2、节能原理与方法

节能原理与方法 节能原理与方法 通过了解节能原理可以科学地找出节能潜力的大小 部位 指出潜力的限度及制定节能措施的指导原则 规划节能的长短期目标 如果不掌握节能原理 就可能提出不恰当的节能指标 制定出不合理的节能决策 批准不合理的节能方案 讲课内容 一 能量分析方法二 企业能耗技术指标三 我国石化企业存在的主要问题四 我国石化企业合理用能基本原则五 我国石化企业节能基本途径六 我国石化企业能量系统优化和节能改造具体内容七 节能优化实例 一 能量分析方法 一 热力学第一定律分析法 二 热力学第二定律分析法 三 热经济学分析法 一 热力学第一定律分析法 热力学第一定律即能量守恒定律 能量是物质运动的量度 当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时 数量不变 该分析法得到了广泛应用 它主要是用热效率的高低来估计节能潜力 热效率越低说明节能潜力越大 能量平衡工作正是基于这一定律 把能量的来龙去脉搞清楚 确定多少能量被利用 多少能量损失掉 优点 简单直观 容易理解和掌握 运用得当对节能工作能起到重要作用 缺点 由于它所依据的仅是能量数量上的守恒性 在挖掘节能潜力时有较大的局限性和不合理性 二 热力学第二定律分析法 热力学第二定律 当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时 其品位只可能降低或贬值 绝不可能提高 这样能量在数量的守恒性和质量上的贬值性 就构成了能量的全面本性 现代节能原理是同时依据热力学第一 第二定律 并通过直观实用的方式 来体现能的全面本性 由此建立的节能理论和方法 称为第二定律分析法 熵分析法 火用分析法 二 热力学第二定律分析法 火用分析法认为 能量 火用 火无火用是在给定环境的作用下 可以完全连续地转化为任何一种其它形式的能量 而火无是一种不可能转化的能量形式 火用主要是针对热提出的 即热量中最大能转化为功的部分 采用火用分析法 能从本质上找出能量损失 例题解析 求解下列两种情况下 由不可逆传热造成的火用损失 设Q 100kJ 环境温度T0 23 1 tA 420 tB 420 2 tA 70 tB 50 解答 解 1 TA 420 273 K 693K TB 400 273 K 673K因为TA TB T0 热量从A传向B 故 2 TA 70 273 K 343K TB 50 273 K 323K因为TA TB T0 热量从A传向B 故 由此可以看出 同样大小的传热温差 T 低温传热时火用损失更大 工程上 在不降低 或减少降低 传热效果的同时 尽量减少传热温差 对低温换热器尤为重要 例题解析 某蒸汽动力系统的能量平衡和火用分析 分析 蒸汽动力系统中造成火用损失最大的设备是锅炉 为59 81 锅炉的火用损失主要是燃烧不可逆损失和燃烧产物与工质的热交换损失 尽管凝汽器的能量损失很大 54 7 但由于温度很低 火用损失仅占5 改进凝汽器的效率对提高整个系统的火用效率作用不大 由此可见 提高蒸汽动力系统能量利用率的关键在于提高锅炉的火用效率 例如提高蒸汽的压力和温度 以减少炉内传热过程的火用损失等 这样可以在发电作功量相同的条件下 减少燃料的供入量 同时为了减少凝汽器的能量损失 可以通过热电联产 将汽轮机排汽压力提高作为供热热源用 才可使燃料能量得到充分利用 三 热经济学分析法 20世纪60年代以来 在节能领域产生了将火用分析法与经济因素及优化理论有机结合的热经济学 即除了研究体系与自然环境之间的相互作用外 还要研究一个体系内部的经济参量与环境经济参量之间的相互作用 