王發(fā)明（1973-）

男，山東東營，1995年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)自控專業(yè)，現(xiàn)任工程師、注冊監(jiān)理師、注冊投資咨詢師，一直致力于電儀自控、工藝實驗研究及項目前期開發(fā)等工作。

摘要：當(dāng)前節(jié)能成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要部分。隨著我國節(jié)能工作的發(fā)展，各行各業(yè)節(jié)能意識不斷增強(qiáng)。從儀表設(shè)計、選型、安裝、維護(hù)、研究開發(fā)等方面融入節(jié)能理念，必然會成為今后儀表工作發(fā)展的一個方向，將會給企業(yè)帶來潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益。本文闡述了儀表節(jié)能的途徑和效果。

關(guān)鍵詞：儀表；節(jié)能；途徑；效果

Abstract: Snergy saving is very important in the economic development of China now. Energy 
saving consciousness of people from all walks of life is inceasingly improving with 
development of energy saving work in our country. Energy saving consciousness is integrated 
into instrument design, choice, installation,maintenanceresearch, and so on. This will be a 
main development direction for  future instrument applications, and willgive companies the 
potential economic benefits. This paper describes the ways and effect of energy saving of 
instrument.

Key words: instrument; energy saving; ways; effect

    我國是世界上第二大能源消費(fèi)國，能源消費(fèi)增長速度連續(xù)4年超過GDP的增長速度。且我國也是世界上單位產(chǎn)能能耗最高的國家之一，每千克標(biāo)準(zhǔn)煤創(chuàng)造的GDP僅為0.36美元，世界均值為1.86美元，日本為5.58美元，約是我國的15倍[8]。因此，我國節(jié)能勢在必行，節(jié)能潛力是巨大的。

    目前對許多大中型石化企業(yè)來說，一般注重工藝節(jié)能、設(shè)備節(jié)能，而儀表節(jié)能往往被忽視。筆者認(rèn)為節(jié)能工作應(yīng)貫穿石化各個專業(yè)，需要多個專業(yè)的協(xié)調(diào)及努力才能達(dá)到節(jié)能最優(yōu)及節(jié)能最大化。本文就儀表節(jié)能工作進(jìn)行一些簡單討論，以期能對實際工作起到總結(jié)、引導(dǎo)作用。

1 儀表節(jié)能概念

    節(jié)能是指在滿足相等需要或達(dá)到相同目的的條件下，通過加強(qiáng)用能管理，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理以及環(huán)境和社會可以接受的措施，減少從能源生產(chǎn)到消費(fèi)各個環(huán)節(jié)中的損失和浪費(fèi)，提高能源利用率和能源利用的經(jīng)濟(jì)效果，可分為直接節(jié)能和間接節(jié)能[9]。儀表節(jié)能的概念也是近幾年才被人們提及，國內(nèi)尚沒有統(tǒng)一明確的定義。由于節(jié)能實際內(nèi)涵極為廣泛，我們可以認(rèn)為在儀表方面展開的有關(guān)的節(jié)省資源、資源利用最大化的工作都可認(rèn)為是儀表節(jié)能。

2 儀表節(jié)能途徑及節(jié)能量

    根據(jù)筆者多年從事儀表的實際經(jīng)驗來看，儀表節(jié)能主要應(yīng)從設(shè)計、選型、安裝、維修維護(hù)、研究開發(fā)等幾個方面進(jìn)行。這幾個方面實際上相互交叉，沒有明顯的界限，如設(shè)計中包括選型、安裝，而選型、安裝中貫徹設(shè)計思路、影響維修維護(hù)，維修維護(hù)中則包括有設(shè)計、選型、安裝等因素，研究開發(fā)以之前的設(shè)計、維修維護(hù)等為基礎(chǔ)，又反過來影響設(shè)計、選型、安裝、維修維護(hù)。

