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流程工业与系统节能综述
流程工业与系统节能综述
一.流程工业
1.1流程工业简介及其特殊性
流程工业是指生产连续不间断或半连续批量生产的工业过程,是指生产部门从原材料采购到产品输出与服务的全过程,如炼油、化工、电力等行业。
美国生产与库存管理协会出版的词典中式这样定义流程生产的:
“通过混合、分离、成形或者化学反应而使物料增值的生产”。
流程工业也称过程工业。
流程工业在我国国民经济中起到举足轻重的作用,从1992年以来我国公布的产品销售排名前十名中约有80%至90%、按利润排名前二十名中约有70%属流程工业。
流程工业是一类高度复杂的工业系统,不仅伴随有物理化学反应过程、生化反应过程,还有物质和能量的传递和转换过程,其过程特征多表现为大范围连续性和不确定性、高度非线性和强耦合性,譬如,炼油企业作为典型的流程工业,它是以石油为原料,经过各种复杂的化工和物理过程(反应、蒸馏、分离、传热、传质等),生产各种油品和石化产品的产业,技术与资金密集、规模大、流程长、过程复杂是其基本特征。
所以流程工业要实现企业综合管理、调度、优化和控制还有一定的难度。
当代流程工业向着大型化、连续化方向发展。
流程工业的生产过程就是使原料进行物理、化学、相变反应,从而让原料增值。
对于流程工业复杂生产过程,面临着一系列不能用传统方法解决的问题。
1.2流程工业产品成本的特点
●生产过程的复杂性:
生产过程包括汽化、变换、净化、合成、冷箱、精馏等一系列过程,还有物料的交叉和循环。
●物流流向复杂性:
对于流程工业这样的拥有复杂生产流程产业来说,其内部产品的流向非常复杂,物流顺序不只是单一的前向顺序,还有可能出现后向的顺序。
一套低压合成甲醇装置中的各种产品,除了某些直接作为最终产品之外,其余产品均作为其它生产装置的进料。
其它装置的产品有的作为成品直接存储,而有的则作为其它装置的进料。
如催化装置的某产品是焦化装置的原料,而焦化装置的某产品又作为催化装置的原料,因此要计算焦化装置的产品成本需要先计算催化装置的生产成本,而催化装置的生产成本又依赖于焦化装置的产品成本。
成本信息形式多样,信息量十分庞大,过程的复杂性决定了成本计算的复杂性。
●成本构成的关联性:
在流程工业过程中包含较多的过程变量,而且过程变化量之间相互关联、相互耦合,上下工序、交叉工序存在质量和消耗的关系,一道工序发生变化,一个生产环节不协调,都可能会引起其他所有量发生变化,从而使流程工业产品成本来源错综复杂,增加成本耗算的困难程度。
●生产过程中的联产品:
对于流程企业来说,往往一个生产装置不仅仅生产一种产品,而是有多种联产品,这使得动态成本计算过程需要考虑在不同产品中的生产成本分配。
另外,在不同的生产方案下,各装置的产品也会有所不同,即使同一种产品,其生产动态信息,如收率等也往往不相同,导致生产成本发生变化。
这些都增加了动态成本核算系统实现的难度。
●物耗变化的随机性:
众所周知,流程工业生产过程并不十分稳定,生产原料成分、蒸汽压力、环境条件、生产负荷随时都在变化,这些生产条件的变化都会影响到物耗,从而影响生产成本。
●不确定性因素:
工业过程存在多种多样的干扰,许多干扰不仅严重而且机理复杂。
大多数干扰无法测量,也无法消除。
流程工业成本核算系统所建立的数学模型是整个工艺的简单近似,忽略了许多复杂的产品成本干扰因素。
●人工因素的能动性:
化工过程的物料和公用工程消耗是通过操作者调节非价值性参数(温度、压力、流量、液位等)来实现,操作者的水平跟物耗,从而跟成本存在一定关系。
由于流程工业生产过程的上述特点,导致动态成本核算过程比较复杂,增加了动态成本核算系统开发、实施难度。
