隨著我國碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略的深入實施，節(jié)能降碳工作在當(dāng)前及今后的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的作用日益增強，影響深遠(yuǎn)。同時，我國工業(yè)企業(yè)在能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，綠色清潔能源應(yīng)用不斷增強的環(huán)境下，自身發(fā)展所需能源結(jié)構(gòu)也必然要持續(xù)提質(zhì)升級，才能適應(yīng)高質(zhì)量發(fā)展的要求。本文探討通過模型計算、合理分析，對采用天然氣生產(chǎn)蒸汽再加熱的方式進(jìn)行改造，力求充分體現(xiàn)分布式能源供應(yīng)的能效合理、運行靈活、損耗小、碳排放少、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好、安全性高等優(yōu)點。
一、生產(chǎn)概況
筆者所在企業(yè)的某生產(chǎn)工序，目前使用天然氣燃汽鍋爐生產(chǎn)蒸汽，對槽液進(jìn)行加熱。使用中存在能量高位低用，以及冷凝水熱能回收利用環(huán)節(jié)流程不經(jīng)濟(jì)，同時，企業(yè)蒸汽管線供需端距離超過1公里，蒸汽輸送過程中的熱能損耗過大等諸多問題，致使企業(yè)生產(chǎn)1噸蒸汽需要消耗83m3天然氣。按照目前天然氣市場價格4.72元/m3計，噸蒸汽成本超過390元。在高價位能源的影響制約下，企業(yè)的生產(chǎn)運營處在高成本和高風(fēng)險的不利環(huán)境中。
為此，按照國家節(jié)能降碳工作的總體要求，筆者所在企業(yè)制定了提高主要能源使用績效的改進(jìn)措施，即：擬對原工序蒸汽加熱方式實施節(jié)能降碳改造。首先，通過采用能源分布式供應(yīng)的方式，將能源供應(yīng)點建在用戶端，旨在減少能量傳輸過程的損耗。同時，在優(yōu)化提高電能轉(zhuǎn)換率的前提下，采用電加熱槽液來替代蒸汽加熱，且能夠達(dá)到生產(chǎn)工藝所需的條件。此舉既能有效避免蒸汽加熱方式造成的能量高位低用的窘?jīng)r，還能杜絕蒸汽冷凝水熱能回收環(huán)節(jié)的損耗，從源頭實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置，達(dá)到節(jié)能降碳的效果。對此筆者進(jìn)行如下總結(jié)。
二、現(xiàn)場診斷及問題分析
（一）現(xiàn)場測試收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
筆者所在企業(yè)某工序現(xiàn)有清洗槽4個、火堿槽2個、酸硝槽4個，主要用于產(chǎn)品的工藝處理。2023年10月，調(diào)查人員對其作業(yè)溫度進(jìn)行了監(jiān)測，測試結(jié)果如下：
1.清洗槽：數(shù)量4個；當(dāng)達(dá)到最大生產(chǎn)量時啟用2個。
尺寸（cm）：1500×1500×1700
工藝溫度：≧70℃；實際測溫值：75℃。
2.火堿槽：數(shù)量2個；當(dāng)達(dá)到最大生產(chǎn)量時啟用2個。
尺寸（cm）：3000×1500×1700
工藝溫度：20℃-50℃；實際測溫值：30℃
3.酸硝槽：數(shù)量4個；當(dāng)達(dá)到最大生產(chǎn)量時啟用2個。
尺寸（cm）：3000×1500×1700
工藝溫度：20℃-50℃；實際測溫值：31℃
（二）蒸汽用量
此工序蒸汽用量較為穩(wěn)定，每月的用汽量為400~450噸，平均每天用汽量約14.4噸。按照每天生產(chǎn)16小時計算，平均每小時用蒸汽量為0.9噸。
（三）存在的主要問題
1.蒸汽冷凝水熱量未能有效回收利用
蒸汽冷凝水回收具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義，由于流經(jīng)該工序系統(tǒng)中的冷凝水含有酸堿成分，致使系統(tǒng)硬件容易受腐蝕，而產(chǎn)生跑、冒、滴、漏等問題，導(dǎo)致疏水不暢。通過流程再造分析可見，該工序蒸汽冷凝水熱能回收利用方式并不經(jīng)濟(jì)。
2.能量高位低用
該生產(chǎn)工序加熱系統(tǒng)目前使用天然氣鍋爐生產(chǎn)蒸汽進(jìn)行加熱，存在能量高品低用的弊端。經(jīng)過論證，按照采用高溫?zé)崴姆绞竭M(jìn)行工序加熱，也能滿足生產(chǎn)工序質(zhì)量要求。
3.用燃?xì)馍a(chǎn)蒸汽，運行成本高