    節(jié)能量是指一定時期內(nèi)節(jié)約和少用的能源數(shù)量，也就是在完成相同的工作量（產(chǎn)品、產(chǎn)值、投資），達(dá)到相同目的的前提下所少消耗的能源量。節(jié)能量可根據(jù)形成節(jié)能量的各種因素分別計算，如直接節(jié)能量，間接節(jié)能量，也可計算結(jié)構(gòu)節(jié)能量及某項技術(shù)措施的節(jié)能量等。節(jié)能量與單位能量的價格相乘便能計算出節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益。節(jié)能量一般可采用以下三種方法計算[9]：

    以單耗降低為依據(jù)計算節(jié)能量：

    以效率提高為依據(jù)計算節(jié)能量： 

    以合理節(jié)能率為依據(jù)計算節(jié)能量： 

    式中：—節(jié)能量，eq—技術(shù)措施前單耗，eh—技術(shù)措施后單耗，Gh—技術(shù)措施后產(chǎn)量、工作量，Eh—技術(shù)措施后耗能量，ηq—技術(shù)措施前效益，ηh—技術(shù)措施后效率，—節(jié)能率。

3 儀表節(jié)能措施舉例及效果

3.1 儀表設(shè)計選型節(jié)能

    在一個石化項目的工藝流程設(shè)計過程中，儀表設(shè)計是其一項輔助性工作，但是儀表設(shè)計卻是儀表節(jié)能的開始和關(guān)鍵。

    設(shè)計節(jié)能舉例:

    (1) 設(shè)計中儀表設(shè)置節(jié)能。石化行業(yè)中儀表設(shè)計時不必在所有換熱器循環(huán)水入口都設(shè)置溫度計，只在循環(huán)水進(jìn)水總管上設(shè)置（現(xiàn)場的或遠(yuǎn)傳的）溫度計即可，因為循環(huán)進(jìn)水溫度是一定的，只是在各換熱器出口溫度存在差異。其它像供風(fēng)、供汽等公用工程都可參照這一做法。當(dāng)工程規(guī)模較大時，節(jié)省上百支溫度計輕而易舉，假設(shè)可減少200支溫度計，每支按平均150元計算，僅溫度計節(jié)約3萬元，減少投資的效果是顯著的，這種做法是直接節(jié)能的表現(xiàn)；再如在壓力控制要求不高（調(diào)節(jié)精度±5%～±10%）的場合，可優(yōu)先考慮采用自力式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，它無須配套測量調(diào)節(jié)回路及運(yùn)行時無須外加驅(qū)動能源，僅能源（假如以氣源計）費(fèi)用每年可節(jié)省0.8Nm3/h×8000h×0.15元/Nm3=960元。可見，在工藝自控流圖中儀表設(shè)置的設(shè)計直接影響到工程投資及運(yùn)行節(jié)能情況。

    (2) 儀表選型節(jié)能。拿流量儀表來說，其壓力損失是一種隱形能耗，在實際運(yùn)行中的能量消耗是不容忽視的。在保證工藝精度要求下，我們可首選結(jié)構(gòu)上或技術(shù)上節(jié)能的流量儀表，例如在測量臟污流體時選用差壓式儀表可首選楔形流量計，其原理結(jié)構(gòu)決定了壓損要比孔板小（如圖1[5]所示），參照標(biāo)準(zhǔn)孔板功率公式W=（ΔωqV）/η[6]就能計算出楔形孔板的節(jié)能效果，單臺V形流量計年可節(jié)約耗能費(fèi)達(dá)10萬元以上[10]。再如錐形流量計在β值相同的情況下，其壓損僅是孔板的1/3～1/5，均速管流量計壓損僅為差壓信號的2%～15%，其運(yùn)行費(fèi)用僅為標(biāo)準(zhǔn)孔板流量的1.2%～1.5%，在大管徑情況下，它們具有很大的節(jié)能潛力，在儀表設(shè)計時可優(yōu)先考慮。

   (3) 控制方案及控制系統(tǒng)節(jié)能。在石化行業(yè)中，爐子、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等都是大耗能設(shè)備，優(yōu)化這些設(shè)備的控制方案，將會產(chǎn)生較大的節(jié)能效益。就拿爐子來說，它是石化行業(yè)的耗能大戶，其運(yùn)行的穩(wěn)定性、運(yùn)行效率對節(jié)能來說意義重大。通過選取合理的測溫點及改造爐膛壓力取壓方式、加之與之相配套的控制方案，采用DCS從硬件、軟件兩方面入手，可實現(xiàn)加熱爐的平衡、優(yōu)化運(yùn)行，一般可提高加熱爐效率0.5%～3%，對節(jié)能降耗起到很大的作用，年可節(jié)能百萬元以上[1]。