一般来说 第一定律和第二定律分析法 在方案比较中仅能给出一个参考方向 而不能得出具体结论 热经济学分析法可以直接给出结果 这种方法特别适用于解决大型 复杂的能量系统分析 设计和优化 二 企业能耗技术指标 一 能耗 二 利用率 三 回收率 一 能耗 1 单耗单位产品能耗 某种能总耗量 某种产品产量单位产值能耗 某种能总耗量 生产总值 2 综合能耗单位产品综合能耗 各种能总耗量 某种产品产量单位产值综合能耗 各种能总耗量 生产总值 3 可比能耗可比能耗 各种能总耗量 标准产品产量可比能耗 标准工序总耗能量 产品产量 4 工序能耗工序能耗 某工序总耗能量 某工序半成品产量 一 能耗 能量换算系数 二 利用率 1 设备用能利用率 反映某设备能量有效利用程度设备用能利用率 有效能 供入能 2 企业能源利用率 考察整个企业用能水平的指标 3 装置能量利用率 考察某些工艺装置的用能水平 三 回收率 反映企业能量回收所带来的收益和由于能量回收而带来的燃料消耗节约率随着节能工作的深入 除了不断改进设备 提高设备用能利用率外 能量回收 提高整个企业的能量回收率 将成为今后企业节能的重要方向 三 我国石化企业存在的主要问题 一 设计环节存在问题 二 组织管理存在问题 三 观念和技术问题 一 设计环节存在问题 1 在决策层方面 前期工作时间仓促 经费 人力少 内容重工艺轻能量优化 设计时间也很短 2 在炼厂方面 急于上工程 只委托设计院做装置设计 缺乏与全局节能协同优化的观念 3 在设计院方面 急于赶任务 也没有节能和优化的压力 因此可以说 本质上不是技术原因 而是体制和观念因素所致 二 组织管理存在问题 迄今还没有一个厂的节能办有从扩产 基建的项目和全局规划的角度考虑节能的职能和权利 节能不光是生产调度或任何一个单独部门的事 它是牵涉全厂所有部门 从设计 运行到控制各个层面的系统性 全局性的重要工作 应当由主要技术领导直接负责抓 并协调各个职能部门配合运作 因此 可以说 当前我国炼油工业发展提出的以节能降耗求经济效益的挑战 强烈呼唤着相应的节能组织管理的创新 能源内部定价不合理 三 观念和技术问题 1 传统的对能量只从数量上认识 缺乏质量概念 致使 在转换 利用 回收过程中效率很低 三 观念和技术问题 2 除无谓损耗外 设计中缺乏在损耗和投资之间权衡的意识 以及技术经济优化的设计观点与技术手段 主要靠经验 难以达到设计优化 三 观念和技术问题 3 由于条件的局限 设计中对能量的利用多是分散 孤立考虑的 缺乏系统的观念 也未采用能量综合优化的设计思想 观念和技术 三 观念和技术问题 4 单元操作过程和设备技术本身相对陈旧落后 设计水平相对较低 锅炉发电机组都是六 七十年代的产品 加热炉 塔器等设备服役时间过长 反应工艺过程 催化剂 分离过程等设计水平落后 5 我国过程工业的内 外条件发生了重大变化 内部 加工深度 能耗构成 产品格局 外部 国家能源形势 经济全球化和加入WTO 技术进步 市场价格变化 四 我国石化企业合理用能基本原则 一 最小外部损失原则 二 最佳推动力原则 三 能量优化利用原则 一 最小外部损失原则 外部损失 即有形损失 包括 由废气 废渣 冷却水 各种中间物或产品带走能量造成的损失 跑 冒 滴 漏造成的损失 保温和保冷不良造成的散热和散冷损失等 虽然这些外部损失的能量能级不太高 但它们都是由投入系统的高级能源因过程的不可逆性转化而来的 所以在设计和生产中 应力求使排出系统而未利用的余热降低到最低的限度 做到能量的充分利用 具体措施是 堵塞漏洞 减少余热排放 余热回收 一 最小外部损失原则 1 减少跑 冒 滴 漏 跑 冒 