化工双碳之五：结构化蒸汽系统节能实施路径（2）

三、蒸汽节能项目以蒸汽平衡图分析为起始与终点

蒸汽系统节能优化的基础和起始点是全厂蒸汽平衡图。蒸汽平衡图清晰显示了蒸汽管网分为几个压力等级、每个压力等级的蒸汽来自哪里、去向哪里、各个节点的产量与用量是多少。

很多企业没有绘制蒸汽平衡图，蒸汽管线如何设置、蒸汽如何流动全记在几个人的头脑，可以断定这种企业肯定管不好蒸汽节能。生产部门至少在DCS上显示各个等级蒸汽管网的平衡图，显示主要节点的蒸汽流量。

结构化蒸汽系统节能的第一个步骤便是梳理与绘制全厂蒸汽平衡图。企业提供的蒸汽平衡图，很多是设计阶段绘制的或者装置刚开车后绘制的，与现场实际情况不一致甚至差距很大。所以，项目组需要与生产部门与公用工程管理部门梳理与确认蒸汽管网的结构以及各个节点的流量。由于节点流量随着生产负荷以及季节变化，一般至少绘制两种工况下的平衡图：夏季正常负荷下的蒸汽平衡图、冬季正常负荷下的蒸汽平衡图。

蒸汽系统节能项目开始时，绘制全厂蒸汽平衡图的目的有三个：

（1）了解全厂蒸汽系统的全局面貌；

· 确定蒸汽节能的范围与重点对象：根据节点的蒸汽流量判定项目要包含哪些蒸汽用户，例如第一期项目只包含5t/h以上的用户，把项目资源聚焦在大用户上；第二期项目再考虑2t/h以上的用户。通常2t/h以下的用户就不值得花精力去研究节能方案，应用精益能源管理方法对照消除能源八大浪费即可；

· 检查蒸汽产用平衡性：由于可能存在大量工艺副产低压蒸汽，低压蒸汽可能无法使用完，从而导致大量低压蒸汽放散，项目中需要考虑如何利用这些低压蒸汽。蒸汽系统节能项目实施完成后，需要重新绘制全厂蒸汽平衡图，通过与初始蒸汽平衡图比较，确认：外购蒸汽或者自产锅炉蒸汽是否确实减少：整个蒸汽节能项目的最终效益体现为需要花钱的外购蒸汽或者自产锅炉蒸汽的流量降低，这个降低是切实的项目效益。有些节能项目，以某些工艺单元的蒸汽减少量为衡量目标，大部分情况下这种节能效果衡量方式没有问题，但是偶尔也会出现个别单元蒸汽消耗降低了，但其他单元蒸汽量增加从而输入生产车间的蒸汽总量反而增加了，这种情况便是一个失败的节能项目。

确认哪些节点的蒸汽流量发生了变化，变化多少。

四、蒸汽系统节能结构化实施要点

化工企业结构化蒸汽系统节能实施方法包含了8个步骤，再次用图表示如下：

除了首、尾的蒸汽平衡图外，剩余的六个步骤是实质性的技术措施。如果要详细介绍这6个步骤，可能需要写成一本书来介绍，每个步骤构成一个章节的内容。本文只介绍各个步骤要点：

蒸汽与冷凝水管路优化：该步骤目的是减少蒸汽以及冷凝水在输送过程中的泄漏与浪费，重点检查蒸汽管道与冷凝水管道的跑冒滴漏，检查与维护重点包括蒸汽泄漏、管道保温、疏水阀设置与损坏、冷凝水回收。常见的问题有：管廊上蒸汽主管的排凝疏水阀泄漏、蒸汽安全阀失效、冷凝水直排地沟等。

图：蒸汽与冷凝水管路系统的常见泄漏

蒸汽锅炉优化与平衡调度：该步骤目的是提高锅炉热效率、降低吨蒸汽的生产成本。如果企业没有锅炉车间，直接跳过本步骤；如果企业有蒸汽锅炉车间，应立即检查锅炉热效率，并通过锅炉节能项目将锅炉热效率提高到90%以上。原则上化工企业节能应该先优化使用侧再优化供应侧，但是蒸汽系统优化应该先优化蒸汽供应侧蒸汽锅炉，基于如下考虑：与专业电厂相比，化工企业锅炉车间管理与热效率管理较为粗放，节能潜力大；与蒸汽使用侧几十台工艺设备相比，蒸汽供应侧的锅炉只有几台，设备一致，实施起来更为容易。所以节能实施性价比来说，蒸汽锅炉节能应该优先实施。蒸汽锅炉常见的问题：来煤煤质以及粒度不稳定（来煤需要从综合成本考虑）、风煤比不合理、烟气含氧量高、负荷调整不及时经常蒸汽放散、锅炉水质处理与除氧不到位。提高锅炉热效率的主要措施除了日常管理（入炉煤、锅炉水、锅炉设备维护）外，主要措施为提高自动化水平，关键参数例如炉膛压力、尾气含氧量、汽包液位、蒸汽主管压力采用自动控制。市场上针对化工企业的锅炉控制优化的服务商较多，可以联系这些服务商实施锅炉优化控制。