    在文獻(xiàn)[2]中，中國石化北京燕山分公司煉油廠對催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組及煙機(jī)的控制系統(tǒng)的重新設(shè)計，改變了過去卡件壞、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、調(diào)節(jié)精度低等諸多問題，明顯減少了生產(chǎn)裝置的開工次數(shù)及大幅度波動，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益2394萬元以上，這說明控制方案及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的選擇至關(guān)重要。揚(yáng)子石化股份公司在加氫裂化裝置分餾系統(tǒng)上應(yīng)用了先進(jìn)的多變量預(yù)測控制技術(shù)，顯著提高了兩塔運(yùn)行參數(shù)的平穩(wěn)性，降低了操作人員操作難度，年節(jié)能達(dá)127.4萬元，是優(yōu)化控制方案的成功運(yùn)用[12]；從文獻(xiàn)［10］中看出，在常減壓裝置上采用集散控制系統(tǒng)較常規(guī)儀表控制系統(tǒng)通過提高加熱爐及換熱器傳熱效益，燃料單耗可降低1Kg/t原油，對于150萬噸/年原油加工能力，則每年可節(jié)約燃料1000t，節(jié)能300萬元以上。

    設(shè)計方案、設(shè)計選型非常關(guān)鍵，是節(jié)能最關(guān)鍵的一步。實際上，在設(shè)計的每個細(xì)節(jié)都有節(jié)能的潛力。例如可在測量精度一樣的前提下，選擇較小的測量量程來獲得較高的儀表測量準(zhǔn)確度；在留有適當(dāng)裕量的前提下，選擇合適的Cv值調(diào)節(jié)閥，同一流量下使調(diào)節(jié)閥開度較大，減少調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失的能量等。

    儀表設(shè)計節(jié)能在目前有關(guān)石油化工自動控制設(shè)計手冊中基本不單列或無此項內(nèi)容。筆者認(rèn)為儀表設(shè)計、選型節(jié)能應(yīng)是一項包含理論、應(yīng)用、經(jīng)驗在內(nèi)具有豐富內(nèi)容的課題，有關(guān)部門應(yīng)加大搜集節(jié)能設(shè)計、選型方面的資料及成熟可靠經(jīng)驗，在今后的著書立說中有所體現(xiàn)和表達(dá)。

3.2 安裝節(jié)能

    所謂儀表安裝就是把各個獨立的部件即儀表本體、管線、電纜、附屬設(shè)備等按設(shè)計要求組成回路或系統(tǒng)，完成檢測或調(diào)節(jié)任務(wù)。儀表安裝節(jié)能就是在儀表安裝過程中減少材料消耗或采取一定的安裝技術(shù)減少運(yùn)行費(fèi)用及維修維護(hù)費(fèi)用。儀表安裝時首先作好圖低自審，制定切實可行、具有直接節(jié)能或間接節(jié)能措施的施工技術(shù)方案[7]。儀表安裝的好壞，直接關(guān)系到石化裝置運(yùn)行與維修維護(hù)費(fèi)用。

    下面就儀表安裝節(jié)能舉例。

    (1) 減少直接材料消耗及運(yùn)行能耗的安裝；比如現(xiàn)場壓力表及差壓（或壓力）變送器安裝時，一般采用引壓管方式取壓，在安裝時應(yīng)注意盡量縮短引壓管長度，差壓引壓管盡量減小兩引壓管間距。這樣做的目的，一般可以減少引壓及保溫材料費(fèi)用，重要的一方面是可以減小開工時的熱量損失，增加測量參數(shù)的實時性，減少測量滯后，提高節(jié)能及產(chǎn)品質(zhì)量；又如煉化裝置的壓力控制、料位控制現(xiàn)場引壓管線由于測量物料較重易凝堵，通常加設(shè)有伴熱線。冬季為防止儀表失靈引發(fā)事故，伴熱線常開。在安裝時應(yīng)在蒸汽管線單獨設(shè)置儀表伴熱圖2-b閥，不與工藝伴熱混用圖2-a，可避免工藝與儀表伴熱的不同步性造成伴熱蒸汽量的波動，避免頻繁調(diào)節(jié)伴熱閥造成熱量的損失。

