孫麗麗, 李進(jìn)鋒, 郭中華

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司,北京 100101)

中國(guó)能源結(jié)構(gòu)正加速向清潔低碳化方向轉(zhuǎn)型,工業(yè)減碳對(duì)全國(guó)整體實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有重要影響,而工業(yè)又是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,對(duì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的規(guī)模和水平具有決定性作用[1]。如何在全力保障國(guó)家能源戰(zhàn)略安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的同時(shí),實(shí)現(xiàn)降碳減排和提質(zhì)增效等高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo),是當(dāng)前中國(guó)工業(yè)發(fā)展迫切需要解決的重要戰(zhàn)略問(wèn)題?；谥袊?guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要,以石化、鋼鐵、煤炭等為代表的高耗能高碳排行業(yè),通過(guò)行業(yè)內(nèi)節(jié)能提效實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)仍面臨極大挑戰(zhàn)。一方面,行業(yè)內(nèi)能效持續(xù)提升面臨瓶頸,以“能效提升”為目標(biāo)的“投入產(chǎn)出比”越來(lái)越大,節(jié)能降耗以及間接減少碳排放的難度也越來(lái)越大[2]。另一方面,行業(yè)內(nèi)資源高效利用面臨局限。當(dāng)前資源和能源基本以行業(yè)內(nèi)自產(chǎn)自用為主,多元化利用途徑有限,傳統(tǒng)的管理模式制約了資源利用的價(jià)值提升和能源利用的能效提高[3]。在新能源發(fā)展利用的基礎(chǔ)上,有必要進(jìn)一步打破行業(yè)壁壘和用能障礙,構(gòu)建行業(yè)間多能互補(bǔ)的清潔低碳能源耦合體,推動(dòng)行業(yè)間多種資源能源的橫向耦合利用和縱向挖潛增效,促進(jìn)行業(yè)能效持續(xù)提升和降碳減排,實(shí)現(xiàn)多行業(yè)協(xié)同可持續(xù)發(fā)展。筆者立足行業(yè)間多能互補(bǔ)的清潔低碳能源耦合體的發(fā)展現(xiàn)狀,以石化、鋼鐵、煤炭等行業(yè)為對(duì)象,分析行業(yè)間多種能源耦合面臨挑戰(zhàn),研究面向多行業(yè)的清潔低碳能源耦合體的構(gòu)建思路、構(gòu)建目標(biāo)、實(shí)施路徑及典型案例,并提出對(duì)策建議。

1 行業(yè)間多種能源耦合面臨的挑戰(zhàn)

1.1 行業(yè)特征差異大增加行業(yè)間能源耦合難度

(1)行業(yè)產(chǎn)能布局差異制約能源耦合利用。因加工原料來(lái)源、產(chǎn)品需求市場(chǎng)等不同,不同行業(yè)的重點(diǎn)產(chǎn)能分布區(qū)域差異較大。例如,石化行業(yè)分布集中于中國(guó)東部、東南部沿海地區(qū);鋼鐵行業(yè)分布集中于京津唐、遼魯冀豫地區(qū)和江蘇等省份;煤炭行業(yè)分布集中于山西、內(nèi)蒙、陜西、新疆等西北部地區(qū)。由此可見(jiàn),上述典型行業(yè)布局于同一地區(qū)的產(chǎn)能占行業(yè)總產(chǎn)能比例較低;當(dāng)不同行業(yè)的企業(yè)相距較遠(yuǎn)時(shí),開(kāi)展行業(yè)間能源資源耦合難度增大、從而影響耦合效果和經(jīng)濟(jì)性。

(2)相關(guān)行業(yè)生產(chǎn)流程復(fù)雜使能源深度耦合難度高。開(kāi)展行業(yè)間多種能源深度耦合是一項(xiàng)系統(tǒng)優(yōu)化工程,涉及更高層次的全局能源系統(tǒng)優(yōu)化、原料加工過(guò)程優(yōu)化、能源資源管理優(yōu)化等[4]。因此,需要對(duì)多個(gè)行業(yè)的能源系統(tǒng)、工藝過(guò)程、原料加工、廢棄資源/低品質(zhì)資源的高效利用技術(shù)等多方面進(jìn)行深入認(rèn)識(shí)和系統(tǒng)分析,依此研究行業(yè)之間的能源資源耦合匹配度、模式和路徑。

(3)行業(yè)間面臨多種能源耦合匹配度的挑戰(zhàn)。與石化、鋼鐵和煤炭等傳統(tǒng)工業(yè)相比,新能源產(chǎn)業(yè)起步較晚但發(fā)展十分迅速。目前,新能源與傳統(tǒng)工業(yè)的能源耦合路徑主要有電-電耦合、電-氫耦合等,并以電-電耦合為主,即將新能源轉(zhuǎn)變?yōu)榫G電后再供應(yīng)傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用[5]。然而石化、鋼鐵和煤炭等行業(yè)現(xiàn)有能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以化石能源為主,用電比例偏低,如典型煉油企業(yè)能源構(gòu)成中的用電比例約20%～30%。能源供需結(jié)構(gòu)的不匹配導(dǎo)致現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)與新能源產(chǎn)業(yè)的耦合難度加大,需要對(duì)現(xiàn)有用能系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)。

