随着低碳经济时代的到来,我国也逐步实行以低能耗、低污染为基点的可持续发展模式, “ 十二五 ” 规划中明确提出节能减排战略目标。引用国际节能减排潜力研究手段,将 SD 模型与 LEAP 模型结合,能够准确预估我国石油炼制工业节能减排的潜力。首先,运用 SD 模型根据各行业耗能量估算出当前和未来若干年原油产量、炼制产品的需求量;其次,将上述数据及其他相应指标输入 LEAP 模型,得出基准情景和理想情景;然后,将两种情景与参考情景 ( 现有状况总结得出 ) 做出比较分析,找到问题和潜力所在;最后,提出相关可行性建议。 With the era of low-carbon economy, Chinais gradually implementing the sustainable development which is based on low energy consumption and low pollution, and has put forward the strategic target of energy conservation and emission reduction explicitly in “12th Five Year Plan”. Referencing the international research methods in the potential of energy-saving emission reduction, which combined SD model with LEAP model, the potential of energy conservation and emission reduction in our country’s petroleum refining industry can be forecasted accurately. Firstly, based on SD model and the amount of energy consumption in industries, the requirements of oil production and refined products in current and future several years can be estimated. Secondly, putting the data and relevant indicators into LEAP model can get the baseline scenario and ideal scenario. Then, making a comparative analysis between the two scenarios and the reference scenario which come from the conclusions about existing conditions can find problems and potential. Finally, some relevant feasible suggestions are put forward.
我国目前能源生产量位居世界第一位;基本能源消费占世界总消费量的10.4%,居世界第二位。虽然我国已经成为一个能源生产和消费大国,但我们应当清醒地看到:中国人均资源占有量少,人均能源资源可采储量远低于世界平均水平。在全面建设小康社会的过程中,一方面能源的可持续供应面临着很大压力。2008年,全国能源消费总量达到28.5亿吨标准煤。2008年全国能源消费总量按可比口径计算,比上年增长4%,而2008年中国一次能源生产总量只有26亿吨标准煤,我国能源供求形势十分紧张,国内能源供应缺口达到2.5亿吨标准煤。中国的石油对外依存度不断上升,2008年中国石油对外依存度突破50%大关。另一方面,可持续发展面临较大压力,尤其是如何满足小康社会对环境的要求面临着巨大挑战[