    (2) 技術(shù)“創(chuàng)造性”安裝[13]；如在石化行業(yè)中由于部分被測介質(zhì)凝點較高，就需要對引壓管進(jìn)行保溫，一般做法是在引壓管上纏繞蒸汽加溫管，通過二者之間的熱交換，避免引壓管中被測介質(zhì)凝固。這樣的做法將會造成以下問題：一方面高溫的蒸汽伴熱管與被保溫的低溫管線是兩根管線之間的“線”接觸來“傳導(dǎo)”溫度，高溫蒸汽的很大部分處于自由空間，熱能浪費(fèi)很大；另一方面，蒸汽的溫度較固定，由于被測介質(zhì)性質(zhì)的差異性，使得介質(zhì)照樣凍結(jié)或氣化，影響了壓力表的正確顯示，而且增加了伴熱管線費(fèi)用及后期的運(yùn)行費(fèi)用。針對這些問題，可在安裝時可打破“橫平、豎直”常規(guī)，做一些小的“發(fā)明”就能達(dá)到節(jié)能的目的，也可將需伴熱的壓力表引壓管做成與設(shè)備一定的角度，改變“橫平”的傳統(tǒng)做法（如圖2所示，傾斜角度可變），且盡量縮短引壓管長度。這樣當(dāng)上面的介質(zhì)溫度降低后，其密度增大，可依靠重力下流，而下面設(shè)備中的介質(zhì)上流，不斷的進(jìn)行循環(huán)，傾斜角度不同，循環(huán)速度不同，從面實現(xiàn)介質(zhì)的自保溫，無需外部蒸汽保溫；基于此原理，也可使壓力變送器或差壓變送器的引壓管高于取壓點安裝，大部分也可實現(xiàn)“自保溫”。這樣，即可保證儀表長周期正確運(yùn)行，而且節(jié)能效果顯著。

    (3) 其它節(jié)能安裝；如在施工過程中合理布局，盡量減少管（纜）彎路、轉(zhuǎn)折點，減少敷設(shè)電纜數(shù)量，降低各種動力源的壓力損失等措施達(dá)到節(jié)能目的。

3.3 維修維護(hù)節(jié)能

    現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，自動化程度越來越高，相應(yīng)的自動化儀表使用量也越來越大。要想石化裝置長期穩(wěn)定地運(yùn)行，儀表的長期穩(wěn)定工作就必不可少，儀表的使用維修維護(hù)對節(jié)能就顯得格外重要。通過清理、更換小部件等維護(hù)維修手段使不良設(shè)備運(yùn)行正常達(dá)到節(jié)能是顯而易見的，在此筆者就石化行業(yè)蒸汽及凈化風(fēng)的情況著重舉例。

    (1) 儀表蒸汽伴熱在石化行業(yè)非常普遍，伴熱用蒸汽疏水器在整個蒸汽系統(tǒng)中是個小配件，但它對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響很大。從筆者多年從事儀表維修的經(jīng)驗來看，應(yīng)將疏水器的運(yùn)行情況納入儀表維修維護(hù)日記，著重關(guān)注疏水器回水管溫度變化。當(dāng)溫度太熱表明有竄汽現(xiàn)象，以儀表伴熱用的熱靜力式疏水器為例，假設(shè)不良疏水器在0.5MPa的壓力下跑汽，就相當(dāng)于3mm直徑孔的跑汽量，一年要損失蒸汽168t，折算成燃料煤23.52t，僅一個疏水器就造成近2.35多萬元的能源損耗。設(shè)想一下，一個中型石化項目近百臺疏水器要損失多少燃料？整個工廠又要損失多少燃料呢？當(dāng)回水管道不熱則表明疏水器不動作，維修人員應(yīng)及時進(jìn)行在線檢修。確保疏水器的良好運(yùn)行所節(jié)約的能源比其投資高出幾十倍甚至上百倍，因此在日常的維修維護(hù)中要更好地跟蹤監(jiān)視儀表疏水器的工作情況有重要的節(jié)能意義。