目前我国流程工业的现实状况是三高两低,即能耗高、成本高、污染高和劳动生产率低、资源利用率低。
造成这种状况的原因主要有以下方面。
一方面我国在产品、工艺和技术等方面的创新能力仍需提高,另一方面对于生产运行技术而言,我们需要提高生产控制、计划、调度、优化、供应链管理等方面的能力,以改变相对落后的现状。
二.系统节能
系统节能是指除非不可逆的和不可避免的热损失外,最完善的设计回收系统,使所有的热量在最短的时间间隔中完全利用。
系统节能应紧紧围绕“系统”这个概念展开,要求节能工作既要考虑单体的节能又要考虑整体系统的节能,还要注意前与后、左与右的协调与配合,这是节能工作中的一个根本观点。
其总的思想是:
1.整体性:
并不是安装几种节能设备、采用一些节能材料就能达到节能最优目标,而是要把节能要素放眼于它们所在的系统之中,把它们同其它要素联系起来,发挥出整体大于部分之和的功效。
2.相关性:
要考虑系统内部的各个要素对能耗的相互影响,比如建筑系统中增大窗的面积就会减少墙的面积,这样就会对供暖、空调、通风及照明能耗等都产生影响。
不仅如此,还要考虑建筑单元子系统、建筑单体子系统、建筑小区系统、城市系统之间的相互关系对能耗的影响。
比如单体与单体之间的布局,不仅影响到小区交通能耗,还影响到日照得热、通风散热及排水等。
3.开放性:
节能工作中与环境共生高效利用外部环境提供的可再生自然能源,包括风能、太阳能、地热能等节约资源就是保护环境,保护环境又可以减少因环境低劣而消耗能源与资源。
4.动态性:
系统是一个“活”的有机体,系统的平衡和稳定是一种动态的平衡和稳定。
因此我们研究系统节能时应充分考虑地区差异的观念、考虑时间因素、适应外环境的变化、考虑资源与能源的循环再利用。
系统节能还仅仅围绕“载能体”的概念展开。
所谓载能体是指:
凡是在制备过程中,消耗了能量的物体,以及本身能产生能量的物体。
由载能体的概念可知为了节能我们必须:
①既节约能源,又节约非能源。
因为原材料和中间产品都消耗了能源才生产出来的,包含了“物化了的能源”,节约这些非能源就是节约能源的需要。
因此,节能工作一定要一手抓能源,一手抓非能源。
这是节能工作的又一个根本观点。
②既要节约,又要合理利用。
我们节能工作不仅要降低载能体的单耗,又要降低单位载能体的载能量,不是单纯用能需求,而是提高能效比,节能的关键在于提高能量高效率。
根据系统节能的思想,节能原有的节能含义也要扩展了,节能的研究范围、内容、方法等都有了新的延伸。
系统节能的根本目标当然是节能这个根本目标,又由下面三个目标:
降低各道载能流程中载能体的单耗、及载能量多利用可再生能源、载能体回收各个环节散失的载能体及各种能量组成。
这三个目标下面又由许多下级目标组成目标之间既相互独立又相互影响制约。
企业系统节能理论的发展
企业系统节能理论的发展可追溯到60年代中期。
格林果夫等提出:
研究炉子节能要与其前后设备联系起来考虑才能取得综合的最佳效果,后来称之为“炉子泛函理论”。
他为后人开展“工序节能”提供了有益的启示。
70年代中期,Kellogg在研究铜生产过程的能耗问题时,提出了计算产品燃料当量的累加法,并用累加法计算了铜的产品燃料当量。
累加法的计算过程为:
首先计算工序的燃料当量,然后计算产品的燃料当量。
工序的燃料当量定义式为:
PFE=F+E+S-B
式中,PFE为工序的燃料当量;F、E和S分别为工序消耗的辅助原材料、燃料、动力的载能量;B为回收并外供能源的载能量。
产品燃料当最的定义式为
MFE=PFE+R
式中,MFE为产品的燃料当量;R为工序主要原料的载能量。
累加法的提出提高了人们对“工序能耗”和“产品能耗”指标的认识。
1982年,徐寿波提出了广义节能的理论,阐述了完全能耗的概念和计算方法,建立了一系列能耗评价指标,为企业系统节能的评价工作提供了有效的方法。