蒸汽使用单元优化：该步骤目的是降低蒸汽使用单元的蒸汽绝对消耗量。蒸汽使用典型工艺单元包括精馏、蒸发、干燥、反应。这里不考虑工艺革新，例如用膜分离代替精馏。仅考虑在现有工艺的基础上的参数优化以及附属公用工程变化。首先，检查这些重点单元是否存在过度处理，例如精馏塔的产品纯度是否远超过质量规则要求，反应系统的溶剂浓度是否过低、原料循环比是否过大；其次，检查这些蒸汽加热设备的换热器结垢腐蚀、塔填料结垢以及疏水阀的泄漏情况，疏水阀的泄露导致的蒸汽损耗非常显著；再次，考虑进料预热，尽量利用工艺余热去预热进料；最后，要检查能否用低等级的蒸汽来代替现有蒸汽等级，尤其是使用目前过剩的低压蒸汽，这可能需要调整塔的操作压力。另外，也要检查这些单元操作的稳定性以及关键工艺参数的波动性，检查这些工艺单元的控制回路以及优化控制策略与PID参数，保证操作稳定；在蒸汽消耗量高（>10t/h)的精馏单元优化控制回路以及采用合适的先进过程控制APC，可以取得非常显著的节能效益。这些化工工艺单元的节能优化，在大部分化工节能教材以及书籍都会详细介绍，可以参考有《Managing CO2 Emissions in the Chemical     Industry》（WILEY-VCH，2010年）一书第7章“7 Energy Effi cient Unit Operations and     Processes”。

热回收与换热网络优化：该步骤目的是减少生产单元对锅炉蒸汽或外部蒸汽的消耗量。热回收指尽可能利用工艺预热代替外部蒸汽来作为加热介质。热夹点分析告诉我们，在确定最小换热温差后，一个化工装置的最小输入热量与输入冷量便确定了。为了实现最小输入热量，夹点分析提供了一套换热网络的设计方法。但从实践来看，基于夹点分析的换热网络改造在老装置不可行，首先，管道改造过于复杂；其次，前后单元的热集成导致过程耦合而不可控，无法操作。现有装置的热集成与热交换可以考虑以下几条经验：

1. 流股自身关联原则（或就近原则）：例如反应器出口流股与进口流股换热；吸收塔与解析塔的热贫液与冷富液换热；解析精馏塔塔底液与进料换热；

2. 增加操作自由度：在无操作自由度的冷热物料换热器后，增加一级有操作自由度的蒸汽加热器，用以控制终点温度；

3. 采用间接热集成：高温工艺余热（例如高温反应热、高温精馏塔塔顶热）不要直接作为热源去加热工艺冷流股（称为直接热集成），而是副产蒸汽进入蒸汽管网，再使用蒸汽去加热。必要时可以增加一个低压压力等级(例如2barg或者3barg）的蒸汽管网。这种间接热集成方式从设计与操作上更方便。

换热器性能对热回收影响极大，用于热回收的换热器换热温差越小越好，尽可能采用高效换热器，例如板式换热器、缠绕式换热器。在这个步骤中，一定要检查热回收（工艺流股-工艺流股）换热器的换热性能与换热温差，有两种情况：1.原换热器换热面积偏小导致热回收不充分。此时，根据换热目标，再串联一级换热器，增加换热面积即可。2.原换热器结垢以及损坏严重导致热回收不充分，此时应安排换热器清洗甚至更换。

我曾经遇到一台冷富液与热贫液的换热器案例，由于这台换热器腐蚀与结垢，导致冷流股经过换热加热后的实际温度比预期温度低了25度，导致用于加热冷富液的蒸汽消耗增加了将近10ton，另外用于冷却热贫液的冷冻水增加了2.2MW，以当时的蒸汽价格以及冷冻水价格，由于这个换热器失效导致的能源损失接近每年1000万元人民币。

高压冷凝水的热量值得回收，很多企业将高压冷凝水直接闪蒸到常压0barg，这种常压蒸汽一般工艺上无法直接使用，只能放散掉。高压冷凝水应采用多级闪蒸的方式，将闪蒸蒸汽并入低压蒸汽管网，例如20barg冷凝水闪蒸6barg蒸汽，6barg冷凝水闪蒸2barg蒸汽。

低温余热回收：该步骤的目的是回收利用多余的低温热（>80℃）以及低压蒸汽（>1.5bara)。经过热回收以及换热网络优化后，若还有多余的、工艺上无法再利用的低温热，可以考虑车间办公室供暖、溴化锂制冷、ORC发电等方式将多余热能转化为其他能量形式。由于这些过程的能源转化效率较低，需要投资新设备，所以需要认真核算项目收益、投资额以及投资回收期。从实践看，只要余热蒸汽量>3t/h 以及工厂需要5至12度冷冻水，溴化锂制冷机机组的投资回收比一般小于3年，值得应用。ORC发电应该谨慎，只有废热蒸汽量必须足够大 >10t/h，上ORC发电机组的投资回收比才合适。

热电联产：企业自建热电联产可显著降低企业用蒸汽与用电的成本。大中型化工企业，只要条件允许，应优先考虑自建热电联产。建设热电厂投资较大，属于企业重大投资项目，这里不再展开。如果企业已经有了热电厂，如何根据电网电价、生产端蒸汽用量以及用电量，优化调整锅炉负荷、背压机组以及抽凝机组的运行参数，有极大的经济效益。其实这就是一个实时优化RTO问题。

六、结论

蒸汽成本是化工企业总能源中成本中的大头。蒸汽系统节能是真正有特色的化工行业节能技术，也是化工企业实施节能优化以及工艺优化时需要特别重点关注的地方。

化工企业结构化蒸汽系统节能实施方法，包含的8个步骤从简单到复杂，从小投资到大投资，该方法确保化工企业蒸汽系统节能优化项目以最小的投资达到最大的节能效益，确保节能项目的可持续性。这是一种系统化、结构化、高效化的化工企业蒸汽节能实施路径，值得化工企业的工艺工程师、能源管理员等关注与学习。化工企业如果实现碳中和，必须从根本上改变反应工艺路线以及能源结构，采用可再生生物原料化学路线，以及绿色零碳能源供应，达到理想工艺与理想能源供应。30年内能否实现，只能说拭目以待！