石化企业能源管理系统的研发与应用

石化企业能源管理系统的研发与应用

李德芳1，索寒生2，刘暄2

（1中国石油化工集团公司信息化管理部，北京 100728；2石化盈科信息技术有限责任公司MES事业部，北京 100007）

摘要：石化工业在为经济发展提供物质支撑的同时，也消耗着大量的能源。石化企业节能降耗的潜力很大，信息技术在节能降耗方面前景广阔。在对石化企业能源管理业务范围、介质、管理维度进行分析的基础上，进行了系统的功能设计，描述了工厂模型，按照用能优化、管网优化与动力优化3方面刻画了能源优化模型。最后，从试点企业的应用成效出发，为石化企业推进能源管理信息化建设提供了借鉴和参考。 关键词：石油；过程系统；系统工程；节能减排；能源管理 DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20141521

中图分类号：TE 99；TP 39 文献标志码：A 文章编号：0438—1157（2015）01—0007—07

Development and application of energy management system for

petrochemical enterprises

LI Defang1, SUO Hansheng2, LIU Xuan2

(1Sinopec Information Management Department, Beijing 100728, China;

2

MES Department, Petro-Cyber Works Information Technology Co., Ltd., Beijing 100007, China)

Abstract: Petrochemical industry provides material support for economic development, but it also consumes a lot of energy. Petrochemical enterprises have a great potential for energy saving, and information technology has a great prospect in energy saving area. Based on the analysis of the petrochemical enterprises energy management business, material and management dimensions, the paper proposes the function of the energy management system, which consists of six functions: energy plan, energy operation, energy optimization, energy statistics, energy assessment and energy performance. Then the paper describes the plant model, which includes four layers: measurement layer, operation layer, statistics merge layer and accounting model layer. Next, the energy optimization model is described from the aspect of energy assumption optimization, pipeline optimization and energy power optimization. By establishing energy demand planning model, the energy assumption optimization refines energy media description, optimize device energy programs to improve the accuracy of energy plan to promote the production consumption balance, reduce energy backup redundancy and energy costs. Pipeline optimization is a process for water, electricity, steam, nitrogen, air, fuel and other energy media in the supply, production, transportation, transformation, consumption optimization. Considering the price factor of various field devices constraints and utilities, the energy power optimization is to optimize utility plan and on-line closed-loop control. Finally, the paper analyses the application effectiveness of pilot enterprises and provides a useful reference for promoting petrochemical enterprises energy management informatization process.

Key words: petroleum; process systems; systems engineering; energy-saving and emission-reduction; energy management

2014-10-09收到初稿，2014-10-13收到修改稿。

联系人：索寒生。第一作者：李德芳（1961—），男，博士，教授级高级工程师。

Received date: 2014-10-09.

Corresponding author: SUO Hansheng, hansheng.suo@pcitc.com

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引 言

随着全球变暖，国际社会对节能减排的重视程度越来越大。作为能源消耗的大国之一，我国的节能减排工作面临着非常严峻的形势。在2009 年举行的哥本哈根会议上我国已向全球郑重承诺，到2020 年单位国内生产总值二氧化碳排放量将比2005年下降40%～45%。石化产业是国民经济的重要支柱产业，是高投入、高产出、高技术和高能耗的行业，如何对这一关乎国计民生、规模庞大产业的高耗能企业进行有效的管理控制，提高能源使用效率，降低能源消耗，灵活应对市场竞争的挑战，建设绿色、环保、低碳的世界一流能源化工公司，一直是石化企业高层领导关注的核心问题[1-4]。

石化企业能源消耗较大，一方面是由石化行业的特点造成的，另一方面也与以前能源管理较为粗放相关。以前，石化企业的能源管理计划性不强，各能源介质的管理相对，整体集成度不够，无法及时统计、分析能源供需实绩，制约了能源资源的合理分配、利用、优化。充分依托信息技术，建设石化企业能源管理系统，提升能源管理水平，提高节能意识，对能源消耗进行预警、监控，实现能效最大化，无疑是支撑上述工作的有效路径之一。