本文在详细总结低碳经济、SD模型和LEAP模型研究背景的基础上,深入研究SD模型和LEAP模型的概念、软件、使用方法和发展状况,将二者结合构建SD-LEAP模型针对我国石油炼制行业节能减排潜力进行仿真研究。首先运用SD模型根据各行业耗能量估算当前和未来若干年原油产量、炼制产品的需求量;其次,将上述数据及其他相应指标输入LEAP模型,得出基准情景和理想情景;然后,将两种情景与参考情景(现有状况总结得出)做出比较分析,找到问题和潜力所在;最后,提出相关可行性建议。运用SD-LEAP模型能够将系统动力学和LEAP软件的优点结合,从原油产量、炼制品需求量至碳排放量、碳排放潜力,进行一体化流程仿真,为以后我国石油炼制工业及其他行业节能减排的潜力分析提供一种新型研究方法和思路,以期真实有效、科学准确地预测行业节能减排前景和潜力,为我国低碳经济的发展做出一定贡献。
低碳理论建立在自然规律基础之上,是依据基本的地球物质循环及碳平衡原理的而建立起来的经济理论[
1) 对低碳经济概念的合理界定。较早研究低碳经济的学者庄贵阳认为:“低碳经济是指依靠技术创新和政策措施,实施一场能源革命,建立一种较少排放温室气体的经济发展模式,从而减缓气候变化。低碳经济的实质是能源效率和清洁能源结构问题,核心是能源技术创新和制度创新,目标是减缓气候变化和促进人类的可持续发展。”付允等认为:“低碳经济是一种绿色经济发展模式,是以低能耗、低污染、低排放和高效能、高效率、高效益(三低三高)为基础,以低碳发展为发展方向,以节能减排为发展方式,以碳中和技术为发展方法的绿色经济发展模式。”
2) 能源消费与碳排放。包括与碳减排有关的能源消费结构的转换和低碳排放能源系统的建立;2006年,Kawase等评述和编制了几个长期气候稳定性情景,并将这种排放量的变化分解为几个因素:碳排放强度、能源效率、经济活动等等。他们指出:总的能源密集度的提升速度和碳排放强度的降低速度必须是先前40年达到的60%~80%降低量目标的2~3倍。
3) 经济发展与碳排放。主要探讨不同经济发展模式、速度与碳排放的关系;2005年,Treffe等对荷兰能源系统也进行了愿景分析,与1990年相比,2050年温室气体排放量将降低80%。其研究得出结论:如果设计和应用大量的方案措施,经济的强势增长的同时温室气体排放量的持续降低是可行的。人民大学的周元春和邹骥采用对数平均Divisia因素分解法(LMDI)定量分析能源结构、能源效率、经济发展水平、人口和排放强度这几类影响碳排放的因素对发展低碳经济的影响程度。通过与其它几个主要温室气体排放国家的情况进行对比研究,发现我国现有的能源结构、能源效率、人口和排放强度都处于不利的阶段,要想发展低碳经济,必须从改进技术水平、提高能效和改善能源结构方面努力。
4) 碳减排的经济风险分析与减排对策研究。在研究方法上除了简单的相关分析、区域对比分析之外,一些基于大量数据的综合模型分析也越来越受到重视,如碳循环能源模型、动态综合评估模型、能源消费–碳减排经济关联模型等。2005年Tum Penny等人研究出了一种针对局部地区气候变化的减缓模型,并将之实际应用于英国西部地区,并取得了使该地区温室气体排放下降60%的效果。2007年Shimada等人针对Tum Penny的模型缺点做出修改,构建了一个包括一系列预测社会经济指标和二氧化碳排放量的模型,并把它应用于日本的滋贺县,通过实际验证了Tum Penny的方法并取得了显著效果,它们分别能降低二氧化碳排放量的比例为30%、40%、50%。
1956年,系统动力学由美国麻省理工学院的福雷斯特教授创立。1958年,福雷斯特教授发表了系统动力学的奠基之作——《工业动力学—决策的一个重要突破口》。1961年,福雷斯特教授出版《工业动力学》一书,正式宣布系统动力学的诞生。此阶段作为系统动力学的诞生阶段,明确了结构的概念,从反馈环的角度来认识系统,研究平衡条件变动时系统的动态行为。之后不断的研究发展,1968年出版《系统原理》论述了系统动力学的基本原理和方法,1969年出版的《城市动力学》研究波斯顿市的各种问题,总结了美国与西方城市兴衰问题的理论与应用研究成果,提出“城市模型”。
针对世界范围内的人口、自然资源、工业、农业等因素的相互联系和制约,以及产生各种可能的后果等研究,福雷斯特教授于1971年发表《世界动力学》,提出了“世界模型Ⅱ”;梅多斯于1972年出版《增长的极限》和1973年出版《趋向全球的均衡》,提出了更为细致的“世界模型Ⅲ”,阐述了他们对未来世界发展的观点。之后,福雷斯特又完成了一个多达4000个方程的美国“国家模型”,该模型成功的研究了通货膨胀和失业等社会经济问题,并第一次从理论阐明了西方经济学家长期争论不休的经济长波产生的机制。
