双碳战略下的石化行业转动设备发展探讨

王存智，赵天雷

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

1 引言

2020年 9 月 22 日，在第 75 届联合国大会一般性辩论上，国家主席习近平向全世界宣布，将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和[1]。

石化行业是温室气体重点排放行业，“双碳”目标的提出加速了石化行业转型，石化行业面临发展和减排的双重挑战[2]。炼油能力结构性过剩、高端炼化产品需求加大、新增产能不断释放、炼化新技术快速迭代，石化行业进入整合转型升级期，向绿色、低碳、洁净、多元化深度蜕变，流程智能化、管理数字化、资源集约化、产品高端化成为转型升级的主要趋势。

2 行业进入整合关键期和深度蜕变期

2.1 炼化结构调整催生“新局势”

2022年中国炼油总能力达到9.37 亿t/a，保持世界首位[3]，炼油能力过剩的矛盾进一步突出；2022年中国的乙烯产能(4933万t/a)，跃居全球乙烯第一生产大国[4]，我国三大高分子材料(合成树脂、合成纤维、合成橡胶)的产能、产量和消费量均居世界第一。

随着“十四五”的到来，炼化行业迎来新一轮的大变局，国务院下发的《2030年前碳达峰行动方案》，指出2025年，将国内原油一次加工能力控制在10亿吨以内。据预测，2025年乙烯产量约为5670×104t，当量消费量为7512万吨，当量自给率达到76%[5]。对于高分子材料，我国的技术研究与开发的投入不足，缺少原创性，开发中重生产工艺、缺少产品开发

2.2 炼化深度一体化成为“新形势”

炼化一体化是大炼化企业转型升级的最大优势和主要方向，这已经成为行业共识。一体化不仅降低成本，提高经营效率，而且能为企业带来较大的竞争优势。

当前，国内的炼化一体化也已经由早期的炼油与化工的简单联合(化工装置为了消化先期建设的炼厂石脑油等产物)逐渐向深度一体化转变，从以生产成品油为主、大宗石化原料为辅的传统一体化，转向多产高附加值产品和延伸石化产业链的新型一体化。

根据“十四五”规划，中国石化将在7个地方(福建漳州、广东湛江、海南洋浦、天津南港、新疆库车、湖南岳阳、宁波镇海)布局大型炼化一体化项目，力争在“十四五”末期建成1～2个世界级炼化一体化中心。

2.3 绿色、高效、智能打造“新态势”

在“双碳”目标的大背景下，氢能将成为新一轮能源技术变革的重要方向，石化企业发展氢能具有先天优势。提升氢气产能，降低制氢成本，将成为石化行业氢能产业的下阶段布局。石化行业在氢能的生产、运输、输出、基建铺设等多个链条中的专用设备需求量将会日益增加。

2022年6月，工业和信息化部等六部委联合发布《工业能效提升行动计划》，提出到2025年，规模以上工业单位增加值能耗比2020年下降13.5%[6]。据了解，炼化行业能耗基准水平和标杆水平普遍存在10%～20%的差距，从降低能耗角度来看，还有极大发展空间，而机械设备是炼厂能耗占比最大的部分，大型炼厂的全厂能耗组成中，80%以上为设备能耗。近年，炼化行业加速向绿色低碳转型，生产过程更加注重节能降耗、提高能效，振动指标、能耗指标、噪声指标等，成为选择设备时更加关注的问题。

中国炼化行业正处于新旧动能转换的关键时期，数字化、信息化进一步与炼化行业深度融合，充分利用物联网、机器人、云计算、大数据、新一代移动互联网通信等先进信息技术建设数字化、智能化工厂，可显著提升经营管理水平及生产运营水平，进一步促进企业提质增效，提升市场竞争优势。“十四五”计划周期内，谁能更好的利用数据的力量，挖掘出数据的潜在价值，谁就能立于不败之地、引领行业发展。

