化工双碳之四：低成本的化工节能金字塔模型

我也介绍了一种适合技术先进化工企业的化工装置能效检查和节能洋葱头模型。

那对大多数技术水平中等的企业，有没有一种成本低、见效快的企业节能减碳方法呢？显然，方法也是有的。将上面两种方法综合一下，我提出“化工企业能源管理金字塔”模型，该金字塔模型包含了5个层级：精益管理、设备维护、自动控制，参数优化、技改。

该模型由下向上，实施的成本从少花钱到多花钱，实施难度由易到难。其中下面四个层级的节能优化方法，在极少资金的投入下，可以实现5-15%的能源降本。显然，原先能源管理和使用越粗放的企业，能源节降空间潜力就越大。

图3. 化工企业能源管理金字塔

一、精益管理层级

化工企业精益管理不能套用传统精益思想，传统精益思想的价值、价值流、流动、拉动等概念已经融入到设计过程中，生产操作中无需再言。

化工精益可以借鉴丰田生产方式TPS，化工生产中精益管理中的重要模块包含标准化操作SOP、全员设备维护TPM、现场5S、消除浪费、对标管理、问题解决、自主改善等。前文已介绍过消除能源八大浪费模块，本文不再进行介绍。全员设备维护模块，对全厂能源效率影响很大，我将这个模块独立出来，成为第二层级“设备维护”。

 

图4. 化工能源管理中的精益管理方法

标准化操作：包含按照工艺卡片要求使得工艺参数运行在标准范围内（先不考虑工艺卡片上的参数范围是否是最优）、开停车操作顺序、故障以及异常处理方法等，即操作人员以及管理人员要按照操作法以及标准规程运行。平时日常管理上，需要编制操作规程、岗位技能矩阵、技能培训等。

对标管理：即有不同能源管理层级（重点能耗设备、车间、装置工厂）的能源单耗KPI，每日统计并对标。对照能源单耗KPI的基线，及时发现能源消耗与偏差，形成异常问题。对标管理以及能源单耗KPI必须为不同能源管理层级的对象合理配备能源计量仪表，包括电表、蒸汽流量计等。记住六西格玛中的一句经典：没有测量，就没有改善（no measurement , no improvement)。另外，能源绩效对标管理最好有能源管理信息化系统EMS（Energy Management System）作为辅助，这样可以减少大量的数据采集以及统计工作，让能源管理工程师或生产管理人员集中精力在发现能源异常以及处理能源异常上。

问题解决：识别出能源消耗异常后，就要形成一个待解决的生产问题，在问题看板上列出该问题、责任人以及处理时限。问题解决的关键是基于问题树的根因分析（RCA,root cause analysis），通过问题树分析或鱼骨图分析，从人机料法环测（5M1E）6个维度，列出所有可能原因，再结合实际现象和数据，运用反向排除以及正向推导两种方法，识别出最可能的原因，制定相应的行动方案以及各行动的责任人。例如，通过数据统计发现冷水机的COP值（=制冷负荷kW/电功率kw）异常低于基线，展开问题树分析，如下图。可能是机--冷凝器或者蒸发器结垢、料--制冷剂不足、环--环境温度过高导致冷却水温度过高等。

 

二、设备维护层级

设备维护不足，是导致设备性能下降是高能耗设备能源效率下降的主要原因，尤其机泵、空压机、制冷机、换热器以及精馏塔等设备。

如何检查以及维护这些化工装置常见能耗设备的方法，可以参考《Managing CO2 Emissions in the Chemical Industry》（WILEY-VCH，2010年）一书第8章“8 Energy Efficient Equipment”。

我特别要强调的就是换热器结垢导致的设备能源效率降低。如果是工艺冷热流股间的换热器（例如吸收塔与解析塔塔底富液与贫液间的换热器、精馏塔塔底液与进料间的换热器、各种省煤器等）换热效率下降，则工艺废热无法得到充分利用，公用工程的加热介质以及冷却介质必然同时增加；制冷机的核心部件便是冷凝器与蒸发器，任何一个换热器结垢严重，都会导致压缩机做功增大。换热器结垢经常是由于冷却循环水水质管理不善导致，所以加强冷却循环水水质监测与处理极大影响到设备能源效率。

三、自动控制层级

化工过程自动控制不仅可以减少操作员操作工作量；更重要的是，自动控制带来生产设备与工艺参数稳定，稳定进一步带来质量提升、安全提升以及能源效率提升。

所以，自动控制是能源管理以及能源效率提升的一个重要环节。现在大家都知道，复杂精馏塔APC可以带来卡边操作，而卡边操作就是消除质量过程（八大浪费中的“过度处理”），可以显著降低精馏塔的蒸汽消耗。如果在自控项目实施之前，评估自控稳定带来的经济效益，需要利用统计方法，以后介绍这个经济效益评估方法。

下面是一台制冷机，由于冷却循环水水温控制回路（调整风机频率）PID参数没有整定好，导致冷却水水温周期性震荡，从而导致冷水机内所有重要参数（压缩机电流、冷凝器内压力等）跟随周期性震荡，如下图所示。

根据Lambda整定法整定风机变频器PID参数后，运行非常稳定。冷水机日电耗相对原先减少3-4%。

参考： 过程控制之: 读《PID参数整定与复杂控制》

四、参数优化层级

当通过自动控制使得工艺参数稳定后，就可以通过工艺模拟以及操作调优来进一步优化控制回路的设定值。典型的便是精馏塔以及反应器的工艺参数，例如调整诸如精馏塔的回流比、压力水平、温度，以及反应系统的溶剂浓度、反应物过量比、循环和放空比操作参数。注意，这里调整工艺参数与精益管理中的标准化操作并不矛盾，操作标准应该根据积累的经验与工艺优化最新成果定期审核与更新，实现PDCA循环与持续改进。

这里要提到实时优化系统RTO, 我的观点是绝大部分化工装置（非炼油装置）的主工艺部分没有必要做实时优化，建立RTO系统付出的代价可能得不偿失。我赞同每半年或一年做一次离线优化，调整一下工艺参数。另外，我也赞同对公用工程系统进行实时优化，尤其是冷水系统，包括冷却循环系统以及冷冻循环水系统，它们均可以根据天气的温湿度进行调整优化，可实现15-20%电耗降低。

参看：化工装置实时优化系统值不值得？（1）化工装置实时优化系统值不值得？（2，终）

五、技改层级

前面四个层级的能效优化与节能措施几乎都不需要投资或少量投资，可以实现5-15%的能源消耗与成本节降。

如果要进一步降低能源消耗，必须进行技改，仍有10-20%的节能潜力。化工企业节能技改主要集中在两个领域：蒸汽系统，电机系统。尤其是蒸汽系统优化改造，这是化工装置节能，相对其他行业节能的最有特色的部分。今后将详细介绍化工装置蒸汽系统节能的系统化路径。

六、结论

化工企业不能一提到节能，就想到花钱去做技改项目。在不花钱、花小钱的基础上，运用精益管理、设备维护、自动控制以及参数优化，就能实现5-15%的能源消耗节降。这些措施，即提高生产操作与管理水平，又降低了能源消耗与碳排放，还为降低生产成本增加企业利润，何乐而不为？

化工企业能源管理金字塔模型是一种经济实用的能源管理方法。