首先，通过建设能源管理系统，建立起能源供应、转换、输配和消耗集中的能流体系，实现能流、能耗的动态监控及能源集中统一管理和优化利用，形成能源管理业务从用能计划、用能监控、用能统计到用能改进的业务完整闭环，做到能源用前有计划、使用过程有跟踪、成效结果有评价。

其次，通过能源管理系统建设，有助于“总部－企业”集成一体的能源管理体系的形成。并通过信息技术，将国内外先进、成熟的技术转化为节能减排的生产力。尤其是一些成熟的节能模型、实时优化技术、模拟技术，它们与信息系统结合，将大幅度提高能源管理的定量管理水平[5-6]。

最后，能源管理信息化是工业化与信息化两化深度融合的重要标志，是企业利用信息和系统优化技术实现降低能源消耗成本，提高能源使用效率，支持企业节能降耗的重要手段[7]。

1 石化企业能源管理系统设计思路

1.1 能源管理业务范围

作为传统的高耗能大户，石化企业日常生产过程中，能源产、输、转、存、耗、销整个过程非常

图1 炼化企业能源管理业务总貌

Fig.1 Energy management business of petrochemical

enterprises

图2 能源管理系统各环节设计重点 Fig.2 Design focus of energy management system

复杂。以炼化企业为例，能源管理业务范围如图1所示。

1.2 能源管理系统总体设计

如图1所示，石化企业能源管理系统在业务维度上包括了化石能源（石油、煤炭产品）与非化石能源（风力、水力、太阳能）的能源供应、能源生产、能源存储、能源转换、能源输送与能源消耗各环节。在管理层级上，形成从计划、执行监控、统计、绩效评价、考核的管理闭环，帮助企业能源管理实现能效最大化、能流可视化、在线可优化。围绕“Plan-Do-Check-Action”（PDCA循环），系统在各环节的设计重点如图2所示。 1.3 能源管理系统功能设计

根据石化企业能源管理的业务特点，梳理业务定位，石化企业能源管理系统主要有6个功能模块：能源计划、能源运行、能源优化、能源统计、能源评价与能源绩效，如图3所示。

（1）能源计划 能源计划包括能源的用能计划与产能计划，涉及计划上报、审批、下达分解、调整。一是根据用能装置能耗、生产负荷等实际情况，制定全厂用能计划；二是根据用能计划、动力生产约束条件，制定产能计划，优化动力燃料及动力装置负荷，降低产能成本；三是协调优化结果，

第1期 李德芳等：石化企业能源管理系统的研发与应用

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图3 石化企业能源管理系统功能图 Fig.3 Function of petrochemical enterprises energy

management system

得到优化的全厂能源计划。

（2）能源优化 能源优化包括用能优化、管网优化、动力优化（产能优化）、优化效益评定、优化操作评价等。包括下列介质优化：水系统、电系统、蒸汽系统、氢气系统、燃料系统、风系统与瓦斯系统优化。用能优化针对炼化用能装置能源消耗进行优化，对装置的用能结构，装置布局设计等进行优化设计；管网优化针对能源介质在供应、生产、输送、转换、消耗过程中的优化；动力优化考虑现场设备（动力锅炉、汽轮机等）的各种约束条件（如锅炉热效率、汽机效率、燃料需求等）和能源价格（如电价差异、燃料价格等）因素，找出最经济性的能源生产运行方案，优化能源生产安排，降低能源生产成本；介质优化防止过度备份和介质质量过剩造成浪费，降低生产成本；优化效益评定是将企业进行优化操作的当前运行成本、优化运行成本，操作后成本、操作后单位运行成本、实际节约成本进行分析比较，对其优化经济效益进行评定；优化操作评价对模型数据维护、优化方案、优化执行、优化效益进行优化实操的业务评价，方便企业进行班组考核与效益统计[8-9]。

（3）能源运行 能源运行完成能源运行数据的收集、确认，以及对能源运行事件的有效记录和能源运行状态的监控和维护，最终通过能源运行数据反映全公司能源产耗的结构全貌和具体情况，为能源优化提供数据支撑和优化效果评价依据，实现对优化效用的评定。

（4）能源统计 能源统计利用能源运行收集和确认的能源产耗数据，对能源供应、生产、消耗全流程的运行数据进行归集和统计，实现能源统计核算。能源统计包括管网平衡、产能统计、指标试算、损失统计、耗能统计、开停工消耗、指标核算、项目统计、碳排统计等。

