能源优化迈向净零排放——印度的炼油厂正在引领脱碳进程

KBC专家

能源优化迈向净零排放

印度的炼油厂正在引领脱碳进程

Dr. Jagadesh Donepudi, Mayur Talati, Chris Bealing, KBC Advanced Technologies Ltd.

Chemical Industry Digest. September 2022

摘要

尽管向可再生能源、绿色氢能、燃料电池等能源转型的工作仍在进行中，但能源效率的提高和改善始终是切实可行的途径，不仅能提高工厂运营的盈利能力，还能减少温室气体排放。本文将介绍一个全面的能源优化计划，如何实施该计划，以及数字化是如何以可衡量的方式科学地实现并加快该计划的实施。

介绍

印度宣布了应对气候变化的雄心勃勃的计划，这是国际社会对抗全球变暖的一个分水岭时刻。这一举措是对2015年举行的第21届年度缔约方大会（COP21）的回应。在这次会议上，代表们同意将全球变暖限制在2℃，并努力实现净零碳排放。因此，印度的石油和天然气炼油厂正走在转型的道路上，到2070年达到净零排放，其中大多数计划在2035年至2050年之间达到这一目标。这一雄心勃勃的目标将通过运营绩效改进活动和降低资本支出和碳排放的资本投资相结合来实现。

为了实现这一目标，行业领导者正在采取措施，将能源部门过渡到清洁能源经济。根据领先的《温室气体议定书》企业标准，工业排放可以是直接或间接的，并被分为三个不同的范围，如图1所示。范围1和2的排放需要强制报告，而范围3不仅是自愿的，而且难以监测，对社会的负面影响最大。范围1的排放主要来自于加热，通常使用碳氢化合物的燃烧。然而，随着可再生资源的普及，这种关系将被打破，使工艺加热在经济上更加可行。范围2和3的排放是由发电和运输燃料引起的。目前，可再生电力正在取代化石燃料，而低成本的电池存储正威胁着取代液体燃料。总的来说，能源改善可以帮助减少20-30%的温室气体总排放量。

图1. 碳排放的三种类型

现况

目前，印度炼油厂在保持或增加产量的同时，也在关注能源效率。大多数印度炼油厂都开展了基准管理和能源优化研究，每个炼油厂都有一份前瞻性的节能改进清单。尽管它们的起点、成熟度和限制因素各不相同，但共同点都是成为符合企业愿景的第一梯队。然而，很少有炼油厂制定出全面、完整的节能改进路线图。为了减少资本支出，炼油厂需要根据其计划、脱碳战略和预算来规划项目。该战略路线图应进行数字化跟踪，以确保对能源改进计划的实施给予足够的重视。

经过验证的方法

全面的能源项目始于评估，终于可持续的结果。启动能源改进项目的第一步是与炼油厂管理层一起进行能源战略审查。这种重新审查有助于确定实际面临的挑战，并使当前和未来的计划与每项资产的愿景保持一致。通过分析收率、能源和可靠性之间的权衡，讨论将产生重大价值，从而提高需求侧的能源效率。

整体能源项目是一个完全集成的系统，能够管理能源改进的识别、评估、实施和维持的整个生命周期过程。完整的能源项目包括咨询、技术转让、工艺数字孪生、资本项目跟踪、人工智能以及支持战略和组织调整的机器学习。如图2所示，综合能源项目的五（5）个核心组成部分包括 (i)机会识别；(ii)机会评估；(iii)路线图制定；(iv)实施支持；(v)数字能源管理。下文对这些单个要素进行了描述。

机会识别

机会识别首先使用最佳技术方法对工艺装置或炼油厂/石化厂的能源消耗进行量化和比较，以建立能源基准并分析差距。

图 2. 综合能源项目组成

该评估有助于在流程的后续阶段调整预期并设定现实的目标。

对于炼油厂和石化厂来说，对单个工艺进行基础分析和设计研究可获得最佳技术方法。研究表明，新建的工厂可以实现100%的最佳技术能效。这样的工厂具有经济上可接受的能效水平，并由高效的蒸汽和电力系统提供支持。

