化工双碳之二：国际化工公司的减碳经验（3）

四、工具：节能措施组合矩阵图

将化工节能洋葱头模型应用于一个化工装置后，通常可以产生30到50个节能措施（idea）。这些节能点子只是一个粗略的想法，距离成为项目来实施执行还很远。还需要改进措施的评估（evaluation）阶段，对每个措施进行详细的技术可行分析以及经济可行性分析，评估阶段的一个重要工具便是节能项目组合矩阵图（energy savings portfolio），如下图所示。

节能项目组合矩阵图是一种工具，用于评估、比较和优先排序节能项目的潜在措施，它从两个维度对每个节能点子进行打分：

1.技术可行性：这是一个定性指标，通过项目团队（包括顾问、工厂经理或操作员和单元操作专家）的讨论，给每个措施分配一个从1（不可行）到10（可行）的评分。

2.经济可行性：即盈利能力，这是一个定量指标，通常用“投资回报率”（ROI）来衡量。ROI是实施措施所需投资与通过该措施节省的能源收益的比率。ROI的计算结果会与客户设定的目标ROI进行比较，以确定措施是否盈利。

节能项目组合矩阵图采用气泡图的形式图形化展示，x轴代表技术可行性，y轴代表盈利能力（以ROI的倒数表示）。每个气泡代表一个节能措施，气泡位置代表技术可行性与盈利能力；气泡大小代表节能收益大小，气泡越大，收益越大；颜色表示能源类型（例如蒸汽、电力、冷却剂和气体）。根据技术可行性和经济可行性，所有节能点子被分为五个类别：

A措施：技术可行且盈利，具有高优先级实现。

B措施：可能可行且盈利，需要进一步的调查和评估。

C1措施：盈利但目前不可行或不成熟，技术进步可能提高其可行性。

C2措施：技术可行但目前不盈利，能源价格或投资政策的变化可能使其未来盈利。

C3措施：既不可盈利也不可实现。

节能措施组合矩阵图提供了一个清晰的视图，可以用于对措施进行优先排序，帮助各利益相关方措施讨论优先级，帮助公司管理层决策项目立项，确定哪些措施应该首先实施，有限的项目资金应该投入到哪些节能措施和项目中。

在实践中，经济可行性比技术可行性更难评估。技术可行性可以找乙方和技术专家咨询，但是经济可行性需要能效专家自己去算。化工里面的经济可行性计算，大部分是与物料平衡与能量平衡相关，所以节能效益的计算一般由化工工艺专家负责。不会计算效益，是因为不会算物料平衡与能源平衡。涉及到装置改造的节能项目措施，通常由工艺技术部门或者工程部门牵头，做好可行性研究，包含工艺参数变化、节能收益、设备结构与选型、投资额估算等工作。

很多节能项目反反复复讨论，公司领导一直没有决定，就是因为钱没有算清楚。

节能措施评估阶段的另外一个交付物就是节能措施汇总表，这个汇总表包含了所有节能措施的评估结果。汇总表不仅要记录A类措施，也要完整记录B或者C类措施。这个汇总表应该每2到3年重新检查一次：一是确定A类措施的实施执行情况；二是调整类别，随着技术进步以及能源价格变化，措施的分类可能会发生变化，例如动力煤价格提高后，蒸汽成本提高，项目收益也变大，盈利性将提高，原先C2类措施变成了A类措施。

五、工具：能源损失阶梯图

随着工业互联网以及工厂数字化的发展，很多化工企业上了智慧能源管理系统（Energy Management System,EMS)，但是很多企业的EMS只是自动能源统计表的作用，可以每天或者每月自动产生能源消耗统计表。但统计本身并不能节能，最多能提醒生产部门注意能源消耗。

要使EMS这些信息化系统发挥效力，除了统计当前的能源消耗以外，还需知道当前工况下的能耗基准，装置的能效目标。这就用到能源损失阶梯图Energy Loss Cascade，如下图所示。

 

图：能源损失阶梯图（图片来源：文献STRUCTese? – Energy efficiency management for the process industry）