目前企業(yè)屬地天然氣價格為4.72元/m3，燃天然氣生產(chǎn)的蒸汽單價超過每噸390元，結(jié)合我國天然氣市場價格持續(xù)高位的國情，如還繼續(xù)采用天然氣燃?xì)忮仩t生產(chǎn)蒸汽，作為二次能源使用，生產(chǎn)成本將持續(xù)走高，不利于企業(yè)參與日趨激烈的市場競爭。
4.蒸汽遠(yuǎn)距離傳輸熱能損耗大
從企業(yè)鍋爐工房生產(chǎn)、輸送蒸汽至該生產(chǎn)工序，管線距離超過1公里，輸送距離遠(yuǎn)。加之該工序蒸汽需求量相對較小，與蒸汽管道設(shè)計主要用途并不匹配。經(jīng)過計算得出，蒸汽輸送過程中的熱能損耗理論上超過總輸送熱量的10%。
三、節(jié)能改造潛力分析
（一）節(jié)能改造必要性分析
通過測試搜集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算得知，采用遠(yuǎn)距離輸送蒸汽加熱的方式，不僅存在著能源成本高、能量輸送質(zhì)量不穩(wěn)定、輸送過程需要等待等問題，且不能達(dá)到按時、按質(zhì)、按需供應(yīng)使用的要求，并造成較大的能源傳輸損耗。同時考慮我國天然氣市場價格持續(xù)高位等外部環(huán)境影響，用蒸汽加熱方式，已不適合該企業(yè)產(chǎn)品市場競爭的內(nèi)在要求。為了提高產(chǎn)品市場競爭力，企業(yè)有必要從能源結(jié)構(gòu)、應(yīng)用方式等方面采取節(jié)能降碳改造。
（二）節(jié)能潛力分析
1.綠色能源推動企業(yè)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整
根據(jù)我國到2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰、到2060年實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，在應(yīng)對全球氣候變化、實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程中，包括水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等綠色能源，將成為綠色發(fā)展重要驅(qū)動力，帶動產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)升級；同時以綠色電力為載體的能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，也成為節(jié)能降碳工作的重要組成部分。
2.采用分布式能源供應(yīng)方式能夠減少輸送損耗
“分布式能源”是一種建在用戶端的能源供應(yīng)方式，可獨立運行，也可并網(wǎng)運行，是以資源、環(huán)境效益最大化確定方式和容量系統(tǒng)將用戶多種能源需求，以及資源配置狀況進(jìn)行系統(tǒng)整合優(yōu)化，采用需求應(yīng)對式設(shè)計和模塊化配置的新型能源系統(tǒng)。國內(nèi)相關(guān)行業(yè)實踐證明，分布式能源具有能效利用合理、損耗小、污染少、運行靈活，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好等特點。調(diào)查人員通過綜合計算得出，采用分布式能源供應(yīng)方式進(jìn)行節(jié)能改造，比傳統(tǒng)用天然氣生產(chǎn)蒸汽再加熱的用能方式更合理，預(yù)計能夠節(jié)約10%以上的過程損耗。
3.分布式能源方式綜合績效突出
分布式能源通過能源供應(yīng)點建在用戶端需求側(cè)的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)就近獨立運行，并根據(jù)用戶對能源的需求變化，實現(xiàn)溫度等參數(shù)的對口供應(yīng)，減少能源傳輸環(huán)節(jié)，將能源輸送損耗降到最低，從而實現(xiàn)能源即用即啟、安全穩(wěn)定運行以及使用效率最大化。目前，分布式能源成為我國能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整的重要方向，也為企業(yè)實現(xiàn)年度節(jié)能降碳目標(biāo)提供了有效保障。
4.減少冷凝水排放，避免終端熱能損失
采用分布式電能加熱方式生產(chǎn)高溫?zé)崴?，不產(chǎn)生蒸汽冷凝水，從源頭避免了蒸汽加熱產(chǎn)生冷凝水排放的熱能損失，能夠節(jié)能10%~15%。
四、節(jié)能降碳效益測算分析
（一）節(jié)能改造前成本、能耗及碳排放測算
1.改造前成本
改造前，企業(yè)采用天然氣生產(chǎn)蒸汽供應(yīng)加熱，平均蒸汽用量為0.9噸/小時，每天用汽量約14.4噸；按照年運行300天測算，年蒸汽用量為4320噸。