3 石化转动设备发展方向

3.1 高端可靠

机械装备的稳定性直接影响到炼化企业的效益，因此，机械装备未来的发展方向在于引领设备国产化向高端化转变，在高效率、高可靠性、长周期、低能耗等方向进行装备质量提升。

3.1.1 核心装备技术自主可控

石化行业多年的发展已经孕育了许多优秀领先企业，在制造能力上已经可以和国外企业分庭抗礼，大型机组的国产化率有了极大地提升。但在一些在严苛工况(高温、高压、高粘度)、新材料设备等前沿技术方面，与国际先进水平还有差距，还需要下大力气进行技术创新和进步。例如，高压聚乙烯装置一、二次机核心技术、高弹性体聚合物装置熔体泵技术、聚合物弹性体挤出机及切粒系统成套技术等核心技术攻关，此外，对于以国产化的设备，其中的零部件，诸如，高速、重载、高运行精度、高可靠性滑动轴承；高速、大轴径密封国产化；高性能、高灵敏传感器、工业仪表、执行机构等仍需要尽快攻关，实现工程应用。

3.1.2 设备本体提质增效

在解决“有没有”之后如何更快速的解决“好不好”的问题，首先应在设备质量与技术提升上深入探索。例如，国内某大型设计院，针对乙烯三机的结构与性能、操作与调节、系统配置存在的问题，进行了质量与技术提升攻关研究。开发了“乙烯三机”专有叶轮模型级，提升机组运行效率至少2%，拓宽机组可调节范围至少5%，提升了机组设计预期性能与实际运行的匹配度；质量与技术提升结果已应用在中石化镇海120万t/a乙烯、中石油广东140万t/a乙烯、裕龙150万t/a乙烯等装置中。

3.1.3 高端压缩机设计制造技术

增材制造技术是一种集数字制造、智能制造和绿色制造于一体的革命性技术，十分契合石油化工领域的战略方针，理应探索该技术在压缩机设计制造中的应用潜力和发展前景，在装备快速修复和再制造；突破传统冶金对材料制备及性能的原理性瓶颈，实现新一代高性能设备与复杂结构制造；实现设备重量、材料损耗量、零部件数量以及安装工作量的减量化设计等方面进行前瞻性研究和相关技术储备，突破压缩机在性能提升方向所面临的瓶颈，带动制造厂商提升设备制造质量和技术水平。

3.2 节能降碳

石油化工行业作为我国的支柱产业，也是碳排放的重要来源之一，应率先响应“碳达峰、碳中和”要求，优化产业结构和能源结构，大力发展新能源。而作为炼化装置的能耗大户和动力来源，转动设备的节能降耗将成为行业未来发展的关键路径。

3.2.1 氢能相关设备开

上文已经深刻阐明了氢能的高效利用在“双碳”战略中的重要性，“十四五”期间，中石化拟规划布局1000座加氢站或油氢合建站[7]。应加快推进氢能领域关键设备的技术研发、产品研制及工程应用。针对加氢站用90 MPa隔膜氢气压缩机、氢气母站大容量高压充氢压缩机(35 MPa，气量不低于3000 N·m3/h)、液氢制备系统氢液化膨胀机(排气温度≥ 31 K，处理量≥7000 Nm3/h)、加氢站用90 MPa液驱氢气压缩机等设备组织攻关，尽快实现国产化工程应用。

3.2.2 节能技术研究

目前石油化工行业转动设备的优化生产、节能减排还有较大优化空间，针对目前压缩机和泵效能落后，变工况适应能力差，工艺参数与设计参数偏离较大等问题，可通过开发高效三元流叶轮；优化设备控制和调节方案；进行宽调节范围、变工况适应能力强的压缩机和泵技术开发；同时重点针对润滑、密封、冷却等辅助系统以及齿轮箱、电机、轴承等配套设备进行节能优化，实现机组的系统节能。

从设备驱动源的角度考虑，以汽轮机驱动蒸汽为例，可以进行高效、梯级、深度利用的研究。在国内某炼化项目中，作为压缩机透平驱动蒸汽的0.45 MPa(G)蒸汽，通过螺杆升压机升压至1.85 MPa(G)，供本装置加热设备、压缩机抽汽器直接使用，其余部分直接送出装置替代常规设计中通过3.5 MPa(G)蒸汽减温减压后作为装置内加热设备介质的用量，消除了高品位蒸汽减温减压过程造成的能量浪费，显著提高了装置余热发生蒸汽的利用效率。