1.2 能源耦合互聯(lián)網(wǎng)仍處于探索起步階段

(1)支撐能源耦合互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境尚不健全。能源互聯(lián)網(wǎng)作為跨領(lǐng)域的融合產(chǎn)物,需要多領(lǐng)域進(jìn)行更深層的整合,包括傳統(tǒng)能源與新能源的整合,智能化控制技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)和能源路由器技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的整合,傳統(tǒng)商業(yè)模式與新興商業(yè)模式的整合[6]。目前不同能源行業(yè)整合的深度還不夠,導(dǎo)致能源耦合互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)還缺乏一個(gè)生態(tài)環(huán)境。

(2)構(gòu)建能源耦合互聯(lián)網(wǎng)所需的高端智能裝備缺乏。裝備智能化是能否實(shí)現(xiàn)感知、分析、推理、決策、控制等功能的關(guān)鍵,智能裝備是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要構(gòu)成和基礎(chǔ)。中國(guó)智能裝備產(chǎn)業(yè)存在創(chuàng)新能力薄弱、市場(chǎng)規(guī)模小、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)不牢等問(wèn)題,需夯實(shí)基礎(chǔ)研究和拓展高端市場(chǎng)。

(3)支撐能源耦合互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心技術(shù)存在瓶頸。能源耦合互聯(lián)網(wǎng)仍有許多支撐技術(shù)處在瓶頸階段,如智能傳感技術(shù)、綜合能源調(diào)度運(yùn)行管理技術(shù)、信息物理系統(tǒng)等。智能傳感技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ),綜合能源調(diào)度運(yùn)行管理技術(shù)可以提高能源利用效率,信息物理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)能源與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交互,并提高信息與硬件的安全性[6]。中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè),雖然形成了一定的規(guī)模和體系,但核心能力還需要持續(xù)提升。

1.3 缺乏有效打破行業(yè)間用能壁壘的多能耦合管控模式

構(gòu)建多能互補(bǔ)的清潔低碳能源耦合體,不僅需要開(kāi)發(fā)各領(lǐng)域眾多關(guān)鍵技術(shù),更需要破除各能源種類(lèi)及相關(guān)能源行業(yè)之間的壁壘[7]。尤其是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài),產(chǎn)業(yè)發(fā)展步入轉(zhuǎn)型升級(jí)和綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展階段,行業(yè)單打獨(dú)斗的局限性也日趨明顯,亟待實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)的融合發(fā)展和協(xié)同創(chuàng)新。當(dāng)前,缺乏有效打破行業(yè)間用能壁壘的多能耦合管控模式。

2 清潔低碳能源耦合體構(gòu)建思路與目標(biāo)體系

2.1 清潔低碳能源耦合體的構(gòu)建思路

以石油、煤炭、天然氣為代表的化石能源和以太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)?、氫能、生物質(zhì)能為代表的新能源及新型核能,在石化、鋼鐵、煤炭等行業(yè)應(yīng)用過(guò)程中,通過(guò)所轉(zhuǎn)化供給的熱、電、氫等為能量載體,以C、H、O等元素為物質(zhì)載體,以能源優(yōu)化配置系統(tǒng)為信息載體,由物質(zhì)流、能量流和信息流的“高速公路”來(lái)融通,實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)及行業(yè)間多能互補(bǔ)、智能互聯(lián),形成清潔低碳能源耦合體。多能互補(bǔ)的清潔低碳能源耦合體構(gòu)建框架思路如圖1所示。

圖1 清潔低碳的能源耦合體構(gòu)建思路

(1)科技創(chuàng)新。科技創(chuàng)新是構(gòu)建清潔低碳能源耦合體的基礎(chǔ)和動(dòng)能。要結(jié)合國(guó)家中長(zhǎng)期科技規(guī)劃,聚焦高質(zhì)量發(fā)展需要,大力開(kāi)展綠色能源供應(yīng)及應(yīng)用技術(shù)、化石能源清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)、廢棄物資源化利用及清潔化處理技術(shù)等領(lǐng)域的科技創(chuàng)新,解決耦合體內(nèi)物質(zhì)、能量、信息在行業(yè)內(nèi)及行業(yè)間循環(huán)流動(dòng)的科技問(wèn)題,使生產(chǎn)過(guò)程更綠色、低碳、高效、環(huán)保,為建立清潔、低碳的能源耦合體提供支撐。