    (2) 假設(shè)由于工業(yè)大氣腐蝕等原因造成儀表凈化風(fēng)供風(fēng)管道上一Φ1mm的小孔漏氣，那么我們計算一下泄漏量，取氣體流速為V=20m/s（一般在15～30m/s），壓力為0.6MPa(G)，泄漏量： ，這幾乎相當(dāng)于一臺調(diào)閥的實際耗氣量，泄漏量與泄漏孔半徑之比的平方（R2/R1）2成正比增長。當(dāng)裝置中氣源管路有松動或卡套式接頭處略有漏風(fēng)，其長期運(yùn)行必將造成凈化風(fēng)的極大浪費(fèi)，因此在維修維護(hù)過程中注意這一點，往往會“舉手之勞” “收益非淺”。

3.4 儀表操作節(jié)能

    在儀表日常操作過程中，加強(qiáng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控，處處貫徹節(jié)能的思想，便可發(fā)現(xiàn)在滿足工藝要求的前提下，節(jié)能處處可挖。下面舉例說明。

    (1) 嚴(yán)格操作規(guī)程實際就是節(jié)能的保證。如引壓管帶隔離液的差壓式變送器，三閥組有嚴(yán)格的投運(yùn)及停運(yùn)步驟，操作不當(dāng)一方面可能使隔離液流失，引起變送器傳感器損壞，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，另一方面可能給工藝帶來錯誤的操作信息，造成工藝裝置操作不穩(wěn)，甚至釀成事故；我公司就發(fā)生過因差壓計內(nèi)一側(cè)隔離液在儀表維修時放空造成了虛假液位，引起油品冒罐事故，造成經(jīng)濟(jì)損失15萬余元。

    (2) 根據(jù)公司具體情況調(diào)整儀表設(shè)備的操作實現(xiàn)節(jié)能。如調(diào)整凈化風(fēng)露點節(jié)能，在一般凈化風(fēng)系統(tǒng)中，都采用冷凍加吸附塔的運(yùn)行模式，這樣會得到露點品質(zhì)較高的凈化風(fēng)。此模式的缺點是未充分考慮壓縮風(fēng)露點與環(huán)境溫度的變化之間的關(guān)系，無論是在夏季還是在冬季都產(chǎn)出露點-60℃的壓縮風(fēng)，這勢必造成一定的電能浪費(fèi)。我們完全可根據(jù)季節(jié)的變化，采取一定的措施，只要滿足生產(chǎn)需要及運(yùn)行安全，不過高的控制凈化風(fēng)的露點就能達(dá)到節(jié)能。中石化濟(jì)南分公司通過夏季運(yùn)行時停運(yùn)吸附塔，只運(yùn)行冷凍機(jī)組，凈化風(fēng)的壓力露點控制在10℃左右，可保證全廠的安全用風(fēng)要求。冬季運(yùn)行時可根據(jù)天氣溫度的變化停運(yùn)行冷凍機(jī)組，單獨運(yùn)行干燥塔，可保證凈化風(fēng)的露點控制在-60℃左右。凈化風(fēng)這種運(yùn)行方式年節(jié)能達(dá)60多萬元[3]。這是一種有效的操作節(jié)能方式，既能保證生產(chǎn)的安全用風(fēng)，也能達(dá)到節(jié)能的目的。

3.5 研究開發(fā)節(jié)能

    目前，儀表種類繁多，各有特點。至目前為止，還沒有一種儀表可應(yīng)用在任何環(huán)境都是最優(yōu)的。因此，設(shè)計適應(yīng)性強(qiáng)、無阻力、非接觸的節(jié)能型儀表及先進(jìn)控制技術(shù)是時代發(fā)展對每一位從事石化儀表研究開發(fā)人員的要求。

