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作者简介:

刘国豪(1983-),男,高级工程师,博士研究生,研究方向为油气储运系统能效监测与分析评价等。E-mail:liugh01@pipechina.com.cn。

通信作者:

侯磊(1966-),男,教授,博士,博士生导师,研究方向为油气管道输送与油气田集输相关技术。E-mail:houleicup@126.com。

中图分类号:TE 973

文献标识码:A

文章编号:1673-5005(2024)02-0179-07

DOI:10.3969/j.issn.1673-5005.2024.02.020

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目录contents

    摘要

    用能评价分析方法对系统节能减排和“双碳”目标实现具有指导作用,实际用能分析除了需要考虑能量分析外,还需要考虑污染物及温室气体排放等影响;基于能量利用和环境效应(污染物和温室气体排放等),构建新的用能评价分析模型,提出温室气体排放过程的虚拟能计算方法;利用所建模型对原油输送场站典型工艺系统进行用能分析,考虑输入及输出过程虚拟能对运行效率的影响。结果表明,考虑环境效应的用能分析,系统及设备(单元)虚拟效率均有所降低。

    Abstract

    The energy use evaluation analysis method has a guiding role in the system energy saving and emission reduction and the realization of the dual carbon goal. In addition to the energy analysis, the actual energy use analysis needs to consider the impact of pollutants and greenhouse gas emissions. A new analytical model was constructed for energy use evaluation based on the energy use and environmental effects (pollutants and greenhouse gas emissions, etc. ) and an embodied energy calculation method was proposed for the greenhouse gas emission process. Using the established model, the energy consumption of the typical process system of crude oil transportation station was analyzed, and the influence of embodied energy in the input and output processes on the operation efficiency was considered. The results show that the embodied efficiency of the system and equipment (unit) is reduced in the energy consumption analysis considering the environmental effect.

  • 能源、环境和可持续发展是 21 世纪人类社会生存和发展的主题,其中可持续发展是中心,能源和环境是保障和基础[1]。近年来,一些废气、废水等污染物和温室气体排放等负面影响日益严重,一定程度上已经影响了社会和经济的可持续发展。目前,在“双碳”目标大背景下,节能减排作用更加重要,需要在经济运行过程中努力提高用能水平; 另外,要考虑努力减少各类污染物及温室气体排放。过程系统工业(石化、化工和建材等)在用能分析研究方面取得了一些进展,主要包括直观推断法、最优化法、夹点分析法和火用经济调优法等,并进行了应用[2-9]。目前的用能分析方法仅将环境的影响作为次要目标,缺少统一的尺度,将物质、能量、排放及环境影响进行统一评价和对比[10-13]。对油气生产过程而言,能源消耗量很大,其用能分析方法主要包括:能量成本分析法、“三箱”分析法、基于数学优化方法的遗传算法、改进粒子算法及神经网络等[14-17]。笔者在文献[18]的基础上,基于能量利用和污染排放,同时考虑温室气体排放等影响,综合热力学、经济学和环境目标,构建系统用能分析过程的工艺单元(设备)及系统的综合用能评价分析模型,将其应用于油气管道场站外输系统,深化和拓展节能减排分析方法研究。

  • 1 虚拟能概念

  • 1.1 定义

  • “虚拟能” [18-19] 或“隐性能源” [20] 起源于“ embodied energy”一词。为此国际高级研究机构联合会( IFIAS)指出,为了衡量某产品或服务生产过程中直接和间接消耗的某种资源的总量,可以使用 “embodied” 这一概念[20-23]。原则上来说,“ embodied”后可以加其他资源的名称,如水、土地,或劳动力等。

  • 根据实际生产运行排放特点,对虚拟能概念进行扩展。定义虚拟能为:生产过程中消耗的间接能量或因污染物及温室气体排放处理等产生的附加能耗,如废气、废水处理及 CO2 温室气体处理等的能耗等。

  • 1.2 虚拟能特点

  • (1)间接性。由于虚拟能不是实际消耗能量,一般都具有间接性特点;

  • (2)过程性。实际用能分析过程,虚拟能与工艺过程、技术特点及系统组成等有关;

  • (3)区域性。污染物或温室气体处理因工艺及外在条件等不同,虚拟能的计算可能有区别;

  • (4)等同性。在系统用能分析过程中,虚拟能与实际消耗的资源具有等同性;

  • (5)广泛性。虚拟能在实际工艺过程或系统评价分析时,可以存在于供给项中,也可以在中间产物或输出物流项中。

  • 2 考虑环境影响的用能分析模型

  • 对于用能分析过程而言,其对象可以是一个设备(工艺单元),也可以是一个生产过程(子系统),或者是由若干设备(单元)和生产过程组成的复杂用能系统等[18]