徐寿波、格林果夫和Kellogg的工作为系统节能理论的形成奠定良好的思想基础。
80年代以来,对企业系统节能理论研究贡献最为突出的应首推陆钟武院士及其同事。
他在近二十年里,提出了一系列概念和方法,建立了系统节能理论和技术体系,极大地推动了中国钢铁工业系统节能工作的发展。
1981年,他提出“载能体”的概念和采用“系统的观点”研究节能问题的思想。
1983年,进一步论述了系统节能的思想和方法,全面地阐述了节能研究的对象应有五个层次的观点。
提出了节能研究工作不能只注重局部,不注重整体,节能工作应该在部件、单体设备、工序、企业和工业这五个层次上展开。
以载能体和载能量的概念为基础,论证了节能的方向、途径和措施,强调不仅要做好“硬”技术节能工作,还要做好“软”技术节能工作;不仅要节约能源,还要节约非能源。
大力提倡研究节能问题要不断引入现代科学的新方法,将他们与热能学科相结合,形成交叉学科和跨学科。
应用系统工程方法和经济学投入产出法对节能问题进行了较深入的研究,提出了节能工作中典型优化问题的鹪决方法和能值计算的逆矩阵方法。
这些工作初步形成了系统节能的理论和技术。
其后,陆钟武院士在系统节能的深度和广度方面又做出了开拓性工作。
1991年,他提出了吨钢能耗因素分析法和钢比系数的概念,后被命名为吨钢能耗e-p分析法。
实际上,这个方法不是从产品数量上,而是从全面的产品结构上分析企业的能耗。
它将企业系统分析简单化、实用化和科学化。
2000年,陆钟武院士针对钢铁生产流程不断改进和更新,以及物流结构十分复杂和多变的特点,从物流角度深刻地分析了在一定钢铁生产流程条件下,物流的走向和物流的结构与能耗的关系,创造性地提出了“基准物流图”和“基准吨钢能耗”的概念,提出了物流对能耗影响的分析方法,我们称之为“基准物流图”分析法。
这些概念和方法的提出,是系统节能研究的一个重要飞跃。
它深刻地揭露了现行使用的工序能耗概念的不足,从根本上反映了资源的利用和循环对能耗影响的本质,全面地刻画了钢铁工业的结构、流程、产品物流、原料物流、废品物流和循环物流与能耗之间的内在联系。
进一步完善和丰富了系统节能理论。
企业系统节能研究的方法
研究节能问题可以采用的方法很多,针对不同层面不同类别的节能问题选择不同的方法。
国内外企业系统节能研究的方法,大致可以归纳为两类,一是分析方法,二是模型化方法。
1.分析方法
节能研究的分析方法是用来对节能(或能耗)进行比较、分析和评价的方法。
在分析方法中具有代表性的方法有:
比较分析法、统计分析法、因素分析法、e-p分析法和“基准物流图”分析法。
在比较分析法中,代表性的研究就是模型工厂对比法。
其中,最典型的研究是国际钢铁协会(IISI)在1974~1976年间对三个理想工厂的生产规模和工艺流程所进行的综合评价。
这项研究对比了各种流程的产品能值。
MarkRoss在分析中国和美国钢铁工业能耗差距时也采用了比较分析法,他在文献【RNark,Flia.TheenergyEfficiencyofTheSteelIndustryofChina[1]。
Energy,1991,16(5),23-28】中从中、美钢铁工业结构的差别出发分析了能耗的影响因素,指出了中国钢铁工业结构优化、新技术开发和成熟技术推广是系统节能的重要环节。
这种方法简单易学,能有效地说明问题。
统计分析法是基于统计学的分析方法。
这种方法真实可靠,但统计工作量较大。
因素分析法是能耗研究的重要方法。
奥地利维也纳国际中心的Se-HarkPark等人在分析各国工业生产的能耗中将影响能耗变化的因素分为三类,即产品变化、单位产品能耗变化和结构变化,高度概括了影响工业生产能耗因素的本质和特征。
这种方法系统性较强,分析过程清晰明确。
e-p分析法是由陆钟武院士提出的,其后又在能耗分析中得到了应用。
