（2）第二定律：很抽象，實際過程中難以應用；
（3）純粹數(shù)學意義上的優(yōu)化，到目前還僅限于換熱物流數(shù)目較少的網絡，對復雜網絡，數(shù)學方法還很不成熟，不僅經常得不到答案，而且合成的網絡很復雜，難于實際應用。

窄點技術的顯著特點：簡單實用
使用簡單的圖表加上一定的經驗即可對復雜的裝置和系統(tǒng)，同時優(yōu)化權衡能量與投資；
特別強調技術人員對問題和目標的理解，所有的決定由技術人員自己做出，因為技術人員始終了解發(fā)生的所有事情。
能在具體設計之前，就可提出很好的實用解決方案
窄點技術的應用與發(fā)展
窄點技術主要是優(yōu)化廣義的換熱網絡，也即是以冷熱物流相聯(lián)系的網絡，如裝置內、裝置間及裝置與蒸汽動力系統(tǒng)的冷熱物流，當然也包括加熱爐煙氣、熱機、熱泵等。據(jù)此，石化工業(yè)是窄點技術大有作為的一個工業(yè)。
窄點技術的發(fā)展主要在20世紀80~90年代，不僅可用于換熱網絡，也可用于水處理即水處理窄點方法，減少水耗。國內窄點技術也得到了一些應用，但還較少，有許多應用，還僅限于窄點計算。應該說明，國內窄點技術的應用還大有潛力可挖。

4.2窄點技術的概念及術語
冷熱綜合曲線
窄點及意義
窄點溫差
吸熱部分
放熱部分
公用工程目標
解題表（或叫問題表格）
B.Linnhoff的解題表是窄點技術的基石。如下例：
窄點溫差選20 ℃ ，熱公用工程目標為107.5,冷公用工程目標為40 ℃ , 窄點溫度為對應SN3子網絡，即熱物流溫度為90 ℃ ，冷物流溫度為70 ℃ 。SN1子網絡對應的溫度為：熱物流150~145 ℃ ，冷物流僅125 ℃ ；SN2子網絡對應的溫度為：熱物流145~120 ℃ ，冷物流125~120 ℃ ；SN5子網絡對應的溫度為：熱物流僅60 ℃ ，冷物流為40~25 ℃ ；SN6子網絡對應的溫度為：熱物流僅60 ℃ ，冷物流為25~20 ℃ 。
總綜合曲線


總綜合曲線的兩個示例

第一個圖形，窄點溫度180 ℃ ，可發(fā)生低壓蒸汽及供出低溫余熱；
第二個圖形，第一個窄點溫度260 ℃ ，第二個窄點溫度120 ℃ ，中間可發(fā)生中壓蒸汽，背壓發(fā)電后，再供出0.5Mpa蒸汽，利用中間富裕的溫差作功。
窄點技術中的金法則
（1）不通過窄點傳遞熱量；
（2）窄點以上吸熱部分不使用冷公用工程；
（3）窄點以下放熱部分不使用熱公用工程 。
實際意義是：盡量使冷熱綜合曲線平行，溫差均衡分配，使在合理回收能量的前提下，使投資最小，實際上是節(jié)能基本原則的應用 。

冷熱綜合曲線、解題表和總綜合曲線是來自于同一熱力學分析的三種表示方式，其中冷熱綜合曲線和總綜合曲線可以從解題表中的數(shù)據(jù)推出來。解題表易于尋找能量目標和熱級流動情況，冷熱綜合曲線更便于對窄點技術的基本概念進行理解，而總綜合曲線特別適用于選擇公用工程的適當配置方案。

4．3 窄點技術超目標方法
確定了窄點溫差，就確定了冷、熱公用工程目標，但窄點溫差如何在具體設計之前選??？
因此窄點技術中發(fā)展出了一個超目標方法，即在換熱網絡還沒有具體設計的情況下，運用一些模型，優(yōu)化選取窄點溫差。假如把每一個窄點溫差下的換熱網絡都設計出來，而進行選取，其工作量太大，工程上不實用，也沒有這個必要。


超目標方法的實質是利用冷熱綜合曲線的“垂直換熱”傳熱面積模型、殼程數(shù)模型以及泵功模型，預測每一個窄點溫差情況下的最小傳熱面積、最小殼程數(shù)，從而預測出投資，當然選取一個窄點溫差，就可確定了冷熱工程目標，也就可以確定能耗費用。綜合選取年操作費用最低的窄點溫差即為優(yōu)化值。

4．4窄點設計法
老式設計法
在窄點設計法中，核心的問題是窄點處的換熱匹配，即不使熱量傳遞通過窄點，以免造成冷熱公用工程目標的增大。
窄點設計法主要包括以下五個步驟：
（1）將換熱網絡由窄點分成兩個分離網絡；
（2）這兩個分離網絡的設計由窄點處開始往窄點換熱器以遠發(fā)展，主要的窄點匹配方案以及是否或如何進行物流分流，應用可行性準則來確定（物流數(shù)包括分流準則、熱容流率不等式約束準則、熱容流率差準則）；
（3）當窄點處存在可挑選的方案時，設計者根據(jù)自己的經驗確定；
（4）窄點換熱器的熱負荷取決于消去探試法。當有問題時，如增加公用工程用量或導致非窄點換熱器的溫差不足時，可在窄點處選用其它方案或降低熱負荷；
（5）非窄點換熱器的匹配往往是自由匹配，設計者可以根據(jù)經驗確定所希望的匹配。
新式設計法
實際上，這種老式的窄點設計法比較機械，設計出的換熱網絡也比較復雜。為此后來發(fā)展出了雙溫差設計法，即確定冷熱公用工程目標時，用一個窄點溫差，也稱為熱回收窄點PTD（如20 ℃ ）。而在實際設計換熱器時，選取較小的一個傳熱溫差別值（如10 ℃ ），這樣設計出的換熱網絡比較簡單實用。而且一般設計時，也不是從窄點處分開，而是在確定冷熱公用工程目標后，直接從吸熱部的最高溫度開始匹配。

4．5 公用工程能級優(yōu)選法
對大多數(shù)工藝過程來說，為了滿足它在窄點以上的熱量需求，通常要對不同的熱公用工程系統(tǒng)進行選擇。而對窄點以下的子系統(tǒng)，要盡量將其有效熱量作熱源用來產生低壓蒸汽、預熱空氣和鍋爐給水以及產生低溫余熱等，最后再將剩余熱量排放到冷卻水或空氣中。

節(jié)能技術講座(ppt)