  • 具体的用能分析评价指标,除了一些通用的指标外,针对不同的分析对象,还可以提出反应用能对象特征的其他指标。

  • 2.1 设备(工艺单元)评价分析模型

  • 对于一般的工艺单元或用能设备,考虑环境及温室气体影响,改进后的评价分析模型如图1 所示。

  • 图1 设备(工艺单元)通用分析模型

  • Fig.1 General analysis model for equipment (process units)

  • 在图1 所示模型中,实线表示实际物流或能量,虚线表示虚拟物流或虚拟能。其中 Ein,i 为实际物流带入能量; Eout,i 为实际物流带出能量; Esup 为实际供给能量; Einemp 为考虑环境污染效应虚拟供给能量; Einemg 为考虑温室气体虚拟供给能量; Elos 为实际损失能量; Elosemp 为考虑环境污染效应虚拟损失能量; Elosemg 为考虑温室气体虚拟损失能量,各能量单位均为 kJ/ h。

  • 一般设备(工艺单元)的评价准则包括用能效率、热力学完善度和能损系数等。

  • (1)设备(工艺单元)用能效率。设备(工艺单元)的用能效率是指有效利用能与总供给能之比。

  • 不考虑虚拟能时有

  • ηe=EefEsup .
    (1)
  • 式中,ηe 为不考虑虚拟能时的用能效率; Eef 为有效利用能,kJ/ h。

  • 考虑虚拟能时有

  • ηem=EefEsup +Einemp +Einemg
    (2)
  • 式中,ηem 为考虑虚拟能时的用能效率。

  • 与一般定义不同的是,式(2)与式(1)不同之处是总供给能包括了实际供给能、环境污染效应虚拟供给能量和考虑温室气体虚拟供给能量。

  • 对于热动力类设备,如加热炉(锅炉)或机泵、压缩机等,有效利用能量即设备内流体经过加热或增压等获得的能量为

  • Eef =Eout ,i-Ein ,i.
    (3)
  • 当图1 所示模型为工艺单元时,有效利用能量除包括式(3)外,还包括内部工艺过程所需的能量,直接计算困难。可通过能损系数计算。

  • (2)设备(工艺单元)热力学完善度。设备(工艺单元)输出的能量之和与输入的能量之和的比值,称为工艺单元(设备)的热力学完善度。

  • 不考虑虚拟能时有

  • εe=Eout,iEin,i+Esup.
    (4)
  • 式中,εe 为不考虑虚拟能时的热力学完善度。

  • 考虑虚拟能时,有

  • εem =Eout ,iEin ,i+Esup +Einemp +Einemg .
    (5)
  • 式中,εem 为考虑虚拟能时的热力学完善度。

  • (3)设备(工艺单元)能损系数。设备(工艺单元)能损系数为损失能量与总供给能之比。

  • 不考虑虚拟能时有

  • ee=Elos/Esup
    (6)
  • 式中,ee 为不考虑虚拟能时的能损系数。

  • 对于式(1)和式(6)有

  • ηe=1-ee.
    (7)
  • 考虑虚拟能时有

  • eem =Elos +Elosemp +Elosemg Esup +Einemp +Einemg
    (8)
  • 式中,eem 为考虑虚拟能时的能损系数。

  • 一般热动力类设备,有效利用能量为流体加热或增压等获得的能量,而对于有些过程工业(如石化、化工、食品、造纸、冶金、制药和建材等)的一些工艺单元有效利用能量难于直接计算,但工艺单元的各项损失却很明确,因此用能效率可通过式(7)计算,类似于加热炉类设备的反平衡。

  • 2.2 系统分析模型

  • 对于多个工艺单元或设备组成的工艺系统,其评价分析模型如图2 所示。

  • 图2 系统通用分析模型

  • Fig.2 General analysis model of system

  • 在图2 所示模型中,数字 1、···、n 代表不同的设备(工艺单元)。

  • 用能系统的评价准则除用能效率、热力学完善度和能损系数外,还应包括一些单耗指标等。

  • (1)系统用能效率。基于图2 模型,不考虑虚拟能时有

  • ηex=EefEsup,i.
    (9)
  • 式中,ηex 为不考虑虚拟能时的系统用能效率; ∑Esup, i 为所有设备(工艺单元)实际供给能量之和,kJ/ h

  • 考虑虚拟能时有

  • ηemx =Eef Esup ,i+Einemp ,i+Einemg ,i.
    (10)
  • 式中,ηemx 为考虑虚拟能时的系统用能效率; ∑Einemp,i 为所有设备(工艺单元)考虑环境污染效应虚拟供给能量之和,kJ/ h; ∑Einemg,i 为所有设备(工艺单元)考虑温室气体虚拟供给能量之和,kJ/ h。