谢安国等人应用e-p分析法对我国钢铁工业吨钢综合能耗进行了剖析,在研究结论中指出我国钢铁工业应着重将降低铁钢比放在首位,辅以提高连铸连轧装备技术水平及进一步降低各工序能耗。
并用该方法预测了2000年和2010年我国吨钢综合能耗指标。
e-p分析法的特点是研究对象范围十分明确,分析方法简单明了,仅涉及两类变量,计算过程简单化、通用化、分析过程有序化和系统化。
东北大学硕士学位论文第一章文献综述“基准物流图”分析法是陆钟武院士最新提出的物流能耗分析方法,采用这种方法可以深入研究钢铁企业各种生产流程、各种物流对能耗影响的规律。
钢铁企业流程多样,物流十分复杂。
“基准物流图”分析法把这种多样的流程和复杂的物流用简单明了的“基准物流图”的形式清晰地表达出来。
根据“基准物流图”构造企业实际物流图,通过对两个物流图的能耗对比分析,发现企业在流程和物流等方面的节能潜力。
在节能研究中,往往几种方法并用。
除以上主要方法外,企业节能分析方法还有综合分析、平衡分析等其它方法。
2.模型化方法
模型化方法就是用数学模型的方法来描述所要研究的问题。
国内外采用模型化方法对企业系统进行节能研究的较多。
比较常见的模型主要是优化模型、投入产出模型和平衡模型。
其中,采用优化模型进行研究的最多。
优化模型是利用运筹学中的优化方法而建立的模型。
优化模型分为动态优化模型和静态优化模型,线性优化模型和非线性优化模型。
由于大规模动态优化模型和非线性优化模型的求解较复杂,甚至对有的问题难以求解。
因而目前所建立的模型大都是线性静态优化模型。
企业能源非线性优化模型的研究尚未见过报道。
1982年,东北工学院与鞍山钢铁公司、鞍山热能研究所、杭州钢铁厂合作,开展了不少能源优化模型的研究工作,陆续建立的能源模型有:
鞍山炼铁系统用能优化模型、杭州钢铁厂炼铁系统用能优化模型、鞍钢炼钢系统能源模型、鞍钢轧钢产品结构优化分配模型。
这些模型的特点是:
(1)强调了系统内部在能源和非能源方面的相关性;
(2)从能源和非能源两个方面,全面研究各生产系统的能源节约问题,以系统净节能量最大为目标,确定系统的最优工作状态;
(3)针对一个工序或企业的一种能源进行研究,不是对企业整个系统的各种能源的研究。
1983年5月,中国能源系统工程第二届学术年会上发表了24篇能源模型方面的文章。
研究内容包括能源供需预测、投入产出分析、节能规划、能源价格、能源环境分析等各种能源模型及其应用。
其中,大多采用了线性规划模型,研究对象较广,有国家能源模型、地区能源模型和行业能源模型等。
这些研究的系统分析方法为研究钢铁企业优化模型提供了有益的参考。
蔡九菊教授应用大系统优化方法,从能源和非能源两个方面,研究了钢铁企业系统节能决策模型,研制了节能决策模型软件。
以鞍钢为对象进行了应用计算,得到了较为合理的生产方案,按此方案可节能2.45%。
通过大量的数据统计,分析和归纳各生产单元这四类参数的相关规律,从而建立模型进行优化。
该模型是以统计大量数据为基础而建立的,统计工作量巨大。
投入产出模型是研究是研究国民经济中各部门、各地区、各企业内部及它们之间的投入产出平衡关系,进行经济分析的一种模型。
能源投入产出模型是描述能源投入产出平衡关系的模型。
它分为三类:
(1)产品分配平衡模型;
(2)产品能值计算模型;(3)企业能耗总量计算模型。
一般的投入产出模型是用封闭方程组描述的。
投入产出优化模型是以这些方程组为约束条件而建立相应的优化模型。
应用投入产出模型是完成能源技术经济分析和评价的有效手段。
平衡模型是节能中常用的模型,一般来说它由具有一定物理意义的平衡方程式组成。
它可以分为三类:
(1)物料平衡模型;
(2)能源供需平衡模型:
(3)能量平衡模型。
平衡模型可以单独使用,也可以嵌入优化模型中去。