    (1) 節(jié)能儀表研究開發(fā)

    舉例來說流量儀表的種類繁多，相對于孔板流量計來說，V形流量計及均速管流量計有著較顯著的節(jié)能效果。但V形流量計具有價格高、吊裝困難等不足，不論是計算、制造、安裝、使用等，V形流量計尚缺少規(guī)范和數(shù)據(jù)；均速管流量計當(dāng)直管段長度無法滿足時，其準(zhǔn)確度也難以高于±2%～3%。因此，對節(jié)能儀表需進(jìn)一步加深研究力度，獲取數(shù)據(jù)資料，對其進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)或理論技術(shù)創(chuàng)新，使其趨近于“完美”的節(jié)能儀表，真正實現(xiàn)在石化行業(yè)上大規(guī)模、大范圍應(yīng)用。

    (2) 先進(jìn)控制技術(shù)的研究開發(fā)

    在目前石化行業(yè)中控制算法基本是以PID為主，復(fù)雜控制方案中90%用的還是PID。而模型預(yù)測控制、內(nèi)模控制、模糊控制等先進(jìn)控制大多處于理論研究。因此，開發(fā)針對石化行業(yè)的專用實時控制技術(shù)及控制策略，改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高燃料利用率，優(yōu)化裝置用能，這就要求儀表技術(shù)人員具備較高的理論水平及實際的石化行業(yè)控制經(jīng)驗。各種文獻(xiàn)中這點論述較多，在此不過多闡述。

3.6 儀表管理節(jié)能[8]

    2006年8月23日，國務(wù)院發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能工作的決定》，將“合同能源管理”確定為節(jié)能領(lǐng)域重點推廣模式。這預(yù)示著中國節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)化步伐將加速。合同能源管理是一種以節(jié)省的能源費(fèi)用來支付節(jié)能項目全部成本的節(jié)能投資方式。節(jié)能項目由節(jié)能公司實施，節(jié)能公司以分享節(jié)能項目實施后產(chǎn)生的節(jié)能效益來獲得利潤。這為儀表管理節(jié)能模式的發(fā)展及運(yùn)作指明了方向。這里僅以強(qiáng)化儀表日常管理及ERP系統(tǒng)為例說明一下：

    (1) 強(qiáng)化儀表日常管理

    石化公司首先要杜絕儀表的“跑、冒、滴、漏”的情況，要做好這點主要的控制點應(yīng)該是在儀表設(shè)計、選型、安裝的時候都要嚴(yán)格把關(guān)，維護(hù)要及時到位。另外一個方面就是儀表的易損件的更換和采購，必須要做到有嚴(yán)格的管理制度，什么樣的東西才算是報廢，怎么處理，耗材主要是集中處理的掌握等，其次日常維護(hù)的油、膠帶、工具、線纜等的保管也是控制的關(guān)鍵。

    (2) 加強(qiáng)石化行業(yè)企業(yè)資源計劃(ERP)系統(tǒng)的推廣力度

     ERP是一種現(xiàn)代企業(yè)的先進(jìn)管理方法，采用ERP系統(tǒng)，可將工藝節(jié)能、設(shè)備節(jié)能、儀表節(jié)能、電氣節(jié)能等有效的結(jié)合起來，實現(xiàn)資源最優(yōu)化，將使企業(yè)獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

    在石化行業(yè)中，一般認(rèn)為工藝節(jié)能、設(shè)備節(jié)能首當(dāng)其沖，但儀表節(jié)能的作用同樣不可忽視。儀表節(jié)能貫徹在儀表控制方案、設(shè)備選型、安裝、維修維護(hù)、管理等各個環(huán)節(jié)，注重每一個細(xì)節(jié)，都有可能帶來明顯的節(jié)能效果，重視儀表節(jié)能工作的開展，提高儀表人員節(jié)能意識，為石化行業(yè)的節(jié)能工作添磚增瓦。雖然儀表節(jié)能工作是長期的、艱巨的，但這是時代賦與我們每個從事自控專業(yè)技術(shù)人員的責(zé)任和義務(wù)。


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