化工双碳之六：节能项目的收益估算

“化工双碳”系列文章介绍了化工企业节能低碳的技术方法以及精益管理方法，通过系统化、结构化的方法产生许多技术上可行的节能方案后，各个方案到底要不要实施落实？还需取决于方案的经济可行性。

对市场化的生产企业来说，节能减碳不仅是迎合双碳口号，也是一种投资行为，要考虑投资效率以及分析财务收益率。

我介绍了低成本的节能方法，例如精益能源管理、优化工艺参数、控制方案改造，这些低成本节能方法只是投入人力以及少量成本，那就没有必要浪费时间和精力去做详细的投资收益分析，确认好技术可行后，直接组织小团队去摘取这些”低垂果实“便可，所以它们也称为速赢项目（Quick Win）。实施完成后再去根据实际能耗变化去统计计算实际年化收益，以实际收益数据申请项目奖励。

然而处于“化工企业能源管理金字塔”顶部的技改项目，尤其当改造投资相对较大（例如100万元以上，具体额度根据各个企业投资项目管理制度），则需要在项目立项申请时认真估算项目的节能年化收益以及投资额，不要项目建设完成后实际效果与预期效果相差很大，而无法交代。这类节能技改项目投资额相对好计算，项目范围小，设备采购费用与工程费都容易估算：先确定好改造方案以及新增设备与仪表等硬件清单后，直接让供应商报价便可以估算出大致硬件费用，再加上工程与施工费用。

项目节能收益也应该很容易计算。在外购动力煤、天然气、蒸汽、电力等价格确定的条件下，年化节能收益=能源介质单价*年化节约量。然而，很多节能项目却卡在计算年化效益上，提项目的人算不清年化节能量，项目申请书上体现不出收益，审批领导就无法决策，项目暂缓。

记住：节能收益计算节能只是一个收益估算，永远不可能预测出准确值，真实的收益受到太多边界条件的影响，例如产量变化，季节变化、设备性能变化，节能收益估算能达到+-20%的准确性就可以了。所以估算时要抓大放小，将收益的大头算出来即可。项目收益计算可以分为两种情形：1.技改使得某单元能耗明显变化，例如增加一台热回收换热器，增加一台溴化锂制冷机等 ；2.技改使得某单元能耗少量变化，并随工况改变而改变，例如变频电机控制在不同的负荷下节能量不同，控制优化的效益也是随着工况条件而改变。这两种工况下，估算效益的方法不一样。

一、节能收益的经验速算

我经常在装置现场或者在中控室看了当前的能耗数据后，便可以快速报出一个数：目前这里大约消耗多少蒸汽；实施某个节能优化后，大约每年节省多少钱。报这些数时，几乎不需要用计算器，依靠心算即可。

能够快速地报出结果，我用了一些经验速算。

1.蒸汽价格、电力价格与年化成本

速算时，可以用自产蒸汽价格约150元，外购蒸汽价格约250元/ton，工业电力日均价0.7元/kWh。装置运行时间按照8000小时估算，若每小时节省1ton/h外购蒸汽，则一年收益=250*8000=2,000,000元=2百万元；若节能1000kW，一年收益=1000*0.7*8000=5.6百万元。

2.水、蒸汽的显热、潜热

速算时，蒸汽作为加热介质时释放出潜热（即汽化热）取2200kJ/kg ，这个热量相当于水在液态时无相变时升高2200/4.2= 520K,  可估计为500K。

这个数字可以快速估算加热水所消耗的蒸汽，例如将10ton/h的水加热升高10K, 所需的蒸汽便是10*10/(500*1)*1=0.2ton/h的蒸汽，先不用考虑蒸汽的压力。

另外，1ton 蒸汽的潜热2200kJ=2200/3600=610kWh,即用电来蒸发1ton水需要消耗610kWh的电 （假设100%转化效率）。

比较分别用蒸汽以及电加热来蒸发1ton水的成本差异：蒸汽加热的成本=1*250=250元（不考虑多效蒸发以及热效率等），电加热的成本=610*0.7=427元。从这个差异便知，有条件用蒸汽加热就要选择蒸汽加热，不要采用电加热。