大多数企业能源优化模型的约束条件中都包含了物料平衡模型和能源供需平衡模型。
例如,Harbar钢铁厂能源模型是以企业内部的能源转换装置和用能设备为研究对象建立的,用来解决能源分配问题。
模型中有能源供需平衡方程、焦炉能源转换方程、设备用能东北大学硕士学位论文第一章文献综述种类限制方程和锅炉的能量平衡方程。
类似的能源模型还有日本君滓钢铁厂研制的能源最优分配模型,在模型中包含了物料平衡方程和能源供需平衡方程。
系统节能的方法
系统节能的方法多种多样,不同的系统又有着不同的节能方法,其共同点就是系统节能要整体考虑系统,最节能的单体不一定能构成最节能的系统。
下面就以电机系统为例,整体介绍系统节能。
电机系统节能通常是指从电机起动开关开始直至拖动的装置产出产品(流体)时能量的最终消耗。
它包括电机起动开关、供电馈线、电机速度控制装置、电动机、联轴器(或其他联结方式如齿轮联结、皮带联结、蜗轮蜗杆联结等)、拖动装置(泵、风机或压缩机等)、拖动装置产出的产品(一般为液体和气态流体)、输送管线、终端负载等。
所以,电机系统节能是指整个系统效率的提高,它不仅追求电机本体效率和拖动装置效率的最优化,还要求系统各单元与系统整体效率的最优化。
电机系统节能评估是指对现有的电机系统电能利用状况进行评定的一种方法。
评估目的在于了解该系统目前的电能利用情况,存在的问题及环节改进措施,并对改进措施进行经济性分析。
电机系统节能评估通常采用现场调查和现场测试相结合的方法进行。
因此,首先要熟悉所评估的体系和体系的划分,如画出示意图,标上必要的参数、工艺流向,获得文字资料的说明或记录资料,设备的参数和工艺要求,目前运行状况的记录数据等。
进一步需要了解所评估的系统存在什么问题,是否进行处理,效果如何,通过现场的调查,制定详细的测试方案。
方案中应列出测试目的、要求、所需仪器仪表、测点的布置,同时把存在的疑问列人测试方案,以便在测试过程中得到求证。
测试结束后,分析测试数据及计算结果,归纳测试中发现的现象,经常需要参考泵或风机的特性曲线图,分析出设备处在什么状态下运行,是什么原因造成的。
如果工艺不能改变,而设备的状态处在不经济运行下就应采取措施,如选高效的设备,包括电机、电机和设备与工艺要匹配、减少系统的阻力和不必要的能耗、安装节能节电装置、加强管理、制定更合理的操作顺序规程等,当需要对设备进行较大的改造并且需要较多的资金投入时,应考虑投入产出的投资回报。
因此,还应进行全寿命成本分析。
系统节能的优缺点及解决方法
系统节能既要单体的节能又要整体系统的节能。
系统节能之所以复杂,不仅是因为资源与能源在时空范围内的输入与输出过程中涉及的内容多、面广,更是因为所涉及的内容是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的,具有特定功能的整体,具有不同与组成它的诸要素的新的属性,它是一个系统。
所以系统节能既要寻求单体的最优化,又要使得系统最节能,这就让系统节能变得非常复杂,需要对整个系统进行统一的规划,加大了工作量,同时也需要企业为此支付更多的成本。
当然,系统节能最终会比传统的节能方式节约更多的能量,这在能量需求巨大的现在变得越加重要,也是节能必然的发展方向。
鉴于系统节能的复杂性以及环境的多样性,我个人认为,节能应该从源头做起,生产机械设备的厂家,应该把节能做为一个重要指标,同时研制最佳组合的设备以及指明各种设备最节能的环境。
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5.单丛离季朝晖密闭式冷凝水回收技术上海市节能监察中心,上海200000;沈阳蜡化工殴份有限公司,辽宁沈阳1lOl41.
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