最佳技术性能基于以下高效特性：

• 燃烧加热器效率高达94%
• R-曲线分析确定所有内部产生的电能都具有最佳的燃料到电能效率
• 所有旋转设备均以高效率运行
• 采用夹点技术设计的换热网络
• 优化的节能工艺配置
• 收率效率
  
  

基准

基准管理是一种有效的工具，用于确定可立即改善能源绩效的领域。由于最佳技术计算考虑了现场特定的能源价格结构和限制，因此可直接显示能源改进潜力和排放减少量。

基准管理首先要为炼油厂的能源优化研究建立能源基线。对前三个月的现场运行数据进行筛选，以确定实现稳定运行的时间（通常为2-5天）。这段时间以及由此产生的现场能源消耗被视为后续研究的能源基准。

根据能耗基准和夹点分析，使用模拟软件构建现场实用模型。在截止日期后对工厂进行的任何改动都将单独考虑，并从能源基准中排除。同样，所有确定的节能机会都根据能源基准进行比较和评估。

差距分析

最佳技术分析是差距分析的基础，差距分析确定了四个需要改进的领域，具体为：1）燃烧加热器效率；2）热集成效率；3）发电效率；4）工艺配置。这四个方面分别描述如下。

燃烧加热器效率——使用专有的燃烧加热器模型，将所有炉子和锅炉的实际性能与最佳实践进行比较。根据分析结果，提出了改进操作的建议，并适当地提出了提高燃烧加热器能效的投资项目。

热集成有效性——基于对现场各工艺装置当前热集成水平的冷眼审查，根据需要对现有的夹点分析模型进行审查或开发。

发电效率——使用模拟软件对公用工程系统的效率进行分析。该模型检查蒸汽、燃料和电力系统，其中热平衡作为每个工艺装置的输入。对结果进行评估，以确定额外发电的潜力并优化蒸汽供应。

工艺配置——评审会议期间进行工艺流程图（PFD）评审。PFD审查注意工艺装置的预期变化，如装置改造。这些改进机会包括从操作调整到需要资本支出的短期和长期改造项目。该清单基于从PFD审查、基准和差距分析任务、CDU/VDU/SGU装置的模拟和夹点分析以及设备能源审计中收集的结果。

机会评估

每个机会都需要进行详细分析，以评估与成本、效益和相关风险有关的关键指标。该评估包括以下内容：

• 对工艺装置内设备和系统的影响
• 根据现场能源平衡计算经济性
• 估计资本成本
• 操作状况（复杂性、系统间的相互作用、控制、可靠性）
• 实施问题（如工厂停工）的状况
  
  

路线图开发

一个成功的能源管理项目需要几个影响投资回收期和投资回报率的决策。图3解释了能源战略路线图的制定过程，该路线图根据项目的吸引力对所有未来项目进行排序，并与现场的电力和蒸汽平衡保持一致。

图 3. 路线图实例

实施支持

能源路线图跟踪从启动到完成的所有项目活动：

• 支持现场试运行，以验证建议的操作和快赢改进措施
• 为资本项目进入基础工程阶段提供投入
  
  

总之，项目的成功取决于在实施阶段将想法转化为效益的能力。

数字化能源管理

为了保持价值，需要实施全面的数字化能源管理系统，利用新一代气体燃烧测量、现代控制技术和炉子优化来详细说明燃烧情况并提高燃烧加热器的性能。

数字化能源管理系统旨在为从操作人员到高层管理人员的各级组织提供必要的信息、分析工具和实施流程。这种方法使主要利益相关者能够集中精力实现脱碳和能源再利用目标，同时节约资金。这些系统可自动生成创意、实现成果和可持续性。