随着系统动力学应用在世界范围内的广泛传播,其自身也获得新的进展。系统动力学正加强与控制理论、系统科学、灵敏度分析、最优化技术应用等方面的联系。许多学者纷纷采用系统动力学方法来研究各自的社会经济问题,涉及到经济、能源、交通、环境、生态、生物、医学、工业、城市等广泛的领域。
LEAP模型自1997年问世之后,应用和研究逐步推广,已涉及到我国多个领域。Baolei Gu运用LEAP模型预测了中国能源系统的在未来的发展情景和能源需求。张颖、王克[
系统动力学(System Dynamic)模型简称为SD模型,是在20世纪50年代末由美国麻省理工学院史隆管理学院教授福雷斯特(Jay W. Forrester)提出来的一种以系统动力学的理论与方法为指导,建立出的用以研究复杂地理系统动态行为的计算机仿真模型体系。构建该模型的一般步骤为:明确问题,绘制因果关系图,绘制系统动力学模型流图,建立系统动力学模型,仿真实验,检验或修改模型或参数,战略分析与决策。
长期能源可替代规划系统模型(Long-Range Energy Alternatives Planning System)简称为LEAP模型,是由斯德哥尔摩环境协会和波士顿大学(SEI-B)合作开发的基于情景分析法的“能源–环境”规划系统[
SD-LEAP模型即将目前广泛应用于工业企业和科研界的系统动力(SD)模型与尚未普及于国内石化行业的长期能源可替代规划系统(LEAP)模型结合,探索我国石油炼制工业节能减排的潜力。
首先,运用SD模型根据各行业耗能量(如工业、交通、民用、商用等)估算出当前和未来若干年原油产量、炼制产品的需求量;其次,将上述数据及其他相应指标(如GDP、人口等)输入LEAP模型,得出基准情景(利用当前趋势推测)和理想情景(依据专家建议政策推测);然后,将两种情景与参考情景(现有状况总结得出)做出比较分析,找到问题和潜力所在;最后,提出相关可行性建议。
该模型在我国石油炼制工业节能减排潜力探究中的应用如图2所示。
为调查我国石油炼制工业在当前技术水平下的
图1. LEAP模型软件图
图2. SD模型在我国石油炼制工业节能减排潜力探究中的应用流程图
碳排放量,需要开发一种循环模式来分析炼油工业各个过程的相关数据[
作为一款“能源–环境”模型软件,LEAP模型通过能源需求和转换来实现和比较不同的情境分析。尽管从根本上说,LEAP模型仅是一种描述性的框架,但用户却能通过简单的描述达到理想情境的复杂模拟。基准情景中的主要社会经济指标如表1所示。
表1. 社会经济主要指标
将上表数据输入LEAP模型能够得出各指标在未来若干年的相应数据预测(如表2)。
依照正常预估结果,工业领域的温室气体排放量在我国各领域中最大。为了减低碳排放量,我国政府鼓励使用包括天然气在内的废矿物燃料,而基准情景和理想情景可以用来比较新技术或新政策对CO2排量的影响。表3列出了政府间气候变化专门委员会(IPCC)研究的CO2排量系数,依此可分析石油炼制行业节能减排的潜力。
以未来二十年为区段的基准情景是基于当前石化产品的需求量发展趋势设定的,这些产品的需求量决定了能源消耗、原料消耗和石化产品的制造数量。由于CDU巨大的产品需求,其能源消耗量比其他流程更大。RFCC是第二大能源消耗体,尽管它的产品需求量低于其他流程,但能源高度密集型的特点促使它的耗能量更大。因此,能耗量排放量最大的CDU成为了CO2总排量的主要贡献者。不过,尽管RFCC的能耗量高于包括煤油和LGO HDS在内的其他流程,但它的CO2排放量却不如上述二者,这是由于煤油和LGO HDS更多使用B-C油(CO2排放量很高的油类)。
依据基准情景中我国石油炼制工业的发展模式和趋势,找准主要能耗流程和CO2主要排放流程,即可对症下药,针对主要流程制定相关政策,改进相关技术,大规模降低石油炼制工业的能源消耗量和CO2排放量,实现理想情景,如下节内容所示。
表2. 运用LEAP模型测得基准情景
表3. 石油炼制工业中的CO2排放系数(单位:吨碳/吨油当量)