(2)能源耦合互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新。運(yùn)用5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息技術(shù),構(gòu)建智能優(yōu)化控制系統(tǒng),將各行業(yè)物質(zhì)流和能量流進(jìn)行協(xié)同集成,形成“開(kāi)放、互聯(lián)、共享、智慧”的“多能源耦合互聯(lián)網(wǎng)”(如圖2所示),可以為能源生產(chǎn)者和終端用戶(hù)提供開(kāi)放平臺(tái),打通不同行業(yè)之間的物質(zhì)流和能量流,實(shí)現(xiàn)多種能源的開(kāi)放互聯(lián)和調(diào)度優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的智能管控,為多能源耦合體建立提供支持。

圖2 能源耦合互聯(lián)網(wǎng)

(3)管控模式創(chuàng)新。加快構(gòu)建清潔低碳能源耦合體是破解資源環(huán)境約束、提升資源綜合利用效率的有力舉措。應(yīng)立足石化、鋼鐵、煤炭等行業(yè)協(xié)同發(fā)展實(shí)際,通過(guò)整體謀劃和統(tǒng)籌銜接,構(gòu)建橫向到邊、縱向到底的高效協(xié)同管控體系,打破行業(yè)間政策、技術(shù)、管理和信息壁壘,實(shí)現(xiàn)能源耦合體界面清晰明確、資源優(yōu)化配置、要素高效流動(dòng),從而進(jìn)一步促進(jìn)形成結(jié)構(gòu)清晰、競(jìng)爭(zhēng)有效、規(guī)范有序的能源發(fā)展格局。能源耦合體管控體系的構(gòu)建要處理好整體與局部要素的關(guān)系,需包含一系列資源保障、運(yùn)行維護(hù)、應(yīng)急處理、合理分配、持續(xù)改進(jìn)等機(jī)制作為支撐,且要加強(qiáng)各機(jī)制間的系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性、銜接性,采取深入論證、反復(fù)推演、示范驗(yàn)證、梯級(jí)推進(jìn)的方式,確保整體推進(jìn)和重點(diǎn)突破相統(tǒng)一。

2.2 清潔低碳能源耦合體的目標(biāo)體系

(1)促進(jìn)能效提升。清潔低碳能源耦合體的首要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)外的原料和能源的耦合集成與循環(huán)利用,系統(tǒng)提高石化、鋼鐵、煤炭等行業(yè)能源利用的整體能效。既注重對(duì)化石能源使用過(guò)程中提高能效的節(jié)能技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新應(yīng)用,也要充分發(fā)揮新能源在用能過(guò)程中的多能互補(bǔ)作用。

(2)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。清潔低碳能源耦合體構(gòu)建的本質(zhì)目的是實(shí)現(xiàn)相關(guān)行業(yè)的清潔生產(chǎn)。近期目標(biāo)是通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新不斷提高融入新能源比例,降低生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污染物,實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn);遠(yuǎn)期目標(biāo)是隨著新能源技術(shù)進(jìn)步和成本降低,逐步形成以新能源為主、以化石能源為重要基礎(chǔ)保障的新型能源體系,實(shí)現(xiàn)本質(zhì)意義上的清潔低碳生產(chǎn)。

(3)確保經(jīng)濟(jì)可靠。統(tǒng)籌考慮中國(guó)能源資源稟賦和新能源發(fā)展的實(shí)際狀況,兼顧能源之間差異和互補(bǔ)性,通過(guò)建立清潔低碳能源耦合體,提高能源縱向梯級(jí)利用或橫向多行業(yè)互補(bǔ)運(yùn)行水平,打破能源企業(yè)和相關(guān)行業(yè)間壁壘,為工業(yè)和社會(huì)提供安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)可靠的能源供給,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[8]。

(4)引領(lǐng)低碳發(fā)展。從宏觀能源規(guī)劃、中觀能量集成和微觀過(guò)程強(qiáng)化等3個(gè)層面創(chuàng)新設(shè)計(jì)、實(shí)施全局節(jié)能,最大化使用低碳的非化石能源,減少過(guò)程碳排放;針對(duì)用能過(guò)程中排放的CO2,進(jìn)一步通過(guò)其高效轉(zhuǎn)化利用,減少末端碳輸出。

3 能源耦合體的實(shí)施路徑

3.1 建立綠色高效科技創(chuàng)新體系

(1)加大新舊能源轉(zhuǎn)換,構(gòu)建綠色能源供應(yīng)及應(yīng)用技術(shù)體系。有序提高電氣化率。針對(duì)不斷擴(kuò)大的“綠電”供應(yīng)能力,在電催化、電加熱、電驅(qū)代替汽驅(qū)等方面進(jìn)行電氣化技術(shù)創(chuàng)新研究,為提高“綠電”應(yīng)用范圍提供技術(shù)支撐。例如鋼鐵企業(yè)電爐的應(yīng)用,使得煉鋼不需要消耗焦炭和煤粉,主要消耗的能源為電,同時(shí)電爐短流程煉鋼工序能耗低,因此可以從源頭上減少化石能源的消耗和碳排放。