  • (2)系统热力学完善度。根据图2,不考虑虚拟能时计算式为

  • εex=Eout,iEin,i+Esup,i
    (11)
  • 式中,εex 为不考虑虚拟能时的系统热力学完善度。

  • 热力学完善度。考

  • εemx =Eout ,iEin ,i+Esup ,i+Einemp ,i+Einemg ,i.
    (12)
  • 式中,εemx 为考虑虚拟能时的系统热力学完善度。

  • (3)系统能损系数。基于图2,不考虑虚拟能时,计算式为

  • eex=Elos,iEsup,i.
    (13)
  • 式中,eex 为不考虑虚拟能时的系统能损系数。

  • 考虑虚拟能时,计算式为

  • eemx=Elos ,i+Elosemp ,i+Elosemg ,iEsup ,i+Einemp ,i+Einemg ,i.
    (14)
  • 式中,eemx 为考虑虚拟能时的系统能损系数。

  • (4)系统单耗指标。能耗指标是以生产单位产品或创造单位产值所消耗的能源来计算的。本文中所述的用能过程一般指一些能源、化工等动力过程。因此以单位产量定义单耗指标是合理的。

  • 不考虑虚拟能时,实际单位能耗为

  • ρ=Esup ,iM
    (15)
  • 式中,ρ 为实际单位能耗,kJ/ kg; M 为总产量,kg / h。

  • 考虑虚拟能时,虚拟单位能耗为

  • ρem =Esup ,i+Einemp ,i+Einemg ,iM.
    (16)
  • 式中,ρem 为虚拟单位能耗,kJ/ kg。

  • 此外,也可根据用能系统特点,定义一些其他单耗指标。

  • 3 虚拟能计算方法

  • 王志国等[18]对虚拟能的计算给出了一些方法,其中对于能源的附加虚拟能和污染物(废气、废水)处理虚拟能给出了详细方法。

  • 对于排放温室气体的虚拟能计算方法,以二氧化碳排放为例进行计算说明。对二氧化碳而言,一些燃料燃烧过程,马建国[23] 给出碳排放系数( 因子),据此可以计算燃烧过程的排放量,结合碳交易价格和燃料价格、低位发热值等计算出二氧化碳排放虚拟损失能。

  • 3.1 加热炉(锅炉)二氧化碳排放过程虚拟能计算

  • 对加热炉(锅炉)燃烧过程而言,有二氧化碳排放。以燃油锅炉为例,计算排放的二氧化碳虚拟能。对于正常排放水平,碳排放量为

  • Ggh=αhG.
    (17)
  • 式中,Ggh 为温室 CO2 排放量,t / h; αh 为锅炉燃烧过程碳排放系数; G 为燃料耗量,t / h。

  • 结合碳交易价格、燃料价格等可以计算二氧化碳排放虚拟能,有

  • Elosemg =GghpCO2Q1pr.
    (18)
  • 式中,pCO2为二氧化碳交易价格,元/ t; pr为消耗燃料价格,元/ t; Ql 为低位发热量,kJ/ t。

  • βh=pCO2pr,带入式(18),得

  • Elosemg =αhGβhQ1.
    (19)
  • 如果不考虑其他能量时有

  • Esup =GQ1.
    (20)
  • 定义 θh为加热炉虚拟损失能计算系数,即

  • θh=Elosemg Esup .
    (21)
  • 式中,θh 为加热炉输出端虚拟损失能量与供给能量之比。

  • 将式(19)和(20)带入式(21),得

  • θh=αhβh.
    (22)
  • 3.2 机泵类设备供给能的虚拟能计算

  • 对于机泵类消耗电能设备,供给电能的二氧化碳的间接排放计算式为

  • Ggp=αpW.
    (23)
  • 式中,Ggp 为二氧化碳间接排放量,t / h; αp 为间接碳排放系数,t /(kW·h); W 为电机总输入功率,kW。

  • 结合碳交易价格、电价格等,计算二氧化碳排放虚拟能,得

  • Einemg =GgppCO2Qepe.
    (24)
  • 式中,pe 为电单价,元/(kW·h); Qe 为电热转换系数,kJ/(kW·h)。

  • βp=pCO2pe,带入式(24),得

  • Einemg =αpWβpQe.
    (25)
  • 如果不考虑其他输入能量时,有

  • Esup =WQe.
    (26)
  • 定义 θp为机泵虚拟输入能计算系数,即

  • θp=Einemg /Esup .
    (27)
  • 式中,θp 为机泵输入端虚拟输入能量与供给能量之比。

  • 将式(25)和(26)带入式(27),得

  • θp=αpβp.
    (28)
  • 4 原油管道输送场站系统应用

  • 目前国家管网集团油气输送大多采用热泵站形式,典型的外输热泵站由加热炉和机泵等组成。根据国家管网集团研究总院提供的典型的热泵站系统,利用前述方法进行了用能特性分析。这些输送热泵站系统涵盖了东部、中部及西部等地域,具有一定典型性。

