碳中和及碳达峰背景下石化企业用能趋势分析

李 君，时振堂，张洪阳，李红叶，王鹏凯

（中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院，辽宁 大连 116000）

截至2020年我国一次能源消费中非化石能源约为15%，风能、太阳能的发电装机容量达到530 GW，占总发电设备容量的24%[1-2]。2020年9月，习近平主席在联合国大会上做出了碳达峰、碳中和的承诺。同年12月，习主席在气候雄心峰会上宣布，到2030年我国一次能源消费中非化石能源达到25%，风电、太阳能总装机超过12亿千瓦。至2030年的10年间，非化石能源消费要增加10%，风、光新能源需增加670 GW，任务艰巨。中国石化作为清洁能源提供者，消费侧常规能源占比仍旧较高，因此在碳达峰、碳中和背景下，增加新能源比例、推进能源结构多元化，建设绿色供能系统，助推新能源发展义不容辞。

为落实碳达峰、碳中和指标，各个部委、各省密集下发文件，提供政策支持，各企业研究路线图，制定实施方案。2021年1月，生态环境部印发了指导意见，提出了应对气候变化与生态环境保护工作原则及目标[3]。2021年2月，山东省制定能源工作指导意见，到2021年清洁能源装机达52 GW，控制煤电装机在100 GW[4]。能源企业也积极响应节能减排政策，纷纷构建与碳达峰、碳中和相适应的能源体系。大唐集团党组副书记时家林指出，应打破行业壁垒，构建“发输储用”现代能源体系[5]。国家电网董事长辛保安指出，国家电网将从平台建设、能源服务、方案提供三方面开展工作，促进能源低碳化转型[6]。中国石化董事长张玉卓签署《中国石油和化学工业碳达峰与碳中和宣言》，并表示企业已开展碧水蓝天计划和绿色企业行动计划和相关课题研究，计划建设碳捕集等示范项目[7]。

1 石化企业供能方式

石化企业在抽油提升、注采加热、催化裂解、气液输送过程中都会用到热、电、气等多种能源，目前一般采用热电联产方式。机组以汽定电保证蒸汽平衡，热电联产效率达到65%～70%，高于公用电厂纯凝机组30%左右。石化企业部分生产装置消耗蒸汽，部分自产蒸汽，不足蒸汽由热电机组补充，蒸汽自产自用提高了装置能耗水平。中国石化2019年公布数据，热电厂供热与发电能量之比为2.8∶1，热电厂的主要功能是供热[8]。热电联产机组，与生产、消耗蒸汽工艺装置一体化运行，对于石化企业来说是效率最高的方式，但不符合低碳发展的潮流。除了绿色电能替代，还涉及到工艺流程调整，是全厂优化的系统问题，企业用能绿色化转变势在必行。

2 石化企业火电机组退役及转型压力

随着我国经济的发展，火电也经历了由不足到过剩的过程。20世纪80年代政策鼓励多家办电、多渠道办电，企业自备电厂缓解了供用电矛盾。近年来，火电环保问题不断凸显，火电利用小时不断降低，国家出台了一系列限制措施，石化企业热电机组也在限制范围内。2020年全国6 000 kW以上火电利用小时数降低到4 216 h[2]，同比降低92 h，是火电过剩的缩影。国家能源局《关于加强发电企业许可监督管理有关事项的通知》，对发电机延寿提出了更高的要求。国家发展改革委、国家能源局《关于深入推进供给侧结构性改革 进一步淘汰煤电落后产能 促进煤电行业优化升级的意见》不允许重点区域建设火电机组。

由于产能过剩和环保压力，中国石化东部企业燃煤机组延寿困难。如江苏能监办注销扬子石化4台机组和仪征化纤4台机组，山东能监办注销齐鲁石化1号机组。山东能监办同意胜利油田1号机组、2号机组延续运行，是少量延寿成功的案例。中国石化东部企业新增燃煤机组困难，网供电比例增加。燕山石化网供电超过80%，越来越多的城市炼厂外电网成为主力电源点。西部企业新增燃煤机组大型化，单机普遍达到或超过100 MW，停运检修安排困难。中天合创能源有限责任公司，热电装置已投运2台135 MW抽凝式机组，1台机组检修，全厂热平衡调整较大。

未来火电机组电源地位不断弱化，更多转变为灵活调节电源，解决电网中新能源接入和消纳问题。长期来看，因生存压力，石化企业热电机组会更多参与电网辅助服务，面临深度调峰压力。石化企业供能可靠性要求高，供热需求多于供电需求，热电耦合严重，深度调峰压力较大。因此热电机组选择合理的灵活性改造路线，成为下一阶段重点攻关的问题。