逐步提高新能源消納率。據(jù)研究預(yù)計(jì),未來(lái)十年,風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電合計(jì)年均至少新增規(guī)模6 700萬(wàn)kW以上,到2030年將達(dá)到12億kW,新能源將迎來(lái)跨越式發(fā)展[9]。因此科技創(chuàng)新解決高效穩(wěn)定地消納新能源的工藝和裝備瓶頸,才能將新能源在石化、鋼鐵等行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。

支持并加大核能的利用。根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)的定義,小型核反應(yīng)堆(SMR)是發(fā)電功率小于300 MW的核反應(yīng)堆動(dòng)力裝置,在安全性上有所保障,并且兼具經(jīng)濟(jì)性。小型核堆能量密度高,具有滿(mǎn)足大型企業(yè)熱電需求的潛力,將核電部分或全部替代煉化企業(yè)的外部電力是降低碳排放的有效手段,核電站自產(chǎn)廢熱還可以用作制冷,供石化企業(yè)的工藝?yán)?能進(jìn)一步降低其碳排放。

(2)加強(qiáng)耦合新工藝開(kāi)發(fā),構(gòu)建化石能源高效轉(zhuǎn)化技術(shù)體系?；谥袊?guó)油氣資源嚴(yán)重不足、煤炭資源較為豐富的能源稟賦特點(diǎn),通過(guò)適度發(fā)展油煤共煉、煤高效制化學(xué)品等煤炭深加工技術(shù)路線(xiàn),可有效推動(dòng)劣質(zhì)重油和煤炭作為原料高效清潔轉(zhuǎn)化為市場(chǎng)需求量大的成品油、化學(xué)品和高端新材料,提高化石能源的資源化利用效率。油煤一體化加工路線(xiàn),一方面可以實(shí)現(xiàn)煤基制油品和化工品與石油化工產(chǎn)業(yè)鏈的耦合,解決石化產(chǎn)業(yè)劣質(zhì)油高效轉(zhuǎn)化和煤化工產(chǎn)業(yè)及煤液化等多領(lǐng)域的技術(shù)難題,搭建起煤炭清潔高效利用與劣質(zhì)重油深加工融合發(fā)展的平臺(tái),實(shí)現(xiàn)資源的集約化利用;另一方面通過(guò)集成耦合多種分離技術(shù)與轉(zhuǎn)化技術(shù),使煤制氫尾氣、蒸汽裂解爐煙氣和費(fèi)托合成尾氣資源得到進(jìn)一步加工利用,同時(shí)將CO2轉(zhuǎn)化增產(chǎn)基礎(chǔ)化工品和高附加值化工品,降低過(guò)程碳排放,最終實(shí)現(xiàn)石油、煤炭等化石能源的最大化資源利用。

(3)開(kāi)展廢棄物高效循環(huán)利用研究,構(gòu)建廢棄物的資源化利用技術(shù)體系。提高碳資源利用率。碳捕集技術(shù)在工業(yè)中主要有吸收法、吸附法和膜分離法等。CO2封存主要有驅(qū)油、驅(qū)氣等封存技術(shù)。CO2轉(zhuǎn)化利用主要包括化工利用、生物利用和礦化利用轉(zhuǎn)化為化學(xué)品[10]。其相關(guān)技術(shù)仍處于基礎(chǔ)研究和示范工程階段,受其高能耗、高成本、高不確定性等問(wèn)題的困擾,尚缺乏規(guī)模性、多種技術(shù)耦合的全流程工業(yè)化項(xiàng)目。因此要持續(xù)圍繞CCUS各個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)展核心技術(shù)攻關(guān),研發(fā)低成本和低能耗的先進(jìn)CCUS技術(shù),以降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。

提高固廢綜合利用效率。建立多元化綜合利用技術(shù)體系,分種類(lèi)、分區(qū)域提升工業(yè)廢棄物循環(huán)利用水平。一方面要推動(dòng)工業(yè)廢棄物規(guī)?；?。對(duì)于技術(shù)較成熟、利用量較大的粉煤灰、煤矸石、脫硫石膏、污泥等大宗固廢,積極推動(dòng)與建材等行業(yè)融合發(fā)展,使固廢作為原料替代資源,實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢棄物跨行業(yè)和跨區(qū)域的規(guī)模化利用[11]。另一方面要推動(dòng)工業(yè)廢棄物高值化利用。如廢催化劑、廢氣化渣高值金屬回收利用以及粉煤灰基于有價(jià)元素提取的高值化應(yīng)用等。