滴 漏造成的损失 不容忽视 例如 每小时泄漏423K的饱和蒸汽15 相当于每年损失标准煤1 64 104 16 4t 2 减少废弃物和污染物的排放量 减少可燃气体和有用气体的放空 排污降2 节煤0 4 3 减少散热和散冷损失等 设备 管道保温和保冷不良 由于系统和环境的热交换而造成散热和散冷损失 未保温阀门年损失蒸汽12t 4 余热的回收利用 首先要调查余热的数量 质量及稳定性 看余热回收是否必要和用途 在此基础上确定余热回收的方法 二 最佳推动力原则 从能量利用的观点看 一切石油化工过程都是能量的传递和转化过程 都是在一定的热力学势差 如温度差 压力差 电位差 化学位差等 推动下进行 过程进行的速率与推动力成正比 没有热力学势差 就没有推动力的过程 实际上是无法实现的 由于任何热力学势差都是不可逆因素 都会导致过程的火用损失 能量利用的中心环节是 在技术和经济条件许可的前提下 采取各种措施 寻求过程进行的最佳推动力 以提高能量的有效利用率 二 最佳推动力原则 1 按需供能 按质用能 正确使用能源是能量有效利用的首要问题 它的基本原则是按需供能 按质用能 2 能量的多次梯级利用 石油化工过程的能源 主要是高能级的电能和石化燃料 为了防止能量的无功降级 应根据用户对输入能的不同能级要求 使能源的能级逐次下降 对能量进行梯级利用 只有系统无法再使用的低温余热才加以废弃 做到能尽其用 3 适当减少过程的推动力换热过程 二 最佳推动力原则 自热维持 三 能量优化梯级利用原则 在化工生产中 原料与产品通常在常温常压下存放 而反应过程常在高温或高压下进行 因而原料 中间物与产品需反复进行升压 降压 加热 冷却 增湿和减湿 除了输入一次能源外 化工过程中还有各种二次能源如化学反应和物理变化的热效应可以利用 这就构成了复杂的用能系统 一次能源与二次能源 热量与冷量 电能 高压流体的机械能等共存的系统 因此 各种形式能量的相互匹配 综合利用 使之各尽其能就具有特别重要的意义 三 能量优化梯级利用原则 例如 用燃料燃烧的热能在锅炉中产生蒸汽 蒸汽用于加热工艺物料 而工艺物料的显热或潜热 又要冷却 通常是水冷 这样不仅余热未利用 反而需要消耗冷却剂 增加能耗 如果采用热电联产 将高压蒸汽先通过蒸汽透平作功或发电 然后用背压蒸汽作为工艺蒸汽或热源加热工艺物料 生产过程中放出的热量也按能级高低回收利用 以减少外供能源 这就构成了按能量能级高低综合利用的系统 称为总能系统 该系统 能量的有形损失和不可逆损耗将大为减少 从而将会达到相当高的能量有效利用率 五 我国石化企业节能基本途径 一 结构节能 二 管理节能 三 技术节能 一 结构节能 结构节能主要是指节约由于经济结构不合理所引起的能源浪费 经济结构包括 1 产业结构在今后的发展中 应增加省能型工业的比重 减少耗能型工业的比重 2 产品结构高附加值 低能耗 3 企业结构调整生产规模结构是节能降耗的重要途径 4 地区结构地区结构的调整主要是指资源的优化配置 调整部分耗能型工业地区结构 二 管理节能 国家宏观调控 企业经营管理 1 建立健全能源管理机构 2 建立企业的能源管理制度 3 合理组织生产 4 加强计量管理 三 技术节能 1 工艺节能 2 化工单元操作设备节能 3 化工过程系统节能 4 控制节能 1 工艺节能 采用新技术 新工艺 催化剂 新工艺 反应条件 选择性 化学反应工程 减小阻力 吸放热合理利用 分离工程 分离方法的选择 改进工艺方法和设备 干法熄焦 乙烯脱甲烷塔顶 将富甲烷尾气节流阀改为膨胀机 2 化工单元操作设备节能 流体输送机械对可变负荷的设备 采用调速控制 换热设备换热设备的节能方法有 