  • 4.1 管网外输站典型系统用能分析模型

  • 根据原油管道典型输送工艺、控制方式以及工艺流程等,基于图2 所示通用模型,给出管站系统虚拟能评价分析模型,如图3 所示。设备 1 为加热炉、设备 2 为 1 #泵、设备 3 为 2 #泵。

  • 图3 管网场站典型系统虚拟能分析模型

  • Fig.3 Embodied energy analysis model of typical system of pipeline network station

  • 对于图3 所示的典型工艺模型,一般管站系统采用先加热后增压模式,一般增压采用两台机泵串联形式。

  • 4.2 模型构建

  • 根据原油管网输送工艺流程,结合实际管网运行情况,进行用能评价分析。对图3 而言,机泵主要耗能形式为电能,没有污染物及温室气体排放,因此可以认为输出过程没有虚拟能损失; 但是,供给的电能包含了二氧化碳的间接排放,存在温室气体排放虚拟能。另外图3 中加热炉(锅炉)主要的消耗能源是燃气或油,本文中不计燃料开采及输送等过程附加能耗,即不考虑输入端虚拟能; 但加热炉(锅炉)运行过程中,有污染物(二氧化硫、粉尘等)及温室气体(二氧化碳)等排放,输出端包含虚拟能。

  • 4.3 主要耗能设备用能评价

  • 根据所建模型和相关运行数据,对热泵站中主要耗能设备进行了分析计算。 4 个典型热泵站设备用能评价结果如表1 所示。

  • 根据表1 数据,分析如下:

  • (1)对于 4 台加热炉而言,虚拟能分析效率与实际能量分析效率相比下降 3.8%~3.9%,下降幅度相差不大; 对于 8 台机泵而言,虚拟能分析效率与实际能量分析效率相比下降 3. 0%~4.7%,相差幅度较大;

  • 表1 基于虚拟能模型的系统设备能耗评价

  • Table1 Evaluation and analysis of system equipment energy consumption based on embodied energy model

  • (2)机泵的虚拟效率比加热炉的虚拟效率下降幅度大,主要原因在于,根据目前的能源与碳交易价格,θp 超过 θh 1.5 倍,即机泵的虚拟输入量占比大于加热炉的虚拟损失占比;

  • (3)加热炉的虚拟损失体现在二氧化碳的温室气体排放上,使排放损失增加; 机泵没有物流排放损失,其虚拟能体现在供给电能的二氧化碳间接排放上,反映在供给能量中。

  • 4.4 热泵站系统用能评价

  • 4 个典型热泵站系统用能评价结果如表2 所示。根据表2 数据,分析如下:

  • (1)基于虚拟能方法的效率比实际运行效率下降 1.8%~3.1%;

  • (2)系统的虚拟供给能量占实际供给能量的 0.65%~2.54%,而占机泵供给能量的 4.62%~6.82%,主要在于加热炉负荷占比较大,占比为 62.78%~85.83%; 系统虚拟损失能量与实际损失占比为 13.16%~18.56%,加热炉排放的二氧化碳造成温室气体效应不应忽视;

  • (3)系统与单体设备相比虚拟效率下降幅度有所减少,主要原因在于评价计算时机泵的虚拟能放在了供给项中,加热炉的虚拟能放在了损失项中;

  • (4)4 #热泵站所在区域为中部地区,如果按照东北地区相关系数进行用能分析评价,则计算过程中间接碳排放系数由 5.257×10-4 t /( kW·h)变为 7.769×10-4 t /(kW·h); 系统能损率由 19.90%上升为 22.92%,系统效率由 80.10%下降为 77. 08%,区域不同对系统的用能评价有一定影响。

  • 表2 基于虚拟能模型的系统用能评价

  • Table2 System energy evaluation analysis based on embodied energy model

  • 5 结束语

  • 基于能量利用和环境效应(污染物和温室气体排放等),构建了新的设备(单元)及系统的用能评价分析模型; 给出了加热炉(锅炉)二氧化碳排放和机泵供给电能的虚拟能计算方法; 根据通用的系统分析模型给出了原油管网输送场站典型工艺系统虚拟能分析计算模型,并进行了实际评价分析; 原油管网输送场站系统及主要设备虚拟能效率均有所下降,主要原因在于过程中有虚拟能输入和虚拟能损失。

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