推動(dòng)廢塑料高效化學(xué)回收利用。廢塑料化學(xué)循環(huán)技術(shù)是將塑料廢棄物經(jīng)過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化,生成油、氣、炭、單體等中間化學(xué)品,與煉油化工行業(yè)耦合,既可以被利用制備其它聚合材料,又可以替代部分化學(xué)原料,實(shí)現(xiàn)資源利用。與廢塑料焚燒發(fā)電相比,廢塑料化學(xué)進(jìn)一步循環(huán)制新塑料,碳減排量近50%。

推動(dòng)生物質(zhì)能源替代化石能源。生物質(zhì)能具有環(huán)境友好、成本低廉和碳中性等特點(diǎn),相關(guān)技術(shù)主要包括生物質(zhì)發(fā)電、生物液體燃料、生物燃?xì)狻⒐腆w成型燃料、生物基材料及化學(xué)品等。其中,生物質(zhì)燃料和生物基材料及化學(xué)品是未來(lái)發(fā)展的一大重點(diǎn),如生物航油、超低凝點(diǎn)柴油;生物基平臺(tái)化合物、生物基塑料、多糖類(lèi)生物基材料、氨基酸類(lèi)生物基材料、木塑復(fù)合材料等。

3.2 構(gòu)建互聯(lián)互通的能源耦合互聯(lián)網(wǎng)

(1)能源耦合互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展機(jī)制。依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化配置要素資源。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將實(shí)體工業(yè)經(jīng)濟(jì)中的各生產(chǎn)要素變成自己平臺(tái)的可支配資源,通過(guò)要素資源整合與共享,幫助不同行業(yè)的企業(yè)拉長(zhǎng)原有產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈,使多能源耦合體形成跨地區(qū)、跨企業(yè)、跨系統(tǒng)的要素共享。

依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)促進(jìn)能源耦合體的技術(shù)創(chuàng)新。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在連接不同行業(yè)的諸如設(shè)備、原材料、用戶(hù)等要素資源后,在共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)優(yōu)化、資源協(xié)同和模式創(chuàng)新。共享統(tǒng)一的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為技術(shù)創(chuàng)新注入活力,有利于提高不同行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新水平[12]。

依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分解與整合多能耦合體價(jià)值鏈。企業(yè)依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),構(gòu)建價(jià)值鏈工業(yè)模型,結(jié)合自身的需求,將不同行業(yè)的要素進(jìn)行高效整合,使不同行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈、價(jià)值鏈分解后以新的方式更加關(guān)系性、結(jié)構(gòu)性地整合在一起。

依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)集聚。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)大量的數(shù)據(jù)匯聚、建模計(jì)算與工業(yè)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)結(jié)合,可以不斷優(yōu)化資源配置效率,催生全新變革,使標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)逐漸趨向于規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn),制造和服務(wù)模式向智能化高級(jí)化發(fā)展,企業(yè)的組織模式跨越地理集聚的限制,走向網(wǎng)絡(luò)協(xié)同化集聚[12]。

(2)構(gòu)建能源耦合互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。能源耦合互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)主要由能源生產(chǎn)與消費(fèi)層、能源與信息傳輸層、“互聯(lián)網(wǎng)+ ”層、能源交易層組成(圖3)。

圖3 能源耦合互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

能源生產(chǎn)與消費(fèi)層,即在能源耦合互聯(lián)網(wǎng)中,用戶(hù)同時(shí)扮演能源生產(chǎn)者和消費(fèi)者兩種角色。能源傳輸層指在協(xié)同控制基礎(chǔ)上,具有多種能量、負(fù)荷調(diào)控手段,以經(jīng)濟(jì)性和安全性為目標(biāo),自適應(yīng)調(diào)節(jié);信息傳輸層即多能耦合體內(nèi)局域網(wǎng),負(fù)責(zé)傳遞能源生產(chǎn)情況、生產(chǎn)負(fù)荷預(yù)測(cè)信息和需求側(cè)管理調(diào)度信號(hào)等。“互聯(lián)網(wǎng)+ ”層的功能包括能源大數(shù)據(jù)處理、分析,生產(chǎn)與消費(fèi)行為的統(tǒng)計(jì)、分析以及信息安全保障等內(nèi)容,體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的深度融合,并影響著能源管理策略與能源互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式。能源交易層受上一層傳遞信息引導(dǎo),淡化生產(chǎn)者與消費(fèi)者的界限,設(shè)備、能源和服務(wù)都可以進(jìn)行自由交易。通過(guò)信息與能源的高度融合不斷探索新的能源商業(yè)模式[13]。

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、能源信息網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、安全先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多能源耦合互聯(lián)。在此基礎(chǔ)之上,進(jìn)行多能源耦合的建模與仿真、融合規(guī)劃和信息安全研究,以正確描述多行業(yè)信息流與能量流、信息流與物質(zhì)流之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)相互影響的定量分析與評(píng)估。