此外，对于蒸汽驱动的大型机组，采用电机驱动代替的方案，将极大改善炼化装置的整体碳排放情况，缓解高蒸汽耗量与绿色低碳的矛盾。但此方案的必要条件是要保证电力来源是稳定的绿电供应，其次，还需解决大型压缩机组拆分可靠性(变频器功率限制)；大功率变频器冗余配置可靠性；配套电气系统占地变化的工程性影响；高可靠性电网晃电应对方案；电驱机组控制运维方案等技术攻关。

3.3 数字智能

数字智能的重要性已经反复阐述，而转动设备的数字智能则重点体现在智能运维上。

3.3.1 机理模型

智能运维是一种服务，必须依附于用户主体即转动设备，目的也在于将原本的底层运行规律通过数字手段进行智能化管理，因此其离不开转动设备运行诊断机理模型的建立。针对大型离心机组、往复机组、螺杆机组、大型挤压造粒机组的运行数据、故障案例进行深入整合分析，已开发出针对不同机组，不同结构，不同故障类别的诊断机理模型，并以此为基础建立预警模型，实现可视化系统管理。目前，针对转动设备的机理模型研究已经较为深入，与常规预警相比，防止反复穿越报警、趋势预警、智能快变报警、智能动态阈值报警等功能均已具备。

3.3.2 工艺耦合

从行业整体角度分析，设备是工艺流程中的关键点，设备运维不可能脱离工艺流程单独存在。因此，通过结合智能化手段，将工艺动态流程模拟与转动设备动态模拟相结合，可为企业发现关键设备运行是否偏离理想区间提供数据支撑，在线、量化的评估及操作优化建议。以风光制氢项目为例，制氢量每天呈现大幅波动，导致机组的进气压力持续波动，如何维持稳定的氢气输出并优化能耗是此项课题的关键：利用气量无级调节系统，配合级间压控阀维持机组正常的操作，可完成氢气外输压缩机、氢气增压机的节能控制。

3.3.3 咨询服务

智能运维的最终目标是搭建专家分析系统。理想系统通过积累监测数据，将过往检维修记录、故障诊断报告等设备运营维护经验作为学习样本，利用人工智能技术，通过机器学习不断提升系统的判断能力和准确性。对于实时运行的监测数据，利用时域、频域分析，贝叶斯网络分析等方法得到数据运行的特征值、异常值，进行趋势判断，通过与正常趋势对比确定潜在危险，从基于设备状态的条件维护升级为预测性维护，最后预测和提供适合样本客户的专有性运营维护指导意见。这样的专家系统能够实时监测设备健康状况，进行故障预判，达到减少停机、降低成本、延长设备寿命、识别能耗影响因素、提高生产安全性等功能。

上述智能运维是“顶层”目标，在此之前的“基层”-数据采集处理终端、“中层”-机械设备运维数据湖、“保障层”-数据管理标准规范等层面仍有许多技术难点需要攻关，篇幅所限，不再展开。

3.4 联合创效

随着技术的进步和设备全生命周期成本理念的提升，引导设备制造行业的高附加值不断向上下游两端延伸，即向工程咨询、技术开发、设备成套、故障诊断及设备健康体检服务等环节转移，而上述一切是任何一家企业都无法单独完成的，产业链上下游的联合创效将是行业保持高增长的秘钥。

接下来，行业上下游应该充分发挥“大兵团”作战优势，聚焦关键技术、核心技术、前瞻技术，联合高等院校、科研院所、设计单位、制造企业，针对新材料、新工艺、工业软件、高性能设备、智能化运营等前沿技术领域，以一两个实际项目为出发点，加大投入、联合攻关，借助全行业的力量，营造一个有利于企业提升自主创新能力的良好环境，加大创新驱动。引领设备制造企业不断提升自身深层次服务能力，满足高质量发展需求。

4 结语

“十四五”是推动行业高质量发展的关键时期，行业结构调整、转型升级将进一步加快。双碳目标下的石化装备应该聚焦新技术、新材料、新能源方向，向着绿色、高端、智能不断前进。着力在卡脖子技术突破、质量提升、节能增效、数字智能运维等方面攻坚创效，坚决促进产学研用结合，发挥“大兵团作战”优势，为石化装备的高质量发展贡献智慧力量。