加强设备保温 防止结垢 传热温差合理 强化传热 对锅炉和加热炉还有控制过量空气 提高燃烧特性 预热燃烧空气 回收烟气余热 采用高效率设备 如热管换热器等 蒸发设备节能措施有 预热原料 多次蒸发 热泵蒸发等 塔设备塔设备的节能途径有 减少回流比 预热进料 塔顶热的利用 使用串联塔 采用热泵 采用中间再沸器和中间冷凝器等 干燥设备控制和减少过量空气 余热回收 排气的再循环 热泵干燥等 3 化工过程系统节能 化工过程系统节能是指从系统合理用能的角度 对生产过程中与能量的转换 回收 利用等有关的整个系统所进行的节能工作 以前的节能工作主要着眼于局部 但系统各部件之间是有着有机的联系 随着过程系统工程和热力学分析两大理论的发展及其相互结合与渗透 产生了过程系统节能的理论和方法 把节能工作推上了一个新的高度 用一个石油化工企业的一个例子可以说明该方法的优越性 一个由乙烯厂及其下游产品构成的联合企业 如果每个分厂自选优化节能改造 需投资220万英镑 年效益为144万英镑 投资回收期18个月 而整个企业整体优化节能改造 需投资330万英镑 可得到266万英镑的年效益 投资回收期15个月 3 化工过程系统节能 目前常用的化工过程系统节能方法主要有 热力学分析法夹点技术全局能量集成数学规划法顶层分析法夹点技术与数学规划法结合的能量集成综合优化方法 4 控制节能 控制节能包括两方面 一是节能需要操作控制 二是通过操作控制节能 节能需要操作控制 以加强仪表计量工作为主 做好生产现场的能量衡算和用能分析 为节能提供基本条件 特别是节能改造之后 回收利用了各种余热 物流与物流 设备与设备等之间的相互联系和相互影响加强了 使得生产操作的弹性缩小 更要求采用控制系统进行操作 另外 搞好生产运行中的节能 必须加强操作控制 控制节能投资小 潜力大 效果好 目前已引起中石化的足够重视 六 我国石化企业能量系统优化和节能改造具体内容 一 改进生产流程 二 装置及系统的热联合 三 低温热回收利用 四 搞好蒸汽逐级利用 一 改进生产流程 1 装置的生产负荷率装置能耗按其随着生产负荷率变化的性质 分为固定能耗和可变能耗 低负荷率生产时 单位原料 产品 的固定能耗上升 使总能耗增加 因此提高装置负荷率是全厂生产调度中应加以解决的问题 2 选择合理加工路线在装置组成一定 原料和产品品种数量均已确定的情况下 选择不同的加工路线 对加工费用和能耗有一定的影响 是总流程优化考虑的一个内容 在相同的产品效益情况下 优先选用加工路线短 能耗低的节能生产流程 3 减少不必要的重复加工能耗 二 装置及系统的热联合 装置热联合打破了用能自成体系的局面 做到互相协调 取长补短 实现热联合受工程和生产条件约束 一 开停工 同步的问题 应考虑相应的措施加以弥补 二 各装置一般是独立车间 应搞好互相协调 装置热联合应着眼于大系统 其原则如下 1 首先预热本装置原料 减少炉子热负荷 节约燃料 在用过剩热加热本装置原料时 应保持传热温差的合理性 2 供出过剩热量作其它装置原料的加热源 节省燃料用量 3 用本装置的中 低温过剩热量 作其它中小装置的加热源 节省燃料或蒸汽 二 装置及系统的热联合 某炼油厂常减压 催化 焦化装置 三 低温热回收利用 低温热回收利用可分为两类 1 低温热同级利用 直接利用 生产用低温热 生活科研用热 2 低温热升级利用低温热在优先考虑连续 稳定的热负荷用户之后 就应考虑过剩低温热的升级利用 这类用热有三种形式 热泵 制冷 发电 四 搞好蒸汽逐级利用 开展蒸汽逐级利用的步骤为 1 动力锅炉根据厂区的蒸汽系统情况发生中压或高压蒸汽避免发生低压蒸汽 2 装置 单元 的过剩热量 