这个图很难理解，我第一次看到这个图也是花了不少时间去理解其中的细节。我将上图翻译和简化后，如下图所示：

   图：能源损失阶梯图（翻译版）

“能源损失阶梯图”是化工装置能效管理的一个可视化分析工具，用于帮助企业系统化地识别和量化能源使用中的损失，精确地确定能源损失发生的位置和类型。能源损失阶梯图采用瀑布图（Waterfall Chart）形式，它的纵坐标为能源单耗，即每吨产品的标煤耗（=装置小时总标煤耗/产品小时产量），横坐标为能量损失类别。

能量损失包含三个大类：

操作能效损失：包含操作参数不当以及设备维护不到位导致的操作优化能效损失，以及装置低负荷运行低负荷能效损失。通过理想操作，可以达到操作最佳能效。

装置能效损失：即节能措施中需要通过技改实现的节能潜力，可分为小型投资和大型投资两个子类。如果这些投资项目完成，便可以达到装置最佳能效。

 

工艺理论损失：经过改造后的当前装置能效水平与该产品全球最先进的工艺路线以及能源供应路线相比较的差距，包括最佳化学工艺路线，以及最佳基础能源供应两个子类。

能源损失阶梯图清晰显示了当前实际能效与三种最佳能效（操作最佳、装置最佳、理论最佳）之间的差距。理论最佳只有在建设新装置时才予以考虑，现有工厂生产部门应该以操作最佳为目标，工程以及工艺部门应该以装置最佳为目标。

能源损失阶梯图里面如何确定操作最佳？操作最佳的标准或基线是什么？这里假设已经完成了所有工艺参数设定值的优化，只考虑参数波动以及导致的能效损失。衡量最佳操作能效需要用到另外一个工具：BDP曲线。BDP代表Best Demonstrated Practice（最佳展示实践），如下图所示：

 

BDP可以以一个工艺单元（例如一座精馏塔）、一个工艺工段、一个工厂为应用对象，展示不同尺度的最佳操作能效。这里以一座精馏塔为应用对象来解释BDP曲线的制作与使用。BDP曲线是一个散点图，横坐标为负荷率（=实际负荷/设计负荷），纵坐标为实际能源单耗（=塔釜蒸汽流量/塔进料流量），每个散点代表一个采样，通常从历史数据库中获取过去一年（或者上一个年度）的历史数据点（可以取每小时平均数）。显然，装置或者单元负荷越高，单耗越低。但是即使同一个负荷条件下，由于参数波动、设备性能变化、物料成分的波动，各个采样点的能源单耗（即纵坐标）也不一样。所以每个负荷下，能源单耗处于一个区间。根据一个统计标准（例如下四分之一分位），取各个负荷下的某个能源单耗做BDP，将各个负荷下的BPD点连接起来就是BDP曲线。通常可以对这些BDP点采用最小二乘回归，从而得到一条光滑的BPD曲线，即图中的红色曲线。

将当前的能源单耗与当前负荷下的BPD比较，这个差便是非理想操作能效损失（subopitimal operation loss）；当前负荷下BDP与最大负荷下的BPD（即图中的绿线）之间差值，便是低负荷损失（Partial load loss）。

基于BPD曲线，可以将各个负荷下的能源单耗分为几个区间：绿色、黄色以及红色，以此为标准，建立起能效报警仪表板。只有这样有基准、有报警、区分能效损失原因的能源监控系统才有管理意义，才能促进能源管理的持续改进。

能源损失阶梯图帮助企业识别节能机会，确定当前的能效位置，明确当前水平与各类最佳水平的差距。这是一种系统化的能源管理工具与管理方法，帮助企业识别能源损失，设定改进目标，并持续追求更高的能源效率和减少温室气体排放。

在我离开B公司后，只在一家公司见过基于BDP的能源损失曲线的实时能源监控系统，让我佩服。

六、结论

化工企业的低碳绿色发展、能效提升，需要有系统化、结构化的工具和方法，国际化工公司的实践经验、工具、方法和路径为中国化工企业提供极佳的参考。化工企业低碳发展既要考虑技术可行性，也要考虑经济可行性；在日常生产，既要有技术手段，也要有管理手段，低碳发展以及提高能源效率才有可持续性。

（全文完）

说明：本文基于公开发表的文献与书籍总结，主要有WILEY-VCH于2010年出版的书籍《Managing CO2 Emissions in the Chemical Industry》以及2013年在化工期刊CE&P上发表的论文《STRUCTese? – Energy efficiency management for the process industry》，文中不再一一说明。