3 企业用能转型升级路径

3.1 油田能源互联技术

能源互联技术不断进步。2007年瑞士苏黎世联邦理工学院提出了能量枢纽概念，通过能源输入、输出矩阵表示电、热、气多种能源的转变换，成为多能源分析的工具。2011年，美国学者杰里米·里夫金提出能源互联网概念，认为可再生能源与互联网技术是核心[9]。能源互联网定义包括两类，一类以智能电网为基础，一类以电、气、热等多能流为基础[10]，石化企业一般采用第二类定义。

多能流计算方法中，基于简化模型多能流计算方法，基于复杂多能流模型的有限元计算方法取得一定进展[11]。近年来，孙宏斌提出了统一能路理论[12-13]、康重庆提出了广义电路分析理论[14-15]、陈群使用火积理论进行多能源建模[16]，陈皓勇提出了能量网络理论[17-18]，贾宏杰提出全能流模型[19]，为多能流统一分析、计算开创了新的思路。多能源系统潮流分析是复杂功能计算的基础，统一求解法和解耦求解法取得一定进展[20]，最优潮流计算的线性化法和人工智能算法发展很快[21]，基于潮流的规划及调度率先进入工业应用[22]。目前进入实用化的多能流暂态计算，认为电力已经稳定，考虑天然气简化网络模型、蒸汽半动态过程，多能流全动态建模难度较大[23]。

相对于传统的电力系统，油田能源互联网系统中的网络模型和设备模型涵盖面更广、模型更为复杂。油田企业包括电、气、热、油网络模型，电热锅炉、燃气锅炉、热电联产机组、燃气轮机等设备。新能源机组包括大型集中式光伏电站、井场分布式光储系统、井场分布式风电系统、交直流微网系统等。

中国石化胜利油田完成了油田能源互联关键技术开发示范课题，中国石油大港油田开展了能源综合利用研究，中国石化大连院、中国石油大学华东等开展了油田能源互联建模、优化运行等工作。胜利孤东油区在运80MW光伏示范项目，是中国石化首个大型光伏示范装置。胜利现河采油厂王岗联合站分布式光伏发电项目，大发时除为联合站供能，还可以为其他注水站、油井供电。

3.2 炼化智慧能源技术

2015年发布的《国务院关于积极推进“互联网＋”行动的指导意见》文件中，“互联网＋”智慧能源是重要内容之一。智慧能源实现多种能源物理上的连接与互通，是多能耦合系统。构建智慧能源系统，考虑多种能源在耦合状态下的协同效应，可以实现能源转换高效利用，提高能源供给可靠性[24]。

炼化、发电、冶金等流程行业企业已经开展了智能化工作，为智慧能源研究打下了基础。覃伟中介绍了生产运行信息化子系统的最新进展，以及在九江石化智能工厂的运行情况，认为要利用信息化手段整合升级现有系统，建设计划优化与操作执行集成的智能炼化系统[25]。吴青认为智慧炼化是智能化建设的目标，数字炼化是智能炼化的前提，并以中海炼化为例介绍了智慧系统顶层设计和专题设计的实现方法[26]。刘吉臻院士提出了智能发电的概念，认为其具有自学习、自适应等智慧特征；认为智能电厂的科学问题包括复杂系统多目标优化、基于智能算法的电站设备优化、自组织一体化管控问题[27]。李文介绍了基于CPS的智能发电基本特点，体系结构，信息获取方面，采用智能前端获取海量信息，提高现场节点智能化水平；采用软件定义设备（SDE）和软件定义系统（SDS）的模式，提高了传统DCS/SIS系统灵活性；采用云平台系统，提高了管控一体化水平[28]。张琦介绍了钢铁企业智慧能源开发现状及远景，钢铁企业正在构建以物质流、能量流、价值流和系统运行状态为核心的工艺与能源运行体系，利用多能源优化调度降低了总运行成本，并进行了碳排放优化的探索[29]。郝飞阐述了一体化协同管控、知识性调度管控、多能源介质优化是冶金企业智慧能源系统发展方向，介绍了某钢铁企业利用能源优化导航方法实现煤气、蒸汽、电力等优化调配的案例[30]。