3.3 打造高效協(xié)同的能源耦合管控體系

基于系統(tǒng)工程理論打造能源耦合體全過(guò)程管控體系(圖4),從體制機(jī)制層面支撐耦合體構(gòu)建并保障其順暢運(yùn)行。高效協(xié)同能源耦合體管控體系立足石化、鋼鐵、煤炭行業(yè)協(xié)同發(fā)展實(shí)際,以制度保障機(jī)制為統(tǒng)領(lǐng),以資源保障機(jī)制為基礎(chǔ),以運(yùn)行保障機(jī)制為支撐,一方面帶動(dòng)能源耦合體要素進(jìn)一步挖潛增效,另一方面實(shí)現(xiàn)能源耦合體自身資源優(yōu)化配置、運(yùn)行高效順暢、管理持續(xù)提升。

圖4 高效協(xié)同能源耦合體管控體系

(1)建立基于全生命周期管理的制度保障機(jī)制。制度保障機(jī)制是能源耦合體管控體系的頂層設(shè)計(jì),是耦合體各系統(tǒng)共同遵守的規(guī)定和準(zhǔn)則。通過(guò)清晰管理邏輯、明確職責(zé)界面、搭建體系框架,建立系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)、銜接順暢的制度體系和規(guī)范安全、準(zhǔn)確高效的作業(yè)流程,實(shí)現(xiàn)清潔低碳能源耦合體的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和可持續(xù)發(fā)展。建立的過(guò)程要從行業(yè)特點(diǎn)出發(fā),在系統(tǒng)性、完備性、規(guī)范性等維度開(kāi)展評(píng)估,避免橫向出現(xiàn)遺漏、交叉,縱向出現(xiàn)矛盾、不相容等問(wèn)題。同時(shí),不斷強(qiáng)化源頭識(shí)別、執(zhí)行檢查、評(píng)估診斷、動(dòng)態(tài)優(yōu)化,覆蓋“制定-執(zhí)行-評(píng)價(jià)-改進(jìn)”全過(guò)程。

(2)建立基于優(yōu)化配置的資源保障機(jī)制。資源保障機(jī)制作為管控體系的基礎(chǔ),在能源耦合體范圍內(nèi),基于目標(biāo)協(xié)同、信息協(xié)同、管理協(xié)同、資金協(xié)同、人員協(xié)同,集合石化、鋼鐵、煤炭行業(yè)的能量、物料等生產(chǎn)要素,統(tǒng)籌識(shí)別關(guān)鍵資源,進(jìn)行關(guān)鍵資源集約化配置和精細(xì)化布局,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵投入與重要產(chǎn)出同步最優(yōu)。這不僅可以最大限度降低耦合體成員間生產(chǎn)要素的內(nèi)耗,節(jié)約生產(chǎn)成本,還可以推動(dòng)產(chǎn)業(yè)循環(huán)式組合、企業(yè)循環(huán)式生產(chǎn),促進(jìn)項(xiàng)目間、企業(yè)間、產(chǎn)業(yè)間物料閉路循環(huán)、物盡其用,切實(shí)提高資源產(chǎn)出率。

(3)建立基于過(guò)程管控的運(yùn)行保障機(jī)制。建立實(shí)時(shí)優(yōu)化的運(yùn)維管理機(jī)制?；谶\(yùn)籌學(xué)與最優(yōu)化方法,按照“以統(tǒng)為主、統(tǒng)分結(jié)合”原則,依托新一代信息技術(shù),搭建運(yùn)維管控平臺(tái),全面感知耦合體運(yùn)行狀態(tài),實(shí)時(shí)收集耦合體動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)耦合體各成員設(shè)備運(yùn)行與資源調(diào)度深度融合。明確耦合體成員間運(yùn)維界面及安全責(zé)任,統(tǒng)籌耦合體成員間設(shè)備運(yùn)維計(jì)劃,在確保穩(wěn)定性、連續(xù)性、安全性的前提下,通過(guò)在線(xiàn)智能調(diào)度優(yōu)化,實(shí)時(shí)保持最優(yōu)動(dòng)態(tài)平衡。同時(shí),建立完善耦合體蓄能儲(chǔ)能機(jī)制,更好發(fā)揮相關(guān)設(shè)施的調(diào)節(jié)作用,以更加靈活的方式實(shí)現(xiàn)高效用能調(diào)度和安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)建立聯(lián)防聯(lián)控的風(fēng)險(xiǎn)管控機(jī)制?；陲L(fēng)險(xiǎn)預(yù)先控制、耦合體成員全員參與、持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化的原則,以“辨識(shí)、分析、評(píng)估、防控”為主線(xiàn),搭建能源耦合體風(fēng)險(xiǎn)全面管控系統(tǒng)平臺(tái),分級(jí)、分類(lèi)嵌入耦合體成員及耦合體自身全面完整的風(fēng)險(xiǎn)庫(kù),動(dòng)態(tài)模擬風(fēng)險(xiǎn)演化機(jī)理,明確風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。基于過(guò)程管控,開(kāi)展專(zhuān)業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,有效提取揭示運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn),為耦合體成員間實(shí)時(shí)共享風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息、動(dòng)態(tài)優(yōu)化安全運(yùn)維決策、高效實(shí)施逐級(jí)管控措施提供支撐。