（5）评价分析 评价分析是在能源统计数据的基础上，利用物料、质量、设备等相关数据，对能源的产耗状况进行评价和分析，明确企业的能源产耗状况，找出能源产耗存在的问题和可优化的空间。评价分析包括基准管理、理论能耗、评价管理、对标管理、实际产耗、项目评价、优化评价、损失分析、能源结构分析、分布分析、成本分析、重点分析、碳排评价、碳排分析等。

（6）能源绩效 能源绩效管理面向能源产耗，实现绩效评价与考核的量化、公平和公正；通过支持实时绩效考核与评比，实现绩效的过程管理及操作评价。在能源绩效考核的基础上，结合各装置特点，形成面向各二级分厂的绩效考核体系。通过分厂绩效考核，推动装置运行优化、降低加工损失、节能减排等工作的开展，促进装置全面达标。能源绩效包括绩效指标、节能绩效、达标绩效、项目绩效、碳排绩效、系统绩效等。

2 石化企业能源管理系统技术特点

2.1 能源管理系统工厂模型

能源管理系统工厂模型共4层，包括测量网络层、生产操作层、统计归并层与核算模型层，如图4所示。其中，测量网络层描述真实的物理仪表或虚拟仪表，测量点包括仪表、衡器和槽车计量，如汽车衡、轨道衡等；生产操作层描述了能源移动中的节点要素与节点间的连接关系；统计归并层按统计规则抽象描述能源拓扑逻辑关系；核算模型层依据企业能源核算的需求，描述企业能源产耗的核算关系[10]。

图4 石化企业能源管理系统工厂模型 Fig.4 Plant model of petrochemical enterprise energy

management system

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图5 石化企业能源管理系统工厂模型对象

Fig.5 Object of petrochemical enterprise energy management

system plant model

图6 用能优化过程

Fig.6 Energy consumption optimization process

能源管理系统工厂模型基本对象如图5所示。 2.2 能源优化技术

按照用能最低，途耗最少，产能最优的整体目标，能源优化技术核心为用能优化、管网优化与动力优化3部分。

（1）用能优化 用能优化通过建立能源需求计划优化模型，细化能源介质描述，优化装置用能计划，提高用能计划准确性，促进产耗平衡，减少能源备份冗余，降低用能成本。用能优化过程如图6所示。

（2）管网优化 管网优化主要针对水、电、汽、氮、风以及燃料等能源介质在供应、生产、输送、转换、消耗过程中的优化。管网优化功能包括：根据管网的结构数据和典型工况数据，建立管网模型，根据模拟分析结果和实测数据，对管网的现状

图7 蒸汽管网优化过程

Fig.7 Steam pipe network optimization process

图8 能源动力优化策略

Fig.8 Energy power optimization strategy

做出评估；对管网进行在线监控，实时监测管网运行工况；辅助管网优化调度，增强管网安全优化运行；辅助设计人员进行管网设计与改造等。蒸汽管网优化过程如图7所示。

（3）动力优化 动力优化是指考虑现场设备的各种约束条件和公用工程的价格因素，利用热动力模型和优化工具，优化公用工程生产计划；与现场控制系统连接，按照离线的最优动力生产计划进行在线闭环控制；在线进行原料优化、设备负荷优化、产出优化。动力优化效益主要体现在优化的燃料配比及应用，发汽负荷的优化及热电联产、削峰平谷电价等方面。能源动力优化策略如图8所示。

3 石化企业能源管理系统应用成效

3.1 实现能源数据和指标评价分析可视化

采用“先聚焦，后联动”的方式，综合展示、分析能源生产消耗、能源仪表条件、管网差异情况、主要指标趋势及影响因素等方面的数据，便于管理人员采取针对性管控措施，提高管理效率。