二、能耗明显变化下的节能项目效益估算

这种情况下，不需要考虑生产工况的变化对节能量的影响了，直接取正常生产工况作为计算基准，计算直接明了。

首先确定计算范围，例如增加了一台热回收换热器回收工艺流股的热量从而减少原先加热蒸汽的用量，此时只需计算这个流股加热到目标温度所减少的蒸汽用量即可。

其次计算小时节能量，取正常工况下的流股流量，以及原工况下流股的初始温度，按照增加换热器后预热的目标温度，便可以计算出改造后回收的热量以及节省的蒸汽流量；

最后计算年化效益，取装置的年计划运行时间、蒸汽单价，与小时节能量相乘，便可以算出年化收益了。

简单的案例计算使用Excel即可，但是如果要遇到精馏塔、反应器改变操作条件后的节能计算，此时靠简单的手算以及Excel计算误差较大，最好采用模拟软件，例如Aspen Plus做个模拟分析比较。

如果一个节能措施设计到多种能源介质，对各个能源介质分别计算收益，累计便可。

若一个节能项目节省某种能源介质，却需要多消耗其他能源介质，分开计算，正负累加便可。例如，溴化锂制冷代替压缩制冷，节电了但要多消耗冷却循环水，取废热的成本为0，某案例计算如下：

三、节能量受工况显著影响下的项目效益计算

如果能耗变化量相对原先正常能耗小于5%，此时计算的小的绝对误差将导致较大的相对误差，所算出的投资回收期误差就较大了。此时要计算不同工况下的收益，最后加权相加。这种计算需要用到历史数据以及简单的统计工具，来计算不同工况发生的比例。

我过去写过一篇文章“估算项目收益需要用点概率”介绍过这种方法，这篇文章里面用到蒙特卡洛模拟，太复杂了。

做节能效益估算时，取几种有限的工况计算便可以。

例如，一台工艺物料泵，增加变频控制后的年化收益。泵的变频控制的节能量与泵流量强相关，此时就需要统计不同流量的发生频率。最好从历史数据库中把去年一年（假设去年为正常生产年份）该泵的流量数据导出，做个频率分析： 

 

最后，计算每种工况下一年工作8000小时的节能量，最后按照发生频率比例加权累加即可。

还有一类便是类似过程控制优化带来的收益计算，这种优化收益来自两个方面：过程以及参数稳定带来的能耗波动的方差变小；参数设定值优化带来能耗直接下降。

此时可以采用负载-单耗曲线与最佳实践性能曲线（BDP）来分析，分为如下步骤：1.确定分析对象，例如某精馏塔，分析该精馏塔在控制优化后的节能潜力。2.利用历史数据绘制负载-单耗曲线：从历史数据库对该精馏塔去年一年的历史数据进行采样，每8小时作为一个样本点，包含进料流量（即负荷）以及蒸汽消耗流量，将蒸汽流量转化为单耗（蒸汽流量/进料流量，单位ton/ton),  用 进料流量与蒸汽单耗两列数据作散点图。3.回归BDP曲线与方程：在负荷范围内取5到10个负荷的下单耗的下四分之一数据的作为最佳实践性能（BDP）数据，对这些点采用数据拟合，方程形式为y=a+b/x ,其中y为单耗，x为负荷。4计算年化节能量：.计算样本集中各个样本点实际单耗与同样负荷下的BDP单耗的差异，计算采样间隔8小时下该样本点节能量。将所有样本点的节能量相加（有的样本点在BPD曲线之下，此时节能量为负数）便得到全年的节能量。基于BDP曲线计算节能量的原理见下图，取下四分之一位数据的BDP曲线相对保守，并没有考虑参数优化带来的效益，所以可以结合流程模拟工具，将BDP曲线适当下移。

关于BDP曲线在前文已有详细介绍，BDP曲线是一种重要的能源管理监控工具。

四、总结

上面介绍的两种情况下的年化节能效益估计，基本可以在Excel里面实现，但需要用到一点简单统计方法。只有涉及到精馏塔、反应器等复杂单元能量平衡时，才需要用流程模拟软件计算。

另外，化工企业一定要建立生产工艺数据的实时数据库，这是数字化项目的必选项。有了实时数据库，便可以对历史数据做统计分析了。

只有那些具备良好投资回报比的低碳技术和项目，才能赢得化工企业的认可和支持，从而实现可持续的低碳发展。没有经济性的低碳项目没有可持续性！