(5)建立預(yù)防與處置并重的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制。建立與風(fēng)險(xiǎn)管控機(jī)制銜接配套的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制,以加強(qiáng)預(yù)警監(jiān)測(cè)與防范為先導(dǎo),堅(jiān)持預(yù)防與處置并重,以提升預(yù)防控制能力、預(yù)案管理能力、應(yīng)急處置能力、應(yīng)急保障能力為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)信息互通、工作互聯(lián)、能力共建、預(yù)案互補(bǔ)、力量互援、救援互動(dòng),確保發(fā)生突發(fā)事故時(shí)反應(yīng)敏捷、精準(zhǔn)響應(yīng),最大限度利用應(yīng)急保障資源。

(6)建立多維度可持續(xù)的效益共享機(jī)制。效益共享是協(xié)調(diào)耦合體成員關(guān)系、實(shí)現(xiàn)耦合體高質(zhì)量發(fā)展的重要保障。聚焦經(jīng)濟(jì)利益共享,以耦合體增量收益為基礎(chǔ),以提升整體效能為目標(biāo),明確經(jīng)濟(jì)利益共享規(guī)則,穩(wěn)定耦合體成員預(yù)期,實(shí)現(xiàn)多方共贏。

(7)建立多渠道全流程的反饋提升機(jī)制。暢通內(nèi)外反饋渠道,完善耦合體內(nèi)部動(dòng)態(tài)反饋流程,加強(qiáng)與供應(yīng)商、合作方、客戶(hù)、政府、第三方咨詢(xún)機(jī)構(gòu)等耦合體外部主體的交互對(duì)接,結(jié)合石化、鋼鐵、煤炭等行業(yè)特點(diǎn),強(qiáng)化跟蹤評(píng)估,以點(diǎn)的改進(jìn)帶動(dòng)面的提升,助力耦合體高效順暢運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 典型案例

4.1 “煤炭-石化-新能源”耦合體

以某企業(yè)構(gòu)建“煤炭-石化-新能源”耦合體系為例,擬充分利用可再生能源資源優(yōu)勢(shì),創(chuàng)新現(xiàn)代煤化工技術(shù)和可再生能源融合發(fā)展。其耦合流程見(jiàn)圖5。由圖5看出,依托創(chuàng)新工藝技術(shù)與多領(lǐng)域技術(shù)集成應(yīng)用,通過(guò)“C、H、O”元素重組,構(gòu)建了以“合成氣、甲醇、二氧化碳”等為中間原料的耦合體系,形成了“煤液化制油—煤制合成氣制甲醇—油醇共煉制烯烴—甲醇制烯烴”的高效產(chǎn)業(yè)鏈 ,以及“合成氣制甲醇-甲醇制煤基可降解材料—綠電制綠氫—綠氫和二氧化碳制合成氣”的低碳循環(huán)鏈。

圖5 “煤炭-石化-新能源”耦合流程示意圖

煤炭資源分級(jí)分質(zhì)處理后,通過(guò)“合成氣、氫氣、甲醇”等中間體,耦合集成煤液化、煤氣化、甲醇合成、油醇共煉、MTO、烯烴下游利用等多個(gè)煤炭轉(zhuǎn)化和石化領(lǐng)域的工藝技術(shù),將煤炭高效轉(zhuǎn)化為特種油品、高端石化新材料、可降解材料和煤基瀝青等。通過(guò)高效耦合“新能源發(fā)電制綠氫綠氧—煤液化用綠氫—煤氣化用綠氧”“煤氣化副產(chǎn)CO2—CCUS—綠氫與CO2制合成氣”“合成氣制甲醇—甲醇制可降解材料”等過(guò)程,減少過(guò)程碳排放,并使CO2得到了資源化利用。

4.2 耦合體效果預(yù)估

在資源的綜合利用方面,通過(guò)煤炭、石化、新能源3個(gè)行業(yè)的深度融合以及能源技術(shù)的集成創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)了煤炭等資源的高效利用。研究表明,“煤炭-石化-新能源”耦合后,煤基特種油品收率(不包括石腦油)高達(dá)17.1%,PX、EVA、聚丙烯等化工品收率高達(dá)17.2%,PGA等煤基生物可降解材料收率高達(dá)5.8%,煤基特種瀝青收率高達(dá)16%,上述高價(jià)值產(chǎn)品收率合計(jì)超過(guò)56%,高于已建煤化工項(xiàng)目的高價(jià)值產(chǎn)品收率。