能源产耗分析，快速定位能耗异常波动。以板块、厂和装置为空间视角，以日为时间粒度，采用与计划、与历史两类分析方法分析各核算单元、各

第1期 李德芳等：石化企业能源管理系统的研发与应用

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图9 扬子石化的能源产耗分析图

Fig.9 Energy production and consumption analysis of

Yangzi enterprise

图10 扬子石化的能源仪表分析图 Fig.10 Energy meter analysis of Yangzi enterprise

类能源介质的外购、自产、消耗、转供、自用、外售等信息。以扬子石化为例，其能源产耗分析如图9所示。

能源计量分析，理清能源计量状况。统计分析仪表的数量、数采率、预计值、数采修改情况，为能源审计和仪表改造提供数据支撑。以扬子石化为例，其能源仪表分析见图10。

分析管网差异，提高能源管理水平。对管网整体损失量进行历史趋势分析，采用与历史、与计量两类分析方法对与管网关联的节点两个典型数据版本统计预警，突显存在数据异变的节点，预先计算其差异率，突显其人为对计量数据干预的偏离信息。以扬子石化为例，其管网差异分析见图11。

图11 扬子石化的管网差异分析图 Fig.11 Network difference of Yangzi enterprise

图12 扬子石化能源指标分析图

Fig.12 Energy indicator analysis of Yangzi enterprise

能源指标分析，确定关键因素。采用“先预 警后联动”的设计思路，通过对比计划、比历史波动两种方式，预先提出报警，并与影响指标波动的关键影响因素一起联动分析。以扬子石化为例，其能源指标分析见图12。 3.2 实现设备整体运行动态监控

基于装置运行数据、能耗指标，能源管理系统对主要耗能设备及区域进行能耗监测及预测；利用监测结果，为淘汰低能效的设备提供数据依据，提高能源利用整体水平。

对热力系统整体运行进行监控，包括流量、温度、压力数据，同时将在线优化数据并列展示，为优化分析提供数据支撑，如图13所示。

通过能源消耗装置运行报警及趋势展示，实现能源消耗关键装置关键工艺点监控报警及趋势展示，能源管理人员可以第一时间发现用户侧异常，及时调整应对，如图14所示。

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图13 热力系统总体监控图

Fig.13 Overall monitoring figure of thermal system

图14 能源消耗装置运行报警及趋势展示图 Fig.14 Figure of energy consumption plant operation

alarm and trend

图15 燃料监控示意图

Fig.15 Fuel monitoring schematic diagram

燃料系统监控图如图15所示。

3.3 在线优化实操效益显著，实现能源生产成本

降低

基于能源优化技术，优化企业能源结构配置，调整锅炉/汽机等设备操作状态，优化外购/外供电优化操作方式，大大降低了石化企业能源成本，取得了显著的经济效益。截止2014年6月，在能源管理系统上线运行的4个月中，扬子石化的能源优化效益如表1所示。

表1 扬子石化能源优化效益

Table 1 Energy optimization economic benefits

table of Yangzi enterprise

月份 累计优化

累计 平均瞬时 时长/h

效益/CNY

效益/CNY·h−1

2月 23 42355 1841 3月 30 233143 7771 4月 44 438018 99 5月

7 12922 1846 合计

104 7238 6984

4 结 论

石化工业作为支撑国民经济发展的能源和基础原材料产业，在促进国民经济和社会发展中发挥着十分重要的作用。石化工业在为经济发展提供物质支撑的同时，也消耗着大量的能源。石化企业节能降耗的潜力很大，信息技术在节能降耗方面前景广阔。本文给出了面向石化行业的能源管理系统整体方案，覆盖能源供应、生产、输送、转换、消耗全过程，涵盖能源管理计划、运行、统计、评价、分析、绩效全业务。进一步，按照用能优化、管网优化与动力优化3方面刻画了能源优化模型，并且在中国石化下属企业试点成功，为绿色低碳、安全环保、节能减排提供支撑，是“建设世界一流能源化工公司”的一项重要举措。 References

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石化企业能源管理系统的研发与应用

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

李德芳， 索寒生， 刘暄， LI Defang， SUO Hansheng， LIU Xuan

李德芳,LI Defang(中国石油化工集团公司信息化管理部,北京,100728)， 索寒生,刘暄,SUO Hansheng,LIUXuan(石化盈科信息技术有限责任公司MES事业部,北京,100007)化工学报

CIESC Jorunal2015(1)

2015(1)

引用本文格式：李德芳.索寒生.刘暄.LI Defang.SUO Hansheng.LIU Xuan 石化企业能源管理系统的研发与应用[期刊论文]-化工学报