理想情景的设定主要依赖于各类节能减排新技术的运用[
1) 第一种情景是利用经由CDU过程预照的原油蒸馏法,这种技术能通过减少每单位的原油需求量来降低CDU的工作量。本情景假定此技术将会在2030年完全取代传统的无预照技术。
2) 第二种情景是在VDU流程中结合蒸汽剥离技术应用真空蒸馏法,这种技术将蒸汽加入装有AR的熔炉以减小碳氢化合物的分压。本情景假定此技术将会在2030年完全取代无蒸汽剥离技术的传统方法。
表4. 依据LEAP模型推测的我国石油炼制企业节能减排情景指标表
3) 第三种情景是在LGO HDS流程中使用氧化脱硫技术。藉此技术,我们能够在炼油气体中还原99%甚至更多的硫磺,实现深度脱硫。这项技术预计将会在2014年得到完善,因此本情景假定此技术将会在2015年开始取代现有方法。
4) 第四种情景通过改变内部型真空蒸馏塔节省能量,这种技术能够通过利用真空喷射器规整填料和良好分离带来的低压以减少能耗。此技术在2009年刚刚完善,因此本情景设定此技术在2010年才开始取代现有方法。
5) 第五种情景是在减压渣油流程中保留塔顶蒸汽余热,这些在VDU中的回流水的热能之前并没有重复利用。从系统中保存热能的技术也是在2009年才得到完善的,因此本情景将此技术取代传统方法的开始时间设置在2010年。
通过将参考情景、基准情景、理想情景中我国石油炼制工业的各类流程在2020年和2030年的能源消耗量总和与CO2排放量总和对比分析,排查出我国石油炼制工业当前在各个环节中的不足之处和提升潜力,制定相应对策解决问。在利用SD-LEAP模型认真研究的基础上,本文提出以下对策和建议,以期从政策调整、设备更新和技术改造等三方面大力开发石油炼制行业节能减排潜力。
1) 政策调整
我国石油炼制行业应当调整“产量为先”的传统政策,响应国家“十二五”规划中对节能减排工作的号召,充分认识到可持续发展的重要性。在政策引导上,将节能减排纳入制定政策时的重要考虑因素,做到每一项政策的制定都能融入节能减排理念,绝不出台有损节能减排效果的政策。在激励导向上,对各个部门的节能减排水平严格考核,定期量化,将节能减排指标作为奖惩依据之一。在法规制定上,对节能减排工作的实施、考核和奖惩设定出明确规定,使其每一方面的运作都有法可依。在人事安排上,成立节能减排专项研究、评估及监督小组,将节能减排工作真正落实。在企业文化上,定期举行节能减排主题活动,张贴环保宣传标语,营造节能氛围和企业文化。
2) 设备更新
在石油炼制流程系统中,许多现有设备已经无法满足既保证炼制品产量、又实现节能减排的双重要求。各石油炼制单位应该节省不必要开支,加大节能减排的资金投入,尽快更换过期设备。对无法更换或只需局部调整的设备进行必要维护,将电子仪器的运行参数实施科学、精确地设置和运算,淘汰耗能过大、产能落后的不必要设备,做到每一台设备都能达到产能和耗能的完美结合。对每一台设备都实行定期检查,定量统计设备运行状况,使设备的维护、修理和更换及时进行。同时,各石油炼制单位应当进一步增设、健全能源管理信息系统,对油气开采每一个环节的能源消耗实行定点定时量化,时刻重视节能减排工作。
3) 技术改造
石油炼制单位现有生产流程基本都是在多年之前设计而成,未必考虑到当今节能减排的因素。应当对生产流程进行定时评估、节点改造,力求使石油炼制行业的整个流程都能跟上时代步伐,达到节能减排的最佳效果。各单位需要聘请相关专家对石油炼制工人进行分批培训,在灌输节能减排责任意识的基础上,加强职工操作技术水平,减少操作过程中的能源浪费。另外,还要投入相应资金研发新型专业技术,不断提升节能减排成效。
目前对我国石油炼制工业节能减排的研究日渐增多,但对其潜力的研究几乎没有。本文突破国际能源–环保研究潮流中最前沿的LEAP模型的使用范围,研习国际低碳经济学界的最新研究思路,将SD模型与LEAP模型结合,并运用于石油炼制工业,着重分析我国石油炼制工业节能减排的潜力探究;为以后我国石油炼制工业及其他行业节能减排的潜力分析提供了一种新型研究方法、思路,并列出了整体框架和所需指标,响应了国家近期颁布实施的“十二五”计划中对节能减排的要求。
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