輸送損耗按照10%計算，天然氣單價4.72元/m3，天然氣產(chǎn)蒸汽的單耗為83m3/噸。
改造前天然氣成本：4320t/（1-10%）×83m3/t×4.72元/m3=1880448元
2.改造前綜合能耗及碳排放量測算
綜合能耗量=4320t/（1-10%）×83m3/t×1.2143（天然氣折標(biāo)系數(shù)1.2143kgce/m3）÷1000=483.78噸標(biāo)準(zhǔn)煤
碳排放量（噸）=4320t/（1-10%）×83m3/t÷10000×21.62（天然氣排放因子為21.62噸碳/萬m3）=861.34噸碳
（二）改造后運行成本測算
擬通過在該工序用能端就近建立一套電磁熱水發(fā)生器系統(tǒng)，將電能轉(zhuǎn)換為磁熱能，使金屬容器內(nèi)的水自行高速發(fā)熱并達(dá)到工藝參數(shù)，然后再將加熱容器內(nèi)的水輸送到需求端，從而實現(xiàn)對原燃天然氣生產(chǎn)蒸汽供熱系統(tǒng)的替代。改造后設(shè)備設(shè)施運行功率為：初始加熱需要熱量1686825kJ，折算電力為468.56kW·h，考慮存在一定的損耗，按照使用效率90%計算，初始加熱需要電力為520kW·h。
采用電磁熱水發(fā)生器系統(tǒng)，初始加熱功率480kW，運行1—2小時；保溫階段消耗按照30%計算，功率為156kW。
谷段年消耗電力=520kW·h/d×300d/a=156000kW·h/a=15.6萬kW·h/a
平段年消耗電力=156kW×14h/d×300d/a=655200kW·h/a=65.52萬kW·h/a
電力成本=15.6萬kW·h×0.3元/kW·h（谷電價格）+65.52萬kW·h×0.6元/kW·h（峰電價格）=43.99萬元
能耗量=（15.6萬kW·h+65.52萬kW·h）×1.229噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬kW·h=99.70噸標(biāo)準(zhǔn)煤
碳排放量=（15.6MW·h+65.52MW·h）×10×0.61tCO?/MW·h=494.83tCO?
（凈購入電力排放因子為0.61tCO?/MW·h）
（三）改造后節(jié)能降碳效益
年節(jié)約費用為=188.0448萬元-43.99萬元=144.05萬元
年節(jié)能量=483.78噸標(biāo)準(zhǔn)煤-99.70噸標(biāo)準(zhǔn)煤=384.08噸標(biāo)準(zhǔn)煤
年減少碳排放量=861.34tCO?-494.83tco2=366.51tCO?
五、總結(jié)
（一）可行性
此次改造根據(jù)改變用能設(shè)備的加熱方式及工序介質(zhì)容積，合理平衡加熱器功率與初次升溫時間，從而確定電加熱功率。利用原控制系統(tǒng)PLC計算功能和控制開關(guān)，實現(xiàn)對工作槽介質(zhì)溫度的閉環(huán)控制，從而使實際溫度控制在：設(shè)定溫度±2℃的范圍內(nèi)，滿足工藝需求。
（二）先進(jìn)性
由傳統(tǒng)天然氣鍋爐生產(chǎn)出蒸汽，再輸送至工序點進(jìn)行加熱的方式，因生產(chǎn)、輸送、使用以及冷凝水回收等諸多環(huán)節(jié)，存在著熱量損失大、能源綜合效率低等弊端，致使能源利用效率不足60%。而采用電加熱方式，其熱效率高達(dá)90%。此舉不僅避免了蒸汽生產(chǎn)、輸送、冷凝水回收三個中間環(huán)節(jié)的熱損耗，大幅降低了能源成本，還減少了大量污染物的產(chǎn)生。
（三）綠色低碳效益顯著
我國雙碳政策實施力度加強和行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新步伐加快，推動著國內(nèi)風(fēng)電、光電、水電等綠色能源領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，全社會綠色能源占比逐年大幅上升。綠色電能作為轉(zhuǎn)換效率最高、最清潔的能源，也為工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，推進(jìn)節(jié)能降碳改造提供了必要的前提條件，為企業(yè)帶來了實實在在的節(jié)能降碳經(jīng)濟(jì)效益。
在未來我國綠色能源占比逐步加強、應(yīng)用范圍不斷擴大的趨勢下，分布式能源應(yīng)用方式將取得更加顯著的經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能降碳效果，助力我國碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的高質(zhì)量完成。