在節(jié)能降碳方面,通過(guò)新能源發(fā)電和制綠氫綠氧、CCUS和CO2化工利用等措施,擬建新型煤化工項(xiàng)目的碳減排量約占原碳排放總量的20%以上,減排效果明顯;此外,由于采用油醇共煉技術(shù),耦合煤化工與煤制油工藝路線(xiàn),有利于降低能耗和二氧化碳排放。油醇共煉技術(shù)利用石腦油裂解和甲醇制烯烴反應(yīng)熱量互補(bǔ),甲醇和芳烴耦合時(shí)互相促進(jìn),實(shí)現(xiàn)反應(yīng)自熱平衡,大幅降低反應(yīng)熱負(fù)荷,提升對(duì)二甲苯和烯烴選擇性。初步預(yù)測(cè),與石腦油催化重整路線(xiàn)相比,油醇共煉技術(shù)路線(xiàn)反應(yīng)熱負(fù)荷降低約84%,混合芳烴中對(duì)二甲苯比例提高約40%,分離流程能耗降低約70%。

因此與同類(lèi)煤化工項(xiàng)目相比,初步預(yù)測(cè)擬建新型煤化工項(xiàng)目的萬(wàn)元工業(yè)增加值能耗下降約30%～50%,萬(wàn)元工業(yè)增加值二氧化碳排放強(qiáng)度下降約40%～70%。

5 結(jié) 論

(1)構(gòu)建多能互補(bǔ)的清潔低碳能源耦合體是促進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展的重要手段。多能互補(bǔ)的清潔低碳能源耦合體以“促進(jìn)系統(tǒng)能效提升、實(shí)現(xiàn)工業(yè)清潔生產(chǎn)、確保經(jīng)濟(jì)可靠和引領(lǐng)低碳發(fā)展”為核心目標(biāo)。通過(guò)行業(yè)間資源能源的內(nèi)外循環(huán),實(shí)現(xiàn)內(nèi)部單行業(yè)用能效率提升,以及外部行業(yè)間多元互補(bǔ)和多能耦合,確保體系能源供給的連續(xù)性、可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,從而打破行業(yè)用能壁壘,拓展資源多元化利用路徑,促進(jìn)行業(yè)進(jìn)一步節(jié)能增效和降碳減排,整體提升資源利用效率。

(2)構(gòu)建多能互補(bǔ)清潔低碳能源耦合體的關(guān)鍵在于創(chuàng)新。在科技創(chuàng)新方面,建立綠色能源供應(yīng)及應(yīng)用技術(shù)體系、化石能源清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù)體系、廢棄物資源循環(huán)化利用技術(shù)體系等,構(gòu)建形成“源頭—過(guò)程—末端”全過(guò)程的綠色高效科技體系,為行業(yè)間多種資源能源的耦合利用提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。在能源耦合互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新方面,建立智能優(yōu)化控制系統(tǒng),將各行業(yè)形成的物質(zhì)流、能量流進(jìn)行系統(tǒng)集成,構(gòu)建形成“開(kāi)放、互聯(lián)、共享、智慧”的“多能耦合互聯(lián)網(wǎng)”平臺(tái),保障行業(yè)間多種資源能源的安全高效智能流通。在管控模式創(chuàng)新方面,構(gòu)建以制度保障機(jī)制為統(tǒng)領(lǐng),以資源保障機(jī)制為基礎(chǔ),以運(yùn)維管理機(jī)制、風(fēng)險(xiǎn)管控機(jī)制、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制、效益共享機(jī)制、反饋提升機(jī)制為支撐的高效協(xié)同管控體系,將各行業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程融合于一體,進(jìn)一步疏通行業(yè)間資源能源的流通障礙,實(shí)現(xiàn)多行業(yè)一體化的安全高效運(yùn)營(yíng)。

(3)鋼鐵、石化等高耗能工業(yè)企業(yè)與新能源深度耦合,既是工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的重要出路,也是構(gòu)建新型能源體系的關(guān)鍵基礎(chǔ)。二者深度耦合需要依賴(lài)多能耦合技術(shù)的支撐,系統(tǒng)整合能源生產(chǎn)端、供應(yīng)端和消費(fèi)端的互動(dòng)關(guān)系。因此必須加快攻克關(guān)鍵核心技術(shù),完善高耗能工業(yè)多能耦合技術(shù)體系,同步開(kāi)展綠電與工業(yè)企業(yè)能源系統(tǒng)耦合智能化調(diào)控技術(shù)、替代化石燃料的大型裝備電氣化技術(shù)等多能耦合一體化技術(shù)研發(fā),為構(gòu)建中國(guó)新型能源體系提供有力技術(shù)支撐。