将实时数据与单一资产范围内的数字孪生和分析功能相结合，可自动识别机会并缩小绩效差距。这种分析适用于整个公用工程系统和生产装置。通过准确的预测，运营商可以跟踪计划资本项目的效果，从而在整个实施周期内更快地做出有关资本分配的明智决策。

图 4. 数字化能源管理系统

数字化能源管理系统有三个基本的高层次需求：如图4所示，可视化、分析和实现。系统的有效性取决于后台的数据和技术。

可视化 监控工艺装置和炼油厂基础设施的能源绩效，以确定需要改进的领域。

分析 计算工艺装置和现场公用工程系统中损失的机会。该子系统使用货币价值对改进机会进行优先排序，并揭示实现目标的最佳途径。

实现 跟踪资本项目、创建路线图、安装先进的过程控制系统和其他必要的闭环系统，以实施改进措施并保持最佳能效。

价值主张

资产所有者通常知道改进机会在哪里，但缺乏一个全面的解决方案来跟踪和持续评估这些机会。因此，数字化能源管理系统的价值在于它能够通过加速效益实现、持续逐年改善和提高人类生产力来推动更好更快的决策。

通常情况下，现场会按顺序进行能源研究。首先是确定基线。然后审查筛选方案。其次是对选择方案进行评估。最后是设计系统。数字能源管理系统的一个关键组成部分是能够实时跟踪能源改进机会，包括运营变化和资本投资项目。这对于单个项目和整个节能路线图来说同样重要。因此，可以向企业提供关键数据，例如滚动平均投资回收期，并确定每个机会的项目投资回收期有何不同。

通常情况下，向工艺装置供应能源的方式非常复杂，整个公用工程系统中存在许多层级和变量。公用工程价格的变化也是一个关键因素，需要不断改变运营策略。收益取决于系统的灵活程度，但通常可持续实现超过4%的能源成本。在业绩最好的平均规模炼油厂，预计每年可实现1000万美元的收益。其他改进措施及相关价值见表1。

实时能源管理解决方案集成了数据、分析和业务智能，有助于推动和执行能源效率、能源管理和能源成本降低计划。为保持性能水平，必须对能源系统进行持续监控和管理，以确保能源可用性并将能源损耗降至最低。实现这一目标的关键在于根据实时数据不断调整操作和设备，使其保持在预定范围内。

表1. 价值实现

案例研究

最近，一家在全球拥有多个炼油资产的国际石油公司实施了一项能源改进计划。总部能源团队需要采用一致的方法进行能源改进，并能够在减少工作量的情况下保持能源绩效。他们还需要一个能源管理系统来帮助他们从公司预算中有效地调配资金。

项目第一阶段的重点是数字化能源管理系统，对两个不同炼油厂的两个工艺装置进行可视化分析。两套工艺装置的数字孪生系统已经建成并与数据连接，使公司团队和现场团队都能看到其性能。因此，该公司能够实时了解装置、系统和设备层面的当前能源差距。为了做出正确的决策，该团队确定并优先考虑各种机会，以减少资本支出，并实时自动计算效益。如图5所示，该项目实现后，预计每年可持续降低成本1亿美元，每年可节约二氧化碳1.0百万吨。

结论

能源行业正在经历一个重大的演变，因为它正在向净零排放迈进。为了实现这一变化，我们实施了一个全面的数字能源管理解决方案，该方案基于实时数据来维持性能。该能源系统将校核的数据与脱碳机会和先进的过程控制系统相结合。此外，它提供了一个端到端的解决方案，包括基准测试、差距分析、机会识别、路线图制定、实施支持和数字能源管理工具，如数字孪生和能源监控软件。通过在数据收集、数据处理、数据分析、数据校核和优化方面的综合解决方案，企业可以有效地管理其能源和环境影响，同时为利益相关者提供价值。

半吊子攻城狮

楼主太厉害了！楼主，I*老*虎*U！我觉得马后炮化工真是个好地方！

liangda6

论坛不能没有像楼主这样的人才啊！我会一直支持马后炮化工。