石化企业智慧能源系统是智慧炼化或智慧油田的组成部分，是石化企业生产过程绿色化的重要支撑。石化企业用能主要为热力、电气、天然气系统，重点为电–热系统，热能在系统中起主要作用。石化智慧能源系统，在考虑装置能耗、安全性、可操作性基础上，挖掘不同能源间的替换潜力，采用多目标优化，实现能效提升。智慧能源可以提高系统可靠性，外部供电系统发生故障，形成企业孤网时，可以调整热能负荷，调整锅炉出力，达到电力系统平衡。生产供能装置出现故障时，电制热、电制氢等装置，可以实现能源间转化，提升能源供应可靠性。智能传感器、智能电表不断完善，采集能源生产、消耗全过程的数据，为构建数字孪生系统打下基础，最终实现石化智慧能源信息物理系统提供保证。

3.3 节能第五能源

节能被称为和煤、石油、天然气、电并列的“第五能源”。张玉卓董事长指出，中国石化既是能源生产大户，也是能源消耗大户，必须用好节能这个“第五能源”，不仅在能源供给侧走在前列，也要在能源消费革命中作出表率。中国石化在企业及科研单位开展“绿色企业行动计划”，贯彻了“奉献清洁能源，践行绿色发展”的理念。

石化企业节能减排，需要工艺改造、升级、优化，同时需要过程系统工程、信息、优化等技术支撑。袁晴棠院士介绍了石油石化产业绿色低碳趋势，介绍了埃克森美孚公司低碳模式，BP公司工厂能效优化方案，中国石化绿色低碳发展理念，提出了产业结构调整、节能减排、技术创新、生态文明建设、煤炭清洁利用、低碳发展等一系列前瞻理念[31]。王基铭院士介绍了过程系统工程技术在中国石化节能减排中的应用，炼化领域计划优化、流程模拟、先进控制等提高了节能水平，油田领域机采系统人工智能改造、网电钻井、注水效率提升等降低油田能耗6.1%[32]。李德芳分析了信息技术在石化节能中的应用，介绍了石化企业能源管理系统在计划、运行、优化、统计上的功能。实验系统采用4层工厂模型，对动力、管网、产能进行优化，在扬子石化实现了能耗整体监控、在线优化功能，每小时节约6 894元[33]。陈希章系统梳理了石化企业系统节能方法，回收不同品味热能，可以减少热电消耗；石化工业园上下游装置、物流运输、公用工程、环保治理一体化布局，降低输送损耗；水系统选择高效输送设备，提高重复利用率，降低能耗，节约资源；电力系统优化改造，选择高效传动、照明设备，降低电能损失；热力系统采用热–电联产、燃气–蒸汽联合循环、高效锅炉、管网改造等，提高用能效率[34]。尹兆林按照过程系统三环节理论，对茂名石化用能进行了诊断，采取了常减压装置热联合优化、柴油加氢余热利用、原油罐区伴热、再沸炉蒸汽替代等措施提高了能效近10%[35]。赵勇将㶲损分析方法应用在母管制机组能效优化中，认为装备型号和容量差异大、设备相互关联度高、热用户需求波动大是影响效率的主要原因，某电厂采用进汽顺序阀改造、供水系统改造、余热回收优化、热负荷分配优化等方式，发电煤耗降低18～21 g/（kW·h）[36]。

工艺优化是节能的有效途径，武汉石化引入武钢富余氮气，停掉空分装置每年可节电2 000万kW·h，管道储运公司利用周边热电和炼厂余热蒸汽加热原油，节约成本近400万元。热力系统改造是节能的重要方面，茂名石化应用余热发电余热回收利用，停运6台空冷；广州石化蒸汽乏汽回收，节约低加蒸汽2.1 t/h；齐鲁石化进气顺序阀改造，减少标煤耗5.6 g/（kW·h）。电气化可起到节能和环保的双重效果，西北油田推进电能替代改造，注气、网钻、修井、泵车等工程电气化接入率100%。石化企业利用新能源降低化石能源消耗，油品销售华南分公司、安徽石油分公司完成光伏装机超2 000 kW，完成58座加油站新能源接入；中原油田地热供暖面积达104万平方米，为4个社区提供地热服务。

4 总结及展望

概述了石化企业热电联产的供能特点，用热大于用电的耗能情况，以及在全国煤电产能过剩的背景下，石化热电机组的发展困局。能源转型升级路径方面，油田企业可采用能源互联技术，构建以新能源为核心的多能互补、绿色高效能源系统；炼化企业可采用人工智能技术，打造多能耦合、协同优化的智慧能源系统；节能是第五能源，贯彻在发、输、用的全链条中。