应在装置换热流程优化的基础上 发生相应参数的蒸汽 并受全厂蒸汽平衡的制约 避免产用不平衡造成排空浪费现象 大中型催化裂化循环油浆发生中压蒸汽改化为发生高压蒸汽可多回收功率3000kW左右 3 核准全厂总的蒸汽用量及参数 从而根据用汽量及余热发汽量安排动力锅炉的产汽量 4 调查可以利用蒸汽背压式透平的动力机械的功率参数 耗汽量等 5 制定蒸汽逐级利用方案 6 对方案进行技术经济评价和优化 七 节能优化实例 一 丙烯腈废水焚烧余热锅炉改造 二 常减压装置换热网络改造 三 腈纶装置蒸汽冷凝水系统改造 四 炼油厂一常炉改造 五 脱硫溶剂集中再生系统优化节能改造 一 改造实例一 项目名称 丙烯腈废水焚烧余热锅炉改造项目单位 中石化齐鲁分公司丙烯腈厂项目周期 2002 1 2003 3 项目背景 齐鲁石化丙烯腈厂废水焚烧炉用于焚烧有毒废水 排烟温度850 能源浪费严重 2000年增上火管式余热锅炉 产生1 0MPa蒸汽 但改造后结渣非常严重而长期停炉 一 改造实例一 一 改造实例一 改造方案 在大量理论研究和实验分析的基础上 研究了结渣的成分和具体成因 进行多次技术攻关 最终采用 角管式水管炉 活动炉门清渣通道与凝渣管相结合光管与翅片管共存 2003年1月一次开车成功 运行周期由原来的2 3天延长至3个月 一 改造实例一 设计图 一 改造实例一 一 改造实例一 经济效益 本次改造总投资96 4万元 2002年12月改造完成 2003年1月投入运行 一次开车成功 开停车周期延长到1 2月 经中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司2003年4月组织验收 年经济效益263万元 2003年实际经济效益291万元 间接经济效益200多万元 年总效益500余万元 一 改造实例一 二 改造实例二 项目名称 常减压装置换热网络改造项目单位 中石化齐鲁分公司胜利炼油厂项目周期 2003 8 2004 8 项目背景 齐鲁石化第三常减压装置为加工进口原油于1998年9月完成第一次改造 装置加工能力由150万t 年改为400万t 年 改造后实际换热后终温只有270 左右 设计值295 能耗很大 为节能和扩容 从400万t 年扩大到500万吨 年 的需要 拟对该装置的换热网络流程进行优化 提高换后温度和生产能力 二 改造实例二 二 改造实例二 优化方案 对换热网络的进行流程模拟 夹点分析和方案优化 按照沙轻 科威特 1 1 3 2 1 0混合等多种比例计算了多个方案 最终设计此方案被中石化批准采纳 由齐鲁胜利炼油设计院设计 2004年7月实施 换后温度296 310 优化后换热器总台数为71台 总面积为19520m2新增 更新换热器27台 更新换热面积为10230m2换热网络空置出换热器14台 换热面积1225m2 二 改造实例二 工艺流程 二 改造实例二 优化网络 二 改造实例二 经济效益 2004年7月实施后 节省燃料油15 844t 年节能经济效益3 169万元 年实际总投资3 816万元 投资回收期1 2年 二 改造实例二 三 改造实例三 项目名称 腈纶装置蒸汽冷凝水系统改造改造内容 蒸汽冷凝水系统改造 项目背景 冷凝水排放不畅疏水阀故障率高冷凝水回收配置不尽合理系统最末段的冷凝水泵经常气蚀 三 改造实例三 优化方案 1 综合考虑蒸汽压力等级和各流股的实际背压来划分闪蒸罐 各压力等级相同蒸汽冷凝水进入同一闪蒸罐 2 对于排入常压罐的冷凝水进行取热 采用饱和冷凝水相变换热和降温换热的办法一方面较好得利用了冷凝水热能 另一方面降低冷凝水温度 避免水泵发生气蚀 三 改造实例三 改造前流